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RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
Síntesis de Epiclorhidrina a
partir de propileno
Profesor:
Ingeniero Coutsiers, Daniel
Integrantes: González, Virginia M Leg: 48112 Martínez, Ricardo Leg: 47779 Peralta Profini, Sebastián Leg: 44855 Simón, Mirna Leg: 47887
2011
Universidad Tecnológica Nacional Tecnología de la Energía Térmica
Facultad Regional Córdoba Red de Intercambiadores de Calor: Epiclorhidrina
González, Martínez, Peralta Profini, Simón 2
Introducción ................................................................................................................. 5
Breve descripción del proceso .................................................................................. 5
Gráfico Nº 1 - Flowsheet ........................................................................................................ 7
Tabla Nº 1 – Condiciones de las Corrientes ............................................................................. 8
Análisis de la Primera Ley ............................................................................................. 9
Gráfico Nº2 – Diagrama de Temperaturas ............................................................................ 12
Tabla Nº 2 – Corrientes que intervienen en los intervalos ..................................................... 13
Tabla Nº 3 – Calor de Intervalos ........................................................................................... 14
Diagrama de cascada .................................................................................................. 15
Gráfico Nº 3 - Diagrama de Cascada ..................................................................................... 16
Temperatura de Pinch ............................................................................................ 17
Carga mínima de utilidades ..................................................................................... 17
Diagrama Temperatura- Entalpía ................................................................................ 17
Gráfico Nº 4 – Diagrama Temperatura vs Entalpía ................................................................ 19
Gráfico Nº 5 – Ampliación de la zona del Pinch ..................................................................... 20
Curva Grand Composite .............................................................................................. 20
Gráfico Nº 6 - Curva Grand Composite ................................................................................ 22
Número mínimo de intercambiadores ........................................................................ 22
Gráfica Nº 7 – Diagrama de Cajas ......................................................................................... 23
ALTERNTIVA 1 ............................................................................................................. 23
Diagrama de Temperaturas..................................................................................... 24
Gráfico Nº8 – Diagrama de Temperaturas Alternativa 1 ........................................................ 24
Diagrama de bloques .............................................................................................. 25
Gráfica Nº 9 – Diagrama de Cajas Alternativa 1 .................................................................... 25
Cálculo del número de intercambiadores ................................................................ 25
ALTERNATIVA 2 .......................................................................................................... 30
Diagrama de Temperaturas..................................................................................... 31
Gráfica Nº 10 – Diagrama de Temperaturas Alternativa 2 ..................................................... 31
Diagrama de cajas ................................................................................................... 32
Gráfica Nº 11 – Diagrama de Cajas Alternativa 2................................................................... 32
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Cálculo del número de intercambiadores ................................................................ 32
Cálculo de los nuevos equipos ................................................................................ 33
ALTERNATIVA 3 .......................................................................................................... 39
Diagrama de Temperaturas..................................................................................... 40
Gráfico Nº 12 – Diagrama de Temperaturas Alternativa 3 ..................................................... 40
Diagrama de Cajas .................................................................................................. 41
Gráfico Nº 13 – Diagrama de Cajas Alternativa 3 .................................................................. 41
Cálculo del número de intercambiadores ................................................................ 41
Cálculo de los nuevos equipos ................................................................................ 42
Resumen de Áreas y Caudales .................................................................................... 47
Alternativa Nº 1 (Sin Red) ....................................................................................... 47
Tabla Nº 4 – Resumen de áreas y caudales Alternativa 1....................................................... 47
Alternativa Nº 2 ...................................................................................................... 48
Tabla Nº 5 – Resumen de áreas y caudales Alternativa 2....................................................... 48
Alternativa Nº 3 ...................................................................................................... 49
Tabla Nº 6 – Resumen de áreas y caudales Alternativa 3....................................................... 49
Evaluación de costos................................................................................................... 50
Costo para la alternativa 1 ...................................................................................... 50
Costo del agua de enfriamiento por año.............................................................. 50
Costo del vapor de calentamiento por año .......................................................... 50
Costo de Total Alternativa 1 ................................................................................ 52
Tabla Nº 7 – Costo Total Alternativa 1 .................................................................................. 52
Tabla Nº 8 – Áreas Disponibles ............................................................................................. 52
Costos de Equipos de la Alternativa 2...................................................................... 53
Tabla Nº 9 – Costo de Equipos de Alternativa 2 .................................................................... 53
Costos de Equipos de la Alternativa 3...................................................................... 53
Tabla Nº 10 – Costo de Equipos de Alternativa 3 .................................................................. 53
Costo de Servicios Auxiliares ................................................................................... 54
Tabla Nº 11 – Costo de Servicios Auxiliares........................................................................... 54
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Costos Totales ........................................................................................................ 54
Tabla Nº 12 – Costo Totales ................................................................................................. 54
Cálculo de TIR y VAN ............................................................................................... 54
Calculo del VAN................................................................................................... 55
Conclusión .................................................................................................................. 57
Bibliografía ................................................................................................................. 59
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Introducción
En todo proceso químico industrial es fundamental el aprovechamiento máximo de la
energía, por lo tanto se analizará la posibilidad de instalar una red de intercambiadores para el
proceso de obtención de Epiclorhidrina.
En cualquier flowsheet de proceso existe un número de corrientes que deben ser
calefaccionadas y otras que requieren refrigeración. Por lo tanto el punto de partida para
cualquier análisis de integración de energía es el cálculo de los requerimientos mínimos de
calefacción y refrigeración. Esto lleva a plantear distintas posibilidades de diseño de la red de
intercambiadores.
También se calcula el número mínimo de intercambiadores para cada alternativa
planteada, necesarios para obtener el mínimo requerimiento de energía.
Breve descripción del proceso
La síntesis de Epiclorhidrina se realiza por cloración del Propileno en fase vapor a alta
temperatura, donde ocurre la sustitución de un hidrógeno del metilo, obteniendo Cloruro de
Alilo. Para lograr un rendimiento óptimo del cloruro de alilo se agrega propileno en exceso.
El primer paso del proceso es la formación de Cloruro de Alilo a 550ºC
aproximadamente, con un exceso de cinco veces en Propileno y cloro. El propileno es
calentado previamente a 400ºC por un precalentador ignitubular a combustión de gas natural
(Butano). El cloro ingresa a temperatura ambiente.
Estos gases reaccionan en una tobera mezcladora de gases (T-1), donde elevan su
temperatura por ser la reacción exotérmica alcanzando los 550ºC, necesarios para que exista
la cloración del propileno. Aquí existe un refrigerador para mantener los gases a la temperatura
requerida (R-1)
Las impurezas son separadas de los productos por absorción en una torre de burbujeo
(T-2), con kerosene al que luego se lo destila en una torre fraccionadora, para retornarlo a su
respectiva corriente.
La corriente de producto a la salida de T-2 se encuentra a 30ºC y es tratada con Acido
Hipocloroso en la Torre (T-5) formando Diclorhidrina.
El Acido Hipocloroso es preparado en otra torre de reacción (T-4) con agua destilada
(obtenida por condensación del vapor de caldera) y cloro a 25ºC y 2 atm.
La diclorhidrina se saponifica por la acción de Hidróxido de Sodio al 50%,
transformándose en Epiclorhidrina en la Torre de reacción (T-6).
La Epiclorhidrina luego es precalentada en P-2 para ser separada rápidamente de la
corriente por destilación azeotrópica en C-2, obteniéndose una concentración de 75% de
Epiclorhidrina en agua. La corriente de salida de C-2 se hace pasar por un condensador (R-3)
para llegar finalmente a una torre de destilación fraccionada (T-7) donde se obtiene una pureza
del 98% en el producto final.
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Para su almacenamiento en depósitos, la epiclorhidrina no debe exceder los 35ºC, por
lo cual es necesario disminuir su temperatura en un intercambiador (R-2)
Para obtener el agua destilada necesaria en los equipos T-4 y T-8 se utiliza un
destilador (C-1).
Puede observarse a simple vista cuales son los equipos en donde hay intercambio
calórico y es posible, por lo tanto, incluir las corrientes que en ellos intervienen en una red de
intercambiadores de calor.
Estos equipos son:
1. Refrigerador 1 (R-1), donde ingresa la corriente 1 (caliente)
2. Precalentador 2 (P-2), donde ingresa la corriente 2 (fría)
3. Condensador (R-3), donde ingresa la corriente 3 (caliente)
4. Condensador de la torre de destilación fraccionada (T-7), donde ingresa la
corriente 4 (caliente)
5. Reboiler de la torre de destilación fraccionada (T-7), donde ingresa la corriente
5 (fría)
6. Refrigerador (R-2), donde ingresa la corriente 6 (caliente)
7. Destilador (C-1), donde ingresa la corriente 7 (fría)
El procedimiento para el diseño requiere que los valores de FCp de las corrientes sean
constantes, por lo tanto para el caso de los condensadores y el reboiler, donde ocurre cambio
de fase a temperatura constante, pueden incorporarse a la red, asumiendo como un formalismo
que el mismo ocurre con un cambio de temperatura de 1ºC y calculando luego un FCp ficticio.
Por ejemplo si el calor correspondiente al cambio de fase es F nosotros decimos que:
Ff x Cpf = F x
donde Ff y Cpf son valores ficticios.
A continuación se presenta el flowsheet del proceso para el cual se diseña la red de
intercambiadores.
Referencias del diagrama de flujo:
Línea de proceso por donde circula el producto.
Línea de proceso por donde circulan reactivos y productos secundarios.
Línea del vapor a 155ºC
Línea de agua a 25ºC (para evitar la superposición de líneas no se dibujó la
línea de flujo de agua, sin embrago se remarcó cada uno de los equipos que la utilizan).
Hv
Hv
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Gráfico Nº 1 - Flowsheet
F1 550ºC
T-1
R -1
T-2
kerosene
T-5T-4
C loroProp ileno
T-3
Acido
H ipocloroso
T-6
F2
50ºC
C-2
F3
98ºC
R-3
P-2
F4
125.5ºC
F5
116.9ºC
R -2
EPIC LO R H ID R IN A 98%
T-8
H C l
N aO H
F6
117.9ºC
F7
25ºC
Vapor condensado
Agua destilada a 70ºC
Agua a 90ºC
A ch im enea
C ALD ER A
vapor
C-1
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De acuerdo al análisis del proceso se tiene el siguiente de listado de corrientes que se
desea optimizar:
Tabla Nº 1 – Condiciones de las Corrientes
Para las corrientes 3, 4 y 5 se toma como Cp el valor de la entalpía de la corriente, ya
que en estos equipos ocurre cambio de fase. Y en los casos donde el mismo ocurre a
temperatura constante se considera un cambio de temperatura de 2ºC.
En la tesis se dispone de los siguientes servicios:
Agua de refrigeración a 25ºC:
Vapor de calefacción a 155ºC:
Corriente Condición F (kg/hr) Cp (kcal/kg*C) Tinicial (ºC) Tfinal (ºC) Q (kcal/hr)
1 Caliente 416,4 0,87 550 35 186568,02
2 Fría 318,9 1,17 50 95 -16790,085
3 Caliente 171,77 313,75 99 97 107785,675
4 Caliente 42,94 100,52 125,5 123,5 8632,6576
5 Fría 128,83 111,8 116,9 118,9 -28806,388
6 Caliente 128,83 1,049 117,9 35 11203,32734
7 Fría 2352 10 25 90 -1528800
-1260206,793
Calor específico del agua:
Densidad del agua:
Salto térmico del agua:
Temperatura del vapor:
Calor específico del vapor:
Volumen específico del vapor:
CPw 1kcal
C kg
w 1000kg
m3
Tiw 25 C Tfw 90 C
T w Tfw Tiw 65 C
Tv 155 273( ) C 428K
584kcal
kg
vev 0.0868m
3
kg
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Análisis de la Primera Ley
El mismo consiste simplemente en calcular el calor disponible en las corrientes
calientes y el requerido por las corrientes frías, la diferencia entre estos dos valores es la
cantidad neta de calor que debería ser removida o adicionada para satisfacer la Primera Ley.
Este cálculo de la Primera Ley no considera el hecho de que es posible transferir calor
desde una corriente caliente a una fría, solo si la temperatura de la corriente caliente excede la
de la fría. Por ende, para obtener una estimación físicamente realizable de los requerimientos
de calefacción y refrigeración debe existir una fuerza impulsora de temperatura positiva entre
las corrientes calientes y frías.
En otras palabras, cualquier red de intercambiadores de calor que desarrollemos debe
satisfacer tanto la Segunda como la Primera Ley.
Corrientes calientes [kcal/kg*ºC]:
Corrientes frías [kcal/kg*ºC]:
FCp1
416.4kg
hr0.87
kcal
kg °C362.268
kcal
hr °C
FCp3
171.77kg
hr313.75
kcal
kg °C5.389 10
4 kcal
hr °C
FCp4
42.94kg
hr100.52
kcal
kg °C4.316 10
3 kcal
hr °C
FCp6
128.83kg
hr1.049
kcal
kg °C135.143
kcal
hr °C
FCp2
318.9kg
hr1.17
kcal
kg °C373.113
kcal
hr °C
FCp5
128.83kg
hr111.8
kcal
kg °C1.44 10
4 kcal
hr °C
FCp7
2352kg
hr10
kcal
kg °C2.352 10
4 kcal
hr °C
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: Temperatura inicial : Temperatura final
Ti Tf
FCP
362.268
373.113
5.389 104
4.316103
1.44 104
135.143
2.352 104
kcal
hr °CTi
550
50
99
125.5
116.9
117.9
25
°C Tf
35
95
97
123.5
118.9
35
90
°C
T Ti TfT
515
45
2
2
2
82.9
65
°C
i 1 7
Qi
FCPi
Ti
Q
1.866 105
1.679 104
1.078 105
8.632 103
2.88 104
1.12 104
1.529 106
kcal
hr
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Calor en las corrientes calientes (signo positivo) y calor requerido por las corrientes
frías (signo negativo).
A partir del balance global de energía del sistema se puede observar que es necesario
agregar 1.2602E+06 kcal/hr para satisfacer el requerimiento de las corrientes frías.
Este análisis es una manera muy simple de incorporar las consideraciones de la
Segunda Ley en el análisis de integración energética.
ΔT mínimo: 10 ºC. Se establece como fuerza impulsora entre las corrientes calientes y
frías que garantiza el posible intercambio calórico para el diseño de la red.
Entonces, los intervalos de temperatura, se obtienen graficando las corrientes frías y
las corrientes calientes con un desfasaje de 10 °C (Requerimiento del ΔT mínimo establecido).
Luego se establecen una serie de intervalos de temperatura que corresponden a la
cabeza y la cola de los arreglos que resultan en el gráfico. En cada uno de los intervalos es
posible transferir calor desde la corriente caliente a la fría, ya que nos hemos asegurado de
contar con la fuerza impulsora adecuada. Por supuesto que también es posible transferir calor
desde cualquiera de las corrientes calientes en intervalos de temperatura superiores a
cualquiera de las corrientes frías que se encuentren en intervalos de menor temperatura. Sin
embrago, como punto de partida se considerará la transferencia de calor en cada intervalo por
separado.
Con esto se corroborará por medio de la Segunda Ley el requerimiento mínimo de
calor.
Calor total disponible en las corrientes calientes.
Calor total requerido por las corrientes frías.
Qh 3.142 105 kcal
hrQh Q
1Q
3Q
4Q
6
Qc Q2
Q5
Q7 Qc 1.574 10
6 kcal
hr
Qr 1.26 106 kcal
hrQr Qc Qh
i
Qi
1.2602 106 kcal
hr
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IntervalosFCpc (KJ/ ºC*hr) FCpf (KJ/ ºC*hr)
60°C
65°C
70°C
75°C
80°C
85°C
90°C
95°C
100°C
115°C
120°C
125°C
105°C
110°C
40°C
45°C
50°C
55°C
130ºC
60°C
65°C
70°C
75°C
80°C
85°C
90°C
95°C
100°C
115°C
105°C
110°C
35°C
40°C
45°C
50°C
55°C
15ºC
25°C
30°C
120°C
25°C
490ºC
35°C
30°C
500ºC
10ºC20°C
3 41 2 5 76
Temp de Pinch
373.113 14400 23520362.268 53890 4316 135.143
520ºC
540ºC
20ºC
510ºC
530ºC
35ºC
550ºC
99ºC
97ºC
123.5ºC
125.5ºC
117.9ºC
35ºC
95ºC
50ºC
116.9ºC
118.9ºC
25ºC
90ºC
1
2
34
5
6
7
89
10
11
Gráfico Nº2 – Diagrama de Temperaturas
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Intervalos Corrientes que intervienen Tinicial (ºC) Tfinal (ºC)
1 1 550 128.9
2 1,5 128.9 126,9
3 1 126.9 125.5
4 1, 4 125.5 123.5
5 1 123.5 117.9
6 1, 6 117.9 105
7 1, 6, 2 105 100
8 1, 6, 2, 7 100 99
9 1, 3, 6, 2, 7 99 97
10 1, 6, 2, 7 97 60
11 1, 6, 7 60 35
Tabla Nº 2 – Corrientes que intervienen en los intervalos
i 1 11
Tiint
550
128.9
126.9
125.5
123.5
117.9
105
100
99
97
60
35
°C T int
421.1
2
1.4
2
5.6
12.9
5
1
2
37
25
°CT inti
Tiinti
Tiinti 1
Qint1
FCp1
T int1
Qint1
1.526 105 kcal
hr
Qint2
FCp1
FCp5
T int2
Qint2
2.808 104 kcal
hr
Qint3
FCp1
T int3
Qint3
507.175kcal
hr
Qint4
FCp1
FCp4
T int4
Qint4
9.357 103 kcal
hr
Qint5
FCp1
T int5
Qint5
2.029 103 kcal
hr
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Se puede observar que la sumatoria del calor disponible en todos los intervalos
coincide con el resultado que se obtuvo en la Primera Ley.
Intervalos Q (kcal/hr)
1 1.526E+05
2 -2.808E+04
3 507.175
4 9.357E+03
5 2.029E+03
6 6.417E+03
7 621.448
8 -2.34E+04
9 6.099E+04
10 -8.656E+05
11 -5.756E+05
-1.2602E+06
Tabla Nº 3 – Calor de Intervalos
Qint6
FCp1
FCp6
T int6
Qint6
6.417 103 kcal
hr
Qint7
FCp1
FCp6
FCp2
T int7
Qint7
621.488kcal
hr
Qint8
FCp1
FCp6
FCp2
FCp7
T int8
Qint8
2.34 104 kcal
hr
Qint9
FCp1
FCp3
FCp6
FCp2
FCp7
T int9
Qint9
6.099 104 kcal
hr
Qint10
FCp1
FCp6
FCp2
FCp7
T int10
Qint10
8.656 105 kcal
hr
Qint11
FCp1
FCp6
FCp7
T int11
Qint11
5.756 105 kcal
hr
i
Qinti
1.2602 106 kcal
hr
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Diagrama de cascada
Una manera de satisfacer los requerimientos mínimos de calefacción y refrigeración en
cada intervalo de temperatura es simplemente transferir cualquier exceso de calor a una
utilidad fría y adicionar cualquier requerimiento de calefacción a partir de una utilidad
caliente.
El siguiente diagrama de cascada se realiza con los calores obtenidos para cada
intervalo de temperatura.
int
Uc
1
1
i
Qinti
Uc
1
2
i
Qinti
Uc
1
3
i
Qinti
Uc
1
4
i
Qinti
Uc
1
5
i
Qinti
Uc
1
6
i
Qinti
Uc
1
7
i
Qinti
Uc
1
8
i
Qinti
Uc
1
9
i
Qinti
Uc
1
10
i
Qinti
Uc
1
11
i
Qinti
1.413 106
1.385 106
1.385 106
1.395 106
1.397 106
1.403 106
1.404 106
1.38 106
1.441 106
5.756 105
0
kcal
hr
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Gráfico Nº 3 - Diagrama de Cascada
H
O
T
U
T
I
L
I
T
Y
C
O
L
D
U
T
I
L
I
T
Y
QInt2= -2.808E+4 kcal/hr
QInt1= 1.526E+5 kcal/hr
QInt6= 6.417E+3 kcal/hr
Pinch
QInt3= 507.175 kcal/hr
QInt4= 9.357E+3 kcal/hr
QInt5= 2.029E+3 kcal/hr
1.38518E+6
1.40361E+6
1.39454E+6
QInt7= 621.488 kcal/hr
QInt8= -2.34E+4 kcal/hr
QInt9= 6.099E+4 kcal/hr
QInt10= -8.656E+5 kcal/hr
5.756E+5
1.44121E+6
40ºC
50ºC
60ºC
70ºC
80ºC
90ºC
100ºC
110ºC
120ºC
130ºC
35ºC
45ºC
55ºC
65ºC
75ºC
85ºC
95ºC
105ºC
115ºC
125ºC
550ºC
45ºC
80ºC
95ºC
110ºC
25°C
35ºC
30°C
40ºC
75ºC
90ºC
100ºC
115ºC
540ºC
QInt11= -5.756E+5 kcal/hr
1.41276E+6
1.38468E+6
1.40299E+6
1.39657E+6
1.38021E+6
50ºC
55ºC
60ºC
65ºC
70ºC
105ºC
120ºC
85ºC
1.26E+6
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A partir de esta figura puede observarse que es necesario colocar una utilidad caliente
(1.26021E+06 kcal/hr), igual a la calculada anteriormente.
El intervalo 1 tiene una cantidad de calor disponible mayor al requerido por el
intervalo 2, por lo tanto puede cederle su calor y aún así quedar un remanente.
Este remanente es cedido al intervalo 3, del 3 al 4, del 4 al 5... y así sucesivamente
hasta que finalmente el sistema agota toda la capacidad energética, por lo cual no es necesario
una utilidad fría.
Temperatura de Pinch
Es la temperatura en la que se produce un corte en el diagrama de cascada. Por arriba
de ella sólo se puede agregar calor al sistema y por debajo sólo se puede extraer calor del
mismo. Nunca hay dos temperaturas de Pinch.
Del análisis del diagrama de cascada se observa que todas las corrientes están por
encima de la temperatura del pinch. En este caso la misma se encuentra a 35ºC para las
calientes y a 25ºC para las frías.
Se asume una temperatura promedio para T de pinch de 30ºC para graficar la Grand
Composite Curve.
Tph = 35ºC temperatura de pinch de la corrientes calientes
Tpc = 25ºC temperatura de pinch de la corrientes frías
Tp = 30 ºC
Carga mínima de utilidades
Como se aclaró anteriormente, solamente se necesita calor de calefacción.
Diagrama Temperatura- Entalpía
Cálculo de las entalpías acumuladas para las corrientes calientes:
Hrefc Uc 1.26 106 kcal
hr
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Estas son las entalpías acumuladas de las corrientes calientes.
ºC
Hc
0
FCP1
FCP6
97°C 35°C( )
FCP1
FCP3
FCP6
99°C 97°C( )
FCP1
FCP6
117.9°C 99°C( )
FCP1
123.5°C 117.9°C( )
FCP1
FCP4
125.5°C 123.5°C( )
FCP1
550°C 125.5°C( )
Hc
0
3.083948 104
1.087748 105
9.401068 103
2.028701 103
9.356536 103
1.537828 105
kcal
hr
HC
Hc1
1
2
i
Hci
1
3
i
Hci
1
4
i
Hci
1
5
i
Hci
1
6
i
Hci
1
7
i
Hci
HC
0
3.083948 104
1.396143 105
1.490154 105
1.510441 105
1.604006 105
3.141834 105
kcal
hrTC
35
97
99
117.9
123.5
125.5
550
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Cálculo de las entalpías acumuladas para las corrientes frías:
Gráfico Nº 4 – Diagrama Temperatura vs Entalpía
HF
Hf1
1
2
j
Hfj
1
3
j
Hfj
1
4
j
Hfj
1
5
j
Hfj
0 5 105
1 106
1.5 106
2 106
0
200
400
600
TC
TF
HC HF
ºC
Hf
Uf
FCP7
50°C 25°C( )
FCP2
FCP7
90°C 50°C( )
FCP2
95°C 90°C( )
FCP5
118.9°C 116.9°C( )
Hf
0
5.88 105
9.557245 105
1.865565 103
2.88 104
kcal
hr
HF
Hf1
1
2
j
Hfj
1
3
j
Hfj
1
4
j
Hfj
1
5
j
Hfj
HF
0
5.88 105
1.543725 106
1.54559 106
1.57439 106
kcal
hrTF
25
50
90
95
116.9
118.9
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Ampliación de la zona donde se ubica la temperatura del pinch:
Gráfico Nº 5 – Ampliación de la zona del Pinch
De este diagrama se observa que la temperatura de Pinch obtenida en el Diagrama de
Cascada es la misma, respetándose el DT mínimo preestablecido.
A partir de aquí el análisis de intercambio de calor se debe realizar por encima de la
temperatura del Pinch, teniéndose en cuenta la Segunda ley de la Termodinámica la cual indica
que:
Arriba del Pinch (MCp)h < (MCp)c
Debajo del Pinch (MCp)h >(MCp)c
Esto indica que por arriba del pinch no se puede refrigerar y que por abajo del mismo
no se puede suministrar calor.
Curva Grand Composite
Promedio de temperaturas:
0 200 400 600 800 1 103
0
10
20
30
40
50
TC
TF
HC HF
Tcalientes Tfria
2
T min 10C
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Entalpia a 545ºC
Entalpia a 123.9ºC
Entalpia a 121.9ºC
Entalpia a 120.5ºC
Entalpia a 118.5ºC
Entalpia a 112.9ºC
Entalpia a 100ºC
Entalpia a 95ºC
Entalpia a 94ºC
Entalpia a 92ºC
Entalpia a 55ºC
Entalpia a 30ºC
H1 0
H2 H1 FCP1
550°C 128.9°C( )
H3 H2 FCP1
128.9°C 126.9°C( ) FCP5
116.9°C 118.9°C( )
H4 H3 FCP1
126.9°C 125.5°C( )
H5 H4 FCP1
FCP4
125.5°C 123.5°C( )
H6 H5 FCP1
123.5°C 117.9°C( )
H7 H6 FCP1
FCP6
117.9°C 105°C( )
H8 H7 FCP1
FCP6
105°C 100°C( ) FCP2
90°C 95°C( )
H9 H8 FCP1
FCP6
100°C 99°C( ) FCP2
FCP7
89°C 90°C( )
H11 H10 FCP1
FCP6
97°C 60°C( ) FCP2
FCP7
50°C 87°C( )
H12 H11 FCP1
FCP6
60°C 35°C( ) FCP7
25°C 50°C( )
H10 H9 FCP1
FCP3
FCP6
99°C 97°C( ) FCP2
FCP7
87°C 89°C( )
TGC
545
123.9
121.9
120.5
118.5
112.9
100
95
94
92
55
30
HGC
H1
H2
H3
H4
H5
H6
H7
H8
H9
H10
H11
H12
HGC
0
1.526 105
1.245 105
1.25 105
1.343 105
1.364 105
1.428 105
1.434 105
1.2 105
1.81 105
6.846 105
1.26 106
kcal
hr
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Gráfico Nº 6 - Curva Grand Composite
La Gran Composite Curve muestra que el mínimo requerimiento de enfriamiento es
QminEnf= 0 kcal/hr y que la mínima carga de calentamiento es QminCal= 1.2602E+06 kcal/hr.
El análisis de la Primera Ley indica entonces que la diferencia entre el calor disponible
en las corrientes calientes y el requerido por las corrientes frías es Qr = 1.2602E+06 kcal/hr que
debe ser suministrado de la utilidad caliente. El análisis de la segunda ley con 10ºC de
temperatura de aproximación indica que no debemos remover calor y que se deben suministrar
1.2606E+06 kcal/hr.
Número mínimo de intercambiadores
Según la Primera Ley
Si se tienen en cuenta los requerimientos de calor de cada corriente de proceso. Se
establece que el Número mínimo de intercambiadores es igual a:
Nºmin = Nº corrientes + Nº utilidades - Nº problemas independientes
Problemas independientes
Se debe tener en cuenta si se puede dividir el diagrama de flechas de los calores
intercambiados entre las corrientes en varias partes completamente independientes entre sí.
Loops
Son ciclos de energía, cada uno de los cuales agrega un intercambiador más. Estos
pueden encontrarse en aquellas corrientes que comparten una utilidad.
1.5 106
1 106
5 105
0 5 105
0
200
400
600
TGC
HGC
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Gráfica Nº 7 – Diagrama de Cajas
Nºmin = Nº corrientes + Nº utilidades - 1
Nºmin = 7 + 1 - 1 = 7
ALTERNTIVA 1 (sin red energética – usada en la tesis).
No existen cruces de corrientes, de este modo, todas las corrientes frías se calientan
con vapor y todas las corrientes calientes son enfriadas con agua de refrigeración.
Esto se plantea a modo de tener un punto de comparación de ahora en adelante para
poder observar los ahorros energéticos y por lo tanto económicos, en comparación con las
alternativas que serán propuestas por el grupo más adelante.
A partir de este análisis será posible determinar si es más conveniente hacer una red
de intercambiadores o seguir operando del mismo modo que se planteó en la tesis.
2 5 7
3Utilidad Caliente 1 4 6
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Diagrama de Temperaturas
Gráfico Nº8 – Diagrama de Temperaturas Alternativa 1
IntervalosFCpc (KJ/ ºC*hr) FCpf (KJ/ ºC*hr)
60°C
65°C
70°C
75°C
80°C
85°C
90°C
95°C
100°C
115°C
120°C
125°C
105°C
110°C
40°C
45°C
50°C
55°C
130ºC
60°C
65°C
70°C
75°C
80°C
85°C
90°C
95°C
100°C
115°C
105°C
110°C
35°C
40°C
45°C
50°C
55°C
15ºC
25°C
30°C
120°C
25°C
490ºC
35°C
30°C
500ºC
10ºC20°C
3 41 2 5 76
373.113 14400 23520362.268 53890 4316 135.143
520ºC
540ºC
20ºC
510ºC
530ºC
35ºC
550ºC
99ºC
97ºC
123.5ºC
117.9ºC
35ºC
95ºC
50ºC
116.9ºC
118.9ºC
25ºC
90ºC
1
2
34
5
6
7
89
10
11
125.5ºC
C1
C2
C3
C4
H1
H2
H3
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Diagrama de bloques
Gráfica Nº 9 – Diagrama de Cajas Alternativa 1
Cálculo del número de intercambiadores
Todos los equipos pertenecen a la tesis analizada y por lo tanto su costo de adquisición
no debe estimarse ya que son equipos de los que disponemos, sin embargo debe considerarse
el gasto energético, es decir los requerimientos de agua de refrigeración y vapor de calefacción
a fin de poder comparar más adelante. A continuación se describen los caudales de agua de
refrigeración y vapor requeridos para cada equipo, según los datos analizados en la tesis. Y
también se realizaron los cálculos de las áreas correspondientes a modo de poder comparar si
se podrán reutilizar los equipos.
Los coeficientes globales de transferencia de calor utilizados son los de la tesis:
Para los Calentadores
Para los Enfriadores
ENFRIADOR 1. Refrigera a la corriente 1 (caliente). Refrigerador del cloruro de alilo
(R-1).
2 5 7 UTILIDAD FRIA
3UTILIDAD
CALIENTE1 4 6
186568.02 107785.675 8632.657 11203.327
16790.085 28806.388 1528800
Número mínimo de intercambiadores en la Alternativa 1
Número de loops en la Alternativa 1
Ncorr1 7 Nut1 2 Npi1 2
Nminint1 Ncorr1 Nut1 Npi1
Nminint1 7
Nint1 7
Nloops1 Nint1 Nminint1 0
UC 900J
s m2
K
UE 800J
s m2
K
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Características del sistema, calor disponible en la corriente 1:
Caudal de agua de enfriamiento a 25ºC:
CALENTADOR 1. Calefacciona a la corriente 2 (fría). Precalentador (P-2)
Características del sistema, calor requerido por la corriente 2:
Caudal de vapor a 155ºC:
A1 2.308m2
TeW 25 °C TsW 90 °C
Tml1
Ti1
TsW Tf1
TeW
ln
Ti1
TsW
Tf1
TeW
117.535 °C
A1
Q1
UE Tml1
V1
Q1
CpW W T W
V1 2.87m
3
hr
Tve 155°C Tvs 155°C Q2
1.679 104 kcal
hr
Tml2
Tve Ti2
Tvs Tf2
ln
Tve Ti2
Tvs Tf2
80.412 °C
A2
Q2
UC Tml2
A2 0.27m2
V2
Q2
vev
V2 2.496m
3
hr
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ENFRIADOR 2. Refrigera a la corriente 3 (caliente). Condensador de epiclorhidrina a la
salida de A-1 (R-3)
Características del sistema, calor disponible en la corriente 3:
Caudal de agua de enfriamiento a 25ºC:
ENFRIADOR 3. Refrigera a la corriente 4 (caliente). Condensador de la torre de
destilación (T-7)
Características del sistema, calor disponible en la corriente 4:
A3
Q3
UE Tml3
A3 5.172m2
TeW 25 °C TsW 90 °C Q3
1.078 105 kcal
hr
Tml3
Ti3
TsW Tf3
TeW
ln
Ti3
TsW
Tf3
TeW
30.297 °C
V3
Q3
CpW W T W
V3 1.658m
3
hr
TeW 25 °C TsW 90 °C Q4
8.632 103 kcal
hr
Tml4
Ti4
TsW Tf4
TeW
ln
Ti4
TsW
Tf4
TeW
61.733 °C
A4
Q4
UE Tml4
A4 0.203m2
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Caudal de agua de enfriamiento a 25ºC:
CALENTADOR 2. Calefacciona a la corriente 5 (fría). Reboiler de la torre de destilación
(T-7).
Características del sistema, calor requerido por la corriente 5:
Caudal de vapor a 155ºC:
ENFRIADOR 4. Refrigera a la corriente 6 (caliente). Refrigerador de epiclorhidrina a la
salida de la torre (R-2)
V4 0.133m
3
hr
V4
Q4
CpW W T W
Q5
2.88 104 kcal
hr
Tml5
Tve Ti5
Tvs Tf5
ln
Tve Ti5
Tvs Tf5
37.091 °C
A5
Q5
UC Tml5
A5 1.003m2
V5
Q5
vev
V5 4.281m
3
hr
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González, Martínez, Peralta Profini, Simón 29
Tml7
Tve Ti7
Tvs Tf7
ln
Tve Ti7
Tvs Tf7
93.775 °C
A7
Q7
UC Tml7
A7 21.067m2
Características del sistema, calor disponible en la corriente 6:
Caudal de agua de enfriamiento a 25ºC:
CALENTADOR 3. Calefacciona a la corriente 7 (fría). Precalentador de agua para
enviarla a la caldera. Utiliza vapor que al condensarse genera agua de proceso a 70ºC
Características del sistema, calor requerido por la corriente 7:
Caudal de vapor a 155ºC:
A6 0.934m2
V6 0.172m
3
hr
TeW 25 °C TsW 90 °C Q6
1.12 104 kcal
hr
Tml6
Ti6
TsW Tf6
TeW
ln
Ti6
TsW
Tf6
TeW
17.446 °C
A6
Q6
UE Tml6
V6
Q6
CpW W T W
Q7
1.529 106 kcal
hr
V7
Q7
vev V7 227.226m
3
hr
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ALTERNATIVA 2 Intercambio de calor entre las corrientes de proceso.
Propuesta por el grupo
Diseño arriba del pinch
Según esto es necesario recalcular el número mínimo de intercambiadores para la
nueva propuesta.
El diseño respeta en todo momento el ΔTmin establecido (10ºC).
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Diagrama de Temperaturas
Gráfica Nº 10 – Diagrama de Temperaturas Alternativa 2
IntervalosFCpc (KJ/ ºC*hr) FCpf (KJ/ ºC*hr)
60°C
65°C
70°C
75°C
80°C
85°C
90°C
95°C
100°C
115°C
120°C
125°C
105°C
110°C
40°C
45°C
50°C
55°C
130ºC
60°C
65°C
70°C
75°C
80°C
85°C
90°C
95°C
100°C
115°C
105°C
110°C
35°C
40°C
45°C
50°C
55°C
15ºC
25°C
30°C
120°C
25°C
490ºC
35°C
30°C
500ºC
10ºC20°C
3 41 2 5 7a6
373.113 14400 23520362.268 53890 4316 135.143
520ºC
540ºC
20ºC
510ºC
530ºC
35ºC
550ºC
99ºC
97ºC
123.5ºC
117.9ºC
35ºC
95ºC
50ºC
116.9ºC
118.9ºC
25ºC
90ºC
1
2
34
5
6
7
89
10
11
125.5ºC
I1
I2
I3
25.476ºC
23520
7b
I4
I5
I6
H1
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FCph FCpc
Diagrama de cajas
Gráfica Nº 11 – Diagrama de Cajas Alternativa 2
Cálculo del número de intercambiadores
En esta alternativa se propone:
La corriente 1 caliente la corriente 5.
Posteriormente la corriente 1 y la 4 calienten a la 2.
Finalmente las corrientes 1, 3 y 6 calienten a la corriente 7 fría. Sin embargo
para que esto sea posible, es necesario partir a la corriente 7 en 2 sub-corrientes (7-a, 7-b), de
manera que no se genere una violación de ΔTmin ya que él y la temperatura
de salida de ambas corrientes calientes es de 35 ºC. En la forma que la corriente 6 caliente la 7-
b; y la 1 y 3 la 7-a.
Luego de satisfacer los requerimientos de calefacción de todas las corrientes
frías, vemos que la corriente 7 necesita ser calefaccionada desde la temperatura a la cual sale
del intercambiador 5 (35.943 ºC) hasta 90 ºC, lo cual se logra en el Calentador 1, utilizando la
utilidad caliente (vapor a 155ºC). Se recalcula el caudal de vapor necesario para poder analizar
los costos.
2 5 7
3Utilidad Caliente 1 4 6
2880086328158
149600 107800
11200
1260000
Número mínimo de intercambiadores en la Alternativa 2
Número de loops en la Alternativa 2
Ncorr1 7 Nut1 1 Npi1 1
Nminint1 Ncorr1 Nut1 Npi1
Nminint1 7
Nint1 7
Nloops1 Nint1 Nminint1 0
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Cálculo de los nuevos equipos
Se calcula el área de intercambio necesaria para cada uno de ellos para poder estimar,
en el caso de que se precise la compra, sus costos de adquisición; de lo contrario poder evaluar
si se puede reutilizar algún equipo que ya se tiene.
Para el cálculo se considerará intercambiadores 1-1 en contracorriente para el cual
Ft=1.
El coeficiente global de transferencia de calor que se propone es estimado de los datos
obtenidos del libro “Transferencia de Calor en Ingeniería de Procesos” Eduardo Cao:
Apéndice 20 – Pagina 415 – “Transferencia de Calor en Ingeniería de Procesos” Eduardo Cao
INTERCAMBIADOR 1. Entre las corrientes 1 (caliente) y 5 (fría)
Calor que será entregado desde la corriente 1 a la 5:
Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 1 luego de cederle 2.88E+04 kcal/hr
a la corriente 5:
Área de intercambio del intercambiador 1 de la alternativa 2.
INTERCAMBIADOR 2. Entre las corrientes 4 (caliente) y 2 (fría)
Temperatura de salida de la corriente 1 del intercambiador 1
UI 850J
s m2
K
Q5
2.88 104 kcal
hr
Ts1I1 Ti1
Q5
FCp1
470.501°C
Te1I1 550°C Ts1I1 470.501°C te5I1 116.9°C ts5I1 118.9°C
TmlI1
Te1I1 ts5I1 Ts1I1 te5I1
lnTe1I1 ts5I1
Ts1I1 te5I1
391.071 °C
AI1
Q5
UI TmlI1
AI1 0.101m2
Universidad Tecnológica Nacional Tecnología de la Energía Térmica
Facultad Regional Córdoba Red de Intercambiadores de Calor: Epiclorhidrina
González, Martínez, Peralta Profini, Simón 34
Calor que será entregado desde la corriente 4 a la 2:
Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 2 luego de recibir 8.632E+03 kcal/hr
de la corriente 4:
Área de intercambio del intercambiador 2 de la alternativa 2.
La corriente 2 queda con un excedente de calor por remover de:
INTERCAMBIADOR 3. Entre las corrientes 1 (caliente) y 2 (fría)
Calor que será entregado desde la corriente 1 a la 2:
Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 1 luego de cederle 8.158E+03
kcal/hr a la corriente 2:
Siendo la temperatura de entrada de la corriente 1 al equipo igual a la temperatura de
salida del intercambiador 1:
Temperatura de salida de la corriente 1 del
intercambiador 3
Área de intercambio del intercambiador 3 de la alternativa 2.
AI2
Q4
UI TmlI2
AI2 0.189m2
Temperatura de salida de la corriente 2 del intercambiador 2
Q4
8.632 103 kcal
hr
ts2I2
Q4
FCp2
Ti2
73.135°C
Te4I2 125.5°C Ts4I2 123.5°C te2I2 50°C ts2I2 73.135°C
TmlI2
Te4I2 ts2I2 Ts4I2 te2I2
lnTe4I2 ts2I2
Ts4I2 te2I2
62.336 °C
QS2 Q2
Q4
8.158 103 kcal
hr
QS2 8.158 103 kcal
hr
Ts1I3 Ts1I1
QS2
FCp1
447.981°C
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González, Martínez, Peralta Profini, Simón 35
La corriente 1 queda con un excedente de calor de:
INTERCAMBIADOR 4. Entre las corrientes 1 (caliente) y 7-a (fría)
Calor que será entregado desde la corriente 1 a la 7-a:
Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 7-a luego de recibir 1.496E+05
kcal/hr de la corriente 1:
Temperatura de salida de la corriente 7-a del
intercambiador 4
Área de intercambio del intercambiador 4 de la alternativa 2.
La corriente 7-a queda con un excedente de calor por remover de:
Te1I3 Ts1I1 470.501°C Ts1I3 447.981°C te2I3 ts2I2 73.135°C ts2I3 95°C
TmlI3
Te1I3 ts2I3 Ts1I3 te2I3
lnTe1I3 ts2I3
Ts1I3 te2I3
375.173 °C
AI3
QS2
UI TmlI3AI3 0.03m
2
Q2S1 Q1
Q5
QS2 1.496 105 kcal
hr
Q2S1 1.496 105 kcal
hr
ts7aI4
Q2S1
FCp7
Ti7
31.361°C
Te1I4 Ts1I3 447.981°C Ts1I4 35°C
te7aI4 25°C ts7aI4 31.361°C
TmlI4
Te1I4 ts7aI4 Ts1I4 te7aI4
lnTe1I4 ts7aI4
Ts1I4 te7aI4
109.025 °C
AI4
Q2S1
UI TmlI4
AI4 1.878m2
Q1S7 Q7
Q2S1 1.379 106 kcal
hr
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INTERCAMBIADOR 5. Entre las corrientes 3 (caliente) y 7-a (fría)
Calor que será entregado desde la corriente 3 a la 7-a:
Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 7-a luego de recibir 1.078E+05
kcal/hr de la corriente 3:
Siendo la temperatura de entrada de la corriente 7-a al equipo igual a la temperatura
de salida del intercambiador 4:
Temperatura de salida de la corriente 7-b del
intercambiador 5
Área de intercambio del intercambiador 5 de la alternativa 2.
La corriente 7-a queda con un excedente de calor por remover de:
INTERCAMBIADOR 6. Entre las corrientes 6 (caliente) y 7-b (fría)
Calor que será entregado desde la corriente 6 a la 7-b:
Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 7-b luego de recibir 1.15E+04
kcal/hr de la corriente 6:
Q3
1.078 105 kcal
hr
ts7aI5
Q3
FCp7
ts7aI4 35.943°C
Te3I5 99°C Ts3I5 97°C te7I5 ts7aI4 31.361°C ts7aI5 35.943°C
TmlI5
Te3I5 ts7aI5 Ts3I5 te7I5
lnTe3I5 ts7aI5
Ts3I5 te7I5
64.339 °C
AI5
Q3
UI TmlI5
AI5 2.292m2
Q2S7 Q7
Q2S1 Q3
1.271 106 kcal
hr
Q6
1.12 104 kcal
hr
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Temperatura de salida de la corriente 7-b del intercambiador 6
Área de intercambio del intercambiador 6 de la alternativa 2.
La corriente 7-a queda con un excedente de calor por remover de:
Calentador 1. Corrientes 7-a (fría)
Calor que será entregado desde la utilidad caliente a la corriente 7-a:
Área de intercambio del Calentador 1 de la alternativa 2.
ts7bI6
Q6
FCp7
Ti7
25.476°C
Te6I6 117.9°C Ts6I6 35°C te7I6 25°C ts7bI6 25.476°C
TmlI6
Te6I6 ts7bI6 Ts6I6 te7I6
lnTe6I6 ts7bI6
Ts6I6 te7I6
37.064 °C
AI6
Q6
UI TmlI6
AI6 0.414m2
Q3S7 Q7
Q2S1 Q3
Q6
1.26 106 kcal
hr
Q3S7 1.26 106 kcal
hr
Te7CA2 ts7aI5 35.943°C Tf7CA2 90°C
TmlCA2
Tve Te7CA2 Tvs Tf7CA2
lnTve Te7CA2
Tvs Tf7CA2
89.318 °C
ACA2
Q3S7
UC TmlCA2
ACA2 18.232m2
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Volumen de vapor requerido
VCA2
Q3S7vev
VCA2 187.305m
3
hr
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ALTERNATIVA 3 Intercambio de calor entre las corrientes de proceso.
Propuesta por el grupo.
Debido a que la temperatura de pinch se encuentra posterior al último intervalo, las
alternativas para satisfacer los requerimientos necesarios de la red, se supone, no van a variar
considerablemente. Para corroborarlo se realizo una tercera alternativa a modo de ejemplo.
Según esto es necesario recalcular el número mínimo de intercambiadores para la
nueva propuesta.
El diseño respeta en todo momento el ΔT mínimo establecido (10ºC).
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Diagrama de Temperaturas
Gráfico Nº 12 – Diagrama de Temperaturas Alternativa 3
IntervalosFCpc (KJ/ ºC*hr) FCpf (KJ/ ºC*hr)
60°C
65°C
70°C
75°C
80°C
85°C
90°C
95°C
100°C
115°C
120°C
125°C
105°C
110°C
40°C
45°C
50°C
55°C
130ºC
60°C
65°C
70°C
75°C
80°C
85°C
90°C
95°C
100°C
115°C
105°C
110°C
35°C
40°C
45°C
50°C
55°C
15ºC
25°C
30°C
120°C
25°C
490ºC
35°C
30°C
500ºC
10ºC20°C
3 41 2 5 7a6
373.113 14400 23520362.268 53890 4316 135.143
520ºC
540ºC
20ºC
510ºC
530ºC
35ºC
550ºC
99ºC
97ºC
123.5ºC
117.9ºC
35ºC
95ºC
50ºC
116.9ºC
118.9ºC
25ºC
90ºC
1
2
34
5
6
7
89
10
11
125.5ºC
I1
30.994ºC
23520
7b
H1
I2
I3
I4
I5
I6
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FCph FCpc
Diagrama de Cajas
Gráfico Nº 13 – Diagrama de Cajas Alternativa 3
Cálculo del número de intercambiadores
En esta alternativa se propone:
La corriente 1 caliente la corriente 5, 2.
Posteriormente las corrientes 1, 3, 4 y 6 calienten a la corriente 7 fría. Sin
embargo para que esto sea posible, es necesario partir a la corriente 7 en 2 sub-corrientes (7-
a, 7-b), de manera que no se genere una violación de ΔTmin ya que él y la
temperatura de salida de ambas corrientes calientes es de 35 ºC. En la forma que la corriente 1
caliente la 7-b; y la 3, 4 y 6 la 7-a.
Luego de satisfacer los requerimientos de calefacción de todas las corrientes
frías, vemos que la corriente 7 necesita ser calefaccionada desde la temperatura a la cual sale
del intercambiador 6 (30.426 ºC) hasta 90 ºC, lo cual se logra en el Calentador 1, utilizando la
utilidad caliente (vapor a 155ºC). Se recalcula el caudal de vapor necesario para poder analizar
los costos.
2 5 7
3Utilidad Caliente 1 4 6
2880016790
141000 11200107800 8632
1260000
Número mínimo de intercambiadores en la Alternativa 3
Número de loops en la Alternativa 3
Ncorr1 7 Nut1 1 Npi1 1
Nminint1 Ncorr1 Nut1 Npi1
Nminint1 7
Nint1 7
Nloops1 Nint1 Nminint1 0
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Cálculo de los nuevos equipos
Se calcula el área de intercambio necesaria para cada uno de ellos para poder estimar,
en el caso de que se precise la compra, sus costos de adquisición; de lo contrario poder evaluar
si se puede reutilizar algún equipo que ya se tiene.
Para el cálculo se considerará intercambiadores 1-1 en contracorriente para el cual
Ft=1.
El coeficiente global de transferencia de calor que se propone es estimado en la
alternativa anterior.
INTERCAMBIADOR 1. Entre las corrientes 1 (caliente) y 5 (fría)
Calor que será entregado desde la corriente 1 a la 5:
Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 1 luego de cederle 2.88E+04 kcal/hr
a la corriente 5:
Área de intercambio del intercambiador 1 de la alternativa 3.
La corriente 1 queda con un excedente de calor de:
INTERCAMBIADOR 2. Entre las corrientes 1 (caliente) y 2 (fría)
Calor que será entregado desde la corriente 1 a la 2:
A3I1
Q5
UI Tml3I1
A3I1 0.101m2
Temperatura de salida de la corriente 1 del intercambiador 1
Q5
2.88 104 kcal
hr
Ts1I1 Ti1
Q5
FCp1
470.501°C
T3e1I1 550°C T3s1I1 470.501°C t3e5I1 116.9°C t3s5I1 118.9°C
Tml3I1
T3e1I1 t3s5I1 T3s1I1 t3e5I1
lnT3e1I1 t3s5I1
T3s1I1 t3e5I1
391.071 °C
Q31S1 Q1
Q5
1.578 105 kcal
hr
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Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 1 luego de ceder 1.679E+04 kcal/hr
de la corriente 2:
Siendo la temperatura de entrada de la corriente 1 al equipo igual a la temperatura de
salida del intercambiador 1:
Temperatura de salida de la corriente 1 del intercambiador 2
Área de intercambio del intercambiador 2 de la alternativa 3.
La corriente 1 queda con un excedente de calor de:
INTERCAMBIADOR 3. Entre las corrientes 1 (caliente) y 7-b (fría)
Calor que será entregado desde la corriente 1 a la 7-b:
Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 7-b luego de recibir 1.41E+05
kcal/hr de la corriente 1:
Siendo la temperatura de entrada de la corriente 1 al equipo igual a la temperatura de
salida del intercambiador 2:
Q2
1.679 104 kcal
hr
T3s1I2 T3s1I1
Q2
FCp1
424.154°C
T3e1I2 T3s1I1 470.501°C T3s1I2 424.154°C t3e2I2 50°C t3s2I2 95°C
Tml3I2
T3e1I2 t3s2I2 T3s1I2 t3e2I2
lnT3e1I2 t3s2I2
T3s1I2 t3e2I2
374.827 °C
A3I2
Q2
UI Tml3I2
A3I2 0.061m2
Q32S1 Q1
Q5
Q2
1.41 105 kcal
hr
Q32S1 1.41 105 kcal
hr
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Temperatura de salida de la corriente 7-b del
intercambiador 3
Área de intercambio del intercambiador 3 de la alternativa 3.
INTERCAMBIADOR 4. Entre las corrientes 6 (caliente) y 7-a (fría)
Calor que será entregado desde la corriente 6 a la 7-a:
Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 7-a luego de recibir 1.12E+04
kcal/hr de la corriente 6:
Temperatura de salida de la corriente 7-a del
intercambiador 4
Área de intercambio del intercambiador 4 de la alternativa 3.
La corriente 7-a queda con un excedente de calor por remover de:
t3s7bI3
Q32S1
FCp7
Ti7
30.994°C
T3e1I3 T3s1I2 424.154°C T3s1I3 35°C t3e7bI3 25°C t3s7bI3 30.994°C
Tml3I3
T3e1I3 t3s7bI3 T3s1I3 t3e7bI3
lnT3e1I3 t3s7bI3
T3s1I3 t3e7bI3
104.357 °C
A3I3
Q32S1
UI Tml3I3A3I3 1.848m
2
Q6
1.12 104 kcal
hr
t3s7aI4
Q6
FCp7
Ti7
25.476°C
T3e6I4 117.9°C T3s6I4 35°C t3e7aI4 25°C t3s7aI4 25.476°C
Tml3I4
T3e6I4 t3s7aI4 T3s6I4 t3e7aI4
lnT3e6I4 t3s7aI4
T3s6I4 t3e7aI4
37.064 °C
A3I4
Q6
UI Tml3I4
A3I4 0.414m2
Q32S7 Q7
Q32S1 Q6
1.377 106 kcal
hr
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INTERCAMBIADOR 5. Entre las corrientes 3 (caliente) y 7-a (fría)
Calor que será entregado desde la corriente 3 a la 7-a:
Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 7-a luego de recibir 1.078E+05
kcal/hr de la corriente 3:
Siendo la temperatura de entrada de la corriente 7-a al equipo igual a la temperatura
de salida del intercambiador 4:
Temperatura de salida de la corriente 7-b del
intercambiador 5
Área de intercambio del intercambiador 5 de la alternativa 3.
La corriente 7-a queda con un excedente de calor por remover de:
INTERCAMBIADOR 6. Entre las corrientes 4 (caliente) y 7-a (fría)
Calor que será entregado desde la corriente 4 a la 7-a:
Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 7-a luego de recibir 8.632E+03
kcal/hr de la corriente 4:
Q3
1.078 105 kcal
hr
t3s7aI5
Q3
FCp7
t3s7aI4 30.059°C
T3e3I5 99°C T3s3I5 97°C t3e7aI5 t3s7aI4 25.476°C t3s7aI5 30.059°C
Tml3I5
T3e3I5 t3s7aI5 T3s3I5 t3e7aI5
lnT3e3I5 t3s7aI5
T3s3I5 t3e7aI5
70.225 °C
A3I5
Q3
UI Tml3I5
A3I5 2.1m2
A3I5 22.604ft2
Q33S7 Q7
Q32S1 Q3
Q6
1.269 106 kcal
hr
Q4
8.632 103 kcal
hr
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Facultad Regional Córdoba Red de Intercambiadores de Calor: Epiclorhidrina
González, Martínez, Peralta Profini, Simón 46
Siendo la temperatura de entrada de la corriente 7-a al equipo igual a la temperatura
de salida del intercambiador 4:
Temperatura de salida de la corriente 7-a del intercambiador 6
Área de intercambio del intercambiador 6 de la alternativa 3.
La corriente 7-a queda con un excedente de calor por remover de:
Calentador 1. Corrientes 7-a (fría)
Calor que será entregado desde la utilidad caliente a la corriente 7-a:
Área de intercambio del Calentador 1 de la alternativa 3.
Volumen de vapor requerido
t3s7aI6
Q4
FCp7
t3s7aI5 30.426°C
T3e4I6 125.5°C T3s4I6 123.5°C
t3e7aI6 t3s7aI5 30.059°C t3s7aI6 30.426°C
Tml3I6
T3e4I6 t3s7aI6 T3s4I6 t3e7aI6
lnT3e4I6 t3s7aI6
T3s4I6 t3e7aI6
94.255 °C
A3I6
Q4
UI Tml3I6A3I6 0.125m
2
Q34S7 Q7
Q3
Q6
Q4
Q32S1 1.26 106 kcal
hr
Q3S7 1.26 106 kcal
hr
Te7CA3 t3s7aI6 30.426°C Ts7CA3 90°C
TmlCA3
Tve Te7CA3 Tvs Ts7CA3
lnTve Te7CA3
Tvs Ts7CA3
91.58 °C
ACA3
Q34S7
UC TmlCA3
ACA3 17.782m2
VCA3
Q34S7vev VCA2 187.305
m3
hr
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Resumen de Áreas y Caudales
Alternativa Nº 1 (Sin Red)
Tabla Nº 4 – Resumen de áreas y caudales Alternativa 1
Equipo Servicio Auxiliar Temperaturas Corriente Temperaturas Área (m2) Caudal (m
3/hr)
Te = 25 ºC Te = 550 ºC
Ts = 90 ºC Ts = 35 ºC
Te = 25 ºC Te = 99 ºC
Ts = 90 ºC Ts = 97 ºC
Te = 25 ºC Te = 125,5 ºC
Ts = 90 ºC Ts = 123,5 ºC
Te = 25 ºC Te = 117,9 ºC
Ts = 90 ºC Ts = 35 ºC
Te = 155 ºC Te = 50 ºC
Ts = 155 ºC Ts = 95 ºC
Te = 155 ºC Te = 116,9 ºC
Ts = 155 ºC Ts = 118,9 ºC
Te = 155 ºC Te = 25 ºC
Ts = 155 ºC Ts = 90 ºC234,003
4,833
Área total (m2)
Vapor Total
(m3/hr)
Agua Total
(m3/hr)
Calentador 3 Vapor 7 21,067 227,226
Calentador 2 Vapor 5 1,003 4,281
Calentador 1 Vapor 2 0,27 2,496
Enfriador 4 Agua 6 0,934 0,172
Enfriador 3 Agua 4 0,203 0,133
Enfriador 2 Agua 3 5,172 1,658
Enfriador 1 Agua 1 2,308 2,87
30,957
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Alternativa Nº 2
Tabla Nº 5 – Resumen de áreas y caudales Alternativa 2
Equipo Corriente Caliente Temperaturas Corriente Fría Temperaturas Área (m2) Caudal (m
3/hr)
Te = 550 ºC Te = 116,9 ºC
Ts = 470,501 ºC Ts = 118,9 ºC
Te = 125,5 ºC Te = 50 ºC
Ts = 123,5 ºC Ts = 73,135 ºC
Te = 470,501 ºC Te = 73,135 ºC
Ts = 447,981 ºC Ts = 95 ºC
Te = 447,981 ºC Te = 25 ºC
Ts = 35 ºC Ts = 31,361 ºC
Te = 99 ºC Te = 31,361 ºC
Ts = 97 ºC Ts = 35,943 ºC
Te = 117,9 ºC Te = 25 ºC
Ts = 35 ºC Ts = 25,476 ºC
Te = 155 ºC Te = 35,943 ºC
Ts = 155 ºC Ts = 90 ºC
23,136Área total (m2)
Intercambiador 6 6 7-b 0,414 -
Calentador 1 Vapor 7-a 18,232 187,305
Intercambiador 4 1 7-a 1,878 -
Intercambiador 5 3 7-a 2,292 -
Intercambiador 2 4 2 0,189 -
Intercambiador 3 1 2 0,03 -
Intercambiador 1 1 5 0,101 -
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Alternativa Nº 3
Tabla Nº 6 – Resumen de áreas y caudales Alternativa 3
Equipo Corriente Caliente Temperaturas Corriente Fría Temperaturas Área (m2) Caudal (m
3/hr)
Te = 550 ºC Te = 116,9 ºC
Ts = 470,501 ºC Ts = 118,9 ºC
Te = 470,501 ºC Te = 50 ºC
Ts = 424,154 ºC Ts = 95 ºC
Te = 424,154 ºC Te = 25 ºC
Ts = 35 ºC Ts = 30,994 ºC
Te = 117,9 ºC Te = 25 ºC
Ts = 35 ºC Ts = 25,476 ºC
Te = 99 ºC Te = 24,476 ºC
Ts = 97 ºC Ts = 30,059 ºC
Te = 125,5 ºC Te = 30,059 ºC
Ts = 123,5 ºC Ts = 30,426 ºC
Te = 155 ºC Te = 30,426 ºC
Ts = 155 ºC Ts = 90 ºC
22,431Área total (m2)
Intercambiador 2 1 2 0,061 -
Intercambiador 1 1 5 0,101 -
Intercambiador 4 6 7-a 0,414 -
Intercambiador 3 1 7-b 1,848 -
Intercambiador 6 4 7-a 0,125 -
Intercambiador 5 3 7-a 2,1 -
Calentador 1 Vapor 7-a 17,782 187,305
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Evaluación de costos
Costo para la alternativa 1
Costo del agua de enfriamiento por año
Costo del vapor de calentamiento por año
El servicio de agua será en circuito cerrado, por lo cual se considerara 3 veces el caudal
volumétrico, que comprende los equipos, un tanque de almacenamiento, caldera y bombas.
Además se contempla en él un coeficiente de seguridad ante posibles ampliaciones de la
planta (agregado de equipos).Se utiliza agua de la red municipal para evitar un mayor
mantenimiento de la caldera, como ocurriría de lo contrario si se utilizara agua de pozo.
Se considera la duración del ciclo 1(un) año.
VA1 4.834m
3
hr
Caudal másico total de agua de enfriamiento
para la alternativa 1. Caudal de agua utilizado en la tesis.
Caudal volumétrico total de agua de enfriamiento.
Costo del agua de enfriamiento (Cotización del dólar $4.24)
Costo total del agua de enfriamiento para la alternativa 1 (TESIS)
WA1 VA1 W
WA1 4.834 103 kg
hr
VA1 V1 V3 V4 V6
Cw 0.3dolares
m3
CtA1w Cw VA1
CtA1w 1.45dolares
hr
CtA1w 1.271 104 dolares
yr
ciclo 1 yr
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Se considera que la masa de vapor necesaria equivale a la masa de agua requerida
para la alimentación de la caldera.
Cálculo de la Caldera
Costo del gas necesario
Caudal másico total de vapor de calentamiento para alternativa 1. Caudal de vapor utilizado en la tesis.
Caudal de vapor a producir
Poder calorífico del gas natural promedio
Densidad del gas
Entalpía de vapor saturado
Entalpía de agua de alimentación A 25ºC y una 1 atm (14.695949 psi)
Eficiencia de la caldera Eficiencia aproximada de calderas humotubulares
Costo de gas natural
v 0.374kg
m3
VV1 234.002m
3
hrVV1 2.051 10
6 m3
ciclo
VT1 3VV1 VT1 6.154 106 m
3
ciclo
Cw 0.3dolares
m3
Cvt1 VT1 Cw
Cvt1 1.846 106 dolares
ciclo
Qv 1.5VT1 W 1.053 106 kg
hr
PC 39900kJ
kg
g 2kg
m3
Hv 1.093103 kJ
kg
Ha 418.4kJ
kg
0.85
Qg1
Qv Hv Ha
PC g
Qg1 2.909m
3
s
Cg 0.554dolares
m3
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El costo del gas natural obtenido de la factura de gas, al día de la fecha es de
$0.130759, convirtiéndolo en dólares (cotización $4.25), se obtiene un valor de US$0.554 por
metro cúbico.
Costo de Total Alternativa 1
En esta alternativa solo se tendrán en cuenta los costos que se realizan por el uso de
los servicios auxiliares ya que los equipos son los que ya se encuentran instalados en la planta.
Tabla Nº 7 – Costo Total Alternativa 1
Tabla Nº 8 – Áreas Disponibles
5,086E+07
5,086E+07
Costo Total 5,087E+07
Alternativa 1
Agua de enfriamiento
Costo de Servicios Auxiliares
(US$/ciclo)
1,271E+04
Gas para la calderaVapor de Calefacción
Equipo Áreas Disponibles (m2)
Enfriador 1 2,308
Enfriador 2 5,172
Enfriador 3 0,203
Enfriador 4 0,934
Calentador 1 0,27
Calentador 2 1,003
Calentador 3 21,067
Cg Qg1 Cg 5.802 103 dolares
hr
CgT Cg 5.086 107 dolares
ciclo
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Costos de Equipos de la Alternativa 2
Tabla Nº 9 – Costo de Equipos de Alternativa 2
Costos de Equipos de la Alternativa 3
Tabla Nº 10 – Costo de Equipos de Alternativa 3
El precio de cada uno de los intercambiadores se lo obtuvo de la página de internet
www.matche.com, para tal fin se considero el uso de intercambiadores de carcasa y tubos de
cabezal flotante pequeños. El precio de estos intercambiadores son F.O.B. puestos en la costa
Atlántica de EE.UU, por lo que se multiplicará el precio por 1.25 para tener el costo al ser
entregado en el correspondiente sitio.
Áreas (m2)
0,101
0,189
0,03
1,878
2,292
0,414
18,232
0
0
12246Costo de adquisición de
equipos (US$)
Costo Total (US$)
0
0
2360
9886
0
Intercambiador 6
Calentador 1
Observación
se utiliza el enfriador 3
se utiliza el calentador 1
adquisición
adquisición
se utiliza el enfriador 1
se utiliza el enfriador 4
se utiliza el calentador 3
Equipo
Intercambiador 1
Intercambiador 2
Intercambiador 3
Intercambiador 4
Intercambiador 5
Áreas (m2)
0,101
0,061
1,848
0,414
2,1
0,125
17,782
0
0
12980Costo de adquisición de
equipos (US$)
Costo Total (US$)
0
3097,5
9882,5
0
0
Intercambiador 6
Calentador 1
Observación
se utiliza el enfriador 3
adquisición
adquisición
se utiliza el enfriador 4
se utiliza el enfriador 1
se utiliza el calentador 1
se utiliza el calentador 3
Equipo
Intercambiador 1
Intercambiador 2
Intercambiador 3
Intercambiador 4
Intercambiador 5
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Costo de Servicios Auxiliares
Tabla Nº 11 – Costo de Servicios Auxiliares
Costos Totales
Tabla Nº 12 – Costo Totales
Cálculo de TIR y VAN
Previo a la inversión debe llevarse a cabo una evaluación de proyecto de manera de
saber si el mismo será viable económicamente y cuáles son los riesgos de pérdida de recursos.
Los criterios comúnmente más utilizados para evaluar un proyecto corresponden a los
indicadores del Valor Actual de los Beneficios Netos (V.A.N) y la Tasa Interna de Retorno (T.I.R).
El VAN se utiliza para verificar si los beneficios son mayores que los costos. Por lo tanto
si los beneficios superan a los costos, el VAN es mayor que cero e indica que se le agrega valor
al proyecto en dólares y por lo tanto me conviene invertir. En el caso de comparar las
alternativas se debe elegir la que tenga el mayor VAN porque indica que se le agrega el mayor
valor a la empresa.
La TIR es definida como la Tasa Interna de Retorno de una inversión para una serie de
valores en efectivo. Representa el costo de oportunidad, y una vez calculada debe ser mayor a
la tasa de mercado (porque si no me conviene más invertir en otro proyecto que tenga mayor
rendimiento) o sea que la TIR, representa el rendimiento requerido que da como resultado el
4,237E+04 1,271E+04
9,180E+07 5,086E+07
- -
2,449E+07 1,357E+07
- -
2,449E+07 1,357E+07
Ahorro
(US$/ciclo)
3,730E+07
3,730E+073
2Gas para la caldera
1Agua de enfriamiento
Gas para la caldera
Gas para la caldera
Agua de enfriamiento
Agua de enfriamiento
5,087E+07
1,357E+07
1,357E+07
Alternativas Servicio Auxiliar Caudal (m3/año) Costo (US$/ciclo)Costo Total
(US$/ciclo)
Costo
0Equipos
1,271E+04
Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3
5,087E+07 1,358E+07 1,358E+07
Agua para enfriamiento
Gas para la caldera
- -
1,357E+07 1,357E+07
Servicios Auxiliares
Costo de Inversión
5,087E+07 1,357E+07 1,357E+07
5,086E+07
12246 12980
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VAN, al momento de comparar las alternativas debo elegir la propuesta que proporcione la
mayor TIR porque el proyecto me rinde más que el rendimiento requerido.
Para este cálculo se debe determinar: la “Inversión Inicial” del proyecto, los “Flujos de
Ingreso” y “Costo” para cada uno de los períodos que dure el proyecto de manera de
considerar los beneficios netos obtenidos en cada uno de ellos.
Calculo del VAN
Es la diferencia matemática que existe entre el valor actual de ingresos netos y el valor
actual de todos los egresos necesarios para realizar la inversión.
Ci: inversión inicial
k: tasa de interés anual (renta mínima que desean los inversionistas)
FIN: flujo de ingresos netos (diferencia entre los Ingresos y los Egresos)
Para realizar el análisis se toma como referencia la alternativa 1 (alternativa base), esto
se hace para decidir si conviene diseñar o no una red, es decir si conviene la alternativa 2 o la 3
frente a la 1, que ya está instalada.
La inversión inicial es la diferencia de costos en la adquisición de los nuevos
intercambiadores y los flujos de ingresos netos es la diferencia de costos anuales.
Calculo de VAN para la alternativa 2
Si VAN > 0 se acepta el proyecto
Si VAN < 0 se rechaza el proyecto
k 0.15
FIN2 CTA1 CTA2 FIN2 3.766 107
dolares
Ci2 CTE2 Ci2 1.038 104
dolares
VAN2 Ci2
1
4
t
FIN2
1 k( )t
VAN2 1.075 108
dolares
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Si VAN = 0 se reestudia el proyecto
Calculo de la TIR
La Tasa Interna de Retorno de un proyecto es aquel valor que permite igualar los flujos
encontrados (actualizados) de ingresos netos futuros al "valor actual" de los costos de
proyecto.
Calculo de TIR para la alternativa 2
Si T.I.R > k Significa que el proyecto tiene una rentabilidad asociada mayor que la tasa
de mercado (tasa de descuento), por lo tanto es más conveniente.
Si T.I.R < k Significa que el proyecto tiene una rentabilidad asociada menor que la tasa
de mercado (tasa de descuento), por lo tanto es menos conveniente.
TIR 0.55
Dado
0
1
4
t
FIN2
1 TIR( )t
Ci2
TIR2 Find TIR( ) TIR2 3.63 103
TIRA2 36.296 %
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Conclusión
Con el objetivo de optimizar el aprovechamiento del calor disponible en las corrientes
del proceso de obtención de EPICLORHIDRINA se planteó una alternativa donde existe algún
intercambio calórico entre las corrientes del proceso.
Al analizar las corrientes se observó que:
La temperatura del pinch es 30ºC (según diagrama de cascada), todas las corrientes se
encuentran por encima de esta temperatura pinch.
La curva de Entalpía-Temperatura confirma el inciso anterior.
La Grand Composite Curve muestra que Qref.min=0kcal/hr y que Qcal.min=1.2602E+06
kcal/hr.
El número mínimo de intercambiadores de calor es 7.
El número mínimo de intercambiadores utilizados en cada una de las alternativas
planteadas es el mismo que el calculado en cada caso, según la Primera Ley; por lo
tanto ninguna de las alternativas presenta loops. Además todos los intercambiadores
de todas las alternativas se encuentran por encima de la temperatura del pinch.
Análisis de TIR y VAN
Para llevar a cabo las alternativas propuestas por el grupo (2 y 3) es necesario comprar
nuevos equipos, sin embrago se observa que al plantear la red de intercambiadores las
corrientes frías pueden satisfacer por completo sus requerimientos calóricos a partir de las
corrientes calientes y de la utilidad caliente (vapor), de este modo el costo total de operación
anual es mucho menor al costo que implica seguir empleando de la misma manera los equipos.
Cabe recordar que el costo total de operación anual de la alternativa base, que es la
propuesta por la tesis, no incluye la compra de equipo alguno, sólo implica el costo en servicios
auxiliares.
En cambio, el costo total calculado para las alternativas 2 y 3 (propuestas por el grupo)
incluyen el costo de servicios auxiliares y el costo que implica la compra e instalación de
nuevos intercambiadores para realizar la red propuesta.
A partir del cuadro anterior se puede observar que desde el punto de vista económico,
tanto la alternativa 2 como la 3 (ya que el ahorro de ambas es el mismo, y el costo por
inversión es aproximado) pueden llevarse a cabo como proyecto, esto puede verse en el
análisis de VAN Y TIR, que en ambos casos VAN es mayor que cero y TIR es superior a la tasa de
mercado.
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Esto quiere decir que frente a la alternativa base se podría elegir la alternativa 2 o la
alternativa 3.
El cálculo del VAN y TIR de la alternativa 3 no se realizó, ya que esta se detalló a modo
de ejemplo que diferentes alternativas arrojarían resultados aproximados.
Planteado de esta forma, se elige la ALTERNATIVA 2 ya que posee un costo menor al de
las alternativas base; y además conviene porque el proyecto alcanza más que el rendimiento
requerido y le corresponde un valor de 1.075E+08 dólares (VAN) que se le agregan a la
empresa.
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Bibliografía
Proyecto Final: Epiclorhidrina. (UTN-FRC).
Procesos de transferencia de calor. Donald Q. Kern. México 2001.
Transferencia de Calor en Ingeniería de Procesos. Eduardo Cao
Handbook of Heat Transfer Aplications. Chapter 8- Heat Exchanger Networks.
Apuntes de clase, 2009.
www.matche.com.