INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA PINCH

Una de las etapas de la síntesis de proceso, sobre todo químico, es obtener la composición deseada, mediante la introducción de las operaciones de separación, generalmente se asocia a operaciones de transferencia de masa, sin embargo trabajar con diferencias en la temperatura y presión es obligado. En esta etapa de la síntesis es importante localizar en el diagrama de flujo, las temperaturas de origen y destino, de Entrada y de Salida, de todas las corrientes, al igual que la demanda de energía para el bombeo y compresión. En el siguiente paso de la integración de tareas, se hacen intentos para utilizar la energía de las corrientes a altas temperaturas y a bajas temperaturas para las corrientes que necesitan ser enfriadas y / o condensadas y para las que necesitan ser calentadas y / o evaporadas, y requerir la mínima energía de equipos auxiliares, mediante el diseño de una eficaz red de intercambiadores de calor por la integración de calor, utilizando el mínimo de energía. Lo anterior podría resumirse como:

1. Se inicia con el diseño de un reactor, con condiciones de entrada y de salida; así como cantidad y/o concentración de la corriente de salida.

2. Una vez que se conocen las cantidades de reactivos sin reaccionar, se diseñan los equipos de separación de manera que se obtenga una corriente de productos y otra de reactivos, incluyendo corriente de recirculación al reactor.

3. Se diseña el sistema de intercambio de calor y de recuperación energética de la planta o del proceso, de forma que los consumos de energía sean mínimos.

4. Se diseña el sistema de servicios generales (calentamiento y enfriamiento: vapor y agua), que mejor cubran las necesidades del proceso o de la planta.

Para la recuperación de calor,. probablemente el enfoque más utilizado se desarrolló inmediatamente después del embargo petrolero árabe en 1973, lo que desencadenó una crisis energética mundial, éste utiliza un procedimiento de dos pasos: 1. una red de intercambiadores de calor está diseñada con el uso mínimo de los servicios. Esto requiere de un gran número de intercambiadores de calor. 2. El número de intercambiadores de calor se reduce al mínimo, a costa de incrementar el consumo de servicios. Esto conlleva a un análisis para identifica los costos de energía y los costos en la inversión de una red de calor (HEN, heat exchanger network) para un proceso y además para el reconocimiento del punto pinch.

Los pasos anteriores implican la aplicación de la tecnología Pinch, en resumen ésta proporciona una metodología sistemática para determinar los niveles mínimos de energía en las redes de intercambio de calor en un proceso. Es importante resaltar que el análisis pinch no solo aplica a procesos individuales sino también a complejos industriales.

La elección de la temperatura mínima ∆Tmin, de los intercambiadores de calor es una variable clave en el diseño de la síntesis de las redes de intercambiadores de calor, debido a su impacto en la pérdida de trabajo asociada a la transferencia de calor.

Conceptos básicos de Tecnología Pinch

1. Las curvas compuestas combinadas (caliente y fría) se utilizan para predecir la energía mínima requerida (instalaciones de enfriamiento y calentamiento), el área de la red mínima requerida, y el número mínimo de intercambiadores requeridos. Se utiliza para seleccionar apropiados niveles de instalaciones y para conocer los requerimientos energéticos.

2. ∆Tmin y punto pinch. El valor del ∆Tmin determina que tan cerca están las curvas compuestas fría y caliente sin violar la segunda ley de la termodinámica. Ninguno de los intercambiadores puede tener un cruce de temperatura. En cualquier punto en el intercambiador: (Temperatura de la corriente caliente)-(Temperatura de la corriente fría)> ∆Tmin. A continuación se muestran valores empíricos de ∆Tmin

Sector industrial

Valores experimentales de ∆Tmin

Comentarios

Refinería 20-40 °C Bajos coeficientes de transferencia de calor, curvas compuestas paralelas, ensuciamiento de los equipos de calor

Petroquímica 10-20 °C Condensación y evaporación Química 10-20 °C Condensación y evaporaciónProcesos de baja temperatura

3-5 °C Los requerimientos de energía para sistemas de refrigeración son muy costos. El ∆Tmin disminuye con las bajas temperaturas de refrigeración

3. Curva compuesta mayor o Gran curva. Se utiliza para seleccionar apropiados niveles de instalaciones y para conocer los requerimientos energéticos.

4. Establecer los costos de capital y de energía, para calcular el costo anual de las instalaciones y el costo de capital de la red de calor.

5. Establecer el costo total. Se utiliza para determinar el nivel óptimo de la recuperación de calor o el valor óptimo de ∆Tmin, mediante un balance de energía y los costos de capital.

6. Principios de ubicación más/menos y apropiados. Este proporciona una guía para determinar cuánto puede modificarse un proceso para reducir costos asociados y las necesidades de servicio.

MÉTODO GRÁFICO

El término PINCH se entiende con mayor claridad en relación con el método gráfico, introducido por Umeda et al en 1978, en el que se grafican las curvas de enfriamiento y calentamiento no cercanas al ∆Tmin, porque si el ∆Tmin, tiende a cero, el área de transferencia de calor tiende a infinito, En este sentido, hay un estrecho paralelismo con el enfoque gráfico de McCabe y Thiele, en su método clásico para el diseño de torres de destilación.

Las curvas compuestas se han utilizado para finar los objetivos de energía antes del diseño del proceso. Estas consisten en la representación gráfica de perfiles de temperatura contra entalpía. Una curva compuesta completa consiste en una serie de líneas rectas conectadas, cada cambio en la pendiente representa un cambio en la velocidad de flujo de la capacidad calorífica global en la corriente (Cp). Para que ocurra el intercambio de calor de la corriente caliente a la fría, ésta última debe de quedar siempre de bajo de la curva de calentamiento.

Para ubicar el punto pinch, las curva compuesta de las corrientes frías se mueve horizontalmente acercándose hasta encontrar un rango vertical igual al ∆Tmin, que se estableció en el problema, la distancia horizontal entre las curvas en la parte inferior y superior representa la cantidad de calor que se requiere para enfriar y calentar el sistema respectivamente. Es decir, el sistema está balanceado térmicamente, arriba del punto pinch el proceso requiere calentamiento y debajo de la división el proceso tiene exceso de energía por lo que necesita servicios de enfriamiento para estar balanceado térmicamente. Un incremento en el valor de ∆Tmin, resulta en un movimiento de las curvas horizontalmente alejándose entre sí, lo que resulta en una baja

eficiencia en la recuperación de calor y altos requerimientos de servicios. *

Para cada una de las corrientes, la temperatura T se grafica en la ordenada como una función de la entalpía o calor transferido en el eje de abscisas (∆H=Cp(T2-T1)), cuya pendiente es la inversa de la capacidad calorífica, C (Cpm). Cuando C es constante, las curvas son líneas rectas. Las corrientes calientes, son las curvas que se enfriarán e inician en la temperatura más alta y terminan a la temperatura más baja después de que la energía se ha eliminado, y para las corrientes frías el proceso es inverso. Para mostrar los resultados del método gráfico, la información de la siguiente tabla se utiliza para preparar las curvas caliente compuestas y fría compuesta, que combinan las curvas de H1 y H2 en una curva compuesta, y las curvas C1 y C2 en una curva compuesta.

Intervalo de las cargas de calorEnfriamiento Calentamiento

Intervalo

Temperatura°F

Q BTU/hr X10-4

12345

En primer lugar, la curva compuesta caliente se grafican con un dato de partida entalpía de 0 a 130 ° F, la temperatura más baja de una corriente caliente de la tabla, las entalpias compuesto caliente entonces se