Eliana Jara Morante, Ph.D. Congreso Internacional Visión ... · del proceso Reducir costo materia...
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Eliana Jara Morante, Ph.D.
Congreso Internacional Visión 2016
Octubre, 2016
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Introducción
Retrofitting
Descripción del proceso
Integración de calor
Evaluación y análisis de la red de intercambiadores de calor
Optimización de la red de intercambiadores de calor
Conclusiones
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Remover
ReducirReusar
Reciclar
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Retrofit
Significa adicionar o reemplazar el
todo o una parte de un
equipamiento con una mejor
alternativa
Proyectos pequeños
Revamp
Reorganizar el proceso en varias
etapas y diferentes tipos de
equipamiento
Mayor escala
Mayor complejidad
Mayor costo de capital
Proyectos grandes
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Dinero
GenteTecnología
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Reduciruso de energía
Reducircostos de operación
Mejorarconversió
n y/o selectivid
ad
Aumentarla
productividad
Materia prima
alternativa
Nuevas especificaciones del productoProducir
nuevos productos
Aumentarcontrol
del proceso
Mejorarla
seguridad
Mejorarflexibilida
d
Mejorarconfiabili
dad
Reducir el impacto
en el ambiente
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Reusar el equipo existente (si capacidad esta 20-30%)
Explotando las interacciones entre los equipos
Estudios de integración de calor y de proceso: Análisis Pinch
Estudio detallado del sistema hidraúlico (ΔP)
Intensificación del proceso: Ingeniería verde
Simplicar el proceso y cuestiones de seguridad
Revisar la capacidad de diseño del proceso
(sobredimensionamiento)
Re-evaluar materiales de construcción (corrosion)
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Elija condiciones de operación para minimizar los costos de
energía
Considere uso de columnas de destilación internamente
integradas (membranas)
Use análisis Pinch y optimización (↓energía y de agua)
Use catalizadores selectivos (↑productividad y ↓ reciclos)
Reduzca la generación de desechos
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Reuse el equipo existente y productos de desecho
Eliga equipos nuevos con alta eficiencia
Explore la intensificación de procesos y sus aplicaciones
Use sistema avanzados de control y optimización en
tiempo real
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Una refinería de petróleo se llevan a cabo procesos:
Reacción
Destilación o fraccionamiento
Tratamiento
Acondicionamiento
La eficiencia y rendimiento de la planta depende
mayormente de consideraciones económicas.
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Constituye el principal proceso y el de mayor importancia en una refinería de petróleo.
Consta de tres secciones:
unidad de reactor-regenerador,
unidad de separación y
unidad de separación de gases.
La unidad de separación → demanda mayor cantidad de energía.
El funcionamiento eficiente de este proceso es la clave para obtener la mayor
rentabilidad de una refinería
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Integración del proceso
Reducir costo
materia prima
Reducir costo de capital
Reducir uso de energía
Aumentar seguridad
Aumentar la
flexibilidad
Mejorar control de
calidad
Ecológico y sostenible
Todas las acciones
orientadas a mejorar
un proceso para
maximizar el uso de:
energía
agua
materia prima.
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CompuestosPesados
ReactorRegenerador
Separación de gas
NaftaLigera
AceitesLigeros
AceitesPesados
Separador
Stri
per
Decan-tador
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Nafta Ligera Aceites Ligeros Aceites Pesados
Pseudo-componentes 33 - 225 170 -350 337 – 492
Densidad [kg/m3] 735.34 962.07 966.16
Gravedad API 60.44 15.20 14.59
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Pinch análisis:
método para determinar la
cantidad de energía que se
puede recuperar (Linnhoff,
et. al 1978).
Para evaluar se requiere:
Extracción de las corrientes de
proceso
Curvas compuestas
Gran compuesta
Cascada de flujo de calor
Temperatura pinch
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Streams Type
Supply
Temp
[C]
Target
Temp
[C]
CP
[kW/C]
HTC
[kW/C-m2]
Enthalpy
[kW]
SL-20-21 Hot 393.6 254 35.95 0.15 5018.0
SL-22-23 Hot 393.6 238 74.94 0.12 11660.3
SL-18-19:23 Hot 393.6 234.4 37.41 0.12 5956.1
MG-9:MG-10 Hot 334.7 60 17.89 0.15 4914.8
MG-41A:MG-41B Hot 250.4 224 102.39 0.15 2703.0
MG-42B:MG-42D Hot 224 177 5.85 0.12 275.1
MU-86A:MU-72 Hot 205.5 108.9 79.31 0.12 7661.8
MOT-USO:MU-83 Hot 177.2 60 9.64 0.2 1129.3
BG-111:BG-129 Hot 145.4 98 61.74 0.2 2926.7
BU-207:BENZ-OUT Hot 66 43 342.60 0.15 7879.9
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Streams Type
Supply
Temp
[C]
Target
Temp
[C]
CP
[kW/C]
HTC
[kW/C-m2]
Enthalpy
[kW]
C-31:C-32 Cold 80 110.2 96.91 0.15 2926.7
C-32:C-33 Cold 110.2 114.5 96.86 0.15 416.5
C-33:C-34 Cold 114.5 143.2 96.94 0.15 2782.3
C-34:C-35 Cold 143.2 204.7 96.85 0.15 5956.1
C-35:C-36 Cold 204.7 293.8 96.82 0.15 8626.6
B1-GE12:B2GE12 Cold 172 187.6 747.46 0.25 11660.3
B1-GE11:B2GE11 Cold 172 176.1 659.27 0.2 2703.0
B1-GE9:B2GE9 Cold 105 112.7 995.04 0.2 7661.8
WFE3-FE23 Cold 100 200.7 49.83 0.5 5018.0
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0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Fria
Caliente
QHmin
∆Tmin
Te
mp
era
tura
[C
]
Entalpia [KW]
Sumideros
Fuentes
Qcmin
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0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Te
mp
era
tura
[C
]
Entalpía [kW]
Fria
Caliente QHmin
Qcmin
∆Tmin
Qrecuperado
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0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Te
mp
era
tura
[C
]
Entalpía [kW]
Fria
Caliente QHmin
Qcmin
∆Tmin
Qrecuperado
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ΔTmin aumenta, el costo
total aumenta.
Existe una relación entre
el costo capital y el costo
de energía recuperada.
Consideración practica:
pequeños valores de
ΔTmin se consigue solo
en HX a
contracorriente.
Evitar trabajar con
ΔTmin muy pequeños
(< 10)2.2E+06
2.3E+06
2.3E+06
2.3E+06
2.3E+06
2.3E+06
2.4E+06
2.4E+06
2.4E+06
4 6 8 10 12 14 16 18 20C
ost
o T
ota
l [$
/a
]
ΔTmin [C]
∆Tmin
8.5 - 12
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1.4E+06
1.6E+06
1.8E+06
2.0E+06
2.2E+06
2.4E+06
2.6E+06
6.5E+05
7.0E+05
7.5E+05
8.0E+05
8.5E+05
9.0E+05
9.5E+05
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Operativo
Capital
Total
∆Tmin [C]
Co
sto
s [$
]
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Déficit de energía Surplus de
energía
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Temperatura pinch
Calor mínimo requerido
Calor mínimo extraído
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-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Te
mp
era
tura
[C
]
Entalpía [kW]
ΔTmin= 12
ΔTmin= 129
ΔTmin= 12
Temperatura pinchQ= 0
QCmin
QHmin
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0
200
400
600
800
1000
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Te
mp
era
tura
[C
]
Entalpia [kW]
Calentamiento por gas
Agua de refrigeración
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Para diseñar la red de intercambiadores de calor se genera
una diagrama de corrientes
Corrientes calientes
De izquierda a derecha
De mayor a menor temperatura
Corrientes frías
De derecha a izquierda
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Consideraciones: CPcaliente ≤ CPfria por encima del pinch
CPcaliente ≥ CPfria por debajo del pinch
Maximizar el calor transferido
Usar utilidades: Encima del pinch: calentamiento
Debajo del pinch: enfriamiento
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92
80
80
92250
140
60
30
Pinch= 86Encima Debajo
70
50
220
180
80
120
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P1
P2
P3P4P5P6P7
P8P9
CU1CU2CU3CU4
HU1
CU5
P10
P1
P6 P5
CU4
RE-UBICAR INTERCAMBIADORES- P1- P6- P5
AUMENTAR INTERCAMBIADOR DE PROCESO
- P10
RE-UBICAR UTILIDADES-CU4
QUITAR UTILIDAD CU5
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Reubicación de 3 intercambiadores de
proceso
Aumentar un nuevo intercambiador
Numero de intercambiadores
de calor
Diseño inicial Diseñooptimizado
Para proceso 9 10
Para enfriamiento 5 4
Para calentamiento 1 1
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Diseño Calenta-miento
[%]
Enfria-miento
[%]
Área[%]
Costos de operación
[%]
Costo Total[%]
Diseño A 100 100 135 95 105
Diseño B 96 97 137 90 95
Diseño C 100 100 135 95 105
Diseño D 93 95 138 87 93
Diseño E 85 88 102 86 91
Diseño base: ΔTmin= 12 C
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6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000
Áre
a t
ota
l [m
2]
Energía [kW]
DiseñoBase
Diseño A
DiseñoB
Diseño C
Diseño D
Diseño E
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4.4E+06
4.5E+06
4.6E+06
4.7E+06
4.8E+06
4.9E+06
5.0E+06
5.1E+06
5.2E+06
5.3E+06
5.4E+06
6.0E+05 7.0E+05 8.0E+05 9.0E+05 1.0E+06 1.1E+06
Co
sto
de
Ca
pit
al
[$]
Costo de Operación [$]
Diseño A
Diseño B
Diseño C
Diseño D
Diseno E
Caso Base
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75
80
85
90
95
100
105
Diseño A Diseño B Diseño C Diseño D Diseño E
Calentamiento Enfriamiento
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0
20
40
60
80
100
120
Diseño A Diseño B Diseño C Diseño D Diseño E
Capital
Operación
Total
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6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
10500
11000
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
En
erg
ía [
kW
]
ΔTmin [C]
DiseñoBase
Diseño E
19859.00
22234.36
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Diseño inicialΔTmin=129
Diseño Base∆Tmin=12
Diseño E∆Tmin=12
Calentamiento 19859.00 6325.92 6441.54
Enfriamiento 22234.36 8701.28 7464.11
Qrecuperado 27890.46 41364.06 42762.98
Disminuir el valor del ΔTmin a 12: reduce un 68-69% de las utilidades de calentamiento
reduce un 61-66% de las utilidades para enfriamiento
Incrementa las posibilidades de recuperar calor
De acuerdo a las curvas compuestas se tiene que:
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El análisis muestra que es posible aumentar la cantidad de calor recuperado.
El diseño E es el que demuestra mayor eficiencia.
No se requieren hacer cambios drásticos por lo cual la opción es viable.
Los resultados muestran que desde el punto de vista económico la mejora del proceso es posible.
Subsiguientes estudios de flexibilidad del proceso muestran que es controlable.
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0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 50 100 150 200 250
Te
mp
era
tura
[C
]
Entalpia [GJ/h]
Estudios en controlabilidad del proceso
Oportunidades en el diseño e implementación de sistemas de control más efectivos
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El método puede ser aplicado a:
Hospitales
Edificios de vivienda
Escuelas
“There is no doubt that reworking existing buildings is a highly rewarding and responsible area of work for architects” (Rab Bennetts, director and co-founder of Bennetts Associates-London)
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Petajoules = 1015 joules
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6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
4 6 8 10 12 14 16 18 20
Are
ato
tal
[m2]
ΔTmin [C]
DiseñoBase
Diseño A
DiseñoB
Diseño C
Diseño D
Diseño E
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24
24.5
25
25.5
26
26.5
27
27.5
28
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Ca
len
tam
ien
to [
kW
]
ΔTmin [C]
Calentamiento
Area HX
Shells
1.5E+06
1.5E+06
1.5E+06
1.5E+06
1.5E+06
1.6E+06
1.6E+06
1.6E+06
1.6E+06
1.6E+06
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
2.2E+06
2.3E+06
2.3E+06
2.3E+06
2.3E+06
2.3E+06
2.4E+06
2.4E+06
2.4E+06
ΔTmin [C]
Co
sto
[$
]
Costo total
Total Area
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Rango de pseudo-componentes: 33 – 197.
Perturbaciones afectan las fracciones mas ligeras.
Respuesta no varia con el tipo de perturbación
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
33
59
73
84
10
0
11
4
12
8
14
2
15
7
17
0
18
4
19
7
Fra
cció
n [
mo
l]
TB de pseudo-componentes [C]
Estacionario
T1
T2
T3
T4
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Rango de pseudo-componentes: 170 – 349.
Perturbaciones afectan las fracciones intermedias (aumentan) y las pesadas (disminuyen).
Respuesta no varia con el tipo de perturbación
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
17
0
18
4
19
7
21
1
22
5
23
9
25
3
26
7
28
1
29
5
30
9
32
2
33
7
34
9
Fra
cció
n [
mo
l]
TB de pseudo-componentes [C]
Estacionario
T1
T2
T3
T4