El análisis de pellizco es una metodología para minimizar el consumo de energía de los procesos químicos mediante el cálculo de objetivos de energía termodinámicamente factibles (o consumo mínimo de energía) y lograrlos mediante la optimización de los sistemas de recuperación de calor, los métodos de suministro de energía y las condiciones de operación del proceso. También se conoce como integración de procesos , integración de calor , integración de energía o tecnología pinch .
Los datos del proceso se representan como un conjunto de flujos de energía, o corrientes, en función de la carga de calor (producto de la entalpía específica y el caudal másico; unidad SI W ) frente a la temperatura (unidad SI K ). Estos datos se combinan para todas las corrientes de la planta para obtener curvas compuestas , una para todas las corrientes calientes (que liberan calor) y otra para todas las corrientes frías (que requieren calor). El punto de aproximación más cercana entre las curvas compuestas calientes y frías es el punto de pellizco (o simplemente pellizco ) con una temperatura de pellizco de corriente caliente y una temperatura de pinzamiento de corriente fría. Aquí es donde el diseño está más limitado. Por lo tanto, al encontrar este punto y comenzar el diseño allí, los objetivos de energía se pueden lograr utilizando intercambiadores de calor para recuperar el calor entre las corrientes frías y calientes en dos sistemas separados, uno para temperaturas superiores a las temperaturas mínimas y otro para temperaturas inferiores a las temperaturas mínimas. En la práctica, durante el análisis de pellizco de un diseño existente, a menudo se encuentran intercambios de calor de pellizco cruzado entre una corriente caliente con su temperatura por encima del pinch y una corriente fría por debajo del pinch. La eliminación de esos intercambiadores mediante un emparejamiento alternativo hace que el proceso alcance su objetivo energético .
Historia
En 1971, Ed Hohmann declaró en su doctorado que “se puede calcular la menor cantidad de servicios de frío y calor necesarios para un proceso sin conocer la red de intercambiadores de calor que podría lograrlo. También se puede estimar el área de intercambio de calor requerida '.
A finales de 1977, Ph.D. El estudiante Bodo Linnhoff bajo la supervisión del Dr. John Flower en la Universidad de Leeds [1] mostró la existencia en muchos procesos de un cuello de botella de integración de calor, 'el pellizco', que sentó las bases para la técnica, conocida hoy como análisis de pellizco. En ese momento se había unido a Imperial Chemical Industries (ICI) donde dirigió aplicaciones prácticas y un mayor desarrollo de métodos.
Bodo Linnhoff desarrolló la 'Tabla de problemas', un algoritmo para calcular los objetivos energéticos y elaboró la base para un cálculo de la superficie requerida, conocida como 'la red de espaguetis'. Estos algoritmos permitieron la aplicación práctica de la técnica.
En 1982 se incorporó al Instituto de Tecnología de la Universidad de Manchester ( UMIST , actual Universidad de Manchester ) para continuar el trabajo. En 1983 creó una empresa de consultoría conocida como Linnhoff March International, posteriormente adquirida por KBC Energy Services .
Desde entonces, se han desarrollado muchas mejoras y se han utilizado en una amplia gama de industrias, incluida la extensión a sistemas de calefacción y energía y situaciones sin procesos. La explicación más detallada de las técnicas es de Linnhoff et al. (1982), Shenoy (1995), Kemp (2006) y Kemp y Lim (2020), mientras que Smith (2005) incluye varios capítulos sobre ellos. Ahora se encuentran disponibles programas detallados y simplificados (hoja de cálculo) para calcular los objetivos energéticos. Consulte Software de análisis de pellizcos a continuación.
En los últimos años, el análisis Pinch se ha extendido más allá de las aplicaciones energéticas. Ahora incluye:
Debilidades
El análisis de pellizco clásico calcula principalmente los costos de energía para la instalación de calefacción y refrigeración. En el punto de aprieto, donde las corrientes frías y calientes son las más restringidas, se requieren grandes intercambiadores de calor para transferir calor entre las corrientes fría y caliente. Los grandes intercambiadores de calor conllevan elevados costes de inversión. Para reducir el costo de capital, en la práctica se exige una diferencia mínima de temperatura (Δ T) en el punto de pellizco, por ejemplo, 10 ° F. Es posible estimar el área del intercambiador de calor y el costo de capital y, por lo tanto, el valor mínimo óptimo de Δ T. Sin embargo, la curva de costos es bastante plana y el óptimo puede verse afectado por "trampas de topología". El método de pellizco no siempre es apropiado para redes simples o donde existen severas restricciones operativas. Kemp (2006) y Kemp y Lim (2019) analizan estos aspectos en detalle.
Desarrollos recientes
El problema de integrar el calor entre corrientes frías y calientes, y encontrar la red óptima, en particular en términos de costos, puede resolverse hoy con algoritmos numéricos . La red puede formularse como un problema de programación no lineal de enteros mixtos (MINLP) y resolverse con un solucionador numérico apropiado . Sin embargo, los problemas de MINLP a gran escala aún pueden ser difíciles de resolver para los algoritmos numéricos actuales. Alternativamente, se hicieron algunos intentos para formular los problemas de MINLP a problemas lineales de enteros mixtos, donde luego las posibles redes se filtran y optimizan. Para redes simples de unos pocos flujos e intercambiadores de calor, los métodos de diseño manual con software de orientación simple son a menudo adecuados y ayudan al ingeniero a comprender el proceso. [2]
Ver también
Referencias
- ^ Ebrahim, M .; Kawari, Al- (2000). "Tecnología pinch: una herramienta eficiente para la energía de las plantas químicas y el ahorro de costes de capital". Energía aplicada . 65 (1–4): 45–49. doi : 10.1016 / S0306-2619 (99) 00057-4 .
- ^ Furman, Kevin C .; Sahinidis, Nikolaos V. (9 de marzo de 2002). "Una revisión crítica y bibliografía comentada para la síntesis de la red de intercambiadores de calor en el siglo XX". Investigación en Química Industrial e Ingeniería . 41 (10): 2335–2370. doi : 10.1021 / ie010389e .
- El-Halwagi, MM y V. Manousiouthakis, 1989, "Síntesis de redes de intercambio masivo", AIChE J., 35 (8), 1233-1244.
- Kemp, IC (2006). Pinch Analysis and Process Integration: A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy, 2nd edition . Incluye software de hoja de cálculo. Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-8260-4 . (1ª edición: Linnhoff et al., 1982).
- Kemp, IC y Lim, JS (2020). Análisis de pellizco para la reducción de la huella de carbono y la energía: una guía del usuario sobre la integración de procesos para el uso eficiente de la energía, tercera edición . Incluye software de hoja de cálculo. Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-102536-9 .
- Linnhoff, B., DW Townsend, D. Boland, GF Hewitt, BEA Thomas, AR Guy y RH Marsland, (1982) Una guía del usuario sobre la integración de procesos para el uso eficiente de la energía. IChemE, Reino Unido.
- Shenoy, UV (1995). Síntesis de redes de intercambiadores de calor: optimización de procesos mediante análisis de recursos y energía . Incluye dos discos de computadora. Gulf Publishing Company, Houston, TX, EE. UU. ISBN 0-88415-391-6 .
- Smith, R. (2005). Diseño e Integración de Procesos Químicos . John Wiley e hijos. ISBN 0-471-48680-9
- Hallale, Nick. (2002). Un nuevo método de focalización gráfica para la minimización del agua. Avances en la investigación ambiental. 6 (3): 377-390
- Nick Hallale, Ian Moore, Dennis Vauk, "Optimización del hidrógeno con una inversión mínima", Petroleum Technology Quarterly (PTQ), primavera (2003)
- Agrawal, V. y UV Shenoy, 2006, "Enfoque conceptual unificado para la focalización y el diseño de redes de agua e hidrógeno", AIChE J., 52 (3), 1071–1082.
- Wang, YP y Smith, R. (1994). Minimización de aguas residuales. Ciencias de la Ingeniería Química. 49: 981-1006
- Prakash, R. y Shenoy, UV (2005) Orientación y diseño de redes de agua para operaciones de caudal fijo y carga fija de contaminantes. Ciencias de la Ingeniería Química. 60 (1), 255-268
- de Klerk, LW, de Klerk, MP y van der Westhuizen, D "Mejoras en los costos de capital y operativos del circuito de uranio hidrometalúrgico mediante la gestión del agua y la integración de los objetivos de energía de procesos y servicios" Conferencia AusImm, U 2015
enlaces externos
- PinCH : software para procesos continuos y por lotes, incluidos bucles de recuperación de calor indirectos y almacenamiento de energía. Manuales, tutoriales, estudios de casos e historias de éxito gratuitos disponibles
- HeatIT : versión gratuita (ligera) del software Pinch Analysis que se ejecuta en Excel, desarrollado por Pinchco , una empresa de consultoría que ofrece asesoramiento experto en asuntos relacionados con la energía.
- Simulis Pinch - Herramienta de ProSim SA que se puede utilizar directamente en Excel y que se dedica al diagnóstico y la integración energética de los procesos.
- Pinexo : un software extenso que ofrece soluciones alternativas con sus tiempos de recuperación. Desarrollado a partir de una investigación en la Universidad Técnica de Chalmers, Gotemburgo, Suecia
- Integración : una herramienta de cálculo de integración de procesos práctica y de bajo costo desarrollada por CanmetENERGY , la organización líder en investigación y tecnología de Canadá en el campo de la energía limpia.