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Centro Azúcar 38(2): 28-43 abril-junio, 2011

Análisis Pinch. Diseño vs Rediseño.

ResumenEl diseño de las redes de intercambio de calor es una tarea casi obligada para muchosingenieros en un amplio número de industrias. El Análisis Pinch está formado por unconjunto de herramientas que permiten diseñar redes de intercambio para garantizarun uso eficiente de la energía dentro de las industrias de procesos; sin embargo,rediseñar una red en operación siguiendo el mismo procedimiento para cuando sediseña puede conducir a resultados poco satisfactorios, sobretodo porque se estádesechando un área de intercambio por la que se ha pagado.En este trabajo se explican las bases conceptuales, así como las semejanzas ydiferencias entre las metodologías recomendadas para abordar proyectos de diseñoy de rediseño; haciendo uso de las herramientas del Análisis Pinch. Estas estrategiasson aplicadas a una refinería de petróleo cubana y como resultado se obtienen dosvariantes de solución. La primera sigue el procedimiento clásico de diseño de una redde intercambio de calor, mientras que para el rediseño de la red se utiliza el conceptode eficiencia de área de intercambio propuesto por Tjoe y Linnhoff. A este segundoenfoque se le agrega una etapa donde se aplican técnicas de optimización, lo quepermite eliminar la aleatoriedad durante la búsqueda de las mejores variantes derediseño. La alternativa seleccionada es evaluada teniendo en cuenta criterios técnicos,económicos y medioambientales.

The design of the heat exchanger networks is a task almost forced for many processengineers. These projects are very important in a wide number of industries. ThePinch Analysis includes a group of tools that allow to design exchanger networks.The objective is to guarantee an efficient use of the energy inside the process indus-tries. However, to retrofit a network in operation following the same procedure forwhen it is designed, it can cause bad results, because the paid exchange area getslost.In this paper the conceptual bases are explained, as well as the similarities anddifferences among the methodologies recommended to approach design and retrofitprojects. These strategies are applied to a Cuban refinery of petroleum and twoalternatives are obtained. The first one follows the classic procedure of design of aheat exchanger networks and to retrofit the network the used method it is the pro-posed by Tjoe and Linnhoff. In this method, techniques of optimization are usedwhat allows to eliminate the randomness during the search of the best variants ofretrofit. The selected alternative is evaluated keeping in mind technical, economic andenvironmental approaches.

Autores: Muñoz Batista, Mario Jesús1a; Perez González, Alain2aa Dpto. Ing. Química, Instituto. Sup. Pol. José A. Echeverría, CUJAE, Ciudad de laHabana, Cuba1 [email protected], 2 [email protected]

Abstract

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IntroducciónUno de los problemas actuales de gran parte de laindustria cubana son los altos consumos de energía.La industria de refinación de petróleo en Cuba noha estado exenta de estos problemas y hoy día estáafectada entre otras razones por equipamientoinstalado e instrumentación obsoleta; pérdida de ladisciplina tecnológica y operacional de las plantasentre otros factores.En las refinerías de petróleo, el crudo para serseparado en sus componentes de utilidad prácticaen las columnas de destilación debe serprecalentado, reduciendo de esta manera losconsumos de energía en los equipos de separación.Un buen diseño de la red de precalentamiento delcrudo se traduce en una elevada economía de com-bustible, teniendo en cuenta que por lo comúnsuministra alrededor del 50 % del calor total querequiere el petróleo crudo para su destilación en laetapa atmosférica.Con el objetivo de aumentar la eficiencia energéticaen las redes de intercambio de energía se handesarrollado diferentes métodos y técnicas. Los másantiguos, conocidos como métodos tradicionales,aun hoy en día son empleados en muchas delas redes de intercambio de plantas cubanas. Estosbuscan la optimización de la red a través de unproceso de tanteo y error obteniendo diseños conposibilidades reales de mejoramiento.Un método más moderno es el AnálisisPinch (AP),el que se basa en los principios Primero y Segundode la Termodinámica.El AP surgió como respuesta a la llamada “crisisenergética” de los años 70 gracias a los trabajospioneros de Hammad y Linnhoff, siendo este últimoquien lograra el mérito de llevar el estudio a nivelde aplicación industrial bajo la denominación deTecnología Pinch a comienzos de los años 80.Su principal objetivo es la integración energéticaenfocada entre otros temas al diseño de redes deintercambio de calor. Sin embargo años más tardesurgen y se desarrollan metodologíasespecíficamente obtenidas para enfrentarse a unproblema que sin lugar a dudas es una tarea distinta:el rediseño de redes de intercambio.Debido a esto, a las herramientas, principios y leyesbásicas del AP introducidas por Linnhoff, se hansumando importantes variaciones desarrolladas porprestigiosos investigadores. Uno de los grandesaportes en este sentido fue el de Tjoe en el año

1986, lo que abrió el camino y marcó pautas paraenfrentarse al rediseño de redes de intercambio decalor. La importancia de estos métodos está dadapor las grandes ventajas económicas que aporta, lasque conjugadas con las mejoras técnicas ydisminución de emisiones contaminantes hacen queestos proyectos resulten atractivos.En este trabajo se pretende demostrar las diferenciasentre la tarea del diseño y rediseño, aplicadas ambasa la red de precalentamiento de crudo de la unidadde destilación de una refinería de petróleo cubana.MétodosDiseño de redes de intercambio de calor.El método de diseño Pinch parte de conocer lascantidades mínimas de utilidades que requiere unared de máxima recuperación energética, las que seobtienen usando una herramienta llamada CurvasCompuestas (CC). Esta herramienta es muy útil paravisualizar el problema pero no como método decálculo, ya que se basa en construcciones gráficas ypoco precisas. Existe un método no gráfico para fijarlos objetivos de energía denominado Algoritmo dela Tabla del Problema. La información que se obtienees similar a la de las CC con la ventaja de que losresultados son exactos.En la Figura 1 están representadas las CurvasCompuestas Caliente y Fría. La región sombreadarepresenta la máxima recuperación de calor dentrodel proceso; Qh y Qc los requerimientos mínimosde servicios de enfriamiento y calentamientorespectivamente. En esta también se muestra el PuntoPinch definido sobre la distancia mínima vertical(“Tmín). Para determinar el valor del “Tmín sepueden representar gráficamente el costo deoperación, de capital y total para diferentes valoresde “Tmín, luego se pondera el ahorro energético yla inversión obteniéndose el “Tmín óptimo dediseño, ver Figura 2.

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ElPuntoPinchesmuyimportantedentrodel análisis,a partir de este punto el sistema queda dividido endos subsistemas diferentes desde el punto de vistatermodinámico [3]. Cada uno de estos subsistemasestá balanceado térmicamente con sus respectivosservicios (calentamiento o enfriamiento).Apartir deesta división surgen las llamadas “reglas de oro” delAnálisis Pinch, las cuales garantizan un diseño querequiere una mínima cantidad de utilidades, estasson:1. No utilizarutilidadesde calentamiento por debajodel Pinch

2. No utilizarutilidades de enfriamiento por encimadel Pinch3. No transferir calor a través del PinchCualquier violación de estas reglas incrementa elconsumo total de servicios auxiliares de la red deintercambio y por supuesto se alejaría delcomportamiento de una red de máxima recuperaciónde energía (MER por sus siglas en inglés).Las CC indican cuáles son las necesidades delproceso pero no cómo cubrirlas. Para esto se hadesarrollado otra herramienta conocida como Gran

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Curva Compuesta (GCC), que es la representaciónconjunta de la Curva Compuesta Fría y la CurvaCompuesta Caliente, ver Figura 3.

Figura 3. Etapas para la obtención de la gran curvacompuesta. Tomada de [7]

Rediseño de redes de intercambio de calor (Métodode eficiencia de área)Las decisiones del problema de rediseño incluyendesde los cambios para la reducción en el uso deutilidades, modificaciones estructurales apropiadas,número y tipo de unidades, cambios en el área detransferencia de calor instalada y reasignación deemparejamientos [2].La Figura 4 proporciona una comprensión de losobjetivos de un buen rediseño. Un buen proyectobusca disminuir la energía requerida, por lo quenormalmente se espera un aumento en el área dela red, esto implicará que la mejor opción sea labúsqueda del acercamiento hacia la curva objetivo.Es importante tener en cuenta que desplazarse desdela red existente hacia el punto que representa la redóptima implica gastos innecesarios ya que se estádesechando un área por la que ya se ha pagado. Apartir de la red existente parten diferentes caminoso curvas de rediseño que se corresponden connuevas alternativas propuestas. Estas curvas seobtienen de manera aleatoria según el método deTjoe.

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Una vez obtenidas las alternativas de rediseñoes posible construir un nuevo gráficorelacionando el área de intercambio con la inversióny los requerimientos energéticos con el ahorro anual,ver Figura 6. Para un plazo de recuperacióndeterminado, será posible hacerle corresponderun valor de ÄTmín.

Una vez determinado el valor de ÄTmín, se procedea aplicar las mismas herramientas descritas para elcaso del diseño. Sin embargo la obtención de laMER estará condicionada por la red existente; unbuen resultado dependerá en gran medida de lacapacidad del diseñador para lograr reutilizar el áreainstalada, así como buscar disminuir la inclusión alesquema de intercambiadores nuevos ymodificaciones a los existentes.Análisis energético del banco de precalentamientode crudo de la unidad de destilación atmosféricade una refineríaRed actualEl banco de precalentamiento de crudo estácompuesto por 19 intercambiadores de calor, por6 enfriadores y 1 horno, para un total de 26 unidadesde intercambio de calor.

A partir del balance de masa y energía realizado sepuede obtener la Tabla 1 donde se muestran losdatos térmicos de las diferentes corrientes.

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El análisis de los intercambiadores que conformanel banco de intercambio da como resultado que lared está trabajando con un “Tmín de 9 K. Estadiferencia de temperatura se alcanza en elintercambiador E-102 B (3). Se puede ver en laFigura 7 que la red existente viola dos de las “reglasde oro” del Análisis Pinch. Existen 7intercambiadores de calor transfiriendo energía através del Pinch; estos son: E-101 B (2), E-103 B(6), E-103 A (7), E-105 A (17), E-105 B (16), E-105 C (19), E-105 D (18). El horno F-101 (H23)está calentado la corriente fría Crudo Desalado pordebajo del Pinch.

Diseño de la redEn esta sección del trabajo se presenta la redde precalentamiento de crudo obtenida utilizandolos criterios básicos de diseño. Se parte deconsiderar que las corrientes disponibles para elproceso, son las mismas que presenta la red actual(Caso Base).En la Figura 8, se muestra la obtención del “Tmínóptimo de diseño, que para el caso analizado es de31 K. En la Figura 9, se puede observar las curvascompuestas del proceso obtenidas para el valordel “Tmín óptimo de diseño. Utilizando lasherramientas comentadas anteriormente se puedeobtener una red de intercambiadores teniendo encuenta solo los criterios necesarios para el diseñode una red de intercambio, ver Figura 10.Como se puede observar en la figura, la red presentaventajas desde el punto de vista de eficienciaenergética respecto a la red actual, pero también semanifiesta una desviación significativa respecto a laconfiguración de la misma. Uno de los problemasfundamentales que presenta es la necesidad de incluiren el diseño dos unidades de servicios decalentamiento; lo que se aleja de la configuraciónnormal de los bancos de precalentamientos paraeste tipo de industria donde las necesidades decalentamiento en esta sección son suministradassolamente por un horno.

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Rediseño de la redPrimeramente es construida la curva objetivo en undiagrama Área de intercambio vs Requerimientosenergéticos totales, variando el parámetro “Tmíndesde 1 hasta 100 K, ver Figura 11. En la misma seha ubicado un punto que representa el Caso Base yotro que corresponde a la MER obtenida para elvalor de “Tmín óptimo de diseño.Del Caso Base parten diferentes curvas de rediseñoque se corresponden con nuevas alternativaspropuestas. Estas curvas se obtienen de maneraaleatoria teniendo en cuenta que los mejoresproyectos deben acercarse a la curva objetivo. Paraacotar las variantes se calculó el parámetro á el cualtiene un valor de 0,32 y se partió de considerar comolímite del monto de la inversión a realizar 2 000 000USD.Con esta consideración se puede obtener la curvade á constante representada en la Figura11. También puede obtenerse el gráfico de Ahorrovs Inversión a partir de la que se determina el valordel “Tmín que garantiza obtener un rediseño conbuenos resultados no solo desde el punto de vistatécnico, sino también económico, ver Figura 12. Parala construcción de esta figura los costos unitarios delos servicios auxiliares fueron calculados a partir delos costos de estos productos en el mercado

en el horno para producir la energía) 333,86 USD/kW año.Costo unitario de servicios de enfriamiento(Considerando el Diesel tecnológico consumidosen las bombas para impulsar el agua de mar) 19,89USD/kW año.

internacional obtenidos del reporte diario de precioscorrespondiente al mes de abril emitido por CUPET.Costo unitario de servicios de calentamiento(Considerando el Fuel Oil y el Gas Oil consumidos

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En la Figura 13 se muestra la MER obtenida. Enesta red ha sido necesario agregar 5intercambiadores nuevos y modificar tres de losexistentes. Sin embargo se puede observar que estared presenta una similitud apreciable respecto alCaso Base.Con el objetivo de acercarse más al Caso Base, enesta alternativa es utilizado el lazo representado enla Figura 13. El objetivo fue lograr que 2 de losintercambiadores que habían sido modificadosvolvieran a tener su carga inicial. Como consecuenciade esta modificación a la MER; surgió una violaciónen el intercambiador nuevo número 5 del“Tmín. Para esto se seleccionó heurísticamente elmejor camino desde el punto de vista económico,ver Figura 13. Una vez identificado el caminocomienza la optimización más rigurosa con losintercambiadores que participan en el mismo.La función objetivo y las restricciones utilizadaspara la alternativa seleccionada se muestran acontinuación.

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Análisis de resultadosAnálisis técnicoLa variante seleccionada presenta una similitud con-siderable respecto al Caso Base debido a que elmétodo utilizado tiene en cuenta la utilización delárea instalada y la reducción de los requerimientosde servicios auxiliares. El estudio de estos y otrosfactores demuestran que la variante escompletamente operable además de tenerflexibilidad tecnología ante posibles cambios comola variación de la materia prima principal. En estesentido es interesante el análisis de la propuesta dela división de la corriente crudo desalado; comoexisten tres ramas en paralelo, en caso que seproduzca un cambio en la carga procesada, sepueden regular los caudales de estas tres ramas paraque el impacto de esta modificación en el resto delas unidades sea mínimo.Análisis económicoEn la Tabla 2, se muestra una comparación de losprincipales criterios económicos entre elCaso Base y la alternativa de rediseño seleccionada.

Análisis medioambientalEn la Tabla 3 se muestra el cálculo aproximado delas principales emisiones contaminantes para el CasoBase y la alternativa de rediseño seleccionada. Estasse han obtenido a partir de factores de emisiónpublicados en [5].Tabla 3. Comparación de las emisionescontaminantes.

Conclusiones1. El rediseño de una red de intercambio de calorimplica tener en cuenta criterios distintos a aquellosque se utilizan para el diseño2. El rediseño de la red de precalentamiento decrudo de la unidad de destilación redujo losrequerimientos energéticos en un 48 %, lo queimplicó ahorros anuales de2 673 120, 94 USD (2 149 189,24 CUC) con unainversión de 606 101,68 USD (487 305, CUC)3. La alternativa seleccionada presenta unadisminución de las emisiones contaminantes de 55%respecto al Caso Base.

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Bibliografía1. Aspen Energy Analyzer v 7.0. Reference Guide.Aspentech. 2008.2. Briones, V., Kokossis A. A new approach forthe optimal retrofit of heat exchanger network.Computers & Chemical Engineering. Vol. 20,Supplement 1, pp 43-48.1996.3. Linnhoff, B. et. al. User guide on process inte-gration for the efficient use of energy. pp. 1-127.Great Britain: Warwick Printing Company Ltd.1982.4. Linnhoff-March. Introduction to PinchTechnology. Linnhoff-March Company.1998.5. Technology Transfer Network-Clearnghousefor Inventories & Emision Factors.Sitio Web: http://www.epa.gov/ttcchie1/ap42/ch01/index.html [Consultado: Mayo de 2009].6.Tjoe, N.T., Linnhoff B. Using Pinch Technologyfor Process Retrofit. ChemicalEngineering. Vol. 93 No. 8, pp. 47-60. 1986.7. Renedo, E. C., Fernández D. P. TecnologíaPinch. Curso de Tecnología Pinch.E.T.S.I. Industriales. Santander, España. [Enviadopor el autor: Octubre de 2008

http://www.epa.gov/ttcchie1/ap42/

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