Red Epiclorhidrina

CaroAgus

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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


Gráfica Nº 10 – Diagrama de Temperaturas Alternativa 2 ..................................................... 31

Diagrama de cajas ................................................................................................... 32

Gráfica Nº 11 – Diagrama de Cajas Alternativa 2................................................................... 32





Cálculo de los nuevos equipos ................................................................................ 33

ALTERNATIVA 3 .......................................................................................................... 39


Gráfico Nº 12 – Diagrama de Temperaturas Alternativa 3 ..................................................... 40

Diagrama de Cajas .................................................................................................. 41

Gráfico Nº 13 – Diagrama de Cajas Alternativa 3 .................................................................. 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


Alternativa Nº 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




Costos Totales ........................................................................................................ 54

Tabla Nº 12 – Costo Totales ................................................................................................. 54

Cálculo de TIR y VAN ............................................................................................... 54

Calculo del VAN................................................................................................... 55

Conclusión .................................................................................................................. 57

Bibliografía ................................................................................................................. 59




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.




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




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




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




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




: 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




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




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




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




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




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




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


Pinch

QInt3= 507.175 kcal/hr



1.38518E+6

1.40361E+6

1.39454E+6

QInt7= 621.488 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


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




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




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




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




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




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




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




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




Diagrama de Temperaturas

Gráfico Nº8 – Diagrama de Temperaturas Alternativa 1


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




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




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




ENFRIADOR 2. Refrigera a la corriente 3 (caliente). Condensador de epiclorhidrina a la

salida de A-1 (R-3)



ENFRIADOR 3. Refrigera a la corriente 4 (caliente). Condensador de la torre de

destilación (T-7)


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


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





CALENTADOR 2. Calefacciona a la corriente 5 (fría). Reboiler de la torre de destilación

(T-7).



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




Tml7

Tve Ti7

Tvs Tf7

ln

Tve Ti7

Tvs Tf7

93.775 °C

A7

Q7

UC Tml7

A7 21.067m2



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



A6 0.934m2

V6 0.172m

3

hr


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




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).





Gráfica Nº 10 – Diagrama de Temperaturas Alternativa 2


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




FCph FCpc

Diagrama de cajas

Gráfica Nº 11 – Diagrama de Cajas Alternativa 2


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


2880086328158

149600 107800

11200

1260000





Nminint1 7

Nint1 7





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.


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





Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 2 luego de recibir 8.632E+03 kcal/hr

de la corriente 4:


La corriente 2 queda con un excedente de calor por remover de:



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


AI2

Q4

UI TmlI2

AI2 0.189m2


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


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




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


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


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








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



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


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




Temperatura de salida de la corriente 7-b del intercambiador 6



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




Volumen de vapor requerido

VCA2

Q3S7vev

VCA2 187.305m

3

hr




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).





Gráfico Nº 12 – Diagrama de Temperaturas Alternativa 3


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




FCph FCpc

Diagrama de Cajas

Gráfico Nº 13 – Diagrama de Cajas Alternativa 3


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


2880016790

141000 11200107800 8632

1260000





Nminint1 7

Nint1 7





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.



Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 1 luego de cederle 2.88E+04 kcal/hr

a la corriente 5:





A3I1

Q5

UI Tml3I1

A3I1 0.101m2


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




Cálculo de la temperatura de salida de la corriente 1 luego de ceder 1.679E+04 kcal/hr

de la corriente 2:






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




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





intercambiador 3






Temperatura de salida de la corriente 7-a del

intercambiador 4



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











intercambiador 5







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


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






Temperatura de salida de la corriente 7-a del intercambiador 6



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


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




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



Enfriador 4 Agua 6 0,934 0,172




30,957




Alternativa Nº 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 2 4 2 0,189 -






Alternativa Nº 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 3 1 7-b 1,848 -



Calentador 1 Vapor 7-a 17,782 187,305




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




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




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




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




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


adquisición

adquisición





Equipo

Intercambiador 1

Intercambiador 2

Intercambiador 3

Intercambiador 4

Intercambiador 5

http://www.matche.com/




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



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




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




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 %




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.




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.




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.

http://www.matche.com/

Red Epiclorhidrina

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Transcript of Red Epiclorhidrina