Eliana Jara Morante, Ph.D.

Congreso Internacional Visión 2016

Octubre, 2016

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

Remover

ReducirReusar

Reciclar

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

Dinero

GenteTecnología

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

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)

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

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

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.

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

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.

CompuestosPesados

ReactorRegenerador

Separación de gas

NaftaLigera

AceitesLigeros

AceitesPesados

Separador

Stri

per

Decan-tador

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

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

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

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

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

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

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

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

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 [$

]

Déficit de energía Surplus de

energía

Temperatura pinch

Calor mínimo requerido

Calor mínimo extraído

-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

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

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

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

92

80

80

92250

140

60

30

Pinch= 86Encima Debajo

70

50

220

180

80

120

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

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

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

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

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

75

80

85

90

95

100

105

Diseño A Diseño B Diseño C Diseño D Diseño E

Calentamiento Enfriamiento

0

20

40

60

80

100

120

Diseño A Diseño B Diseño C Diseño D Diseño E

Capital

Operación

Total

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

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:

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.

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

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)

Petajoules = 1015 joules

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

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

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

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