La denominada Gran Curva Compuesta (GCC) es otra forma diferente de presentar la misma información que dan la Tabla del Problema y la Cascada de Calor.
Lo que se representa en ella es, sobre el eje de abscisas, la disponibilidad de calor a una determinada temperatura, ubicada sobre el eje de ordenadas.
Para ver como se construye, se usará un problema con dos corrientes calientes y dos frías, cuyos datos se presentan en la tabla 1.
67 Corriente TE [ºC] [ºC] TS [kW/ºC] W C1 270 160 18 C2 220 60 22 F1 50 210 20 F2 160 210 50
Tabla 1. Datos del problema
Realizando la Tabla del Problema, para una aproximación mínima de 10ºC y usando la escala de temperaturas “intermedias”, con un desplazamiento de 5ºC, los balances de cada intervalo resultan los de la tabla 2.
1500 -200 -200 -900 26 5 21 5 16 5 15 5 55
Tabla 2. Balances netos
Se puede ver que el mínimo requerimiento a la fuente externa resulta ser de 600 kW, con lo cual es necesario un enfriamiento adicional de 400 kW.
Como en la construcción de la GCC se debe tener en cuenta la
disponibilidad de calor, a los balances de cada intervalo, hay que agregar el
aporte de la fuente externa, con lo que se tendrá:
1500 -200 -200 -900
265 215 165 155 55
-600
Tabla 3. Balances netos con fuente externa
Como puede verse, el calentamiento auxiliar se necesita entre las temperaturas desplazadas 215ºC y 165ºC, razón por la cual la temperatura superior del primer intervalo no se ha colocado.
Teniendo en cuenta el aporte externo, y tomando como valores de ordenadas las temperaturas de los extremos inferiores de los intervalos, la
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disponibilidad de calor que figurará en abscisas será la que se muestra en la tabla 4.
Ordenada 265 215 165 155 55 Abscisa 600 1500 0 200 400
Tabla 4. Valores de la Gran Curva Compuesta
Estos valores no son otra cosa que la Gran Curva Compuesta, que se muestra en la figura 1.
Figura 1. Gran Curva Compuesta
Allí se puede ver que, efectivamente, la fuente externa se requiere a una temperatura intermedia entre 215 y 165, más precisamente, a 185ºC, es decir, por ejemplo, un vapor a 190ºC.
Eso es así, ya que en una GCC, los tramos donde dT/dQ es negativa, representan fuentes netas de calor, en tanto que aquellos donde dicha derivada es positiva son sumideros netos. Dos tramos consecutivos, donde el primero es fuente y el segundo sumidero, como en la figura 1, en el sector en el que se superponen, conforman un “bolsillo”, en el que no se requiere la intervención de servicios externos.
Por esta razón, en el problema planteado, la fuente auxiliar requerida a una temperatura intermedia entre 215ºC y 165ºC, lo es, precisamente, a 185ºC (un vapor a 190ºC, por ejemplo), punto en el cual concluye el bolsillo.
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Lo anterior explicita otra utilidad de la GCC: la posibilidad de analizar la utilización de distintos servicios auxiliares para balancear el sistema.
Por ejemplo, en la figura 2 se muestra la Gran Curva Compuesta del problema del capítulo anterior, donde es factible un calentamiento auxiliar con uno o más vapores de una temperatura menor a 255ºC, que era el disponible según los datos. Este vapor de 255ºC podría
reservarse para calefaccionar sólo la parte derecha de la GCC; en rigor, el vapor necesario para esa parte no debe tener una temperatura inferior a 220ºC.
Integración de columnas de destilación
La destilación es el método más utilizado para separar mezclas en fase líquida de compuestos con distinto punto de ebullición.
Una columna de destilación es un equipo donde el proceso de separación se consigue, básicamente, mediante un “pasaje” de energía desde el reboiler, donde se entrega calor, hasta el condensador de tope, donde se lo retira. En la figura 3 se esquematiza esta situación.
Es una operación altamente intensiva en
energía, lo que la convierte en uno de los principales objetivos al momento de realizar un análisis de integración energética. La línea conceptual básica adoptada para la presentación del tema sigue lo expuesto en el trabajo original de Linnhoff y colaboradores (1983).
Figura 2. Gran Curva Compuesta del otro problema
Alim. Destil. Fondo TCond QCond TReb QReb Col.Dest. QCond QReb
Figura 3. Columna de destilación
Los términos columna o torre de destilación serán usados para referirse al mismo tipo de equipo.
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Se debe dejar en claro que la integración de columnas de destilación, como la de cualquier equipo de proceso, es un tema cuyo tratamiento en detalle no puede reducirse a unas pocas páginas como las que aquí se presentan.
Normalmente, la columna se abastece de calor desde una fuente auxiliar, vapor, por ejemplo, y lo cede a un medio refrigerante, externo a las corrientes de proceso, como el agua o el aire.
La integración térmica de una torre de destilación busca aprovechar cantidades de calor disponibles en algún punto del proceso, corrientes calientes, para abastecerse de energía o de necesidades de calentamiento, corrientes frías, para ceder el calor del condensador.
Importa definir cuales son las condiciones requeridas para que dicha integración tenga sentido.
Debe tenerse en cuenta que toda integración implica un incremento de la interacción entre los elementos que participan de la misma. En una red de intercambio térmico, si todas las corrientes se calentasen o enfriasen con fuentes auxiliares, una perturbación sobre una corriente cualquiera estaría restringida, en su influencia, al equipo correspondiente y su corrección, a los sistemas de control del mismo. Si, en cambio, se ha diseñado una red integrada, esa perturbación, en general, ha de afectar a otras corrientes de proceso, obligando a los sistemas de control a una corrección más extendida.
En consecuencia, si no existen ahorros de energía la integración carece de sentido, porque no existirían los aspectos positivos vinculados a la misma.
En la figura 4 se pueden ver alternativas para la posible integración de una columna de destilación en un proceso cuya Cascada de Calor se muestra. La línea de trazos indica la ubicación del Pinch para el proceso, esto es, previo a considerar la integración de la columna.
En la parte (a) de dicha figura el reboiler toma calor del bloque caliente y el condensador de tope lo cede al bloque frío. Se puede ver que la fuente auxiliar debe agregar, al suministro de QSCmin que requiere el proceso, la cantidad QReb para la columna, en tanto que el sumidero externo debe absorber, además del QSFmin original, el calor cedido por el condensador, QCond. Es decir, la
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integración de la columna no produce ningún ahorro en las demandas de servicios auxiliares. Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 QSCmin + QReb QSFmin + QCond Col.Dest QReb QCond Q1 Q2 Q3 Q4 Q5
QSCmin + QReb - QCond
QSFmin Col.Dest QReb QCond Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 QSFmin Col.Dest QReb QCond QSCmin - QCond (a) (b) (c)
Figura 4. Esquemas de integración de una columna de destilación
En la parte (b) se muestra la integración de la columna en el bloque caliente. Puede verse que la demanda sobre el servicio caliente auxiliar se modifica del valor QSCmin a QSCmin + QReb - QCond, esto es, la modificación es igual a la diferencia entre las transferencias de calor entre el fondo y el tope de la columna. Dado que la integración se produce totalmente en el bloque caliente, los requerimientos al servicio frío auxiliar no se modifican.
De lo que se muestra en la parte (c) de la figura 4 podría pensarse que no es preciso que el reboiler esté efectivamente integrado en la cascada, siendo necesario, solamente, que el condensador ceda calor en el nivel que corresponda del bloque caliente.
Sin embargo, esto no es siempre necesariamente cierto. En la figura 5 se ha indicado la integración de la columna al proceso representado por la Gran Curva Compuesta (GCC). La torre aparece como un rectángulo, lo que presupone QReb = QCond.
En la parte (a), donde los sucesivos intervalos del bloque caliente son demandantes netos de calor, puede verse que, de acuerdo a como está ubicada la columna, la fuente externa sólo se requiere para satisfacer el
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extremo derecho de de la Gran Curva Compuesta y el reboiler puede o no estar integrado, ya que siempre estará tomando calor de dicha fuente.
En la parte (b), en cambio, donde existe un “bolsillo” en la GCC, el reboiler debe estar necesariamente integrado, ya que la ubicación de la columna la transforma en un puente para la transferencia de calor dentro del bolsillo.
Se aprecia aquí una de las
características “virtuosas” de la GCC en la que, con mucha facilidad, es posible realizar un análisis de integración de un elemento nuevo a un proceso que ha sido previamente integrado energéticamente.
Del mismo modo, se puede analizar la integración de la columna en el bloque frío del proceso. Como conclusión se puede decir que la integración energética de una columna de destilación debe hacerse enteramente dentro del
bloque frío o del caliente del resto del proceso; jamás a través del Pinch.
Si las temperaturas de tope y fondo se encuentran a ambos lados del Pinch o si las cantidades de calor disponibles en el proceso no resultan suficientes para satisfacer los requerimientos de la columna, la integración energética de la misma ha de obligar al análisis de eventuales modificaciones en las condiciones operativas.
El desplazamiento de las temperaturas de tope y fondo se puede lograr cambiando la presión de trabajo de la torre, aunque esto tiene sus límites.
Un incremento de la presión desplaza la columna hacia las temperaturas más altas, hacia el interior del bloque caliente. Como regla general, el costo de la columna no se modifica demasiado, ya que existen efectos contrapuestos que tienden a compensarse entre sí. Por ejemplo, este desplazamiento hacia presiones y temperaturas de operación más altas producen una disminución de las volatilidades relativas, exigiendo mayor número de platos - mayor altura - o una relación de reflujo más alta - mayor diámetro - con lo que aumentará el
(a) (b)
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costo de la torre. Pero también disminuirán los servicios requeridos, por la reducción del calor latente de vaporización, y el diámetro de la torre, como consecuencia del incremento de la densidad del vapor por aumento de la presión.
El límite lo impone la temperatura en el reboiler, que crece a medida que se aumenta la presión de operación. A altas temperaturas pueden producirse degradaciones del producto de fondo o bien no disponerse del medio calefaccionante adecuado.
La reducción de la presión de trabajo de la columna impulsa a ésta a integrarse en el bloque frío. El límite, en este caso, está dado por la temperatura del condensador, donde, en lo posible, se trata de evitar el uso de refrigeración u operación bajo vacío.
Otro caso es el que se muestra en la figura 6. Allí, las cantidades de calor disponibles no permiten la integración de la columna dentro del ámbito de temperaturas deseado. En la parte (a) queda claro que el tramo resaltado de la GCC no puede transferir el calor disponible, ya que dicha transferencia la está realizando el condensador de tope. La solución es utilizar un condensador intermedio, que permite distribuir los requerimientos de refrigeración. Téngase en cuenta que, por la ubicación asignada a la columna en la integración, ambos condensadores deberán ceder el calor dentro del bloque caliente, como se ve en la parte (b) de la figura.
(a) (b)
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Por último, y sin que esto signifique que se han analizado todas las posibles adecuaciones de una columna de destilación con vistas a su integración energética, se puede ver el caso esquematizado en la figura 7. Allí la GCC muestra la imposibilidad de integrar la columna representada por el rectángulo de trazos, ya que, la temperatura a la que debe operar el reboiler es superior a la fuente auxiliar disponible, indicada con la línea de trazo y punto.
La columna no puede desplazarse hacia temperaturas más bajas; ya que empiezan a generarse problemas en la integración del condensador. De hecho, la ubicación en la que se encuentra es el límite inferior, siempre considerando ese proceso.
Una alternativa es reducir la demanda de calor dividiendo la alimentación en dos columnas e integrarlas, por ejemplo, una en el bloque caliente y la otra en el frío. En la figura se muestran como dos rectángulos en línea llena y, al costado, el diagrama del sistema.
Esta estrategia incrementa la inversión fija, debiendo ser analizada la factibilidad económica de la inversión adicional (por sobre la columna aislada) frente al ahorro en consumos de servicios auxiliares.
Se puede hacer un comentario final sobre las columnas que se integran térmicamente al resto del proceso. Esa integración puede requerir modificaciones en el tipo de equipos de transferencia de calor que se utilizan en el tope y en el fondo.
Normalmente, se trata de utilizar, como medios de enfriamiento, por su menor costo, aire o agua. En un caso es un gas, en el otro un líquido limpio y el tipo de condensadores que se utilizan para ellos puede no ser adecuado para intercambiar con las corrientes que resultan de la integración. Otro tanto ocurre con el reboiler, donde lo común es utilizar la condensación de vapor de agua como medio calefaccionante.
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Los nuevos tipos de equipos pueden representar una modificación importante en la ecuación económica y la cuestión debe ser analizada, como en toda alternativa de diseño, teniendo en cuenta la inversión adicional frente al ahorro por conseguir.