Diseño de redes de intercambio de energía aplicando la metodología del análisis pinch

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(1)Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA. er. ía. Q. uí. m. ica. Escuela Académico Profesional de Ingeniería Química. ge. ni. DISEÑO DE REDES DE INTERCAMBIO DE ENERGÍA APLICANDO LA METODOLOGÍA DEL ANÁLISIS PINCH. In. TESIS. de. PARA OPTAR EL TÍTULO DE. ca. INGENIERO QUÍMICO. te. Autores:. io. Br. BRACAMONTE LEÓN, ROSMERY.. Bi. bl. Br. VARAS GAMBOA, INGRID PAMELA.. Asesor:. Dr. EVANGELISTA BENITES, GUILLERMO.. TRUJILLO – PERÚ 2019. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) Bi. bl. io. te. ca. de. In. ge. ni. er. ía. Q. uí. m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA. er. ía. Q. uí. m. ica. Escuela Académico Profesional de Ingeniería Química. ge. ni. DISEÑO DE REDES DE INTERCAMBIO DE ENERGÍA APLICANDO LA METODOLOGÍA DEL ANÁLISIS PINCH. In. TESIS. de. PARA OPTAR EL TÍTULO DE. ca. INGENIERO QUÍMICO. te. Autores:. io. Br. BRACAMONTE LEÓN, ROSMERY.. Bi. bl. Br. VARAS GAMBOA, INGRID PAMELA.. Asesor:. Dr. EVANGELISTA BENITES, GUILLERMO.. TRUJILLO – PERÚ 2019. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) Bi. bl. io. te. ca. de. In. ge. ni. er. ía. Q. uí. m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Presentación. Señores catedráticos miembros del jurado: De conformidad con lo dispuesto en el Reglamento de Grados y Títulos de la Escuela Académico Profesional de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Trujillo, nos es. ica. honroso presentar a consideración de vuestro elevado criterio el presente trabajo titulado:. m. "Diseño de redes de intercambio de energía aplicando la metodología del análisis. uí. pinch", que sustentaremos como tesis para obtener el título de Ingeniero Químico, si vuestro. Trujillo, 22 de Marzo del 2019.. te. ca. de. In. ge. ni. er. ía. Q. dictamen nos es favorable.. io. Br. Bracamonte León, Rosmery.. Bi. bl. Br. Varas Gamboa, Ingrid Pamela.. i Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Jurado Dictaminador. ni. er. ía. Q. uí. m. Presidente. ica. Dr. Luis Moncada Albitres. ge. Dr. Napoleón Yupanqui Gil. te. ca. de. In. Secretario. Asesor. Bi. bl. io. Dr. Guillermo Evangelista Benites. ii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DEDICATORIA. A DIOS por permitirme estar en este mundo y darme la fortaleza para poder culminar mi formación profesional al lado de los seres que más. m. ica. quiero en esta vida.. uí. A ANGELA Y VICTOR, mis adorados padres. Q. que son el motivo de mi constante lucha y. ía. perseverancia en el quehacer cotidiano. Gracias. er. por darme ese amor y apoyo que no tienen precio.. In. ge. ni. Los amaré toda mi vida y nunca los defraudaré.. de. A mis hermanos VICTOR, SANDRA Y. ca. JEANET, quien con sus consejos y paciencia me. te. enseñaron a darle un sentido muy especial a mi. io. vida, no habría sido posible lograr mis objetivos. Bi. bl. sin su apoyo, siempre los tendré en mi corazón.. Br. Bracamonte León, Rosmery.. iii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DEDICATORIA. A DIOS, el todopoderoso, por cuidarme y guiarme con su sabiduría por el camino correcto a. ica. lo largo de toda mi vida universitaria y personal.. m. A mis padres ANA Y ORLANDO, quienes me dieron. uí. la vida, su amor y también esta profesión. Gracias por. Q. estar conmigo en todo momento y apoyarme en este gran. ía. reto que me tracé, ser un profesional y a quienes nunca. ge. ni. er. los defraudaré.. In. A mis hermanos NILSON Y YELIKA, quienes. tíos WILLIAM Y ROXANA que con su ejemplo y sus consejos me ayudaron a no desmayar en los momentos que más necesitaba. Gracias por apoyarme.. Bi. bl. io. te. ca. de. siempre están conmigo en todo momento. A mis. Br. Varas Gamboa, Ingrid Pamela.. iv Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. AGRADECIMIENTO. Un agradecimiento muy especial a nuestro asesor, el. ica. Dr. Ing. Guillermo Evangelista Benites, por su amistad y su constante apoyo y orientación, que nos el presente trabajo. de. m. permitieron culminar. ge. ni. er. ía. Q. uí. investigación.. In. Nuestro reconocimiento a la plana docente de la Escuela. de. Académico Profesional de Ingeniería Química, por los conocimientos y experiencias impartidos durante el. también por su tolerancia y paciencia que nos brindaron a lo largo de la carrera.. Bi. bl. io. te. ca. desarrollo de nuestra formación universitaria, así como. Los Autores.. v Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE. Presentación ......................................................................................................................... i Jurado Dictaminador ........................................................................................................... ii DEDICATORIA ................................................................................................................ iii AGRADECIMIENTO .......................................................................................................... v ÍNDICE ...............................................................................................................................vi. ica. GLOSARIO ..................................................................................................................... viii LISTADO DE FIGURAS ..................................................................................................... x. m. LISTADO DE TABLAS .....................................................................................................xi. uí. NOMENCLATURA ......................................................................................................... xii. Q. RESUMEN ...................................................................................................................... xiii. ía. ABSTRACT ...................................................................................................................... xiv. er. I. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1. ni. 1.1. Realidad Problemática ................................................................................................. 2. ge. 1.2. Antecedentes ............................................................................................................... 2 1.3. Marco teórico – conceptual ......................................................................................... 4. In. 1.3.1.Descripción del Proceso ......................................................................................... 4 1.3.1.1. Calentamiento del jugo clarificado ................................................................... 7. de. 1.3.1.2. Evaporación del jugo clarificado ...................................................................... 7 1.3.1.2.1.Descripción del sistema de alimentación de vapor en cada efecto ................ 7. ca. 1.3.1.2.2.Descripción del sistema de circulación de jugo ........................................... 8. te. 1.3.1.2.3.Descripción del sistema de circulación de agua condensada ........................ 9. io. 1.3.2.Análisis Pinch ........................................................................................................ 9 1.3.2.1. Pasos a seguir para el análisis pinch ............................................................... 10. bl. 1.3.3.Reglas de diseño ................................................................................................... 15. Bi. 1.4. Problema de investigación ......................................................................................... 15 1.5. Hipótesis ................................................................................................................... 16 1.6. Objetivos ................................................................................................................... 16 1.6.1. Objetivo General ................................................................................................. 16 1.6.2. Objetivos Específicos .......................................................................................... 16. II. MATERIALES Y MÉTODOS ....................................................................................... 17 2.1 Material de estudio ..................................................................................................... 17. vi Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 2.1.1. Caracterización de las corrientes de proceso. ....................................................... 17 2.1.2. Balance de Masa y Energía del proceso. .............................................................. 17 2.1.3. Construcción de la tabla algoritmo. ...................................................................... 17 2.1.4. Análisis energético de la red de la etapa de evaporación. ..................................... 17 2.2. Variables ................................................................................................................... 18 2.3. Equipos, instrumentos e instalaciones ........................................................................ 18. ica. III. RESULTADOS ........................................................................................................... 19 3.1. Caracterización de las corrientes de proceso .............................................................. 19. m. 3.2. Curvas Compuestas ................................................................................................... 21. uí. 3.3. Gran Curva Compuesta ............................................................................................. 22. Q. 3.4. Análisis energético de la red de la etapa de evaporación ............................................ 23. ía. IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ............................................................................... 27. er. V. CONCLUSIONES ...................................................................................................... 29. ni. VI. RECOMENDACIONES ............................................................................................. 30. ge. VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 31. In. ANEXOS ........................................................................................................................... 35. de. Anexo A ........................................................................................................................... 36 "Diagramas de flujo de producción de azúcar rubia de un ingenio azucarero ubicado en la zona norte del Perú". ca. Anexo B ........................................................................................................................... 43. te. "Balances de masa y energía en el proceso de fabricación de azúcar rubia de un ingenio azucarero ubicado en el norte del Perú". io. Anexo C .......................................................................................................................... 50. Bi. bl. "Reporte de consumo de energía eléctrica en el proceso de fabricación de azúcar rubia de un ingenio ubicado en el norte del Perú". Apéndice A: Propiedades del vapor saturado y del agua ..................................................... 52. vii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. GLOSARIO . Análisis Pinch: Se utilizar para representar la aplicación de las herramientas y de los algoritmos de la Tecnología Pinch para estudiar procesos industriales.. . Corriente: Es aquella que, conservando su masa y composición, cambia su valor energético (temperatura o estado de agregación) desde la salida de una operación hasta la. Corrientes calientes: Las que disminuyen su energía (la temperatura de salida es menor. m. . ica. entrada de otra.. Q. Corrientes frías: Las que aumentan su energía (la temperatura de salida es mayor que la temperatura de entrada o existe evaporación).. Curva compuesta: Es una gráfica que enfrenta la entalpia Vs temperatura usada para. er. . ía. . uí. que la temperatura de entrada o existe condensación).. Gran Curva Compuesta: Se ocupa cuando se van a seleccionar los servicios auxiliares. In. . ge. ni. seleccionar los niveles de servicios y para estimar el área de transferencia de calor.. que se van a utilizar y a determinar las temperaturas de éstos. Esta curva muestra la. Ingenio Azucarero: O simplemente ingenio, se le denomina a una antigua hacienda con. ca. . de. variación del suministro y la demanda de calor de todo el proceso.. Mínimos requerimientos energéticos: Es la cantidad mínima de calentamiento y. io. . te. instalaciones para procesar caña de azúcar, ron, alcohol y otros productos.. Punto Pinch: Es aquel en el cual no hay transferencia de energía entre dos intervalos de. Bi. . bl. enfriamiento que requiere el proceso.. temperatura. Esta temperatura pinch divide el problema de diseño en dos partes: por encima del pinch y por debajo del pinch. . Tecnología Pinch: Conjunto nuevo de métodos termodinámicos que garantizan un nivel de energía mínima en el diseño de redes de intercambio de calor.. viii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. . Temperatura mínima de aproximación (ΔTmín): Es la diferencia mínima de temperatura que puede existir entre las corrientes calientes y frías para que se pueda presentar transferencia de calor sin violar la segunda ley de la termodinámica.. . Utilidades: Son todos los fluidos adicionales que se utilizan como medio de. Bi. bl. io. te. ca. de. In. ge. ni. er. ía. Q. uí. m. de agua, gases de combustión, agua fría, salmuera, amoníaco, etc.. ica. enfriamiento (utilidades frías) o de calentamiento (utilidades calientes). Ejemplo: vapor. ix Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. LISTADO DE FIGURAS Figura 1.3. Pasos necesarios para aplicar el análisis pinch a un proceso. Figura 1.4. Diagrama de intervalos de temperaturas. Figura 1.3. Cascada de calor en los intervalos de temperaturas.. Figura 1.5. Cuatro tipos de intercambio de calor a través del pinch.. ica. Figura 1.4. Diagrama de las curvas compuestas.. m. Figura 3.1. Actual red de intercambio de energía del proceso para la obtención de azúcar en. uí. diagrama de rejilla.. Q. Figura 3.2. Curvas compuestas de las corrientes calientes y frías del proceso azucarero.. ía. Figura 3.3. Grand Curva Compuesta de la red actual de intercambio de calor del proceso. er. azucarero.. ge. ni. Figura 3.4. Red de intercambio de energía de la etapa de evaporación en diagrama de rejilla.. In. Figura 3.5. Curvas compuestas de las corrientes calientes y frías de la etapa de evaporación.. evaporación.. de. Figura 3.6. Grand Curva Compuesta de la red de intercambio de calor de la etapa de. ca. Figura A.1. Etapa de extracción de jugo de caña en el difusor con módulo de calentamiento. te. de baja presión.. io. Figura A.2. Etapa de calentamiento de jugo de caña y clarificación.. bl. Figura A.3. Etapa de evaporación.. Bi. Figura A.4. Etapa de cristalización de Masa A. Figura A.5. Etapa de cristalización de Masa B. Figura A.6. Etapa de cristalización de Masa C. Figura A.7. Etapa de distribución del condensado.. x Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. LISTADO DE TABLAS Tabla 3.1. Caracterización de las corrientes de proceso de un ingenio ubicado en el norte del Perú. Tabla 3.2. Tabla problema para el análisis de integración energética de la etapa de evaporación.. ica. Tabla 4.1. Consumo de vapor por equipos.. m. Tabla B.1. Resultados de los balances de masa y energía en los calentadores.. uí. Tabla B.2. Resultados de los balances de masa y energía en los evaporadores.. Q. Tabla B.3. Datos técnicos del Turbogenerador.. ía. Tabla B.4. Entalpías de vapor directo y escape en la planta eléctrica.. er. Tabla B.5. Vapor a generar en la caldera según necesidades tecnológicas.. ge. ni. Tabla B.6. Resultados obtenidos de los balances de masa y energía en la caldera.. In. Tabla C.1. Energía eléctrica consumida en el ingenio azucarero el 31 de enero del 2019.. Bi. bl. io. te. ca. de. Tabla A.1. Propiedades del vapor saturado y del agua (tablas de vapor). Unidades SI.. xi Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. NOMENCLATURA : Calcio. λ. : Calor latente de vaporización. ΔH. : Cambio de entalpía. Cp. : Capacidad calorífica. CP. : Capacidad calorífica total. $/año. : Dólares por año. H. : Entalpía. m. : Flujo másico. GB. : Gigabyte. GHz. : Gigahercio. °Brix. : Grados Brix. °C. : Grados centígrados. Kg/s. : Kilogramos por segundo. KJ/s. : Kilojoules por segundo. KW. : Kilowatts. psig. : Libras de fuerza por pulgada cuadrada. MWH. : Megawatts por hora. Ti. m uí Q ía er ni ge. In. de. ca. te. io bl. %. : Milímetros : Porcentaje. Bi. mm. ica. Ca. : Temperatura inicial. Tf. : Temperatura final. t/h. : Toneladas por hora. xii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. RESUMEN. ía. Q. uí. m. ica. La investigación tuvo como objetivo evaluar el diseño actual de redes de intercambio de energía de la etapa de evaporación de un ingenio azucarero ubicado en la zona norte del Perú, aplicando el software HINT versión 2.2. con la finalidad de determinar la factibilidad de realizar una maximización de la recuperación de calor y la reducción de las cargas de los servicios auxiliares. Para ello se realizaron los balances de masa y energía para conocer los consumos de vapor en los principales equipos tecnológicos del proceso, obteniendo un uso ineficiente de la energía, así como no encontrando un aprovechamiento adecuado de corrientes con calidad térmica. Según los resultados obtenidos en el software HINT, se mostró que las utilidades mínimas de calor son de 29 591.4 KW, las cuales se pueden expresar en 79.79 t/h de vapor, si este valor se compara con el consumo del balance energético del esquema actual que es 86.71 t/h de vapor, se notó que existe un consumo de utilidad caliente superior al mínimo requerido, dando lugar a la violación de una de las reglas básicas del análisis pinch que se refiere a la no transferencia de calor a través del pinch. Por lo que, en esta investigación no se logró realizar una maximización de la recuperación de calor y la reducción de las cargas de los servicios auxiliares en el proceso.. Bi. bl. io. te. ca. de. In. ge. ni. er. Palabras clave: diseño de redes, intercambio de energía, análisis pinch.. xiii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ABSTRACT. Q. uí. m. ica. The objective of the research was to evaluate the current design of energy exchange networks of the evaporation stage of a sugar mill located in the northern zone of Peru, applying the software HINT version 2.2. in order to determine the feasibility of maximizing heat recovery and reducing the loads of auxiliary services. To do this, the mass and energy balances were performed to know the steam consumption in the main technological equipment of the process, obtaining an inefficient use of energy, as well as not finding an adequate use of currents with thermal quality. According to the results obtained in the HINT software, it was shown that the minimum heat utilities are 29 591.4 KW, which can be expressed in 79.79 t/h of steam, if this value is compared with the energy balance consumption of the current scheme which is 86.71 t/h of steam, it was noted that there is a hot utility consumption higher than the minimum required, resulting in the violation of one of the basic rules of pinch analysis that refers to the non-transfer of heat through the pinch. Therefore, in this investigation it was not possible to maximize heat recovery and reduce the loads of auxiliary services in the process.. Bi. bl. io. te. ca. de. In. ge. ni. er. ía. Keywords: network design, energy exchange, pinch analysis.. xiv Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. I. INTRODUCCIÓN Como en todos los procesos que abarca la industria, la necesidad de reducir en las plantas los costos operativos y aumentar la producción dentro de los estándares de calidad que rigen el mercado, han llevado al desarrollo de nuevos procesos y a optimizar los ya establecidos. (Escolástico, 2015, p. 01).. ica. Es la incertidumbre del suministro de energía, el aumento en la demanda del gas natural y. m. el cumplimiento de las regulaciones ambientales, lo que ha hecho que la industria se centre en. uí. realizar análisis de aprovechamiento de energía en sus procesos e instalaciones. Estos análisis. Q. consisten en presentar opciones de optimización de la energía mediante la mejora de las. ía. operaciones unitarias involucradas en el proceso, y principalmente la interacción de los equipos. er. para realizar dichas operaciones. Uno de esos análisis es la tecnología Pinch, que proporciona. ge. ni. una metodología sistemática para el ahorro de energía en los procesos. La mayor parte que consume la industria química es energía calorífica. Se necesita calentar. In. los productos para hacerlos reaccionar, para evaporarlos, etc. En cada parte del proceso, los. ca. calentarlos o enfriarlos.. de. productos químicos deben estar a una temperatura determinada por lo que es necesario. te. La solución para ahorrar energía es sencilla, calentar el producto frío que queremos calentar. io. con el caliente que queremos enfriar. Para transferir el calor de una corriente a otra, se utilizan. bl. intercambiadores de calor. Por ejemplo: En la industria láctea se trata la leche calentándola. Bi. hasta 104 °C y luego se enfría rápidamente. Podemos utilizar el calor de la leche para precalentar a la leche fría. A esto se le denomina integración energética y está presente en todas las plantas químicas. Multitud de procesos no serían viables si no se aprovechara la energía. Según lo expuesto, los avances tecnológicos de hoy en día permiten diseñar softwares basados en metodologías que faciliten la optimización y el control de los procesos; motivo por 1 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. el cual nos planteamos evaluar el diseño de redes de intercambio de energía aplicando el software HINT con la finalidad de determinar la factibilidad de realizar una maximización de la recuperación de calor y la reducción de las cargas de los servicios auxiliares dentro de las industrias de procesos. De la evaluación de los resultados, el software HINT podría ser una herramienta de fácil. ica. aplicación en otras industrias para la mejora de sus procesos.. m. 1.1. Realidad Problemática. Q. uí. En los últimos años, la generación de energía ha caído negativamente debido al agotamiento de los recursos naturales, los recursos humanos, la escasez de capital y las legislaciones en. er. ía. materia ambiental que son cada vez más severas, por lo que ha sido de gran interés el estudio. ni. de la integración energética de procesos en las industrias, ya que permite optimizar el consumo. ge. de energía y reducir al mínimo los costos de operación, incrementando la rentabilidad de las. In. empresas a través de las reducciones en los requerimientos de energía.. de. El caso de estudio planteado se orientó en la evaluación del diseño de redes de intercambio de energía de la etapa de evaporación de un ingenio azucarero ubicado en la zona norte del. ca. Perú. Para ello se aplicó el software HINT con la finalidad de determinar la factibilidad de. te. realizar una maximización de la recuperación de calor y la reducción de las cargas de los. bl. io. servicios auxiliares.. Bi. 1.2. Antecedentes. Para tener una visión del panorama en cuanto a nuestra realidad, se realizó la búsqueda de antecedentes respecto al diseño de redes de intercambio de energía aplicando la metodología del análisis Pinch, de la cual se puede señalar que: Un estudio de optimización de eficiencia energética usando la tecnología pinch en una azucarera de Brasil, mostró que la eficiencia total del sistema es aproximadamente dos veces. 2 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. mayor (67 %) que la eficiencia de la turbina, esto es debido a que se usa los gases de escape de la turbina para generar vapor. (Llerena, 2018, p. 38) Según Cheresources, citado por Martínez et al. (2015, p. 04). Señaló que La metodología del Análisis Pinch, ampliamente difundida, se ha venido aplicando a redes de intercambiadores. ica. de calor en diferentes procesos industriales. Esta tecnología ha producido mejoras significativas en la eficiencia de la energía y del capital en diferentes industrias a nivel mundial.. m. Ha sido sustancialmente aplicada en procesos petroquímicos, en industrias de química básica,. Q. uí. de alimentos y de papel.. Utilizando la tecnología pinch se analizó la red de intercambio de calor de un central. er. ía. azucarero para maximizar el excedente de bagazo en Cuba. Como resultado se obtuvo, que el. ni. esquema energético óptimo es el de la sustitución del vapor – cell y del pre – evaporador por. ge. un pre – evaporador de mayor capacidad para garantizar el vapor de escape en el múltiple. In. efecto, al área de tachos y a los calentadores de jugo clarificado y rectificado y que esta. de. modificación realizada disminuyó el consumo de vapor en un 19.17 %, un máximo en la producción de bagazo sobrante de un 23.78 %, resultando económicamente factible con un. ca. VAN de 83 570 $/año y una Tasa de Interés de Retorno de 28.4 %, con un tiempo de. io. te. recuperación de la inversión de 2 años y medio. (García, 2014, p. 19). bl. Un análisis energético realizado en la planta de fabricación de azúcar y alcohol Heriberto. Bi. Duquense de Cuba, se obtuvo que el proceso de producción de azúcar tiene un sobreconsumo de 3.82 t/h de vapor, además en este estudio, la variante que incluye la corriente de vapor a la destilería, resultó en un consumo de 51.1 t/h de vapor, valor que limita la integración de estos procesos. (Pérez, 2014, p. 64) Una investigación realizada usando el método de análisis Pinch en la azucarera Antonio Sánchez, Cuba, se obtuvo una reducción del 16% de consumo de energía cuando se emplea el 3 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. sistema de dos masas, por lo que significa una herramienta muy útil y de uso necesario, porque brinda la posibilidad de visualizar dónde están los mayores potenciales de energía dentro del proceso y así poder obtener una red de recuperación de calor con mínimos consumos de utilidades. (González et al., 2012, p. 148). ica. Benítez et al. (2008). Afirmaron que dos problemas se presentan en la industria moderna con más fuerza que nunca: el costo de los combustibles y el deterioro ambiental. El constante. m. incremento en los precios de los combustibles y la aparición de nuevas leyes ambientales. Q. uí. convierte a algunos procesos industriales en ineficientes. En muchos casos la solución es eliminar estas tecnologías y diseñar nuevas plantas más eficientes. Sin embargo, es posible que. er. ía. con solo un revamp o un retrofit se pueda mejorar la integración energética y hacer nuevamente. ni. eficiente el proceso. (p. 02). ge. En un estudio realizado en las industrias químicas de Cuba, se encontró que aplicando la. In. tecnología Pinch, con la finalidad de investigar oportunidades para incrementar la eficiencia. de. energética, la optimización de las corrientes de purga mostró como resultado un consumo de vapor un 16 % más pequeño que en un estudio anterior similar. A partir de los costos de energía. ca. y capital, se muestra que el evaporador integrado presenta un costo total un 14% más pequeño. te. que la configuración no integrada. (Westphalen y Wolf, 2000, p. 01). io. 1.3. Marco teórico – conceptual. Bi. bl. 1.3.1. Descripción del Proceso En un ingenio azucarero ubicado en la zona norte del Perú, que procesa alrededor de 5 000 toneladas métricas de caña por día, en donde se obtiene azúcar rubia como único producto. El proceso de producción inicia con la llegada de caña a la fábrica. La primera etapa es la molienda de la caña, la cual se realiza por la acción de cuchillas picadoras, que tienen por objeto desmenuzarla, logrando de esta forma un bagazo con un tamaño adecuado para alimentarlo a la caldera. Posteriormente se pasa a la extracción del jugo que se realiza en un difusor 4 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. compuesto por catorce captadores, y esto se logra formando una cama de bagazo con un lavado sistemático a contra corriente por medio del agua. El agua disuelve el azúcar contenido en el bagazo dando lugar a un jugo rico que se recoge en cada captador llamado jugo mezclado y un bagazo con una humedad aceptable. El área de purificación consta de cuatro etapas: alcalización, calentamiento, flasheo y. ica. clarificación. El jugo proveniente del difusor pasa por la etapa de alcalización en donde primero. m. ocurre la reacción de los fosfatos presentes con el ión Ca, a un pH alcalino, que produce el. uí. fosfato tricálcico, precipitación de proteínas y aminoácidos mediante la utilización de su punto. Q. isoeléctrico neutralizando los ácidos presentes en el jugo mediante las reacciones ácido – base. ía. utilizando para ello la alcalización volumétrica en frío, aquí la sustancia a utilizar es la lechada. er. de cal y el ácido fosfórico contenido en el jugo que en forma de flóculo al precipitar arrastrará. ni. las impurezas como lodos o fangos llamados cachaza.. ge. Terminando la alcalización se pasa a la etapa de calentamiento, donde se realiza el cambio. In. de fase de un vapor al condensar hacia un jugo a través de una superficie de transferencia de. de. calor formada por un haz de tubos, con lo que éste se calienta, utilizando para ello calentadores. ca. de tubo y coraza, con esto se logra acelerar la reacción química de alcalización y precipitar la. te. mayor cantidad de impurezas orgánicas e inorgánicas. Después, se realiza el flasheo que se. io. basa en la vaporización de los componentes de menor punto de ebullición de una mezcla líquida. bl. a temperatura y presión atmosférica debido a su menor punto de ebullición y la estabilidad de. Bi. la temperatura de cambio de fase de las sustancias, aquí su función principal es eliminar los gases de las sustancias de menor punto de ebullición que el jugo y estabilizar la temperatura de este, y por ultimo esta la clarificación que es la sedimentación de los componentes sólidos debido a su mayor densidad respecto al líquido que lo contiene a temperatura constante con el auxilio de productos floculantes. También dentro del proceso de purificación se encuentra presente otro proceso, el de filtración, el cual se basa en la separación de un sólido de una. 5 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. suspensión (lodos de clarificación) previamente mezclada con un auxiliar de filtración a través de una tela perforada utilizando como fuerza extractiva el vacío e incrementando su eficiencia mediante la lixiviación (lavado) de la torta con agua. Seguidamente se encuentra el área de evaporación, la cual se divide en dos etapas: Calentamiento de jugo clarificado y evaporación del jugo en evaporadores múltiple efecto. El. ica. principio de funcionamiento del área es extraer la mayor cantidad posible de agua contenida. m. en el jugo clarificado, para eso se precalienta el jugo en los calentadores. El jugo clarificado. uí. pasa luego a la sección de evaporación para eliminar gran parte del agua presente en el jugo.. Q. El jugo clarificado posee aproximadamente un 82-87 % de agua, por efecto del trabajo de los. ía. evaporadores de múltiple efecto se logra reducir el contenido de agua al 33-40 % (60-67 °Brix),. er. denominándose "meladura" al jugo concentrado que sale de los evaporadores.. ni. Después de la etapa de evaporación, la meladura o jarabe que se obtiene en el último vaso. ge. del múltiple efecto pasa al área de cristalización donde cristaliza la mayor cantidad de sacarosa. In. posible. Para lograr la formación de los cristales de azúcar (sacarosa) se requiere eliminar el. de. agua presente en la meladura, esto se realiza durante la cocción de las templas en equipos. ca. llamados “tachos”, que son evaporadores de simple efecto que trabajan al vacío.. te. Posteriormente, en el área de centrifugación se separan los cristales presentes en la mezcla. io. sólido – líquido con alta viscosidad (masa cocida) mediante la acción de la fuerza centrífuga. bl. utilizando como medio de separación un tamiz o tela con perforaciones de acuerdo al tamaño. Bi. de grano de la masa, alrededor de 0.84 mm para masa comercial y de 0.35 a 0.40 mm para masa de agotamiento, auxiliado por un proceso de lavado con agua para garantizar un nivel del sólido o azúcar de acuerdo a las especificaciones de calidad que requiere el cliente. En esta investigación, nos centramos en el estudio de la etapa de evaporación de un ingenio azucarero ubicado en la zona norte del Perú, que se divide en dos sub – etapas: Calentamiento del jugo clarificado y evaporación del jugo en evaporadores de múltiple efecto.. 6 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.1.1. Calentamiento del jugo clarificado Los calentadores de jugo clarificado son dos intercambiadores de calor de carcasa y tubos, verticales, empleados para elevar la temperatura del jugo clarificado de 97 °C a 116 °C mediante el uso de vapor vegetal, proveniente del primer y segundo pre – evaporadores. Como se muestra en la figura A.2. del Anexo A.. ica. 1.3.1.2. Evaporación del jugo clarificado. m. El ingenio azucarero ubicado en el norte del Perú cuenta con un sistema de evaporación de. uí. jugo de Quíntuple Efecto, en el cual el jugo clarificado que ingresa eleva su concentración. Q. desde 12.45 °Brix hasta 68.51 °Brix, convirtiéndose en jarabe crudo. Previo a la evaporación. ía. el jugo es calentado para elevar su temperatura hasta alrededor de 103 °C para su clarificación. er. en un decantador o clarificador de jugo, donde se elimina un gran porcentaje de las impurezas. ni. contenidas, y luego es bombeado hacia el primer efecto de la evaporación. El incremento previo. ge. de la temperatura del jugo es muy importante, ya que permite que éste al ingresar al primer. In. efecto alcance una evaporación instantánea (evaporación flash), siendo el valor necesario de la. de. temperatura en alrededor de 116 °C; de lo contrario el jugo que ingresa a la calandria requeriría. ca. de calor adicional al calor latente para lograr alcanzar la temperatura de saturación y evaporar.. io. del tipo Roberts.. te. El sistema de evaporación de 5 efectos, se compone de evaporadores en serie, los cuales son. Bi. bl. 1.3.1.2.1. Descripción del sistema de alimentación de vapor en cada efecto El vapor dentro de la etapa de evaporación se distribuye en cada efecto como sigue: a) Primer efecto: El vapor suministrado es vapor de escape de 20 psig proveniente de la salida de la turbina de la Casa de Fuerza, y también vapor de alta presión de 600 psig proveniente de la caldera, previamente estrangulado mediante una válvula reductora de presión. b) Segundo Efecto: El vapor suministrado es el generado de la evaporación del jugo en el 7 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. cuerpo del primer efecto y es llamado también vapor vegetal 1 o V1, y su valor promedio es de 10 psig. c) Tercer Efecto: El vapor suministrado es el generado de la evaporación del jugo en el cuerpo del segundo efecto y es llamado también vapor vegetal 2 o V2, y su valor promedio es de 5 psig.. ica. d) Cuarto Efecto: El vapor suministrado es el generado de la evaporación del jugo en el. m. cuerpo del tercer efecto y es llamado también vapor vegetal 3 o V3, y su valor promedio. uí. es de -0.68 in Hg.. Q. e) Quinto Efecto: El vapor suministrado es el generado de la evaporación del jugo en el. ía. cuerpo del cuarto efecto y es llamado también vapor vegetal 4 o V4, y su valor promedio. er. es de -13.17 in Hg. El vapor generado en el último efecto es enviado al condensador. ni. barométrico, siendo su valor promedio de -25 in Hg. El vapor vegetal a su vez que es. ge. empleado en la Evaporación del jugo, también sirve para otros procesos dentro de la. In. fabricación del azúcar (calentamiento de jugo, tachos, etc), principalmente el V1, V2 y V3,. de. por lo que se tiene que realizar extracciones de vapor en estos efectos.. ca. 1.3.1.2.2. Descripción del sistema de circulación de jugo. te. El jugo bombeado a la etapa de evaporación ingresa al primer efecto por la parte inferior de. io. la calandria del evaporador, donde alcanza una altura hidrostática promedio a la tercera parte. Bi. bl. de la longitud del tubo.. La ebullición del jugo en el interior de la calandria es turbulenta, lo que genera que el jugo circule desde los tubos de la calandria hacia el tubo central, por donde sale del evaporador hacia el siguiente efecto. El jugo que se alimenta desde un efecto al siguiente sufre evaporación por descompresión instantánea a medida que entra en el siguiente cuerpo debido a la menor presión de operación.. 8 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.1.2.3. Descripción del sistema de circulación de agua condensada El agua condensada es generada dentro de la calandria debido al intercambio de calor entre el vapor y el jugo en cada efecto. El agua condensada obtenida del primer efecto es de vital importancia, ya que ésta, al provenir de la condensación del vapor de escape es agua pura sin la presencia de algún arrastre. ica. de jugo o contaminante, a diferencia del vapor vegetal generado en los cuerpos de cada efecto.. m. Ésta retorna nuevamente al Desaireador del área de Calderas para su uso.. uí. El agua condensada generada en el segundo efecto es enviada a un tanque de recepción del. Q. cual se obtiene vapor flash que ingresa a la alimentación del tercer efecto, de igual manera en. ía. los siguientes efectos. Los tanques de recepción de condensados están interconectados entre sí. er. hasta llegar al último efecto de donde el agua es enviada a unos tanques de almacenamiento. ni. para su posterior uso en otras etapas del proceso. Como se muestra en la Figura A.3. del Anexo. ge. A.. In. 1.3.2. Análisis Pinch. de. En los últimos diez años el análisis de pliegue o análisis pinch ha pasado de ser una. ca. herramienta dirigida a mejorar la eficiencia energética en el diseño de redes de recuperación. te. de calor, a una metodología de optimación tanto para diseñar procesos nuevos como para. io. modificar procesos existentes. Actualmente incluye el diseño de: Redes de recuperación de calor.. -. Sistemas de separación.. Bi. -. bl. -. Sistemas de remoción de desechos.. -. Sistemas de calor y potencia.. -. Sistemas de servicios auxiliares.. -. Complejos industriales. Sus objetivos, además del mejoramiento de la eficiencia energética del proceso, incluyen:. -. Reducción del costo de capital.. -. Reducción del costo de la energía. 9. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. -. Reducción de emisiones contaminantes.. -. Optimización del uso del agua.. -. Mejoramiento de la operación y de la producción. Esta técnica se ha aplicado en refinerías, fundidoras, plantas petroquímicas, papeleras,. cerveceras y textiles, entre otras. (Varela, 2013, p. 02). ica. 1.3.2.1. Pasos a seguir para el análisis pinch El algoritmo está constituido por los pasos que se observan en la Figura 1.3.. m. a) Escoger la temperatura mínima de aproximación:. uí. Esta representa la diferencia más pequeña de temperatura entre las dos corrientes que salen. Q. o entran al intercambiador. Los valores típicos se encuentran entre el intervalo de (3-8) ºC. Este. er. ía. intervalo, aunque es típico no es muy claro y para escoger el valor adecuado se debe realizar. ni. un estudio económico previo.. In. ge. Escoja la temperatura mínima de. Construya un diagrama de cascada.. Bi. bl. io. te. ca. de. Construya el diagrama de intervalos de. Calcule el número mínimo de intercambiadores de calor. Diseñe la red de de calor.. Figura 1.1. Pasos necesarios para aplicar el análisis pinch a un proceso. Fuente. Mendoza y Yepes, sf., p. 03.. 10 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. b) Construcción del diagrama de intervalos de temperatura: En este diagrama todas las corrientes del proceso son representadas por una línea vertical, usando la convención de que las corrientes calientes que requieren enfriamientos se colocan hacia abajo en el lado izquierdo y las corrientes frías que requieren calentamiento de forma contraria.. ica. Como punto de partida se considera la transferencia de calor en cada intervalo de. (1.1). bl. io. te. ca. de. In. ge. ni. er. ía. Q. uí. 𝑄𝑖 = [∑(𝐹𝐶𝑝 )𝑐𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠,𝑖 − ∑(𝐹𝐶𝑝 )𝑓𝑟í𝑎𝑠,𝑖 ]∆𝑇𝑖. m. temperatura de forma separada. La expresión utilizada es:. Bi. Figura 1.2. Diagrama de intervalos de temperaturas. Fuente: Copete y Herrera, 2011, p. 58.. c) Construcción del diagrama de cascada: Muestra la cantidad de energía para cada intervalo de temperatura. Con este diagrama podemos encontrar los requerimientos netos en cada intervalo de temperatura y transferir cualquier exceso de calor a un servicio de calentamiento. Para minimizar los requerimientos de servicios de calentamiento y enfriamiento, se encuentra el punto pinch mediante el grafico 11 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ge. ni. er. ía. Q. uí. m. ica. y se considera como aquel en donde la energía no puede ser transferida.. In. Figura 1.3. Cascada de calor en los intervalos de temperaturas.. Bi. bl. io. te. ca. de. Fuente: Arce, 2011, p. 105.. Figura 1.4. Diagrama de las curvas compuestas. Fuente: Arce, 2011, p. 94.. 12 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. d) Calcular el número mínimo de intercambiadores de calor: Una vez encontrado el punto pinch en el paso anterior es necesario encontrar el número mínimo de intercambiadores de calor para llevar a cabo la transferencia de este con el diseño de servicios mínimos, aplicando la siguiente fórmula: 𝑁𝑖 = 𝑁𝑎 + 𝑁𝑑. (1.2). ica. Donde:. m. 𝑁𝑖 = Número de intercambiadores. Q. 𝑁𝑑 = Número de intercambiadores abajo del pinch. uí. 𝑁𝑎 = Número de intercambiadores arriba del pinch. ía. Por lo que, se divide el problema de transferencia de calor en dos partes:. er. Sobre el pinch. ge. ni. (𝑁𝑒) = (𝑁𝑠) + (𝑁𝑣) − 1 Debajo del pinch.. In. (𝑁𝑒) = (𝑁𝑠) + (𝑁𝑣) − 1. (1.3). (1.4). de. Siendo Ne el número de intercambiadores de calor, Ns el número de corrientes del proceso. ca. y Nv el número de corrientes de servicio. (Douglas, 2003, p.230).. te. e) Diseñar la red de intercambiadores de calor:. Diseño por encima del pinch: Se calculan los calores entre la temperatura de entrada y. bl. . io. Se diseña la red de intercambiadores en dos partes por encima y por debajo del pinch.. . Bi. salida y la temperatura pinch para cada sistema. Diseño por debajo del pinch: Se realiza el mismo procedimiento de diseño anterior.. Consideraciones Se define Fh y Fc como los flujos de las corrientes calientes y frías, y Cph y Cpc como las capacidades calóricas de las corrientes calientes y frías, respectivamente. Una regla de diseño para los cruces posibles es:. 13 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Sobre el pinch 𝐹ℎ 𝐶𝑝ℎ ≤ 𝐹𝑐 𝐶𝑝𝑐. (1.5). 𝐹ℎ 𝐶𝑝ℎ ≥ 𝐹𝑐 𝐶𝑝𝑐. (1.6). Debajo del pinch. Solo calentar sobre el pinch y solo enfriar debajo del pinch.. ica. f) Estimación del área de transferencia de calor:. m. Para determinar la cantidad de calor transferido a través del pinch en la actual red de. uí. intercambio de calor se compara las temperaturas de las corrientes calientes y frías con sus. Q. respectivas temperaturas pinch. Todos los posibles escenarios para este proceso se. ía. muestran en la Figura 1.5. Note que la línea punteada en cada caso denota la ubicación del. er. punto pinch y este puede ser asociado con la diferencia de temperatura. Donde Tp y tp. ge. ni. corresponden a la temperatura pinch para la corriente caliente y fría, respectivamente. Para la corriente fría la temperatura se incrementa desde ts hasta tt mientras que la temperatura. In. de la corriente caliente disminuye desde Ts hasta Tt. (Bao-Hong and Chuei-Tin, 2010, p.. Bi. bl. io. te. ca. de. 3967-3971).. Figura 1.5. Cuatro tipos de intercambio de calor a través del pinch. Fuente: Bao-Hong Li and Chuei-Tin, 2010, p. 3969. 14 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Es obvio que todo el calor en el intercambiador de calor de la Figura 1.5. (a) está siendo transferido a través del pinch, esto es debido a que la menor temperatura de la corriente caliente está arriba del pinch mientras que la mayor temperatura de la corriente fría está por debajo del pinch. Para el resto de los tres escenarios, solo una parte del calor es transferido a través del pinch y la cantidad exacta de calor que se transfiere a través del. ica. pinch puede ser calculada mediante las siguientes fórmulas: 𝑄𝑝 = 𝐹𝐶𝑝ℎ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑝). m. (1.7). 𝑄𝑝 = 𝐹𝐶𝑝ℎ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑝) − 𝐹𝐶𝑝𝑐 (𝑡𝑡 − 𝑡𝑝). uí. (1.8). Q. 𝑄𝑝 = 𝐹𝐶𝑝𝑐 (𝑡𝑡 − 𝑡𝑝). (1.9). ía. Donde Qp denota el calor transferido a través del pinch, y FCph y FCpc representan el. er. flujo de capacidad calorífica de las corrientes calientes y frías, respectivamente. (Rossiter,. ge. ni. 2010, p. 33-42). 1.3.3. Reglas de diseño. In. De las características de las curvas compuestas se deducen tres reglas de diseño que. de. resumen el principio del punto pinch:. ca. a) A través del pinch no debe transferirse calor.. te. b) Arriba del pinch no debe usarse servicios de enfriamiento.. bl. io. c) Abajo del pinch no debe usarse servicios de calentamiento. (Varela, 2013, p. 06). Bi. 1.4. Problema de investigación ¿En qué medida nos permite la metodología del análisis pinch evaluar el diseño de redes de intercambio de energía de la etapa de evaporación de un ingenio azucarero del norte del Perú haciendo uso del software HINT Versión 2.2?. 15 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.5. Hipótesis Realizando un análisis energético de la etapa de evaporación de un ingenio azucarero del norte del Perú se encontrará un gran potencial de ahorro energético que posibilite obtener un diseño óptimo de la etapa de evaporación que disminuya el consumo energético de la caldera y garantice el auto abastecimiento de energía eléctrica a toda la planta; lo que conducirá a. ica. mayores ganancias en el complejo productivo en estudio.. m. 1.6. Objetivos. uí. 1.6.1. Objetivo General. Q. Evaluar el diseño actual de redes de intercambio de energía de la etapa de evaporación de. er. ía. un ingenio azucarero ubicado en la zona norte del Perú, aplicando el software HINT versión. ni. 2.2. con la finalidad de determinar la factibilidad de realizar una maximización de la. In. 1.6.2. Objetivos Específicos. ge. recuperación de calor y la reducción de las cargas de los servicios auxiliares.. a. Evaluar el diseño actual de la red de la etapa de evaporación de un ingenio azucarero ubicado. de. en la zona norte del Perú, con la finalidad de reducir el consumo energético de la caldera.. ca. b. Evaluar el diseño actual de la red de la etapa de evaporación de un ingenio azucarero ubicado. te. en la zona norte del Perú, con la finalidad de garantizar el auto abastecimiento de energía. Bi. bl. io. eléctrica a toda la planta.. 16 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. II. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 Material de estudio 2.1.1. Caracterización de las corrientes de proceso. a. Se extraen los datos necesarios para caracterizar las corrientes de proceso en estudio, como: Flujos másicos de cada corriente.. . Comportamiento de la corriente (si actúa como fría o caliente).. . Capacidades caloríficas.. . Entalpías.. . Temperaturas de entrada y salida en cada una de las corrientes.. . Diferencia de temperaturas.. ni. er. ía. Q. uí. m. ica. . ge. b. Se caracterizan las corrientes involucradas en todo el proceso y en la etapa de. In. evaporación mediante el uso del software de Simulación de Procesos Químicos llamado. de. HINT Versión 2.2.. 2.1.2. Balance de Masa y Energía del proceso.. ca. En la industria en estudio, todo el jugo que se produce se destina a la fabricación de azúcar. te. rubia, en este caso los balances de masa y energía se realizaron en los principales equipos. io. generadores y consumidores de vapor de la planta en busca de una eficiencia energética como. Bi. bl. se muestra en el Anexo B. 2.1.3. Construcción de la tabla algoritmo. Usando la metodología del análisis Pinch se obtuvieron las curvas compuestas y la gran curva compuesta, donde se puede observar el Punto de Pliegue (Pinch) mediante el software de simulación de procesos químicos HINT Versión 2.2. 2.1.4. Análisis energético de la red de la etapa de evaporación. La metodología del análisis Pinch se realizó para ver de forma eficiente los verdaderos 17 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. requerimientos de energía de la etapa de evaporación, además se obtuvieron los requerimientos de utilidades de las corrientes frías y calientes que requiere el proceso para trabajar de forma más eficiente. 2.2. Variables a. Dependiente: Diseño de redes de intercambio de energía.. ica. b. Independiente: Análisis Pinch.. m. 2.3. Equipos, instrumentos e instalaciones. uí. Equipo. Q. a. Impresora Cannon MP 250 con sistema de tinta continua STC. er. ía. Instrumentos. ge. Copyrigth © 2000-2002 Ángel Martín.. ni. b. Software HINT Versión 2.2 (Septiembre/4/2002). In. c. Laptop Lenovo. Velocidad: 3.60 GHz. Sistema Operativo: Windows 8. Memoria RAM: 8 GB. ca. Disco Duro: 350 GB. de. Microprocesador: Intel Core i7. te. Instalaciones. io. d. Laboratorio de Simulación de Procesos del Departamento Académico de Ingeniería. Bi. bl. Química de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional de Trujillo.. 18 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. III. RESULTADOS Este capítulo presenta los resultados encontrados después de realizar la evaluación de la integración energética en el proceso de fabricación de azúcar rubia de un ingenio azucarero ubicado en la zona norte del Perú, mediante la metodología del análisis pinch. Se presenta la. ica. tabla problema, el diagrama de rejilla, las curvas compuestas y la Gran Curva Compuesta de las corrientes de proceso involucradas en el diseño de redes de intercambio de calor. Se. m. determinó la cantidad de energía de la actual red de intercambio de calor, en la búsqueda de. Q. uí. realizar una maximización de la recuperación de calor y la reducción de las cargas de los. er. 3.1. Caracterización de las corrientes de proceso. ía. servicios auxiliares.. ni. Antes de proceder con el análisis de integración de calor en el proceso, mediante la. ge. metodología del análisis pinch, se tomaron los datos de Laboratorio de Fábrica de un ingenio. In. azucarero del norte del Perú, para las corrientes involucradas en el proceso. En este estudio, se. de. incluyó esta relación de corrientes de proceso a partir de la cual se obtuvo la tabla problema. Bi. bl. io. te. ca. 3.1.. 19 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(38) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. m (Tn/h) 225.00 289.13 292.13 31.92 262.53 1.45 49.34 50.26 208.53 15.76 74.06 67.79 25.53 26.44 25.66. uí m. m (Tn/día) 5400.00 6939.12 7011.12 766.08 6300.72 34.80 1184.16 1206.24 5004.72 378.24 1777.44 1626.96 612.72 634.56 615.84. er ía. Q. Cp (kJ/kg.°C) 3.6293 3.8501 3.8880 3.9154 3.8742 2.4659 2.4832 4.1860 1.0050 4.0978 1.9511 2.2777 1.7125. ni. °Brix 22.2 13.41 11.9 10.81 12.45 68.51 67.82 3.55 89 76 98.5. ge. ΔTF - Ti (°K) 41.2 0.2 41.6 -3.5 20 0 -51.6 15.6 61.3 60 0 -3.41 -17.4 30.1 -22.6. In. TF (°K) 339.35 339.55 381.15 361.65 389.15 338.15 337.55 353.15 359.45 343.15 363.15 341.94 335.75 353.15 313.15. m (kg/s) 62.50 80.31 81.15 8.87 72.93 0.40 13.71 13.96 57.93 4.38 20.57 18.83 7.09 7.34 7.13. CP (kW/°K) 226.83 309.22 315.50 34.72 282.53 33.80 34.67 242.47 4.40 77.16 13.84 16.73 12.21. bl. io. te. ca. de. Ti (°K) 298.15 339.35 339.55 365.15 369.15 338.15 389.15 337.55 298.15 283.15 363.15 345.35 353.15 323.05 335.75. Bi. CORRIENTES Jugo de caña Jugo mezclado Jugo encalado jugo filtrado jugo clarificado vapores del clarificador jarabe Calentamiento de jarabe agua aire caldera Bagazo Masa A Miel A Azúcar Crudo. ica. Tabla 3.1. Caracterización de las corrientes de proceso de un ingenio azucarero ubicado en el norte del Perú.. 20 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/. ΔH (kW) 9345 62 13125 -122 5651 -17760 -1744 541 14864 264 21150 -263 -241 504 -276.

(39) er. ía. Q. uí. m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ni. Figura 3.1. Actual red de intercambio de energía del proceso para la obtención de azúcar. ge. rubia en diagrama de rejilla.. In. 3.2. Curvas Compuestas. de. Para la construcción de las curvas compuestas se usó un ΔTmín = 6,9 °K. Este valor de ΔTmín. ca. corresponde al que brindó los menores consumos de utilidades, ya que en la literatura. te. consultada se halló que este valor fluctúa entre 3 y 8 °K para procesos azucareros. (González. io. et al., 2012, p. 148). bl. Por lo que, se generó en el software HINT Versión 2.2 las curvas compuestas de las. Bi. corrientes ya que permite graficar dichas curvas considerando las variaciones de entalpía con la temperatura. Las curvas compuestas se muestran en la Figura 3.2.. 21 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(40) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ni. er. ía. Q. uí. m. ica. Curva Caliente Curva Fría. In. 3.3. Gran Curva Compuesta. ge. Figura 3.2. Curvas compuestas de las corrientes calientes y frías del proceso azucarero.. de. La Gran Curva Compuesta permite observar el flujo de energía en el proceso y el requerimiento. ca. de servicios auxiliares. En el software HINT Versión 2.2 se obtuvo la gran curva compuesta,. Bi. bl. io. te. en donde la temperatura pinch del sistema es 334.15 °K o 61 °C y se muestra en la Figura 3.3.. 22 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(41) ni. er. ía. Q. uí. m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ge. Figura 3.3. Gran Curva Compuesta de la red actual de intercambio de calor del. In. proceso azucarero.. de. 3.4. Análisis energético de la red de la etapa de evaporación El análisis Pinch se realizó para ver de forma eficiente los verdaderos requerimientos de. ca. energía de la etapa de evaporación a través de la integración energética. Del análisis Pinch se. te. obtuvieron los requerimientos de utilidades de las corrientes frías y calientes que requiere el. bl. io. proceso para trabajar de forma más eficiente. Para realizar la integración energética se empleó. Bi. el software HINT Versión 2.2, y los datos para el análisis se introdujeron directamente. Con los datos introducidos se obtuvieron las curvas compuestas donde se puedo observar el Punto de Pliegue (Pinch) y la gran curva compuesta. A continuación, se muestra la Tabla problema 3.2. para el análisis de integración energética. El punto Pinch en estas curvas es el menor valor de las temperaturas de las corrientes calientes por sobre el cual ningún enfriamiento utilitario puede llevarse a cabo y es el mayor valor de temperatura de las corrientes frías por debajo del cual ningún calentamiento utilitario puede llevarse a cabo. 23 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(42) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Tabla 3.2. Tabla problema para el análisis de integración energética de la etapa de evaporación. Temperatura entrada (°C). Temperatura salida (°C). Cambio de Entalpía (kW). Comportamiento. Alimentación al pre 1. 116. 120.3. 1958.75. Fría. Evaporación pre 1. 120.3. 120.4. 23088. Fría. Alimentación al pre 2. 116. 120.3. 558.12. Fría. Evaporación pre 2. 120.3. 120.4. 2650. Fría. Vapor vaso 1. 116. 115.9. 8001.3. Alimentación vaso 1. 113.2. 104.7. Evaporación vaso 1. 95.9. 96. Vapor vaso 2. 96. Alimentación vaso 2. 94. Evaporación vaso 2. 83.9. Vapor vaso 3. 84. uí. m. ica. Corrientes de proceso. Caliente Fría. 95.9. 4867.58. Caliente. 752.12. Caliente. 84. 5291.45. Fría. 83.5. 5993.01. Caliente. 64.4. 3.11. Fría. 59.9. 60. 5172.3. Fría. 116. 115.9. 6577.4. Caliente. 59.9. 59. 8.14. Caliente. 130. 129.9. 2687. Caliente. Vapor calentador jugo claro. 116. 115.9. 995.62. Caliente. Vapor calentador rectificador. 116. 115.9. 2254.43. Caliente. Vapor al difusor. 114. 115.9. 4023.5. Fría. te. Condensador vaso 3. bl. io. Vapor calentador primario. Bi. ni. ge. In 64.3. ca. Vapor tachos. 86. de. Alimentación vaso 3 Evaporación vaso 3. ía. 8272.92. er. Q. 955.18. Caliente. 24 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(43) er. ía. Q. uí. m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ni. Figura 3.4. Red de intercambio de energía de la etapa de evaporación en diagrama de. Bi. bl. io. te. ca. de. In. ge. rejilla.. Curva Caliente Curva Fría. Figura 3.5. Curvas compuestas de las corrientes calientes y frías de la etapa de evaporación. 25 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(44) ni. er. ía. Q. uí. m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ge. Figura 3.6. Gran Curva Compuesta de la red de intercambio de calor de la etapa de. Bi. bl. io. te. ca. de. In. evaporación.. 26 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.