Termoeconomía y optimización energética

Temario 1. Introducción 2. Revisión de termodinámica 3. La exergía 4. Determinación de exergía 5. Balances y Álgebra lineal 6. El coste exergético 7. Análisis termoeconómico 8. Optimización termoeconómica 9. Integración energética

Integración energética P C R F Agua de refrigeración Vapor de proceso

Diagramas entalpía-temperatura Tce Demanda de calor Tfs Demandas: C F Tfe Tcs Oferta de calor (Demanda de refrigeración)

Integración energética Demanda de calor Tce Tfs C F Tfe DTmin Demanda neta: Tcs Oferta de calor (Demanda de refrigeración)

Capacidad calorífica de flujo Pendiente : T T T C C C F F F

Corrientes T ºC 200 3-F 1-C 2-C 100 4-F 500 1000 kW Temperaturas entrada salida ºC kW/K Calientes 1-C 210 80 2,00 2-C 170 40 2,50 Frías 3-F 90 190 4,00 4-F 20 120 4-F 500 kW 1000

Curvas compuestas: CCC y CCF 200 CCC 3-F 1-C 2-C Temperaturas Corrientes entrada salida ºC kW/K Calientes 1-C 210 80 2,00 2-C 170 40 2,50 Frías 3-F 90 190 4,00 4-F 20 120 100 4-F 500 1000 kW

CCC y CCF T ºC 200 3-F CCF 1-C CCC 2-C 100 4-F 500 1000 kW Temperaturas Corrientes entrada salida ºC kW/K Calientes 1-C 210 80 2,00 2-C 170 40 2,50 Frías 3-F 90 190 4,00 4-F 20 120 100 4-F 500 1000 kW

CCC y CCF T ºC Demanda de calefacción 200 3-F 1-C CCC CCF 2-C 100 Temperaturas Corrientes entrada salida ºC kW/K Calientes 1-C 210 80 2,00 2-C 170 40 2,50 Frías 3-F 90 190 4,00 4-F 20 120 100 Calor intercambiado entre corrientes 4-F Demanda de refrigeración 500 1000 kW

CCC y CCF T ºC Demanda de calefacción 200 3-F 1-C CCF CCC 2-C 100 Temperaturas Corrientes entrada salida ºC kW/K Calientes 1-C 210 80 2,00 2-C 170 40 2,50 Frías 3-F 90 190 4,00 4-F 20 120 100 Calor intercambiado entre corrientes 4-F Demanda de refrigeración 500 1000 kW

Química y petroquímica CCC y CCF. ¿ΔTmin? Sector ΔTmin /K Refino de petróleo 20 - 40 Química y petroquímica 10 - 20 Criogenia 3 - 5 T ºC Qcal,min 200 3-F 1-C CCF CCC 2-C Temperaturas Corrientes entrada salida ºC kW/K Calientes 1-C 210 80 2,00 2-C 170 40 2,50 Frías 3-F 90 190 4,00 4-F 20 120 100 ¿ΔTmin? 4-F Qref,min 500 1000 kW

Curvas compuestas modificadas ΔTmin/2 200 ΔTmin CCC* ΔTmin/2 3-F CCF* 1-C CCF CCC 2-C 100 4-F 500 1000 kW

CCC*, CCF*, Pinch T ºC Qcal,min ΔTmin/2 200 ΔTmin ΔTmin/2 3-F CCC* 1-C 100 Pinch point 4-F Qref,min 500 1000 kW

CCC* y CCF* T ºC Qcal,min 200 CCC* CCF* 100 Pinch point Qref,min 500 500 1000 kW

Algoritmo tabular. Temperaturas Reales Modificadas tin ºC toutºC kW/K 1-C 210 80 2,00 2-C 170 40 2,50 3-F 90 190 4,00 4-F 20 120 t*in ºC t*outºC kW/K 1-C* 200 70 2,00 2-C* 160 30 2,50 3-F* 100 4,00 4-F* 130 -ΔTmin/2 +ΔTmin/2

Dominios temperaturas ºC Corrientes calientes Corrientes frías t* / ºC Dominios 1-C 2-C tcal / ºC tfria / ºC 3-F 4-F 200 3-F* 4-F* 200 210 190 1-C* 2-C* 1 1 160 170 150 2 2 140 130 120 3 3 100 110 100 90 4 4 70 80 60 5 5 30 40 20 6 6 t*in ºC t*outºC kW/K 1-C* 200 70 2,00 2-C* 160 30 2,50 3-F* 100 4,00 4-F* 130 500 1000 kW

Dominios temperaturas (b) (a)×(b) t* Dominio t*i-t*i+1 ºC K kW/K kW T ºC 200 3-F* 4-F* 1-C* 2-C* 200 1 40 -2,00 -80,00 1 160 2 30 0,50 15,00 2 130 3 30 -1,50 -45,00 3 100 100 4 30 2,50 75,00 4 70 5 40 0,50 20,00 5 30 6 6 500

Tabla problema (a) (b) (a)×(b) t* Dominio t*i-t*i+1 ºC K kW/K kW 200 1 40 -2,00 -80,00 160 2 30 0,50 15,00 130 3 -1,50 -45,00 100 4 2,50 75,00 70 5 20,00 6

Dominios temperatura (a)×(b) inicial kW -80,00 0,00 15,00 -80,00 200 CCC* CCF* -80,00 0,00 1 15,00 -80,00 2 -110 -45,00 -65,00 3 100 75,00 -110,00 4 20,00 -35,00 5 -15,00 6 500 1000 kW

Dominios temperatura (a)×(b) inicial kW -80,00 0,00 15,00 -80,00 200 CCF* CCC* -80,00 0,00 1 15,00 -80,00 2 -110 -45,00 -65,00 3 100 75,00 -110,00 4 20,00 -35,00 5 -15,00 6 500

Dominios temperatura (a)×(b) inicial óptimo kW -80,00 0,00 110,00 -110 200 CCC* -80,00 0,00 110,00 1 CCF* 15,00 -80,00 30,00 2 -45,00 -65,00 45,00 3 100 75,00 -110,00 0,00 4 20,00 -35,00 75,00 5 -15,00 95,00 6 95 500

Cascada calorífica / kW Inicial Óptimo / kW 160 130 100 70 30 t* / ºC Óptimo / kW 160 130 100 70 30 t* / ºC 1 2 3 4 5 -80 kW 15 kW -45 kW 75 kW 20 kW 200 110 + + -80 30 45 75 95 + + -65 + Talle -110 + -35 + -15

Tabla problema resuelto. Dominio t*i-t*i+1 inicial óptimo ºC K kW/K kW 200 1 40 -2,00 -80,00 0,00 110,00 160 2 30 0,50 15,00 30,00 130 3 -1,50 -45,00 -65,00 45,00 100 4 2,50 75,00 -110,00 70 5 20,00 -35,00 6 -15,00 95,00

Oferta total Calientes Comprobación (a) tin, real tout,real Oferta ºC kW/K K kW 1-C 210 80 2,00 130 260 2-C 170 40 2,50 325 (b) (c) 3-F 90 190 4,00 -100 -400 Suministros Intercambio 4-F 20 120 -200 Oferta total Calientes Oferta total Frías 585 Refrig. -95 490 -600 Calef. 110 -490 Balances de calor netos -15 15

Gran curva compuesta (GCC) 20 80 60 40 160 140 120 100 220 200 180 t* / ºC 160 130 100 70 30 t* / ºC 200 Servicio de calefacción: 110 kW 1 -80 kW 1 2 15 kW 2 3 3 -45 kW 4 4 75 kW 5 6 5 20 kW Servicio de refrigeración: 95 kW 20 10 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

GCC. Retén de calor. t* / ºC 1’ 2’ 1 2 2’’ 3 4 5 6 20 80 60 40 160 140 120 100 220 200 180 t* / ºC 160 130 100 70 30 t* / ºC 200 Servicio de calefacción: 110 kW +15 kW 1 -80 kW 1’ 2’ 1 2 15 kW 2 2’’ 3 3 -45 kW 4 4 75 kW 5 6 5 20 kW Servicio de refrigeración: 95 kW 20 10 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

GCC. Opciones Suministro (1) t* / ºC 160 130 100 70 30 t* / ºC 1 2 3 4 5 -80 kW 15 kW -45 kW 75 kW 20 kW 200 Servicio de calefacción: 110 kW 220 1 200 180 160 2’’ 140 120 2’’ 100 4 80 5 60 40 6 Servicio de refrigeración: 95 kW 20 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Suministro (1), la realidad.

GCC. Opciones Suministro (2) t* / ºC 160 130 100 70 30 t* / ºC 1 2 3 4 5 -80 kW 15 kW -45 kW 75 kW 20 kW 200 220 AP: 80 kW 1 200 180 160 2 2’’ 140 BP: 30 kW 120 2’’ 100 4 80 5 60 AT: 75 kW 40 6 20 BT: 20 kW 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Suministro (2), la realidad.

GCC. Opciones Suministro (3) t* / ºC 160 130 100 70 30 t* / ºC 1 2 3 4 5 -80 kW 15 kW -45 kW 75 kW 20 kW 200 240 220 1 200 110 kW 180 160 2’’ 140 120 2’’ 100 4 80 5 60 95 kW 40 6 20 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Suministro (2), la realidad.

Reglas de Linnhoff No debe existir flujo de calor a través del talle. Sólo se tomará calefacción externa por encima del talle Sólo se tomará refrigeración externa por debajo del talle No debe existir flujo de calor a través del talle. Bodo Linnhoff Bodo Linnhoff

Malla de intercambio. Linnhoff (oferta) Orden kW/K kW T 1-C 210ºC 110ºC 80ºC 1 2,00 260 2-C 170ºC 110ºC 40ºC 2 2,50 325 Bodo Linnhoff 3 190ºC 90ºC 90ºC 3-F 4,00 -400 4 120ºC 90ºC 20ºC 4-F 2,00 -200 ºC 200 100 100

Malla de intercambio. Op1. (oferta) kW/K kW 60 kW 110 ºC F2 1-C 210ºC 140 ºC 200 kW 2 110ºC 80ºC 1 2,00 260 125 kW 90 ºC F1 2-C 170ºC 200 kW 1 110ºC 40ºC 2 2,50 325 Bodo Linnhoff 3 190ºC 90ºC 90ºC 3-F C1 200 kW 4,00 -400 4 120ºC 90ºC 20ºC 4-F 2,00 -200 R= 185 kW I= 400 kW C= 200 kW 1x 2x 2x

Malla de intercambio. Op 1 (Reglas) (oferta) Talle t*=100ºC kW/K kW 110 ºC 1-C 210ºC 110ºC 80ºC 1 2 F2 2,00 260 60 kW 90 ºC 2-C 170ºC 110ºC 40ºC 2 1 F1 2,50 325 125 kW Bodo Linnhoff 140 ºC 3 190ºC 2 90ºC 90ºC 3-F 4,00 -400 C1 200 kW 200 kW 4 120ºC 90ºC 20ºC 4-F 1 2,00 -200 R= 185 kW I= 400 kW C= 200 kW 1x 200 kW 2x Talle t*=100ºC 2x

Reglas de Linnhoff No debe existir flujo de calor a través del talle. Sólo se tomará calefacción externa por encima del talle Sólo se tomará refrigeración externa por debajo del talle No debe existir flujo de calor a través del talle. Bodo Linnhoff Bodo Linnhoff

Subsistema por encima del talle (oferta) kW/K kW 110 ºC 1-C 210ºC 2 110ºC 80ºC 1 F2 2,00 260 60 kW 90 ºC 2-C 170ºC 110ºC 40ºC 2 1 F1 2,50 325 125 kW Bodo Linnhoff 140 ºC 3 190ºC 2 90ºC 90ºC 3-F 4,00 -400 C1 200 kW 200 kW 4 120ºC 90ºC 20ºC 4-F 1 2,00 -200 200 kW

Subsistema por encima del talle (oferta) kW/K kW 110ºC 90ºC 1-C 210ºC 1 2,00 260 2-C 170ºC 2 2,50 325 Bodo Linnhoff 3 190ºC 3-F 4,00 -400 4 120ºC 4-F 2,00 -200

Subsistema por encima del talle ΔTmin f (oferta) < kW/K kW 110ºC 90ºC ΔTmin 60 kW 2 140 ºC 1-C 210ºC 3 2,00 200 2-C 170ºC 150 kW 1 127,5 ºC 2,50 150 Bodo Linnhoff 3 190ºC 4,00 -400 4 120ºC 2,00 -60

Encima del talle. Op2 ΔTmin (oferta) < kW/K kW 1-C 2 2-C 1 3 5 4 C1 2,00 200 120 kW 1 120 ºC 158 ºC 2-C 170ºC 30 kW 4 145,5 ºC 2,50 150 Bodo Linnhoff 190 ºC 3 C1 110 kW 4,00 -400 4 120ºC 2,00 -60

Debajo del talle. Op2 (oferta) kW/K kW 1 2 3-F 4-F 110ºC 90ºC 80ºC 2,00 260 40ºC 2 2,50 325 Bodo Linnhoff 90ºC 3-F 4,00 -400 20ºC 4-F 2,00 -200

Debajo del talle. Op2 (oferta) kW/K kW 1 6 2 7 F1 3-F 4-F 110ºC 90ºC 2,00 60 95 kW 78 ºC F1 80 kW 7 40ºC 2 2,50 175 Bodo Linnhoff 90ºC 3-F 4,00 20ºC 4-F 2,00 -140

Encima del talle. Relajación de la red. Op3 (oferta) kW/K kW 110ºC 90ºC 72 kW 3 138 ºC 176 ºC 60 kW 2 140 ºC 1-C 210ºC 68 kW 5 162,5 ºC 2,00 200 120 kW 1 120 ºC 158 ºC 2-C 170ºC 30 kW 4 145,5 ºC 2,50 150 Bodo Linnhoff 190 ºC 3 C1 110 kW 4,00 -400 4 120ºC 2,00 -60

Encima del talle. Relajación de la red. Op3 (oferta) kW/K kW 110ºC 90ºC 125 kW 3 158,75 ºC 147,5 ºC 60 kW 2 117,5 ºC 1-C 210ºC 2,00 185 2-C 170ºC 150 kW 1 127,5 ºC 2,50 150 Bodo Linnhoff 158,75 ºC 190 ºC 3 C1 125 kW 4,00 -400 4 120ºC 2,00 -60

Debajo del talle. op3 (oferta) kW/K kW 1 4 2 5 F1 3-F 4-F 110ºC 90ºC 2,00 75 84 ºC 65 kW 5 110 kW F1 40ºC 2 2,50 175 Bodo Linnhoff 90ºC 3-F 4,00 20ºC 4-F 2,00 -140

Comparación Opción 1 Opción 2 Opción 3 R= 185 kW I= 400 kW C= 200 kW 1x 2x 2x Opción 2 R= 95 kW I= 490 kW C= 110 kW 1x 7x 1x Opción 3 R= 110 kW I= 475 kW C= 125 kW 1x 5x 1x

Ing. de procesos. Factores Coste de materias primas. Inversión. Consumo de energía. Flexibilidad e inventario. Seguridad. Calidad. Medio ambiente.

An. de procesos. Elementos Diagrama de flujo. Balances de materia y energía. Análisis termodinámico. Dimensionado de equipos. Análisis exergético. Análisis termoeconómico. Análisis económico.

Tendencias Ing. de procesos INTEGRACIÓN: • Energética. • En general: Síntesis de procesos. INTENSIFICACIÓN: • Equipos más compactos: - Intensificación de operaciones básicas, p.e.: - Coeficientes de transporte - Fuerzas motrices - Miniaturización. • Menos equipos: - Equipos híbridos. - Formas alternativas de energía. - Sistemas de control.

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