Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 ANÁLISIS EXERGETICO DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO AUTOR: HAROLD VALLE REYES UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE BOLÍVAR FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA CARTAGENA, BOLÍVAR – COLOMBIA 2017 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 ANÁLISIS EXERGETICO DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO AUTOR: HAROLD VALLE REYES TRABAJO DE GRADO PRESENTADO COMO REQUISITO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO TUTOR: Dr.C. JUAN FAJARDO CUADRO UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE BOLÍVAR FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA CARTAGENA, BOLÍVAR – COLOMBIA 2017 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 AGRADECIMIENTOS Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 AGRADECIMIENTOS A Dios, el mayor agradecimiento por todas las cosas que me ha permitido alcanzar en mi vida, por ser mi guía en cada paso dado, siempre lleno de bendiciones. Agradeciendo que este sea el comienzo de un gran camino de éxitos. Al profesor Dr.C Juan Fajardo C., por su apoyo incondicional, colaboración, atención y carisma que fueron claves en la realización de este trabajo. La experiencia y conocimiento aportado, me permitió llevar a cabo el trabajo de grado de manera satisfactoria. A todos los profesores de la Universidad Tecnológica de Bolívar, que me generaron aportes de cualquier magnitud y relevancia, agradezco por los consejos y experiencias compartidas en todo el tiempo de permanencia en la institución. A Daniel Castro, quién me colaboró en gran mayoría con la obtención de datos, e información relevante de la planta de estudio para llevar a cabo el estudio realizado en este trabajo de grado. A todos los estudiantes, compañeros y amigos que compartieron sus ideas, opiniones y comentarios de manera constructiva como apoyo moral y académico, que fueron vitales para alcanzar los objetivos plasmados en el documento. Finalmente, y de manera especial, agradezco a mis padres Álvaro Valle Peñaloza y Lucy Reyes Osorio y a mi hermano Jhon Valle Reyes, mis seres queridos que siempre me alegran cada uno de los días de mi vida, me brindan todo su apoyo y están conmigo en todos los momentos de mi vida. Gracias a mis padres por la educación académica y familiar, su esfuerzo por brindarme lo que he necesitado en mi carrera universitaria y nunca desistir en guiarme por el buen camino, regalándome todos sus consejos y buenos deseos para seguir adelante y lograr todas las metas propuestas. Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 TABLA DE CONTENIDOS Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 Tabla de Contenido NOMENCLATURA ................................................................................................. 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 3 CAPÍTULO 1 ........................................................................................................... 6 1. ESTADO DEL ARTE .................................................................................... 7 1.1 Estudios exergéticos realizados en el sector petroquímico: .......................... 8 1.2 Estudios realizados en plantas de producción de ácido nítrico: .................. 13 1.3 Estudios exergéticos realizados en plantas de producción de ácido nítrico y procesos de síntesis y oxidación de amoniaco: .................................................... 14 CAPÍTULO 2 ......................................................................................................... 18 2. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN ................................................... 19 2.1 Descripción del Proceso ......................................................................... 19 2.2 Métodos Analíticos ................................................................................ 22 2.2.1 Ecuaciones de Balance Energético................................................... 22 2.2.2 Ecuaciones de Balance Exergético................................................... 23 2.3 Metodología de cálculo para indicadores exergéticos ............................. 25 2.3.1 Tren de Compresión (CT) ................................................................ 27 2.3.2 Convertidor Catalítico (CONV) ....................................................... 28 2.3.3 Calentador de Aire (AH) ................................................................. 29 2.3.4 Caldera Recuperadora de Calor (HRSG) ......................................... 30 2.3.5 Calentador de Gases de Cola (TGH) ................................................ 31 2.3.6 Atemperador de Gases de Cola (TGTH) .......................................... 33 2.3.7 Condensador (CC) ........................................................................... 34 2.3.8 Torre de Absorción (ABS)............................................................... 35 2.3.9 Overall System ................................................................................ 36 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 CAPÍTULO 3 ......................................................................................................... 38 3. RESULTADOS ............................................................................................ 39 3.1 Consideraciones para los análisis energéticos y exergéticos realizados... 39 3.2 Resultados del análisis energético .......................................................... 40 3.3 Resultados Análisis Exergético: ............................................................. 40 CONCLUSIONES ................................................................................................. 44 RECOMENDACIONES ........................................................................................ 45 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 47 NOMENCLATURA Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 NOMENCLATURA ?̇? Consumo Exergético (KW) P Products ?̇? Consumo Energético (KW) k Componente k de la planta 𝑒 Exergía Química Molar (KJ/Kmol) j Corriente j ℎ Entalpía Específica (KJ/Kg) i Compuesto i de la corriente j 𝑠 Entropía Específica (KJ/Kg-K) b Frontera ?̇? Consumo Másico (Kg/s) in Entrada 𝑇 Temperatura (°C) out Salida 𝑃 Presión (KPa) tot Total 𝑥 Fracción Másica (-) perd Pérdida ?̅? Fracción Molar (-) R Constante Universal de Gases (KJ/Kmol-K) Superíndices ?̇? Calor Transferido/Consumido (KW) PH Física ?̇? Potencia Generada/Consumida (KW) CH Química Abreviaciones Letras Griegas ST Turbina a Vapor 𝜀 Eficiencia Exergética (%) LPC Compresor de Baja Presión 𝜓 Exergía específica (KJ/Kg) HPC Compresor de Alta Presión 𝛾 Relación Exergía Destruida (%) IC Inter-enfriadores 𝜆 Relación de Exergía destruida por EXP Expander CT Tren de Compresión Equipo (%). AF Filtro de Aire GM Mezclador de Gases CONV Convertidor Catalítico AH Calentador de Aire HRSG Caldera Recuperadora de Calor PF Filtro de Platino TGH Calentador Gases de Cola TGTH Atemperador de Gases de Cola CC Condensador AS Separador de Ácido ABS Torre de Absorción BAC Enfriador Aire de Blanqueo Subíndices 0 Estado de Referencia D Destrucción F Fuel 2 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 INTRODUCCIÓN Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 INTRODUCCIÓN El trabajo de grado descrito a lo largo de este documento presenta un estudio exergético implementado en una planta de producción de ácido nítrico con capacidad instalada de 350 Toneladas Métricas por día cuyo principio de funcionamiento es el método de Ostwald. El proceso productivo consta de diversas reacciones químicas, que son puntos de interés en este trabajo, debido al tratamiento dado a los procesos químicos en las investigaciones energéticas y exergéticas realizadas para este campo y la metodología de cálculo para los diversos equipos. Estos son de naturalidad reactiva y térmica donde se examina su comportamiento energético y la utilización de la energía consumida por el proceso. El sector petroquímico se ha caracterizado por tener uno de los mayores consumos energéticos en sus procesos productivos [1] [2]. Para el control eficiente de la energía, las metodologías basadas en la segunda ley de la termodinámica figuran como el mejor indicador para los estudios relacionados con la utilización y calidad de la energía empleada en diferentes procesos industriales, así como en otras ramas de aplicación. El ácido nítrico (HNO3), producto terminado de la planta en consideración es empleado para la producción de abonos fertilizantes en el sector agrícola, fabricación de explosivos en la industria militar, procesos de pasivación en metales en el área metalúrgica y placas de circuitos impresos (PCBs) en la industria electrónica, entre otras aplicaciones que hacen a esta sustancia muy comercializada y requerida por distintos usuarios a nivel mundial. Las industrias de producción de ácido nítrico, objetivo de estudio de este documento no tienen abundantes investigaciones donde se haga seguimiento al uso de la energía, para proponer cada día opciones de mejora a tecnologías que tienden a ser obsoletas y poco eficientes. 4 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 Problema científico: Para plantas de producción de ácido nítrico, no existen estudios exergéticos y termoeconómicos actuales que permitan conocer el uso racional y eficiente de la energía en estos procesos específicos del sector químico. Objeto de estudio: El objeto de estudio de este trabajo es una planta de producción de ácido nítrico con tecnologías actuales en la cual se implementará un estudio exergético. Hipótesis: Los resultados del análisis exergético, permiten localizar zonas y equipos críticos en el proceso con altos consumos energéticos, destrucciones de exergía e ineficiencias. Objetivo General: Realizar estudios energéticos y exergéticos en una planta de producción de ácido nítrico, desarrollando cálculo de indicadores para analizar el uso y calidad de la energía empleada en el proceso industrial. Objetivos Específicos: ➢ Evaluar sistemas reactivos y equipos mecánicos que intervienen en el proceso productivo por medio de análisis basados en la primera y segunda ley de la termodinámica. ➢ Determinar las magnitudes de eficiencia exergética y destrucción de exergía de manera global y específica, con las cuales se obtiene un estado energético y exergético de la planta. ➢ Presentar opciones de mejores y recomendaciones que permitan aumentar la eficiencia exergética de la planta, generando contribuciones en las investigaciones desarrolladas en el sector químico basadas en análisis termodinámicos. 5 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 CAPÍTULO 1 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 1. ESTADO DEL ARTE Habitualmente los sistemas térmicos han sido diseñados con base a parámetros especificados en la primera ley de la termodinámica, sin tener en cuenta otros aspectos como la cantidad o calidad de energía de un sistema cuando interactúa con el medio ambiente. Es por lo que en muchos estudios y diseños desde hace años se han introducido los análisis exergéticos, siendo estos el mejor indicador de sostenibilidad energética global y con el cual se mide el trabajo técnico disponible de un sistema [3]. En esta sección se presentarán diversos trabajos de magnitud relevante relacionados con estudios exergéticos avanzados y convencionales implementados en sectores Petroquímicos citados como apoyo y con la finalidad de mostrar las investigaciones directamente involucradas con el tema abordado en este trabajo, evaluando los avances obtenidos y las diferentes propuestas de mejora presentadas por los autores en sus respectivos análisis, donde a su vez se evidencia la escasez de estudios exergéticos para nuestro caso. Figura 1.1 Consumo energético sector industrial y combustibles utilizados [2]. 7 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 El consumo energético presentado en el sector industrial ilustrado en la Figura 1.1, es de magnitud considerable y de acuerdo con las proyecciones, se indica una tendencia a incrementar la demanda de los combustibles. El sector Oil & Gas y la industria química como referencia a nuestro caso de estudio, muestran grandes consumos de energía, lo cual hace apoya el objetivo de este trabajo en realizar evaluaciones energéticas y exergéticas a las industrias en mención, con el fin de analizar la utilización de la energía en todos los procesos productivos e implementar soluciones y mejoras para disminuir consumos y conseguir aumentos de las eficiencias de las plantas estudiadas. 1.1 Estudios exergéticos realizados en el sector petroquímico: En esta área de estudio, se presentan diversos trabajos que involucran equipos y procesos similares a los de nuestro trabajo, donde se evidencian reactores, catalizadores, equipos de intercambio de calor, entre otros que manejan reacciones químicas y otros procesos que se pueden destacar para confrontar y analizar sus resultados. En el sector “Oil & Gas”, Qingchun Yang, Yu Qian, Andrzej Kraslawski, Huairong Zhou, Siyu Yang presentan un análisis exergético [4], aplicado a un proceso de retorta de esquisto de petróleo, donde intervienen equipos similares a los de nuestro caso de estudio. Esta técnica busca obtener materias primas para alimentar las refinerías y tener como resultado final petróleo sintético que puede ser mejorado y utilizado en las mismas aplicaciones del petróleo convencional. El estudio realizado por los autores mencionados, se calcula una eficiencia exergética de 34.17% con un total de exergía 8 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 destruida de 442.62 MW, de los cuales el 45.4% no puede ser reducida, es decir, considerada como inevitable por condiciones y limitaciones técnicas del proceso que no pueden ser alteradas. A continuación, se presentan las relaciones de exergía destruida global: - Retorta con una tasa de 59.54%. - Tubería de recolecta con una tasa de 9.28%. - Torre de lavado con una tasa de 6.93%. - Torre de enfriamiento indirecta con una tasa de 4.77%. - Separador eléctrico de aceite con una tasa de 3.83%. - Horno de calentamiento con una tasa de 15.65%. Teniendo en cuenta los datos porcentuales relacionados se concluyen según los autores las siguientes consideraciones y se exponen posibles opciones de mejora: - En los procesos y/o componentes de menor destrucción de exergía como lo son tuberías de recolecta, Torre de lavado, Torre de enfriamiento indirecta y Separador eléctrico de aceite se debe mejorar el manejo y variabilidad dada a la temperatura, debido a que es la principal causa de destrucción de exergía. - En el horno de calentamiento se debe mejorar los parámetros de la combustión del gas y la respectiva transferencia de calor generada, que presenta altas temperaturas y tienen diversas pérdidas. - En la retorta que presenta una gran destrucción de exergía, aproximadamente el 62% de la exergía destruida es evitable por medio de mejoramientos en el proceso. En el sector químico, William Ruiz, Ricardo Vásquez, Antonio Bula, Arturo González [5], investigadores colombianos, realizaron análisis en una planta de ácido sulfúrico, con una eficiencia exergética calculada de 33.3% y una relación de destrucción de exergía total de 53.5%. Las principales irreversibilidades se dan en las reacciones 9 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 químicas y en equipos de intercambio de calor con magnitudes de 26.4% y 52.1% respectivamente, las cuales referentes a la exergía total destruida se ubican en los siguientes equipos: - Horno FU con una tasa de 15.5% (reacciones químicas). - Caldera WHB con una tasa de 12.7% (intercambio de calor). - Intercambiador de calor HE3 con una tasa de 10.6% (intercambio de calor). - Intercambiador de calor HE2 con una tasa de 8.3% (intercambio de calor). - Intercambiador de calor HE3 con una tasa de 10.6% (intercambio de calor). - Torre de absorción intermedia IAT con una tasa de 7.2% (reacciones químicas). Con el fin de disminuir las irreversibilidades presentadas los autores realizan proposiciones relacionadas con el aumento de la temperatura en la entrada del horno FU, evitando de esta manera variaciones internas de temperaturas. Por otro lado, sugieren reducción de temperatura del agua en la caldera WHG y aprovechar el poder calorífico de la corriente de otro lugar. A. Boyano, G. Tsatsaronis, T. Morosuk, A. M. Blanco-Marigorta presentan en su trabajo [6], un análisis exergético avanzado indicando las exergías endógenas y exógenas, de tipo evitable e inevitable para una planta de producción de hidrógeno a partir del proceso de reformado de metano con vapor de agua, el cual es un proceso generalmente de eficiencias energéticas y exergéticas altas, se encontraron irreversibilidades que podrían tratarse para mejorar la eficiencia exergética ocasionada por reacciones químicas y transferencia de calor en los equipos térmicos. Los equipos considerados como críticos en la operación por su relación de destrucción referente a la exergía destruida global, se citan a continuación: - Cámara de combustión con una tasa de 13.44%. - Unidad de separación de Hidrógeno con una tasa de 3.07%. 10 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 - Intercambiador de calor C con una tasa de 3.0%. - Reformador con una tasa de 2.81%. - Reactor de baja y alta temperatura con una tasa de 2.44%. - Intercambiador de calor B con una tasa de 2.04%. Los valores presentados anteriormente son de baja magnitud por el hecho de que este tipo de plantas poseen bajas eficiencias exergéticas e irreversibilidades, que pueden ser analizadas con el fin de lograr mejoras en el proceso. Saeed Dehghani, Hoseyn Sayyaadi, presentan en su trabajo [7] el estudio energético y exergético de una planta de producción de hidrógeno a partir del ciclo termoquímico Azufre-Yodo similar a la citada con anterioridad. Después del exhaustivo análisis realizado por los autores, se concluye que 47% de la exergía total destruida se presenta en los equipos de intercambio de calor, 45% se presenta en el reactor Bunsen y el 8% restante corresponde a equipos varios y perdidas mínimas de la planta en cuestión. Para disminuir la destrucción de exergía evitable presentada en el reactor Bunsen ocasionada por los procesos químicos internos, sabiendo que estos procesos son de naturalidad inevitable se recomendó aumentar la temperatura de la reacción. Esta solución se consideró viable en el hecho de que la reacción es exotérmica y no necesita grandes fuentes externas de suministro de energía. En equipos de intercambio de calor se propuso por medio de la metodología “Pinch” la mejor manera de distribuir los recursos en la planta, para finalmente optar con una reducción de la temperatura pinch, la cual es la diferencia de temperatura mínima entre las curvas de calentamiento y enfriamiento en un proceso. Ali Hedayati, Olivier Le Corre, Bruno Lacarriére, Jordi Llorca [8], quienes estudian el proceso de reformado catalítico con vapor de bioetanol empleando el uso de un catalizador Paladio-Rodio (Pd-Rh) soportado sobre Ceria (Dióxido Cérico – CeO2) en 11 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 un reactor de membrana Paladio-Plata (Pd-Ag) basado en datos experimentales. Este es un proceso es implementado como apoyo a la generación de energía limpia y sostenible como el caso de las celdas de combustible, debido a que por medio del proceso de reformado de bioetanol se obtiene hidrógeno puro a bajo costo y de manera renovable siendo esta idea una forma alterna a los combustibles fósiles para la obtención de energía eléctrica. En este trabajo se observó como principal destructor de exergía a las reacciones químicas que son propias del proceso de reformado de bioetanol y también se encontró gran pérdida de calor a través de las paredes del reactor. Por medio de mejoras implementadas como aislamiento completo de este equipo la eficiencia exergética podría aumentar entre un 15% - 25%, aproximadamente. En otros estudios, A.N. Vilarinho, J.B.L.M Campos, C. Pinho [9], presentan un trabajo correspondiente al análisis energético y exergético de una planta de aromáticos, donde se involucran diversas reacciones químicas e intervienen gran variedad de equipos de naturalidad térmica. Estos autores, hallaron una eficiencia exergética para esta planta de 65.9%, ubicando al horno con un 14.5% de total de las irreversibilidades de la planta. Como resultado del análisis realizado, surgieron propuestas como: - Aislamiento de tanques de almacenamiento para la conservación de la temperatura. - Implementación de un Ciclo Rankine Orgánico (CRO/ORC), con el fin de lograr un mayor aprovechamiento de la energía térmica perdida en la sección de enfriadores. - Implementación de CRO en la sección de hornos, para generar mayor potencial de ahorro térmica y eficiencia en el proceso de combustión. 12 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 - Implementación de una unidad de Cogeneración para abastecer la planta de aromáticos, teniendo en cuenta los ahorros significativos. Se obtienen los siguientes resultados: - Implementación de Cogeneración, se tiene una eficiencia exergética de 66.1% mayor que la inicial, que fue de 65.9%. - Implementación de Cogeneración y Ciclo Rankine Orgánico, se tiene una eficiencia exergética de 67.0% mayor que la propuesta de solo Cogeneración y que la inicial, con valores de 65.9% y 66.1%, respectivamente. 1.2 Estudios realizados en plantas de producción de ácido nítrico: Teniendo en cuenta las pocas investigaciones realizadas en plantas de ácido nítrico, de manera general se puede destacar Maya Stefanova; Rozalina Chuturkova; Evgeni Sokolovski; Nina Ilieva [10], quienes realizaron modelados matemáticos para evaluar la dispersión de las emisiones de N2O en plantas de ácido nítrico. El estudio se basó en la comparación de los análisis con y sin la instalación de un catalizador secundario, cuyo objetivo es mitigar el efecto contaminante y disminuir las emisiones nocivas para la calidad del aire en el ambiente. En análisis posteriores Maya Stefanova, Rozalina Chuturkova [11], estudian la implementación de un catalizador secundario en el proceso de producción de ácido nítrico, el cual resultó como una propuesta eficaz para la reducción de contaminantes de tipo N2O al disminuir su concentración en los gases de cola de 1754 mg/Nm3 hasta 212 mg/Nm3. 13 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 Con el fin de lograr la minimización de los gases N2O contaminantes para el medio ambiente generados en el proceso de ácido nítrico, R. W. Van den Brink, S. Booneveld, J. R. Pels, D. F. Bakker, M. J. F. M. Verhaak [12] exploran 3 posibles alternativas para la eliminación de N2O como son: la implementación de un catalizador Fe-ZSM-5, descomposición catalítica y reducción catalítica. Estas propuestas presentan notables beneficios ambientales para el proceso, aunque presentan discrepancias con los procesos termodinámicos involucrados. 1.3 Estudios exergéticos realizados en plantas de producción de ácido nítrico y procesos de síntesis y oxidación de amoniaco: Los primeros estudios exergéticos aplicados a sistemas reactivos en procesos de oxidación de amoniaco se encuentra el Profesor K. G. Denbigh [13], quien calcula una eficiencia exergética para la planta estudiada del 6% o bien 11% teniendo en cuenta las irreversibilidades. Mientras que esta eficiencia en base a la primera ley se encuentra aproximadamente en 32%. La metodología de Denbigh, se basó en el cálculo del trabajo de calor intercambiado en un esquema de procesamiento con una estequiometria dada y relacionándola con el valor máximo termodinámicamente factible. En un proceso similar de plantas de producción de ácido nítrico Lothar Riekert [14] obtiene una eficiencia exergética calculada de 16%, más alta que la obtenida por Denbigh. La discrepancia presentada entre los resultados de los autores citados anteriormente radica en que la eficiencia definida por Denbigh no cuenta el trabajo equivalente del producto HNO3 como una salida, además de las condiciones operativas son ligeramente distintas en los casos presentados. 14 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 En procesos de producción de amoniaco, Zornitza Kirova-Yordanova [15] también analiza los sistemas reactivos indicando que la mayor pérdida de exergía referente a toda la planta estudiada se ubica en la reacción de síntesis de amoniaco y los subsistemas de intercambio y recuperación de calor con tasas entre 52% y 65%. Para esto propone la utilización del calor de las reacciones químicas a niveles de temperatura superiores con el fin de generar vapor de agua y sobrecalentamiento para finalmente lograr un aumento en la eficiencia exergética global. Mirjana Lakovic, Predrag Zivkovic, Pedrag Raskovic [16] aplica el método exergético para analizar plantas de proceso de producción de ácido nítrico muy similar al estudiado en este trabajo. Estos autores proponen diversos diseños como opciones de mejora para aumentar la eficiencia exergética de la planta, variando su configuración en los procesos, es decir, alterando valores de temperatura, presión, flujo, entre otras que con la identificación previa de las pérdidas localizadas en el proceso contribuyen a una mejora considerable en el manejo de la energía en esta planta. Las áreas intervenidas son el proceso de intercambio y recuperación de calor, área de rechazo (contenidos los gases expulsado a través de chimeneas y pérdidas en el proceso) y el área de compresores y turbinas. Las mejoras presentadas muestran eficiencias exergéticas de 21.54%, 24.04%, 27.63% y 24.05%, siendo mayores al diseño inicial que tiene un valor de 15.80%. Actualmente, la oxidación de amoniaco es uno de los procesos con mayor consumo de energía en plantas de producción de ácido nítrico, para lo cual Samir C. Nimkar [17] en el análisis de una sección de su tesis doctoral aplicado a este tipo de procesos y semejante a nuestro caso de estudio, realiza cálculos obteniendo una eficiencia energética de 31% y eficiencia exergética de 20.83%. Nimkar, relaciona conforme a sus resultados los equipos con mayor destrucción de exergía, teniendo en cuenta que 15 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 los datos porcentuales indicados a continuación hacen referencia a la mayor destrucción de exergía global de la planta y son: - Reactor de Oxidación del amoniaco con una tasa de 40.84%. - Cooler Condenser (Condensador) con una tasa de 12.48%. - Compresor de aire con una tasa de 12.21%. - Caldera HRSG con una tasa de 9.21%. En base a sus estudios y los datos recolectados para su caso, propone reducir la temperatura del aire de entrada al compresor, con lo cual se obtendría un aumento en la eficiencia exergética con un valor de 21.33%. Como segunda medida, analiza la implementación de un Ciclo Rankine Orgánico (CRO/ORC) para recuperar calor disponible en el condensador de menor temperatura, obteniendo una nueva eficiencia exergética de 24.15%. Así como Nimkar [17], existen otros estudios exergéticos desarrollados para aportar a la optimización de los procesos y es el caso de Illie Siminiceanu [3], donde estudia de manera similar plantas de ácido nítrico, calculando una eficiencia exergética para su caso de estudio de 30.52%, con valores de irreversibilidad de 5156 KW de un total entrante de 7421 KW, es decir, la exergía total destruida y perdida corresponde aproximadamente a un 69.48% de la exergía de entrada. En este trabajo, el autor indica que los equipos con mayor destrucción de exergía, teniendo en cuenta que los datos porcentuales indicados a continuación son referentes a la destrucción de exergía global de la planta y son: - Reactor de Oxidación de Amoniaco con una tasa de 44.97%. - Columna de Absorción con una tasa de 20.17%. - Generador de vapor (Super Heater) con una tasa de 10.05%. - Intercambiador de Calor H2 con una tasa de 5.77%. - Turbina a Vapor con una tasa de 4.5%. 16 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 Confrontando los resultados con Riekert [14], este calcula una eficiencia exergética de 16% aproximadamente y para lo cual se observan datos de menor magnitud que los obtenidos por Siminiceanu [3], con valor de 30.52%. La variación de resultados obtenidos, teniendo en cuenta que son plantas que tienen procesos muy similares, se basa principalmente en las consideraciones personales y analíticas de cada investigador, debido a que cada uno es libre de interpretar los datos y procesos de acuerdo con su análisis y enfoque. Para este caso en particular, la diferencia de eficiencias obtenidas, según Siminiceanu [3]: 1. Riekert [14], considera la entrada de amoniaco como estado líquido y Siminiceanu [3], lo contempla en estado gaseoso. Por lo tanto, se generarán propiedades termodinámicas distintas y por consiguientes resultados diferentes. 2. La planta de Riekert [14], no es descrita en su artículo, por lo cual Siminiceanu [3], asume que es de una tecnología antigua. Si se ajustan los datos y se tiene en cuenta ciertas consideraciones en la planta de Riekert, el investigador Siminiceanu indica que la nueva eficiencia exergética estaría en valores cercanos a 33%. Con la comparación anterior se busca identificar las principales anomalías que afectan a este tipo de plantas Químicas y específicamente a nuestro caso que son las plantas de producción de ácido nítrico, donde también ocurren procesos de oxidación de amoniaco y así, evaluar las propuestas realizadas por cada investigador en sus estudios. Se observa que, en los trabajos citados a lo largo de este documento en lo que a plantas de producción de ácido nítrico respecta, los autores hacen énfasis en los mismos equipos y procesos causantes de las mayores destrucciones de exergía, como son los reactores, torres de absorción, condensadores y en algunos casos equipos de intercambio de calor. 17 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 CAPÍTULO 2 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 2. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN El caso de estudio para este trabajo se centra en una planta de producción de ácido nítrico, realizando un análisis de la utilización y calidad de la energía empleada en el proceso. A lo largo de este capítulo de describe la planta en consideración y la respectiva metodología de cálculo para los diferentes equipos reactivos y no reactivos intervenidos, basada en el método exergético. 2.1 Descripción del Proceso La planta estudiada en este trabajo comprende una capacidad de nítrico estudiada en este trabajo comprende una capacidad de 350 Toneladas Métricas Diarias (TMD) y una concentración del producto terminado de 55%. El método de producción de ácido nítrico [18], comprende distintos equipos reactivos y no reactivos, así como reacciones químicas, destacándose como principales: 1. Oxidación del amoniaco. 2. Formación de ácido débil y gases de nitrógeno no condensados. 3. Absorción de los óxidos de nitrógeno. El proceso inicia en un mezclador de gases, donde interactúan el aire y el amoniaco que pasan por un filtro de Platino-Rodio, ubicado en el Convertidor Catalítico, donde se da el proceso de oxidación de amoniaco por medio de la siguiente reacción química deseada: 4NH 5O 4NO 6H O 216.7Kcal (2.1) 3 2 2 mol 19 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 La Ecuación 1.1 ocurre en el rango de temperaturas de 800 °C – 900 °C, aproximadamente. Los gases nitrosos resultantes de la reacción químicas conocidos como Gas de proceso, pasan por una serie de equipos de intercambio de calor, compuesta por un calentador de aire, una caldera recuperadora de calor, un calentador de gases de cola y un atemperador de gases de cola, los cuales se indicaron en el orden que sigue el proceso. Todo esto con el fin de aprovechar su contenido calórico para utilizarlos en generación de vapor para proceso, calentamiento del aire que ingresa al mezclador de gases y enfriamiento de los gases de nitrógeno a una temperatura aproximada de 200 °C, que inmediatamente ingresa al condensador. Parte de estos gases utilizados en la generación de potencia son conocidos como Gases de cola. En este punto se forman dos reacciones: 2NO O 2NO 27.1Kcal (2.2) 2 2 2 mol 3NO H O 2HNO 32.2Kcal (2.3) 2 2 3 mol Para lo descrito anteriormente resulta la formación de ácido débil y gases de nitrógeno no condensados, los cuales son separados en un separador de ácido. La siguiente etapa ocurre en la Torre de Absorción, donde el ácido débil es enviado a la parte superior y los gases de nitrógeno ingresan por la parte inferior, con la finalidad de realizar un intercambio de propiedades químicas entre los fluidos, lo cual se conoce como absorción. Con esto, finaliza el proceso y se obtiene el producto terminado con una coloración amarilla denominado ácido nítrico, el cual posee una concentración del 55%, aproximadamente. 20 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 Existe una etapa adicional que se conoce como sección de blanqueo, cuya finalidad es cambiar el aspecto estético del producto para su comercialización o por requerimientos en usos posteriores. En la Figura 2.1, se presenta el diagrama de flujo de procesos de la planta de producción de ácido nítrico estudiada. Figura 2.1 Diagrama de Procesos de la Planta de Ácido Nítrico 21 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 2.2 Métodos Analíticos Las ecuaciones de cálculo para los diferentes equipos presentes en el proceso productivos se apoyan en [19] [20] [21] [22] [23] y fueron modificadas según la situación de cada equipo. R. K. Sinnott, presenta en su libro [24] algunos casos específicos que fueron tomados como base para el desarrollo de la metodología de cálculo. 2.2.1 Ecuaciones de Balance Energético El balance energético es realizado con la finalidad de obtener valores de transferencia de calor y potencia en equipos específicos. Adicionalmente, los planteamientos de estas ecuaciones basadas en la primera ley se utilizan para evidenciar la energía perdida en transferencia de calor al ambiente, que formará parte del análisis exergético y como tema de discusión para implementar soluciones de mejora. Las propiedades termodinámicas de las diferentes sustancias que forman parte de las corrientes del proceso son calculadas por medio del software EES (Engineering Equation Solver), para mayor agilidad en el procesamiento de los resultados. ∑ ?̇?𝑖𝑛ℎ𝑖𝑛 + ?̇?𝑖𝑛 + ?̇?𝑖𝑛 = ∑?̇?𝑜𝑢𝑡ℎ𝑜𝑢𝑡 + ?̇?𝑜𝑢𝑡 + ?̇?𝑜𝑢𝑡 (2.4) La Ecuación 2.4 se expresa de manera generalizada y se modifica según corresponda. En el caso de corrientes conformadas por mezclas de fluidos se calculan como: ℎ𝑗 = ∑𝑥𝑖ℎ𝑖 (2.5) 22 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 2.2.2 Ecuaciones de Balance Exergético La exergía se presenta en la actualidad como el mejor indicador de sostenibilidad energética global [25]. El análisis de exergía implementa la primera y segunda ley de la termodinámica para lograr resultados eficientes y con aplicabilidad a una gran mayoría de sistemas y equipos de la industria Exergía específica de tipo físico: 𝜓𝑃𝐻𝑗 = (ℎ𝑗 − ℎ0,𝑗) − 𝑇0(𝑠𝑗 − 𝑠0,𝑗) (2.6) Debido a la naturalidad de la planta en cuestión, se presentan diversas reacciones químicas en el proceso, que además de exergías físicas involucran exergías químicas. Exergía específica de tipo químico: 𝜓𝐶𝐻 𝐶𝐻𝑗 = ∑ ?̅?𝑖 𝑒 + 𝑅𝑇0∑ ?̅?𝑖 𝑙𝑛(⁡ ?̅?𝑖) (2.7) Las exergías químicas molares 𝑒𝐶𝐻 son obtenidas de [26]. Destrucción de exergía en el equipo k: ?̇?𝐷,𝑘 = ?̇?𝐹,𝑘 − ?̇?𝑃,𝑘 (2.8) La ecuación 2.8 representa la destrucción de exergía en el equipo k. 23 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 Los valores de ?̇?𝐹 y ?̇?𝑃, se encuentran definidos en [19] [21] para algunos equipos analizados para nuestro caso de estudio. Eficiencia exergética del equipo k: Ẋ ε = P,kk (2.9) ẊF,k La ecuación 2.9 indica la eficiencia energética en el equipo k, estableciendo una relación exergética entre sus consumos y productos. Relación de exergía destruida en el equipo k: Ẋ γ = D,kk (2.10) ẊF,tot La ecuación 2.10, permite establecer una relación entre la exergía destruida del equipo y exergía de consumo. Destrucción de exergía global: ?̇?𝐷,𝑡𝑜𝑡 = ?̇?𝐹,𝑡𝑜𝑡 − ?̇?𝑃,𝑡𝑜𝑡 (2.11) Por medio de la ecuación 2.11, se obtiene la destrucción de exergía global de la planta estudiada, como la resta de la exergía total consumida con la exergía de productos. 24 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 Eficiencia exergética global: Ẋ ε = P,tottot (2.12) ẊF,tot La eficiencia exergética global expresada como la relación entre la exergía consumida total y la exergía de productos total, es calculada por la ecuación 2.12. Relación de exergía destruida global: ∗ Ẋγk = D,k (2.13) ẊD,tot La eficiencia global en el equipo k, obtenida con la ecuación 2.13 presenta la relación de la exergía destruida del equipo k con la exergía destruida global, es decir, la cantidad ocupada por el equipo k con respecto a la cantidad total. 2.3 Metodología de cálculo para indicadores exergéticos Los indicadores exergéticos representan la utilización y la calidad de la energía empleada en el proceso de producción de ácido nítrico de la planta estudiada, para la cual se observan sus respectivas irreversibilidades y las eficiencias de los equipos involucrados. Se indican las ecuaciones de energía y exergía para los equipos estudiados, tomando como referencia la numeración de las distintas corrientes del proceso presentado en la Figura 2.1 y que son utilizadas a lo largo de este capítulo. 25 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 Las propiedades termodinámicas principales de los distintos flujos de proceso involucradas se muestran en la Tabla 2.1. Tabla 2.1 Propiedades de las corrientes del proceso. 𝐤𝐠 Flujo (j) Nombre ?̇?𝐣[ ] 𝐓𝐣⁡[°𝐂] 𝐏𝐣⁡[𝐊𝐏𝐚] 𝐬 1 Vapor de agua 3.78 243.33 1723.69 2 Vapor de agua 3.78 55.55 128.42 3 Aire Compresor 22.34 32.61 99,97 4 Aire Compresor 22.34 100.39 212.74 5 Aire Compresor 22.04 35.66 212.74 6 Aire Compresor 22.04 108.28 453.72 7 Aire Compresor 22.04 38.11 453.72 8 Aire Compresor 22.04 172.11 963.20 9 Aire de Proceso 19.39 184.44 949.41 10 Aire Convertidor 19.39 306.67 928.72 11 Vapor de Amoniaco 1.19 63.89 1307.93 12 Gases de Cola 17.73 593.33 701.20 13 Gases de Cola 17.73 307.22 103.42 14 Gas de proceso 20.61 649.44 880.46 15 Gas de proceso 20.61 555.00 859.78 16 Gas de proceso 20.61 243.33 852.88 17 Gas de proceso 20.61 278.33 845.99 18 Gas de proceso 20.61 196.11 839.09 19 Acido Débil 3.282 45.00 859.78 20 Gas de Proceso 17.33 46.67 811.51 21 Producto Final (Ácido Nítrico) 7.35 54.44 811.51 22 Gases de Cola 17.73 40.56 770.14 23 Gases de Cola 17.73 73.89 756.36 24 Gases de Cola 17.73 176.67 735.67 25 Agua Alimentación HRSG 4.16 195 1896.06 26 Vapor de Proceso - HRSG 4.16 211.11 1397.65 27 Vapor de Proceso 0.27 187.78 1135.57 28 Condensado (Agua) 0.27 185.48 1195.24 29 Agua de Alimentación - ABS 1.81 37.78 928.72 30 Aire Blanqueo 2.65 121.11 956.30 31 Agua de Enfriamiento – ABS 1.53 48.88 652.93 32 Agua de Enfriamiento – ABS - CC 1.53 55 652.93 33 Agua de Enfriamiento – CC 1.53 70 652.93 34 Agua de Enfriamiento – CC 50.60 36 641.21 35 Agua de Enfriamiento – CC 50.60 60 641.21 26 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 A continuación, son mostradas las ecuaciones que fueron modificadas de manera específica para cada equipo en sus balances energéticos y exergéticos, como son Q̇Perd, ẊF y ẊP. 2.3.1 Tren de Compresión (CT) Conformado por la turbina de vapor, Compresor de baja y alta presión y el expander. Se todo como un solo sistema por la cantidad de datos conocidos, con el fin de lograr el mayor acercamiento posible a la exactitud de los datos reales. El Tren de Compresión se alimenta del trabajo entregado por la turbina de vapor (ST) y el Expander (EXP), para entregar como producto la compresión del aire dada en los equipos HPC y LPC, que representan compresores de alta y baja presión. ▪ Esquemático Figura 2.2 Esquemático Tren de Compresión (TC) 27 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 ▪ Calor Perdido al ambiente: ?̇?𝑝𝑒𝑟𝑑 = ?̇?1(ℎ1 − ℎ2) + ?̇?12(ℎ12 − ℎ13) − ?̇?3(ℎ4 − ℎ3) − ?̇?5(ℎ8 − ℎ7 + ℎ6 − ℎ5) (2.14) ▪ Exergía consumida (Fuel): ?̇? = ?̇? (𝜓𝑃𝐻 𝑃𝐻 𝑃𝐻 𝑃𝐻𝐹 1 1 −𝜓2 ) + ?̇?12(𝜓12 − 𝜓13 ) (2.15) ▪ Exergía productos (Products): ?̇?𝑃 = ?̇?3(𝜓 𝑃𝐻 −𝜓𝑃𝐻) + ?̇? (𝜓𝑃𝐻 − 𝜓𝑃𝐻 + 𝜓𝑃𝐻 − 𝜓𝑃𝐻4 3 5 8 7 6 5 ) (2.16) 2.3.2 Convertidor Catalítico (CONV) En el caso del Convertidor, se calcula un Q̇CONV por balance energético que corresponde al calor requerido por la reacción catalítica que ocurre en este equipo. ▪ Esquemático Figura 2.3 Esquemático Convertidor Catalítico (CONV) 28 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 ▪ Calor entrante requerido para reacción catalítica: Q̇CONV = ṁ14h14 + ṁ12h12 − ṁ11h11 − ṁ10h10 − ṁ24h24 (2.17) ▪ Exergía consumida (Fuel): 𝑋 𝑃𝐻 𝐶𝐻 𝑃𝐻 𝐶𝐻 𝑃𝐻 𝐶𝐻 T0+273.15 ?̇? = ?̇?10(𝜓10 + 𝜓10 ) + ?̇?11(𝜓11 + 𝜓11 ) + ?̇?24(𝜓24 + 𝜓24 ) + Q̇CONV(1 − ) Tb,CONV+273.15 (2.18) ▪ Exergía productos (Products): ?̇? = ?̇? (𝜓𝑃𝐻 +𝜓C𝐻𝑃 12 12 12 ) + ?̇?14(𝜓 𝑃𝐻 14 +𝜓 C𝐻 14 ) (2.19) 2.3.3 Calentador de Aire (AH) ▪ Esquemático 29 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 Figura 2.4 Esquemático Calentador de Aire (AH) ▪ Calor Perdido al ambiente: Q̇Perd = ṁ9(h10 − h9) − (ṁ14h14 − ṁ15h15) (2.20) ▪ Exergía consumida (Fuel): ?̇?𝐹 = ?̇?14(𝜓 𝑃𝐻 + 𝜓C𝐻14 14 ) − ?̇?15(𝜓 𝑃𝐻 C𝐻 15 + 𝜓15 ) (2.21) ▪ Exergía productos (Products): ?̇?𝑃 = ?̇?9(𝜓 𝑃𝐻 P𝐻 10 − 𝜓9 ) (2.22) 2.3.4 Caldera Recuperadora de Calor (HRSG) ▪ Esquemático 30 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 Figura 2.5 Esquemático Caldera recuperadora de calor (HRSG) ▪ Calor Perdido al ambiente: Q̇Perd = ṁ25(h26 − h25) − (ṁ15h15 − ṁ16h16) (2.23) ▪ Exergía consumida (Fuel): ?̇?𝐹 = ?̇?15(𝜓 𝑃𝐻 15 + 𝜓 C𝐻 15 ) − ?̇? (𝜓 𝑃𝐻 16 16 + 𝜓 C𝐻 16 ) (2.24) ▪ Exergía productos (Products): ?̇?𝑃 = ?̇?25(𝜓 𝑃𝐻 26 −𝜓 P𝐻 25 ) (2.25) 2.3.5 Calentador de Gases de Cola (TGH) 31 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 ▪ Esquemático Figura 2.6 Esquemático Calentador de gases de cola (TGH) ▪ Calor Perdido al ambiente: Q̇Perd = ṁ23(h24 − h23) − (ṁ17h17 − ṁ18h18) (2.26) ▪ Exergía consumida (Fuel): ?̇? 𝑃𝐻 C𝐻 𝑃𝐻 C𝐻𝐹 = ?̇?17(𝜓17 + 𝜓17 ) − ?̇?18(𝜓18 + 𝜓18 ) (2.27) ▪ Exergía productos (Products): ?̇? = ?̇? 𝑃𝐻 P𝐻𝑃 24(𝜓24 −𝜓23 ) (2.28) 32 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 2.3.6 Atemperador de Gases de Cola (TGTH) ▪ Esquemático Figura 2.7 Esquemático Atemperador de gases de cola (TGTH) ▪ Calor Perdido al ambiente: Q̇Perd = ṁ22(h23 − h22) − (ṁ27h27 − ṁ28h28) (2.29) ▪ Exergía consumida (Fuel): ?̇?𝐹 = ?̇? 𝑃𝐻 C𝐻 27(𝜓27 +𝜓27 ) − ?̇?28(𝜓 𝑃𝐻 C𝐻 28 + 𝜓28 ) (2.30) ▪ Exergía productos (Products): ?̇? = ?̇? (𝜓𝑃𝐻 P𝐻𝑃 22 23 −𝜓22 ) (2.31) 33 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 2.3.7 Condensador (CC) ▪ Esquemático Figura 2.8 Esquemático Condensador (CC) ▪ Calor Perdido al ambiente: Q̇Perd = ṁ18h18 + ṁ32h32 + ṁ34h34 − ṁ19h19 − ṁ20h20 − ṁ33h33 − ṁ35h35 (2.32) ▪ Exergía consumida (Fuel): ?̇?𝐹 = ?̇?18(𝜓 𝑃𝐻 C𝐻 𝑃𝐻 C𝐻 18 + 𝜓18 ) + ?̇?31(𝜓31 +𝜓31 ) (2.33) ▪ Exergía productos (Products): ?̇? 𝑃𝐻 𝑃𝐻 𝑃𝐻 𝑃𝐻𝑃 = ?̇?32(𝜓33 − 𝜓32 ) − ?̇?34(𝜓35 − 𝜓34 ) (2.34) 34 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 2.3.8 Torre de Absorción (ABS) ▪ Esquemático Figura 2.9 Esquemático Torre de Absorción (ABS) ▪ Calor Perdido al ambiente: Q̇Perd = ṁ19h19 + ṁ20h20 + ṁ29h29 + ṁ30h30 + ṁ31(h32 − h31) − ṁ21h21 − ṁ22h22 (2.35) ▪ Exergía consumida (Fuel): 𝑋 𝑃𝐻?̇? = 𝑚1̇9(𝜓19 + 𝜓 𝐶𝐻 19 ) + 𝑚2̇0(𝜓 𝑃𝐻 𝐶𝐻 𝑃𝐻 𝐶𝐻 𝑃𝐻 20 + 𝜓20 ) + 𝑚2̇9(𝜓29 + 𝜓29 ) + 𝑚3̇0(𝜓30 + 𝜓 𝐶𝐻 30 ) + 𝑚 𝑃𝐻 3̇1𝜓31 (2.36) ▪ Exergía productos (Products): ?̇?𝑃 = ?̇? 𝑃𝐻 𝐶𝐻 𝑃𝐻 21(𝜓21 + 𝜓21 ) + ?̇?22(𝜓22 + 𝜓 𝐶𝐻) + ?̇? 𝜓𝑃𝐻22 32 32 (2.37) 35 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 2.3.9 Overall System Para el cálculo de indicadores exergéticos globales de la planta se consideran las corrientes de entrada y salida total, así: ▪ Entrada Corriente 1: Vapor entrada a Turbina Vapor. Corriente 3: Aire entrada a Compresor. Corriente 11: Amoniaco entrada a Convertidor Catalítico. Corriente 29: Agua de alimentación entrada a Torre de Absorción. Corriente Adicional: Consumo eléctrico total. Corriente de Agua de Enfriamiento para el Condensador (CC) y Torre de Absorción (ABS). ▪ Salida: Corriente 21: Producto Final (Ácido nítrico con concentración de 55%). Corriente 13: Gases de Cola Salida Expander A continuación, se describe las ecuaciones de cálculo correspondientes: ▪ Calor Perdido al ambiente: Q̇Perd = Q̇Perd,CT + Q̇Perd,AH + Q̇Perd,HRSG + Q̇Perd,TGH + Q̇Perd,TGTH + Q̇Perd,CC + Q̇Perd,ABS (2.38) ▪ Exergía consumida (Fuel): 𝑋 = 𝑚 𝜓𝑃𝐻 + 𝑚 𝜓𝑃𝐻 + 𝑚 (𝜓𝑃𝐻 + 𝜓𝐶𝐻) + 𝑚 (𝜓𝑃𝐻 + 𝜓𝐶𝐻) + 𝑚 (𝜓𝑃𝐻 𝐶𝐻 𝑃𝐻?̇? 1̇ 1 3̇ 3 1̇1 11 11 2̇1 21 21 2̇9 29 + 𝜓29 ) + 𝑚3̇1𝜓31 + 𝑚 𝜓𝑃𝐻3̇4 34 + 𝑊?̇?𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 (2.39) 36 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 ▪ Exergía productos (Products): ?̇?𝑃 = ?̇? 𝑃𝐻 𝐶𝐻 𝑃𝐻 𝐶𝐻 21(𝜓21 + 𝜓21 ) + ?̇?13(𝜓13 + 𝜓13 ) (2.40) ▪ Exergía Destruida: 𝑋?̇? = 𝑋?̇? ,𝐶𝑇 + 𝑋?̇?,𝐶𝑂𝑁𝑉 + 𝑋?̇?,𝐴𝐻 + 𝑋?̇?,𝐻𝑅𝑆𝐺 + 𝑋?̇?,𝑇𝐺𝐻 + 𝑋?̇?,𝑇𝐺𝑇𝐻 + 𝑋?̇? ,𝐶𝐶 + 𝑋?̇?,𝐴𝐵𝑆 (2.41) La metodología de cálculo descrita anteriormente es producto del análisis energético y exergético implementado. En el capítulo 3, se presentan los resultados obtenidos. En diversas situaciones, fue necesario expandir el volumen de control en cada equipo por desconocimiento de datos en puntos específicos con la finalidad de presentar resultados adecuados para los distintos balances energéticos y exergéticos. 37 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 CAPÍTULO 3 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 3. RESULTADOS En este capítulo se presentan los resultados del análisis exergético y energético de una planta de producción de ácido. El análisis energético es clave para determinar el calor perdido que se transfiere al ambiente, fuera del volumen de control. Posteriormente con el análisis exergético se obtienen indicadores como: Eficiencia exergética, exergía destruida y las relaciones de exergía destruida global y por equipo. 3.1 Consideraciones para los análisis energéticos y exergéticos realizados Se tomaron en cuenta unas condiciones y consideraciones tanto para el proceso como para los diferentes equipos que forman parte de la planta. ➢ El comportamiento de todos los gases se asume de manera ideal en todos los puntos del proceso. ➢ Las energías cinética y potencial son despreciadas en el análisis energético y exergético. ➢ Las condiciones del estado muerto para nuestro caso de estudio son: 𝑇0 = 25°𝐶 y 𝑃0 = 101.325⁡𝐾𝑃𝑎. ➢ Las condiciones termodinámicas del proceso se consideran de forma estacionaria. ➢ No se consideran pérdidas en masa y los cambios de energía, entropía, exergía y masa del sistema son tomados como nulos. 39 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 ➢ Las magnitudes de calor transferido al ambiente, resultantes del análisis energético son tomados como exergía destruida en el análisis de segunda ley. 3.2 Resultados del análisis energético Por medio de este análisis se verifica el proceso de intercambio de calor en los equipos y el calor perdido al ambiente por los mismos en la planta. En la Figura 3.1, se presenta la distribución de calor transferido al ambiente como resultado del balance energético para una transferencia total de 28823.27 KW. CC CT 28,73% 32,52% AH 2,04% HRSG 4,63% ABS TGTH TGH 30,68% 1,13% 0,27% CT AH HRSG TGH TGTH ABS CC Figura 3.1 Distribución de calor transferido al ambiente. 3.3 Resultados Análisis Exergético: En esta sección, se presentan los resultados obtenidos del análisis exergético aplicado a la planta en consideración. 40 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 Las exergías químicas y físicas de las corrientes se muestran en la tabla 3.1. Tabla 3.1 Exergías físicas y químicas de los flujos. KJ KJ Flujo (j) Nombre 𝛙𝐏𝐇[ ] 𝛙𝐂𝐇[ ] Kg Kg 1 Vapor de agua 934.63 9500 2 Vapor de agua 3.66 9500 3 Aire Compresor -0.34 2.58 4 Aire Compresor 73.78 2.58 5 Aire Compresor 64.35 2.58 6 Aire Compresor 139.75 2.58 7 Aire Compresor 129.96 2.58 8 Aire Compresor 223.15 2.58 9 Aire de Proceso 226.25 2.58 10 Aire Convertidor 278.78 2.58 11 Vapor de Amoniaco 359.62 19663.92 12 Gases de Cola 444.08 20.62 13 Gases de Cola 90.23 20.62 14 Gas de proceso 564.21 283.07 15 Gas de proceso 485.02 283.84 16 Gas de proceso 281.21 287.92 17 Gas de proceso 298.58 292.44 18 Gas de proceso 258.70 293.23 19 Acido Débil 38.38 563.21 20 Gas de Proceso 182.99 221.91 21 Producto Final (Ácido Nítrico) 39.40 563.21 22 Gases de Cola 178.76 20.62 23 Gases de Cola 181.07 20.62 24 Gases de Cola 205.45 20.62 25 Agua Alimentación HRSG 154.12 900 26 Vapor de Proceso 881.39 9500 27 Vapor de Proceso 838.40 9500 28 Condensado (Agua) 138.41 900 29 Agua de Alimentación - ABS 1.94 900 30 Aire Blanqueo 207.29 2.58 31 Agua de Enfriamiento – ABS 4.35 900 32 Agua de Enfriamiento – ABS - CC 6.47 900 33 Agua de Enfriamiento – CC 13.47 900 34 Agua de Enfriamiento – CC 1.37 900 35 Agua de Enfriamiento – CC 8.51 900 41 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 Las exergías relacionadas en la tabla 3.1 hacen referencia a todas las corrientes involucradas en el proceso a modo de complemento de los datos, pero cabe resaltar que todas no son utilizadas en el análisis exergético de los equipos. Los indicadores exergéticos producto del análisis realizado se relacionan en la tabla 3.2. Posteriormente, se presentarán las correspondientes interpretaciones y posibles sugerencias con opciones de mejora en base a estos resultados. Equipo ?̇?𝐅⁡[KW] ?̇?𝐏⁡[KW] ?̇?𝐃⁡[KW] 𝛆⁡[%] γ ∗ k⁡[%] γk⁡[%] CT 15811.22 5372.58 10438.64 33.98 21.57 28.54 CONV 53417.24 25706.47 27710.77 48.12 57.26 75.77 AH 1616.54 1018.43 598.11 63.00 1.24 1.64 HRSG 4117.13 3023.89 1093.24 73.45 2.26 2.99 TGH 805.76 432.39 373.36 53.66 0.77 1.02 TGTH 192.71 40.93 151.78 21.24 0.31 0.42 CC 2385.38 372.12 2013.25 15.60 4.16 5.50 ABS 9559.57 3545.48 6014.09 37.09 12.43 16.44 GLOBAL 36572.65 6394.92 48393.24 17.49 100 88.72 Tabla 3.2 Indicadores exergéticos de los equipos En términos de eficiencia exergética, los equipos Tren de Compresión (CT), Convertidor Catalítico (CONV), Atemperador de gases de cola (TGTH), Condensador (CC) y Torre de Absorción (ABS) se muestran con las magnitudes más bajas respecto a los demás, como resultado de irreversibilidades en reacciones químicas, mezcla de fluidos no homogenizados, transferencia de calor al ambiente, entre otros. 42 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 La Figura 3.2, relaciona las destrucciones de exergía de cada equipo integrado de la planta y su respectivo valor porcentual en referencia a la exergía destruida global. Es notable, el gran impacto que presenta el Convertidor catalítico (CONV), seguido del Tren de compresión (CT) y el Condensador (CC) en el proceso de producción de ácido nítrico. Los valores de exergía destruida para estos equipos son 28202.33 KW y 12480.98 KW, respectivamente. Estas magnitudes representan un 57.26% para Convertidor Catalítico (CONV), 21.57% para el Tren de compresión (CT) y 12.43% para el Condensador (CC), cuyos datos son los más destacados en referencia a la exergía destruida global. De acuerdo con lo anterior, las irreversibilidades de estos equipos se ven influenciadas por reacciones químicas, manejo y mezcla de fluidos no homogenizados y transferencias de calor al ambiente. 57,26% 30000 27710,77 25000 20000 15000 21,57% 10438,64 10000 12,43% 6014,09 4,16% 5000 1,24% 2,26% 2013,25 0,77% 0,31% 598,11 1093,24 373,36 151,78 0 CT CONV AH HRSG TGH TGTH ABS CC Figura 3.2 Exergía destruida por equipo. 43 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 CONCLUSIONES En base a los resultados obtenidos por medio de los análisis energéticos y exergéticos realizados en la planta de ácido nítrico, se concluye lo siguiente: Análisis energético: • Se muestran las magnitudes de calor transferido al ambiente, con lo cual se presenta el estado de los quipos de intercambio de calor para posibles opciones de mejora. • El mayor impacto de calor transferido al ambiente se presenta en Tren de compresión (CT), Condensador (CC) y Torre de absorción (ABS). • La Figura 3.1, es clave para una visualización objetiva del panorama energético de la planta y de manera consecuente se puede proponer opciones de mejora. Análisis Exergético: • Las magnitudes más bajas de eficiencia exergética son para Tren de Compresión (CT), Convertidor Catalítico (CONV), Atemperador de gases de cola (TGTH), Condensador (CC) y Torre de Absorción (ABS) • La mayor destrucción de exergía se evidencia en Convertidor Catalítico (CONV), Tren de Compresión (CT) y Condensarod (CC) con 27710.77 KW, 10438.64 KW y 6014.09 KW respectivamente. • Las principales irreversibilidades que impactan a los equipos CONV y CT, se deben a calor transferido al ambiente, reacciones químicas y mezcla de fluidos no homogenizados con variaciones en sus propiedades termodinámicas. • La Tabla 3.2, la Figura 3.1 y 3.2, son cruciales para la toma de decisiones en base a análisis exergéticos y posibles propuestas de optimización del proceso o equipos. 44 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 RECOMENDACIONES 45 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 RECOMENDACIONES • Revisar equipos de intercambio de calor de la planta en busca de falencias y zonas de alta transferencia de calor al ambiente. • Implementar instalación de equipos actualizados o con mayores niveles de eficiencia, con previos estudios económicos. • Realizar estudios de exergía avanzada para identificar de manera explícita zonas críticas del proceso con altas posibilidades de mejora y optimización. • Generar variaciones o alteración de los parámetros del proceso en temas termodinámicos para lograr mejores prácticas productivas, con altos niveles de eficiencia exergética. • En base a los resultados obtenidos, se debe tratar las magnitudes exergía destruida y aprovechar la energía al máximo nivel permitido y viable. • Realizar análisis termoeconómicos para evaluar en términos financieros implementaciones de nuevo equipos o cambios en el proceso con el fin de lograr un aprovechamiento eficiente de la energía y los recursos disponibles. • Evitar cuando sea posible la mezcla de fluidos no homogenizados, lograr estabilizaciones de las propiedades termodinámicas en las corrientes del proceso con el fin de minimizar las magnitudes de exergía destruida. 46 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 BIBLIOGRAFÍA 47 Harold Valle Reyes Trabajo de Grado Cartagena de Indias, Bolívar 2017 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BP Global, «BP Global,» 15 January 2017. 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