Optimización energética de redes industriales de intercambio de calor
- Autores: Mauricio Altamirano Ruiz de la Nieta
- Directores de la Tesis: José Luis Valverde Palomino (codir. tes.), Lourdes Rodríguez Mayor (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Castilla-La Mancha ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Víctor Ferro Fernández (presid.), María Luz Sánchez Silva (secret.), Antonio Nieto-Márquez Ballesteros (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química y Ambiental por la Universidad de Castilla-La Mancha
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
Los procesos químicos deben ser diseñados de forma que contribuyan a una actividad industrial sostenible medioambientalmente, además de económicamente rentable.
En este sentido, el proceso de optimización energética de las redes de intercambio de energía de los procesos representa un aspecto crucial en el diseño de procesos químicos.
Este proceso persigue aprovechar la energía disponible en las corrientes que necesitan enfriarse para acondicionar las corrientes que deben calentarse. Estas necesidades han de completarse, en la mayoría de las ocasiones, con la utilización de sistemas auxiliares de calefacción y refrigeración (utilities).
El propósito de esta tesis doctoral es desarrollar una metodología de análisis de redes de intercambio de calor que permita optimizar el consumo de utilities, utilizando el mínimo número de intercambios entre corrientes.
Con esta finalidad, se ha diseñado una aplicación informática compleja que ha tomado como referencia la plataforma Microsoft Excel® y su entorno de programación VBA.
El cálculo matemático ha sido realizado con la herramienta Mathworks Matlab® a través de su interfaz con Microsoft Excel® denominada Matlab Spreadsheet Link Ex®.
La aplicación permite: alimentar datos, realizar cálculos intermedios y definir la red de intercambio.
La aplicación informática desarrollada nos permite optimizar y validar redes de intercambio de calor, pudiendo utilizarse en la optimización de redes de intercambio reales.
Los resultados generados tienen en cuenta la no linealidad de los datos T-H de las corrientes, eliminando las inconsistencias en la generación de la red de intercambio que generan otras metodologías de optimización.
La estructura modular de la aplicación permite adecuarla a objetivos de optimización diferentes de los inicialmente planteados. De esta forma, la aplicación puede ser configurada para realizar optimizaciones fuera de los criterios habituales (minimización de los consumos energéticos), pudiendo fijar restricciones de intercambio en cada una de las corrientes del sistema.
Para comprobar el funcionamiento de la aplicación informática desarrollada, se ha aplicado al estudio de los siguientes procesos:
- Captura de CO2.
- Pila de combustible.
- Tren de precalentamiento de crudo.
- Ciclos azufre-yodo para la producción de H2.
- Planta de recuperación de amoniaco.
En el capítulo 1 se presentan los conceptos básicos de intercambio de calor, se exponen los fundamentos del análisis pinch (base conceptual de la optimización de redes de intercambio de calor) y se muestran los algoritmos Transshipment de optimización de redes de intercambio de calor.
El capítulo 2 está dedicado a detallar los algoritmos de cálculo utilizados en el desarrollo de la aplicación informática y la descripción de su uso.
En el capítulo 3 se desarrolla un caso simple de un sistema de captura de CO2 mediante aminas. El algoritmo de optimización fue capaz de evaluar de forma matemática la configuración de intercambio existente, validando el modelo propuesto.
En los capítulos 4 y 5 se presentan dos sistemas: uno, de producción de hidrógeno para su uso en una pila de combustible, y, otro, de precalentamiento de crudo. Se trata de sistemas muy complejos para los que el modelo fue capaz de generar una red de intercambio viable, consiguiendo resultados de consumos de utilities similares a los encontrados en bibliografía.
Los capítulos 6 y 7 muestran el proceso de producción de hidrógeno a través del ciclo termodinámico azufre-yodo y la optimización energética de una planta de recuperación de amoniaco. En estos casos, se han incorporado modificaciones en el modelo con el fin de incluir prohibiciones de intercambio entre corrientes, permitiendo reducir el número de intercambios dentro del sistema.
Las metodologías desarrolladas en este trabajo podrían ser fácilmente extrapoladas a plantas industriales diferentes a las aquí estudiadas lo que contribuiría a diseños más eficientes de sus redes de intercambio de calor y a reducir el consumo energético de las mismas.
