TRANSFERENCIA DE CALOR Y ENERGÍA CONSERVACIÓN

11. TRANSFERENCIA DE CALOR Y ENERGÍA CONSERVACIÓN.

Se pueden adoptar una VARIEDAD DE medidas de conservación de energía DISPONIBLES para optimizar el uso de energía en una planta química o refinería. La siguiente es una lista representativa de los factores operativos o de diseño relacionados con la transferencia de calor y el uso de energía.

que puede implicar optimización:

1. Controles de combustión del calentador encendido

2. Recuperación de calor de los gases de chimenea

3. Limpieza de la sección de convección del calentador encendido

4. Configuración de la red del intercambiador de calor

5. Tubería de intercambiador de calor de superficie extendida para mejorar la transferencia de calor

6. Programación de la limpieza del intercambiador de calor

7. Rendimiento del enfriador de aire

8. Torres de fraccionamiento: relación de reflujo óptima, intercambio de calor, etc.

9. Instrumentación para monitorear el uso de energía

10. Reducción de fugas en sistemas de vacío y líneas de presión y condensadores.

1 1. Ahorro de agua de refrigeración

12. Tratamiento de agua eficiente para plantas de producción de vapor

13. Trabajo útil de la reducción de la presión del vapor.

14. Trampas de vapor, rastreo y recuperación de condensado

15. Calderas de CO en unidades de craqueo catalítico

16. Nivelación de carga eléctrica

17. Mejora del factor de potencia

18. Recuperación de energía de gases o líquidos

19. Control de pérdidas en refinerías

20. Mejoras de catalizador

Muchas de las medidas de conservación requieren un análisis detallado del proceso y una optimización. Por ejemplo, la combustión eficiente de combustible (categoría 1) es extremadamente importante en todas las aplicaciones. Para cualquier tasa de combustión de combustible, una cantidad teórica de aire (para la combustión completa a dióxido de carbono y vapor de agua) existe bajo el cual ocurre la combustión más eficiente. Reducción de la cantidad de aire disponible conduce a una combustión incompleta y una rápida disminución de la eficiencia. Además, se pueden formar partículas de carbono que pueden provocar un ensuciamiento acelerado de las superficies del tubo calentador. Para permitir pequeñas variaciones en la composición y el caudal del combustible y en el aire caudales que inevitablemente ocurren en la práctica industrial, por lo general es deseable apuntar para el funcionamiento con una pequeña cantidad de aire en exceso, digamos del 5 al 10 por ciento, por encima de la cantidad teórica para una combustión completa. Demasiado aire en exceso, sin embargo, conduce a aumento de las pérdidas de calor sensible a través del gas de chimenea.

En la práctica, la eficiencia de un calentador encendido se controla monitoreando el oxígeno concentración en los productos de combustión además de la temperatura del gas de chimenea. Los amortiguadores se utilizan para manipular el suministro de aire. Atando los instrumentos de medición en un circuito de retroalimentación con el equipo mecánico, la optimización de las operaciones puede tienen lugar en tiempo real para tener en cuenta las variaciones en el caudal de combustible o el poder calorífico. Como segundo ejemplo (categoría 4), una planta típica contiene una gran cantidad de intercambiadores de calor utilizados para transferir calor de una corriente de proceso a otra. Está importante seguir utilizando el calor de los arroyos de manera eficiente durante todo el proceso. El petróleo crudo entrante se calienta contra diversos productos y corrientes de reflujo antes de ingresar a un calentador encendido para llevarlo a la temperatura deseada de la zona de evaporación de la columna de fraccionamiento. Entre los factores que se deben considerar en el diseño o modernización son:

1. ¿Cuál debería ser la configuración de los flujos (el orden de intercambio de calor para petróleo crudo)?

2. ¿Cuánta superficie de intercambio de calor se debe suministrar dentro de la configuración elegida?

El área de superficie adicional de intercambio de calor conduce a una mejor recuperación de calor en el crudo unidad de aceite, pero aumenta los costos de capital de modo que aumentar la superficie de transferencia de calor pronto alcanza rendimientos decrecientes. La configuración óptima y las áreas seleccionadas, de Por supuesto, dependen en gran medida de los costos de combustible. A medida que aumentan los costos de combustible, las plantas existentes pueden generalmente se benefician de la instalación de una superficie adicional del intercambiador de calor en circunstancias que antes se consideraban solo marginalmente económicas. Como ejemplo final (categoría 6), aunque los intercambiadores de calor pueden ser muy efectivos cuando se instalan por primera vez, muchos de estos sistemas se ensucian con el uso y la transferencia de calor. las tasas se deterioran significativamente. Por lo tanto, a menudo es útil establecer un calor óptimo horarios de limpieza del intercambiador. Aunque los programas se pueden basar en observaciones del deterioro real de la transferencia de calor general del intercambiador en cuestión, también es posible optimizar los detalles de los programas de limpieza dependiendo sobre una evaluación económica de cada intercambiador.

En este capítulo ilustramos la aplicación de varias técnicas de optimización. al diseño del sistema de transferencia de calor. Primero mostramos cómo las simples reglas generales de la caldera se pueden derivar diferencias de temperatura (ejemplo 11.1). Entonces un más complicado Se examina el diseño de un intercambiador de calor (ejemplo 11.2), lo que conduce a una restricción Problema de optimización que involucra algunas variables de valores discretos. El ejemplo 1 1.3 analiza el uso de la optimización en el diseño y operación de evaporadores, y concluya este capítulo demostrando cómo se puede emplear la programación lineal para optimizar un sistema stearnlpower (ejemplo 11.4). Para optimizar el calor redes de intercambiadores mediante métodos de programación matemática, consulte Athier et al. (1997), Briones y Kokossis (1996) y Zamora y Grossmann (1998).

EJEMPLO 11.1 OPTIMIZACIÓN DE LA RECUPERACIÓN DE CALOR RESIDUAL

Existe una variedad de fuentes de calor a temperaturas elevadas en una planta química típica que puede ser económicamente recuperable para la producción de energía utilizando vapor u otro trabajo fluidos, como freón o hidrocarburos ligeros. La figura El 1.1 es un esquema de dicho sistema.

La salida de potencia del sistema se puede aumentar utilizando áreas de superficie de intercambiador de calor más grandes tanto para la caldera como para el condensador. Sin embargo, existe una compensación entre la recuperación de energía y el costo de capital de los intercambiadores. Jegede y Polley (1992), Reppich y Zagermann (1995), Sama (1983), Swearingen y Ferguson (1984) y Steinrneyer (1984) han propuesto algunas reglas simples basadas en la optimización analítica de la caldera ΔT En un sistema de energía, la disponibilidad gastada por cualquier intercambiador es igual a la red trabajo que podría haberse logrado haciendo que cada corriente intercambiara calor con el entorno a través de un motor térmico reversible o una bomba de calor. En la caldera de la Figura El 1.1, el calor se transfiere a una tasa Q (la carga de la caldera) del fluido caliente promedio

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