anÁlisis exergÉtico avanzado e indicadores ... · de operaciÓn y mantenimiento y costos totales...
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ANÁLISIS EXERGÉTICO AVANZADO E INDICADORES EXERGOECONÓMICOS DE
UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO.
Autora:
ME, ESP. Ana Margarita Buelvas Hernández
Universidad Tecnológica de Bolívar
Maestría en Ingeniería Énfasis en Ingeniería Mecánica
Cartagena de Indias
2019
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ANÁLISIS EXERGÉTICO AVANZADO E INDICADORES EXERGOECONÓMICOS DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO.
Autora:
ME, ESP. Ana Margarita Buelvas Hernández
Trabajo de grado presentado en opción al grado Magíster en Ingeniería
Tutor:
PhD, MsC, ME. Juan Gabriel Fajardo Cuadro
Universidad Tecnológica de Bolívar
Maestría en Ingeniería Énfasis en Ingeniería Mecánica
Cartagena de Indias
2019
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Cartagena de Indias, 4 de junio de 2019
Señores:
Comité Evaluador de Trabajos de Grado
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE BOLÍVAR
Facultad de ingeniería
Cordial saludo,
Por medio de la presente, me permito someter a su consideración la tesis titulada
“ANÁLISIS EXERGÉTICO AVANZADO E INDICADORES EXERGOECONÓMICOS DE
UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO”, para optar por el título de
Magíster en Ingeniería.
Cordialmente,
____________________________
Ana Margarita Buelvas Hernández
C.C. 1.075.273.039 de Neiva.
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Cartagena de Indias, 4 de junio de 2019
Señores:
Comité Evaluador de Trabajos de Grado
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE BOLÍVAR
Facultad de ingeniería
Cordial saludo,
Por medio de la presente, me permito someter a su consideración la tesis titulada
“ANÁLISIS EXERGÉTICO AVANZADO E INDICADORES EXERGOECONÓMICOS DE
UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO”, de la estudiante ANA
MARGARITA BUELVAS HERNÁNDEZ, el cual me desempeño como Tutor.
Cordialmente,
__________________________
Juan Gabriel Fajardo Cuadro.
C.C. 9´098.098 de Cartagena.
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AGRADECIMIENTOS
La autora expresa sus más sinceros agradecimientos a:
JUAN GABRIEL FAJARDO CUADRO, por ser mi tutor, por su apoyo incondicional desde
el principio de mi proceso formativo, por creer en mis capacidades, y por su dedicación
y entrega en la elaboración del trabajo de grado.
HAROLD VALLE REYES, por haber realizado en el análisis exegético convencional, y
por su apoyo en la elaboración en los artículos científicos.
La UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE BOLIVAR, por brindarme los todos recursos a
través de su programa Beca de Excelencia Maestría en Ingeniería.
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DEDICATORIA
A Dios, a mi madre, a mi padre y a mis hermanos.
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RESUMEN Este trabajo de grado presenta un análisis exergético avanzado y un análisis exergoeconómico realizado a una planta de producción de ácido nítrico con capacidad instalada de 350 toneladas métricas diarias, cuyo principio de funcionamiento se basa en el método de Ostwald. En el proceso de producción intervienen reacciones químicas que son los puntos de interés en la investigación de este trabajo. Se obtuvo como resultado un modelo matemático para evaluar el comportamiento de la destrucción de exergía endógena, exógena, evitable e inevitable e indicadores exergoeconómicos frente a la variación de la temperatura de enfriamiento en las etapas intermedias del tren de compresión de la planta. Se observó que: (i) El 54% de la destrucción de exergía total se puede recuperar realizando intervención en los componentes. (ii) En el CONV conviene tener en cuenta los costos de inversión para permitir la disminución de los costos de destrucción de exergía, mientras que en el TGH resulta beneficioso reducir la inversión total para mejorar la economía del proceso. (iii) El costo de destrucción de exergía de la planta es de 770.77 USD/h. (iv) Las interacciones entre los componentes afectan significativamente los costos de inversión.
ABSTRACT This degree work presents an advanced exergy analysis and an exergoeconomic of a
nitric acid production plant with a capacity of 350 metric tons per day, whose operating
principle is based on the Ostwald method. In the production process, chemical reactions
are involved, which are the points of interest in the investigation of this work. A
mathematical model was obtained to evaluate the behavior of the destruction of
endogenous exergy, exogenous, avoidable and inevitable and exergoeconomic indicators
as a result of the reduction of the cooling temperature in the intermediate stages of the
compression train of the plant. It was observed that: (i) 54% of the destruction of the total
exergy can recover the intervention in the components. (ii) In the CONV, investment costs
should be taken into account in order to reduce the destruction costs of the exergy, while
in the TGH it is beneficial to reduce the investment to improve the economy of the process.
(iii) The cost of the destruction of the exergy of the plant is 770.77 USD/h. (iv) The
interactions between the components are also related to the investment costs.
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Tabla de contenido
1. ESTADO DEL ARTE ...................................................................................... 16
Tecnología de aumento de producción de plantas mediante la temperatura
de enfriamiento del aire a la entrada de una turbina .................................... 16
Estudios exergéticos en el sector petroquímico. ......................................... 16
Análisis exergético avanzado. ........................................................................ 18
Análisis exergoeconómico. ............................................................................ 20
Análisis exergoeconómico avanzado ............................................................ 23
2. METODOLOGÍA ............................................................................................. 25
Descripción del Proceso ................................................................................. 26
Metodología de la investigación. .................................................................... 29
Análisis energético ....................................................................................... 29
Análisis exergético convencional ............................................................... 31
Análisis exergético avanzado ...................................................................... 34
Destrucción de exergía endógena y exógena ........................................ 34
Destrucción de exergía inevitable y evitable ......................................... 35
Combinación de las partes ....................................................................... 36
Análisis termoeconómico ............................................................................ 36
Análisis exergoeconómico avanzado ......................................................... 41
3. RESULTADOS ............................................................................................... 46
Modelo Termodinámico ............................................................................ 46
Resultado análisis energético .................................................................. 58
Validación del modelo CONV, CC y ABS ................................................. 58
Resultados análisis exergético convencional. ....................................... 59
Destrucción de la exergía en cada componente en función de la
temperatura de enfriamiento del aire en las etapas intermedias del tren
de compresión .......................................................................................... 63
Resultados Análisis Exergético Avanzado ............................................. 68
Destrucción de la exergía exógena y endógena en cada componente
en función de la temperatura de enfriamiento del aire en las etapas
intermedias del tren de compresión ........................................................ 71
Resultados Análisis Termoeconómico .................................................... 71
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Costo total y factor exergoeconomico de cada componente en función
de la temperatura de enfriamiento del aire en las etapas intermedias del
tren de compresión .................................................................................. 74
Resultados Análisis Exergoeconómico Avanzado ................................. 79
4. CONCLUSIONES ........................................................................................... 81
5. Referencias ................................................................................................... 82
6. ANEXOS ......................................................................................................... 87
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LISTA DE TABLAS
TABLA 2.1 BALANCE DE ENERGÍA DE CADA COMPONENTE DE LA PLANTA DE
PRODUCCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO ....................................................................................... 29 TABLA 2.2 ECUACIONES EXERGÍA DE FUEL Y EXERGÍA DE PRODUCTO DE CADA EQUIPO
DE LA PLANTA ........................................................................................................................ 32 TABLA 2.3 CONDICIONES DE OPERACIONES REALES E INEVITABLES DE CADA
COMPONENTE DE LA PLANTA [46]. ..................................................................................... 35 TABLA 2.4 ECUACIONES PARA OBTENER EL PRECIO DE CADA COMPONENTE DE LA
PLANTA .................................................................................................................................... 37 TABLA 2.5 ECUACIONES DE BALANCE DE COSTOS Y ECUACIONES AUXILIARES PARA
COMPONENTE DE LA PLANTA ............................................................................................. 39 TABLA 3.1 RESUMEN DEL MODELO EN EL CONV ...................................................................... 58 TABLA 3.2 RESUMEN DEL MODELO EN EL CC ............................................................................ 58 TABLA 3.3 RESUMEN DEL MODELO EN EL ABS.......................................................................... 58 TABLA 3.4 FRACCIONES VOLUMÉTRICAS DE LAS COMPOSICIONES QUÍMICAS DE CADA
CORRIENTE DE LA PLANTA .................................................................................................. 60 TABLA 3.5 FRACCIONES VOLUMÉTRICAS DE LAS COMPOSICIONES QUÍMICAS DE CADA
CORRIENTE DE LA PLANTA .................................................................................................. 60 TABLA 3.6 PROPIEDADES TERMODINÁMICAS, EXERGÍA ESPECÍFICA FÍSICA, EXERGÍA
ESPECÍFICA QUÍMICA Y EXERGÍA DE CADA ESTADO. .................................................... 61 TABLA 3.7 EXERGÍA DE FUEL, EXERGÍA DE PRODUCTO, EXERGÍA DESTRUIDA, RAZÓN DE
DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA Y EFICIENCIA EXERGÉTICA DE CADA COMPONENTE ... 62 TABLA 3.8 DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA INEVITABLE, EVITABLE, ENDÓGENA Y EXÓGENA
DE CADA UNO DE LOS COMPONENTES DE LA PLANTA ................................................... 69 TABLA 3.9 DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA EVITABLE ENDÓGENA, EVITABLE EXÓGENA,
INEVITABLE ENDÓGENA E INEVITABLE EXÓGENA DE CADA COMPONENTE DE LA
PLANTA .................................................................................................................................... 69 TABLA 3.10 DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA INEVITABLE, EVITABLE, ENDÓGENA Y EXÓGENA
DE CADA UNO DE LOS COMPONENTES DE LA PLANTA A UNA TEMPERATURA DE
ENTRADA DEL AIRE DE 25.22°C. .......................................................................................... 70 TABLA 3.11 COMPARACIÓN ENTRE LA DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA ENDÓGENA Y
EXÓGENA A 38°C Y 25.22 °C DE CADA COMPONENTE DE LA PLANTA .......................... 71 TABLA 3.12 DATOS REQUERIDOS PARA EL ANÁLISIS TERMOECONÓMICO .......................... 72 TABLA 3.13 COSTOS ASOCIADOS CON LOS COSTOS DE INVERSIÓN Y CAPITAL, COSTOS
DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO Y COSTOS TOTALES DE LOS COMPONENTES .. 72 TABLA 3.14 EXERGÍA TOTAL, COSTO TOTAL Y COSTO POR UNIDAD DE EXERGÍA PARA
CADA CORRIENTE DE LA PLANTA. ...................................................................................... 73 TABLA 3.15 COSTOS PROMEDIO DE FUEL POR UNIDAD DE EXERGÍA, COSTOS PROMEDIO
DE PRODUCTO POR UNIDAD DE EXERGÍA, COSTO DE DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA,
DIFERENCIA DE COSTO RELATIVA Y FACTOR EXERGOECONÓMICO DE CADA
COMPONENTE DE LA PLANTA. ............................................................................................ 74 TABLA 3.16 RESULTADOS ANÁLISIS EXERGOECONÓMICO AVANZADO ................................ 79 TABLA 3.17 DIVISIÓN DE LAS TASAS DE COSTO DE INVERSIÓN PARA LOS COMPONENTES
DE LA PLANTA ........................................................................................................................ 80
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LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.1 ESQUEMA METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN .............................................. 25 FIGURA 2.2 DIAGRAMA DE PROCESO PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO. ...... 26 FIGURA 2.3 REACCIÓN QUÍMICA PRODUCIDA EN EL CONV .................................................... 27 FIGURA 2.4 REACCIÓN QUÍMICA PRODUCIDA EN EL CC ......................................................... 27 FIGURA 2.5 REACCIÓN QUÍMICA PRODUCIDA EN EL ABS ....................................................... 28 FIGURA 3.1 DIAGRAMA DE PROCESO DEL CONV ..................................................................... 46 FIGURA 3.2 VARIACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE AMONIACO RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 49 FIGURA 3.3 VARIACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE NO Y O2 RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 49 FIGURA 3.4 VARIACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE N2 Y H2O RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 50 FIGURA 3.5 DIAGRAMA DE PROCESO DEL CC .......................................................................... 50 FIGURA 3.6 VARIACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE NO2 Y HNO3 RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 53 FIGURA 3.7 VARIACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE O2 Y NO EN EL CC RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 53 FIGURA 3.8 VARIACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE H2O Y N2 RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 54 FIGURA 3.9 VARIACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE HNO3 Y H2O EN EL ABS RESPECTO A
LA TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO ............................................................................... 57 FIGURA 3.10 VARIACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE NO2 Y NO EN EL ABS RESPECTO A
LA TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO ............................................................................... 57 FIGURA 3.11 DISTRIBUCIÓN DEL CALOR PERDIDO AL AMBIENTE ......................................... 59 FIGURA 3.12 DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA Y EFICIENCIA EXERGÉTICA RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 63 FIGURA 3.13 DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA Y EFICIENCIA EXERGÉTICA DEL CONVERTIDOR
CATALÍTICO RESPECTO A LA TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO ................................ 64 FIGURA 3.14 DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA Y EFICIENCIA EXERGÉTICA DEL CALENTADOR
DE AIRE RESPECTO A LA TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO. ...................................... 64 FIGURA 3.15 DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA Y EFICIENCIA EXERGÉTICA DE HRSG
RESPECTO A LA TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO. ..................................................... 65 FIGURA 3.16 DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA Y EFICIENCIA EXERGÉTICA DEL TGH
RESPECTO A LA TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO. ..................................................... 66 FIGURA 3.17 DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA Y EFICIENCIA EXERGÉTICA DEL CC RESPECTO
A LA TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO. .......................................................................... 66 FIGURA 3.18 DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA Y EFICIENCIA EXERGÉTICA DEL ABS RESPECTO
A LA TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO. .......................................................................... 67 FIGURA 3.19 VARIACIÓN DE LA RELACIÓN DE LA EXERGÍA DE FUEL TOTAL DE LA PLANTA
Y LA PRODUCCIÓN DIARIA DE ÁCIDO NÍTRICO RESPECTO A LA TEMPERATURA DE
ENFRIAMIENTO ....................................................................................................................... 68 FIGURA 3.20 DESTRUCCIÓN DE EXERGÍA EVITABLE DE LA PLANTA .................................... 70 FIGURA 3.21 COSTO TOTAL Y FACTOR EXERGOECONÓMICO DEL CT RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 74 FIGURA 3.22 COSTO TOTAL Y FACTOR EXERGOECONÓMICO DEL CONV RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 75
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FIGURA 3.23 COSTO TOTAL Y FACTOR EXERGOECONÓMICO DEL AH RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 75 FIGURA 3.24 COSTO TOTAL Y FACTOR EXERGOECONÓMICO DE HRSG RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 76 FIGURA 3.25 COSTO TOTAL Y FACTOR EXERGOECONÓMICO DEL TGH RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 77 FIGURA 3.26 COSTO TOTAL Y FACTOR EXERGOECONÓMICO DEL CC RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 77 FIGURA 3.27 COSTO TOTAL Y FACTOR EXERGOECONÓMICO DEL ABS RESPECTO A LA
TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO .................................................................................... 78 FIGURA 3.28 VARIACIÓN DE LA RELACIÓN DEL COSTO ESPECÍFICO Y LA PRODUCCIÓN
TOTAL DE ÁCIDO NÍTRICO RESPECTO A LA TEMPERATURA DE ENFRIAMIENTO ....... 79
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NOMENCLATURA
�̇� Exergía consumida (KW) �̇� Flujo másico (Kg/s) 𝑇� Temperatura (°C) 𝑃� Presión (KPa) �̇� Calor transferido (KW)
�̇� Razón de costo asociado al capital de inversión ($/h) 𝑐 Costo unitario de exergía ($/GJ) 𝑟 Diferencia de costo relativa (%) 𝑓 Factor exergoeconómico (%) 𝑖 Tasa media de inflación (%) 𝑦∗ Porcentaje destrucción de exergía (%)
Letras griegas
ε Eficiencia exergética (%)
Subíndices
D Destrucción
F Fuel
P Producto
kth k-ésimo componente de planta
tot Total
OMC Costo operación y mantenimiento
Superíndices
AV Evitable
UN Inevitable
EX Endógeno
EN Exógeno
CI Inversión de capital
OM Operación y mantenimiento
Abreviaciones
CT Tren de compresión
ST Turbina de vapor
LPC Compresor de baja presión
HPC Compresor de alta presión
IC Inter-coolers
EXP Expander
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 de gases de cola
TGTH Atemperador de gases de cola
CC Condensador
AS Separador de ácido
ABS Torre de absorción
HR Enthalpía de reactivos
HP Enthalpía de productos
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INTRODUCCIÓN
Esta tesis de maestría es el resultado de una investigación de la Universidad
Tecnológica de Bolívar (UTB) de Cartagena de Indias, Colombia.
En el trabajo de grado se presenta un análisis exergético avanzado y un análisis
termoeconómico realizado a una planta de producción de ácido nítrico con
capacidad instalada de 350 toneladas métricas diarias, cuyo principio de
funcionamiento se basa en el método de Ostwald. En el proceso de producción
intervienen reacciones químicas que son los puntos de interés en la investigación
de este trabajo debido al enfoque que se le han dado en las investigaciones
energéticas, exergéticas y termoeconómicas.
Al analizar procesos se debe comparar el producto obtenido con el consumo o costo que ha sido necesario para obtenerlo. Para que esta comparación tenga un significado inequívoco, ambos conceptos deberán expresarse en unidades equivalentes (de igual valor termodinámico), lo cual se logra con la exergía [1]. Los análisis basados en exergía proporcionan una medida cuantitativa de la ineficiencia de un proceso [2].
Las irreversibilidades en un componente de un sistema de conversión de energía se pueden representar en dos partes. La primera parte depende de las ineficiencias del sistema considerado, mientras que la segunda parte depende de la estructura del sistema y de las ineficiencias de sus otros componentes. Entonces la destrucción de exergía que ocurre en un componente puede ser dividida en dos partes: (a) la exergía destruida endógena debida exclusivamente al componente que está siendo analizado y (b) destrucción de exergía exógena causada también por las ineficiencias del resto de componentes del sistema [3]. Para evaluar el desempeño termodinámico y el costo-efectividad de un sistema térmico y evaluar el potencial de mejoras, siempre es útil conocer (a) la parte evitable de una destrucción de exergía y (b) los costos de inversión evitables asociados con un componente del sistema. Los esfuerzos de mejoras deben enfocarse solo en las partes evítales [4]. En la búsqueda de mejoras de los sistemas energéticos y en la determinación de los costos de los flujos internos y los productos de las plantas de conversión de energía, Tsatsaronis [5] propone la termoeconomía como una herramienta metodológica que combina análisis económicos con el análisis exergético. La termoeconomía es una herramienta que provee al diseñador o al operador, con información que no es disponible a través de los análisis energéticos convencionales y de las evaluaciones económicas. A pesar de la validez de lo antes expresado, se observa muy poca o casi nula aplicación de los análisis exergéticos avanzados y termoeconómicos en los procesos de reactivos de plantas petroquímicas.
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Problema Científico: Para los procesos reactivos de las plantas de producción de
ácido nítrico, no existen modelos exergéticos avanzados ni indicadores
termoeconómicos que propicien un mejor uso de la energía en los mismos.
Objeto de Estudio: El objeto de estudio una planta de producción de ácido nítrico
con capacidad instalada de 350 toneladas métricas diarias a una concentración de
mínima de 55%
Hipótesis: El conocimiento de los modelos exergéticos avanzados y los indicadores
exergoeconómicos relacionados con los procesos reactivos de la planta, deben
propiciar un mejor uso de la energía en la misma.
Objetivo General
Investigar el comportamiento de la destrucción de exergía endógena, exógena,
evitable e inevitable y los indicadores exergoeconómicos de los componentes de
una planta de producción de ácido nítrico.
Objetivos Específicos
Investigar bibliográficamente estudios exergéticos y termoeconómicos realizado en plantas petroquímicas con procesos reactivos.
Determinar de la destrucción de exergía endógena y exógena, la evitable y la inevitable en los componentes de la planta.
Determinar los indicadores exergoeconómicos que permitan un mejor uso de la energía en las en la planta.
Elaborar un modelo matemático para obtener las composiciones químicas de cada componente reactivo de la planta y realizar su evaluación energética.
Determinar el comportamiento de los indicadores exergéticos convencionales, exergéticos avanzados y exergoeconómicos en los componentes de la planta en función de la temperatura de enfriamiento del aire en las etapas intermedias del tren de compresión.
Trabajos de grado derivados del tema de investigación:
1. Análisis exergético de una Planta de Producción de Ácido Nítrico. 2017
Trabajos derivados del tema de investigación que se han publicado en
revistas científicas:
1. Avoidable and Unavoidable Exergy Analysis of a Nitric Acid Plant, Mechanical
Engineering Congress and Exposition IMECE2018, ASME, 2018, Vol.6B, N°2,
ISBN: 978-0-7918-5208-8, 2018.
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CAPÍTULO 1
1. ESTADO DEL ARTE
En este capítulo se describen las investigaciones previas al trabajo de grado.
Primero se muestra una tecnología de aumento de producción de una planta
utilizando enfriamiento de aire. En los análisis exergéticos se consideran medidas
de desempeño como la destrucción de exergía, la eficiencia exergética y la pérdida
de exergía. A su vez, el análisis exergético avanzado muestra que la destrucción de
exergía es debida a procesos internos y externos del componente, al igual que la
que puede ser evitada y la que es inevitable. Adicionalmente se describen
indicadores exergoeconomicos empleados en el estudio del desempeño de
sistemas térmicos.
Tecnología de aumento de producción de plantas mediante la temperatura
de enfriamiento del aire a la entrada de una turbina
Un estudio teórico demostró que a medida que la temperatura del aire de entrada a
la turbina de gas disminuye en 1 °C, la potencia generada y la eficiencia térmica de
la turbina de gas aumentan en un 0,53% y un 0,22%, lo que resulta respectivamente
en un incremento de la recuperación de propano del 0,192%. Cuando la temperatura
del aire de entrada de la turbina de gas se enfría de 40 ° C a 15 ° C (condición ISO),
la tasa de producción de propano aumenta en 245 bbl / día. Esto corresponde a
ahorros de $ 18000 / día. El período de recuperación resultante con el uso del 100%
del gas residual es de 8,5 meses y el uso del 20% del gas residual es de 2,5 años
[6].
Estudios exergéticos en el sector petroquímico.
En los sectores industriales de refinación y petroquímica se utilizan grandes
cantidades de energía, por lo que utilizar el concepto de exergía permite darle un
buen uso a la energía, a su vez, su capacidad reside en considerar el modelo de
las tres E: energía-economía-ecología, donde las técnicas basadas en la exergía
conllevan a reducir la degradación de la energía de una manera técnicamente
viable, costo-eficiente y ecológicamente sostenible. Así mismo esta técnica
proporciona información más detallada sobre el desempeño de los procesos
industriales para su optimización y mejora [7]. Aunque la aplicación de la exergía
en la industria química se encuentre en una etapa temprana, se pueden analizar las
oportunidades y los desafíos en estos sectores al considerar los análisis exergéticos
como el primer paso requerido para avanzar hacia una industria sostenible. Los
factores sociales, ambientales y económicos desempeñan un papel en la evaluación
crítica de un proceso y la exergía podría considerarse como la propiedad que une
estos parámetros de sostenibilidad [8].
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El análisis exergético es relevante para identificar y cuantificar el consumo
energético en un proceso, las irreversibilidades (destrucciones de exergía) y las
pérdidas de exergía. En los análisis exergéticos de sistemas térmicos se consideran
medidas de desempeño como las razones de destrucción de exergía, razones de
pérdida de exergía y eficiencias exergéticas [9]. Las razones de destrucción de
exergía y exergía perdida proveen una medida termodinámica de las ineficiencias
de un sistema.
En los resultados de un análisis energético y exergético realizado en una planta de producción de aromáticos se encontró que la eficiencia exergética global de la misma es del 65,9%. Los componentes con las destrucciones de exergía más altas, fueron en su orden los condensadores, enfriadores de aire y los hornos que con un 25,9%, 15,4% y 14,7% de la destrucción de exergía total respectivamente [10]. En unidad de craqueo catalítico de una refinería ubicada en Nigeria, se realizó un
análisis energético y exergético. Los resultados muestran las que pérdidas de
energía se dan principalmente en la columna del fraccionador, donde se pierden
46.6 MW al medio ambiente, mientras que los condensadores y otros equipos
absorbentes reportaron 3.69 MW, 1.77 MW y 0.68 MW respectivamente. En base a
este estudio, también se encontró que el porcentaje de exergía y la eficiencia
exergética del sistema fueron 61.20% y 24.77% respectivamente [11].
Se realizó un análisis exergético en una refinería, donde los resultados muestran
que la unidad de destilación de crudo tiene la eficiencia exergética más baja y la
irreversibilidad más alta con 51.2% y 313670.11 MW respectivamente. Mientras que
el tambor de flasheo presenta una eficiencia exergética de 74.1 y una irreversibilidad
de 195761.10 kW, y para el horno estos parámetros son de 75.1% y 39259.06 kW
respectivamente. Este estudio concluye que la operación económica del proceso
debe considerar la mejora del rendimiento de la unidad de destilación de crudo y
debe operar el proceso con un número mínimo de bandejas [12].
El modelo termodinámico de una unidad de fraccionamiento de crudo para evalúa
las irreversibilidades del sistema. Este sistema consta de un horno de petróleo crudo
y una torre de fraccionamiento atmosférica. La destrucción de exergía total fue de
90.7MW, donde el 95% de estas irreversibilidades son debidas a la torre de
fraccionamiento y el 5% restante se debe al horno, cuyas eficiencias exergéticas
son de 0.5867 y 0.974 respectivamente; mientras que la eficiencia exergética global
es de 0.638 [13] .
Un análisis exergético aplicado a un horno y a un tren de precalentamiento de crudo
de una unidad de destilación de crudo se utiliza para determinar el punto de
referencia de rendimiento del sistema; en este estudio se encontró que la mayor
destrucción de exergía se encontraba en la entrada del horno. Las opciones
propuestas para las estrategias de reducción de combustible fueron la reducción de
la pérdida de calor del horno y la aplicación de un plan de limpieza del tren de
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precalentamiento. Este programa de limpieza contribuyó 5.6 % de ahorro de
energía. Sin embargo, la reducción de la pérdida de calor del horno fue el mayor
ahorro de costos en aproximadamente un 6.4% [14].
Análisis exergético avanzado.
Un análisis exergético convencional identifica las ineficiencias termodinámicas al
evaluar la destrucción de exergía dentro de cada componente. Se debe tener
cuidado cuando se usa la destrucción de exergía dentro de un componente a la hora
de sacar conclusiones para la optimización de un sistema energético en general,
esto debido a que la destrucción de exergía que ocurre dentro de un componente
no se debe exclusivamente a ese componente, sino también a las ineficiencias
dentro de los demás componentes [15], es decir que las irreversibilidades dentro del
componente de un sistema de conversión de energía pueden estar representadas
por dos partes: la primera depende de las irreversibilidades dentro del sistema que
está en consideración, a diferencia de la segunda parte, la cual hace referencia a
las ineficiencias dentro de los componentes remanentes del sistema. Estos dos
conceptos también pueden ser denominados como destrucción de exergía
endógena y destrucción de exergía exógena respectivamente [3], esto es a lo que
se conoce como análisis exergético avanzado.
A demás de esto, solamente una parte de la destrucción de exergía en un
componente puede ser evitada (destrucción de exergía evitable), teniendo en
cuenta que cada componente impone un número de restricciones que incluyen
físicas, tecnológicas y económicas. Conocer la destrucción de exergía endógena y
exógena junto con la destrucción de exergía evitable e inevitable puede proveer una
medida realista del potencial de optimización de un sistema energético [16].
Varios de los sistemas industriales con los que contamos actualmente han sido estudiados con el análisis de exergía avanzada, por ejemplo, los sistemas de generación de potencia con turbinas a gas, en ciclo simple, en ciclo combinado con una turbina de vapor, en cogeneración o en trigeneración. Las turbinas a gas son usadas para la generación de energía eléctrica en la mayoría de los países, estas pueden ser encendidas y detenidas con facilidad en función de la demanda de electricidad en las condiciones críticas (horas pico) [17].
En el análisis de exergía avanzada aplicado a una central eléctrica de ciclo combinado alimentada externamente integrado con una unidad de gasificación de biomasa, se encontró que el valor de la destrucción de exergía endógeno es más alto que la destrucción de exergía exógena. Sin embargo, la parte exógena de la destrucción de exergía en la cámara de combustión es la más alta entre los valores correspondientes para otros componentes La fracción exógena de las destrucciones de exergía en el compresor y el intercambiador de calor es la segunda y tercera más grande, respectivamente. Las partes inevitables de las destrucciones de exergía
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para todos los componentes de la central, con excepción de la bomba, son más altas que las partes evitables. Esto indica que el potencial de mejorar el rendimiento termodinámico es mayor para la bomba que para otros componente [18]. Morosuk y Tsatsaronis reportan un análisis exergético avanzado aplicado a sistemas químicamente reactivos, donde toman como ejemplo un ciclo con turbina de gas, conformado por una cámara de combustión, una turbina de gas y un compresor de aire; donde concluyen que aproximadamente unos 5 puntos porcentuales es el potencial de mejora de la eficiencia del sistema, debido a que el 70% de la destrucción de exergía es inevitable, además, solamente un cuarto de la destrucción de exergía es evitable, esta destrucción de exergía puede ser mejorada al incrementar la temperatura a la entrada de la turbina [19].
Meliha, Firuz y Arif realizan un análisis exergético avanzado utilizando los datos operativos reales tomados de un quemador de carbón de lecho fluidizado (FBCC) y un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG) en una planta textil ubicada en Torbalı, Izmir. En primer lugar, se realizó el análisis de exergía convencional de las unidades. Las eficiencias exergéticas de las unidades se encontraron en 44.2% y 46.2%, respectivamente. Luego se realizó un análisis avanzado de exergía dividiendo las destrucciones de exergía de las unidades en partes evitables e inevitables. Las tasas de destrucción de exergía evitables de FBCC y HRSG fueron de 2999 kW y 760 kW según las mediciones. En consecuencia, las eficiencias de exergía se modificaron a 53.1% y 48.1%, respectivamente [20].
Un análisis exergético convencional y avanzado sobre el ciclo de Rankine orgánico de doble fluido geotérmico muestran las interacciones de los componentes del sistema; se observa que la tasa de destrucción de exergía en cada uno de los componentes se divide en partes endógenas, exógenas, evitables e inevitables con el fin de brindar información más detallada sobre los efectos de la ineficiencia de los componentes en la destrucción de exergía y el potencial real del sistema para mejorar. El análisis exergético convencional revela que el generador de vapor a baja presión (LPVG), el generador de vapor a alta presión (HPVG) y el condensador (COND) tienen el 38.11%, 29.98% y 15.93% de la tasa de destrucción de exergía total, respectivamente. Mientras que el análisis exergético avanzado muestra que solo se puede evitar el 15% de la destrucción de exergía del condensador (COND), que incluye el 7% de la tasa de destrucción de exergía evitable del sistema. Además, el generador de vapor a baja presión (LPVG), la turbina de baja presión (LPT) y el generador de vapor a alta presión (HPVG) son los componentes más importantes desde el punto de vista de la exergía avanzada debido a sus considerables tasas de destrucción de exergía evitables endógenas [21]. Ozgur Balli, presenta un análisis exergético convencional y avanzado de un turborreactor de avión militar. Las tasas de destrucción de exergía dentro de los componentes del motor se dividen en partes endógenas / exógenas y evitables / inevitables. El análisis de resultados muestra que el sistema tiene un potencial de mejora bajo debido a que la tasa de destrucción de exergía inevitable es del 93%
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20
en el modo MIL y del 98% en el modo AB. Las interacciones entre los componentes parecen ser débiles, ya que la destrucción de exergía endógena es del 83% en el modo MIL y del 94% en el modo AB. Finalmente, se puede concluir que el compresor de baja presión, el compresor de alta presión, la cámara de combustión y el conducto de escape del motor de poscombustión deben enfocarse de acuerdo con los resultados obtenidos [22]. Se realiza un análisis avanzado de exergía para una celda de combustible de óxido sólido con recirculación de gas de ánodo. El análisis reveló los valores de la división de primer nivel de la destrucción de exergía, incluidas las destrucciones de exergía evitables / inevitables y exógenas endógenas / exógenas para todos los componentes del sistema. Los resultados muestran que de la destrucción total de exergía en el sistema, el 62% es endógeno y el 38% es exógeno. Además, el 54% de la destrucción de exergía total es evitable y el resto, el 46%, es inevitable. Además, se observa que el orden de contribución de los componentes en la destrucción exógena endógena total evitable del sistema es: el inversor, 6.52 kW, la pila, 3.6 kW y el quemador posterior, 0.62 kW. Este resultado es diferente del obtenido por el análisis de exergía convencional, lo que sugiere que se debe prestar atención primero en la pila, luego en el dispositivo de poscombustión y luego en el inversor. Además, se observa que casi la mitad de la destrucción de exergía evitable en la pila, 7.56 kW (51%), ocurre exógenamente. Por lo tanto, para reducir la destrucción de exergía en la pila se requiere una mejora en la pila y el otro componente del sistema [23]. Z. Wang, W. Xiong, D.S.K Ting, R. Carriveau y Z. Wang, estudian un sistema de
almacenamiento de energía de aire comprimido subacuático de 2 MW (UWCAES)
utilizando análisis de exergía tanto convencionales como avanzados. En donde se
observa que, si bien hay diferencias cuantitativas entre los resultados
convencionales y los avanzados, ambos muestran que la etapa final del compresor
tiene el mayor potencial de mejora. El análisis exergético avanzado revela el
potencial de mejora real del sistema UWCAES. Además, se observa que las
interacciones entre los componentes del sistema son complejas, pero no muy
fuertes. Posteriormente, la eficiencia exergética total no necesariamente aumenta
al mejorar el desempeño de los componentes individualmente [24].
Análisis exergoeconómico.
Los objetivos del análisis exergoeconómico son: Calcular los costos para cada componente del sistema y de la operación y el proceso de formación del ácido nítrico, comprender el proceso de formación de costos y los costos del sistema de flujo y optimizar el sistema globalmente.
Tock y Marechal [25] analizan la producción termoquímica de hidrogeno y electricidad a partir de la implementación de biomasa lignocelulosica la cual también estudia Caliandro, Tock, Ensinas y Marechal [26]. Analizan a través de modelos
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21
termoeconómicos la combinación de la termodinámica con análisis económico. La gasificación de biomasa cumple un papel muy importante en todo el proceso puesto que aumenta la producción de H2 lo cual hace que se elimine muy rápidamente el CO2. Se muestra como mejora la eficiencia general de proceso y se calcula la integración óptima tanto del calor producido como el de la electricidad [27]. La producción de hidrogeno y electricidad solamente se evalúa frente a los aspectos energéticos, económico y de condiciones ambientales. Este autor identifica el mejor compromiso entre la eficiencia, el hidrogeno y / o coste de producción de electricidad y de captura de CO2. Basada en la importancia de la biomasa y como esta permite la reducción del costo de la electricidad puede ser una alternativa competitiva en un futuro en la implementación de sistemas energéticos sostenibles.
Rivarolo, Bellotti, Mendieta y Massard [28] investigaron a través de un análisis termoeconómico la producción de hidrometano y metanol a partir de fuentes renovables como la biomasa. En el estudio se lleva a cabo la investigación de hidrogeno y generación de oxígeno a partir del proceso de electrolisis de agua, empleando la energía producida en la hidroeléctrica de Itaipú. El oxígeno es implementado en la gasificación de biomasa para sintetizar el metanol, el proceso de gasificación separa el CO2 y este se mezcla con hidrogeno producido durante el proceso de electrolisis en reacción química para producir hidrometano, el hidrometano producido en el proceso de gasificación se emplea para abastecer vehículos de gas natural en Paraguay mientras que el metano producido se vende en Brasil. Un análisis termoeconómico se ha realizado empleando dos programas diferentes, uno para el punto de diseño y otro para la optimización de un año entero dependiente del tiempo, ya que la energía derramada es fuertemente variable a lo largo del año, esto determina tamaños óptimos para las plantas de generación de electricidad así como la influencia que tendría este en el costo de la electricidad y la configuración de la planta.
Brown, Gassner, Fuchino, y Maréchal [29], abordan la evaluación termo-económica de una planta a mediana escala (20 MW) la cual utiliza un sistema de gasificación de madera, limpieza de los gases y el proceso de conversión de energía, con especial atención a los costos de generación de electricidad y control de alquitrán. Se obtuvo la relación entre los costes totales de inversión y la eficiencia de la producción eléctrica de exergía, y se analiza para determinar las condiciones de funcionamiento que minimizan la formación de alquitrán para evitar el ensuciamiento de equipos y así disminuir costo en la limpieza generalizada en todo el sistema que afecta a medida que pasa el tiempo el funcionamiento de las máquinas.
Peduzzi, Tock, Boissonnet y Maréchal [30], Rivarolo, Bellotti, Mendieta y Massardose [28] centran el estudio en la evaluación y optimización del rendimiento termodinámico y económico de la producción de metanol a partir de biomasa mediante la aplicación de técnicas de integración y optimización de procesos. En la optimización termoeconómica de biomasa se tiene en cuenta un gasificador. Los resultados muestran la importancia de la integración energética y del ciclo de cogeneración Rankine para la mejora de la eficiencia general del proceso. Por otro
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22
lado, las eficiencias globales de energía son similares para las dos configuraciones y resultan entre 43% y 45%. Las eficiencias químicas oscilan entre el 45% y el 51%. Desde un punto de vista económico, los costes de producción varían aproximadamente de 35 a 45 U$/GJ para el caso 20 MW y de 25 a 35 U$/GJ para los 200 MW. Los costos de producción se mantienen muy por encima del precio actual para el metanol derivado del gas natural, y están fuertemente influenciadas por la estimación del costo del precio de compra unidad de gasificación y la biomasa.
En base a los resultados del análisis exergoeconómico de una planta de producción de leche de la India, se mostró que el valor de la eficiencia de exergética global y la destrucción de la exergía específica de la planta fueron de 34.21% y 438.61 kJ / kg, respectivamente. La tasa de costo de la destrucción de exergía para toda la planta es de 3270.68 R/h; el 39% de fue contribuido por la caldera para la producción de ghee. El valor más alto de la diferencia de costo relativo porcentual se asoció con un fundidor de mantequilla (97.29%) seguido de un batidor de mantequilla (96.73%). El factor exergoeconómico de manteca de mantequilla (8.00%) y la caldera de ghee (1.09%) revelaron que el impacto de la inversión de capital fue más influyente en el primero [31].
A pesar de la importancia y utilidad de los indicadores exergéticos y termoeconómicos para el análisis del desempeño de los sistemas térmicos, los mismos no han sido empleados ampliamente para la evaluación de sistemas reactivos en plantas petroquímicas. Los factores exergoeconómicos le permitieron a Temir y Bilge determinar la
viabilidad de inversión de capital para alcanzar reducciones en las irreversibilidades
de los componentes de un sistema de cogeneración [32]. Abosoglu y Kanoglu
emplearon razones de costo de destrucción de exergía, la diferencia relativa de
costo y el factor exergoeconómico para el análisis de todos los componentes de
sistema de cogeneración diésel que permitió identificar los componentes con las
mayores destrucciones de exergía y los que contaban con mayores potenciales de
mejora [33].
Los resultados del análisis termoeconómico para los sistemas de recuperación y
separación de productos de una planta de gas natural y el sistema de refrigeración
indican que las eficiencias exergéticas de las columnas Debutanizer, Depropoanizer
y De-ethanizer son las más bajas. Las columnas de destilación tienen el 64% de la
pérdida total de exergía, que es el valor máximo de los componentes del sistema.
Los intercambiadores de calor tienen el 15% de la pérdida de exergía. Hay
compresores y expansores que tienen el 13% y el 6% de la pérdida de exergía,
respectivamente. Por otro lado, los resultados del análisis exergoeconómico
muestran que los aumentos porcentuales en los costos de la unidad de la
compresión y las secciones de Desmaetizador son los más altos. Estos resultados
sugieren ubicaciones potenciales para la mejora del proceso [34] .
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23
X. Zhang, R. Zeng, K. Mu, X. Liu, X. Sun y H. Li presentan y modelan un sistema
de co-combustión de biogás y gas natural combinado con refrigeración, calefacción
y energía (CCHP) basado en una bomba de calor de fuente terrestre utilizando
métodos exergéticos y exergoeconómicos. Los resultados indican que la inyección
de gas natural mejora la eficiencia energética, cuando la relación de masa de gas
varía de 0 a 1.0, el costo unitario de la electricidad generada por la turbina de gas,
el agua refrigerada y el agua caliente disminuyen de 11.26 $ / GJ, 92.21 $ / GJ y
69.92 $ / GJ a 3.84 $ / GJ, 43.52 $ / GJ y 23.73 $ / GJ, respectivamente. El sistema
CCHP propuesto proporciona una idea para otro sistema híbrido de energía
renovable, y la metodología exergoeconómica muestra una mejor comprensión del
rendimiento complejo del sistema energético en términos tanto de aspectos
económicos como de exergéticos [35] .
El resultado del análisis termoeconómico de un ciclo de turbina de gas que se
combina con una planta de energía de reactor de agua presurizada (PWR) para
aumentar la eficiencia total de la planta, muestra que existe una relación de presión
óptima para cada temperatura de entrada de la turbina de gas. La tasa de costo total
del ciclo combinado y el costo específico del trabajo producido para una temperatura
de entrada de turbina de gas de 1500 K y una relación de presión del compresor de
13, se determinó en 41,882 $ / h y 31,63 $ / MWh, respectivamente [36].
L. Castellon, B. Sarria y J. Fajardo presentan un análisis termoeconómico de una
planta agroindustrial de harina de trigo, en donde se encontró que existe una tasa
de destrucción de exergía del 95,08%. Se identificaron oportunidades de mejora en
relación con el costo, y se recomendaron alteraciones con respecto a los flujos de
materia o una inversión económica para cambiar algunos componentes con bajos
factores exergoeconómicos (2% de cepilladora de salvado de trigo, 3% de bancos
de molienda de rodillos moleteados y 5% de bancos de molienda de rodillos lisos)
[37].
Análisis exergoeconómico avanzado
El análisis exergoeconómico avanzado permite determinar los efectos económicos
de los factores avanzados del análisis exergético y de esta manera se pueden
definir las estrategias para la reducción de costos totales [38]. A continuación se
resumen estudios previamente realizados.
A. Palizdar, T. Ramezani, Z. Nargessi, S. AmirAfshar, M. Abbasi y A. Vtani [39]
evalúan un proceso de expansión dual de nitrógeno a pequeña escala para la
producción de gas natural licuado mediante el análisis exergoeconómico
convencional y avanzado. Los resultados del convencional mostraron que los
compresores tienen los costos totales más altos. Mientras que los resultados del
análisis avanzado, indicaron que la mayor parte del costo de destrucción de exergía
de los compresores y expansores es endógeno evitable, lo que revela un alto
potencial de mejora. No obstante, un alto porcentaje del costo de inversión del
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24
equipo es inevitable endógeno. Los componentes más importantes desde el punto
de vista económico corresponden al EXP-1 y EXP-2 con 59% y 33% parte del costo
total evitable respectivamente.
M. Mehrpooya y H. Ansarinasab [40] aplican un análisis exergoeconómico
avanzado a tres procesos de licuefacción de refrigerante mixto en varias etapas. Se
encontró que las interacciones entre los componentes del proceso no son
considerables por que el costo de inversión y la destrucción de destrucción de
exergía en la mayoría de ellos son endógenos. El costo de destrucción de exergía
de los compresores es evitable, mientras que los intercambiadores de calor y los
enfriadores de aire son inevitables. El costo de inversión de los intercambiadores de
calor y los enfriadores de aire es evitable, mientras que el de los compresores es
inevitable.
Un ciclo de Kalina impulsado por energía solar es evaluado mediante el análisis
exergoeconómico convencional y avanzado. Los análisis avanzados demuestran
que el absorbedor y la bomba tienen la tasa de costo de destrucción de exergía más
alta y más baja, (1.3 $/h y 0.009$/h), respectivamente. Los resultados también
muestran que la turbina y el separador tienen el factor exergoeconómico más alto y
más bajo, (85.88 % y 1.105%), respectivamente. Finalmente, se aplica un estudio
paramétrico en diferentes etapas para determinar el punto óptimo de las
temperaturas de entrada y la relación de presión de las bombas y la turbina [41].
Los estudios exergéticos realizados en plantas petroquímicas con sistemas
reactivos muestran que las mayores irreversibilidades de la planta se concentran
principalmente en los equipos reactivos, aunque la red de intercambiadores de calor
presente destrucciones de exergías relativamente altas, no superan en su mayoría
a las irrevesibilidades de los equipos reactivos. El análisis exergético muestra el
potencial de mejora de las plantas. A su vez, en el análisis exergético avanzado es
aplicado principalmente a sistemas donde se generan vapor, aunque se estudia el
comportamiento de la destrucción de exergía evitable, inevitable, endógena y
exógena, no se evidencia el cambio de estos cuatro parámetros respecto a la
variación de la temperatura de entrada de turbinas o compresores. La revisión
bibliográfica del análisis exergoeconómico convencional y avanzado relaciona los
costos asociados a todas las irreversibilidades en varias plantas, pero no se
evidencian variaciones de costos en plantas de producción de ácido nítrico. No se
encontraron modelos de sistemas que relacionen los costos de las irreversibilidades
totales con la producción total.
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25
CAPÍTULO 2
2. METODOLOGÍA
En este capítulo se describe el proceso de producción de la planta, y la metodología
de cálculo para los diferentes equipos reactivos y no reactivos, basados en la
exergía y termoeconomía. En la Figura 2.1 muestra el esquema metodológico que
se implementó con las variables de entrada, los estudios y las salidas planificadas
para la planta de producción de ácido nítrico.
Figura 2.1 Esquema metodología de la investigación
Producción total de ácido nítrico
Calor perdido al ambiente
Caracterización
Energética
Relación combustible-
aire (AFR) del
convertidor catalítico
Temperatura del aire a
la entrada del tren de
compresión
Análisis Exergético
Convencional y Avanzado
Exergía destruida
Razón de destrucción de exergía
Eficiencia exergética
Exergía destruida endógena/exógena
Exergía destruida evitable/inevitable
Análisis termoeconómico
Costo de destrucción de exergía
Costo de producción de ácido nítrico
Diferencia de costo relativo
Factor exergoeconómico
Análisis exergoeconómico
avanzado
Costos de destrucción de exergía
endógenas/exógenas,
evitables/invitables.
Costos de inversión
endógenos/exógenos,
evitables/inevitables
Vari
ab
les d
e e
ntr
ad
a
Estu
dio
s r
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os
Varia
ble
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alid
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26
Descripción del Proceso
La planta estudiada produce 350 Toneladas Métricas Diarias de ácido nítrico y una
concentración de producto terminado de 55%. En la Figura 2.2, se presenta el
diagrama de procesos de la planta de producción de ácido nítrico.
El proceso de producción comprende diferentes equipos reactivos y no reactivos,
en donde se ocurren reacciones químicas destacándose como principales la
oxidación del amoniaco, la formación de ácido débil y gases de nitrógeno no
condensados y la absorción de óxidos de nitrógeno.
El proceso inicia en un mezclador de gases, donde interactúan el aire y el amoniaco
que pasan a través de filtro Rodio-Platino, ubicado en el Convertidor Catalítico,
donde se da el proceso de oxidación de amoniaco en el rango de temperaturas de
800°C - 900°C,como se muestra en la Figura 2.3:
ST: Turbina a Vapor; HPC: Compresor de Alta Presión; LPC: Compresor de Baja Presión; EXP: Expander;
CONV: Convertidor Catalítico; AH: Calentador de Aire; HRSG: Caldera Recuperadora de Calor; TGH:
Calentador de Gases de Cola; TGTH: Atemperador de Gases de Cola; CC: Condensador; ABS: Torre de
Absorción.
Figura 2.2 Diagrama de Proceso Planta de Producción de Ácido Nítrico.
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27
Figura 2.3 Reacción química producida en el CONV
Los Gases de proceso (gases nitrosos que resultan de la reacción química) pasan
a través de una serie de equipos de intercambio de calor, compuesta por los
siguientes equipos, siguiendo el orden del proceso: Calentador de Aire, Caldera
Recuperadora de Calor, Calentador de Gases de Cola, Atemperador de Gases de
Cola. Todo esto con el fin de aprovechar su contenido calórico para utilizarlos en la
generación de vapor de proceso, en el calentamiento del aire que ingresa al
mezclador de gases y también para el enfriamiento de los gases de nitrógeno a una
temperatura aproximada de 200°C, que posteriormente ingresan al Condensador.
Inmediatamente en este punto se forma dióxido de nitrógeno como se aprecia en la
Figura 2.4:
Figura 2.4 Reacción química producida en el CC
Amoniaco Aire
𝟒𝑵𝑯𝟑 �+ �𝟓𝑶𝟐 → 𝟒𝑵𝑶� + �𝟔�𝑯𝟐𝑶� + �𝟐𝟏𝟔, 𝟕�𝑲𝒄𝒂𝒍/𝒎𝒐𝒍
Monóxido de Nitrógeno + Agua
𝟐𝑵𝑶� +�𝑶𝟐 → 𝟐𝑵𝑶𝟐 �+ �𝟐𝟕, 𝟏�𝑲𝒄𝒂𝒍/𝒎𝒐𝒍
Monóxido de Nitrógeno + Agua
Agua de enfriamiento
Dióxido de Nitrógeno
Agua de enfriamiento
Ácido débil
Separador de ácido
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28
Parte del gas utilizado en la generación de potencia son conocidos como Gases de
Cola.
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 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 de 55%, aproximadamente. [42] . En la Figura 2.5 se describe el
proceso y la reacción química deseada en el ABS.
Figura 2.5 Reacción química producida en el ABS
𝟑𝑵𝑶𝟐 �+ �𝑯𝟐𝑶 → 𝟐𝑯𝑵𝑶𝟑 �+ �𝟑𝟐, 𝟐�𝑲𝒄𝒂𝒍/𝒎𝒐𝒍
Gas de cola
Agua de alimentación
Ácido Nítrico
Agua de enfriamiento
Dióxido de nitrógeno
Agua de enfriamiento
Ácido débil
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29
Metodología de la investigación.
Análisis energético
El balance energético se realiza para conocer la transferencia de calor y potencia
generada de cada componente de la planta. Además de esto, los planteamientos
de estas ecuaciones basadas en la primera ley se utilizan para evidenciar la energía
perdida en la transferencia de calor al ambiente, que formará parte del análisis
exergético [43].
Balance energético:
La ecuación 2-1, se aplica suponiendo que los componentes del sistema analizado
se encuentran en estado estable.
∑�̇�𝒊𝒏𝒉𝒊𝒏 + �̇�𝒊𝒏 +�̇�𝒊𝒏 =∑�̇�𝒐𝒖𝒕𝒉𝒐𝒖𝒕 + �̇�𝒐𝒖𝒕 +�̇�𝒐𝒖𝒕 2-1
Todas las propiedades termodinámicas involucradas en el balance energético de
cada equipo son calculadas por medio del software EES (Engineering Equation
Solver).
En la Tabla 2.1 se muestran los balances energía para cada uno de los
componentes de la planta de producción de ácido nítrico.
Tabla 2.1 Balance de energía de cada componente de la planta de producción de ácido nítrico
Componente Balance de energía
CT
𝑄𝑝𝑒𝑟𝑑 =� �̇�𝟏(𝒉𝟏 − 𝒉𝟐) +��̇�𝟏𝟐(𝒉𝟏𝟐 − 𝒉𝟏𝟑)
− �̇�𝟑(𝒉𝟒 − 𝒉𝟑) − �̇�𝟓(𝒉𝟖 − 𝒉𝟕 + 𝒉𝟔 − 𝒉𝟓)
CONV
𝑄𝐶𝑂𝑁𝑉 =� �̇�𝟏𝟒𝒉𝟏𝟒 + �̇�𝟏𝟐𝒉𝟏𝟐 − �̇�𝟏𝟏𝒉𝟏𝟏 − �̇�𝟏𝟎𝒉𝟏𝟎− �̇�𝟐𝟒𝒉𝟐𝟒
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30
AH
𝑸𝒑𝒆𝒓𝒅 =��̇�𝟗(𝒉𝟏𝟎 − 𝒉𝟗) − (�̇�𝟏𝟒𝒉𝟏𝟒 − �̇�𝟏𝟓𝒉𝟏𝟓)
HRSG
𝑸𝒑𝒆𝒓𝒅 =��̇�𝟐𝟓(𝒉𝟐𝟔 − 𝒉𝟐𝟓) − (�̇�𝟏𝟓𝒉𝟏𝟓 − �̇�𝟏𝟔𝒉𝟏𝟔)
TGH
𝑸𝒑𝒆𝒓𝒅 =��̇�𝟐𝟒(𝒉𝟐𝟒 − 𝒉𝟐𝟑) − (�̇�𝟏𝟕𝒉𝟏𝟕 − �̇�𝟏𝟖𝒉𝟏𝟖)
TGTH
𝑸𝒑𝒆𝒓𝒅 =��̇�𝟐𝟑(𝒉𝟐𝟑 − 𝒉𝟐𝟐) − (�̇�𝟐𝟕𝒉𝟐𝟕 − �̇�𝟐𝟖𝒉𝟐𝟖)
CC
𝑸𝒑𝒆𝒓𝒅 =��̇�𝟏𝟖𝒉𝟏𝟖 + �̇�𝟑𝟏𝒉𝟑𝟏 − �̇�𝟏𝟗𝒉𝟏𝟗 − �̇�𝟐𝟎𝒉𝟐𝟎
− �̇�𝟑𝟐𝒉𝟑𝟐
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ABS
𝑸𝒑𝒆𝒓𝒅 =��̇�𝟏𝟗𝒉𝟏𝟗 + �̇�𝟐𝟎𝒉𝟐𝟎 + �̇�𝟐𝟗𝒉𝟐𝟗 + �̇�𝟑𝟎𝒉𝟑𝟎
− �̇�𝟐𝟏𝒉𝟐𝟏 − �̇�𝟐𝟐𝒉𝟐𝟐 − �̇�𝟑𝟏𝒉𝟑𝟏�
Análisis exergético convencional
Mediante la ecuación 2-2 se obtiene el balance de exergía2-2 aplicado a cada uno
de los componentes de la planta. Se definen las salidas deseadas (producto) y
entradas requeridas (fuel) en cada uno de ellos [44].
�̇�𝑫,𝒌 = �̇�𝑭,𝒌 − �̇�𝑷,𝒌 (𝑲𝑾) 2-2
Donde��̇�𝑭,𝒌, �̇�𝑷,𝒌 y �̇�𝑫,𝒌 son la exergía del fuel, producto y destruida respectivamente.
La energía cinética y potencial son despreciadas, por tanto en la razón de exergía
total �̇�𝒌 intervienen solo las exergías de carácter físico (�̇�𝒌𝑷𝑯) y químico (�̇�𝒌
𝑪𝑯), la
cual se expresa como sigue en la ecuación 2-3:
�̇�𝒌 = �̇�𝒌𝑷𝑯 + �̇�𝒌
𝑪𝑯 (𝑲𝑾)
2-3
La exergía especifica de tipo físico, para sustancias puras se obtiene a partir de la
ecuación 2-4:
𝒆𝒌𝑷𝑯 = 𝒉𝒊 − 𝒉𝟎 − 𝑻𝟎(𝒔𝒊 − 𝒔𝟎) (𝑲𝑱 𝑲𝒈⁄ ) 2-4
Donde los estados sub-cero, son aquellos debido al estado muerto.
La exergía específica química se obtiene utilizando la ecuación 2-52-5, donde las
exergías químicas �̅�𝑪𝑯 molares de cada compuesto son obtenidas de [44].
�̅�𝑪𝑯 = �̅�𝒊�̅�𝒌𝑪𝑯 + 𝑹𝑻𝟎∑�̅�𝒊 𝐥𝐧(�̅�𝒊) 2-5
Donde �̅� es la fracción molar del compuesto en la mezcla y �̅�𝒌𝑪𝑯 es la exergía química
�̅�𝑪𝑯 molar de cada compuesto de la mezcla de gases.
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32
Los indicadores exergéticos utilizados en el análisis de cada uno de los componentes, son eficiencia exergética y la relación de destrucción de exergía mediante la ecuación 2-6 y la ecuación 2-7 respectivamente.
𝜺𝒌 =�̇�𝑷,𝒌
�̇�𝑭,𝒌�(%)
2-6
𝒚𝑫∗ =
�̇�𝑫,𝒌
�̇�𝑫,𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍�(%)
2-7
En la Tabla 2.2 se muestra la definición de fuel y producto para cada componente
de la planta.
Tabla 2.2 Ecuaciones Exergía de Fuel y Exergía de Producto de cada equipo de la planta
Componente Exergía de fuel Exergía de producto
CT
�̇�𝐹 = �̇�1 − �̇�2 + �̇�12 − �̇�13
�̇�𝑷 =� �̇�𝟒 − �̇�𝟑 + �̇�𝟖 − �̇�𝟕 + �̇�𝟔− �̇�𝟓
CONV
�̇�𝐹 = �̇�10 − �̇�11 + �̇�24+ �̇�𝑄,𝑐𝑜𝑛𝑣
�̇�𝑷 =� �̇�𝟏𝟐 + �̇�𝟏𝟒
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33
AH
�̇�𝐹 = �̇�14 − �̇�15
�̇�𝑷 =� �̇�𝟏𝟎 − �̇�𝟗
HRSG
�̇�𝐹 = �̇�15 − �̇�16
�̇�𝑷 =� �̇�𝟐𝟔 − �̇�𝟐𝟓
TGH
�̇�𝐹 = �̇�17 − �̇�18
�̇�𝑷 =� �̇�𝟐𝟒 − �̇�𝟐𝟑
TGTH
�̇�𝐹 = �̇�27 − 𝐸28
�̇�𝑷 =� �̇�𝟐𝟑 − �̇�𝟐𝟐
CC
�̇�𝐹 = �̇�18 + �̇�31
�̇�𝑷 = � �̇�𝟏𝟗 + �̇�𝟐𝟎 + �̇�𝟑𝟐
-
34
ABS
�̇�𝐹 = �̇�19 + �̇�20 + �̇�29− �̇�30
�̇�𝑷 = � �̇�𝟐𝟏 + �̇�𝟐𝟐 + �̇�𝟑𝟏
Análisis exergético avanzado
Un análisis exergético convencional puede resaltar los componentes principales que tienen altas ineficiencias termodinámicas, pero no puede considerar la interacción entre los componentes o el verdadero potencial de mejora de cada componente. Dividiendo la destrucción de exergía entre sus partes endógena/exógena y evitable/inevitable, al análisis exergético avanzado es capaz de ofrecer información adicional al análisis exergético convencional para mejorar el diseño y la operación de sistemas de conversión de energía [45].
Destrucción de exergía endógena y exógena
Para considerar las interacciones entre los componentes de un sistema Tsatsaronis y otros introducen el concepto de destrucción de exergía endógena y exógena asociada con el k-esimo componente de un sistema [15] (Ecuación 2-8).
�̇�𝑫,𝒌 = �̇�𝑫,𝒌𝑬𝑵+�̇�𝑫,𝒌
𝑬𝑿 2-8
Donde la destrucción de exergía endógena asociada con el k-esimo componente
�̇�𝑫,𝒌𝑬𝑵 es la parte de la exergía destruida dentro del mismo componente que podría
aparecer cuando todos los componentes operan de manera ideal y el k-esimo componente opera con su eficiencia exergética real. La destrucción de exergía
exógena �̇�𝑫,𝒌𝑬𝑿 es debida simultáneamente a las ineficiencias del k-esimo
componente y de las ineficiencias del resto de componentes. Para lograr lo descrito, se realiza un modelo para obtener primero la destrucción de exergía endógena del k-esimo componente, en el cual todos los componentes de la planta operan con una eficiencia energética del 100%, exceptuando el k-esimo componente que opera con su eficiencia energética real.
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35
La determinación de destrucción de exergía endógena y exógena en un k-esimo componente indica la manera de optimizar dicho componente y la totalidad del sistema.
Destrucción de exergía inevitable y evitable
Debido a limitaciones técnicas y económicas y métodos de fabricación, cada componente tiene un mejor desaprovechado comportamiento termodinámico en el futuro cercano que determina la parte inevitable de la destrucción de la exergía. Cuando un componente opera con su mejor posible condición, se establecen los
procesos inevitables, para obtener la relación (�̇�𝑫/�̇�𝑷)𝒌𝑼𝑵
para el componente [4].
Esta relación este parámetro clave para calcular la destrucción de exergía inevitable de componentes individuales en un proceso real. La razón de destrucción de
exergía �̇�𝑫 asociada al k-esimo componente (Ecuación 2-9) de un sistema térmico consiste de una parte evitable (superíndice AV) y otra inevitable (superíndice UN).
�̇�𝑫,𝒌 = �̇�𝑫,𝒌𝑨𝑽 +�̇�𝑫,𝒌
𝑼𝑵 2-9
La parte inevitable puede ser calculada mediante la ecuación 2-10:
�̇�𝑼𝑵,𝒌=�̇�𝑷,𝒌(�̇�𝑫/�̇�𝑷)𝒌𝑼𝑵
2-10
Las condiciones de operaciones reales e inevitables de funcionamiento de cada
componente se resumen en la Tabla 2.3.
Tabla 2.3 Condiciones de operaciones reales e inevitables de cada componente de la planta
[46].
Comp. Proceso real Proceso inevitable
CT Ƞs=0.89 Ƞs=0.95
AH ϵ=0.2628 ϵ=0.3417
HRSG ϵ=0.2326 ϵ=0.3023
TGH ϵ=0.5027 ϵ=0.6536
TGTH ϵ=0.2264 ϵ=0.2943
CC ΔT=281.3°K ΔT=10K
CONV Q=26509 kJ/kg Q=0
ABS HP=0.67HR HP=0.98HR
Donde Ƞs, ϵ, ΔT, Q, HP y HR corresponden a la eficiencia isentrópica del CT, efectividades de AH, HRSG, TGH y TGTH, diferencia de temperatura entre la corriente más caliente y más fría del CC, calor generado en el CONV, y las entalpías de reactivos y productos formadas en el ABS respectivamente.
-
36
En la ecuación 2-11 se define la eficiencia exergética 𝜺𝒌�∗ en función de la destrucción
evitable de la exergía en el k-esimo [46].
𝜺𝒌∗ =
�̇�𝑷,𝒌
�̇�𝑭,𝒌 + �̇�𝑫,𝒌𝑼𝑵
= 𝟏 −�̇�𝑫,𝒌𝑨𝑽
�̇�𝑭,𝒌 + �̇�𝑫,𝒌𝑼𝑵
2-11
Combinación de las partes
Las dos divisiones endógena/exógena y evitable/inevitable se combinan y se
obtienen expresiones para los términos evitable- endógena (�̇�𝑫,𝒌𝑨𝑽,𝑬𝑵) , evitable-
exógena (�̇�𝑫,𝒌𝑨𝑽,𝑬𝑿) , inevitable-endógena (�̇�𝑫,𝒌
𝑼𝑵,𝑬𝑵) e inevitables-exogena (�̇�𝑫,𝒌𝑼𝑵,𝑬𝑿) y
se presentan respectivamente en las Ecuaciones 2-12, 2-13, 2-14 y 2-15 [47].
�̇�𝑫,𝒌𝑨𝑽,𝑬𝑵
=�̇�𝑷,𝒌𝑬𝑵 − �̇�𝑫,𝒌
𝑼𝑵,𝑬𝑵 2-12
�̇�𝑫,𝒌𝑨𝑽,𝑬𝑿
=�̇�𝑷,𝒌𝑬𝑿 − �̇�𝑫,𝒌
𝑼𝑵,𝑬𝑿 2-13
�̇�𝑫,𝒌𝑼𝑵,𝑬𝑵
=�̇�𝑷,𝒌𝑬𝑵 �(�̇�𝑫/�̇�𝑷)𝒌
𝑼𝑵
2-14
�̇�𝑫,𝒌𝑼𝑵,𝑬𝑿
=�̇�𝑷,𝒌𝑼𝑵 − �̇�𝑫,𝒌
𝑼𝑵,𝑬𝑵 2-15
La destrucción de exergía inevitable-endógena (�̇�𝑫,𝒌𝑼𝑵,𝑬𝑵) se da cuando los
componentes de la planta funcionan bajo condiciones teóricas y el componente kth
en estudio está en condiciones inevitables.
Análisis termoeconómico
Para cada componente de la planta se aplica el balance de costos como se aprecia
en la ecuación 2-16, donde �̇�𝑭,𝒌 hace referencia a la tasa de costo asociada a la
exergía de fuel, �̇�𝑷,𝒌 es la tasa de costo asociada a la exergía de producto, mientras
que �̇�𝒌𝑪𝑰 y �̇�𝒌
𝑶&𝑴 denotan la tasa de costo de inversión de capital y la tasa de costo
de operación y mantenimiento del componente respectivamente [48]. La suma de
estos dos últimos términos es lo se denota como �̇�𝒌.
�̇�𝑷,𝒌 = �̇�𝑭,𝒌 + �̇�𝒌𝑪𝑰 + �̇�𝒌�
𝑶&𝑴 ($ 𝒉⁄ ) 2-16
-
37
La tasa de costo asociada a la exergía de fuel �̇�𝑭,𝒌 y la tasa de costo asociada a la
exergía de producto �̇�𝑷,𝒌 se calculan utilizando las ecuaciones 2-17 y 2-18 respectivamente.
�̇�𝑭,𝒌 = 𝒄𝑭,𝒌�̇�𝑭��($ 𝒉⁄ ) 2-17
�̇�𝑷,𝒌 = 𝒄𝑷,𝒌�̇�𝑷��($ 𝒉⁄ ) 2-18
Donde para cada componente, 𝒄𝑭,𝒌 y 𝒄𝑷,𝒌�son los costos promedios por unidad de exergía de fuel y producto respectivamente.
Mientras que la tasa de costo de inversión de capital 𝒁𝒌𝑪𝑰 y la tasa de costo de
operación y mantenimiento 𝒁𝒌𝑶&𝑴 por componente se calculan mediante las
ecuaciones 2-19 y 2-20.
Donde 𝑪𝒕𝒐𝒕𝑶&𝑴�,𝑹𝑻𝒀, 𝑷𝑬𝑪𝒌 son el costo anual por operación y mantenimiento,� las
horas de operación por año, respectivamente. A su vez 𝒏𝒚 es el periodo de tiempo
en años tomado y 𝒊𝒓 corresponde a la tasa interés. Cuyos valores están definidos en la
En la Tabla 2.4 se definen las ecuaciones para determinar el 𝑷𝑬𝑪 de cada componente.
Tabla 2.4 Ecuaciones para obtener el precio de cada componente de la planta
Componente Funciones de costos de equipos comprados
Parámetros
CT
Compresor HPC: 𝑪𝑯𝑷𝑪 = 𝟕.𝟗𝟎(𝑯𝑷)𝟎.𝟔𝟐
(k$) [49]
Compresor LPC: 𝑪𝑳𝑷𝑪 = 𝟕. 𝟗𝟎(𝑯𝑷)𝟎.𝟔𝟐
(k$) [49]
𝟐𝟎𝟎 < 𝑯𝑷 < 𝟑𝟎𝟎𝟎𝟎
𝟐𝟎 < 𝑯𝑷 < 𝟓𝟎𝟎𝟎
𝒁𝒌𝑪𝑰 =
𝑷𝑬𝑪𝒌 [𝒊𝒓(𝟏 + 𝒊𝒓)
𝒏𝒚
(𝟏 + 𝒊𝒓)𝒏𝒚 − 𝟏
�]
𝟑𝟔𝟎𝟎(𝑹𝑻𝒀)��($ 𝒉⁄ )
2-19
𝒁𝒌𝑶&𝑴 =
𝑪𝒕𝒐𝒕𝑶&𝑴𝑷𝑬𝑪𝒌
𝟑𝟔𝟎𝟎(𝑹𝑻𝒀)∑𝑷𝑬𝑪𝒌��($ 𝒉⁄ )
2-20
-
38
Turbina (ST):�𝑪𝑺𝑻 = 𝟎.𝟑𝟕𝟖(𝑯𝑷)𝟎.𝟖𝟏 (k$)
[49]
Expander (EXP): 𝑪𝑬𝑿𝑷 = 𝟎.𝟑𝟕𝟖(𝑯𝑷)𝟎.𝟖𝟏
(k$) [49]
CONV
𝑪𝑪𝑶𝑵𝑽 = 𝒂 + 𝒃𝑺
𝒏($) [50] 𝑺 = 𝟏𝟎𝟎�𝒎𝟑�𝑷𝒂𝒓á𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐�𝒅𝒆�𝒕𝒂𝒎𝒂ñ𝒐� 𝒂 = �𝟏𝟒𝟎𝟎𝟎� 𝒃 = 𝟏𝟓𝟒𝟎𝟎� 𝒏 = 𝟎. 𝟕��𝒑𝒂𝒓𝒂�𝒓𝒆𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓�𝒂𝒈𝒊𝒕𝒂𝒅𝒐
AH
𝑪𝑨𝑯 = 𝒂 + 𝒃𝑺
𝒏($) [50] 𝑺 = 𝟓𝟎�𝒎𝟐� 𝒂 = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎� 𝒃 = �𝟖𝟖 𝒏 = 𝟏��𝒑𝒂𝒓𝒂�𝒕𝒖𝒃𝒐�𝒚�𝒄𝒐𝒓𝒂𝒛𝒂
HRSG
𝑪𝑯𝑹𝑺𝑮 = 𝒂 + 𝒃𝑺
𝒏($) [50] 𝑺 = �𝟑𝟏𝟑. 𝟎𝟖�𝒎𝟐 𝒂 = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎� 𝒃 = �𝟖𝟖 𝒏 = 𝟏��𝒑𝒂𝒓𝒂�𝒕𝒖𝒃𝒐�𝒚�𝒄𝒐𝒓𝒂𝒛𝒂
TGH
𝑪𝑻𝑮𝑯 = 𝒂 + 𝒃𝑺
𝒏($) [50] 𝑺 = �𝟏𝟎𝟐. 𝟏𝟗�𝒎𝟐 𝒂 = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎� 𝒃 = �𝟖𝟖 𝒏 = 𝟏��𝒑𝒂𝒓𝒂�𝒕𝒖𝒃𝒐�𝒚�𝒄𝒐𝒓𝒂𝒛𝒂
TGTH
𝑪𝑻𝑮𝑻𝑯 = 𝒂 + 𝒃𝑺
𝒏($) [50] 𝑺 = �𝟏𝟑. 𝟗𝟑�𝒎𝟐 𝒂 = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎� 𝒃 = �𝟖𝟖 𝒏 = 𝟏�𝒑𝒂𝒓𝒂�𝒕𝒖𝒃𝒐�𝒚�𝒄𝒐𝒓𝒂𝒛𝒂
CC
𝑪𝑻𝑮𝑻𝑯 = 𝒂 + 𝒃𝑺
𝒏($) [50] 𝑺 = �𝟔𝟕𝟓. 𝟒𝟎�𝒎𝟐 𝒂 = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎� 𝒃 = �𝟖𝟖 𝒏 = 𝟏��𝒑𝒂𝒓𝒂�𝒕𝒖𝒃𝒐�𝒚�𝒄𝒐𝒓𝒂𝒛𝒂
ABS
𝑪𝑨𝑩𝑺 = 𝟏.𝟐𝟏𝟖[𝒇𝟏𝑪𝒃 +𝑵𝒇𝟐𝒇𝟑𝒇𝟒𝑪𝒕 + 𝑪𝒑𝒕]($)
[49]
𝑪𝒃 = 𝟏.𝟐𝟏𝟖 𝐞𝐱𝐩[𝟔. 𝟔𝟐𝟗 + 𝟎. 𝟏𝟖𝟐𝟔(𝒍𝒏𝑾)
+ 𝟎. 𝟎𝟐𝟐𝟗𝟕(𝒍𝒏𝑾)𝟐] , 𝟒𝟐𝟓𝟎 < 𝑾< 𝟗𝟖𝟎𝟎𝟎𝟎�𝒍𝒃𝒔
𝑪𝒕 = 𝟒𝟓𝟕. 𝟕 𝐞𝐱𝐩(𝟎. 𝟏𝟕𝟑𝟗𝑫) , 𝟐 < 𝑫 < 𝟏𝟔𝒇𝒕 𝑵 = 𝑵ú𝒎𝒆𝒓𝒐�𝒅𝒆�𝒃𝒂𝒏𝒅𝒆𝒋𝒂𝒔 𝑪𝒑𝒕 = 𝟑𝟎𝟎𝑫
𝟎.𝟕𝟑𝟗𝟔𝑳𝟎.𝟕𝟎𝟔𝟖 , 𝟑 < 𝑫 < 𝟐𝟏, 𝟐𝟕 < 𝑳
< 𝟒𝟎�𝒇𝒕 𝒇𝟏 = 𝟏. 𝟕�𝒑𝒂𝒓𝒂�𝒂𝒄𝒆𝒓𝒐�𝒊𝒏𝒐𝒙𝒊𝒅𝒂𝒃𝒍𝒆�𝟑𝟎𝟒 𝑭𝟐= 𝟏. 𝟏𝟖𝟗+ 𝟎. 𝟎𝟓𝟕𝟕𝑫�𝒑𝒂𝒓𝒂�𝒂𝒄𝒆𝒓𝒐�𝒊𝒏𝒐𝒙𝒊𝒅𝒂𝒃𝒍𝒆�𝟑𝟎𝟒 𝒇𝟑 = 𝟎. 𝟖𝟎� 𝒇𝟒 = 𝟐. 𝟐𝟓/(𝟏𝟎𝟒𝟏𝟒)
𝑵
-
39
Donde los parámetros de 𝑺, 𝒂, 𝒃�, 𝒏 corresponden a los parámetros diseño para cada
componente de la planta descrito en [50]. Mientras que 𝑪𝒃, 𝑪𝒕, 𝑵 , 𝑪𝒑𝒕,�𝒇𝟏 , 𝒇𝟐 , 𝒇𝟑 y
𝒇𝟒 se describen en [49]
Los indicadores termoeconómicos aplicados a cada componente de la planta son:
El costo destrucción de exergía, la diferencia de costo relativo y el factor
exergoeconómico [2].
Considerando que los costos del producto son fijos en cada componente, el costo
de destrucción de exergía se expresa mediante la ecuación 2-21.
�̇�𝑫 = 𝒄𝑭,𝒌�̇�𝑫,𝒌�($ 𝒉⁄ ) 2-21
La diferencia de costo relativa expresa el incremento relativo en el costo promedio
por unidad de exergía entre los insumos y los productos de cada uno de los
componentes mediante la ecuación 2-22:
𝒓𝒌 =𝒄𝑷,𝒌 − 𝒄𝑭,𝒌
𝒄𝑭,𝒌 2-22
El factor exergoeconómico define la relación entre los costos no relativos y el costo
total de un componente. Si el factor exergoeconómico es pequeño, se debe mejorar
la eficiencia del equipo; mientras que si el valor es grande, el capital de inversión
debe disminuirse comprando el equipo [39].
Este parámetro se define como se muestra en la encuación 2-23:
El factor suele ser entre 35% y 75% para compresores y turbinas [51].
Tabla 2.5 Ecuaciones de Balance de Costos y Ecuaciones auxiliares para componente de la planta
𝒇𝒌 =�̇�𝒌
�̇�𝒌 + �̇�𝑫����(%) 2-23
Componente Balance de costos y ecuaciones auxiliares
CT
�̇�4 − �̇�3 + �̇�8 − �̇�7 + �̇�6 − �̇�5 = �̇�1 − �̇�2 + �̇�12 − �̇�13 + �̇�𝐶𝑇
�̇�1
�̇�1=�̇�2
�̇�2
�̇�1 = 0
-
40
�̇�𝟏𝟐
�̇�𝟏𝟐=�̇�𝟏𝟑
�̇�𝟏𝟑
CONV
��̇�12 + �̇�14 = �̇�10 − �̇�11 + �̇�24 + �̇�𝑄,𝑐𝑜𝑛𝑣 + �̇�𝐶𝑂𝑁𝑉
�̇�𝟏𝟐,𝟏𝟏 = �̇�𝟏𝟐 + (�̇�𝟏𝟎�̇�𝟏𝟏
) (�̇�𝟏𝟐 − �̇�𝟏𝟎)
AH
�̇�10 − �̇�9 = �̇�14 − �̇�15 + �̇�𝐴𝐻
�̇�𝟏𝟒
�̇�𝟏𝟒�=�̇�𝟏𝟓
�̇�𝟏𝟓
HRSG
�̇�26 − �̇�25 = �̇�15 − �̇�16 + �̇�𝐻𝑅𝑆𝐺
�̇�𝟏𝟓
�̇�𝟏𝟓=�̇�𝟏𝟔
�̇�𝟏𝟔
TGH
��̇�24 − �̇�23 = �̇�17 − �̇�18 + �̇�𝑇𝐺𝐻
�̇�𝟏𝟕
�̇�𝟏𝟕=�̇�𝟏𝟖
�̇�𝟏𝟖
-
41
Análisis exergoeconómico avanzado
El mal funcionamiento económico de los equipos de la planta se puede determinar
mediante el análisis exergoeconómico avanzado.
En el análisis exergoeconómico avanzado, las tasas de costo asociadas con la
destrucción de exergía, la inversión de capital y la operación y el mantenimiento se
expresan en cuatro categorías como evitable endógena, evitable exógena,
inevitable endógena e inevitable exógena [52].
TGTH
�̇�23 − �̇�22 = �̇�27 − �̇�28 + �̇�𝑇𝐺𝑇𝐻
�̇�𝟐𝟑
�̇�𝟐𝟑=�̇�𝟐𝟐
�̇�𝟐𝟐
CC
�̇�𝟏𝟗 + �̇�𝟐𝟎 + �̇�𝟑𝟐 = �̇�𝟏𝟖 + �̇�𝟑𝟏 + �̇�𝑪𝑪
�̇�𝟑𝟐
�̇�𝟑𝟐=�̇�𝟑𝟏
�̇�𝟑𝟏
ABS
�̇�21 + �̇�22 + �̇�31 = �̇�19 + �̇�20 + �̇�29 − �̇�30 + �̇�𝐴𝐵𝑆
�̇�𝟑𝟎
�̇�𝟑𝟎=�̇�𝟑𝟏
�̇�𝟑𝟏
-
42
Los principales indicadores del análisis exergoeconómico avanzado son: costos de
destrucción de exergía endógena, costos de destrucción de exergía exógena,
costos de destrucción de exergía evitable, costos de destrucción de exergía
inevitable, costos de destrucción de exergía evitables endógenos, costos de
destrucción de exergía inevitables endógenos, costos de destrucción de exergía
evitables exógenos, costos de destrucción de exergía inevitables exógenos, costos
asociados a la inversión de capital endógena, costos asociados a la inversión de
capital exógena, costos asociados a la inversión evitables, costos asociados a la
inversión inevitables, costos asociados a la inversión evitables endógenos, costos
asociados a la inversión inevitables endógenos, costos asociados a la inversión
evitables exógenos y costos asociados a la inversión inevitables exógenos. La
metodología de cálculo de cada indicador se define a continuación.
Costos de destrucción de exergía endógena y costos de destrucción de
exergía exógena:
Las tasas de costos asociados a la destrucción de exergía endógena se calcula
mediante le ecuación 2-24 [53]:
�̇�𝐷,𝑘𝐸𝑁 = 𝑐𝐹,𝑘��̇�𝐷,𝑘
𝐸𝑁 2-24
Mientras que el costo de destrucción de exergía exógena se calcula utilizando la
ecuación 2-25:
�̇�𝐷,𝑘 =� �̇�𝐷,𝑘𝐸𝑁 +�� �̇�𝐷,𝑘
𝐸𝑋 2-25
Costos de destrucción de exergía evitable y costos de destrucción de exergía
inevitable:
La tasa de costos asociados a la exergía inevitable para cada equipo de la planta,
se calcula utilizando la ecuación 2-26 [53]:
�̇�𝑫,𝒌𝑼𝑵 = 𝒄𝑭,𝒌��̇�𝑫,𝒌
𝑼𝑵
2-26
Los costos de destrucción de exergía evitable se calculan mediante la ecuación
2-27:
�̇�𝑫,𝒌 =� �̇�𝑫,𝒌𝑼𝑵 +�� �̇�𝑫,𝒌
𝑨𝑽
2-27
-
43
Costos asociados a la inversión de capital inevitable y costos asociados a la
inversión de capital evitable:
La razón de costos totales de inversión inevitables para cada equipo de la planta,
es definida como se muestra en la ecuación 2-282-30 [53]:
�̇�𝒌𝑼𝑵 = �̇�𝑷,𝒌 ��(
�̇�𝒌
�̇�𝑷,𝒌)
𝑼𝑵
2-28
Mientras que la razón de costos totales de inversión evitable se calcula mediante la
ecuación 2-29:
�̇�𝒌 =� �̇�𝒌𝑼𝑵 +�� �̇�𝒌
𝑨𝑽
2-29
Costos asociados a la inversión de capital endógena y costos asociados a la
inversión de capital exógena:
La razón de costos totales de inversión endógenos para cada equipo de la planta,
es definida como se muestran en la ecuación 2-30 [53]:
�̇�𝑘𝐸𝑁 = �̇�𝑃,𝑘
𝐸𝑁 ��(�̇�𝑘
�̇�𝑃,𝑘)
𝑅𝑒𝑎𝑙
2-30
La división de la inversión de capital en partes endógenas y exógenas muestra las
interdependencias de costos entre los componentes del sistema; la razón de costo
de inversión asociado a la exergía exógena, se determina mediante la ecuación
2-31 [54]:
�̇�𝑘 =� �̇�𝑘𝐸𝑁 +�� �̇�𝑘
𝐸𝑋 2-31
Costos de destrucción de exergía inevitables endógenos y costos de
destrucción de exergía inevitables exógenos:
Los costos de destrucción de exergía inevitables endógenos y los costos de
destrucción de exergía inevitables exógenos, del componente kth se definen con las
ecuaciones 2-32 y 2-33 respectivamente [53]:
-
44
�̇�𝐷,𝑘𝑈𝑁,𝐸𝑁 = 𝑐𝐹,𝑘��̇�𝐷,𝑘
𝑈𝑁,𝐸𝑁
2-32
�̇�𝐷,𝑘𝑈𝑁,𝐸𝑋 = 𝑐𝐹,𝑘��̇�𝐷,𝑘
𝑈𝑁,𝐸𝑋
2-33
Los costos asociados a las inversiones endógenas inevitables y costos asociados a
las inversiones exógenas inevitables, del componente kth se definen mediantes las
ecuaciones 2-34 y 2-35 respectivamente [53]:
�̇�𝒌𝑼𝑵,𝑬𝑵 = �̇�𝑷,𝒌
�𝑬𝑵 ��(�̇�𝒌
�̇�𝑷,𝒌)
𝑼𝑵
2-34
�̇�𝒌𝑼𝑵,𝑬𝑿 = �̇�𝒌
𝑼𝑵 �− � �̇�𝒌𝑼𝑵,𝑬𝑵
2-35
Costos de destrucción de exergía evitables endógenos y costos de
destrucción de exergía evitables exógenos:
Las tasas de costos de destrucción de exergía evitables endógenos relacionados
con el componente kth que pueden reducirse mediante un aumento de la eficiencia
termodinámica del componente del mismo; A su vez, la parte evitable de las tasas
de costo de destrucción exógenas pueden reducirse aumentando la eficiencia de
otros componentes y se calcula utilizando las ecuaciones 2-36 y 2-37
respectivamente [38]:
�̇�𝐷,𝑘𝐴𝑉,𝐸𝑁 = 𝑐𝐹,𝑘��̇�𝐷,𝑘
𝐴𝑉,𝐸𝑁
2-36
�̇�𝐷,𝑘𝐴𝑉,𝐸𝑋 = 𝑐𝐹,𝑘��̇�𝐷,𝑘
𝐴𝑉,𝐸𝑋
2-37
Los costos asociados a las inversiones evitables endógenas y costos asociados a
las inversiones evitables exógenas, del componente kth se definen mediantes las
ecuaciones 2-38 y 2-39 respectivamente [38]:
-
45
�̇�𝑘𝐴𝑉,𝐸𝑁 = �̇�𝑘
𝐸𝑁 �− � �̇�𝑘𝑈𝑁,𝐸𝑁
2-38
�̇�𝑘𝐴𝑉,𝐸𝑋 = �̇�𝑘
𝐸𝑋 �−� �̇�𝑘𝑈𝑁,𝐸𝑋 2-39
-
46
CAPÍTULO 3
3. RESULTADOS
En este capítulo se determinaron y compararon los resultados del análisis
exergético convencional, el análisis exergéticos avanzados, el análisis
termoeconómico y el análisis exergoeconómico aplicados a la planta de producción
de ácido nítrico.
Modelo Termodinámico
En este capítulo, se presenta el modelo matemático para evaluar cada uno de los
componentes de la planta de producción de ácido nítrico, donde se incluyen