Análisis de pellizco

El análisis de punto de inflexión es una metodología para minimizar el consumo energético de los procesos químicos mediante el cálculo de objetivos energéticos termodinámicamente viables (o consumo mínimo de energía) y su consecución mediante la optimización de los sistemas de recuperación de calor , los métodos de suministro de energía y las condiciones de operación del proceso. También se conoce como integración de procesos , integración térmica , integración energética o tecnología de punto de inflexión .

Los datos del proceso se representan como un conjunto de flujos de energía, o corrientes, en función de la carga térmica (producto de la entalpía específica y el caudal másico ; unidad SI W ) frente a la temperatura (unidad SI K ). Estos datos se combinan para todas las corrientes de la planta para obtener curvas compuestas , una para todas las corrientes calientes (que liberan calor) y otra para todas las corrientes frías (que requieren calor). El punto de máxima aproximación entre las curvas compuestas calientes y frías es el punto de estrangulamiento (o simplemente estrangulamiento ), con una temperatura de estrangulamiento para la corriente caliente y otra para la corriente fría. Es aquí donde el diseño está más restringido. Por lo tanto, al encontrar este punto y comenzar el diseño allí, se pueden alcanzar los objetivos energéticos utilizando intercambiadores de calor para recuperar calor entre las corrientes calientes y frías en dos sistemas separados, uno para temperaturas superiores a la temperatura de estrangulamiento y otro para temperaturas inferiores a la temperatura de estrangulamiento. En la práctica, durante el análisis de estrangulamiento de un diseño existente, a menudo se encuentran intercambios de calor entre estrangulamientos cruzados entre una corriente caliente con su temperatura por encima del estrangulamiento y una corriente fría por debajo del estrangulamiento. La eliminación de esos intercambiadores mediante un emparejamiento alternativo permite que el proceso alcance su objetivo energético .

En 1971, Ed Hohmann afirmó en su tesis doctoral que

Se puede calcular la cantidad mínima de servicios de agua caliente y fría necesarios para un proceso sin conocer la red de intercambiadores de calor que podría llevarlo a cabo. También se puede estimar el área de intercambio de calor requerida.

A finales de 1977, el estudiante de doctorado Bodo Linnhoff, bajo la supervisión del Dr. John Flower en la Universidad de Leeds ^{[ 1 ],} demostró la existencia en muchos procesos de un cuello de botella en la integración del calor, denominado «el pinch», que sentó las bases de la técnica conocida hoy como análisis de pinch. En aquel entonces, se había incorporado a Imperial Chemical Industries (ICI), donde dirigió las aplicaciones prácticas y el desarrollo de nuevos métodos.

Bodo Linnhoff desarrolló la «Tabla de Problemas», un algoritmo para calcular los objetivos energéticos, y sentó las bases para el cálculo de la superficie necesaria, conocida como «la red de espaguetis». Estos algoritmos permitieron la aplicación práctica de la técnica.

En 1982 se unió al Instituto de Tecnología de la Universidad de Manchester ( UMIST , actual Universidad de Manchester ) para continuar con su trabajo. En 1983 fundó una empresa de consultoría llamada Linnhoff March International, que más tarde fue adquirida por KBC Energy Services.

Desde entonces se han desarrollado y aplicado numerosas mejoras en una amplia gama de industrias, incluyendo su extensión a sistemas de calefacción y energía, así como a situaciones no relacionadas con procesos industriales. La explicación más detallada de las técnicas se encuentra en Linnhoff et al. (1982), ^{[ 2 ]} Shenoy (1995), ^{[ 3 ]} Kemp (2006) ^{[ 4 ]} y Kemp y Lim (2020), ^{[ 5 ]} mientras que Smith (2005) ^{[ 6 ]} incluye varios capítulos sobre ellas. Actualmente, existen programas, tanto detallados como simplificados ( en hojas de cálculo ), para calcular los objetivos energéticos. Véase el software de análisis de puntos de inflexión a continuación.

El análisis de puntos de estrangulamiento se ha extendido más allá de las aplicaciones energéticas. Ahora incluye:

• Redes de intercambio masivo ^{[ 7 ]}
• Estrecho de agua ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}
• Estrangulamiento de hidrógeno ^{[ 11 ] [ 12 ]}
• Estrangulamiento de carbono ^{[ 5 ]}

El análisis clásico del punto de estrangulamiento calcula principalmente los costos energéticos para la calefacción y refrigeración. En el punto de estrangulamiento, donde las corrientes de agua caliente y fría están más restringidas, se requieren grandes intercambiadores de calor para transferir calor entre ellas. Estos intercambiadores implican altos costos de inversión. Para reducir el costo de capital, en la práctica se exige una diferencia de temperatura mínima (ΔT) en el punto de estrangulamiento, por ejemplo, 10  °F. Es posible estimar el área del intercambiador de calor y el costo de capital, y por lo tanto el valor mínimo óptimo de ΔT. Sin embargo, la curva de costos es bastante plana y el óptimo puede verse afectado por "trampas topológicas". El método del punto de estrangulamiento no siempre es apropiado para redes simples o donde existen severas restricciones operativas. Kemp (2006) ^{[ 4 ]} y Kemp y Lim (2019) analizan estos aspectos en detalle.

El problema de integrar el calor entre corrientes calientes y frías, y encontrar la red óptima, en particular en términos de costos, puede resolverse hoy en día con algoritmos numéricos . La red puede formularse como un problema de programación no lineal entera mixta (MINLP) y resolverse con un solucionador numérico adecuado . Sin embargo, los problemas MINLP de gran escala aún pueden ser difíciles de resolver para los algoritmos numéricos actuales. Como alternativa, se han realizado algunos intentos para formular los problemas MINLP como problemas lineales enteros mixtos, donde luego se seleccionan y optimizan las redes posibles. Para redes simples de pocas corrientes e intercambiadores de calor, los métodos de diseño manual con software de optimización simple suelen ser suficientes y ayudan al ingeniero a comprender el proceso. ^{[ 13 ]}

• Directiva CHP – Directiva de la UE sobre cogeneración de calor y energía 
• Política energética de la Unión Europea – Legislación en materia de energía en la Unión Europea 
• Coste relativo de la electricidad generada por diferentes fuentes : comparación de los costes de diferentes fuentes de generación de electricidad. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redireccionamiento. 
• Cogeneración : generación simultánea de electricidad y calor útil. 
• Diagrama de flujo de procesos

• de Klerk, LW, de Klerk, MP y van der Westhuizen, D. «Mejoras en los costos de capital y operación del circuito hidrometalúrgico de uranio mediante la gestión del agua y la integración de los objetivos de energía de los servicios públicos y del proceso». Conferencia AusImm, U 2015. Archivado el 25 de abril de 2016 en Wayback Machine.

• PinCH : software para procesos continuos y por lotes, incluyendo circuitos de recuperación de calor indirecta y almacenamiento de energía. Manuales, tutoriales, estudios de caso e historias de éxito gratuitos disponibles.
• HeatIT : versión gratuita (ligera) del software Pinch Analysis que se ejecuta en Excel, desarrollado por Pinchco , una empresa de consultoría que ofrece asesoramiento experto en temas relacionados con la energía.
• Simulis Pinch : herramienta de ProSim SA que se puede utilizar directamente en Excel y que está dedicada al diagnóstico y la integración energética de los procesos.
• Integración : una herramienta práctica y de bajo coste para el cálculo de la integración de procesos, desarrollada por CanmetENERGY , la principal organización canadiense de investigación y tecnología en el campo de la energía limpia.
• Herramienta de análisis de puntos críticos : el software de análisis de puntos críticos en línea de TLK-Energy le permite identificar rápidamente el potencial de eficiencia en los flujos de calor residual no utilizados e integrar de forma óptima las bombas de calor para su operación industrial.