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Anales de Ingeniería Mecánica, Vol. 14, Nº 4, pp. 2423-2428 (2000)
ANÁLISIS EXERGÉTICO DE PLANTAS DE SEPARACIÓN DE AIRE
Pedro Luis Clavería Vila y Miguel Angel Lozano Serrano
Dpto. Ing. Mecánica. Centro Politécnico Superior. Universidad de Zaragoza.
María de Luna 3, 50015 Zaragoza, España.
Tfno. : 976 76 20 39. Fax. : 976 76 18 61.
Dirección electrónica: [email protected]
RESUMEN
El método exergético de análisis termodinámico combina la información proporcionada por el
Primer y Segundo Principios localizando las fuentes de ineficiencia de los procesos de transformación
energética. En este articulo se presenta la metodología de análisis y se aplica a una planta criogénica
de separación del aire identificando sus irreversibilidades, en valor absoluto y relativo, y los equipos
en los que se genera la perdida exergética.
1.- INTRODUCCIÓN.
La producción de gases industriales es una actividad sujeta a economías de
escala por lo que puede conseguirse una reducción de costes fijos unitarios
aumentando el tamaño de las plantas. Las plantas criogénicas de separación de aire
han servido bien a esta industria a lo largo del siglo que termina y ahora sufren la
competencia de otras tecnologías en determinados nichos de mercado pero también
existen nuevas oportunidades para su desarrollo formando parte de ciertos complejos
industriales (petroquímicas, centrales eléctricas IGCC, etc.). La búsqueda de una
mayor eficiencia termodinámica del proceso criogénico de separación es un objetivo
obligado para mantener su competitividad. La creciente preocupación por un mejor
aprovechamiento de la energía primaria ha fomentado el desarrollo de técnicas de
análisis basadas en el Segundo Principio, y en particular en el concepto de exergía.
El método exergético nos ayudará a conseguir el objetivo anterior al identificar el
origen de las diferentes irreversibilidades generadas en el proceso evaluando las
ineficiencias de los equipos.
-2-
2.- PROPIEDADES TERMODINAMICAS.
El análisis termodinámico de una planta criogénica de separación de aire
requiere la aplicación de los balances de masa, energía y entropía. Necesitamos
conocer, por tanto, las propiedades termodinámicas de los flujos que intercambian
calor, trabajo y materia en los equipos del sistema. No pueden emplearse modelos
simples ya que en estos procesos encontramos estados de las más variadas fases,
composición, presión y temperatura. Para el aire y sus componentes mayoritarios han
sido preparadas extensas tablas de propiedades termodinámicas debidamente
correlacionadas y que están disponibles en la literatura técnica. Sin embargo, estas
tablas son poco operativas para el cálculo automático y la modelización de las
propiedades de los flujos mediante ecuaciones de estado se hace imprescindible. Para
este trabajo se ha desarrollado un conjunto de librerías de cálculo en lenguaje
FORTRAN basado en la ecuación de estado de Bender (1970). Este autor consiguió
una buena representación de las propiedades de las mezclas de los componentes del
aire Su ecuación de estado, más compleja que las cúbicas o las de virial truncadas
con pocos términos, requiere 20 parámetros empíricos ajustables y adopta la
siguiente forma
P(ρ, T ) = ρT (R + Bρ + Cρ 2 + Dρ 3 + Eρ 4 + Fρ 5 + (G + Hρ 2 )ρ 2 exp(−a 20 ρ 2 ))
(1)
siendo B, C, D, E, F, G y H funciones de la temperatura. Adicionalmente, Bender
también formuló reglas de mezcla especificas determinando empíricamente los
parámetros de interacción binaria como funciones de la temperatura.
3.- MÉTODO EXERGÉTICO.
El mensaje fundamental de la Segunda Ley de la Termodinámica es que las
diferentes formas de la energía no son equivalentes existiendo limitaciones para la
conversión de una a otra de sus formas. En consecuencia, si deseamos juzgar la
bondad del diseño o funcionamiento de los procesos industriales en los que la energía
juega una función importante debemos asociar un índice de calidad al proceso
basado, no en el concepto de energía, sino en otra magnitud que exprese realmente la
equivalencia termodinámica de los distintos flujos de materia y energía que
participan en el proceso: la exergía.
-3-
Se ha demostrado (Bejan, 1988) que existe la oportunidad de producir trabajo
cuando ponemos en contacto dos sistemas en desequilibrio termodinámico. Cuando
uno de los dos sistemas representa al medio ambiente (AR) y el otro aquel sistema de
nuestro interés, la exergía es, por definición, el máximo trabajo teórico que puede
obtenerse de su interacción mutua hasta alcanzar el equilibrio. La exergía de flujo de
un sistema multicomponente puede calcularse fácilmente a partir de otras
propiedades termodinámicas una vez fijado el AR (Lozano, 1988):
b = h − T0 s −
∑ x i ⋅ μ i,00
(2)
El balance exergético para un volumen de control se obtiene combinando
adecuadamente sus balances de energía (1ª Ley) y entropía (2ª Ley) :
I = T0 S g = m (b e − b s ) + Q (1 − T0 /T) − Wt ≥ 0
(3)
donde I es la exergía destruida (irreversibilidad), Sg es la entropía generada y T0 es la
temperatura ambiente. Cada uno de los términos del segundo miembro de la ecuación
(3) es reconocido como exergía (capacidad de producir trabajo). Reagrupando dichos
términos, según su funcionalidad dentro del proceso desarrollado en el volumen de
control, el balance de exergía puede formularse como: I = F − P ≥ 0, siendo P la
producción deseada (Producto) y F los recursos consumidos (Fuel). La definición de
cuales de los flujos de entrada y salida a un equipo o proceso constituyen el Fuel y el
Producto requiere un análisis cuidadoso del papel que juega cada uno de los flujos en
el conjunto de la instalación. La definición genérica de eficiencia termodinámica, a la
que denominaremos también rendimiento exergético, es
0 ≤ ηb =
P
I
= 1− ≤ 1
F
F
(4)
siendo su inversa el consumo exergético unitario.
Dada la aditividad de la entropía generada en los distintos equipos de una planta
su rendimiento exergético puede expresarse como
(η b )T
P
I
= T = 1− T = 1−
FT
FT
I
∑ FTi = 1 − ∑ δ i
i
(5)
i
Esta ecuación nos permite explicar de un modo riguroso que equipos i y con que
magnitud δi son responsables de la perdida de rendimiento observada:
1 − (η b )T =
∑ δi
i
(6)
-4-
4.- APLICACIÓN A UNA PLANTA INDUSTRIAL.
El aire atmosférico es una mezcla de diferentes gases. Sus tres componentes
principales son el nitrógeno (N2), oxígeno (O2) y argón (Ar), si bien deben tenerse en
cuenta otras especies químicas que actuaran como impurezas del aire. El propósito de
una planta criogénica de separación de aire es obtener alguno o todos los
componentes principales del aire ya sea en fase líquida o gas con un elevado grado
de pureza. El diagrama de flujos de la planta analizada se muestra en la Fig. 1.
H2
GOX
UNIDAD
COMPRESION
LIMPIEZA
GAN
UNIDAD
LICUEFACCION
UNIDAD DE
PURIFICACION DE ARGON
COLUMNA
BAJA
PRESION
COLUMNA
ARGON
CRUDO
UNIDAD
DESTILACIÓN
LAR
LOX
COLUMNA
ALTA
PRESION
LIN
Fig. 1. Diagrama de flujos de la planta criogénica de separación de aire.
El aire de entrada a la planta es comprimido hasta 6 bar, enfriado y limpiado de
impurezas. Antes de introducirse a la columna de destilación de alta presión el aire
entra al intercambiador principal donde cede calor a los gases fríos procedentes de
las columnas. Los requerimientos de refrigeración de la planta para compensar las
ganancias de calor y la producción de productos líquidos son satisfechos por la
compresión y expansión de nitrógeno reciclado en las turbinas de expansión caliente
y fría. El corazón de la planta esta constituido por dos columnas de destilación que
operan a diferentes presiones acopladas térmicamente. En el condensador/evaporador
común a las columnas de destilación es donde tiene lugar el intercambio de calor
-5-
entre el GAN y el LOX. Debido a la diferencia de presiones entre las dos columnas
el N2 (mas volátil) es licuado en la columna inferior y el O2 (menos volátil)
vaporizado en la columna superior. Ambos flujos alimentaran directamente a su
correspondiente columna, siendo necesarios para mantener la eficiencia de la
rectificación. Inicialmente, el aire es parcialmente separado en la columna de alta
presión dando oxigeno líquido enriquecido y nitrógeno. La columna de baja presión
es alimentada con oxigeno líquido subenfriado procedente de la columna inferior a
través de una válvula de expansión. Análogamente, una parte del nitrógeno líquido
procedente de la parte superior de la columna de alta presión alimenta la parte alta de
la columna de baja presión, una vez ha sido subenfriado. La separación final del aire
tiene lugar en la columna de baja presión. Los productos gaseosos, O2 desde la base y
N2 desde la cabeza de la columna de baja presión, son calentados hasta temperatura
ambiente pasando a través de varios intercambiadores de calor. La producción de
argón tiene lugar en tres etapas consecutivas: compresión catálisis y purificación.
Las especificaciones de los flujos de entrada y salida a la planta analizada se dan
en la Tabla 1.
Tabla 1. Especificación de los productos de la planta.
Flujo
Cantidad (kg/h)
Pureza (% vol)
Aire
9182
Nitrógeno gas (GAN)
755
99,9995
Nitrógeno líquido (LIN)
1058
99,9995
Oxigeno gas (GOX)
Oxígeno líquido (LOX)
Argón liquido (LAR)
11
99,6
1813
99,6
0,7
99,9990
El producto (P) de la planta, o trabajo mínimo de separación (Wmin), es la
diferencia de exergía entre el aire que entra a la planta y los diferentes productos que
salen de ella, Wmin = 1166 kW. El fuel (F) de la planta, o trabajo real de separación,
será la suma de los consumos de energía eléctrica: Wreal = 4159 kW. Así pues, el
rendimiento exergético de la planta es η b = Wmin / Wreal = 0,28 (28%).
En la Tabla 2 se resume el análisis exergético. El rendimiento exergético de la
planta calculado a partir de la irreversibilidad de los distintos equipos conduce
nuevamente a η b = 1 − ∑ δ i = 0,28 (28%).
-6-
Tabla 2. Resultados del análisis exergético de la planta.
UNIDAD
Ii (kW)
δi =
Ii
FT
ψi =
Ii
∑ Ii
Compresión y limpieza
497
12,0%
16,6%
Licuefacción
1968
47,3%
65,8%
Destilación
307
7,4%
10,2%
Purificación argón
221
5,3%
7,4%
PLANTA TOTAL
2993
72,0%
100,0%
El balance exergético de la planta nos indica que existe una oportunidad de ahorro de 2993 kW, despilfarrados en irreversibilidades (I), ya que de los 4159 kW de
exergía (F) con los que se alimenta la planta solo 1166 kW (el 28%) son recuperados
en forma de productos (P). Más de la mitad de las irreversibilidades se producen en
la unidad de licuefacción. Esto de debe a la elevada cantidad de productos que abandonan la planta en estado liquido. Un estudio mas detallado, por equipos, puede
verse en Lozano et al (1998). El análisis exergético nos puede ayudar en la diagnosis
de la operación de la planta detectando signos de una operación ineficiente de sus
equipos, interpretar las posibles causas de su malfunción y cuantificar sus efectos en
términos de consumo adicional de recursos.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido posible gracias a una Ayuda a la Investigación de la
Fundación Domingo Martínez en su Convocatoria del curso 1997/1998.
BIBLIOGRAFÍA.
1. Bejan, A., (1988). Advanced Engineering Thermodynamics. Wiley.
2. Bender, E. (1973). An Equation of State for Predicting Vapour-Liquid Equilibria
of the System N2-Ar-O2. Cryogenics, Jan. 1973, pp. 227-235.
3. Lozano, M.A. y A. Valero (1988). Methodology for Calculating Exergy in
Chemical Processes. ASME Book G00449, pp. 77-86.
4. Lozano, M.A. et al (1998). Análisis termoeconómico de la unidad de separación
de aire en plantas de gasificación integrada con ciclo combinado. Informe a la
Fundación Domingo Martínez.