Análisis Pinch (1/2) – Introducción, tabla de intervalo de temperatura y diagrama de cascada

El Análisis Pinch (Análisis de Pinza/Pellizco, en inglés), también llamado Tecnología Pinch, es una metodología para el diseño de redes de intercambiadores de calor que busca la reducción del uso de energía en procesos industriales de calentamiento y enfriamiento (Rokini, 2016).

Intercambiador de calor de tubos y coraza

Este método se basa en la identificación de dos diferentes tipos de corrientes de flujo de material en las plantas químicas: las corrientes calientes, las cuales requieren ser enfriadas como parte del proceso; y las corrientes frías que tienen necesidades contrarias. Entonces, la red de intercambiadores de calor es diseñada de tal manera que las corrientes calientes den la mayor cantidad posible de calor a las corrientes frías (Ahmed, y otros, 2019).

Por lo tanto, una vez que se han identificado todas las corrientes, el Análisis Pinch permite determinar el número mínimo de intercambiadores de calor necesarios y la menor cantidad de servicios de calentamiento (vapor) y enfriamiento que se tendrían que emplear para la operación de una planta.

En los últimos años, la implementación del Análisis Pinch en la industria química se ha visto impulsado por una mayor conciencia social e industrial sobre el cambio climático. Como se ha descrito anteriormente, la correcta implementación de esta metodología de diseño de redes de intercambio de calor provoca una reducción en los consumos energéticos y materiales de una empresa. Por lo tanto, el Análisis Pinch es una herramienta que mejora la ecoeficiencia y reduce la huella ambiental de las empresas (Ahmed, y otros, 2019).

Implementación

Para ilustrar la puesta en marcha del Análisis Pinch, se tomarán como ejemplo las siguientes 4 corrientes.

Debido a los requerimientos de cambio de temperatura listados para cada corriente, es posible saber que las primeras dos son del tipo caliente; mientras que las otras son frías. En otras palabras, si la diferencia de temperatura entre la salida y la entrada es negativa, la corriente es caliente.

El siguiente paso es establecer una temperatura mínima de acercamiento térmico. Es decir, un valor de diferencia de temperatura mínimo entre la entrada de una corriente caliente y la salida de una corriente fría. No existe una regla para decidir una temperatura mínima de acercamiento, muchos ingenieros deciden usar 10 °C o 10 °F; en este caso, se usarán 20 °F.

El parámetro definido en el párrafo anterior será usado para construir una tabla de temperatura, en la cual se enlistarán las temperaturas de entrada y de salida de las 4 corrientes; así como su capacidad calorífica. Esta tabla cuenta con dos lados; el de la izquierda les corresponde a las corrientes calientes, y el de la derecha, a las frías.

Primeramente, se enlistarán las temperaturas de entrada y salida de las corrientes calientes en orden descendente. Luego, del lado derecho de la tabla se colocará el resultado de restar la temperatura mínima de acercamiento a la temperatura de la corriente caliente. Una vez que se haya hecho este paso, se colocarán las temperaturas de entrada y salida de manera descendente en el lado derecho de la tabla (de manera ideal, algunas de estas temperaturas coincidirán con las que se agregaron como resultado de la resta del paso pasado). De manera contraria a lo hecho con las temperaturas calientes, a las temperaturas de las corrientes frías les deberá corresponder del lado izquierdo una temperatura que sea igual a la suma de esta y la T de acercamiento térmico.

Entonces, para este ejemplo, la tabla se verá de la siguiente manera, en la cual las temperaturas en rojo y azul son las originales de entrada y salida para las corrientes; mientras que las verdes representan las que se añadieron a causa del ajuste con la temperatura mínima de acercamiento. Cabe recalcar que los intervalos de temperatura no están dibujados a escala.

A cada intervalo de temperatura de la tabla se le asignará una letra para identificarlo. A estos segmentos se les llamará “bloques” y la letra que los identifica se colocará al centro de la tabla. También, se trazarán flechas que representen el cambio de temperatura para cada corriente.

Luego, se determinará la carga térmica de cada bloque, la cual es el resultado de la diferencia de la suma de la capacidad calorífica total de las corrientes calientes en el intervalo, y las necesidades de calentamiento de las corrientes frías en el mismo intervalo; donde estos parámetros son iguales a la suma de los productos de las capacidades caloríficas (mCp) y el intervalo de temperatura, para cada lado de la tabla. Por ejemplo, para el bloque C, existen 2 corrientes con mCp de 4 mil BTU/h, y el segmento es de 110°F; por lo tanto, hay capacidad calorífica de 880 mil BTU/h. No obstante, en el mismo segmento del lado frío hay dos corrientes de 3 y 5 mil BTU, las cuales representan necesidades de calentamiento de 880 mil BTU/h. Por consecuencia, la carga térmica neta del bloque C es de 0 BTU/h.

La siguiente imagen muestra los bloques; así como las cargas térmicas netas y parciales para los bloques y las corrientes (en miles de BTU/h), respectivamente.

El objetivo de generar bloques de temperatura y calcular su carga térmica neta es elaborar un diagrama de transferencia de calor. Según la metodología, la energía térmica debe ir descendiendo como cascada desde el primer bloque, a los demás. Una vez que esta energía se agote, se deberá añadir calor desde un servicio de calentamiento; a este punto se le conoce como “Pinch”. Luego, la energía de los siguientes bloques seguirá su descenso hasta que ya no haya bloques a los cuales ceder calor; por lo que se tendrá que añadir un servicio de enfriamiento que absorba ese excedente. Para el ejemplo discutido, el diagrama resultante es el siguiente.

En el siguiente artículo, se usarán el diagrama de cascada y la tabla de temperaturas para diseñar la red optimizada de intercambiadores de calor.

Referencias:

• Ahmed, S., Schmalzer, D., Essendelft, D., Shadle, L., Siefert, N., Link, D., . . . Dees, D. (2019). Energy Resources, Conversion and Utilization. In D. Green, & M. Southard, Perry's Chemical Engineers' Handbook. Estados Unidos: McGraw-Hill.

• Bade, M., & Bandyopadhyay, S. (2012). Targeting Minimum Heat Transfer Fluid Flow for Multiple Heat Demands. Computer Aided Chemical Engineering, 675-679.

• Rokini, M. (2016). Introduction to Pinch Technology. Technical University of Denmark.