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.

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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 ))

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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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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%).

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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.