Análisis de pellizco

El análisis pinch es una metodología para minimizar el consumo energético de los procesos químicos mediante el cálculo de objetivos energéticos termodinámicamente factibles (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 funcionamiento del proceso. También se conoce como integración de procesos, integración térmica, integración energética o tecnología pinch.

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 del SI W) frente a la temperatura (unidad del SI K). Estos datos se combinan para todas las corrientes de la planta para dar curvas compuestas, una para todas las corrientes calientes (que liberan calor) y otra para todas las corrientes frías (que requieren calor). El punto de aproximación más cercana entre las curvas compuestas caliente y fría es el punto de pinzamiento (o simplemente pinzamiento) con una temperatura de pinzamiento de la corriente caliente y una temperatura de pinzamiento de la corriente fría. Aquí es donde el diseño está más restringido. Por lo tanto, al encontrar este punto y comenzar el diseño allí, se pueden lograr los objetivos de energía utilizando intercambiadores de calor para recuperar calor entre corrientes calientes y frías en dos sistemas separados, uno para temperaturas superiores a las temperaturas de pinzamiento y otro para temperaturas inferiores a las temperaturas de pinzamiento. En la práctica, durante el análisis de pinch de un diseño existente, a menudo se encuentran intercambios de calor cruzados entre una corriente caliente con su temperatura por encima de la pinch y una corriente fría por debajo de la pinch. La eliminación de esos intercambiadores mediante un emparejamiento alternativo hace 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 calor y frío necesarios para un proceso sin conocer la red de intercambiadores de calor que podría lograrlo. También se puede estimar el área de intercambio de calor necesaria".

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

Bodo Linnhoff desarrolló la "Tabla de problemas", un algoritmo para calcular los objetivos energéticos y elaboró la base para el cálculo de la superficie requerida, conocida como "red de espagueti". Estos algoritmos permitieron la aplicación práctica de la técnica.

En 1982 se incorporó al Instituto de Tecnología de la Universidad de Manchester (UMIST, actual Universidad de Manchester) para continuar con el trabajo. En 1983 creó una empresa de consultoría conocida como Linnhoff March International, posteriormente adquirida por KBC Energy Services.

Desde entonces se han desarrollado muchas mejoras que se han utilizado en una amplia gama de industrias, incluida la extensión a sistemas de calor y energía y situaciones no relacionadas con procesos. La explicación más detallada de las técnicas es la de Linnhoff et al. (1982), Shenoy (1995), Kemp (2006) y Kemp y Lim (2020), mientras que Smith (2005) incluye varios capítulos sobre ellas. Ahora hay disponibles programas detallados y simplificados (hojas de cálculo) para calcular los objetivos energéticos. Consulte el software de análisis Pinch a continuación.

En los últimos años, el análisis Pinch se ha extendido más allá de las aplicaciones energéticas. Ahora incluye:

• Mass Exchange Networks (El-Halwagi y Manousiouthakis, 1989)
• Pisto de agua (Yaping Wang y Robin Smith, 1994; Nick Hallale, 2002; Prakash y Shenoy, 2005)
• Hidrogen pinch (Nick Hallale et al., 2003; Agrawal y Shenoy, 2006)
• Pisto de carbono (referenciado en Kemp y Lim, 2020)

El análisis clásico de pinch calcula principalmente los costos de energía para el servicio de calefacción y refrigeración. En el punto de pinchamiento, donde las corrientes calientes y frías son las más restringidas, se requieren grandes intercambiadores de calor para transferir calor entre las corrientes calientes y frías. Los intercambiadores de calor grandes implican altos costos de inversión. Para reducir el costo de capital, en la práctica se exige una diferencia de temperatura mínima (Δ T) en el punto de pinchamiento, 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 Δ T. Sin embargo, la curva de costos es bastante plana y el óptimo puede verse afectado por "trampas topológicas". El método de pinchamiento no siempre es apropiado para redes simples o donde existen restricciones operativas severas. Kemp (2006) y Kemp y Lim (2019) analizan estos aspectos en detalle.

El problema de integrar el calor entre corrientes frías y calientes y encontrar la red óptima, en particular en términos de costos, puede resolverse hoy con algoritmos numéricos. La red puede formularse como un problema de programación no lineal de enteros mixtos (MINLP) y resolverse con un solucionador numérico apropiado. Sin embargo, los problemas MINLP a gran escala todavía pueden ser difíciles de resolver para los algoritmos numéricos actuales. Alternativamente, se hicieron algunos intentos de formular los problemas MINLP como problemas lineales de enteros mixtos, donde luego se seleccionan y optimizan las redes posibles. Para redes simples de unas pocas corrientes e intercambiadores de calor, los métodos de diseño manual con software de orientación simple suelen ser adecuados y ayudan al ingeniero a comprender el proceso.

• Directiva CHP – UE Directiva sobre cogeneración de calor y poder
• Política energética de la Unión Europea – Legislación en materia de energía en la Unión Europea
• Costo relativo de la electricidad generado por diferentes fuentes – Comparación de costos de diferentes fuentes de electricidadPáginas que muestran descripciones cortas de objetivos redireccionados
• Cogeneración - Generación simultánea de electricidad y calor útil
• Flujo de proceso – uso de ayudas informáticas para realizar cálculos para un proceso químicoPáginas que muestran descripciones de wikidata como retroceso

• El-Halwagi, M. M. y V. Manousiouthakis, 1989, "Synthesis of Mass Exchange Networks", AIChE J., 35(8), 1233–1244.
• Kemp, I.C. (2006). Pinch Analysis and Process Integration: A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy, 2nd edition. Incluye software de hoja de cálculo. Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-8260-4. (primera edición: Linnhoff et al., 1982).
• Kemp, I.C. y Lim, J.S. (2020). Pinch Analysis for Energy and Carbon Footprint Reduction: A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy, 3rd edition. Incluye software de hoja de cálculo. Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-102536-9.
• Linnhoff, B., D.W. Townsend, D. Boland, G.F. Hewitt, B.E.A. Thomas, A.R. Guy and R.H. Marsland, (1982) Guía de usuario sobre integración de procesos para el uso eficiente de la energía. IChemE, Reino Unido.
• Shenoy, U.V. (1995). Sintesis de red de intercambio de calor: Optimización de procesos por análisis de energía y recursos. Incluye dos discos de computadora. Gulf Publishing Company, Houston, TX, USA. ISBN 0-88415-391-6.
• Smith, R. (2005). Diseño e integración de procesos químicos. John Wiley y Sons. ISBN 0-471-48680-9
• Hallale, Nick. (2002). Un nuevo método gráfico para la minimización del agua. Avances en Investigación Ambiental. 6(3): 377-390
• Nick Hallale, Ian Moore, Dennis Vauk, "Hydrogen optimization at minimal investment", Petroleum Technology Quarterly (PTQ), Spring (2003)
• Agrawal, V. y U. V. Shenoy, 2006, "Unified Conceptual Approach to Targeting and Design of Water and Hydrogen Networks", AIChE J., 52(3), 1071–1082.
• Wang, Y. P. and Smith, R. (1994). Minimización de aguas residuales. Chemical Engineering Science. 49: 981-1006
• Prakash, R. and Shenoy, U.V. (2005) Targeting and Design of Water Networks for Fixed Flowrate and Fixed Contaminant Load Operations. Chemical Engineering Science. 60(1), 255-268
• de Klerk, LW, de Klerk, MP and van der Westhuizen, D "Mejoras en el capital del circuito de uranio hidrometolarúrgico y costos operativos por la gestión e integración de objetivos de energía de uso y proceso" Conferencia AusImm, U 2015

• PinCH - Software para procesos continuos y por lotes, incluyendo bucles de recuperación de calor indirecto y almacenamientos de energía. Manuales, tutoriales, estudios de casos e historias de éxito disponibles
• HeatIT - Versión libre (luz) del software Pinch Analysis que funciona en Excel - desarrollado por Pinchco, una empresa de consultoría que ofrece asesoramiento experto en asuntos relacionados con la energía
• Simulis Pinch - Herramienta de ProSim SA que se puede utilizar directamente en Excel y que se dedica al diagnóstico y la integración energética de los procesos.
• Integración - Una herramienta de computación de integración de procesos práctico y de bajo costo desarrollada por CanmetENERGY, la principal organización de investigación y tecnología de Canadá en el campo de la energía limpia.
• Pinch Analysis Tool - El software de análisis de pellizcos en línea de TLK-Energy le permite identificar rápidamente el potencial de eficiencia en los flujos de calor no utilizados e integrar óptimamente las bombas de calor para su operación industrial.