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Timestamp: 2018-09-20 01:36:34+00:00

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SIMULACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR, DISEÑO DE REDES DE INTERCAMBIO CALÓRICO Y ESTIMACIÓN DE COSTOS USANDO ASPEN - PDF
SIMULACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR, DISEÑO DE REDES DE INTERCAMBIO CALÓRICO Y ESTIMACIÓN DE COSTOS USANDO ASPEN
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Dolores Naranjo Reyes
1 UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA SIMULACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR, DISEÑO DE REDES DE INTERCAMBIO CALÓRICO Y ESTIMACIÓN DE COSTOS USANDO ASPEN EDUARDO ANTONIO SILVA ALVARADO 2012
2 UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA SIMULACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR, DISEÑO DE REDES DE INTERCAMBIO CALÓRICO Y ESTIMACIÓN DE COSTOS USANDO ASPEN Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero Civil Químico Profesor Guía: Sr. Lorenzo Lazaneo Cerda EDUARDO ANTONIO SILVA ALVARADO 2012
3 RESUMEN En el presente Trabajo de Título denominado, SIMULACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR, DISEÑO DE REDES DE INTERCAMBIO CALÓRICO Y ESTIMACIÓN DE COSTOS USANDO ASPEN, se han utilizado las herramientas del programa para realizar estimaciones económicas de un proceso, diseñar redes de intercambio calórico y simular un intercambiador de calor. Se utilizó el programa Aspen Capital Cost Estimator para estimar el costo de equipos y el costo de la inversión de capital fijo de un proceso de obtención de gas natural licuado, simulado en Aspen HYSYS. Los costos entregados por Aspen Capital Cost Estimator se compararon con los resultados obtenidos a través de ecuaciones y métodos bibliográficos para la estimación de la inversión de capital fijo. Se crearon tres diseños de redes de intercambiadores de calor para un proceso simple, utilizando las herramientas del Aspen Energy Analyzer. Se analizaron los diseños creados para luego elegir el más económico. Los valores objetivo entregados por el programa se compararon con los obtenidos a través de la resolución de la tabla problema y cascada. Con el programa Aspen Exchanger Design & Rating, se realizó la simulación de un intercambiador de calor perteneciente a la empresa Methanex cuyos datos de dimensionamientos fueron extraídos desde la tesis denominada Simulación Estacionaria Usando Aspen Plus realizada por María Daniela Bañados García. Las temperaturas de salida del intercambiador se compararon, para siete paquetes termodinámicos, con las del programa Aspen HYSYS. i
4 Además se creó un manual para cada programa estudiado, para ser utilizados por los alumnos de las asignaturas de diseño de procesos y diseño de proyectos, cuyo resumen se puede revisar en este documento. ii
5 ÍNDICE RESUMEN... I ÍNDICE... III ILUSTRACIONES Y TABLAS... VI INTRODUCCIÓN... X I - ANTECEDENTES GENERALES PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS... 2 II - ANTECEDENTES TEÓRICOS ESTIMACIÓN DE COSTOS INVERSIÓN DE CAPITAL INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO CAPITAL DE TRABAJO MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE LA INVERSIÓN DE CAPITAL ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR EVALUACIÓN ECONÓMICA ANÁLISIS DE DECISIONES RESULTADOS GENERADOS POR ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR ASPEN ENERGY ANALYZER SIGNIFICADO DEL TÉRMINO TECNOLOGÍA PINCH PRINCIPIOS DEL ANÁLISIS PINCH OBJETIVOS DEL ANÁLISIS PINCH CONCEPTOS CLAVE DEL ANÁLISIS PINCH HERRAMIENTAS DE RESOLUCIÓN DE ASPEN ENERGY ANALYZER VENTAJAS DEL ASPEN ENERGY ANALYZER ASPEN EXCHANGER DESIGN & RATING TECNOLOGÍA HTFS Y B-JAC TIPOS DE CÁLCULO QUE REALIZA ASPEN ED&R iii
6 III - RESUMEN DE LOS MANUALES ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR INTERFAZ DE ICARUS MENSAJES DE ADVERTENCIA Y ERROR EN ASPEN CCE SOLUCIÓN DE ERRORES MODIFICAR UN SERVICIO AUXILIAR DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS DEFINICIÓN DE LAS BASES DEL PROYECTO CAMBIO EN LA CAPACIDAD DE LA PLANTA DESARROLLO ECONÓMICO, DETALLADO, DE UN PROCESO EVALUACIÓN ECONÓMICA DE UN PROYECTO RESULTADOS GENERADOS POR ASPEN CCE ASPEN ENERGY ANALYZER INTERFAZ DE ASPEN ENERGY ANALYZER HERRAMIENTAS DE DISEÑO INGRESO DE DATOS AGREGAR UN INTERCAMBIADOR DE CALOR DISEÑAR UNA RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR ESPECIFICAR LA INFORMACIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR OPTIMIZAR LA RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR RESULTADOS ENTREGADOS POR LAS HERRAMIENTAS DE DISEÑO AGREGAR UN DISEÑO DISEÑOS RECOMENDADOS POR ASPEN ENERGY ANALYZER MODO DE RETROFIT APLICACIÓN AUTOMÁTICA DE LAS OPCIONES DEL MODO RETROFIT EXTRACCIÓN DE DATOS DESDE UNA SIMULACIÓN ASPEN HYSYS Ó ASPEN PLUS ASPEN EXCHANGER DESIGN & RATING DEFINICIÓN DEL PROBLEMA PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS GEOMETRÍA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR RESUMEN DE RESULTADOS RESUMEN MECÁNICO IV - PARTE EXPERIMENTAL MODELACIONES Y RESULTADOS ESQUEMA DE DESARROLLO DATOS Y RESULTADOS MODIFICACIONES DE LA SIMULACIÓN LNG PLANT DATOS DE LA SIMULACIÓN LNG PLANT ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR iv
7 4.2.4 ASPEN ENERGY ANALYZER ASPEN EXCHANGER DESIGN & RATING ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS V - CONCLUSIONES VI - BIBLIOGRAFÍA FUENTES CONSULTADAS INTERNET SITIOS CONSULTADOS ANEXOS A - FÓRMULAS PARA LA ESTIMACIÓN DE COSTOS DE EQUIPOS B - CHEMICAL ENGINEERING PLANT COST INDEX DE 1950 A C - COSTO DE LOS EQUIPOS DEL PROCESO D - DETALLE ECONÓMICO DE LOS EQUIPOS DEL PROCESO E - MÉTODOS BIBLIOGRÁFICOS PARA EL CÁLCULO DE LA INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO. 142 F - COSTO DE LA INVERSIÓN DEL CAPITAL FIJO ENTREGADO POR ASPEN CCE G - FLUJO DE CAJA DEL PROYECTO H - CALENDARIO DEL PROYECTO I - VIOLACIÓN DEL T MIN EN EL DISEÑO N J - DISEÑOS RECOMENDADOS POR ASPEN ENERGY ANALYZER v
8 ILUSTRACIONES Y TABLAS ILUSTRACIÓN 1.- ESQUEMA DE LA INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO ILUSTRACIÓN 2.- CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE LA INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO ILUSTRACIÓN 3.- PASOS EJECUTADOS POR ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR PARA LA EVALUACIÓN ECONÓMICA DE UN PROCESO ILUSTRACIÓN 4.- MUESTRA EL PROCEDIMIENTO DE RESOLUCIÓN DEL ASPEN ENERGY ANALYZER ILUSTRACIÓN 5.- MUESTRA LA INTERFAZ DE ICARUS ILUSTRACIÓN 6.- MUESTRA EL ERROR EN EL TANQUE DE ALMACENAMIENTO TK ILUSTRACIÓN 7.- FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO TK ILUSTRACIÓN 8.- VENTANA DEVELOP UTILITY SPECIFICATIONS, AL MODIFICAR UN SERVICIO AUXILIAR ILUSTRACIÓN 9.- DATOS DE OPERACIÓN DE UN SERVICIO AUXILIAR DE REFRIGERACIÓN (PROPANO) ILUSTRACIÓN 10.- DATOS DE DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE TK ILUSTRACIÓN 11.- MUESTRA LAS OPCIONES DEL CAMPO INDEXING ILUSTRACIÓN 12.- MUESTRA LOS PARÁMETROS DE INVERSIÓN DEL PROYECTO ILUSTRACIÓN 13.- CAMBIO EN LA CAPACIDAD DE LA PLANTA ILUSTRACIÓN 14.- DESARROLLO ECONÓMICO DETALLADO DEL PROCESO ILUSTRACIÓN 15.- ASPECTO DE LA VENTANA EVALUATE PROJECT ILUSTRACIÓN 16.- ASPECTO DE LA VENTANA SCAN MESSEGES ILUSTRACIÓN 17.- ASPECTO DE LA VENTANA EVALUATE PROJECT CAPITAL COST/SCHEDULE ILUSTRACIÓN 18.- ASPECTO DE LA HOJA DE CÁLCULO EQUIPMENT ILUSTRACIÓN 19.- ASPECTO DE LA VENTANA SELECT REPORT TYPE TO VIEW ILUSTRACIÓN 20.- VENTANA APSEN ICARUS REPORTER. SE IMPORTAN Y CARGAN LOS INFORMES DESDE ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR ILUSTRACIÓN 21.- VENTANA ASPEN ICARUS REPORTER, MUESTRA LOS TIPOS DE INFORMES ILUSTRACIÓN 22.- ASPECTO DE UN INFORME ESTÁNDAR ILUSTRACIÓN 23.- VENTANA SELECT REPORT TYPE TO VIEW. ESTÁN SELECCIONADOS LOS INFORMES DE EVALUACIÓN ILUSTRACIÓN 24.- ASPECTO DE ICARUS EDITOR ILUSTRACIÓN 25.- ASPECTO DE LA INTERFAZ DE HI CASE ILUSTRACIÓN 26.- ASPECTO DE LA INTERFAZ DE HI PROJECT ILUSTRACIÓN 27.- PALETA DESIGN TOOLS, PARA CADA MODALIDAD DE TRABAJO DEL PROGRAMA ASPEN ENERGY ANALYZER ILUSTRACIÓN 28.- ASPECTO DE LA INTERFAZ DE HI CASE, CON LOS DATOS DEL PROCESO ILUSTRACIÓN 29.- MUESTRA EL BOTÓN CON EL CUAL SE AGREGAN LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR ILUSTRACIÓN 30.- PROCEDIMIENTO GRÁFICO, PARA AGREGAR UN INTERCAMBIADOR DE CALOR ILUSTRACIÓN 31.- ASPECTO DEL DIAGRAMA DE RED ILUSTRACIÓN 32.- MUESTRA, EN EL DIAGRAMA DE RED, LA LÍNEA QUE MARCA LAS TEMPERATURAS DEL PUNTO PINCH vi
9 ILUSTRACIÓN 33.- ESPECIFICACIONES DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR, PESTAÑA DATA ILUSTRACIÓN 34.- MUESTRA EL BOTÓN OPEN OPTIMIZATION VIEW, EN LA PALETA DE HERRAMIENTAS ILUSTRACIÓN 35.- ASPECTO DE LA VENTANA OPTIMIZATION OPTIONS ILUSTRACIÓN 36.- BOTONES DE LA PALETA DESIGN TOOLS, QUE ENTREGAN RESULTADOS DEL DISEÑO DE UNA RIC ILUSTRACIÓN 37.- ASPECTO DE LA VENTANA NETWORK PERFORMANCE ILUSTRACIÓN 38.- MUESTRA EL BOTÓN ADD, EN EL PANEL VIEWER ILUSTRACIÓN 39.- ASPECTO DE LA VENTANA ADD DESIGN ILUSTRACIÓN 40.- ASPECTO DEL PANEL VIEWER Y MAIN CUANDO SE AGREGA UN NUEVO DISEÑO ILUSTRACIÓN 41.- MUESTRA LAS OPCIONES DISPONIBLES DEL MENÚ EMERGENTE DEL PANEL VIEWER ILUSTRACIÓN 42.- MUESTRA LA VENTANA RECOMMEND NEAR-OPTIMAL DESIGNS CON LOS NUEVOS VALORES ILUSTRACIÓN 43.- MUESTRA LOS 5 DISEÑOS RECOMENDADOS POR ASPEN ENERGY ANALYZER ILUSTRACIÓN 44.- VENTANA OPTIONS, AL INGRESAR AL MODO RETROFIT A TRAVÉS DE UN DISEÑO ILUSTRACIÓN 45.- ASPECTO DE UN DISEÑO EN MODO RETROFIT ILUSTRACIÓN 46.- OPCIONES DEL MODO RETROFIT ILUSTRACIÓN 47.- ESCENARIO EN MODO RETROFIT ILUSTRACIÓN 48.- ASPECTO DE LA VENTANA RETROFIT SPECIFICATIONS ILUSTRACIÓN 49.- INDICA QUE SE APLICÓ, SATISFACTORIAMENTE, LA OPCIÓN MOVE BOTH END OF A HEAT EXCHANGER ILUSTRACIÓN 50.- ASPECTO DEL DIAGRAMA DE RED LUEGO DE EJECUTAR LA OPCIÓN MOVE BOTH END OF A HEAT EXCHANGER, EN MODO RETROFIT ILUSTRACIÓN 51.- ASPECTO DE LA VENTANA EXTRACTION WIZARD, PÁGINA START ILUSTRACIÓN 52.- ASPECTO DE LA VENTANA EXTRACTION WIZARD, PÁGINA SELECT FILE ILUSTRACIÓN 53.- OPCIONES SELECCIONADAS EN EL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN APPLICATION OPTIONS ILUSTRACIÓN 54.- FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN PROCESS DATA CON LOS DATOS DE OPERACIÓN INGRESADOS ILUSTRACIÓN 55.- MUESTRA LOS PAQUETE DE PROPIEDADES FÍSICAS DISPONIBLES ILUSTRACIÓN 56.- PROCEDIMIENTO GRÁFICO PARA AGREGAR UN COMPONENTE, DESDE LA VENTANA FIND COMPOUNDS ILUSTRACIÓN 57.- PESTAÑA COMPOSITION DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN HOT STREAM (1) COMPOSITION ILUSTRACIÓN 58.- PESTAÑA PROPERTY METHODS DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN PROPERTY DATA ILUSTRACIÓN 59.- PESTAÑA PROPERTIES, DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN HOT STREAM (1) PROPERTIES ILUSTRACIÓN 60.- PESTAÑA SHELL/HEADS, DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN SHELL/HEADS/FLANGES/TUBESHEETS ILUSTRACIÓN 61.- PESTAÑA LAYOUT PARAMETERS, DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN BUNDLE LAYOUT vii
10 ILUSTRACIÓN 62.- PESTAÑA BAFFLES, DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN BAFFLES/SUPPORTS ILUSTRACIÓN 63.- PESTAÑA ALL, DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN WARNINGS & MESSAGES ILUSTRACIÓN 64.- PESTAÑA RECAP OF DESIGN, DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN RECAP OF DESIGN. 74 ILUSTRACIÓN 65.- PESTAÑA SETTING PLAN, DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN SETTING PLAN & TUBESHEET LAYOUT ILUSTRACIÓN 66.- PESTAÑA COSTS/WEIGHTS, DEL FORMULARIO SETTING PLAN & TUBESHEET LAYOUT ILUSTRACIÓN 67.- ESQUEMA GENERAL DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE GAS NATURAL LICUADO EN ASPEN HYSYS ILUSTRACIÓN 68.- ENFRIADORES DEL ÁREA DE PRE-ENFRIAMIENTO CON PROPANO ILUSTRACIÓN 69.- MUESTRA LOS INTERCAMBIADORES LNG EN EL ÁREA DE LICUADO DEL GAS NATURAL ILUSTRACIÓN 70.- ASPECTO GENERAL DEL PROCESO MODIFICADO ILUSTRACIÓN 71.- ASPECTO DEL ÁREA DE PRE-ENFRIAMIENTO CON PROPANO ILUSTRACIÓN 72.- ASPECTO DEL ÁREA DE COMPRESIÓN DEL REFRIGERANTE ILUSTRACIÓN 73.- ASPECTO DEL ÁREA DE LICUADO DEL GAS NATURAL ILUSTRACIÓN 74.- ASPECTO DEL ÁREA DE ALMACENAMIENTO ILUSTRACIÓN 75.- MUESTRA EL PROCESO DE ESTUDIO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO ILUSTRACIÓN 76.- VALORES OBJETIVOS CALCULADOS POR ASPEN EA PARA UN T MIN DE 12ºC ILUSTRACIÓN 77.- CURVAS COMPUESTAS ILUSTRACIÓN 78.- CURVAS COMPUESTAS CORREGIDAS ILUSTRACIÓN 79.- GRAN CURVA COMPUESTA ILUSTRACIÓN 80.- DISEÑO DE LA RIC CON CINCO UNIDADES Y T MIN DE 12ºC ILUSTRACIÓN 81.- DISEÑO DE LA RIC CON CINCO UNIDADES Y T MIN DE 12ºC ILUSTRACIÓN 82.- DISEÑO DE LA RIC CON NUEVE UNIDADES Y T MIN DE 12ºC ILUSTRACIÓN 83.- DISEÑO DE LA RIC CON SIETE UNIDADES Y T ÓPTIMO DE 9ºC ILUSTRACIÓN 84.- MUESTRA EL PROCESO CON LA RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR NUEVA ILUSTRACIÓN 85.- MUESTRA EL INTERCAMBIADOR DE CALOR SIMULADO EN ASPEN HYSYS ILUSTRACIÓN 86.- RESUMEN DE RESULTADOS ENTREGADO POR ASPEN ED&R ILUSTRACIÓN 87.- MUESTRA LA GEOMETRÍA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR ILUSTRACIÓN 88.- MUESTRA LOS DATOS DE PESO Y ECONÓMICOS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR TABLA 1.- TIPO Y PRECISIÓN DE LAS ESTIMACIONES TABLA 2.- NÚMERO DE LOCALIDADES DISPONIBLE EN CADA REGIÓN TABLA 3.- DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE LA INTERFAZ DE ICARUS TABLA 4.- DATOS DE DIMENSIONAMIENTO PARA LOS TANQUES DE ALMACENAMIENTO DEL PROCESO TABLA 5.- DATOS DE OPERACIÓN DE LA MATERIA PRIMA TABLA 6.- COMPONENTES Y COMPOSICIÓN DE LA MATERIA PRIMA TABLA 7.- DATOS DE OPERACIÓN DEL PRODUCTO TABLA 8.- COMPONENTES Y COMPOSICIÓN DEL PRODUCTO TABLA 9.- EQUIPOS DE CADA ÁREA DEL PROCESO TABLA 10.- DATOS DE LA TORRE DEL SERVICIO AUXILIAR DE AGUA DE ENFRIAMIENTO viii
11 TABLA 11.- ESPECIFICACIONES GENERALES DEL SERVICIO AUXILIAR DE AIRE TABLA 12.- DATOS DE PRESIÓN Y TEMPERATURA DE OPERACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR. 90 TABLA 13.- DATOS DE PRESIÓN Y TEMPERATURA DE OPERACIÓN DE LOS SEPARADORES TABLA 14.- DATOS DE PRESIÓN Y TEMPERATURA DE OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES TABLA 15.- DATOS DE PRESIÓN TEMPERATURA DE OPERACIÓN DE LOS ESTANQUES DE ALMACENAMIENTO TABLA 16.- MATERIAL SELECCIONADO PARA CADA EQUIPO INVOLUCRADO EN EL PROCESO TABLA 17.- MATERIALES DE AISLACIÓN SELECCIONADO PARA LOS TANQUES DE ALMACENAMIENTO TABLA 18.- DIMENSIONES CALCULADA POR ASPEN CCE PARA LOS TANQUE DE ALMACENAMIENTO TABLA 19.- POTENCIA CALCULADA POR ASPEN CCE PARA LOS COMPRESORES TABLA 20.- DIMENSIONES CALCULADOS POR ASPEN CCE PARA LOS SEPARADORES TABLA 21.- ÁREA CALCULADA POR ASPEN CCE PARA LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TABLA 22.- ERROR RELATIVO PROMEDIO DEL COSTO DE ADQUISICIÓN Y TOTAL DE LOS EQUIPOS DEL PROCESO TABLA 23.- MUESTRA LOS FACTORES UTILIZADOS PARA EL MÉTODO DE CHILTON TABLA 24.- MUESTRA LOS FACTORES UTILIZADOS PARA EL MÉTODO DE HOLLAND TABLA 25.- PORCENTAJES UTILIZADOS PARA EL MÉTODO PETERS AND TIMMERHAUS TABLA 26.- RESULTADO DE LA INVERSIÓN DEL CAPITAL FIJO TABLA 27.- COSTOS POR ÍTEMS DE LOS MÉTODOS CHILTON, HOLLAND Y ASPEN CCE TABLA 28.- COSTOS POR ÍTEMS DEL MÉTODO PETERS-TIMMERHAUS Y ASPENCCE TABLA 29.- PARÁMETROS ECONÓMICOS DEL PROYECTO TABLA 30.- DATOS TÉRMICOS DE LAS CORRIENTES DEL PROCESO TABLA 31.- DATOS DE LAS CORRIENTES DE SERVICIO AUXILIAR TABLA 32.- DATOS DE DISEÑO Y COSTO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TABLA 33.- VALORES DE T MIN RECOMENDADOS TABLA 34.- RESOLUCIÓN DE LA TABLA PROBLEMA TABLA 35.- MUESTRA LAS VARIABLES CLAVE OBTENIDAS DE LA TABLA PROBLEMA Y DE LA CASCADA TABLA 36.- OBTENCIÓN DEL T ÓPTIMO TABLA 37.- CARACTERÍSTICAS DE LOS TRES DISEÑOS DE LAS REDES DE INTERCAMBIADORES DE CALOR PROPUESTAS TABLA 38.- COSTOS DE LOS TRES DISEÑOS DE LAS REDES DE INTERCAMBIADORES DE CALOR PROPUESTAS TABLA 39.- DATOS DE OPERACIÓN DEL LADO DE LOS TUBOS TABLA 40.- MUESTRA LOS COMPONENTES Y LA COMPOSICIÓN DEL LADO DE LOS TUBOS TABLA 41.- DATOS DE OPERACIÓN DEL LADO DE LA CARCASA TABLA 42.- MUESTRA LOS COMPONENTES Y LA COMPOSICIÓN DEL LADO DE LA CARCASA TABLA 43.- RESULTADO DE LAS TEMPERATURAS DE SALIDA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR TABLA 44.- RESULTADO DE LAS FRACCIONES MOLARES DE VAPOR TABLA 45.- ERROR RELATIVO DE LAS TEMPERATURAS DE SALIDA Y DE LA FRACCIÓN MOLAR DE VAPOR TABLA 46.- FLUJO DE LOS GASES NO CONDENSABLES EN FASE LÍQUIDA DEL ASPEN HYSYS TABLA 47.- FLUJO DE LOS GASES NO CONDENSABLES EN FASE LÍQUIDA DEL ASPEN ED&R ix
12 INTRODUCCIÓN Los simuladores computacionales son una herramienta útil para los procesos de la industria química, debido a su capacidad de predecir el comportamiento de un proceso, estimar costos de equipos, cambiar las condiciones de operación, optimización de las variables de operación y del proceso, y generar resultados en forma gráfica o de tablas. En el mercado se encuentran disponibles una serie de simuladores que cumplen con las características mencionadas en el párrafo anterior (Aspen HYSYS, Aspen Plus, ChemCad, Pro II, Superpro Design y Design II), algunos de ellos son poderosas herramientas de cálculo con una inmensa base de datos que contienen las propiedades físicas de miles de compuestos y sustancias químicas, selección de modelos termodinámicos, que entrega al simulador la ventaja de una gran versatilidad. Aspen HYSYS y Aspen Plus tienen en la actualidad cerca del 90% del mercado de los simuladores y constituyen la herramienta de punta en el diseño de procesos. Advanced System for Process Engineering (Aspen) fue desarrollado en la década de 1970 por investigadores del Laboratorio de Energía del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Este programa ha sido comercializado desde 1980 por la compañía Aspen Technology, la cual es líder en herramientas de modelado de proceso de diseño conceptual, optimización y monitoreo de desempeño para la industria química, polímeros, especialidades químicas, metales y minerales. El grupo de programas AspenONE, para los cálculos de ingeniería y las simulaciones, es la base para el diseño de nuevos procesos o mejoras de los procesos ya existentes. AspenONE está diseñado para satisfacer las demandas propias de cada sector de la industria química, y por ello, integra aplicaciones para que puedan ser implementadas las mejores prácticas para la optimización de las operaciones de ingeniería, fabricación y cadena de suministros. Como x
13 resultado, se mejoran los márgenes, reducen los costos y energéticamente se es más eficiente. AspenOne se divide sus aplicaciones en los siguientes cinco temas: Proceso de Ingeniería, Planificación y Programación, Control de Proceso Avanzado, Gestión de la Producción y Ejecución, Suministro y Distribución. En el presente documento se muestra las herramientas principales de los programas: Aspen Capital Cost Estimator, Aspen Energy Analyzer y Aspen Exchanger Design & Rating, pertenecientes al tema Proceso de Ingeniería. Estos programas se usan para estimar costo de capital y realizar integración de calor de un proceso, y simular intercambiadores de calor, respectivamente. xi
14 CAPÍTULO I ANTECEDENTES GENERALES
15 Capítulo I: Antecedentes Generales I - ANTECEDENTES GENERALES 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La justificación de este Trabajo de Título es el estudio de tres de los programas que posee Aspen V7.0, (Aspen Capital Cost Estimator, Aspen Energy Analyzer y Exchanger Design & Rating) con la finalidad de hacer el estudio económico y energético de un proceso, y realizar la simulación rigurosa de un intercambiador de calor. Paralelamente, se crea un manual de cada programa estudiado, para ser utilizados por los alumnos de las asignaturas de diseño de proyecto y procesos de la carrera Ingeniería Civil Química. 1.2 OBJETIVOS Objetivo General Diseñar un proceso y evaluarlo económicamente usando las potencialidades del simulador Aspen HYSYS, Aspen Capital Cost Estimator, Aspen Energy Analyzer y Aspen Exchanger Design & Rating Objetivos Específicos Diseño y simulación de un proceso químico usando Aspen HYSYS. Determinación de la inversión de capital fijo usando Aspen Capital Cost Estimator y realizar la comparación con otros métodos. Evaluación económica y optimización del proceso. 2
16 Capítulo I: Antecedentes Generales Diseño de redes de intercambiadores de calor usando Aspen Energy Analyzer. Simulación detallada de un intercambiador de calor usando Aspen Exchanger Designs & Rating. Generación de un manual para cada programa estudiado. Incluir los manuales básicos para el estudio y uso de estas herramientas, para que sirvan como apoyo a las asignaturas de diseño de procesos y diseño de proyectos. 3
17 CAPÍTILO II ANTECEDENTES TEÓRICOS
18 Capítulo II: Antecedentes Teóricos II - ANTECEDENTES TEÓRICOS En este capítulo se hace referencia, de manera teórica, a la estimación de costos de una planta de procesos y a los tres programas estudiados: Aspen Capital Cost Estimator, Aspen Energy Analyzer y Aspen Exchanger Design & Rating. 2.1 ESTIMACIÓN DE COSTOS El diseño aceptable de una planta debe presentar un proceso que sea capaz de operar en condiciones que produzca ganancias. Dado que el beneficio neto es igual al ingreso total menos todos los gastos, es esencial que el ingeniero químico esté al tanto de los diferentes tipos de costos que intervienen en el proceso. El capital tiene que ser asignado a gastos directos de la planta, como los de las materias primas, mano de obra y equipos. Además de los gastos directos, muchos de los gastos indirectos incurren en otros, y estos deben ser incluidos si se va a realizar un análisis completo del costo total. Algunos ejemplos de estos gastos indirectos son los sueldos administrativos, costos de distribución de productos, etc. Una inversión de capital es necesaria para cualquier proceso industrial, y la determinación de la inversión necesaria es una parte importante en el diseño de la planta de un proyecto. La inversión total para cualquier proceso consiste en la inversión de capital fijo para los equipos y las instalaciones en la planta más el capital de trabajo que debe estar disponible para pagar los salarios, mantener las materias primas y productos en mano, y manejar otros elementos especiales que requieren un desembolso directo. Así, en un análisis de los costos en los procesos industriales, los costos de inversión de capital, costos de fabricación y gastos generales, incluyendo impuestos sobre la renta deben ser tomados en consideración. 5
19 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Inversión de capital. Antes que una planta industrial pueda ser puesta en servicio, una gran cantidad de dinero debe ser suministrado para adquirir e instalar la maquinaria y los equipos necesarios. El terreno y los servicios auxiliares deben ser obtenidos, y la planta debe ser construida completa, con todas las tuberías, los controles y servicios. Además, es necesario tener dinero disponible para el pago de los gastos implicados en la operación de la planta. El capital necesario para la fabricación de las instalaciones necesarias para la planta se llama inversión de capital fijo, mientras que el capital necesario para el funcionamiento de la planta se llama capital de trabajo. La suma de capital fijo y el capital de trabajo se conoce como la inversión de capital total. La inversión de capital fijo puede ser subdividida en capital fijo directo y capital fijo indirecto Inversión de capital fijo. La inversión de capital fijo directo representa el capital necesario para que los equipos del proceso estén instalados con todos los servicios que son necesarios para la operación completa del proceso. El costo de las tuberías, instrumentación, el aislamiento, las fundaciones, y la preparación del terreno son ejemplos típicos de costos incluidos en la inversión de capital fijo directo. El capital fijo necesario para gastos de construcción y para todos los componentes de la planta que no están directamente relacionados con la operación del proceso es designado como la inversión de capital fijo indirecto. Estos componentes de la planta incluyen el terreno, edificios de administración y otras oficinas, bodegas, laboratorios, transporte, envío, y las instalaciones de recepción, instalación del servicio público y eliminación de residuo, y otras partes permanentes de la planta. Los costos generales de construcción se componen de los costos de la oficina de campo y supervisión, costos de ingeniería, costos de diversos de construcción, los honorarios del contratista e imprevistos. 6
20 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Ilustración 1.- Esquema de la inversión de capital fijo Capital de trabajo. El capital de trabajo para una planta industrial está formado por la cantidad total de dinero invertido en: Materias primas y abastecimiento que se mantiene en depósito. Productos terminados en depósito y productos semi-terminados que se encuentran en proceso de producción. Cuentas a cobrar. Dinero en efectivo para el pago mensual de los costos operativos, como sala, jornales y compras de materias primas. Cuentas a pagar. Impuestos a pagar. La relación de capital de trabajo para la inversión de capital total varía con las diferentes empresas, pero la mayoría de las plantas químicas utilizan un 7
21 Capítulo II: Antecedentes Teóricos capital inicial de trabajo entre un 10 y 20 por ciento de la inversión de capital total. Este porcentaje puede aumentar hasta un 50 por ciento o más para las empresas que producen productos de demanda estacional, debido a los grandes inventarios que deben mantenerse durante períodos considerables de tiempo Métodos de estimación de la inversión de capital. Existen diversos métodos para estimar la inversión de capital. La elección del método depende de la información disponible y la exactitud que se desea obtener. Los tipos de estimación se definen en función a su precisión. Según la Asociación para el Avance en la Ingeniería de Costos (AACE por sus siglas en inglés) existen cinco tipos de estimación. En la tabla 1 se muestran los datos relacionando las cuatro variables fundamentales que se manejan en la estimación: tiempo y costo de realización, precisión conseguida y datos empleados. Se observa que existe una relación directa entre el tiempo, costo y datos necesarios para realizar la estimación, mientras que el error es inversamente proporcional a aquellas. 8
22 Capítulo II: Antecedentes Teóricos TIPO DE ESTIMACIÓN ERROR % OBJETO TIEMPO Orden de magnitud 40 a 50 Estudio de rentabilidad Muy rápida Estudio 25 a 40 Diseño preliminar Rápida Preliminar 15 a 25 Aprobación de Presupuesto Media Definitiva 10 a 15 Control de Construcción Lenta Detallada 5 a 10 Contratos Llave en mano Muy lenta Tabla 1.- Tipo y precisión de las estimaciones. La ilustración 2 muestra como se clasifican los métodos para estimar la inversión del capital fijo según el tipo de estimación. Ilustración 2.- Clasificación de los métodos de estimación de la inversión de capital fijo. 9
23 Capítulo II: Antecedentes Teóricos 2.2 ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR Aspen Capital Cost Estimator (Aspen CCE) es una herramienta que permite hacer la evaluación económica de procesos, ya que estima el costo de capital y de operación, de modo que puede generar flujos de caja a partir de los cuales se hace el estudio de rentabilidad. Una ventaja importante de Aspen CCE es que puede usar simulaciones de procesos de simuladores como Aspen Plus, Aspen Hysys, ChemCad, entre otros, para tomar los datos sobre los equipos y las corrientes de proceso con el fin de hacer la evaluación económica. Si no se dispone de una simulación, el usuario puede proporcionar la información correspondiente a las corrientes de proceso y los equipos. Aspen CCE es capaz de hacer un dimensionamiento de los equipos, con el cual determina su costo. La estimación de costos de los equipos no se realiza en base a curvas de factor costo-capital, y la estimación de los costos de instalación, instrumentación, tubería, etc., no se calcula sólo como un porcentaje del costo de los equipos, sino que siguen modelos de instalación rigurosos basados en el diseño de cada equipo. Aspen CCE utiliza los datos de diseño y los costos proporcionados por las siguientes empresas: Capitan Overlay Technologies,Inc DOW Plastic-Lined Piping Products Honeywell Inc John Zink Company Victualic Company of America Hawke International 10
24 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Cuando el usuario trabaja con una simulación, Aspen Capital Cost Estimator toma los datos que necesita y procede a trazar el diagrama de flujo del proceso en el momento que indique el usuario. Además, Aspen CCE puede hacer el dimensionamiento básico de los equipos, para posteriormente, con los parámetros de inversión especificados por el usuario (impuestos, capital de trabajo, intereses, vida económica del proyecto, etc.) estimar el capital de inversión, los costos de operación y las ganancias. Con los resultados obtenidos, Aspen CCE genera el flujo de caja y entrega los valores del VAN, TIR, PR, entre otros criterios para la evaluación económica del proyecto. Por último, el usuario puede generar, a través del programa, reportes de los costos involucrados en el proyecto y los detalles de diseño. La ilustración que se muestra a continuación resume el proceso descrito en el párrafo anterior. 11
25 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Obtención de los datos de la simulación Dimensionamiento y cotización de equipos Estimación del capital de inversión Estimación de los costos de operación Evaluación económica Análisis de rentabilidad Ilustración 3.- Pasos ejecutados por Aspen Capital Cost Estimator para la evaluación económica de un proceso. 12
26 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Evaluación económica. Para llevar a cabo la evaluación económica de un proyecto, el usuario debe especificar parámetros económicos, de diseño, de proceso, etc., los cuales constituyen las Bases del Proyecto. Estos parámetros se especifican en la vista Project Basic del Explorador de Proyectos del Aspen CCE. Para más información consulte el Manual Aspen Capital Cost Estimator que se adjunta. Las Bases del Proyecto contienen las siguientes categorías: Propiedades del proyecto. En esta categoría, el usuario puede ingresar las siguientes especificaciones: Nombre del proyecto. Descripción del proyecto. Observaciones. Datos generales del proyecto. En ésta categoría, el usuario puede ingresar, entre otras especificaciones, las siguientes: Tipo de moneda. La moneda predeterminada es el dólar. Título del proyecto. Ubicación del proyecto. Afecta a los impuestos, los salarios y transportes. 13
27 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Factor de conversión de moneda. Sólo si el usuario ocupa una moneda distinta a la predeterminada: euro, yen, libra. El usuario puede ingresar la fecha (día/mes/año) de realización de la evaluación económica del proyecto. Bases del costo de capital. En esta categoría, el usuario puede ingresar, entre otras especificaciones, las siguientes: Unidades de medida. Normas generales de diseño mecánico de equipos, tuberías, civil, instrumentación, aislamiento eléctrico y pintura. Contingencia del proyecto. Cargos por concepto de contratos, licencias, terreno, etc. Fuerza de trabajo de construcción. El usuario puede ingresar los parámetros de productividad, salario, número de turnos, horas por semana por turno, para trabajadores involucrados en la construcción de la planta (albañiles, operadores de equipos, eléctricos, choferes, carpinteros, etc.). Incremento. El usuario puede ingresar los efectos de las economías en contante cambio local y mundial. Los incrementos que puede ingresar el usuario corresponden a las siguientes categorías: materiales, diseño de ingeniería y mano de obra de construcción. Instrumentación. El usuario puede seleccionar entre una instrumentación de tipo estándar o completa. 14
28 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Calendario y ejecución del proyecto. En esta categoría, el usuario puede ingresar, entre otras especificaciones, las siguientes: Ajuste de calendario. El usuario puede indicar la fecha (día/mes/año) de inicio de la etapa de ingeniería y de construcción. Tiempos de entrega de equipos. El usuario puede indicar el número de semanas que se demora la fabricación y envío de cada equipo. Diseño del proceso. En esta categoría, el usuario puede ingresar, entre otras especificaciones, las siguientes: Tipo de simulador. El usuario puede seleccionar el tipo de simulador con el que desee trabajar (Aspen Hysys, Aspen Plus, Chemstatios, Hysim y SimSci). Especificación de los equipos del proyecto. El usuario puede cambiar un equipo que está como predeterminado. Por ejemplo, el compresor predeterminado es de tipo centrífugo y el usuario puede cambiarlo para que el predeterminado sea un compresor de tipo recíproco. Criterio de diseño. El usuario puede modificar los datos presión y temperatura de diseño de todos los equipos disponibles en el Aspen CCE. siguientes: Las expresiones para la presión y temperatura de diseño son las 15
29 Capítulo II: Antecedentes Teóricos P de diseño P de operación1 B Ec.1 T de diseño T de operación1 B Ec.2 Las ecuaciones (1) y (2) son validas para todos los equipos y los parámetros A y B pueden ser modificados por el usuario. A continuación se mencionan otros parámetros de diseño, para cada equipo, que el usuario puede ajustar. Bombas. - Factor de sobredimensionamiento. Compresores. - Tipo de motor. Intercambiadores de calor. - Aplicación de la regla 2/3 para calcular la presión de diseño. - Factor de sobredimensionamiento. - Temperatura de entrada y salida del aire de enfriamiento. Columnas empacadas. - Tipo de empacado. - Factor de reducción de capacidad. - Factor de inundación. - Altura de sección empacada. - Área superficial de empaque por unidad de volumen empacado. 16
30 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Columnas de platos. - Espacio de los platos. - Factor de inundación. - Tendencia a formar espuma. - Factor de reducción de capacidad. - Volatilidad relativa de los componentes clave. - Eficiencia del plato. Tanques agitados. - Altura mínima de separación. - Tiempo de residencia. - Tipo de agitador. Tanques de almacenamiento. - Días de almacenamiento. - Horas de almacenamiento en un día. - Razón entre altura y diámetro. - Espacio disponible para el vapor (%). Tanques horizontales. - Tiempo de residencia. - Área del vapor/ área de sección transversal del tanque. - Longitud mínima de arranque. - Diámetro mínimo de arranque. Tanques verticales. - Tiempo de residencia. - Altura mínima por encima del eliminador de rocío. - Altura del eliminador de rocío. 17
31 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Servicios auxiliares. El usuario puede modificar los parámetros de operación (temperatura, presión, etc.) y costo de los servicios auxiliares. Además el usuario puede crear un servicio auxiliar. Análisis de inversión. En esta categoría, el usuario puede ingresar, entre otras especificaciones, las siguientes: Parámetros de inversión. El usuario puede modificar los siguientes parámetros de inversión: - Tipo de período (año, semanas, etc.). - Número de semanas por período. - Número de períodos para el análisis. - Impuesto sobre los beneficios. - Tasa de interés. - Vida económica del proyecto. - Valor de salvamento del proyecto. - Método de depreciación. - Porcentaje de incremento de los costos de: capital del proyecto, materias primas, producto, mantención y operación, y servicios auxiliares. - Capital de trabajo. - Suministros de operación. - Cargos de laboratorio. - Cargos de operación. - Gastos generales de la planta. - Gastos generales y administrativos. - Tipo de planta. - Modo de operación. - Duración del período de puesta en marcha. - Horas de operación por período. 18
32 Capítulo II: Antecedentes Teóricos - Fluidos de proceso. Costos de operación. El usuario puede ingresar el salario de los operarios y supervisores, el costo de electricidad, combustible, agua potable y aire de instrumentación. Materias primas. El usuario puede indicar que corriente contiene las materias primas. También puede ingresar el flujo de materia prima y su costo. Producto. El usuario puede indicar que corriente contiene los productos. También puede ingresar el flujo de producto y su costo Análisis de Decisiones. La tecnología Análisis de Decisiones de Aspen, permite al usuario evaluar alternativas de variación en la capacidad de la planta y ubicación de una planta, además de realizar análisis detallados de un proyecto. El Analizador de Decisiones consta de tres módulos: Análisis de Reubicación, Análisis de Variación en la Capacidad de la Planta y Análisis Económico. El usuario puede utilizar los tres módulos al mismo tiempo ó por separado para un proyecto. Cambio en la capacidad de una planta. El Módulo Análisis de Variación en la Capacidad de la Planta (ASM, por sus siglas en inglés) permite modificar la capacidad de la planta, entre 5% y 600% de la capacidad de la planta del proyecto base. 19
33 Capítulo II: Antecedentes Teóricos El cambio en la capacidad de la planta no solo afecta a las corrientes del proceso, sino que también, al tamaño, y en algunos casos, al número de equipos del proyecto. El ASM examina automáticamente cada elemento del proyecto, aplicando un grupo de reglas de escala, únicas, para cada elemento y recrea enteramente la descripción de la planta de acuerdo a la nueva capacidad. Cambio de ubicación de una planta. El Módulo Análisis de Reubicación (ARM, por sus siglas en inglés) permite evaluar el costo del capital y una variedad de otros parámetros económicos, cuando se cambia la ubicación de la planta a cualquier parte del mundo. En concreto se puede trasladar el proyecto base a cualquiera de las 89 localidades, que contiene Aspen disponible en todo el mundo. El usuario puede optar por conservar la ubicación del diseño de ingeniería o elegir entre las 89 localidades. REGIÓN NÚMERO DE LOCALIDADES África 3 Asia 15 Australia 3 Canadá 6 América Central 2 Europa 12 Medio Oriente 6 América del Sur 5 Estados Unidos 37 Todas las Localidades 89 Tabla 2.- Número de localidades disponible en cada región. 20
34 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Desarrollo económico de un proyecto. El Módulo Análisis Económico (AEM, por sus siglas en inglés) es una poderosa herramienta del Aspen CCE que permite realizar análisis detallados de un proyecto. El AEM trabaja con dos hojas de cálculo Excel: Specs y Results. En la hoja de cálculo Specs, el usuario puede variar los costos de materias primas, de producto, de los servicios auxiliares y ver instantáneamente en la misma hoja de cálculo, como varía el valor actual neto (NPV), la tasa interna de retorno (IRR) y el período de recuperación de la inversión (Payout). Además, en la hoja de cálculo Specs, el usuario puede ingresar nuevos parámetros económicos, como impuestos, intereses, método de depreciación, incrementos de los diferentes costos, capital de trabajo; así como también puede ingresar nuevos períodos de las distintas etapas del proyecto (ingeniería básica, ingeniería en detalle, adquisición de los equipos, construcción, puesta en marcha, demolición). En total, el usuario puede variar 72 opciones. En la hoja de cálculo Results, el usuario puede ver el flujo de caja generado para el proyecto con las nuevas especificaciones. De esta manera el usuario puede identificar las oportunidades económicas del proyecto. Para más información de la tecnología Analizador de Decisión, consulte el Manual Aspen Capital Cost Estimator que se adjunta. 21
35 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Resultados generados por Aspen Capital Cost Estimator. El usuario puede ver los resultados económicos a través de tres opciones: Aspen Capital Cost Estimator, Aspen Icarus Reporter e Icarus Editor. Aspen Capital Cost Estimator. Aspen CCE entrega cuatro hojas de cálculo Excel, que contienen el análisis de inversión del proyecto: Equipment. Esta hoja de cálculo entrega el costo de adquisición del equipo y el costo una vez instalado. Project Summary. Esta hoja de cálculo entrega información especificada por el usuario, como el nombre y descripción del proyecto, tipo de simulador, parámetros de incremento, del costo de capital, del costo de operación, etc. así como los resultados calculados por Aspen, resumen del capital del proyecto y de ingeniería, costo de materias primas, de producto, de mantenimiento, de operación y de los servicios auxiliares, etc. Cashflow. Esta hoja de cálculo entrega el flujo de caja y los valores del valor actual neto, tasa interna de retorno, etc. Executive Summary. Esta hoja de cálculo entrega un resumen los datos entregados en las hojas de cálculo Project Summary y Cashflow, como costo total de la inversión de capital, de servicios auxiliares, de materias primas, nombre del proyecto, ubicación de la planta, capacidad anual de la planta, etc. 22
36 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Aspen Icarus Reporter. Aspen IR es un motor de informes, los cuales contienen información detallada del costo del capital y de las bases del proyecto. Aspen IR entrega la información del proyecto en cuatro tipos de informes: Standar. La información es presentada en documentos Word, si desea ver dos o más informes simultáneamente. De lo contrario, la información es presentada en un documento de Icarus. HTML. La información es presentada en el navegador de internet del usuario y puede ver un informe a la vez. Management. La información es presentada en un documento de Icarus. El usuario puede ver un informe a la vez. Excel. La información es entregada en hojas de cálculo Excel. Icarus Editor. Si el usuario utiliza las preferencias por defecto, Aspen Capital Cost Estimator muestra automáticamente los informes de la evaluación del proyecto, mediante Icarus Reporter. Aquí se presenta toda la información del proyecto de manera detallada. Para más información con respecto a la revisión de resultados, consulte el Manual Aspen Capital Cost Estimator que se adjunta. 23
37 Capítulo II: Antecedentes Teóricos 2.3 ASPEN ENERGY ANALYZER El programa Aspen Energy Analyzer es una herramienta utilizada para síntesis y diseño de procesos por medio de la implementación de la tecnología Pinch por integración de energía. Este programa, calcula los objetivos para la energía y la inversión de capital, permite el desarrollo de proyectos de mejora de la integración de calor, reduciendo significativamente los costos de operación, de capital y de diseño. Se emplea para realizar la modificación (retrofit) de plantas existentes, así como para desarrollar nuevos diseños Significado del término Tecnología Pinch. El término Tecnología Pinch fue introducido a fines de la década de 1970 por Linnhoff y Vredeveld para representar una nueva serie de métodos basados en termodinámica, que garantizan los niveles mínimos de eficiencia energética en el diseño de las redes de intercambiadores de calor. Los programas rigurosos de análisis pinch han demostrado ser útiles en la resolución de procesos industriales complejos, mostrando rapidez y eficiencia Principios del Análisis Pinch. La Tecnología Pinch presenta una metodología para el análisis sistemático de los procesos químicos y los servicios auxiliares con la ayuda de la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica. Con la ecuación de energía de la Primera Ley de la Termodinámica se calculan los cambios de entalpía en las corrientes que pasan por los intercambiadores de calor. La Segunda Ley determina la dirección del flujo de calor, es decir, el calor sólo puede influir en la dirección de caliente a frío. En la práctica una corriente caliente sólo puede ser enfriada a una temperatura definida por el acercamiento mínimo de temperaturas (mínima diferencia permitida, Tmin) del intercambiador. El nivel de temperatura en el cual Tmin se observa en el proceso, es llamado punto pinch. El pinch define la fuerza motriz mínima permitida en un intercambiador de calor. 24
38 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Objetivos del Análisis Pinch. El análisis pinch se utiliza para identificar el costo de energía, de la red de intercambiadores de calor (RIC) y el reconocimiento del punto pinch para un proceso. El primer procedimiento predice, antes que el diseño, los requisitos mínimos de energía externa, área de transferencia de calor, y el número de unidades para un proceso determinado. A continuación se diseña una red intercambiadores de calor que satisfaga dichos objetivos. Por último, la red se optimiza mediante la comparación de los costos de la energía y el costo de capital de la red para que el costo total anual se reduzca al mínimo. Por lo tanto, el objetivo principal del análisis pinch es lograr ahorros financieros mediante la mejor integración de calor del proceso (maximizar el proceso mediante la recuperación de calor y la reducción de las cargas externas de servicios auxiliares) Conceptos clave del Análisis Pinch. A continuación se presenta un resumen de los conceptos principales, su significado y la nomenclatura utilizada en el análisis pinch. Curvas compuestas (caliente y fría) combinadas. Se utilizan para predecir los objetivos de: mínima energía requerida (servicios auxiliares de calor y enfriamiento), mínima área de transferencia de calor requerida y número mínimo de unidades de intercambiadores requeridos. T min y punto pinch. El valor T min determina cuán estrechamente pueden ser pinchadas las curvas compuestas, caliente y fría sin violar La Segunda Ley de la Termodinámica (ninguno de los intercambiadores de calor puede tener un cruce de temperatura). Gran curva compuesta. Sirve para seleccionar los niveles apropiados de los servicios públicos (maximizar los servicios auxiliares más baratos) para atender la demanda energéticas. 25
39 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Objetivos energéticos y del costo de capital. Se usa para calcular el costo anual total de los servicios auxiliares y del costo de capital de la red de intercambiadores de calor. Costo total objetivo. Se usa para determinar el nivel óptimo de recuperación de calor o el valor T min óptimo, equilibrando los costos de energía y capital. Utilizando este método, es posible obtener una estimación exacta (entre los 10-15%) global de recuperación de calor y costos del sistema sin necesidad de diseñar dicho sistema Herramientas de resolución de Aspen Energy Analyzer. Para resolver problemas de integración de calor, Aspen Energy Analyzer emplea, principalmente, dos herramientas: HI Case y HI Project. HI Case. Esta herramienta permite trabajar con un escenario y un diseño. De modo que es conveniente para usuarios que desean realizar un análisis rápido de energía o para usuarios que desean estudiar el funcionamiento actual de una planta. HI Project. Permite trabajar con múltiples escenarios y cada escenario puede tener múltiples diseños. Así HI Project es más adecuado para usuarios que quieren hacer varias modificaciones estructurales para luego compararlas. A continuación se presenta un esquema del procedimiento de resolución del Aspen EA: 26
40 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Identifica las corrientes calientes, frías y de servicio en el proceso Extrae datos térmicos de las corrientes del proceso y de servicio Ingreso del valor inicial del T min Construye la Curva Compuesta, la Gran Curva Compuesta, etc Estima los costos mínimos de los objetivos energéticos Estima el costo del capital de los objetivos de la red de intercambiadores de calor Estima el valor óptimo de T min Estima los objetivos prácticos para el diseño de la red de intercambiadores de calor Diseño de la red de intercambiadores de calor Ilustración 4.- Muestra el procedimiento de resolución del Aspen Energy Analyzer. 27
41 Capítulo II: Antecedentes Teóricos Ventajas del Aspen Energy Analyzer. El programa Aspen EA, al emplear la Tecnología Pinch para la resolución de problemas, posee las siguientes ventajas: Posee un método sistemático para el diseño integrado de plantas de proceso. Identifica el mínimo consumo de energía necesario. Considera al mismo tiempo el costo de energía y de capital. Permite considerar y comparar diferentes opciones de diseño desde el punto de económico. Se puede aplicar en plantas de proceso nuevas o ya existentes. 28
42 Capítulo II: Antecedentes Teóricos 2.4 ASPEN EXCHANGER DESIGN & RATING El programa Aspen Exchanger Design & Rating (Aspen ED&R) es una herramienta versátil para la simulación detallada y diseños óptimos de intercambiadores de calor. Aspen ED&R realiza el diseño, para las principales industrias, de todos los intercambiadores de tubo y carcasa, incluyendo intercambiadores de una fase, condensación y evaporación. Aspen ED&R permite al usuario: Diseñar un intercambiador de calor más económico. Tomar testimonio del desempeño operacional de métodos basados en la investigación que se derivan desde Aspen HTFS. Comprobar, simular y realizar el diseño mecánico completo en una interfaz de usuario común para todos los tipos de intercambiadores de tubos y carcasa. Conectar fácilmente con cualquier simulador perteneciente a AspenTech, por lo que con precisión se puede evaluar el desempeño del intercambiador de calor en el contexto general del proceso Tecnología HTFS y B-JAC. Aspen Exchanger Design & Rating (ED&R) incluye una serie de programas para el diseño térmico, diseño mecánico, estimación de costos, y planos para intercambiadores de calor y recipientes a presión. Teniendo como base la combinación de la tecnología HTFS y B-JAC. Heat Transfer and Fluid-flow Service (HTFS) fue creado en la década de 1970 para llevar a cabo la investigación experimental de la transferencia de calor 29
43 Capítulo II: Antecedentes Teóricos y del flujo de fluidos en los intercambiadores de calor. Los resultados de esta investigación se incorporaron rápidamente en los programas de computadoras para comprobar y simular el funcionamiento de los intercambiadores de calor, y luego para el diseño de ellos. La investigación experimental subyacente continuó, y se centró en la mejora de la transferencia de calor y de los métodos de cambio de presión en el programa. HTFS pasa a ser parte de AspenTech en el La compañía B-JAC también fue creada en los años 70, produciendo programas para intercambiadores de calor, con literatura abierta basada en la capacidad térmica pero con fortalezas en el diseño mecánico. Esta compañía se convierte en parte de AspenTech a mediados de los años Tipos de cálculo que realiza Aspen ED&R. En Aspen ED&R el usuario puede seleccionar entre los modos de cálculo que se describen a continuación: Diseño. El modo Diseño identifica uno o más intercambiadores de calor que deben llevar a cabo el trabajo térmico que se especifique, sujeto a los límites de la pérdida de presión máxima que se especifique como aceptable para cada corriente. En el modo Diseño, el usuario debe proporcionar cierta información básica sobre la configuración general del intercambiador (el tipo de carcasa, tipo de cabezal, tipo de deflector, etc.), de los tubos y el diseño de éstos (longitud, diámetro). El programa calculará entonces todas las otras características geométricas, tales como el tamaño del intercambiador, el número de pasadas, el tamaño de las boquillas, corte de los deflectores, etc. Verificación. El modo Verificación responde a la pregunta: El intercambiador de calor será capaz de transferir este calor? El usuario tiene que especificar la geometría del intercambiador y la información del proceso que define el calor a transferir. El resultado del cálculo se expresa como la relación entre la superficie real de 30
44 Capítulo II: Antecedentes Teóricos transferencia de calor y la superficie de transferencia de calor requerida. Si la relación de las áreas está por encima de la unidad (>1) implica que el calor definido puede ser transferido por el intercambiador de calor. En el ingreso de datos se puede especificar, para cada corriente, el caudal y las condiciones de entrada y salida. En el modo Verificación el calor transferido, que se calcula de los datos ingresados, se toma como fijo. La presión de entrada es fija, pero la presión de salida de cada corriente se vuelve a calcular sobre la base de la caída de presión prevista en el intercambiador de calor. Simulación. El modo Simulación responde a la pregunta: Qué calor debe transferir este intercambiador de calor? El usuario tiene que especificar la geometría del intercambiador y la información del proceso que define una primera estimación del calor a transferir. El usuario normalmente fija el intercambiador de calor, las condiciones de entrada y el caudal de la corriente caliente y fría. El programa calcula las condiciones de salida de las corrientes y por lo tanto el calor transferido. El resultado del cálculo es la relación del calor real y el calor requerido. Incrustación máxima. El modo Incrustación Máxima responde a la pregunta: Cuál es el ensuciamiento máximo para lograr transferir un determinado calor? El modo de cálculo Incrustación Máximo es similar al modo Simulación, pero aquí se ajusta la resistencia al ensuciamiento para determinar, si es posible, el valor máximo con el cual da una relación de área de una unidad. El usuario puede especificar que la resistencia al ensuciamiento sólo se ajusta en uno de los dos lados (caliente ó frío), ó que se puedan añadir las resistencias a ambos lados. Nota: El cálculo en el modo Verificación, los tres parámetros (entrada/salida/caudal) son fijos para cada corriente y la relación entre la superficie actual y la superficie requerida, es calculada. En ambos modos de cálculo, Verificación y Simulación, la presión de entrada se toma como fija y la presión de salida se calcula. 31
45 CAPÍTILO III RESUMEN DE LOS MANUALES
46 Capítulo III: Resumen de los Manuales III - RESUMEN DE LOS MANUALES En este capítulo se presenta un resumen de los manuales creados para los alumnos de los tres programas estudiados: Aspen Capital Cost Estimator, Aspen Energy Analyzer y Aspen Exchanger Design & Rating. Este resumen muestra las principales herramientas de cada programa. 3.1 ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR En esta sección se describen los elementos del Aspen CCE y se indican los pasos necesarios para la obtención de los parámetros económicos, con los que se realiza el análisis económico de un proceso simulado en Aspen Hysys Interfaz de Icarus. Ilustración 5.- Muestra la interfaz de Icarus. 33
47 Capítulo III: Resumen de los Manuales La tabla que se muestra a continuación describe los elementos de la interfaz de Icarus. ELEMENTO Barra de título Barra de menú Barra de herramientas Ventana principal Explorador de proyectos Paleta Barra de estado DESCRIPCIÓN Muestra el nombre del archivo del proyecto y la vista actual de la ventana principal. Muestra las opciones del menú. Permite el acceso a las funciones del Aspen Capital Cost Estimator. Proporciona espacio para todos los documentos, listas, especificaciones, etc. del Aspen Capital Cost Estimator. Organiza los elementos del proyecto con formato de árbol. Permite el acceso a librerías, proyectos y componentes. Muestra el estado del sistema del Aspen Capital Cost Estimator. Ventana de propiedades Tabla 3.- Descripción de los elementos de la interfaz de Icarus. Describe el campo seleccionado en el formulario de especificaciones Mensajes de advertencia y error en Aspen CCE. Los tipos de mensajes que entrega Aspen CCE son de: Información. Este tipo de mensaje es solo entrega información del proyecto al usuario, no hace referencia a algún error o advertencia. Advertencia. El diseño puede ser ejecutado, pero el usuario es notificado de los problemas existentes. Error. Un diseño o costo no puede ser producido debido a un problema. Error Fatal. Instancia poco frecuente debido a problemas graves. 34
48 Capítulo III: Resumen de los Manuales Solución de errores. A continuación se muestra la solución al problema que presentan los tanques de almacenamiento (TK-100 y TK-101) del proyecto, el cual indica que la presión está fuera de rango. Ilustración 6.- Muestra el error en el tanque de almacenamiento TK-100. Para solucionar el error del tanque de almacenamiento TK-100: 1. Haga doble clic sobre el nombre del equipo. 2. Introduzca el valor 0 en la opción Design gauge pressure. Ilustración 7.- Formulario de especificación del tanque de almacenamiento TK Haga clic en el botón Apply, para guardar los cambios. 35
49 Capítulo III: Resumen de los Manuales Modificar un servicio auxiliar. Para modificar un servicio auxiliar siga los siguientes pasos: 1. Diríjase a la pestaña Project Basis, en el explorador de proyectos. 2. Haga doble clic en el campo Utility Specifications. 3. Marque la casilla Modify, en la ventana emergente. 4. Seleccione el servicio auxiliar (por ej. propane). 5. Haga clic en el botón Modify. Ilustración 8.- Ventana Develop Utility Specifications, al modificar un servicio auxiliar. 6. Seleccione el fluido del servicio auxiliar desde la lista desplegable, en la ventana Utility Specification. 7. Modifique los datos según sus necesidades. 36
50 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 9.- Datos de operación de un servicio auxiliar de refrigeración (propano). 8. Para finalizar presione OK y a continuación Close, en la ventana Develop Utility Dimensionamiento de equipos. A modo de ejemplo se muestra el procedimiento para el tanque de almacenamiento TK-100. Para dimensionar el tanque TK-100: 1. Sitúese en la pestaña List, en la ventana principal o seleccione Program Flow Diagram, desde el menú View. 2. Haga clic derecho sobre el equipo. 3. Seleccione la opción Size Item. 4. Ingrese los valores de la tabla 4, en la ventana Interactive Sizing. 37
51 Capítulo III: Resumen de los Manuales OPCIÓN VALOR Storage Vessel Height Diameter Ratio 0.2 Number of Holding Days 15 Tabla 4.- Datos de dimensionamiento para los tanques de almacenamiento del proceso. 5. Borre el valor de la opción Diameter y luego presione el botón Apply. 6. Repita el paso 5 para las opciones Vessel Height y Capacity. Ilustración 10.- Datos de dimensionamiento del tanque TK Para finalizar presione el botón OK Definición de las bases del proyecto. Son varias las especificaciones que el usuario puede ver o modificar en las bases del proyecto. Por este motivo sólo se muestran dos ejemplos de modificación de las bases del proyecto. 38
52 Capítulo III: Resumen de los Manuales Índices de costos. Si desea actualizar el valor de los equipos, de la instrumentación, de la pintura, etc. al 2010, ingrese al formulario de especificación Indexing e ingrese, para los ítems que desee, el cociente de los CEPCI (Chemical Engineering Plant Cost index) correspondiente al 2010 y 2007, como se muestra a continuación ,8 #2010$ 525,4 #2007$ 104,83 Ilustración 11.- Muestra las opciones del campo Indexing. Parámetros de inversión. En el formulario Investment Parameters el usuario puede ingresar los parámetros de inversión del proyecto, los cuales son necesarios para llevar a cabo la evaluación económica. 39
53 Capítulo III: Resumen de los Manuales Los parámetros de inversión del proyecto utilizado en el manual son: Period Description = Año Number of Weeks per Period = 52 Number of Periods for Analysis = 20 Tax Rate = 40 Interest Rate/Desired Rate of Return = 20 Economic Life of Proyect = 20 Salvage Value = 20 Depreciation Method = Straight Line Project Capital Escalation= 0 Products Escalation = 5 Raw Material Escalation = 3.5 Operating and Maintenance Labor Escalation = 3 Utilities Escalation = 3 Working Capital Percentage = 20 Operating Charges = 25 Plant Overhead = 50 G and A expenses = 8 Facility Type = Chemical Processing Facility Operating Mode = Continuous Processing - 24 Hours/Day Length of Start-up Period = 20 Operating Hours per Period = 8000 Process Fluids = Liquids and Gases 40
54 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 12.- Muestra los parámetros de inversión del proyecto Cambio en la capacidad de la planta. Para cambiar la capacidad de la planta: 1. Presione el botón, ubicado en la barra de herramientas. 2. Seleccione Change Plant Capacity by (5-600%). 3. Ingrese la nueva capacidad de la planta (85%). 4. Ingrese el nombre del reporte (LNG). Ilustración 13.- Cambio en la capacidad de la planta. 41
55 Capítulo III: Resumen de los Manuales 5. Haga clic en OK, para que Icarus realice el redimensionamiento de los equipo y ajuste los flujos a las nuevas condiciones de operación. 6. Reevalué económicamente la planta Desarrollo económico, detallado, de un proceso. Para desarrollar económicamente un proceso de manera detallada: 1. Presione el botón, ubicado en la barra de herramientas. 2. Seleccione la opción Develop Detailed Process Economic. Ilustración 14.- Desarrollo económico detallado del proceso. 3. Haga clic en OK, para lanzar la aplicación Analyzer Economic Module. A continuación se abren dos hojas de cálculo: Specs. En esta hoja de cálculo se estudian los impactos económicos de las alternativas del proyecto. Results. En esta hoja de cálculo usted puede revisar las tablas, gráficos de barras y otras figuras que muestran los resultados de su escenario económico. 42
56 Capítulo III: Resumen de los Manuales Evaluación económica de un proyecto. Para realizar la evaluación económica de un proyecto: 1. Haga clic en el botón, ubicado en la barra de herramientas ó seleccione la opción Evaluate Project,, desde el menú Run. 2. Ingrese el nombre del reporte, en la ventana Evaluate Project. Ilustración 15.- Aspecto de la ventana Evaluate Project. 3. Presione el botón OK. 4. Presione el botón Continue, en la ventana Scan Messages. Ilustración 16.- Aspecto de la ventana Scan Messeges. 43
57 Capítulo III: Resumen de los Manuales A continuación se abre la ventana Evaluate Project Capital Cost/Schedule,, la cual muestra el porcentaje de avance de la evaluación económica del proceso. Ilustración 17.- Aspecto de la ventana Evaluate Project Capital Cost/Schedule. Si alguno de los componentes del proyecto ha sido modificado, el usuario debe ejecutar nuevamente el proceso de evaluación Resultados generados por Aspen CCE. El usuario puede revisar los resultados de la evaluación económica de tres maneras diferentes: Análisis de inversión. Para ver el análisis de inversión, haga clic en el botón barra de herramientas., ubicado en la En la ventana principal de Aspen CCE aparece la pestaña Results, ésta contiene la información económica del proyecto, en cuatro hojas de cálculo: Equipment Project Summary 44
58 Capítulo III: Resumen de los Manuales Cashflow Executive Summary Ilustración 18.- Aspecto de la hoja de cálculo Equipment. Aspen Icarus Reporter. Para ver los informes a través de Aspen Icarus Reporter: 1. Haga clic en el botón, ubicado en la barra de herramientas. 2. Mantenga la opción Interactive Reports, en la ventana Select Report Type To View. 3. Presione el botón OK. 45
59 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 19.- Aspecto de la ventana Select Report Type To View. Ilustración 20.- Ventana Apsen ICARUS Reporter. Se importan y cargan los informes desde Aspen Capital Cost Estimator. Después de que los informes son importados y cargados aparece la ventana Apsen ICARUS Reporter. Esta ventana permite seleccionar el tipo de informe en que son presentados los resultados. Ilustración 21.- Ventana Aspen ICARUS Reporter, muestra los tipos de informes. 46
60 Capítulo III: Resumen de los Manuales Los tipos de informes que entregan los resultados económicos son: Estándar. HTML. Administrativo. Excel. Ilustración 22.- Aspecto de un informe estándar. Icarus Editor. Para ver los resultados a través de Icarus Editor: 1. Haga clic en el botón, ubicado en la barra de herramientas. 2. Seleccione la opción Evaluation Reports. 3. Presione OK. 47
61 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 23.- Ventana Select Report Type To View. Están seleccionados los informes de evaluación. Ilustración 24.- Aspecto de Icarus Editor. 48
62 Capítulo III: Resumen de los Manuales 3.2 ASPEN ENERGY ANALYZER En esta sección se describen las principales elementos del Aspen EA e indican los pasos necesarios para la obtención de una red óptima de intercambiadores de calor, utilizando las herramientas del programa Aspen EA. El Aspen EA resuelve y optimiza problemas de redes de intercambio calórico por medio de dos modalidades de trabajo: HI Case y HI Project Interfaz de Aspen Energy Analyzer. Ilustración 25.- Aspecto de la interfaz de HI Case. Ilustración 26.- Aspecto de la interfaz de HI Project. 49
63 Capítulo III: Resumen de los Manuales En ambas modalidades de trabajo, HI Case y HI Project, el usuario puede especificar información de las corrientes de proceso, seleccionar los servicios auxiliares, modificar parámetros económicos, modificar parámetros para obtener el costo capital, ver los valores objetivos del proceso y, ver gráficos económicos y de operación Herramientas de diseño. Para acceder a las herramientas de diseño, haga clic en el botón Palette, ubicado en la esquina inferior derecha del diagrama de red ó presione la tecla f4 de su computador. Ilustración 27.- Paleta Design Tools, para cada modalidad de trabajo del programa Aspen Energy Analyzer. Las instrucciones que se describen a continuación son aplicables para ambas modalidades de trabajo, HI Case y HI Project. 50
64 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ingreso de datos. Para ingresar datos en Aspen EA: 1. Ubíquese en la: 1.1 Pestaña Process Streams, en HI Case. 1.2 Opción Process Streams de la pestaña Data, del nivel Case1, en HI Project. 2. Ingrese la información de las corrientes del proceso. 3. Seleccione los servicios auxiliares. Ilustración 28.- Aspecto de la interfaz de HI Case, con los datos del proceso Agregar un intercambiador de calor. Para agregar un intercambiador de calor, siga los siguientes pasos: 1. Haga en el botón Open Palette View ( ). 2. Para agregar un intercambiador de calor, haga clic derecho y mantenga presionado, sobre el botón Add Heat Exchanger. 51
65 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 29.- Muestra el botón con el cual se agregan los intercambiadores de calor. 3. Arrastre el botón sobre una corriente de proceso (por ej. corriente caliente) y suelte cuando aparezca la siguiente figura. Luego aparecerá un círculo de color rojo, el cual representa un intercambiador de calor. 4. Haga clic izquierdo y mantenga presionado, sobre el intercambiador de calor, luego únalo con una corriente fría y suelte. Ilustración 30.- Procedimiento gráfico, para agregar un intercambiador de calor. 52
66 Capítulo III: Resumen de los Manuales Diseñar una red de intercambiadores de calor. Para diseñar una red de intercambiadores de calor haga clic en el icono HEN Grid Diagram ( ), para ingresar al diagrama de red. En él se observan las corrientes del proceso y las corrientes de los servicios auxiliares. Ilustración 31.- Aspecto del diagrama de red. Para trabajar el diagrama de red con respecto a la temperatura pinch, siga los siguientes pasos: 1. Haga clic derecho sobre la superficie gris. 2. En el menú emergente, seleccione la opción Show/Hide Pinch Lines. 53
67 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 32.- Muestra, en el diagrama de red, la línea que marca las temperaturas del punto pinch. Recordando. La temperatura del pinch es crucial para el diseño de Redes de Mínimo Requerimiento Energético que logran los objetivos planteados de acuerdo al siguiente criterio: 1) Dividir el problema en el punto pinch y diseñar cada parte separadamente. 2) Empezar el diseño en el pinch y moverse hacia afuera. 3) Inmediatamente después del punto pinch obedecer las restricciones: Cp CALIENTE Cp FRÍO (arriba) Cp CALIENTE Cp FRÍO (debajo) 4) No debe existir transferencia de calor a través del pinch. 5) Suministro de calentamiento externo sólo arriba del pinch, y enfriamiento externo sólo debajo del pinch. 54
68 Capítulo III: Resumen de los Manuales Estas son las cinco reglas básicas de diseño del pinch y deben cumplirse rigurosamente, de lo contrario resulta en un requerimiento de energía mayor que el mínimo requerimiento teóricamente posible. El número mínimo de unidades en una red de intercambiadores de calor, no considerando el punto pinch es: N ),*+, N -.1 Ec.3 donde, N u, min = número de unidades mínimas. N S = número de corrientes de proceso y de servicios auxiliares. En un diseño que cumpla con el requerimiento mínimo energético no se permite transferencia de calor a través del pinch por lo que el número de intercambiadores mínimo es la suma de los intercambiadores tanto arriba como abajo del pinch, por separado. N /,012 #N.1$# N 3.1$ Ec.4 donde, N U, MER = número de unidades mínimas el requerimiento mínimo energético. N A = número de corrientes de proceso y de servicios auxiliares arriba del pinch. N B = número de corrientes de proceso y de servicios auxiliares abajo del pinch. 55
69 Capítulo III: Resumen de los Manuales Especificar la información de un intercambiador de calor. Para especificar la información de un intercambiador de calor, haga doble clic en el nodo de un intercambiador. Posteriormente se abre la ventana Heat Exchanger Nombre del Intercambiador (ver ilustración 33), esta ventana contiene 5 pestañas: Data, Conectivity, Parameters, T-H PLot y Notes. En la pestaña Data el usuario puede ingresar la temperatura de entrada y/o salida, de las corrientes. Ilustración 33.- Especificaciones de un intercambiador de calor, pestaña Data. 56
70 Capítulo III: Resumen de los Manuales Optimizar la red de intercambiadores de calor. Para optimizar una red de intercambiadores de calor: 1. Haga clic sobre el botón Open Pallete View ( ). 2. Haga clic en el botón Open Optimization View. Ilustración 34.- Muestra el botón Open Optimization View, en la paleta de herramientas. Luego se abre la ventana Optimization Options. En esta ventana puede elegir las variables a optimizar con respecto a una función. Ilustración 35.- Aspecto de la ventana Optimization Options. botón OK. Luego que el usuario seleccione las variables a optimizar, debe presionar el 57
71 Capítulo III: Resumen de los Manuales Resultados entregados por las herramientas de diseño. A continuación se muestran los botones, de la ventana Design Tools, que entregan los resultados de una RIC. Ilustración 36.- Botones de la paleta Design Tools, que entregan resultados del diseño de una RIC. Por ejemplo, si el usuario presiona el botón Open Network Performance View ( ) podrá acceder al rendimiento, con respecto a los valores objetivos, de las principales variables de la RIC. Ilustración 37.- Aspecto de la ventana Network Performance. Las instrucciones que se describen a continuación son aplicables, solamente, para la modalidad de trabajo HI Project. 58
72 Capítulo III: Resumen de los Manuales Agregar un diseño. Para agregar un diseño: 1. Haga clic en el nivel scenario (Case1). 2. Haga clic en el botón Add en el panel Viewer. Ilustración 38.- Muestra el botón Add, en el panel Viewer. 3. Ingrese el nombre del nuevo diseño, en la ventana Add Design. Ilustración 39.- Aspecto de la ventana Add Design. 4. Presione el botón Enter, de su computador. Luego aparece, en el panel Viewer, el nuevo diseño y en el panel Main, aparece el diagrama de red con las corrientes de proceso. 59
73 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 40.- Aspecto del panel Viewer y Main cuando se agrega un nuevo diseño Diseños recomendados por Aspen Energy Analyzer. Para generar los diseños que recomienda Aspen Energy Analyzer: 1. Haga clic en el nivel Scenario (Case1). 2. Haga clic derecho en la zona blanca, en el panel Viewer. 3. Seleccione la opción Recommed Designs, desde el menú emergente. Ilustración 41.- Muestra las opciones disponibles del menú emergente del panel Viewer. A continuación se abre la ventana Recommend Near-optimal Designs. 4. Ingrese el valor 3 en la columna Max Split Branches. 60
74 Capítulo III: Resumen de los Manuales 5. Ingrese el valor 5 en el campo Maximum Designs. 6. En este caso no se modifican los parámetros de la sección Preview Input. Ilustración 42.- Muestra la ventana Recommend Near-optimal Designs con los nuevos valores. 7. Haga clic en el botón Solve. Posteriormente se originan 5 diseños, para la RIC creada. La ilustración que se muestra a continuación muestra los 5 diseños, en el panel Viewer, recomendados por Aspen EA y muestra el diseño nº3, en el panel Main. Ilustración 43.- Muestra los 5 diseños recomendados por Aspen Energy Analyzer. 61
75 Capítulo III: Resumen de los Manuales Modo de Retrofit. Para entrar al modo de trabajo Retrofit, seleccionando un diseño: 1. Seleccione el diseño A_Design3, desde el panel Viewer. 2. Haga clic en el botón Enter Retrofit Mode. Ilustración 44.- Ventana Options, al ingresar al modo Retrofit a través de un diseño. 3. Seleccione la opción la opción Create New Retrofit Scenario. 4. Haga clic en el botón Enter Retrofit Environment, en la ventana Options. Ilustración 45.- Aspecto de un diseño en modo Retrofit. 62
76 Capítulo III: Resumen de los Manuales Aplicación automática de las opciones del modo Retrofit. Las opciones del modo Retrofit son las que muestra la ilustración 46: Ilustración 46.- Opciones del modo Retrofit. Como ejemplo se muestra la aplicación de la herramienta Move both end of a Heat Exchanger del modo de trabajo Retrofit. Para utilizar las herramientas del modo Retrofit: 1. En el panel Viewer, seleccione el diseño A_Design3 en el escenario que está en el modo Retrofit. Ilustración 47.- Escenario en modo Retrofit. 2. Haga clic en el botón Open Palette View F4. 3. En la paleta de herramientas haga clic en el botón Move both end of a Heat Exchanger. 63
77 Capítulo III: Resumen de los Manuales Si selecciona cualquier botón de las herramientas Retrofit, excepto el botón Modify utility heat exchanger, aparecerá la ventana Retrofit specifications. Ilustración 48.- Aspecto de la ventana Retrofit specifications. 4. En la ventana Retrofit specifications ingrese el valor 10000, el cual corresponde a la cantidad máxima de dinero que será invertido en la adaptación de la RIC. 5. Elija la opción Cost desde la lista desplegable. Dicha opción corresponde a la monda americana (dólar). 6. Haga clic en el botón Run. A continuación aparece un mensaje que indica que se aplicó, satisfactoriamente, la opción Move both end of a Heat Exchanger. Ilustración 49.- Indica que se aplicó, satisfactoriamente, la opción Move both end of a Heat Exchanger. Después de ejecutar la opción Move both end of a Heat Exchanger, en el diagrama de red aparece un intercambiador de color verde, lo que indica que ese intercambiador ha sido cambiado de posición. 64
78 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 50.- Aspecto del diagrama de red luego de ejecutar la opción Move both end of a Heat Exchanger, en modo Retrofit Extracción de datos desde una simulación Aspen Hysys ó Aspen Plus. Para extraer los datos desde una simulación: 1. Abra la modalidad de trabajo HI Case ó HI Project. 2. Diríjase a la pestaña ó página Process Stream, según corresponda la modalidad de trabajo abierta. 3. Haga clic en el botón Process Stream Data Extraction From Simulation m, para abrir la ventana Extraction Wizard. A continuación se abre el asistente de extracción. 65
79 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 51.- Aspecto de la ventana Extraction Wizard, página Start. Al llegar a la página Select File, el usuario debe seleccionar la simulación a trabajar, siguiendo los siguientes pasos: 1. Haga clic en la casilla correspondiente al tipo de simulación que desee importar. 2. Haga clic en el botón Browse, correspondiente al grupo Simulation File to Import. Ilustración 52.- Aspecto de la ventana Extraction Wizard, página Select File. 3. Seleccione el archivo que desee extraer. 4. Haga clic en el botón Next hasta llegar a la página Finish. 66
80 Capítulo III: Resumen de los Manuales 3.3 ASPEN EXCHANGER DESIGN & RATING En esta sección se indican los pasos necesarios para llevar a cabo el dimensionamiento de un intercambiador de calor, utilizando las herramientas del Aspen ED&R Definición del problema. Para definir el problema: 1. Seleccione el formulario de especificación Application Options. 2. Entre otras opciones, elija desde las listas desplegables: El modo de cálculo. La ubicación del fluido caliente. Seleccionar la fase del fluido que pasa por el lado caliente y frío. Ilustración 53.- Opciones seleccionadas en el formulario de especificación Application Options. 67
81 Capítulo III: Resumen de los Manuales 3. Seleccione el formulario de especificación Process Data. 4. Ingrese el nombre de las corrientes y los datos de operación del intercambiador de calor en el campo que corresponda. Puede seleccionar las unidades de cada variable desde las listas desplegables. Ilustración 54.- Formulario de especificación Process Data con los datos de operación ingresados Propiedades de los fluidos. Para seleccionar los componentes, ingresar su composición y elegir un paquete termodinámico para cada corriente del intercambiador de calor, siga los siguientes pasos: 1. Seleccione el formulario de especificación Hot Stream (1) Composition o Cold Stream (2) Composition. 2. En la pestaña Composition seleccione el paquete de propiedades físicas Aspen Properties. 68
82 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 55.- Muestra los paquete de propiedades físicas disponibles. 3. Haga clic en el botón Search Databank para seleccionar los componentes de ambas corrientes. A continuación se abre la ventana Find Compounds. 4. En la ventana FInd Compounds ingrese el nombre del componente que desee agregar (por ejemplo: hidrógeno). 5. Haga clic en el botón Find now. 6. Seleccione - con un clic - el hidrógeno desde la lista de componentes. 7. Haga clic en el botón Add selected compounds para agregar el componente. 8. Cuando finalice de agregar los componentes, haga clic en el botón Close. Ilustración 56.- Procedimiento gráfico para agregar un componente, desde la ventana Find Compounds. 69
83 Capítulo III: Resumen de los Manuales 9. En la columna Composition ingrese el flujo másico ó el porcentaje en masa de los componentes del fluido caliente. Ilustración 57.- Pestaña Composition del formulario de especificación Hot Stream (1) Composition. 10. Haga clic en la pestaña Property Methods. 11. Seleccione la opción PENG-ROB, de la lista desplegable de la opción Aspen property method. Ilustración 58.- Pestaña Property Methods del formulario de especificación Property Data. 12. Seleccione el formulario Hot Stream (1) Properties o Cold Stream (2) Properties. 13. Haga clic en el botón Get Properties para ver las propiedades del fluido elegido en su rango de temperatura correspondiente. 70
84 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 59.- Pestaña Properties, del formulario de especificación Hot Stream (1) Properties Geometría del intercambiador de calor. Para dimensionar un intercambiador de calor: 1. Seleccione el formulario de especificación Geometry Summary. 2. Elija la configuración del intercambiador de calor (1-1, 1-2, etc.). 3. Ingrese datos de la geometría de la carcasa, tubos y deflectores. Ilustración 60.- Pestaña Shell/Heads, del formulario de especificación Shell/Heads/Flanges/Tubesheets. 71
85 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 61.- Pestaña Layout Parameters, del formulario de especificación Bundle Layout. Ilustración 62.- Pestaña Baffles, del formulario de especificación Baffles/Supports Resumen de resultados. En la carpeta de especificación Result Summary el usuario puede ver, entre otros, los siguientes formularios de especificación: 1. Haga clic en el formulario de especificación Warnings & Messages. 72
86 Capítulo III: Resumen de los Manuales En este formulario de especificación puede ver una serie de errores, advertencias y otros mensajes que le ayudarán a utilizar el programa. Ilustración 63.- Pestaña All, del formulario de especificación Warnings & Messages. 2. Haga clic en el formulario de especificación Recap of Design. En este formulario de especificación, el usuario puede comparar la geometría básica y el funcionamiento de dos ó más diseños para un intercambiador de calor, como se muestra en la ilustración
87 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 64.- Pestaña Recap of Design, del formulario de especificación Recap of Design Resumen mecánico. En la carpeta de especificación Mechanical Summary el usuario puede ver, entre otros, los siguientes formularios de especificación: 1. Haga clic en el formulario de especificación Setting Plan & Tubesheet Layout, para ver, por ejemplo, el plano del intercambiador de calor. Ilustración 65.- Pestaña Setting Plan, del formulario de especificación Setting Plan & Tubesheet Layout. 2. Haga clic en el formulario de especificación Cost/Weights, para ver el costo del intercambiador de calor. 74
88 Capítulo III: Resumen de los Manuales Ilustración 66.- Pestaña Costs/Weights, del formulario Setting Plan & Tubesheet Layout. En el Manual Exchanger Design & Rating, que se adjunta, puede ver el resto de los formularios de especificación correspondiente a los resultados de un intercambiador de calor. 75
89 CAPÍTILO IV PARTE EXPERIMENTAL, MODELACIONES Y RESULTADOS
90 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados IV - PARTE EXPERIMENTAL MODELACIONES Y RESULTADOS En este capítulo se presenta las consideraciones y metodología utilizada en los tres programas estudiados para el presente Trabajo de Título. Se analizan también, diferentes casos en cada programa para posteriormente compararlos. Por último, se analizan los resultados obtenidos. 4.1 ESQUEMA DE DESARROLLO Este trabajo se realiza sobre la necesidad de la industria por reducir tiempo y costo al realizar evaluaciones económicas de un proceso, análisis energéticos y diseños de equipos de transferencia de calor. El desarrollo del trabajo se ha dividido en las siguientes etapas: Modificación de la simulación estacionaria de una planta tipo para la obtención de Gas Natural Licuado (GNL). Definición de los parámetros de inversión para el posterior análisis económico realizado a través del Aspen Capital Cost Estimator. Comparación del resultado obtenido en el Aspen CCE con diferentes métodos bibliográficos (Lang, Chilton, Holland y Peters-Timmerhaus). Definición de las especificaciones de las corrientes de un proceso para el análisis energético realizado a través del Aspen Energy Analyzer. Desarrollo y análisis de diseños para el análisis energético. Análisis de diseños recomendados por Aspen Energy Analyzer, a través de la herramienta Recommend Designs. 77
91 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Definición de las corrientes (componentes y composiciones) y datos del dimensionamiento para la simulación de un intercambiador de calor a través del Aspen Exchanger & Rating. Análisis de los resultados obtenidos en la simulación de un intercambiador de calor, a través de Aspen ED&R. Comparación de los resultados obtenido en el Aspen ED&R con el resultado obtenido en Aspen HYSYS, para siete paquetes termodinámicos. 78
92 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados 4.2 DATOS Y RESULTADOS En esta sección se entrega los datos y resultados que se han especificado para cada programa estudiado Modificaciones de la Simulación LNG Plant. Para el estudio del programa Aspen CCE se utilizó una simulación creada en Aspen Hysys, ésta es de una planta tipo para la obtención de Gas Natural Licuado. Dicha simulación es uno de los ejemplos que incluye AspenOne. El nombre del archivo de dicha simulación es LNG Plant Simulation. La simulación LNG Plant Simulation originalmente contiene cuatro áreas de proceso: 1) Purificación del Gas Natural: en esta área se remueve el dióxido de carbono y el agua del gas natural. 2) Pre-enfriamiento con Propano: en esta área se pre-enfría el gas natural y el refrigerante mixto compuesto por metano, etano, propano, isobutano y nitrógeno 3) Compresión del Refrigerante: en esta área se aumenta la presión del refrigerante mixto. 4) Licuado del Gas Natural: en esta área el gas natural es convertido en gas natural licuado. Además, contiene tres intercambiadores tipo LNG, los cuales se encargan de simular una red de intercambiadores de calor, pero con el inconveniente que este tipo de intercambiadores no los dimensiona Aspen Hysys (ver ilustración 69). 79
93 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Ilustración 67.- Esquema general del proceso de obtención de Gas Natural Licuado en Aspen Hysys. Ilustración 68.- Enfriadores del área de pre-enfriamiento con propano. Ilustración 69.- Muestra los intercambiadores LNG en el área de licuado del gas natural. Las modificaciones que se le realizaron a la simulación, son las siguientes: 80
94 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados 1) Eliminación del área de purificación. Debido a que esta área posee equipos que no se pueden dimensionar en Aspen Hysys y por ende no se les puede estimar su costo en el Aspen CCE. 2) Sustitución de los intercambiadores LNG por intercambiadores de calor tipo Weighted. 3) Los enfriadores del área de pre-enfriamiento con propano (ilustración 68) se sustituyeron por intercambiadores de tipo Weighted y se agregaron tres compresores de tipo centrífugo. 4) La corriente que ingresa al compresor MR-Comp1, cuyo flujo es de CFM, se dividió en dos, debido a que los compresores de tipo centrífugo admiten como máximo un flujo de CFM. 5) Sustitución del enfriador Comp1-Cooler por un intercambiador de calor de tipo Weighted. 6) Se añadió el área de almacenamiento, la cual consta de dos tanques de almacenamiento. Por lo tanto, la simulación quedó de la siguiente manera: Ilustración 70.- Aspecto general del proceso modificado. 81
95 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Ilustración 71.- Aspecto del área de pre-enfriamiento con propano. Ilustración 72.- Aspecto del área de compresión del refrigerante. 82
96 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Ilustración 73.- Aspecto del área de licuado del gas natural. Ilustración 74.- Aspecto del área de almacenamiento. 83
97 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Datos de la Simulación LNG Plant. A continuación se presenta los valores de la materia prima y producto de la simulación utilizada en Aspen CCE. CORRIENTE VARIABLE VALOR Natural Gas Feed Flujo Másico (Ton/hr) 382,3 Temperatura (ºC) 24,95 Presión (kg/cm 2 ) 51 Fracción de Vapor 1 Tabla 5.- Datos de operación de la materia prima. CORRIENTE COMPONENTE COMPOSICIÓN (%) Natural Gas Feed Nitrógeno 6,86 Metano 81,73 Etano 8,1 Propano 2,13 Iso-Butano 0,33 n-butano 0,52 Iso-Pentano 0,09 n-pentano 0,11 n-hexano 0,13 Tabla 6.- Componentes y composición de la materia prima. CORRIENTE VARIABLE VALOR LNG Product Flujo Másico (Ton/hr) 343,9 Temperatura (ºC) -163,7 Presión (kg/cm 2 ) 1,5 Fracción de Vapor 0 Tabla 7.- Datos de operación del producto. 84
98 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados CORRIENTE COMPONENTE COMPOSICIÓN (%) LNG Product Nitrógeno 2,71 Metano 84,8 Etano 8,87 Propano 2,33 Iso-Butano 0,36 n-butano 0,57 Iso-Pentano 0,1 n-pentano 0,12 n-hexano 0,14 Tabla 8.- Componentes y composición del producto. Equipos del proceso. simulación: A continuación se muestran los equipos que hay en cada área de la ÁREA DE PROCESO TIPO DE EQUIPO EQUIPO Pre-enfriamiento con propano Intercambiadores de calor Compresores Prechiller1, Prechiller2, Prechiller3, Condenser1, MR-Chill1, MR-Chill2, MR-Chill3, Condenser2 K-100, K-101, K102 Compresión del refrigerante Intercambiadores de calor Compresores E-100, Comp1-Cooler,Comp2- Cooler, Condenser3 MR-Comp1, MR-Comp2, MR-Comp3 Licuado del gas natural Intercambiadores de calor E-101, E-102, E-103, E-104, E-105, E-106, E-107, E-108 Separadores Horizontales V-100, V-101, V-102 Área de almacenamiento Tanques de almacenamiento TK-100, TK-101 Tabla 9.- Equipos de cada área del proceso. 85
99 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Aspen Capital Cost Estimator. Las ecuaciones utilizadas para realizar la estimación del costo de los equipos del proceso se encuentran en el anexo A y los métodos de estimación de la inversión del capital fijo se encuentran en el anexo D. El error relativo de los costos de los equipos y de la inversión del capital fijo del proyecto, se calcula mediante la ecuación :;<=5 A B C?D E 100% :;<=5 Ec. 5 Donde, - Valor ACCE es el costo entregado por Aspen Capital Cost Estimator. - Valor E C es el costo entregado por ecuaciones. - Valor M ICF es el costo entregado por los métodos de estimación de la inversión del capital fijo. Como se aprecia en la ecuación 5, los errores del costo de los equipos y de la inversión de capital fijo se calculan con respecto al valor entregado por Aspen Capital Cost Estimator, debido a la exactitud entregada por el programa para una planta de metanol (2,14%), evaluada en Aspen IPE versión A continuación se muestran los datos ingresados, y resultados obtenidos en el programa Aspen CCE. 86
100 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Especificaciones económicas. El proyecto se evalúa a partir de la etapa de ingeniería básica. Otras especificaciones para el análisis económico, son las siguientes: - Fecha de inicio = 11 de febrero de Vida económica de la planta = 20 - Método de depreciación = Línea recta. - Periodos para el análisis = 20 - Valor de rescate de la planta = 20% - Capital de trabajo = 20% del capital fijo de inversión. - Cargos de operación = 25% del costo de mano de obra de operación (ya incluye cargos de laboratorio y suministros de operación). - Gastos generales de la planta = 50% del costo de mano de operación y mantenimiento. - Gastos generales y administrativos = 8% del subtotal del costo total de operación. - Impuestos = 40% - Incremento de precios = 0% para capital fijo de inversión; 5% para los producto; 3.5% para la materia prima; 3% para la mano de obra de mantenimiento y operación; 3% para los servicios auxiliares. - Tipo de planta = Procesamiento químico - Tipo de operación = Continuo 24 hr/día - Duración del período de puesta en marcha = 20 semanas - Fluidos de proceso = Líquidos y gases - Salario de supervisor = 35 dólares/hr - Salario de operador = 20 dólares/hr - Electricidad = 0,0775 dólares/kwh - Combustible = 7,85 dólares/mmbtu - Gas natural = 2 dólares/mmbtu - Gas natural licuado = 10 dólares/mmbtu 87
101 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Nota: El incremento de la inversión del capital fijo (ICF) se refiere a cuánto debe aumentar este capital desde la fecha de la base de datos de costos de Aspen CCE (2007) hasta el inicio de la ingeniería del proyecto a evaluar (2010). Es por esta razón que se ingresa como 0% el aumento de la inversión del capital fijo y se utilizan índices de costos (CEPCI) para ajustar el precio de los materiales, ya que, la ICF incluye porcentajes contingencias, impuestos, gastos de ingeniería y salarios, los que no se incrementan significativamente con el tiempo. Especificaciones de la planta. Para realizar una evaluación económica más completa del proceso de obtención de gas natural licuado se añadieron, en el programa Aspen CCE, los siguientes elementos Elementos añadidos: - Sala de control. - Almacenamiento. - Servicio auxiliar: Agua de enfriamiento y, Aire de instrumentación y de planta. - Antorcha. - Sanitario. - Comedor/cafetería. - Oficinas. - Garajes. - Taller de mantenimiento. - Estacionamiento. Las especificaciones del servicio auxiliar de agua de enfriamiento, y del servicio auxiliar de aire para la planta e instrumentación se muestran en la tabla 10 y 11, respectivamente. 88
102 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados OPCIÓN VALOR UNIDAD Water flow rate GPM Temperature range 10 Delta C Approach gradient 4,5 Delta C Wet bulb temperature 15,5 C Length each heater 6 M Tabla 10.- Datos de la torre del servicio auxiliar de agua de enfriamiento. ITEM DESCRIPTION ENTER PREFERRED VALUE 2.- Ambient Air Conditions Dry bulb temperature 75 Wet bulb temperature Air Requirements Instrument air, % excess capacity 15 Plant Air, % excess capacity Air Intake: Screens/Filters Adjustment to estimated equipment cost 110 Adjustment to estimated weight Compressors Install a Stand-by Spare Compressor? Water-cooled or Air-cooled Exchangers Yes Air 6.- Air Storage Receiver(s) One common main air receiver for both IA and PA Install a stand-by spare receiver No Yes 7.- Air Dryvers Common dryver for instrument and plant air Install a stand-by spare dryver No Yes 8.- Line Filters, Pre-and-Post-Drying Instrument Air: Number of pre-filters 2 Instrument Air: Number of post-filters 2 Plant Air: Number of pre-filters 2 Plant Air: Number of post-filters 2 Tabla 11.- Especificaciones generales del servicio auxiliar de aire. 89
103 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Parámetros de diseño, material y datos de dimensionamiento entregados por Aspen, de los equipos del proceso. En las tablas siguientes se muestran los parámetros de presión y temperatura de operación, el material seleccionado y los datos de dimensionamiento calculados por Aspen CCE, para los equipos del proceso. TUBOS CARCASA INTERCAMBIADORES DE CALOR P op (Psia) T op ( C) P op (Psia) T op ( C) Comp1-Cooler Comp2-Cooler Condenser Condenser Condenser E E E E E E E E E MR-Chill MR-Chill MR-Chill Prechiller Prechiller Prechiller Tabla 12.- Datos de presión y temperatura de operación de los intercambiadores de calor. 90
104 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados SEPARADORES HORIZONTALES PRESIÓN DE OPERACIÓN (PSIA) TEMPERATURA DE OPERACIÓN ( C) V V V Tabla 13.- Datos de presión y temperatura de operación de los separadores. COMPRESORES PRESIÓN DE OPERACIÓN DE ENTRADA (PSIA) TEMPERATURA DE DISEÑO DE ENTRADA ( C) PRESIÓN DE OPERACIÓN DE SALIDA (PSIA) MR-Comp MR-Comp MR-Comp K K K K Tabla 14.- Datos de presión y temperatura de operación de los compresores. ESTANQUES DE ALMACENAMIENTO PRESIÓN DE OPERACIÓN (PSIA) TEMPERATURA DE OPERACIÓN ( C) TK TK Tabla 15.- Datos de presión temperatura de operación de los estanques de almacenamiento. EQUIPOS SECCIÓN MATERIAL TIPO Intercambiadores de calor Tubos Carcasa Acero inoxidable Acero inoxidable 304LW SS304 Compresores Carcasa Acero al carbono CS Tanques de almacenamiento Tanque principal Tanque secundario Acero criogénico, 9%Ni Acero al carbono A353 CS Separadores Carcasa Acero inoxidable SS304 Tabla 16.- Material seleccionado para cada equipo involucrado en el proceso. 91
105 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados SECCIÓN DE AISLACIÓN MATERIAL CANTIDAD (ft 3 ) Techo tanque principal Lana de vidrio Anular (entre ambos tanques) Perlita expandida Suelo tanque principal Vidrio celular Tabla 17.- Materiales de aislación seleccionado para los tanques de almacenamiento. TANQUE DE ALMACENAMIENTO DIÁMETRO (ft) ALTURA (ft) Principales 234,5 111 Secundarios 244,5 135 Tabla 18.- Dimensiones calculada por Aspen CCE para los tanque de almacenamiento. COMPRESORES POTENCIA (HP) MR-Comp MR-Comp MR-Comp k k k k Tabla 19.- Potencia calculada por Aspen CCE para los compresores. SEPARADORES PESO (Lb) DIÁMETRO (ft) V V V ,5 Tabla 20.- Dimensiones calculados por Aspen CCE para los separadores. 92
106 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados La siguiente tabla muestra el área y la cantidad de intercambiadores de calor (que en la práctica se deberían utilizar) calculada por Aspen CCE, para los equipos de transferencia de calor de la simulación utilizada. INTERCAMBIADORES DE CALOR ÁREA TOTAL (ft 2 ) NÚMEROS DE INTERCAMBIADORES Comp1-Cooler Comp2-Cooler Condenser Condenser Condenser E E E E E E E E E MR-Chill MR-Chill MR-Chill Prechiller Prechiller Prechiller Tabla 21.- Área calculada por Aspen CCE para los intercambiadores de calor. 93
107 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Costo de los equipos del proceso. El costo de compra de los equipos, calculado a través de ecuaciones, es de USD 171MM y el costo total es de USD 259MM. Por otro lado, el costo de compra de los equipos, entregado por Aspen CCE, es de USD 179MM y el costo total es de USD 263MM. Ver el anexo C para ver los costos de compra y totales de cada equipo del proceso, calculado a través de ecuaciones y obtenido en el Aspen CCE. La tabla 22 presenta el error relativo promedio de los costos de compra y total de los equipos del proceso. EQUIPOS ERROR RELATIVO PROM. % COSTO COMPRA ERROR RELATIVO PROM. % COSTO TOTAL Intercambiadores de Calor Compresores Separadores Horizontales Tanques de Almacenamiento 7 11 Tabla 22.- Error relativo promedio del costo de adquisición y total de los equipos del proceso. 94
108 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Inversión del Capital Fijo. Para estimar la inversión de capital fijo a través de los métodos de Lang, Chilton, Holland y Peters-Timmerhaus se utiliza el costo total de adquisición de los equipos del proceso (costo de compra + costo de envío), USD El costo de envío de los equipos se considera de un 5% del costo de compra de los equipos. El costo total de adquisición no incluye el costo de los siguientes equipos: Intercambiadores de calor: Condenser1, Condenser2 y Condenser3. Compresores de tipo centrífugo: K-100, K-101, K-102 y K-103. El costo de estos equipos se deja fuera del costo total de adquisición, debido a que los equipos son parte del servicio auxiliar del proceso y los métodos de Lang, Chilton, Holland y Peters-Timmerhaus utilizan el costo de los equipos principales del proceso para estimar la inversión de capital fijo de un proceso. A continuación se muestran los factores utilizados para los diferentes métodos de estimación de la inversión de capital fijo. Método de Lang (estimación de estudio). En el método de Lang se utiliza el factor de 4.8, el cual corresponde a una planta de fluidos. Método Chilton (estimación preliminar). Para este método se utilizan los siguientes factores: 95
109 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados DESCRIPCIÓN FACTORES DE CHILTON Costo de compra + envío de los equipos Instalación de los equipos 1,43 Tuberías del proceso 0,35 Instrumentación 0,16 Edificios y terrenos 0,35 Suministros auxiliares 0,25 Líneas exteriores 0,02 Ingeniería y construcción 0,35 Factor de tamaño 0,02 Contingencia 0,15 Tabla 23.- Muestra los factores utilizados para el método de Chilton. 1 Método Holland (estimación preliminar). Para este método se utilizan los siguientes factores: DESCRIPCIÓN FACTORES DE HOLLAND Costo de compra + envío de los equipos Fluidos del proceso 1,47 Tuberías 0,35 Instrumentación 0,075 Edificios y terrenos 0,35 Suministros auxiliares 0,25 Líneas exteriores 0,02 Ingeniería y construcción 0,35 Factor de tamaño 0,02 Contingencias 0,15 Tabla 24.- Muestra los factores utilizados para el método de Holland. 1 96
110 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Método de Peters and Timmerhaus (estimación preliminar). Para este método se utilizan los porcentajes que corresponden a una planta de fluidos: DESCRIPCIÓN % DEL COSTO DE ADQUISICIÓN DE LOS EQUIPOS Costo de compra + envío de los equipos 100 Instalación 47 Instrumentación y control 18 Tuberías 66 Eléctrico 11 Edificios 18 Mejoras de terreno 10 Suministros auxiliares 70 Terreno 6 COSTO TOTAL DIRECTO DE LA PLANTA 346 Ingeniería y supervisión 33 Gastos de construcción 41 COSTO TOTAL DIRECTO E INDIRECTO DE LA PLANTA 420 Beneficio contratista (5%*) 21 Contingencias (10%*) 42 Tabla 25.- Porcentajes utilizados para el método Peters and Timmerhaus. * Porcentaje del costo total directo e indirecto de la planta. 97
111 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados La inversión del capital fijo que entrega el Aspen CCE no incluye el costo del terreno, éste solamente es entregado en el módulo Analizador Económico. El capital fijo de inversión entregado por Aspen CCE es de USD e incluyendo el costo del terreno resulta una inversión de capital fijo de total de USD La tabla 26 muestra el costo de la inversión de capital fijo, calculados a través de métodos bibliográficos y el error respecto al costo calculado con el programa. MÉTODO CAPITAL FIJO DE INVERSIÓN (MUSD) ERROR % Lang Peters, Timmerhaus Chilton Holland Tabla 26.- Resultado de la inversión del capital fijo. A continuación se entregan los costos de los ítems más importantes de los métodos de estimación preliminar utilizados en este trabajo y se comparan con los entregados por Aspen CCE. ITEMS MÉTODO CHILTON (MUSD) MÉTODO HOLLAND (MUSD) ASPEN CCE (MUSD) Costo de instalación Tuberías del proceso Instrumentación Ingeniería y construcción Contingencia Tabla 27.- Costos por ítems de los métodos Chilton, Holland y Aspen CCE. 98
112 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados ITEMS MÉTODO PETERS AND TIMMERHAUS (MUSD) ASPEN CCE (MUSD) Costo de instalación Tuberías del proceso Instrumentación Eléctrico Ingeniería y supervisión Gastos de construcción Beneficio contratista Contingencia Tabla 28.- Costos por ítems del método Peters-Timmerhaus y AspenCCE. Módulo Análisis Económico. Para el análisis del flujo de caja de un proyecto es recomendable utilizar el módulo Analisis Económico, debido a que en éste, el usuario puede variar el valor de las materias primas, del producto, del servicio auxiliar, y ver como varían al instante, los parámetros económicos (VAN, TIR, PR, etc.). Además en el módulo Analisis Económico se puede variar un total 72 parámetros, entre los cuales se puede ingresar información sobre la demolición y número de operadores de la planta. El Analizador Económico entrega sugerencias al usuario en varias de las 72 opciones, por ejemplo para la demolición, terreno y personal sugiere: De 1 a 2% del capital fijo de inversión para el costo del terreno (2% opción seleccionada). 6,3 semanas de duración para la ingeniería de demolición. 0,2% del capital fijo de inversión para el costo de la ingeniería de demolición. 70,4 semanas de duración para la demolición. 99
113 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados 0,9% de la ICF para el costo de demolición. 9 semanas de puesta en marcha. 9 operadores y 1 supervisor por turno. Utilizando las sugerencias mencionadas anteriormente, el Analizador Económico entrega un costo para la demolición de USD y del terreno de USD La tabla 29 muestra los principales parámetros económicos del proyecto. PARÁMETRO ECONÓMICO VALOR UNIDAD VAN MMUSD TIR 44 % PR 8,3 Años Tabla 29.- Parámetros económicos del proyecto. 100
114 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Aspen Energy Analyzer. En el programa Aspen EA, se busca el diseño más económico de una red de intercambio calórico para el proceso que se muestra en la ilustración 75. Ilustración 75.- Muestra el proceso de estudio para el análisis energético. Datos del problema para el análisis energético. Del esquema del proceso (ilustración 75) se observa que existen cuatro corrientes en las que se puede realizar el análisis energético. Las cuatro corrientes y sus propiedades energéticas se presentan en la tabla 30, los servicios auxiliares utilizados para el problema, en la tabla 31. Y por último los datos de dimensionamiento de los intercambiadores y el método de obtención de su costo se presentan en la tabla
115 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados CORRIENTE Te (ºC) Ts (ºC) MCp (KW/ºC) Q (KW) Salida del reactor Producto Alimentación Recirculación Tabla 30.- Datos térmicos de las corrientes del proceso. SERVICIO TEMPERATURA ENTRADA (ºC) TEMPERATURA SALIDA (ºC) COSTO (USD/KW *AÑO) Agua de enfriamiento (cw) ,7 Vapor de alta presión (s) Tabla 31.- Datos de las corrientes de servicio auxiliar. TIPO INTERCAMBIADOR U (W/m 2 ºC) COSTO (USD, m 2 ) OPERACIÓN DE EQUIPOS (hrs/año) Calentador 986 Enfriador *A 0, Proceso 568 Tabla 32.- Datos de diseño y costo de los intercambiadores de calor. Para el análisis económico se considera una tasa de retorno del 10% (ROR) y un tiempo de vida de la planta (PL) de 10 años. El factor de anualización de los costos está dado por la siguiente fórmula: FA J KLK MNN OP QR Ec.6 Para este problema se utiliza un T min inicial de 12ºC. La tabla 33 muestra valores recomendados de T min para diferentes sectores industriales. 102
116 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados SECTOR INDUSTRIAL T MIN INICIAL Refinería Petroquímica Química Procesos de baja temperatura 3 5 Tabla 33.- Valores de T min recomendados. 103
117 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Algoritmo tabla problema y cascada. A continuación se muestra la tabla problema típica cuando se resuelve un problema de análisis energético, de manera manual. Tabla 34.- Resolución de la tabla problema. 104
118 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados De la tabla 35 obtenemos la temperatura pinch y los servicios mínimos requeridos de calefacción y enfriamiento: VARIABLE VALOR Pinch ficticio 166 ºC Pinch Caliente 172 ºC Pinch Frío 160 ºC Servicio mínimo de calefacción 680 kw Servicio mínimo de enfriamiento 480 kw Tabla 35.- Muestra las variables clave obtenidas de la tabla problema y de la cascada. De la ecuación 3 obtenemos cinco unidades mínimas de intercambio de calor, sin considerar el punto pinch, para este problema. Y de la ecuación 4 obtenemos siete unidades de intercambio de calor para la máxima recuperación energética (MER). La ilustración 76 muestra las temperaturas pinch, los servicios mínimos requeridos de calefacción y enfriamiento, entregados por Aspen EA, con un T min de 12 ºC. Ilustración 76.- Valores objetivos calculados por Aspen EA para un T min de 12ºC. 105
119 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Curvas obtenidas manualmente y entregadas por Aspen EA. En las ilustraciones 77, 78 y 79, se muestran las curvas (Compuesta, Compuesta Corregida y Gran Curva Compuesta) obtenidas de manera manual y las entregadas por Aspen EA. Ilustración 77.- Curvas Compuestas. 106
120 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Ilustración 78.- Curvas Compuestas Corregidas. 107
121 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Ilustración 79.- Gran Curva Compuesta. 108
122 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Diseño de la red de intercambio de calor óptima. Para encontrar el diseño óptimo de una red de intercambio de calor se realizan las siguientes propuestas: 1) El diseño de una RIC para la cantidad mínima de unidades de transferencia de calor (utilizando este diseño como base se utiliza la herramienta Recommend Designs para que genere 5 diseños de RIC). 2) El diseño de una RIC que cumpla con los objetivos energéticos, con un T min de 12ºC. 3) El diseño de una RIC que cumpla con los objetivos energéticos, con el T óptimo. Los intercambiadores de calor son de tipo contracorriente (1-1). La ilustración 80 muestra el diseño de la RIC de la primera propuesta, la ilustración 81 muestra un diseño representativo de los diseños generados por la herramienta Recommend Designs. Para ver los diseños restantes ver el anexo J. La ilustración 82 y 83 muestran el diseño de la RIC correspondiente segunda y tercera propuesta, respectivamente. 109
123 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Ilustración 80.- Diseño de la RIC con cinco unidades y T min de 12ºC. 110
124 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Ilustración 81.- Diseño de la RIC con cinco unidades y T min de 12ºC. 111
125 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Ilustración 82.- Diseño de la RIC con nueve unidades y T min de 12ºC. 112
126 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Obtención del Tóptimo. El Aspen EA sólo calcula el valor de T óptimo para intercambiadores de tipo 1-2. Por esta razón, en este trabajo se determina de forma manual el valor del T óptimo. Para la obtención del T óptimo se calcula el costo total para varios valores de T min. Por lo tanto, el T óptimo corresponde al que tenga el menor costo total de la red de intercambio calórico. T min COSTO TOTAL (USD/AÑO) COSTO SERVICIO AUXILIAR (USD/AÑO) 2 ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC Tabla 36.- Obtención del T óptimo. De la tabla anterior obtenemos un T óptimo 9ºC con un valor total para la red de intercambio calórico de USD/año. 113
127 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Ilustración 83.- Diseño de la RIC con siete unidades y T óptimo de 9ºC. 114
128 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Costo de inversión de los diseños propuestos. A continuación se presenta las características y costos correspondientes a cada red de intercambiadores de calor diseñada. RIC Nº HXs T (ºC) ÁREA (m 2 ) SERVICO DE CALEFACCIÓN (KW) SERVICIO DE ENFRIAMIENTO (KW) Diseño Diseño Diseño Tabla 37.- Características de los tres diseños de las redes de intercambiadores de calor propuestas. RIC COSTO TOTAL (USD/AÑO) COSTO DE CAPITAL (USD) COSTO OPERACIONAL (USD/AÑO) Diseño Diseño Diseño Tabla 38.- Costos de los tres diseños de las redes de intercambiadores de calor propuestas. 115
129 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Esquema del proceso con la RIC óptima. En la ilustración 84, se muestra la RIC derivada del diseño de la propuesta nº3, el cual representa la RIC óptima. Ilustración 84.- Muestra el proceso con la red de intercambiadores de calor nueva. 116
130 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Aspen Exchanger Design & Rating. Para el análisis de las herramientas del Aspen ED&R se utilizaron los datos de operación y de dimensionamiento de un intercambiador de calor perteneciente a la empresa Methanex. El flujo y los datos de dimensionamiento del intercambiador de calor fueron extraídos desde la tesis Simulación Estacionaria Usando Aspen Plus. Ilustración 85.- Muestra el intercambiador de calor simulado en Aspen HYSYS. A continuación se muestran los datos ingresados y resultados obtenidos para la simulación del intercambiador de calor, en los programas Aspen HYSYS y Aspen ED&R. 117
131 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Datos de las corrientes del intercambiador de calor. Por el lado de los tubos (lado caliente) tenemos las siguientes especificaciones: TUBOS FLUJO (kg/hr) TEMPERATURA (ºC) PRESIÓN (kg/cm 2 ) Entrada ,2 84,93 Tabla 39.- Datos de operación del lado de los tubos. COMPONENTES COMPOSICIÓN MOLAR (%) FÓRMULA Hidrógeno 0,805 H 2 Monóxido de carbono 0,011 CO Dióxido de carbono 0,011 CO 2 Nitrógeno 0,010 N 2 Metano 0,096 CH 4 Metanol 0,050 CH 4 O Agua 0,016 H 2 O Tabla 40.- Muestra los componentes y la composición del lado de los tubos. Por el lado de la carcasa (lado frío) tenemos las siguientes especificaciones: CARCASA FLUJO (kg/hr) TEMPERATURA (ºC) PRESIÓN (kg/cm 2 ) Entrada ,8 86,53 Tabla 41.- Datos de operación del lado de la carcasa. 118
132 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados COMPONENTES COMPOSICIÓN MOLAR (%) FÓRMULA Hidrógeno 0,836 H 2 Monóxido de carbono 0,038 CO Dióxido de carbono 0,025 CO 2 Nitrógeno 0,009 N 2 Metano 0,088 CH 4 Metanol 0,003 C 2 H 6 Agua 0,001 C 3 H 8 Tabla 42.- Muestra los componentes y la composición del lado de la carcasa. Geometría seleccionada para el intercambiador de calor. La geometría seleccionada para el intercambiador de calor es la siguiente: Configuración del intercambiador: BEM Material del intercambiador de calor: acero inoxidable 304 Carcasa: - Diámetro interno: 1,56 m - Diámetro externo: 1,72 m Tubos: - Longitud: 8,1 m - Diámetro externo: 0,625 in - Espesor: 0,065 in - Pitch: 0,875 in - Arreglo: 30- triangular - Pasos por los tubos: 1 Deflectores: - Numero: 5 - Espacio (centro-centro): 1,35 m - Orientación: horizontal - Corte %: 25,3 119
133 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Resultado de las simulaciones. Luego de realizar la simulación del intercambiador de calor en Aspen HYSYS y Aspen ED&R, para siete paquetes termodinámicos, se obtuvieron las siguientes temperaturas de salida: PAQUETE TERMODINÁMICO ASPEN HYSYS TEMPERATURA(ºC) SALIDA ASPEN ED&R TEMPERATURA(ºC) SALIDA CARCASA TUBOS CARCASA TUBOS Peng-Robinson 99,7 99,1 114,9 94,5 PR-BM 105,3 93,3 114,3 92,8 PRMHV2 101,2 93,9 110,1 89,9 PSRK 101,0 98,2 111,9 93,2 RK-Souve 99,9 100,7 115,8 95,7 RKS-BM 102,8 106,5 115,6 94,6 RKSMHV2 101,2 98,2 111,8 93,5 Tabla 43.- Resultado de las temperaturas de salida del intercambiador de calor. En las simulaciones de ambos programas utilizados, la corriente de salida por el lado de los tubos presenta un pequeño grado de condensación. En la siguiente tabla se presentan las fracciones molares de vapor, de la corriente de salida por el lado de los tubos, obtenidos en Aspen HYSYS y Aspen ED&R. 120
134 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados PAQUETE TERMODINÁMICO ASPEN HYSYS ASPEN ED&R Peng-Robinson 0,98 0,97 PR-BM 0,98 0,97 PRMHV2 0,98 0,97 PSRK 0,98 0,97 RK-Souve 0,98 0,97 RKS-BM 0,97 0,97 RKSMHV2 0,98 0,97 Tabla 44.- Resultado de las fracciones molares de vapor. La tabla 45 muestra los errores relativos de las variables analizadas en las simulaciones, con respecto a los valores del Aspen ED&R. PAQUETES TERMODINÁMICOS ERROR % TEMPERATURAS DE SALIDA CARCASA TUBOS ERROR % FRAC. VAPOR SALIDA POR LOS TUBOS Peng-Robinson PR-BM PRMHV PSRK RK-Souve RKS-BM RKSMHV Tabla 45.- Error relativo de las temperaturas de salida y de la fracción molar de vapor. También se analizó para los mismos paquetes termodinámicos los componentes condensados en la corriente de salida por el lado de los tubos. Principalmente, se observa el estado físico de los gases no condensables (hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, nitrógeno y metano). 121
135 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados PAQUETES TERMODINÁ_ MICOS H 2 (kg/hr) CO (kg/hr) ASPEN HYSYS GASES NO CONDENSABLES CO 2 (kg/hr) N 2 (kg/hr) CH 4 (kg/hr) Total (kg/hr) Peng-Robinson PR-BM PRMHV PSRK RK-Souve RKS-BM RKSMHV Tabla 46.- Flujo de los gases no condensables en fase líquida del Aspen HYSYS. PAQUETES TERMODINÁ_ MICOS H 2 (kg/hr) CO (kg/hr) ASPEN ED&R GASES NO CONDENSABLES CO 2 (kg/hr) N 2 (kg/hr) CH 4 (kg/hr) Total (kg/hr) Peng-Robinson PR-BM PRMHV PSRK RK-Souve RKS-BM RKSMHV Tabla 47.- Flujo de los gases no condensables en fase líquida del Aspen ED&R. La ilustración 86 muestra el resumen de resultado entregado por Aspen ED&R considerando, para ambas corrientes, el paquete termodinámico Peng Robinson. En las figuras 87 y 88 muestran la geometría y el costo del intercambiador de calor simulado, respectivamente. 122
136 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Ilustración 86.- Resumen de resultados entregado por Aspen ED&R. 123
137 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados Ilustración 87.- Muestra la geometría del intercambiador de calor. Ilustración 88.- Muestra los datos de peso y económicos del intercambiador de calor. 124
138 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados 4.3 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS En esta sección se analizan los resultados expuestos en la sección 4.2, los cuales fueron entregados por los programas Aspen Capital Cost Estimator, Aspen Energy Analyzer y Aspen Exchanger Design & Rating. Con respecto al programa Aspen CCE, se puede decir que la gran diferencia entre el resultado de los costos dado por las ecuaciones empleadas y el programa, para los intercambiadores de calor, separadores horizontales y compresores, se debe a que los costos obtenidos por las ecuaciones dependen de una ó dos variables. Por el contrario, los costos entregados por Aspen CCE dependen de la temperatura y presión de operación, material, datos de dimensionamientos, etc. Únicamente los tanques de almacenamiento presentan un error relativo aceptable en el costo tanto de adquisición, como total. En relación al factor de instalación utilizado para los compresores, separadores horizontales y tanques de almacenamiento, se puede decir que es aceptable, ya que el error relativo promedio del costo de compra y del costo total de estos equipos no difiere en más de un 4%. En cuanto a los métodos de estimación de la inversión de capital fijo, podemos decir que el resultado obtenido en el método de Lang está en el rango del error esperado para un método de estimación de estudio (34%). En el caso de los métodos de estimación preliminar, Holland y Chilton, el resultado obtenido está levemente por sobre el rango superior del error esperado para un método de estimación preliminar, 28% y 29% respectivamente. El método de Peters- Timmerhaus, entregó un 35% de error relativo, esto debe principalmente a la sobre valoración porcentual del costo en algunos de sus ítems, como por ejemplo: instrumentación, tuberías, eléctrico, etc. Analizando los resultados del Aspen EA se puede decir que la temperatura pinch y los requerimientos energéticos entregados por el programa, son los 125
139 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados mismos que resultan al resolver de manera manual la tabla problema. Como consecuencia de lo anterior, se obtienen las mismas curvas compuesta, compuesta corregida y gran curva compuesta. Con respecto al número mínimo de unidades de transferencia de calor que cumplen con el requerimiento mínimo de energía, se observa que para el caso de un T min de 12ºC no se cumple con el valor teórico (siete), ya que existe una violación del T min en el intercambiador E-102 (ver anexo I). Para corregir este problema fue necesaria la introducción de dos intercambiadores de calor, de esta manera se obtiene el diseño nº2. El diseño nº3, que considera el T óptimo (9ºC), cumple con el N U,MER teórico y resulta ser el más económico de los tres diseños propuestos. Con este diseño se reduce en USD el costo total anual, si se considera que el proceso funciona sin integración energética, con cuatro intercambiadores de calor como se muestra en la ilustración 75. Por otro lado, la herramienta de Aspen EA, Recommend Designs, no es de gran utilidad para encontrar el diseño óptimo de una RIC que cumpla con los requerimientos mínimos de energía para un proceso simple, ya que, los diseños creados por esta herramienta presentan violaciones del T min y transferencia de calor a través del punto pinch. En relación a la simulación realizada de un intercambiador de calor en los programas Aspen HYSYS y Aspen ED&R, se puede decir que el paquete termodinámico que entrega los valores más cercanos de temperaturas de salida del intercambiador de calor y de fracción de vapor, entre ambos programas, es el de Peng-Robinson-Boston-Mathias (PR-BM). En la corriente que pasa por los tubos condensa parte de los componentes no condensables debido al cambio de fase parcial del fluido. En este ámbito, se 126
140 Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados obtuvo que los paquetes termodinámicos Peng Robinson y Redlich-Kwong-Soave entregan menor cantidad de condensado de gases no condensables, en ambos programas. 127
141 CAPÍTILO V CONCLUSIONES
142 Capítulo V: Conclusiones V - CONCLUSIONES Luego de analizar los resulados expuestos en el presente trabajo se puede concluir lo siguiente: El programa Aspen Capital Cost Estimator brinda ayuda para optimizar el diseño de un proceso creado en un simulador, ya que, alerta al usuario de posibles errores en el dimensionamiento de equipos. Aspen CCE resulta ser una gran herramienta para realizar evaluaciones económicas, debido a que el programa entrega información con gran detalle de una planta de proceso en un período corto de tiempo. Ésto permite comparar diferentes alternativas en etapas iniciales del proyecto. A través del Aspen CCE se evaluó cuatro métodos de estimación de la inversión de capital fijo, Lang, Chilton, Holland y Peters-Timmerhaus, dando buen resultado en los tres primeros métodos. En referencia al módulo Analizador Económico, se puede decir que es una herramienta de gran utilidad para obtener la evaluación económica de un proyecto, debido a que este módulo entrega algunas sugerencias, de acuerdo con los datos de entrada, para tener mayor exactitud en el flujo de caja. También permite variar el costo de las materas primas, productos y servicios auxiliares y ver de manera instantánea con varían los parámetros económicos del proyecto, de este modo el usuario realiza sensibilizaciones de manera fácil y rápida. Como desventaja, se puede mencionar que Aspen CCE que no dimensiona reactores en fase gaseosa. 129
143 Capítulo V: Conclusiones El programa Aspen EA es de gran utilidad, ya que en él se pueden crear varias redes de intercambiadores de calor, compararlas económica y energéticamente, y de esta manera encontrar la RIC óptima. Una limitante del Aspen EA es que sólo compara los valores de una red de intercambiadores de calor de un diseño creado, con los valores objetivo de una RIC con intercambiadores de tipo 1-2. Además entrega sólo el T óptimo para una RIC con intercambiadores del mismo tipo. Aspen ED&R es una herramienta poderosa para simular intercambiadores de calor, ya que, con poca información inicial el programa entrega información altamente detallada. Como por ejemplo: térmica, física (planos), económica, de vibración del equipo, etc. De los programas Aspen HYSYS y Aspen ED&R, éste último es el que mejor simula el comportamiento de los gases no condensables para la corriente que pasa por los tubos, para los siete paquetes termodinámicos empleados. Con el paquete termodinámico Peng Robinson y Redlich Kwong Souve, en el programa Aspen ED&R, se obtiene solamente condensación de dióxido de carbono en un 0,043% en relación al flujo de entrada de dicho gas. Para finalizar se puede concluir que se han cumplido los objetivos planteados en este trabajo de titulación. 130
144 CAPÍTILO VI BIBLIOGRAFÍA
145 Capítulo VI: Bibliografía VI - BIBLIOGRAFÍA 6.1 FUENTES CONSULTADAS [1] Aspen Capital Cost Estimator V7.0, User Guide. [2] Aspen Energy Analyzer, Reference Guide. [3] Aspen Energy Analyzer, User Guide. [4] Aspen Exchanger Design & Rating Help. [5] Aspen Physical Property System. [6] MS Peters, KD Timmerhaus. Plant Design and Economics for Chemical Engineers 4th ed. New York: McGraw-Hill, [7] Publicación: Liquefied Natural Gas Market Challenges and Opportunities for Innovation, HYDROCARBON WORLD Versión PDF obtenida desde el sitio [8] Stanley M. Walas, Chemical Process Equipment: Selection and Design. Ed. Butterworth Heinemann, [9] Tesis denominada Simulación Estacionaria Usando Aspen Plus, realizada por María Daniela Bañados García. [10] Tesis denominada Evaluación Económica Preliminar de Plantas Químicas Usando Aspen Icarus Process Evaluator , realizada por José Roberto Esquivel Elizondo. Versión PDF obtenida desde el sitio INTERNET SITIOS CONSULTADOS [1] [2] [3] [4] 132
146 ANEXOS
147 A - FÓRMULAS PARA LA ESTIMACIÓN DE COSTOS DE EQUIPOS Intercambiadores de calor tipo Fixed-head (1985). C U V U W U X Y Z C [ exp8,821.0,30863 Ln#A$ 0,0681 #LnA$^ U V exp.1,11560,0906 Ln#A$ `abcd ef ghf8iób #g8ic$ U X j 0,77710,04981 #LnA$ j 1,03050,07140 #LnA$ j 1,14000,12088 #LnA$ U W 0,81930,15984 #LnA$ Donde, - A es el área de transferencia de calor del intercambiador en pies cuadrados. - U W es el factor realcionado con el material del equipo. Acero inoxidable 304. Compresores (1981). C 6490 #HP$,l^ Donde HP es la potencia del compresor. 134
148 Separadores horizontales (1985). C m n Y Z Y o Y Z exp 8,571.0,2330 #LnW$0,04333 #LnW$^ Y o 370 q,^^r m n 1,7 Donde, - W es el peso de la carcasa, en libras. - D es el diámetro de la carcasa, en pies. - m n es el factor relacionado con el material del equipo. Acero inoxidable 304. Tanques de almacenamiento (2007). El costo de cada tanque de almacenamiento se considera como USD 400/m 3 de gas natural licuado almacenado. Factor de instalación de los equipos. EQUIPO FACTOR Intercambiadores de calor 1,9 Compresores 1,3 Separadores horizontales 1,7 Tanque de almacenamiento 1,5 135
149 B - CHEMICAL ENGINEERING PLANT COST INDEX DE 1950 A 2010 AÑO CEPCI AÑO CEPCI AÑO CEPCI , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,2 136
150 C - COSTO DE LOS EQUIPOS DEL PROCESO La siguiente tabla muestra el costo de adquicisión obtenido a través de ecuaciones y el costo entregado por Aspen CCE. EQUIPO (CANTIDAD) ECUACIONES (USD) ASPEN CCE (USD) ERROR % INTERCAMBIADORES DE CALOR Comp1-Cooler Comp2-Cooler Condenser1 (3) Condenser2 (16) Condenser E-100 (7) E-101 (6) E E-103 (3) E-104 (17) E-105 (2) E-106 (4) E-107 (2) E-108 (2) MR-Chill1 (2) MR- Chill2 (6) MR-Chill3 (19) Prechiller Prechiller Prechiller3 (2) COMPRESORES MR-Comp MR- Comp MR-Comp K
151 K K K ,3 SEPARADORES HORIZONTALES V V V TANQUES DE ALMACENAMIENTO TK TK En la tabla que a continuación se presenta, muestra el costo total de los equipos obtenido a través de ecuaciones y el costo entregado por Aspen CCE. EQUIPO (CANTIDAD) ECUACIONES (USD) ASPEN CCE (USD) ERROR % INTERCAMBIADORES DE CALOR Comp1-Cooler Comp2-Cooler Condenser1 (3) Condenser2 (16) Condenser E-100 (7) E-101 (6) E E-103 (3) E-104 (17) E-105 (2) E-106 (4) E-107 (2) E-108 (2) ,6 MR-Chill1 (2) MR- Chill2 (6) MR-Chill3 (19)
152 Prechiller Prechiller Prechiller3 (2) COMPRESORES MR-Comp MR- Comp MR-Comp K K K K SEPARADORES HORIZONTALES V V V TANQUES DE ALMACENAMIENTO TK TK
153 D - DETALLE ECONÓMICO DE LOS EQUIPOS DEL PROCESO 140
155 E - MÉTODOS BIBLIOGRÁFICOS PARA EL CÁLCULO DE LA INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO. Método de Lang. TIPO DE PLANTA CAPITAL FIJO DE INVERSIÓN Planta de sólidos 3,9 Planta mixta 4,1 Planta de fluidos 4,8 C m s4 Donde, - F es el factor de Lang, que depende del tipo de planta. - E es el costo de compra de los equipos principales del proceso. 142
156 Método de Peters and Timmerhaus. DESCRIPCIÓN PLANTA DE SÓLIDOS* PLANTA MIXTA* PLANTA DE FLUIDOS* Delivered equipment cost Purchased-equipment installation 45* 39* 47* Instrumentation and control 9* 13* 18* Piping 16* 31* 66* Electrical 10* 10* 11* Buildings 25* 29* 18* Yard improvements 13* 10* 10* Service facilities 40* 55* 70* Land 6* 6* 6* TOTAL DIRECT PLANT COST Engineering and supervisión 33* 32* 33* Construcction expenses 39* 34* 41* TOTAL DIRECT AND INDIRECT PLANT COSTS Contractor s fee (5%**) Contingency (10%**) FIXED-CAPITAL INVESTMENT * Porcentajes del costo de compra + envío de los equipos. ** Porcentaje del costo total directo e indirecto de la planta
157 Método de Chilton. Chilton. En las dos tablas siguientes se muestran los factores del método de ÍTEMS FACTOR RANGES 1. Delivered equipment cost Installed equipment cost Process piping Type of plant Solid Solids and fluid Fluid Instrumentation Amount None Some Extensive Buildings and site development Type of plant Outdoor Outdoor-indoor Indoor Auxiliaries Extent Existing 0 Minor addition Major addition New facilities Outside lines Average length Short
158 Intermediate Long TOTAL PHYSICAL PLANT COSTS tuvw xwyz { }~w.xwyz s}~w.u} w y xwyzv 9. Engineering and construction Complexity Simple Difficult Contingencies Process 11. Side factor Firm Subject to change Speculative Size of plant Large commercial unit >$10MM Small commercial unit $0.5MM to $10MM ƒ Experimental unit<$0.5mm TOTAL INDIRECT PLANT COSTS t s }~w.u} w y xwyzv TOTAL FIXED PLANT COST TPPC* + TIPC** Para estimar el costo de cada ítem, se multiplica el costo del equipo instalado por el factor correspondiente. * Costo total físico de la planta, por sus siglas en inglés. ** Costo total indirecto de la planta, por sus siglas en inglés. 145
159 Método de Holland. ˆ Š { ƒ ˆŒ t w = fixed capital cost of plant t yž = major process equipment cost, delivered = 1.45 for solids processing = 1.39 for mixed solids fluid processing = 1.47 for fluid processing { = 1 + f 1 + f 2 + f 3 + f 4 + f 5 ƒ = 1 + f 6 + f 7 + f 8 Process piping factor range: f 1 = for solids processing f 1 = for solids-fluid processing f 1 = for fluid processing Instrumentation factor ranges: f 2 = for little automatic control f 2 = for some automatic control Buildings factor ranges: f 3 = for outdoor units f 3 = for mixed indoor outdoor units f 3 = for indoor units Engineering and construction factor ranges: f6 = for straightforward plants f6 = for complex plants Size factor ranges: f7 = for large plants f7 = for small plants f7 = for experimental units Contingency factor ranges: f8 = for a firm process f8 = for a process subject to change Facilities factor ranges: f 4 = for minor additions f 4 = for major additions f 4 = for a new site Outside lines factor ranges: f 5 = for existing plant f 5 = for separated units f 5 = for scattered units 146
160 F - COSTO DE LA INVERSIÓN DEL CAPITAL FIJO ENTREGADO POR ASPEN CCE 147

References: resolución 
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