simulación de intercambiadores de calor, diseño de redes de

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
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
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
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
ÍNDICE
RESUMEN .............................................................................................................................................................. I
ÍNDICE ................................................................................................................................................................ III
ILUSTRACIONES Y TABLAS ......................................................................................................................... VI
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................. X
I - ANTECEDENTES GENERALES .................................................................................................................. 2
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA............................................................................................ 2
1.2 OBJETIVOS ................................................................................................................................ 2
1.2.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................... 2
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................ 2
II - ANTECEDENTES TEÓRICOS .................................................................................................................... 5
2.1 ESTIMACIÓN DE COSTOS .......................................................................................................... 5
2.1.1 INVERSIÓN DE CAPITAL. ................................................................................................ 6
2.1.2 INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO. ......................................................................................... 6
2.1.3 CAPITAL DE TRABAJO. ................................................................................................... 7
2.1.4 MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE LA INVERSIÓN DE CAPITAL. .......................................... 8
2.2 ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR ......................................................................................... 10
2.2.1 EVALUACIÓN ECONÓMICA. ......................................................................................... 13
2.2.2 ANÁLISIS DE DECISIONES. ............................................................................................ 19
2.2.3 RESULTADOS GENERADOS POR ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR. ........................... 22
2.3 ASPEN ENERGY ANALYZER ...................................................................................................... 24
2.3.1 SIGNIFICADO DEL TÉRMINO “TECNOLOGÍA PINCH”. ................................................... 24
2.3.2 PRINCIPIOS DEL ANÁLISIS PINCH. ................................................................................ 24
2.3.3 OBJETIVOS DEL ANÁLISIS PINCH. ................................................................................. 25
2.3.4 CONCEPTOS CLAVE DEL ANÁLISIS PINCH..................................................................... 25
2.3.5 HERRAMIENTAS DE RESOLUCIÓN DE ASPEN ENERGY ANALYZER. .............................. 26
2.3.6 VENTAJAS DEL ASPEN ENERGY ANALYZER. ................................................................. 28
2.4 ASPEN EXCHANGER DESIGN & RATING .................................................................................. 29
2.4.1 TECNOLOGÍA HTFS Y B-JAC. ......................................................................................... 29
2.4.2 TIPOS DE CÁLCULO QUE REALIZA ASPEN ED&R. ......................................................... 30
iii
III - RESUMEN DE LOS MANUALES ............................................................................................................33
3.1 ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR ......................................................................................... 33
3.1.1 INTERFAZ DE ICARUS. .................................................................................................. 33
3.1.2 MENSAJES DE ADVERTENCIA Y ERROR EN ASPEN CCE. ............................................... 34
3.1.3 SOLUCIÓN DE ERRORES. .............................................................................................. 35
3.1.4 MODIFICAR UN SERVICIO AUXILIAR. ........................................................................... 36
3.1.5 DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS. ............................................................................ 37
3.1.6 DEFINICIÓN DE LAS BASES DEL PROYECTO. ................................................................. 38
3.1.7 CAMBIO EN LA CAPACIDAD DE LA PLANTA. ................................................................ 41
3.1.8 DESARROLLO ECONÓMICO, DETALLADO, DE UN PROCESO. ....................................... 42
3.1.9 EVALUACIÓN ECONÓMICA DE UN PROYECTO. ........................................................... 43
3.1.10 RESULTADOS GENERADOS POR ASPEN CCE. ............................................................... 44
3.2 ASPEN ENERGY ANALYZER ...................................................................................................... 49
3.2.1 INTERFAZ DE ASPEN ENERGY ANALYZER. .................................................................... 49
3.2.2 HERRAMIENTAS DE DISEÑO. ....................................................................................... 50
3.2.3 INGRESO DE DATOS. .................................................................................................... 51
3.2.4 AGREGAR UN INTERCAMBIADOR DE CALOR. .............................................................. 51
3.2.5 DISEÑAR UNA RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR. ............................................. 53
3.2.6 ESPECIFICAR LA INFORMACIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR........................ 56
3.2.7 OPTIMIZAR LA RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR. ............................................ 57
3.2.8 RESULTADOS ENTREGADOS POR LAS HERRAMIENTAS DE DISEÑO. ............................ 58
3.2.9 AGREGAR UN DISEÑO. ................................................................................................ 59
3.2.10 DISEÑOS RECOMENDADOS POR ASPEN ENERGY ANALYZER....................................... 60
3.2.11 MODO DE RETROFIT. ................................................................................................... 62
3.2.12 APLICACIÓN AUTOMÁTICA DE LAS OPCIONES DEL MODO RETROFIT. ........................ 63
3.2.13 EXTRACCIÓN DE DATOS DESDE UNA SIMULACIÓN ASPEN HYSYS Ó ASPEN PLUS. ...... 65
3.3 ASPEN EXCHANGER DESIGN & RATING .................................................................................. 67
3.3.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA. ...................................................................................... 67
3.3.2 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS. .................................................................................. 68
3.3.3 GEOMETRÍA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR. ......................................................... 71
3.3.4 RESUMEN DE RESULTADOS. ........................................................................................ 72
3.3.5 RESUMEN MECÁNICO. ................................................................................................ 74
IV - PARTE EXPERIMENTAL MODELACIONES Y RESULTADOS .......................................................77
4.1 ESQUEMA DE DESARROLLO .................................................................................................... 77
4.2 DATOS Y RESULTADOS ............................................................................................................ 79
4.2.1 MODIFICACIONES DE LA SIMULACIÓN LNG PLANT. .................................................... 79
4.2.2 DATOS DE LA SIMULACIÓN LNG PLANT....................................................................... 84
4.2.3 ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR............................................................................... 86
iv
4.2.4 ASPEN ENERGY ANALYZER. ....................................................................................... 101
4.2.5 ASPEN EXCHANGER DESIGN & RATING. .................................................................... 117
4.3 ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS .............................................................................. 125
V - CONCLUSIONES ...................................................................................................................................... 129
VI - BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................................... 132
6.1 FUENTES CONSULTADAS ...................................................................................................... 132
6.2 INTERNET – SITIOS CONSULTADOS ...................................................................................... 132
ANEXOS ........................................................................................................................................................... 133
A - FÓRMULAS PARA LA ESTIMACIÓN DE COSTOS DE EQUIPOS ................................................ 134
B - CHEMICAL ENGINEERING PLANT COST INDEX DE 1950 A 2010 .......................................... 136
C - COSTO DE LOS EQUIPOS DEL PROCESO ......................................................................................... 137
D - DETALLE ECONÓMICO DE LOS EQUIPOS DEL PROCESO ......................................................... 140
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 ................... 147
G - FLUJO DE CAJA DEL PROYECTO........................................................................................................ 148
H - CALENDARIO DEL PROYECTO .......................................................................................................... 151
I - VIOLACIÓN DEL ∆TMIN EN EL DISEÑO N°2 ...................................................................................... 152
J - DISEÑOS RECOMENDADOS POR ASPEN ENERGY ANALYZER ................................................. 153
v
ILUSTRACIONES Y TABLAS
ILUSTRACIÓN 1.- ESQUEMA DE LA INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO. ...................................................................... 7
ILUSTRACIÓN 2.- CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE LA INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO. ..... 9
ILUSTRACIÓN 3.- PASOS EJECUTADOS POR ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR PARA LA EVALUACIÓN
ECONÓMICA DE UN PROCESO. ............................................................................................ 12
ILUSTRACIÓN 4.- MUESTRA EL PROCEDIMIENTO DE RESOLUCIÓN DEL ASPEN ENERGY ANALYZER. .............. 27
ILUSTRACIÓN 5.- MUESTRA LA INTERFAZ DE ICARUS. ..................................................................................... 33
ILUSTRACIÓN 6.- MUESTRA EL ERROR EN EL TANQUE DE ALMACENAMIENTO TK-100. ................................. 35
ILUSTRACIÓN 7.- FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO TK-100. ............. 35
ILUSTRACIÓN 8.- VENTANA DEVELOP UTILITY SPECIFICATIONS, AL MODIFICAR UN SERVICIO AUXILIAR. ..... 36
ILUSTRACIÓN 9.- DATOS DE OPERACIÓN DE UN SERVICIO AUXILIAR DE REFRIGERACIÓN (PROPANO).......... 37
ILUSTRACIÓN 10.- DATOS DE DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE TK-100. .................................................... 38
ILUSTRACIÓN 11.- MUESTRA LAS OPCIONES DEL CAMPO INDEXING. ............................................................. 39
ILUSTRACIÓN 12.- MUESTRA LOS PARÁMETROS DE INVERSIÓN DEL PROYECTO. .......................................... 41
ILUSTRACIÓN 13.- CAMBIO EN LA CAPACIDAD DE LA PLANTA. ....................................................................... 41
ILUSTRACIÓN 14.- DESARROLLO ECONÓMICO DETALLADO DEL PROCESO. .................................................... 42
ILUSTRACIÓN 15.- ASPECTO DE LA VENTANA EVALUATE PROJECT. ................................................................ 43
ILUSTRACIÓN 16.- ASPECTO DE LA VENTANA SCAN MESSEGES. ..................................................................... 43
ILUSTRACIÓN 17.- ASPECTO DE LA VENTANA EVALUATE PROJECT – CAPITAL COST/SCHEDULE. ................... 44
ILUSTRACIÓN 18.- ASPECTO DE LA HOJA DE CÁLCULO EQUIPMENT. .............................................................. 45
ILUSTRACIÓN 19.- ASPECTO DE LA VENTANA SELECT REPORT TYPE TO VIEW. ............................................... 46
ILUSTRACIÓN 20.- VENTANA APSEN ICARUS REPORTER. SE IMPORTAN Y CARGAN LOS INFORMES DESDE
ASPEN CAPITAL COST ESTIMATOR. ................................................................................... 46
ILUSTRACIÓN 21.- VENTANA ASPEN ICARUS REPORTER, MUESTRA LOS TIPOS DE INFORMES....................... 46
ILUSTRACIÓN 22.- ASPECTO DE UN INFORME ESTÁNDAR............................................................................... 47
ILUSTRACIÓN 23.- VENTANA SELECT REPORT TYPE TO VIEW. ESTÁN SELECCIONADOS LOS INFORMES DE
EVALUACIÓN. .................................................................................................................... 48
ILUSTRACIÓN 24.- ASPECTO DE ICARUS EDITOR. ............................................................................................ 48
ILUSTRACIÓN 25.- ASPECTO DE LA INTERFAZ DE HI CASE. .............................................................................. 49
ILUSTRACIÓN 26.- ASPECTO DE LA INTERFAZ DE HI PROJECT. ........................................................................ 49
ILUSTRACIÓN 27.- PALETA DESIGN TOOLS, PARA CADA MODALIDAD DE TRABAJO DEL PROGRAMA ASPEN
ENERGY ANALYZER............................................................................................................ 50
ILUSTRACIÓN 28.- ASPECTO DE LA INTERFAZ DE HI CASE, CON LOS DATOS DEL PROCESO. ........................... 51
ILUSTRACIÓN 29.- MUESTRA EL BOTÓN CON EL CUAL SE AGREGAN LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR. .. 52
ILUSTRACIÓN 30.- PROCEDIMIENTO GRÁFICO, PARA AGREGAR UN INTERCAMBIADOR DE CALOR. .............. 52
ILUSTRACIÓN 31.- ASPECTO DEL DIAGRAMA DE RED. ..................................................................................... 53
ILUSTRACIÓN 32.- MUESTRA, EN EL DIAGRAMA DE RED, LA LÍNEA QUE MARCA LAS TEMPERATURAS DEL
PUNTO “PINCH”. ............................................................................................................... 54
vi
ILUSTRACIÓN 33.- ESPECIFICACIONES DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR, PESTAÑA DATA. ...................... 56
ILUSTRACIÓN 34.- MUESTRA EL BOTÓN OPEN OPTIMIZATION VIEW, EN LA PALETA DE HERRAMIENTAS. .... 57
ILUSTRACIÓN 35.- ASPECTO DE LA VENTANA OPTIMIZATION OPTIONS. ........................................................ 57
ILUSTRACIÓN 36.- BOTONES DE LA PALETA DESIGN TOOLS, QUE ENTREGAN RESULTADOS DEL DISEÑO DE
UNA RIC. ............................................................................................................................ 58
ILUSTRACIÓN 37.- ASPECTO DE LA VENTANA NETWORK PERFORMANCE. ..................................................... 58
ILUSTRACIÓN 38.- MUESTRA EL BOTÓN ADD, EN EL PANEL VIEWER. ............................................................. 59
ILUSTRACIÓN 39.- ASPECTO DE LA VENTANA ADD DESIGN. ........................................................................... 59
ILUSTRACIÓN 40.- ASPECTO DEL PANEL VIEWER Y MAIN CUANDO SE AGREGA UN NUEVO DISEÑO. ............ 60
ILUSTRACIÓN 41.- MUESTRA LAS OPCIONES DISPONIBLES DEL MENÚ EMERGENTE DEL PANEL VIEWER. .... 60
ILUSTRACIÓN 42.- MUESTRA LA VENTANA RECOMMEND NEAR-OPTIMAL DESIGNS CON LOS NUEVOS
VALORES. .......................................................................................................................... 61
ILUSTRACIÓN 43.- MUESTRA LOS 5 DISEÑOS RECOMENDADOS POR ASPEN ENERGY ANALYZER. ................. 61
ILUSTRACIÓN 44.- VENTANA OPTIONS, AL INGRESAR AL MODO RETROFIT A TRAVÉS DE UN DISEÑO........... 62
ILUSTRACIÓN 45.- ASPECTO DE UN DISEÑO EN MODO RETROFIT. ................................................................. 62
ILUSTRACIÓN 46.- OPCIONES DEL MODO RETROFIT. ...................................................................................... 63
ILUSTRACIÓN 47.- ESCENARIO EN MODO RETROFIT. ...................................................................................... 63
ILUSTRACIÓN 48.- ASPECTO DE LA VENTANA RETROFIT SPECIFICATIONS. ..................................................... 64
ILUSTRACIÓN 49.- INDICA QUE SE APLICÓ, SATISFACTORIAMENTE, LA OPCIÓN MOVE BOTH END OF A HEAT
EXCHANGER. ..................................................................................................................... 64
ILUSTRACIÓN 50.- ASPECTO DEL DIAGRAMA DE RED LUEGO DE EJECUTAR LA OPCIÓN MOVE BOTH END OF A
HEAT EXCHANGER, EN MODO RETROFIT. ......................................................................... 65
ILUSTRACIÓN 51.- ASPECTO DE LA VENTANA EXTRACTION WIZARD, PÁGINA START. ................................... 66
ILUSTRACIÓN 52.- ASPECTO DE LA VENTANA EXTRACTION WIZARD, PÁGINA SELECT FILE. ........................... 66
ILUSTRACIÓN 53.- OPCIONES SELECCIONADAS EN EL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN APPLICATION
OPTIONS............................................................................................................................ 67
ILUSTRACIÓN 54.- FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN PROCESS DATA CON LOS DATOS DE OPERACIÓN
INGRESADOS. .................................................................................................................... 68
ILUSTRACIÓN 55.- MUESTRA LOS PAQUETE DE PROPIEDADES FÍSICAS DISPONIBLES. ................................... 69
ILUSTRACIÓN 56.- PROCEDIMIENTO GRÁFICO PARA AGREGAR UN COMPONENTE, DESDE LA VENTANA FIND
COMPOUNDS. ................................................................................................................... 69
ILUSTRACIÓN 57.- PESTAÑA COMPOSITION DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN HOT STREAM (1)
COMPOSITION. ................................................................................................................. 70
ILUSTRACIÓN 58.- PESTAÑA PROPERTY METHODS DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN PROPERTY
DATA. ................................................................................................................................ 70
ILUSTRACIÓN 59.- PESTAÑA PROPERTIES, DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN HOT STREAM (1)
PROPERTIES....................................................................................................................... 71
ILUSTRACIÓN 60.- PESTAÑA SHELL/HEADS, DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN
SHELL/HEADS/FLANGES/TUBESHEETS. ............................................................................. 71
ILUSTRACIÓN 61.- PESTAÑA LAYOUT PARAMETERS, DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN BUNDLE
LAYOUT. ............................................................................................................................ 72
vii
ILUSTRACIÓN 62.- PESTAÑA BAFFLES, DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN BAFFLES/SUPPORTS. ............ 72
ILUSTRACIÓN 63.- PESTAÑA ALL, DEL FORMULARIO DE ESPECIFICACIÓN WARNINGS & MESSAGES. ............ 73
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. ......................................................................................................... 74
ILUSTRACIÓN 66.- PESTAÑA COSTS/WEIGHTS, DEL FORMULARIO SETTING PLAN & TUBESHEET LAYOUT. ... 75
ILUSTRACIÓN 67.- ESQUEMA GENERAL DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE GAS NATURAL LICUADO EN ASPEN
HYSYS. ............................................................................................................................... 80
ILUSTRACIÓN 68.- ENFRIADORES DEL ÁREA DE PRE-ENFRIAMIENTO CON PROPANO. ................................... 80
ILUSTRACIÓN 69.- MUESTRA LOS INTERCAMBIADORES LNG EN EL ÁREA DE LICUADO DEL GAS NATURAL. .. 80
ILUSTRACIÓN 70.- ASPECTO GENERAL DEL PROCESO MODIFICADO. .............................................................. 81
ILUSTRACIÓN 71.- ASPECTO DEL ÁREA DE PRE-ENFRIAMIENTO CON PROPANO. ........................................... 82
ILUSTRACIÓN 72.- ASPECTO DEL ÁREA DE COMPRESIÓN DEL REFRIGERANTE. .............................................. 82
ILUSTRACIÓN 73.- ASPECTO DEL ÁREA DE LICUADO DEL GAS NATURAL. ....................................................... 83
ILUSTRACIÓN 74.- ASPECTO DEL ÁREA DE ALMACENAMIENTO. ..................................................................... 83
ILUSTRACIÓN 75.- MUESTRA EL PROCESO DE ESTUDIO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO. ............................ 101
ILUSTRACIÓN 76.- VALORES OBJETIVOS CALCULADOS POR ASPEN EA PARA UN ∆TMIN DE 12ºC. ................. 105
ILUSTRACIÓN 77.- CURVAS COMPUESTAS. .................................................................................................... 106
ILUSTRACIÓN 78.- CURVAS COMPUESTAS CORREGIDAS. .............................................................................. 107
ILUSTRACIÓN 79.- GRAN CURVA COMPUESTA. ............................................................................................. 108
ILUSTRACIÓN 80.- DISEÑO DE LA RIC CON CINCO UNIDADES Y ∆TMIN DE 12ºC. ............................................ 110
ILUSTRACIÓN 81.- DISEÑO DE LA RIC CON CINCO UNIDADES Y ∆TMIN DE 12ºC. ............................................ 111
ILUSTRACIÓN 82.- DISEÑO DE LA RIC CON NUEVE UNIDADES Y ∆TMIN DE 12ºC. ........................................... 112
ILUSTRACIÓN 83.- DISEÑO DE LA RIC CON SIETE UNIDADES Y ∆TÓPTIMO DE 9ºC. ........................................... 114
ILUSTRACIÓN 84.- MUESTRA EL PROCESO CON LA RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR NUEVA........... 116
ILUSTRACIÓN 85.- MUESTRA EL INTERCAMBIADOR DE CALOR SIMULADO EN ASPEN HYSYS. ..................... 117
ILUSTRACIÓN 86.- RESUMEN DE RESULTADOS ENTREGADO POR ASPEN ED&R. .......................................... 123
ILUSTRACIÓN 87.- MUESTRA LA GEOMETRÍA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR. ........................................ 124
ILUSTRACIÓN 88.- MUESTRA LOS DATOS DE PESO Y ECONÓMICOS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR. ..... 124
TABLA 1.- TIPO Y PRECISIÓN DE LAS ESTIMACIONES. ........................................................................................ 9
TABLA 2.- NÚMERO DE LOCALIDADES DISPONIBLE EN CADA REGIÓN. ........................................................... 20
TABLA 3.- DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DE LA INTERFAZ DE ICARUS. .................................................... 34
TABLA 4.- DATOS DE DIMENSIONAMIENTO PARA LOS TANQUES DE ALMACENAMIENTO DEL PROCESO. ..... 38
TABLA 5.- DATOS DE OPERACIÓN DE LA MATERIA PRIMA. ............................................................................. 84
TABLA 6.- COMPONENTES Y COMPOSICIÓN DE LA MATERIA PRIMA. ............................................................. 84
TABLA 7.- DATOS DE OPERACIÓN DEL PRODUCTO. ......................................................................................... 84
TABLA 8.- COMPONENTES Y COMPOSICIÓN DEL PRODUCTO. ........................................................................ 85
TABLA 9.- EQUIPOS DE CADA ÁREA DEL PROCESO. ......................................................................................... 85
TABLA 10.- DATOS DE LA TORRE DEL SERVICIO AUXILIAR DE AGUA DE ENFRIAMIENTO. ............................... 89
viii
TABLA 11.- ESPECIFICACIONES GENERALES DEL SERVICIO AUXILIAR DE AIRE. ................................................ 89
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. ............................ 91
TABLA 14.- DATOS DE PRESIÓN Y TEMPERATURA DE OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES............................ 91
TABLA 15.- DATOS DE PRESIÓN TEMPERATURA DE OPERACIÓN DE LOS ESTANQUES DE
ALMACENAMIENTO. .................................................................................................................... 91
TABLA 16.- MATERIAL SELECCIONADO PARA CADA EQUIPO INVOLUCRADO EN EL PROCESO. ...................... 91
TABLA 17.- MATERIALES DE AISLACIÓN SELECCIONADO PARA LOS TANQUES DE ALMACENAMIENTO. ........ 92
TABLA 18.- DIMENSIONES CALCULADA POR ASPEN CCE PARA LOS TANQUE DE ALMACENAMIENTO. .......... 92
TABLA 19.- POTENCIA CALCULADA POR ASPEN CCE PARA LOS COMPRESORES. ............................................ 92
TABLA 20.- DIMENSIONES CALCULADOS POR ASPEN CCE PARA LOS SEPARADORES. ..................................... 92
TABLA 21.- ÁREA CALCULADA POR ASPEN CCE PARA LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR. .......................... 93
TABLA 22.- ERROR RELATIVO PROMEDIO DEL COSTO DE ADQUISICIÓN Y TOTAL DE LOS EQUIPOS DEL
PROCESO. ..................................................................................................................................... 94
TABLA 23.- MUESTRA LOS FACTORES UTILIZADOS PARA EL MÉTODO DE CHILTON. ...................................... 96
TABLA 24.- MUESTRA LOS FACTORES UTILIZADOS PARA EL MÉTODO DE HOLLAND. ..................................... 96
TABLA 25.- PORCENTAJES UTILIZADOS PARA EL MÉTODO PETERS AND TIMMERHAUS. ................................ 97
TABLA 26.- RESULTADO DE LA INVERSIÓN DEL CAPITAL FIJO.......................................................................... 98
TABLA 27.- COSTOS POR ÍTEMS DE LOS MÉTODOS CHILTON, HOLLAND Y ASPEN CCE. .................................. 98
TABLA 28.- COSTOS POR ÍTEMS DEL MÉTODO PETERS-TIMMERHAUS Y ASPENCCE. ...................................... 99
TABLA 29.- PARÁMETROS ECONÓMICOS DEL PROYECTO. ............................................................................ 100
TABLA 30.- DATOS TÉRMICOS DE LAS CORRIENTES DEL PROCESO. .............................................................. 102
TABLA 31.- DATOS DE LAS CORRIENTES DE SERVICIO AUXILIAR.................................................................... 102
TABLA 32.- DATOS DE DISEÑO Y COSTO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR. ....................................... 102
TABLA 33.- VALORES DE ∆TMIN RECOMENDADOS. ......................................................................................... 103
TABLA 34.- RESOLUCIÓN DE LA TABLA PROBLEMA. ...................................................................................... 104
TABLA 35.- MUESTRA LAS VARIABLES CLAVE OBTENIDAS DE LA TABLA PROBLEMA Y DE LA CASCADA. ...... 105
TABLA 36.- OBTENCIÓN DEL ∆TÓPTIMO. ........................................................................................................... 113
TABLA 37.- CARACTERÍSTICAS DE LOS TRES DISEÑOS DE LAS REDES DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROPUESTAS. ............................................................................................................................. 115
TABLA 38.- COSTOS DE LOS TRES DISEÑOS DE LAS REDES DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
PROPUESTAS. ............................................................................................................................. 115
TABLA 39.- DATOS DE OPERACIÓN DEL LADO DE LOS TUBOS. ...................................................................... 118
TABLA 40.- MUESTRA LOS COMPONENTES Y LA COMPOSICIÓN DEL LADO DE LOS TUBOS. ........................ 118
TABLA 41.- DATOS DE OPERACIÓN DEL LADO DE LA CARCASA. .................................................................... 118
TABLA 42.- MUESTRA LOS COMPONENTES Y LA COMPOSICIÓN DEL LADO DE LA CARCASA........................ 119
TABLA 43.- RESULTADO DE LAS TEMPERATURAS DE SALIDA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR. ................ 120
TABLA 44.- RESULTADO DE LAS FRACCIONES MOLARES DE VAPOR. ............................................................. 121
TABLA 45.- ERROR RELATIVO DE LAS TEMPERATURAS DE SALIDA Y DE LA FRACCIÓN MOLAR DE VAPOR. .. 121
TABLA 46.- FLUJO DE LOS GASES NO CONDENSABLES EN FASE LÍQUIDA DEL ASPEN HYSYS. ....................... 122
TABLA 47.- FLUJO DE LOS GASES NO CONDENSABLES EN FASE LÍQUIDA DEL ASPEN ED&R. ........................ 122
ix
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
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
CAPÍTULO I
ANTECEDENTES GENERALES
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
1.2.1 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.
1.2.2 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
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
CAPÍTILO II
ANTECEDENTES TEÓRICOS
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
Capítulo II: Antecedentes Teóricos
2.1.1 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.
2.1.2 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
Capítulo II: Antecedentes Teóricos
Ilustración 1.- Esquema de la inversión de capital fijo.
2.1.3 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
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.
2.1.4 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
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
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
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
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
Capítulo II: Antecedentes Teóricos
2.2.1 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
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
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.
Las expresiones para la presión y temperatura de diseño son las
siguientes:
15
Capítulo II: Antecedentes Teóricos
P de diseño
P de operación
1
B
Ec. 1
T de diseño
T de operación
1
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
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
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
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.
2.2.2 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
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
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
Capítulo II: Antecedentes Teóricos
2.2.3 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
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
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.
2.3.1 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.
2.3.2 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
Capítulo II: Antecedentes Teóricos
2.3.3 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).
2.3.4 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.
∆Tmin y punto pinch. El valor ∆Tmin 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
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 ∆Tmin 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.
2.3.5 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
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 ∆Tmin
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 ∆Tmin
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
Capítulo II: Antecedentes Teóricos
2.3.6 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
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.
2.4.1 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
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 2002.
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 80.
2.4.2 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
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
CAPÍTILO III
RESUMEN DE LOS MANUALES
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.
3.1.1 Interfaz de Icarus.
Ilustración 5.- Muestra la interfaz de Icarus.
33
Capítulo III: Resumen de los Manuales
La tabla que se muestra a continuación describe los elementos de la
interfaz de Icarus.
ELEMENTO
DESCRIPCIÓN
Barra de título
Muestra el nombre del archivo del proyecto y la vista actual
de la ventana principal.
Barra de menú
Muestra las opciones del menú.
Barra de herramientas
Permite el acceso a las funciones del Aspen Capital Cost
Estimator.
Ventana principal
Proporciona espacio para todos los documentos, listas,
especificaciones, etc. del Aspen Capital Cost Estimator.
Explorador de proyectos
Organiza los elementos del proyecto con formato de árbol.
Paleta
Permite el acceso a librerías, proyectos y componentes.
Barra de estado
Muestra el estado del sistema del Aspen Capital Cost
Estimator.
Ventana de propiedades
Describe el campo seleccionado en el formulario de
especificaciones.
Tabla 3.- Descripción de los elementos de la interfaz de Icarus.
3.1.2 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
Capítulo III: Resumen de los Manuales
3.1.3 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-100.
3. Haga clic en el botón Apply, para guardar los cambios.
35
Capítulo III: Resumen de los Manuales
3.1.4 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
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.
3.1.5 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
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-100.
7. Para finalizar presione el botón OK.
3.1.6 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
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.
100
550,8 #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
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
Capítulo III: Resumen de los Manuales
Ilustración 12.- Muestra los parámetros de inversión del proyecto.
3.1.7 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
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.
3.1.8 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
Capítulo III: Resumen de los Manuales
3.1.9 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.
Messages
Ilustración 16
16.- Aspecto de la ventana Scan Messeges.
43
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
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.
3.1.10 Resultados generados por Aspen CCE.
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
, ubicado en la
barra de herramientas.
En la ventana principa
principal de Aspen CCE aparece la pestaña Results, ésta
contiene la información
ormación económica del proyecto, en cuatro hojas de cálculo:
cálculo
Equipment
Project Summary
44
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
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
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
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
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.
3.2.1 Interfaz de Aspen Energy Analyzer.
Ilustración 25.- Aspecto de la interfaz de HI Case.
Ilustración 26.- Aspecto de la interfaz de HI Project.
49
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.
3.2.2 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
Capítulo III: Resumen de los Manuales
3.2.3 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.
3.2.4 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
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
Capítulo III: Resumen de los Manuales
3.2.5 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
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
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,
Nu, min = número de unidades mínimas.
NS
= 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,
NU, MER = número de unidades mínimas el requerimiento mínimo energético.
NA = número de corrientes de proceso y de servicios auxiliares arriba del
pinch.
NB = número de corrientes de proceso y de servicios auxiliares abajo del
pinch.
55
Capítulo III: Resumen de los Manuales
3.2.6 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
Capítulo III: Resumen de los Manuales
3.2.7 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.
Luego que el usuario seleccione las variables a optimizar, debe presionar el
botón OK.
57
Capítulo III: Resumen de los Manuales
3.2.8 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
Capítulo III: Resumen de los Manuales
3.2.9 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
Capítulo III: Resumen de los Manuales
Ilustración 40.- Aspecto del panel Viewer y Main cuando se agrega un nuevo diseño.
3.2.10 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
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
Capítulo III: Resumen de los Manuales
3.2.11 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
Capítulo III: Resumen de los Manuales
3.2.12 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
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
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.
3.2.13 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
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
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.
3.3.1 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
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.
3.3.2 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
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
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
Capítulo III: Resumen de los Manuales
Ilustración 59.- Pestaña Properties, del formulario de especificación Hot Stream (1)
Properties.
3.3.3 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
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.
3.3.4 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
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 64.
73
Capítulo III: Resumen de los Manuales
Ilustración 64.- Pestaña Recap of Design, del formulario de especificación Recap of Design.
3.3.5 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
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
CAPÍTILO IV
PARTE EXPERIMENTAL, MODELACIONES Y
RESULTADOS
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
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
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.
4.2.1 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
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
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
367.547 CFM, se dividió en dos, debido a que los compresores de tipo
centrífugo admiten como máximo un flujo de 200.000 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
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
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
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
4.2.2 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
2
Presión (kg/cm )
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
2
Presión (kg/cm )
1,5
Fracción de Vapor
0
Tabla 7.- Datos de operación del producto.
84
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.
A continuación se muestran los equipos que hay en cada área de la
simulación:
ÁREA DE PROCESO
Pre-enfriamiento con
propano
Compresión del
refrigerante
Licuado del gas
natural
Área de
almacenamiento
TIPO DE EQUIPO
EQUIPO
Intercambiadores de calor
Prechiller1, Prechiller2, Prechiller3,
Condenser1, MR-Chill1, MR-Chill2,
MR-Chill3, Condenser2
Compresores
K-100, K-101, K102
Intercambiadores de calor
E-100, Comp1-Cooler,Comp2Cooler, Condenser3
Compresores
MR-Comp1, MR-Comp2, MR-Comp3
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
Tanques de almacenamiento
TK-100, TK-101
Tabla 9.- Equipos de cada área del proceso.
85
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
4.2.3 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.
45
678 9
:;<=5 >??@ A :;<=5 @? , BC?D
:;<=5 >??@
E · 100%
Ec. 5
Donde,
-
Valor ACCE es el costo entregado por Aspen Capital Cost Estimator.
-
Valor EC es el costo entregado por ecuaciones.
-
Valor MICF 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 2004.2.
A continuación se muestran los datos ingresados, y resultados obtenidos
en el programa Aspen CCE.
86
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 2010
-
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
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
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
OPCIÓN
VALOR
UNIDAD
Water flow rate
61.261
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
60
3.- Air Requirements
Instrument air, % excess capacity
15
Plant Air, % excess capacity
15
4.- Air Intake: Screens/Filters
Adjustment to estimated equipment cost
110
Adjustment to estimated weight
110
5.- Compressors
Install a Stand-by Spare Compressor?
Yes
Water-cooled or Air-cooled Exchangers
Air
6.- Air Storage Receiver(s)
One common main air receiver for both IA and PA
No
Install a stand-by spare receiver
Yes
7.- Air Dryvers
Common dryver for instrument and plant air
No
Install a stand-by spare dryver
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
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
80
24
17
-38
Comp2-Cooler
50
20
377
103
Condenser1
50
20
171
30
Condenser2
50
20
171
30
Condenser3
50
20
171
30
E-100
50
20
374
32
E-101
712
-87
32
-112
E-102
683
-114
33
-144
E-103
654
-156
38
-170
E-104
467
-87
32
-112
E-105
467
-114
32
-139
E-106
438
-156
38
-169
E-107
467
-113
33
-125
E-108
467
-87
32
-112
MR-Chill1
469
5
17
-38
MR-Chill2
468
-15
17
-38
MR-Chill3
467
-35
17
-38
Prechiller-1
725
5
17
-38
Prechiller-2
721
-15
17
-38
Prechiller-3
716
-35
17
-38
Tabla 12.- Datos de presión y temperatura de operación de los intercambiadores de calor.
90
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
SEPARADORES
HORIZONTALES
PRESIÓN DE
OPERACIÓN (PSIA)
TEMPERATURA DE
OPERACIÓN (°C)
V-100
467
-35
V-101
467
-87
V-102
22
-163
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-Comp1
27
-48
80
MR-Comp2
27
-48
80
MR-Comp3
77
24
377
K-100
14
-14
171
K-101
14
-14
171
K-102
14
-14
171
K-103
14
19
171
Tabla 14.- Datos de presión y temperatura de operación de los compresores.
ESTANQUES DE
ALMACENAMIENTO
PRESIÓN DE
OPERACIÓN (PSIA)
TEMPERATURA DE
OPERACIÓN (°C)
TK-100
21
-163
TK-101
21
-163
Tabla 15.- Datos de presión temperatura de operación de los estanques de almacenamiento.
EQUIPOS
Intercambiadores de
calor
Compresores
Tanques de
almacenamiento
Separadores
SECCIÓN
MATERIAL
TIPO
Tubos
Acero inoxidable
304LW
Carcasa
Acero inoxidable
SS304
Carcasa
Acero al carbono
CS
Tanque principal
Acero criogénico, 9%Ni
A353
Tanque secundario
Acero al carbono
CS
Carcasa
Acero inoxidable
SS304
Tabla 16.- Material seleccionado para cada equipo involucrado en el proceso.
91
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
3
SECCIÓN DE AISLACIÓN
MATERIAL
CANTIDAD (ft )
Techo tanque principal
Lana de vidrio
108.728
Anular (entre ambos
tanques)
Perlita expandida
368.191
Suelo tanque principal
Vidrio celular
99.478
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-Comp1
34.912
MR-Comp2
34.912
MR-Comp3
49.500
k-100
14.461
k-101
41.073
k-102
41.073
k-103
4.456
Tabla 19.- Potencia calculada por Aspen CCE para los compresores.
SEPARADORES
PESO (Lb)
DIÁMETRO (ft)
V-100
107.500
12
V-101
134.600
13
V-102
13.300
10,5
Tabla 20.- Dimensiones calculados por Aspen CCE para los separadores.
92
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 )
NÚMEROS DE
INTERCAMBIADORES
Comp1-Cooler
6.367
1
Comp2-Cooler
7.614
2
Condenser1
17.328
3
Condenser2
98.480
16
Condenser3
4.240
1
E-100
39.284
7
E-101
35.310
6
E-102
3.913
1
E-103
19.578
3
E-104
109.922
17
E-105
9.662
2
E-106
26.028
4
E-107
10.966
2
E-108
7.792
2
MR-Chill1
12.066
2
MR-Chill2
37.902
6
MR-Chill3
117.249
19
Prechiller-1
3.128
1
Prechiller-2
5.935
1
Prechiller-3
9.192
2
2
Tabla 21.- Área calculada por Aspen CCE para los intercambiadores de calor.
93
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
51
33
Compresores
21
17
Separadores Horizontales
56
52
Tanques de
Almacenamiento
7
11
Tabla 22.- Error relativo promedio del costo de adquisición y total de los equipos del proceso.
94
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 144.181.254. 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
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
DESCRIPCIÓN
FACTORES DE CHILTON
Costo de compra + envío de los
equipos
1
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.
Método Holland (estimación preliminar). Para este método se utilizan los
siguientes factores:
DESCRIPCIÓN
FACTORES DE HOLLAND
Costo de compra + envío de los
equipos
1
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.
96
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
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
506.366.868 e incluyendo el costo del terreno resulta una inversión de capital fijo
de total de USD 516.494.205.
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
692.070
34
Peters, Timmerhaus
696.395
35
Chilton
667.526
29
Holland
658.814
28
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
61.998
67.765
58.093
Tuberías del proceso
72.163
74.181
38.023
Instrumentación
32.989
15.896
3.637
Ingeniería y construcción
153.707
151.701
78.129
Contingencia
65.874
65.015
77.242
Tabla 27.- Costos por ítems de los métodos Chilton, Holland y Aspen CCE.
98
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
ITEMS
MÉTODO PETERS AND
TIMMERHAUS (MUSD)
ASPEN CCE
(MUSD)
Costo de instalación
67.765
50.367
Tuberías del proceso
95.160
38.023
Instrumentación
25.953
3.637
Eléctrico
15.860
7.727
Ingeniería y supervisión
47.580
38.358
Gastos de construcción
59.114
39.771
Beneficio contratista
30.278
12.459
Contingencia
60.556
77.242
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
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 5.570.035 y del terreno
de USD 10.127.337.
La tabla 29 muestra los principales parámetros económicos del proyecto.
PARÁMETRO ECONÓMICO
VALOR
UNIDAD
VAN
1.517
MMUSD
TIR
44
%
PR
8,3
Años
Tabla 29.- Parámetros económicos del proyecto.
100
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
4.2.4 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 32.
101
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
CORRIENTE
Te (ºC)
Ts (ºC)
MCp (KW/ºC)
∆Q (KW)
Salida del reactor
270
160
18
1.980
Producto
220
60
22
3.520
Alimentación
50
210
20
3.200
Recirculación
160
210
50
2.500
Tabla 30.- Datos térmicos de las corrientes del proceso.
SERVICIO
TEMPERATURA
ENTRADA (ºC)
TEMPERATURA
SALIDA (ºC)
COSTO
(USD/KW *AÑO)
Agua de enfriamiento (cw)
15
20
6,7
Vapor de alta presión (s)
250
249
79
Tabla 31.- Datos de las corrientes de servicio auxiliar.
TIPO
INTERCAMBIADOR
U (W/m ºC)
Calentador
986
Enfriador
856
Proceso
568
COSTO
2
(USD, m )
2
16.000 + 3.200*A
OPERACIÓN DE
EQUIPOS (hrs/año)
0,7
8.765
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 OP
MNN
QR
Ec. 6
Para este problema se utiliza un ∆Tmin inicial de 12ºC. La tabla 33 muestra
valores recomendados de ∆Tmin para diferentes sectores industriales.
102
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
SECTOR INDUSTRIAL
∆TMIN INICIAL
Refinería
20 – 40
Petroquímica
10 – 20
Química
10 – 20
Procesos de baja temperatura
3–5
Tabla 33.- Valores de ∆Tmin recomendados.
103
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
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 ∆Tmin
de 12 ºC.
Ilustración 76.- Valores objetivos calculados por Aspen EA para un ∆Tmin de 12ºC.
105
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
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
Ilustración 78.- Curvas Compuestas Corregidas.
107
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
Ilustración 79.- Gran Curva Compuesta.
108
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
∆Tmin de 12ºC.
3) El diseño de una RIC que cumpla con los objetivos energéticos, con el
∆Tóptimo.
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
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
Ilustración 80.- Diseño de la RIC con cinco unidades y ∆Tmin de 12ºC.
110
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
Ilustración 81.- Diseño de la RIC con cinco unidades y ∆Tmin de 12ºC.
111
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
Ilustración 82.- Diseño de la RIC con nueve unidades y ∆Tmin de 12ºC.
112
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
• Obtención del ∆Tóptimo.
El Aspen EA sólo calcula el valor de ∆Tóptimo para intercambiadores de tipo
1 - 2. Por esta razón, en este trabajo se determina de forma manual el valor del
∆Tóptimo.
Para la obtención del ∆Tóptimo se calcula el costo total para varios valores de
∆Tmin. Por lo tanto, el ∆Tóptimo corresponde al que tenga el menor costo total de la
red de intercambio calórico.
∆Tmin
COSTO TOTAL
(USD/AÑO)
COSTO SERVICIO
AUXILIAR (USD/AÑO)
2 ºC
194.883
22.626
4 ºC
175.008
29.474
6 ºC
167.377
36.321
8 ºC
164.534
43.169
9 ºC
164.215
46.593
10 ºC
165.274
50.017
12 ºC
165.586
56.864
14 ºC
167.956
63.712
16 ºC
171.070
70.560
18 ºC
174.733
77.407
Tabla 36.- Obtención del ∆Tóptimo.
De la tabla anterior obtenemos un ∆Tóptimo 9ºC con un valor total para la
red de intercambio calórico de 164.215 USD/año.
113
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
Ilustración 83.- Diseño de la RIC con siete unidades y ∆Tóptimo de 9ºC.
114
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 )
SERVICO DE
CALEFACCIÓN
(KW)
SERVICIO DE
ENFRIAMIENTO
(KW)
Diseño 1
5
12
226
1454
1254
Diseño 2
9
12
455
680
480
Diseño 3
7
9
555
560
360
2
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 1
202.275
304.969
123.119
Diseño 2
192.417
522.250
56.866
Diseño 3
184.021
529.477
46.594
Tabla 38.- Costos de los tres diseños de las redes de intercambiadores de calor propuestas.
115
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
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
4.2.5 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
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:
2
TUBOS
FLUJO (kg/hr)
TEMPERATURA (ºC)
PRESIÓN (kg/cm )
Entrada
513.899
131,2
84,93
Tabla 39.- Datos de operación del lado de los tubos.
COMPONENTES
COMPOSICIÓN
MOLAR (%)
FÓRMULA
Hidrógeno
0,805
H2
Monóxido de carbono
0,011
CO
Dióxido de carbono
0,011
CO2
Nitrógeno
0,010
N2
Metano
0,096
CH4
Metanol
0,050
CH4O
Agua
0,016
H 2O
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:
2
CARCASA
FLUJO (kg/hr)
TEMPERATURA (ºC)
PRESIÓN (kg/cm )
Entrada
513.904
47,8
86,53
Tabla 41.- Datos de operación del lado de la carcasa.
118
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
COMPONENTES
COMPOSICIÓN
MOLAR (%)
FÓRMULA
Hidrógeno
0,836
H2
Monóxido de carbono
0,038
CO
Dióxido de carbono
0,025
CO2
Nitrógeno
0,009
N2
Metano
0,088
CH4
Metanol
0,003
C 2H 6
Agua
0,001
C 3H 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
-
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
Tubos:
Deflectores:
- Numero: 5
-
Espacio (centro-centro): 1,35 m
-
Orientación: horizontal
-
Corte %: 25,3
119
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
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
ERROR %
FRAC. VAPOR
CARCASA
TUBOS
SALIDA POR LOS
TUBOS
Peng-Robinson
13
5
1
PR-BM
8
1
1
PRMHV2
8
5
1
PSRK
10
5
1
RK-Souve
14
5
1
RKS-BM
11
13
0
RKSMHV2
10
5
1
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
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
PAQUETES
TERMODINÁ_
MICOS
ASPEN HYSYS
GASES NO CONDENSABLES
H2
(kg/hr)
CO
(kg/hr)
CO2
(kg/hr)
N2
(kg/hr)
CH4
(kg/hr)
Total
(kg/hr)
Peng-Robinson
21
4
90
5
69
189
PR-BM
26
5
198
4
92
324
PRMHV2
247
63
250
53
154
767
PSRK
55
11
92
8
77
242
RK-Souve
17
4
105
5
65
195
RKS-BM
24
39
370
35
402
870
RKSMHV2
84
17
140
15
148
404
Tabla 46.- Flujo de los gases no condensables en fase líquida del Aspen HYSYS.
PAQUETES
TERMODINÁ_
MICOS
ASPEN ED&R
GASES NO CONDENSABLES
H2
(kg/hr)
CO
(kg/hr)
CO2
(kg/hr)
N2
(kg/hr)
CH4
(kg/hr)
Total
(kg/hr)
Peng-Robinson
0
0
18
0
0
18
PR-BM
0
0
24
0
0
24
PRMHV2
24
11
108
8
21
172
PSRK
0
0
39
0
2
41
RK-Souve
0
0
18
0
0
18
RKS-BM
0
0
26
0
0
26
RKSMHV2
0
0
66
0
17
83
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
Capítulo IV: Parte experimental, Modelaciones y Resultados
Ilustración 86.- Resumen de resultados entregado por Aspen ED&R.
123
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
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 PetersTimmerhaus, 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
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 ∆Tmin de 12ºC no se cumple con el valor teórico (siete), ya que existe una
violación del ∆Tmin 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 ∆Tóptimo (9ºC), cumple con el NU,MER teórico
y resulta ser el más económico de los tres diseños propuestos. Con este diseño
se reduce en USD 355.613 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 ∆Tmin 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
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
CAPÍTILO V
CONCLUSIONES
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
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 ∆Tóptimo 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
CAPÍTILO VI
BIBLIOGRAFÍA
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, 1991.
[7] Publicación: Liquefied Natural Gas – Market Challenges and
Opportunities for Innovation, HYDROCARBON WORLD 2007. Versión
PDF obtenida desde el sitio http://www.touchoilandgas.com.
[8] Stanley M. Walas, Chemical Process Equipment: Selection and Design.
Ed. Butterworth – Heinemann, 1990.
[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 2004.2”, realizada
por José Roberto Esquivel Elizondo. Versión PDF obtenida desde el
sitio http://catarina.udlap.mx.
6.2 INTERNET – SITIOS CONSULTADOS
[1] http://www.ecured.cu/index.php/Simuladores_de_Procesos
[2] http://es.scribd.com/doc/59382271/CEPCI-2011
[3] http://es.scribd.com/doc/30495605/VARIACION-DE-CEPCI
[4]http://es.scribd.com/doc/39185438/DK5739-CH4
132
ANEXOS
A - FÓRMULAS PARA LA ESTIMACIÓN DE COSTOS DE
EQUIPOS
• Intercambiadores de calor tipo Fixed-head (1985).
C
C[
UV
UV · UW · UX · YZ
exp 8,821 . 0,30863 · Ln#A$
exp .1,1156
0,0906 · Ln#A$
`abcd ef ghf8iób #g8ic$
100 . 300
300 . 600
600 . 900
UW
0,8193
j
j
j
0,0681 · #LnA$^
0,7771
1,0305
1,1400
UX
0,04981 · #LnA$
0,07140 · #LnA$
0,12088 · #LnA$
0,15984 · #LnA$
Donde,
-
-
A es el área de transferencia de calor del intercambiador en pies
cuadrados.
UW 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
• Separadores horizontales (1985).
C
YZ
mn · YZ
Yo
mn
Yo
exp 8,571 . 0,2330 · #LnW$
370 · q
,^ ^r
0,04333 · #LnW$^
1,7
Donde,
-
W es el peso de la carcasa, en libras.
-
D es el diámetro de la carcasa, en pies.
-
mn 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/m3 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
B - CHEMICAL ENGINEERING PLANT COST INDEX DE
1950 A 2010
AÑO
CEPCI
AÑO
CEPCI
AÑO
CEPCI
1950
73,9
1974
164,4
1993
359,2
1953
84,7
1975
182,4
1994
368,1
1955
88,3
1976
192,1
1995
381,1
1958
99,7
1977
204,1
1996
381,7
1959
101,8
1978
218,8
1997
386,5
1960
102
1979
238,7
1998
389,5
1961
101,5
1980
261,2
1999
390,6
1962
102
1981
297
2000
394,1
1963
102,4
1982
314
2001
394,3
1964
103,3
1983
316,9
2002
395,6
1965
104,2
1984
322,7
2003
401,7
1966
107,2
1985
325,3
2004
442,2
1967
109,7
1986
318,4
2005
468,2
1968
113,6
1987
323,8
2006
499,6
1969
119
1988
342,5
2007
525,4
1970
125,7
1989
355,4
2008
575,4
1971
132,3
1990
357,6
2009
511,8
1972
132,3
1991
361,3
2010
550,8
1973
144,1
1992
358,2
136
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
278.558
210.400
32
Comp2-Cooler
441.545
330.900
33
Condenser1 (3)
752.160
608.900
24
Condenser2 (16)
4.296.497
3.385.200
27
180.916
162.00
12
E-100 (7)
2.321.473
1.588.600
46
E-101 (6)
2.778.140
1.496.900
86
299.743
186.800
61
E-103 (3)
1.556.164
801.600
94
E-104 (17)
6.572.974
4.148.000
59
E-105 (2)
565.485
401.100
41
E-106 (4)
1.557.089
978.000
59
E-107 (2)
646.996
447.400
45
E-108 (2)
452.036
334.600
35
MR-Chill1 (2)
717.094
466.800
54
MR- Chill2 (6)
2.261.586
1.445.800
56
MR-Chill3 (19)
6.982.123
4.494.000
55
Prechiller1
238.246
154.000
55
Prechiller2
467.349
250.500
87
Prechiller3 (2)
709.765
429.500
65
Condenser3
E-102
COMPRESORES
MR-Comp1
9.524.689
8.011.000
19
MR- Comp2
9.524.689
8.011.000
19
MR-Comp3
12.682.111
16.407.500
23
K-100
4.568.795
6.064.900
25
137
K-101
11.054.782
16.059.800
31
K-102
11.054.782
16.059.800
31
K-103
2.201.912
2.195.200
0,3
SEPARADORES HORIZONTALES
V-100
343.717
619.300
45
V-101
409.482
761.700
46
V-102
83.682
47.300
77
TANQUES DE ALMACENAMIENTO
TK-100
37.950.372
40.981.400
7
TK-101
37.950.372
40.9814.00
7
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
529.260
463.000
14
Comp2-Cooler
838.935
569.300
47
Condenser1 (3)
1.429.104
888.600
61
Condenser2 (16)
8.163.343
6.946.100
18
343.740
321.800
7
E-100 (7)
4.410.798
2.202.300
100
E-101 (6)
5.278.466
3.401.000
55
569.511
584.600
3
E-103 (3)
2.956.711
1.704.300
74
E-104 (17)
12.488.650
11.474.800
9
E-105 (2)
1.074.421
935.900
15
E-106 (4)
2.958.470
1.945.900
52
E-107 (2)
1.229.292
1.121.200
10
E-108 (2)
858.869
853.500
0,6
MR-Chill1 (2)
1.362.479
904.700
51
MR- Chill2 (6)
4.297.013
2.294.200
87
MR-Chill3 (19)
13.266.035
11.973.500
11
Condenser3
E-102
138
Prechiller1
452.668
457.300
1
Prechiller2
887.963
643.800
38
1.348.554
1.158.700
16
Prechiller3 (2)
COMPRESORES
MR-Comp1
12.382.095
9.838.200
26
MR- Comp2
12.382.095
9.838.200
26
MR-Comp3
16.486.745
17.888.100
8
K-100
5.939.434
6.588.300
10
K-101
14.371.216
17.045.600
16
K-102
14.371.216
17.045.600
16
K-103
2.862.486
2.465.200
16
SEPARADORES HORIZONTALES
V-100
584.319
1.098.300
47
V-101
696.120
1.407.900
51
V-102
142.259
336.600
58
TANQUES DE ALMACENAMIENTO
TK-100
56.925.558
64.214.600
11
TK-101
56.925.558
64.214.600
11
139
D - DETALLE ECONÓMICO DE LOS EQUIPOS DEL
PROCESO
140
141
E - MÉTODOS BIBLIOGRÁFICOS PARA EL CÁLCULO DE LA
INVERSIÓN DE CAPITAL FIJO.
• Método de Lang.
C
TIPO DE PLANTA
CAPITAL FIJO DE
INVERSIÓN
Planta de sólidos
3,9
Planta mixta
4,1
Planta de fluidos
4,8
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
• Método de Peters and Timmerhaus.
DESCRIPCIÓN
PLANTA DE
SÓLIDOS*
PLANTA MIXTA*
PLANTA DE
FLUIDOS*
Delivered equipment cost
100
100
100
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
264
293
346
Engineering and supervisión
33*
32*
33*
Construcction expenses
39*
34*
41*
TOTAL DIRECT AND
INDIRECT PLANT COSTS
336
359
420
Contractor’s fee (5%**)
17
18
21
Contingency (10%**)
34
36
42
FIXED-CAPITAL
INVESTMENT
387
413
483
* Porcentajes del costo de compra + envío de los equipos.
** Porcentaje del costo total directo e indirecto de la planta.
143
• Método de Chilton.
En las dos tablas siguientes se muestran los factores del método de
Chilton.
ÍTEMS
FACTOR RANGES
1. Delivered equipment cost
1.0
2. Installed equipment cost
1.43
3. Process piping
Type of plant
Solid
0.07 - 0.10
Solids and fluid
0.10 - 0.30
Fluid
0.30 - 0.60
4. Instrumentation
Amount
None
0.03 - 0.05
Some
0.05 - 0.12
Extensive
0.12 - 0.20
5. Buildings and site development
Type of plant
Outdoor
0.10 - 0.30
Outdoor-indoor
0.30 - 0.60
Indoor
0.60 - 1.00
6. Auxiliaries
Extent
Existing
0
Minor addition
0 - 0.05
Major addition
0.05 - 0.25
New facilities
0.25 - 1.00
7. Outside lines
Average length
Short
0 - 0.05
144
Intermediate
0.05 - 0.15
Long
0.15 - 0.25
8. TOTAL PHYSICAL PLANT COSTS
tuvw xwyz { · |}~•w. xwyz€
‚
s }~•w. u} w•y xwyzv„
9. Engineering and construction
ƒ
Complexity
Simple
0.20 - 0.35
Difficult
0.35 - 0.60
10. Contingencies
Process
Firm
0.10 - 0.20
Subject to change
0.20 - 0.30
Speculative
0.30 - 0.50
11. Side factor
Size of plant
Large commercial unit >$10MM
0 - 0.05
Small commercial unit $0.5MM to
$10MM
0.05 - 0.15
Experimental unit<$0.5MM
0.15 – 0.35
12. 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
• Método de Holland.
tw• = fixed capital cost of plant
ˆ‰Š
‹€ · ‹{ · ‹ƒ · ˆŒ•
tyŽ = major process equipment cost, delivered
‹€ = 1.45 for solids processing
‹€ = 1.39 for mixed solids – fluid processing
‹ = 1.47 for fluid processing
‹{ = 1 + f1 + f2 + f3 + f4 + f5
‹ƒ = 1 + f6 + f7 + f8
Process piping factor range:
Engineering and construction factor
ranges:
f1 = 0.07 - 0.10 for solids processing
f6 = 0.20 - 0.35 for straightforward
plants
f1 = 0.10 - 0.30 for solids-fluid processing
f6 = 0.35 - 0.50 for complex plants
f1 = 0.30 - 0.60 for fluid processing
Instrumentation factor ranges:
Size factor ranges:
f7 = 0 - 0.05 for large plants
f2 = 0.02 - 0.05 for little automatic control
f7 = 0.05 - 0.15 for small plants
f2 = 0.05 - 0.10 for some automatic control
f7 = 0.15 - 0.35 for experimental units
Buildings factor ranges:
Contingency factor ranges:
f3 = 0.05 - 0.20 for outdoor units
f8 = 0.10 - 0.20 for a firm process
f3 = 0.20 - 0.60 for mixed indoor outdoor
units
f8 = 0.20 - 0.30 for a process subject to
change
f3 = 0.60 - 1.00 for indoor units
Facilities factor ranges:
f4 = 0 - 0.05 for minor additions
f4 = 0.05 - 0.25 for major additions
f4 = 0.25 - 1.00 for a new site
Outside lines factor ranges:
f5 = 0 - 0.05 for existing plant
f5 = 0.05 - 0.15 for separated units
f5 = 0.15 - 0.25 for scattered units
146
F - COSTO DE LA INVERSIÓN DEL CAPITAL FIJO
ENTREGADO POR ASPEN CCE
147
G - FLUJO DE CAJA DEL PROYECTO
A continuación se presenta la 1era parte del flujo de caja, entregado por el
módulo “Analizador Económico”.
Los valores que se encuentran entre paréntesis, son valores negativos.
148
A continuación se muestra la 2da parte del flujo de caja del proyecto. En
esta parte se presenta un gráfico el cual analiza la variación del VAN con respecto
al tiempo.
Para finalizar, el Analizador Económico indica cuanto capital se gasta por
período, hasta la puesta en marcha de la planta.
Los gastos de demolición y del terreno se destacan, ya que sólo se pueden
obtener desde el Analizador Económico.
149
150
H - CALENDARIO DEL PROYECTO
A continuación se muestra el calendario del proyecto, hasta el año 5.
151
I - VIOLACIÓN DEL ∆TMIN EN EL DISEÑO N°2
A continuación se presenta el diseño de la RIC, que exhibe una violación
del ∆Tmin en el intercambiador de calor E-102.
152
J - DISEÑOS RECOMENDADOS POR ASPEN ENERGY
ANALYZER
153
154