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El análisis pinch es una metodología para minimizar el consumo energético de los procesos químicos mediante el cálculo de objetivos energéticos termodinámicamente factibles (o consumo mínimo de energía) y su consecución mediante la optimización de los sistemas de recuperación de calor, los métodos de suministro de energía y las condiciones de funcionamiento del proceso. También se conoce como integración de procesos , integración térmica , integración energética o tecnología pinch .
Los datos del proceso se representan como un conjunto de flujos de energía, o corrientes, en función de la carga de calor (producto de la entalpía específica y el caudal másico; unidad SI W ) frente a la temperatura (unidad SI K ). Estos datos se combinan para todas las corrientes de la planta para dar curvas compuestas , una para todas las corrientes calientes (que liberan calor) y una para todas las corrientes frías (que requieren calor). El punto de aproximación más cercana entre las curvas compuestas caliente y fría es el punto de pinzamiento (o simplemente pinzamiento ) con una temperatura de pinzamiento de corriente caliente y una temperatura de pinzamiento de corriente fría. Aquí es donde el diseño está más restringido. Por lo tanto, al encontrar este punto y comenzar el diseño allí, se pueden lograr los objetivos de energía utilizando intercambiadores de calor para recuperar calor entre corrientes calientes y frías en dos sistemas separados, uno para temperaturas superiores a las temperaturas de pinzamiento y otro para temperaturas inferiores a las temperaturas de pinzamiento. En la práctica, durante el análisis de pinzamiento de un diseño existente, a menudo se encuentran intercambios de calor cruzados entre una corriente caliente con su temperatura por encima del pinchamiento y una corriente fría por debajo del pinchamiento. La eliminación de dichos intercambiadores mediante un proceso de adaptación alternativo permite que el proceso alcance su objetivo energético .
En 1971, Ed Hohmann afirmó en su tesis doctoral que "se puede calcular la cantidad mínima de servicios de calor y frío necesarios para un proceso sin conocer la red de intercambiadores de calor que podría realizarlo. También se puede estimar el área de intercambio de calor necesaria".
A finales de 1977, el estudiante de doctorado Bodo Linnhoff, bajo la supervisión del Dr. John Flower en la Universidad de Leeds [1], demostró la existencia en muchos procesos de un cuello de botella de integración térmica, "el pinch", que sentó las bases para la técnica, conocida hoy como análisis pinch. En ese momento se había incorporado a Imperial Chemical Industries (ICI), donde dirigió aplicaciones prácticas y desarrollo de métodos posteriores.
Bodo Linnhoff desarrolló la "Tabla de problemas", un algoritmo para calcular los objetivos energéticos y elaboró las bases para el cálculo de la superficie necesaria, conocida como "red de espagueti". Estos algoritmos permitieron la aplicación práctica de la técnica.
En 1982 se incorporó al Instituto de Tecnología de la Universidad de Manchester ( UMIST , actual Universidad de Manchester ) para continuar con el trabajo. En 1983 creó una empresa de consultoría conocida como Linnhoff March International, posteriormente adquirida por KBC Energy Services.
Desde entonces se han desarrollado muchas mejoras que se han utilizado en una amplia gama de industrias, incluida la extensión a sistemas de calor y energía y situaciones no relacionadas con procesos. La explicación más detallada de las técnicas es la de Linnhoff et al. (1982), Shenoy (1995), Kemp (2006) y Kemp y Lim (2020), mientras que Smith (2005) incluye varios capítulos sobre ellas. Ahora hay disponibles programas detallados y simplificados (hojas de cálculo) para calcular los objetivos energéticos. Consulte el software de análisis Pinch a continuación.
En los últimos años, el análisis Pinch se ha extendido más allá de las aplicaciones energéticas. Ahora incluye:
El análisis clásico de pinch calcula principalmente los costos de energía para el servicio de calefacción y refrigeración. En el punto de pinchamiento, donde las corrientes calientes y frías son las más restringidas, se requieren grandes intercambiadores de calor para transferir calor entre las corrientes calientes y frías. Los intercambiadores de calor grandes implican altos costos de inversión. Para reducir el costo de capital, en la práctica se exige una diferencia de temperatura mínima (Δ T) en el punto de pinchamiento, por ejemplo, 10 °F. Es posible estimar el área del intercambiador de calor y el costo de capital, y por lo tanto el valor mínimo óptimo de Δ T. Sin embargo, la curva de costos es bastante plana y el óptimo puede verse afectado por "trampas topológicas". El método de pinchamiento no siempre es apropiado para redes simples o donde existen restricciones operativas severas. Kemp (2006) y Kemp y Lim (2019) analizan estos aspectos en detalle.
El problema de integrar el calor entre corrientes calientes y frías, y encontrar la red óptima, en particular en términos de costos, puede resolverse hoy con algoritmos numéricos . La red puede formularse como un problema llamado programación no lineal de enteros mixtos (MINLP) y resolverse con un solucionador numérico apropiado . Sin embargo, los problemas MINLP a gran escala todavía pueden ser difíciles de resolver para los algoritmos numéricos actuales. Alternativamente, se hicieron algunos intentos para formular los problemas MINLP a problemas lineales de enteros mixtos, donde luego se seleccionan y optimizan las posibles redes. Para redes simples de unas pocas corrientes e intercambiadores de calor, los métodos de diseño manual con software de orientación simple suelen ser adecuados y ayudan al ingeniero a comprender el proceso. [2]