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Análisis de exergía de
procesos quimicos
Prof. Ángel Darío González Delgado
1. Introducción
• Cuando dos sistemas en
diferentes estados vienen
en contacto, hay una
oportunidad
a
generando
trabajar
cuando
pasando de su estado
inicial a un estado de
equilibrio.
•
Si el proceso ocurre de
manera reversible, entonces
el trabajo generado tiene su
valor máximo.
2
1. Introducción
•
Cuando las
irreversibilidades durante el
proceso, el potencial
generar
para
trabajo que
originalmente
existido se disipa.
• Si uno de los sistemas
es el medio ambiente, y
el otro es la cerveza, la
exergía se define como la
máxima
trabajar
que
teóricamente
pueden
ser
obtenido cuando la
cerveza pasa de su
estado inicial al equilibrio
con el medio ambiente.
3
1. Introducción
•
Una vez especificado el Ambiente
Estacionario de Referencia (RSE), la
exergía puede ser considerada como
una propiedad de la cerveza (sistema).
• El término Exergía se puede
definir como el máximo
trabajo útil teórico que se
puede obtener de una etapa
de un proceso o de un
proceso completo que
interactúa únicamente con el
medio si este no ha alcanzado
el equilibrio termodinámico.
4
1. Introducción
Teniendo en cuenta que, la
exergía de un sistema depende
del estado de referencia
seleccionado, por lo que se
debe hacer una buena elección
del estado de referencia para
evitar resultados erróneos.
análisis
termodinámica
exergía
es
a
análisis
técnica basada en la
segunda
ley
de
termodinámica
cual
proporciona una alternativa
para evaluar, analizar y
comparar sistemas.
5
1. Introducción
•
El análisis exergético es una técnica de análisis termodinámico basada
en la segunda ley de la termodinámica que brinda una alternativa para
evaluar, analizar y compararProcesos químicos.
6
1. Introducción
• El análisis de exergía produce eficiencias que proporcionan una
medida real de cuánto se acerca el rendimiento real al ideal e
identifica las irreversibilidades existentes.
•
Además, el análisis Exergy es una herramienta útil para medir la
cantidad y calidad de las fuentes de energía y analizar la
sostenibilidad del proceso.
• El análisis exergético se puede utilizar en el diseño,
simulación, evaluación y mejora de los procesos.
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2. Balance de exergía
Qi
mien; tien
miafuera; tiafuera
Sistemai
Wtu
Ley de Conservación de la masa
∑i(metroi)en= ∑i(metroi)afuera
Primera ley de la termodinámica
∑i(metroi* hi)en- ∑i(metroi* hi)afuera+ Q – W = 0
Segunda ley de la termodinámica
∑i(metroi*Si)en- ∑i(metroi*Si)afuera+ ∑i(Qi/Ti) = Sgeneración
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2. Balance de exergía
Qi
mien; tien
miafuera; tiafuera
Sistemai
Wtu
Balance global de exergía
exergíared masiva+ Exergíared de calor+ Exergíared de trabajo= exergíaPerdió
9
2. Balance de exergía
Qi
mien; tien
miafuera; tiafuera
Sistemai
Wtu
Exergía relacionada con el Trabajo
ExW= W
W
10
2. Balance de exergía
Qi
mien; tien
miafuera; tiafuera
Sistemai
Wtu
Exergía relacionada con el Calor
T
q
To
ExCalor= -- 1− T0--q
T-i
11
2. Balance de exergía
Qi
mien; tien
miafuera; tiafuera
Sistemai
Wtu
Exergía relacionada con la transferencia de masa
En ausencia de efectos nucleares, magnéticos, eléctricos y de tensión superficial, la exergía de
masa de un sistema se puede dividir en cuatro componentes.
ExMasa= Ej.física+ Ej.ch+exmezclando+ Ej.maceta+ Ej.familiares
Para este estudio, la exergía de la mezcla se asumirá como parte de la exergía física.
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2. Balance de exergía
Exmasa=Exfísica+ Ej.ch+ Ej.maceta+ Ej.familiares
m, t
H=Entalpía de la
sistema en T,P
Exfísico= (H - Ho) – To*(S – So)
S=Entropía del sistema
en T,P
Ho=Entalpía de la
estado de referencia (To,Po)
So = Entropía de la
estado de referencia (To,Po)
La exergía física de una corriente de materia se puede definir como
el trabajo máximo (energía útil) que se puede obtener de ella
llevándola al equilibrio físico (de temperatura y presión) con el
medio ambiente.
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2. Balance de exergíaQi
mien; tien
miafuera; tiafuera
Sistemai
Wtu
Exmasa=Exfísica+ Ej.ch+ Ej.maceta+ Ej.familiares
La exergía química de una corriente se calcula en tres pasos:
• Determinación de exergías químicas estándar de sustancias puras del
•
•
entorno de referencia (REF-j) y sustancias no de referencia.
Determinación de exergías químicas de componentes que no existen
en el entorno de referencia.
Determinación de la exergía química de la mezcla.
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2. Balance de exergía
Determinación de exergías químicas estándar de sustancias puras
del entorno no de referencia.
Las exergías químicas estándar de especies que no son de referencia se calculan
utilizando especies de referencia.
Si los elementos del compuesto son especies REF, se utiliza la
ΔGFo: Energía estándar de Gibbs
siguiente ecuación:
de formación del compuesto i.
Exch0 −i= -GRAMOF−i−-vjExch,ÁRBITRO−j
o
o
j
Ex°ch-i: Exergía química
estándar del compuesto no
REF i.
vj: Coeficiente estequiométrico
del elemento j (positivo para
productos y negativo para
reactivos).
18
2. Balance de exergía
Ejemplo
Cálculo de la exergía química estándar del óxido nítrico (NO).
Los elementos del compuesto son N2 y O2, ambos son especies REF, la
reacción es la siguiente:
Después:
o
o
Exch0 −NO= -GRAMO
F−NO−-vjExch,ÁRBITRO−j
j
kJ kJ
kJEx
=86.63
− -(−0.5) *0.72
+ (-0.5) *3.97
mol mol
mol-kJ
0
Exch−NO=88.97
mol
0
ch−NO
19
2. Balance de exergíaQi
mien; tien
miafuera; tiafuera
Sistemai
Wtu
Exmasa=Exfísica+ Ej.ch+ Ej.maceta+ Ej.familiares
La exergía química de una mezcla, depende de la exergía química de los
compuestos de la mezcla y de sus concentraciones.
Exch−mezcla=-yi*Ex-ch−i+RT0-yi*en(yi)
i
i
24
2. Balance de exergíaQi
mien; tien
miafuera; tiafuera
Sistemai
Wtu
Exmasa=Exfísica+ Ej.ch+ Ej.maceta+ Ej.familiares
cinético y potencial
Las exergías suelen ser
descuidado porque
su contribución al total
el balance de exergía es mínimo
26
2. Balance de exergía
exergíaen masa
Sistema
exergíaen-Utilidades
La exergía puede entrar a un sistema de dos formas
•
•
Con los flujos másicos del proceso
Con las utilidades de proceso
exergíaEntradas totales= Exergíaentrada masiva+ ExergíaEntrada de servicios públicos
ExergíaEntrada de servicios públicos= ExergíaTrabajar en+ ExergíaCalentamiento
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2. Balance de exergía
Sistema
exergíafuera de los desechos
exergíaproductos
La exergía puede salir de un sistema de dos maneras
• Con los flujos de producto
• con los desechos
• El trabajo y el calor que no sale del sistema con productos o
desechos no se cuentan porque son pérdidas del sistema.
exergíasalida total= Exergíasubproductos+ ExergíaResiduos
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2. Balance de exergía
Qi
mien; ti
Productos miafuera; ti
en
afuera
Sistemai
Residuos miafuera; tiafuera
Wi
Las pérdidas de exergía o la exergía destruida son las irreversibilidades del sistema y se pueden calcular de la siguiente
manera:
exergíaperdió=exergíaEntradas totales- Exergíasubproductos
32
2. Balance de exergía
Qi
mien; ti
Productos miafuera; ti
en
afuera
Sistemai
Residuos miafuera; tiafuera
Wi
Eficiencia exergética=1-(ExergíaPerdió/ Exergíaentrada total)
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3. Procedimiento para el análisis de exergía
1.Aprender y comprender el proceso.
2.Establezca los límites del sistema dibujando un diagrama de flujo del proceso bajo
estudio, determinando qué etapas de entradas/salidas y subproductos son parte del
sistema.
3.Resolver balance de masa y energía.
4.El proceso se descompone en unidades de operación para estudiar cada una de ellas de forma
independiente.
5.Calcular exergías físicas y químicas de corrientes.
6.Calcular para cada etapa del proceso la exergía de residuos y la exergía de
utilidades.
7.Calcular para cada etapa la eficiencia exergética, la exergía de los residuos y las irreversibilidades.
8. Calcular para todo el proceso, eficiencia exergética, exergía de residuos e
irreversibilidades totales
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4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
Adaptado de Peralta-Ruiz, Y., González-Delgado, AD, Kafarov, V. 2013. Evaluación de
alternativas para la extracción de aceite de microalgas basadas en análisis de exergía.energía aplicada,
vol.101, 226 – 236.
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
INTRODUCCIÓN
Consumo mundial de energía
Fuente: Panorama energético mundial, 2013
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
•
Producido a partir de microorganismos
(levaduras, hongos y microalgas).
•
Puede evitar la competencia comida vs combustible.
•
Puede evitar la competencia en el uso de tierras
cultivables.
•
Puede evitar el aumento de los precios de los alimentos.
Fuente: cmg1632.wordpress.com, 2013
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
•
Alta eficiencia fotosintética y tasa de
consumo de CO2 (1,83 Ton CO2/Ton
microalgas) (Razzak et al., 2013).
•
Puede crecer en diferentes tipos de agua
(Komolafe et al., 2014).
•
Puede duplicar su población en un día
(Noazami et al., 2011).
•
Hasta 8 veces más productividad de biomasa por
unidad de área que las plantas terrestres (UISICP-Morrosquillo, 2011).
•
Hasta 20 veces más productividad de lípidos por
unidad de área que la palma (Mata et al., 2010).
Fuente: pacificjunction.com, 2014
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
INTRODUCCIÓN
Primera aproximación: Biodiesel a partir de cadena productiva de microalgas
CO2
H2O
Nutrientes de la luz solar
H2O
Biomasa rica en
carbohidratos y
proteína
Estanque abierto del fotobiorreactor
Cosecha
El secado
Extracción de petróleo
Cultivo de algas
Transesterificación de aceite
Uso final
Distribución
Transporte
Almacenamiento
42
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
INTRODUCCIÓN
Conclusiones de los primeros estudios
•
El balance energético de las cadenas de producción lineales preliminares es
negativo (Khoo et al., 2011)
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
44
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
Extracción de etanol/hexano (EHE)
1
2
4
3
5
45
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
Extracción basada en hexano (HBE
46
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
Extracción por solvente asistida con homogeneización de alta velocidad (SHE)
•
Homogeneización de alta velocidad
centrifugación
Separación de fases
47
Filtración
Separación de solventes
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
Diagrama de flujo EHE
Etanol
Hexano
Agua
Etanol+Aceite
Solvente
Recuperación de lípidos
Recuperación
Otros
Etanol
Hexano+Aceite
Biomasa
Fase
Extracción de petróleo
Separación
lípido
Hexano+Aceite
Acumulación
Solvente
Aceite
Recuperación
Agua
Hexano
Secado de Sólidos
coproducto
Diagrama de flujo esquemático del método de extracción de aceite EHE
48
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
49
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
Diagrama de flujo HBE
Hexano
Hexano
Biomasa
Extracción de petróleo
Fase
Solvente
Separación
Recuperación
Aceite
coproducto
Secado de Sólidos
Diagrama de flujo esquemático del método de extracción de aceite HBE
50
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
51
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
Diagrama de flujo SHE
Metanol+Agua
Recuperación
metanol
Biomasa
Extracción de petróleo
Agua
Solvente
Fase
Cloroformo+Lípidos
Solvente
Separación
Aceite
Recuperación
Agua
cloroformo
Secado de Sólidos
coproducto
Diagrama de flujo esquemático del método de extracción de aceite SHE
52
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
53
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
Requerimientos de masa y energía deHBEproceso
Flujos de entrada
kg/s
Flujos de salida
Biomasa seca
10.19
lípidos
Hexano
0.01
agua de refrigeración
1877.77
Vapor
291.66
Biomasa residual
Aguas residuales
kg/s
3.39
6.62
0.18
Equipo
hidrociclón
Bomba
kilovatios
148.5
21.366
Filtrar
0.5
Total
170.366
Requerimientos de masa y energía deELLAproceso
Flujos de entrada
kg/s
Flujos de salida
Biomasa seca
10.29
lípidos
Cloroformo
0.0036
metanol
14.11
Agua
40.114
agua de refrigeración
1680.55
Vapor
244.44
Equipo
Biomasa residual
kg/s
3.39
6.69
Aguas residuales
54.47
Filtrar
hidrociclón
Bomba
Total
kilovatios
53.4
13.1
0.5
67
54
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
Requerimientos de masa y energía deEHEproceso
Flujos de entrada
kg/s
Flujos de salida
kg/s
Equipo
Biomasa seca
10.21
lípidos
Hidrociclón - 1
Hexano
0.0044
Biomasa residual
3.39
6.63
Aguas residuales
107.76
Bomba
Etanol
Agua
2.05
Hidrociclón - 2
87.01
Filtrar
agua de refrigeración
1938.88
Total
Vapor
138.88
kilovatios
14.3
6.3
8,2
0.5
29.3
55
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
56
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
Exergía destruida por etapa para métodos de extracción de aceite de microalgas evaluados
57
4. Ejemplo: análisis exergético de la
extracción de aceite de microalgas
Resultados del análisis de exergía
58