Este documento describe la tecnología pinch o análisis pinch, la cual es una metodología para optimizar la recuperación energética en procesos químicos. Explica que el análisis pinch consiste en cuantificar los servicios de calor en una planta para observar las necesidades de intercambio de calor y optimizar el diseño de la red de intercambiadores minimizando el uso de servicios de calentamiento y enfriamiento. También presenta los conceptos básicos del análisis pinch como la temperatura mínima de aproxim

1. La tecnología pinch como herramienta para el uso
eficiente de la energía
Y. Mendoza1, E. Yepes2
Universidad del Atlántico, Facultad de ingeniería, Ingeniería química
Gestión integral de la energía
Resumen
La tecnología pinch o análisis pinch es una metodología reciente utilizada con el fin de optimizar la recuperación
energética de los procesos químicos. Dicha tecnología surgió a finales de los años 70 (Linnhoff y Vredeveld) y
consistió inicialmente de la cuantificación de los servicios existentes en una planta (vapor, agua, y en general los
servicios de calentamiento y enfriamiento) con el objetivo de observar las necesidades de intercambio de calor de
dicha planta. Dicha optimización consiste en un diseño correcto de la red de intercambiadores de calor de modo
se pueden aprovechar aquellas corrientes calientes y frías de una planta, para intercambiar calor entre ellas,
minimizando así el uso de servicios de calentamiento o enfriamiento.
Palabras claves:Optimización energética, simulación deprocesos, refinación de aceites vegetales.
1. Introducción
La optimización en las técnicas de procesos ha
sido ampliamente investigada, apuntando
todos los esfuerzos a hacer práctica y
económicamente
posible
innumerables
procesos industriales. En particular, la
optimización de la energía juega un rol
decisivo, practicando el uso más apropiado.
La optimización, en este caso, se sobreentiende
como
el
estudio
y
análisis
en
los
intercambiadores de calor en conjunto y la
síntesis sobre alternativas de configuración
(lay out), a través del uso de la tecnología
"Pinch". Se sugieren nuevas estructuras para
conjuntos de intercambiadores, con el
propósito de minimizar la cantidad de energía
involucrada (calor y/o frío) [1].
2. Marco histórico
Desde los años „70, con el surgimiento de la
crisis energética, una especial atención se ha
orientado hacia la optimización de procesos;
además de esto, inquietudes de orden ecológica
y económica han motivado el desarrollo de
técnicas que posibilitan la utilización racional
de la energía en los más variados rubros
industriales [1].
La optimización energética, por lo tanto, debe
ser vista como una técnica imprescindible del
proyecto, en la búsqueda de factores de
diferenciación de costos. La conservación de
energía por medio de la síntesis de redes de
[1] e-mail: yoby517@hotmail.com
[2] e-mail: ing.yepes88@gmail.com
intercambiadores, es práctica común en la
mayoría
de
las
plantas
químicas
y
petroquímicas (Challand et al. 1981). Esto
ocurre
porque
en
dichas
redes
deintercambiadores de calor (RIC), los flujos de
energía pueden manejarse con un alto grado
de flexibilidad, posibilidades de reciclo y la
utilización de la energía generada de manera
no secuencial (Stinghen, 1998) [1].
Innumerables técnicas de optimización han
sido utilizadas para solucionar el problema de
síntesis de las RIC. Inicialmente transformada
en
modelos
matemáticos
del
tipo
combinatorial, la complejidad de las RIC
industriales
exigió
innumerables
simplificaciones (Gundersen y Naes, 1988) [1].
A partir de mediados de la década del „70,
Hohmann (1971), produjo una nueva técnica
basada en consideraciones termodinámicas
denominada
tecnología
"Pinch".
La
descomposición del problema en sub-redes o
circuitos de flujo caliente o frío, y la
determinación del punto de estrangulamiento
termodinámico, donde no hay transferencia de
calor entre los flujos, constituyen las bases de
esta sistemática que derivó en un mejor
entendimiento;
práctica
de
síntesis
y
optimización energética en los complejos RIC
[1].

2. Sus objetivos, además del mejoramiento de la
eficiencia energética del proceso, incluyen:
3. Marco teórico
a) Reducción del costo de capital.
b) Reducción del costo de la energía.
c) Reducción de emisiones contaminantes.
d) Optimación del uso del agua.
e) Mejoramiento de la operación y de la
producción.
El diseño de una nueva planta química o de
proceso, o la optimización de una planta
existente, es un problema complejo, ya que
siempre existen interacciones entre las
unidades que forman el proceso, que hacen
imposible abordar el diseño de cada una de
estas unidades de forma individual. Esta
metodología se puede resumir en los siguientes
pasos:
Esta técnica se ha aplicado en refinerías,
fundidoras, plantas petroquímicas, papeleras,
cerveceras y textiles, entre otras [5].
3.2.
Conceptos
análisis pinch
1. Se comienza el diseño en la capa más
interna (el sistema de reacción), que representa
la parte fundamental del proceso, ya que el
funcionamiento de la capa interna afecta a
todas las capas externas.
básicos
del
Temperatura
mínima
de
aproximación: es la diferencia mínima
de temperatura que puede existir entre
las corrientes calientes y frías para que
se pueda presentar transferencia de
calor sin violar la segunda dey de la
termodinámica [4].
2. Se diseña esta sección de forma óptima de
acuerdo a la información disponible (de
momento incompleta).
Punto pinch: es aquel en el cual no
hay transferencia de energía entre dos
intervalos
de
temperatura.
Esta
temperatura pinch divide el problema
de diseño en dos partes: por encima
del pinch y por debajo del pinch.
3. Se diseña el sistema de separación y
recirculación, con lo que los balances de
materia y energía quedan establecidos.
4. Se diseña el sistema de intercambio de calor
y de recuperación energética de la planta, de
forma que los consumos energéticos sean
mínimos.
Mínimosrequerimientos
energéticos:es la cantidad mínima de
calentamiento y enfriamiento que
requiere el proceso.
5. Se diseña el sistema de servicios generales
(calefacción y refrigeración), que mejor cubran
las necesidades energéticas de la planta.
Curva compuesta: es una grafica que
enfrenta la entalpia Vs temperatura
usada para seleccionar los niveles de
servicios y para estimar el área de
transferencia de calor [4].
Este proceso de diseño es iterativo, ya que la
información obtenida del diseño de las capas
exteriores permite modificar y optimizar las
capas más internas [5].
3.3.
3.1. El análisis pinch
Pasos del análisis pinch
Se presenta un algoritmo general que
proporciona el número de mínimo de
intercambiadores calor y los mínimos
requerimientos energéticos. El algoritmo
está constituido por los pasos que se
observan en la figura 1.
En los últimos diez años el análisis de pliegue
ha pasado de ser una herramienta dirigida a
mejorar la eficiencia energética en el diseño de
redes de recuperación de calor, a una
metodología de optimación tanto para diseñar
procesos nuevos como para modificar procesos
existentes. Actualmente incluye el diseño de:
a) Redes de recuperación de calor.
b) Sistemas de separación.
c) Sistemas de remoción de desechos.
d) Sistemas de calor y potencia.
e) Sistemas de servicios auxiliares.
f) Complejos industriales.
2

3. Como punto de partida se considera la
transferencia de calor en cada intervalo de
temperatura de forma separada. La expresión
utilizada es:
Escoja la
temperatura
mínima de
aproximación.
(1)
Construya el
diagrama de
intervalos de
temperatura.
Construya un
diagrama de
cascada.
Calcule el numero
mínimo de
intercambiadores
de calor
Figura 2. Diagrama de intervalos de
temperaturas. Este diagrama se realizo
utilizando el programa HENSAD desarrollado
por RichardTourton [3].
Diseñe la red de
intercambiadores
de calor.
3.
Figura 1. Pasos necesarios para aplicar el
análisis pinch a in proceso.
1.
Escoger la temperatura mínima de
aproximación:
Construcción
del
diagrama
intervalos de temperatura:
del
diagrama
de
Muestra la cantidad de energía para cada
intervalo de temperatura. Con este diagrama
podemos encontrar los requerimientos netos
en cada intervalo de temperatura y transferir
cualquier exceso de calor a un servicio de
calentamiento.
Para
minimizar
los
requerimientos de servicios se calentamiento y
enfriamiento, se encuentra el punto pinch
mediante el grafico y se considera como aquel
en donde la energía no puede ser transferida.
Esta representa la diferencia más pequeña de
temperatura entre las dos corrientes que salen
o entran al intercambiador. Loa valores típicos
se encuentran entre el intervalo de (5-20) ºC.
Este intervalo aunque es típico no es muy claro
y para escoger el valor adecuado se debe
realizar un estudio económico previo.
2.
Construcción
cascada:
de
En este diagrama todas las corrientes del
proceso son representadas por una línea
vertical, usando la convención de que las
corrientes
calientes
que
requieren
enfriamientos se colocan hacia abajo en el lado
izquierdo y las corrientes frías que requieren
calentamiento de forma contraria.
Figura
3.
Diagrama
de
cascadas.Este
diagrama se realizo utilizando el programa
HENSAD desarrollado por RichardTourton [3].
3

4. Consideraciones
Se define Fh y Fc como los flujos de las
corrientes calientes y frías, y Cph y Cpc como las
capacidades calóricas de las corrientes
calientes y frías. Una regla de diseño para los
cruces posibles es:
Sobre el pinch
(4)
Debajo del pinch
Figura 4. Curva compuesta temperatura Vs
entalpia.Este diagrama se realizo utilizando el
programa
HENSAD
desarrollado
por
RichardTourton [3].
4.
Calcular el número mínimo
intercambiadores de calor.
(5)
Solo
caliente
sobre
solo enfríe debajo del pinch.
de
6.
Una vez encontrado el punto pinch en el paso
tres es necesario encontrar el número mínimo
de intercambiadores de calor para llevar a cabo
la transferencia de este con el diseño de
servicios mínimos.se divide el problema de
transferencia de calor en dos partes:
el
pinch
y
Estimación del área de transferencia
de calor.
Se usan los resultados de los estimativos de
los requerimientos mínimos de calentamiento y
enfriamiento para calcular los costos de
servicios para una planta. Es muy necesario
calcular el costo de capital asociado con una
red de intercambiadores de calor sin tener que
diseñar
dicha
red.
Afortunadamente,
Townsend y Linnhoff presentaron una técnica
para realizar estos estimativos, (lo cual es una
extensión de un previo resultado de
Hohmann)[2].
Sobre el pinch
-1 (2)
Debajo del pinch.
El procedimiento consiste en incluir líneas
verticales donde sea que haya un cambio de
pendiente en el grafico de temperatura vs
entalpia y se considera que cada intervalo
representa uno o más intercambiadores de
calor en paralelo. En la grafica se puede leer el
flujo calórico de cada intercambiador de calor y
los valores de los cambios de temperatura.
Luego si las curvas de enfriamiento y
calentamiento corresponden a una sola
corriente se pueden estimar los coeficientes de
individuales transferencias para cada corriente
como un coeficiente total:
-1 (3)
Siendoel numero de intercambiadores de
calor,Ns el numero de corrientes del proceso
yNv el numero de corrientes de servicio [2].
5.
Diseñar la red de intercambiadores
de calor.
Se diseña la red de intercambiadores en dos
partes por encima y por debajo del pinch.
Diseño por encima del pinch: Se calculan los
calores entre la temperatura de entrada y
salida y la temperatura pinch para cada
sistema.
Diseño por debajo del pinch
Donde los coeficientes individuales incluyen el
factor de asociamiento. El área de los
intercambiadores de calor está dada por:
Se realiza el mismo procedimiento de diseño.
4

5. Donde, si hay múltiples corrientes en cualquier
intervalo, entonces se debe desarrollar una
expresión apropiada para el coeficiente global
de transferencia de calor:
A
Q
TLM
calientes
i
1
hi
frias
j
1
hj
7. Bibliografía
[1] DECIO T. MAY, A. BOLZAN Y A. O.
STINGHEN,Optimización energética en el proceso de
refinación de aceites vegetales, utilizando la tecnología
“PINCH”.Libro de Oro de A&G 15º Aniversario Tomo IV.
Ed. 42-60. Argentina, 2005
(6)
[2]DOUGLAS, James. Conceptual Design of Chemical Processes.
Mc Graw Hill: United States of América. 2003.
Y podemos estimar el área total sumando los
resultados para cada intervalo. Cabe destacar
que
este
es
un
procedimiento
corto
particularmente usado cuando se quiere
encontrar el efecto de los flujos de proceso en
el
costo
de
capital
de
la
red
de
intercambiadores de calor [2].
[3]TOURTON, Richard; BAILIE, Richard. Analysis,
Synthesis, and Design of Chemical Processes. 2ª ed.
Prentice Hall: United States of América. 2003.
[4] SAHDEV, Mukesh;
PinchTechnology: BasicsforBeginners,
Associate
Content
Write,
http://www.cheresources.com/pinchtech.pdf
4. Herramienta para la integración de
sistemas de cogeneración.
[5]http://docencia.izt.uam.mx/jarh/LPDI/material_adicional/PINCH.pdf
El análisis pinch convencional identifica el
consumo
de
energía
más
económico
entérminos de cargas térmicas, dando guías
prácticas
de
diseño
para
conseguir
esteobjetivo. Sin embargo, para el análisis de
sistemas que involucran calor y potenciacomo
sistemas de refrigeración, plantas de potencia,
bombas de calor, sistemas decogeneración,
etcétera, el análisis en términos de calor es
insuficiente. Para estossistemas se aplica el
tratamiento combinado del análisis de pinch y
del análisisenergético [5].
Delegado:
Firma
Director de ponencia:
Firma
5. Conclusiones
En el presente trabajo podemos concluir que el
máximo ahorro potencial de agua y energía se
logra aplicando la tecnología pinch. Dicho
análisis mira a la Planta en su conjunto yno
compara sino que toma en cuenta las
características específicas de la planta como la
antigüedad, ubicación, procesos, equipos,
preferencias operacionales, productos, etc.
Además determina el máximo potencial para la
cogeneración.
Y. Mendoza, E. Yepes
6. Agradecimientos
Agrademos a la Universidad del atlántico por
apoyarnos en nuestro trabajo y por facilitarnos
los materiales necesarios para desarrollarla.La
investigación se realizo gracias a la ayuda
proporcionada por Melanio Coronado Ingeniero
Químico y profesor de las asignaturas de
diseño de plantas y control y simulación de
procesos de la universidad del Atlántico.
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