Analisis-energetico-del-tren-de-aromaticos-del-Complejo-Petroqumico-Cangrejera-de-Petroleos-Mexicanos

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
PROGRAMA DE MAESTRÍA Y DOCTORADO EN INGENIERÍA 
 INGENIERÍA QUÍMICA – PROCESOS 
 
 
 
 
 
 
ANÁLISIS ENERGÉTICO DEL TREN DE AROMÁTICOS DEL COMPLEJO 
PETROQUÍMICO “CANGREJERA” DE PETROLEOS MEXICANOS 
 
 
 
 
TESIS 
QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: 
MAESTRO EN INGENIERÍA 
 
 
 
 
 
PRESENTA: 
I.Q. RAÚL HINOJOSA FRANCO 
 
 
 
 
TUTOR PRINCIPAL 
DR. ENRIQUE RODOLFO BAZÚA RUEDA 
FACULTAD DE QUÍMICA 
 
 
 
 
 
MÉXICO, D. F. NOVIEMBRE 2015 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
Restricciones de uso 
 
DERECHOS RESERVADOS © 
PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL 
 
Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal 
del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). 
El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea 
objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para 
fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo 
mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, 
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
 
 
JURADO ASIGNADO: 
 
 
Presidente: Dr. Jaime Gonzalo Cervantes de Gortari 
Secretario: Dr. José Fernando Barragán Aroche 
Vocal: Dr. Martín Rivera Toledo 
1 er. Suplente: M.I. Augusto Sánchez Cifuentes 
2 d o. Suplente: Dr. Enrique Rodolfo Bazúa Rueda 
 
 
Lugar o lugares donde se realizó la tesis: 
 
UNAM, Facultad de Química, Edificio E-2 (Ingeniería Química), Área de Cubículos (cubículo 3). Paseo de la 
Investigación Científica (Circuito de los Institutos) s/n Ciudad Universitaria, 04510 México D.F. 
 
 
TUTOR DE TESIS: 
 
Dr. Enrique Rodolfo Bazúa Rueda 
 
 
 
-------------------------------------------------- 
FIRMA
 
Agradecimientos 
 iii 
 
Agradecimientos Académicos 
 
A la Universidad Nacional Autónoma de México, a la Facultad de Química y al Programa de Maestría y Doctorado en 
Ingeniería, por brindarme una segunda oportunidad de regresar a sus aulas para poder continuar con la preparación de mi 
futuro profesional. 
A la M. en C. Imelda Velázquez Montes y al área de Servicios de Información Digital de la hemeroteca de la Facultad de 
Química de la UNAM, por el apoyo brindado para recabar información y proporcionar acceso a diferentes bases de datos y 
fuentes científicas de información, bastante útiles para el desarrollo del presente trabajo de tesis. 
A mi tutor de Tesis, Dr. Enrique Bazúa. Por el enorme apoyo, los consejos y el seguimiento ejemplar del presente trabajo de 
tesis, el cual hoy culmina de manera exitosa y es fruto de muchas horas de labor conjunta. También a mis colegas y amigos 
del posgrado en Ingeniería Química, del ramo de Ingeniería de Procesos (en especial a Rubén Ricardo Bojórquez Gamboa, 
por la excelente mancuerna de trabajo durante estos dos años), de todos he aprendido algo nuevo y les agradezco su 
paciencia y apoyo. 
Al programa de becas nacionales del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo otorgado para la 
manutención durante el transcurso de mis estudios de Posgrado en Ingeniería. 
A los miembros del jurado de este examen de grado, Dr. Jaime Cervantes, Dr. José Fernando Barragán, Dr. Martín Rivera y 
M.I. Augusto Sánchez, por la crítica constructiva de la tesis la cual enriqueció enormemente este trabajo. 
 
 
Agradecimientos Personales 
 
A mi papá (QEPD), donde quiera que te encuentres, se perfectamente que me sigues apoyando. Buena parte de lo que he 
aprendido te lo debo y siempre estaré agradecido por ello. 
A mi mamá y a mi hermana Rosa Elena, que han sido siempre mi compañía y me motivan a seguir adelante. 
A mis colegas de trabajo de la firma GEA Process Engineering S.A. de C.V. (en especial al Ing. Luis Martín Trejo Centeno, 
Director General e Ing. Francisco Medina Romo, Gerente de Ingeniería) por permitirme ser parte de su plantilla de trabajo 
como Ingeniero de Procesos y desarrollar habilidades que han sido pilar de mi desarrollo profesional. 
A todos mis amigos de la Facultad de Química (en especial a la generación 2006): Rocío, Gaby, Omar, Denisse, Lucy, 
Emmanuel, Mara, Pamela, Víctor, Héctor, Cedric, Antonio, Daniel, Sergio (Espero no me falte nadie). Tengo el gusto de 
ver como estamos cosechando los éxitos derivados de concluir satisfactoriamente esta fascinante carrera. 
A Karla Ruiz Cuilty, del programa de doctorado en ciencia y tecnología del CIMAV con sede en Chihuahua. Te agradezco 
enormemente los comentarios a la tesis, el apoyo moral y por ser la compañía que me hizo muy amena escribirla. 
Índice 
 iv 
 
I. Índice Temático 
Sección Página 
Portada i 
Agradecimientos iii 
Índice Temático iv 
Índice de Figuras viii 
Índice de Tablas xii 
Notación, Simbología y Unidades xiv 
Resumen xx 
1. Introducción 2 
 1.1. Antecedente 3 
 1.2. Justificación 4 
 1.2.1. Producción de P-Xileno 4 
 1.2.2. Consumo energético 7 
 1.3. Objetivos 8 
 1.4. Trabajo previo y referencias bibliográficas disponibles 8 
 1.5. Alcances 10 
2. Análisis de Exergía 12 
 2.1. Trabajo mecánico equivalente, trabajo mínimo y trabajo perdido. 13 
 2.2. Exergía, una propiedad para el análisis energético de procesos 17 
 2.2.1. Exergía y Ambiente 19 
 2.3. Eficiencia de procesos 28 
 2.3.1. Eficiencia energética basada en la primera ley de la termodinámica 28 
 2.3.2. Eficiencia energética basada en la segunda ley de la termodinámica 30 
3. Análisis mediante la metodología Pinch 34 
 3.1. Definiciones básicas del Análisis Pinch 34 
 3.1.1. Diagrama Temperatura-Entalpía 36 
 3.1.2. Curvas Compuestas 39 
 3.1.3. Algoritmo de la “Tabla Problema” 43 
 3.1.4. Curva Compuesta Global o “Grand Composite Curve (GCC)” 46 
Índice 
 v 
 
 3.1.5. El Pinch y su significado 49 
 3.2. Diseño de las redes de intercambio de calor 51 
 3.2.1. Diagrama de malla para la representación de la red de intercambio de calor 51 
 
 3.2.2. División de corrientes por variación de capacidades caloríficas con la temperatura 
 
57 
 3.2.4. Integración de Servicios de Enfriamiento y Calentamiento en la Red de Intercambio de Calor. 
59 
 3.2.5. Integración Térmica de Reactores de Proceso 61 
 3.2.6. Integración Térmica de Columnas de Destilación 62 
 3.3. Elementos básicos de dimensionamiento de equipo y análisis de costos en redes de intercambio de 
 calor 
 
65 
 3.3.1. Dimensionamiento de equipos de transferencia de calor 65 
 3.3.2. Estimación de costos 67 
 3.3.2.1. Costos Fijos 67 
 3.3.2.2. Costos de Operación 68 
4. Descripción de Proceso 69 
 4.1. Configuración del complejo de aromáticos 70 
 4.2. Descripción del diagrama de flujo de procesos 72 
 4.2.1. Proceso CCR-Platforming 73 
 4.2.2. Fraccionadora de Aromáticos 77 
 4.2.3. Proceso Sulfolane 78 
 4.2.4. Proceso Tatoray 81 
 4.2.5. Fraccionadora de Benceno y Tolueno 83 
 4.2.6. Proceso Parex 83 
 4.2.7. Proceso Isomar 85 
5. Hipótesis 88 
6. Metodología 89 
 6.1. Recopilación de Información 90 
 6.2. Simulaciones de Proceso 92 
 6.2.1. Equipo, Software y Modelos Termodinámicos considerados 92 
 6.2.2. Unidad CCR-Platforming 94 
 6.2.3. Unidad Fraccionadora de Aromáticos 97 
Índice 
 vi 
 
 6.2.4. Unidad Fraccionadora de Benceno y Tolueno 100 
 6.2.5. Unidad Isomar 102 
 6.2.6. Unidad Parex 105 
 6.2.7. Unidad Tatoray 109 
 6.2.8. Unidad Sulfolane 111 
 6.3. Extracción de información de las simulaciones de proceso 114 
 6.4. Análisis de Exergía y eficiencias de procesos y equipos por Primera y Segunda Leyes de la Termodinámica116 
 6.4.1. Integración del Balance de Energía e los Equipos de Proceso 116 
 6.4.2. Eficiencia definida a partir de la primera ley de la termodinámica 118 
 6.4.2.1. Eficiencia definida a partir de la primera ley de la termodinámica (calentadores a fuego directo) 118 
 6.4.2.2. Eficiencia definida a partir de la primera ley de la termodinámica (plantas de proceso) 120 
 6.4.3. Balance de Exergía y contribuciones de Trabajo Perdido (Entropía Generada) 121 
 6.5. Análisis por metodología Pinch 124 
 6.6. Elaboración de propuestas de mejora. 130 
7. Análisis de Resultados 131 
 7.1. Validación de la simulación 131 
 7.2. Análisis de Procesos mediante la Primera Ley de la Termodinámica 132 
 7.2.1. Análisis de los calentadores a fuego directo mediante la eficiencia definida por la Primera Ley de la 
Termodinámica 
 
132 
 7.2.2. Análisis de plantas del tren de aromáticos mediante el potencial definido a partir de la Primera Ley de la 
Termodinámica 
 
133 
 7.3. Análisis de Exergía y cálculo de Eficiencias mediante la Segunda Ley de la Termodinámica 138 
 7.4. Análisis mediante la Metodología Pinch 147 
 7.4.1. Análisis de los Calentadores a Fuego Directo con diagramas T-H 147 
 7.4.2. Diagnóstico de la red de intercambio de calor mediante la Metodología Pinch 151 
 7.4.3. Manejo de servicios en las plantas del complejo de producción de aromáticos 154 
 7.4.4. Integración Térmica de Reactores 159 
 7.4.5. Integración Térmica de Columnas de Destilación 161 
 7.5. Resumen del análisis energético y oportunidades de mejora 165 
 7.6. Resumen del análisis de propuestas de mejora con respecto al manejo de energía en el complejo 166 
 7.7. Sobre los avances del licenciador de tecnología en el desarrollo del complejo 167 
Índice 
 vii 
 
8. Conclusiones 168 
 8.1. Conclusiones con respecto a los objetivos del trabajo de tesis 168 
 8.2. Conclusiones con respecto a la hipótesis 168 
 8.3. Trabajo Futuro y mejoras propuestas al trabajo actual 169 
 8.4. Sobre el manejo del presente trabajo de tesis 170 
9. Referencias 171 
 9.1. Libros 171 
 9.2. Artículos 172 
 9.3. Presentaciones de Cátedra y Congresos 173 
 9.4. Manuales, Normas y Estándares de Diseño 174 
 9.5. Tesis Universitarias 175 
 9.6. Sitios WEB 177 
 9.7. Información Técnica consultada con PEMEX Petroquímica Básica 177 
 9.8. Hojas de datos de componentes principales 178 
Anexos 179 
Anexo 1. Balance de Materia y Energía 179 
Anexo 2. Validación de las Simulaciones 217 
Anexo 3. Calentadores a Fuego Directo 229 
Anexo 4. Reactor Tatoray 258 
Anexo 5. Condiciones del Sitio 260 
Anexo 6. Análisis de Exergía 265 
Anexo 7. Análisis Pinch – Integración Térmica 300 
Anexo 8. Análisis Económico Básico 349 
Anexo 9. Análisis de Propuestas de Mejora 361 
Apéndices 379 
Apéndice 1. Máquinas Térmicas y Balances de Entropía 379 
Apéndice 2. Cálculo de Equipos 395 
 
Índice 
 viii 
 
II. Índice de Figuras 
No. Figura Página 
 Capítulo 1. Introducción 
1.1 Imagen aérea C.P. “Cangrejera” (PEMEX) de Coatzacoalcos, Ver. 3 
1.2 Valor por tonelada (Dólares Americanos) de diferentes productos derivados del petróleo 4 
1.3 Proyección de la demanda y capacidad de producción de P-xileno en 2007 5 
1.4 Proyección de la demanda y capacidad de producción de P-xileno en 2012 6 
1.5 Imagen de un complejo de producción de aromáticos instalado por UOP 6 
 
 
Capítulo 2. Análisis de Exergía 
 
2.1 Proceso recibiendo energía de diferentes fuentes térmicas e interacción con el ambiente 14 
2.2 Sistema cerrado con interacción con el ambiente 20 
2.3 Exergía de la materia 23 
2.4 Modelo de Szargut 25 
2.5 Secuencia de Cálculo de la Actualización de Rivero 25 
2.6 Esquema para mostrar el uso de energía en un sistema y las pérdidas a la atmósfera 29 
 
 
Capítulo 3. Análisis mediante la metodología Pinch 
 
3.1 Esquema de Proceso Base 34 
3.2 Esquema de Proceso para análisis Pinch 35 
3.3 Diagrama Temperatura-entalpía 36 
3.4 Diagramas Temperatura-entalpía (Intercambio de Calor) 37 
3.5 Consumo mínimo de servicios con área de intercambio infinita 38 
3.6 Consumo de servicios en función de la ΔTmin para intercambio de calor corrientes 2 y 3 39 
3.7 Rangos de Temperaturas propuestos para formar las curvas compuestas fría y caliente 40 
3.8 Curva compuesta caliente 41 
3.9 Curva compuesta fría 42 
3.10 Curvas Compuestas y Pinch 43 
3.11 Temperaturas modificadas e Intervalos 44 
3.12 Cascada de Calor 45 
Índice 
 ix 
 
3.13 Curva Compuesta Global 47 
3.14a Curva Compuesta Global indicando Consumo de Servicios Mínimo y Pinch 47 
3.14b Curva Compuesta Global indicando los “Energy Pocket 48 
3.15 Problema de múltiple corriente seccionado en el Pinch 49 
3.16 Efecto del ΔTmin sobre los costos 50 
3.17a Diagrama de malla para diseño de red de intercambio 51 
3.17b Diagrama de malla con intercambiadores de calor 52 
3.18 Diagrama de malla con intercambiadores de calor arriba del Pinch 52 
3.19 Diagrama de malla con intercambiadores de calor debajo del Pinch 53 
3.20 Criterios de Diseño de la red por debajo y por arriba del Pinch 53 
3.21 Dimensionamiento por arriba del Pinch 54 
3.22 Dimensionamiento por debajo del Pinch 54 
3.23 Figura con red de intercambio de calor que cumple con los objetivos energéticos 55 
3.24 Red de intercambio de calor con Pinch de servicios 56 
3.25 Variación de la capacidad calorífica con la temperatura 57 
3.26 Linealización segura de la capacidad calorífica y cargas térmicas en curvas compuestas 58 
3.27 Linealización de la temperatura en función de la carga térmica en ASPEN ENERGY ANALYZER 
58 
3.28 Localización apropiada de los servicios de enfriamiento y calentamiento en la GCC 59 
3.29 BGCC y BCC 60 
3.30 Integración térmica de un reactor exotérmico 61 
3.31 Integración térmica de columnas de destilación (base) 62 
3.32 Integración térmica de columnas de destilación (alternativas) 63 
3.33 Alternativas de optimización de consumo de servicios mediante integración de bomba térmica y condensador 
lateral y efecto en el consumo de servicios y costos 
 
64 
3.34 Factor de Forma, corrección LMTD 65 
 
 
Capítulo 4. Descripción de Proceso 
 
4.1 Derivados de Benceno 69 
4.2 Derivados de la mezcla de Xilenos 69 
4.3 Complejo de Producción de Aromáticos UOP 70 
Índice 
 x 
 
4.4 Diagrama de Flujo de Proceso CCR Platforming - UOP 73 
4.5 Esquema General de Reacción CCR-Platforming 75 
4.6 Diagrama de flujo de la sección fraccionadora de aromáticos 78 
4.7 Molécula del solvente Sulfolane 78 
4.8 Diagrama de flujo del Proceso Sulfolane 80 
4.9 Diagrama de flujo del Proceso Tatoray 81 
4.10 Diagrama de flujo de la fraccionadora de benceno y tolueno 83 
4.11 Diagrama de flujo del Proceso Parex 84 
4.12 Diagrama de flujo del Proceso Isomar 86 
 
 Capítulo 6. Metodología 
6.1 Metodología del análisis energético del Complejo de Producción de Aromáticos 89 
6.2 Sección de Reacción Unidad CCR-Plattforming 94 
6.3 Sección de Compresión Unidad CCR-Plattforming 95 
6.4 Unidad Plus Recovery y Despentanizadora Unidad CCR-Plattforming 96 
6.5 Fraccionadora de Aromáticos – Torre de Reformado 97 
6.6 Fraccionadora de Aromáticos – Torre de Xilenos 98 
6.7 Fraccionadora de Aromáticos – Torre de Aromáticos Pesados 99 
6.8 Fraccionadora de Benceno y Tolueno – Columna de Benceno y Preparación de Carga 100 
6.9 Fraccionadora de Benceno y Tolueno – Columna de Tolueno 101 
6.10 Unidad Isomar - Sección de Reacción 102 
6.11 Unidad Isomar – Sección de Separación y Compresión de Gas 103 
6.12 Unidad Isomar – Columna Estabilizadora 104 
6.13 Unidad Parex –Cámara de Adsorción. 105 
6.14 Unidad Parex – Columna de Rafinado y acumulador de condensado. 106 
6.15 Unidad Parex – Columna de Extracto 107 
6.16 Unidad Parex – Columna de Producto Terminado 108 
6.17 Unidad Tatoray – Secciónde Reacción y Recirculación de Gas 109 
6.18 Unidad Tatoray – Columna Estabilizadora, Sección de separación 110 
6.19 Unidad Sulfolane – Columnas de extracción y lavado de rafinado 111 
Índice 
 xi 
 
6.20 Unidad Sulfolane – Columna de Separación de Extracto 112 
6.21 Unidad Sulfolane – Columna de Recuperación de Solvente 113 
6.22 Tabla base para cálculo de equipos y análisis energético 117 
6.23 Extracción de datos de HYSYS para análisis Pinch mediante ASPEN ENERGY ANALYZER. 124 
6.24 Generación de las curvas para análisis Pinch mediante ASPEN ENERGY ANALYZER 125 
6.25 Niveles de temperatura – Servicios de Enfriamiento y Calentamiento 127 
 
 
Capítulo 7. Análisis de Resultados 
 
 
 
7.1 Suministro/Extracción de Energía por planta de proceso del complejo de aromáticos. 136 
7.4 Desglose por Operaciones - Contribución por Planta de Proceso – Entropía Generada 140 
7.5 Desglose por Operaciones - Contribución por Planta de Proceso s/hornos – Entropía Generada 141 
7.6 Contribuciones de la Red de Intercambio de Calor – Entropía Generada 142 
7.7 Contribuciones de la Red de Intercambio de Calor – Entropía Generada 144 
7.8 Diagramas T-H Hornos de Proceso (Precalentamiento en zona de convección). 147 
7.9 Diagramas T-H Hornos de Proceso (Precalentamiento en zona de convección) y Potencial de Recuperación de 
Calor adicional. 
148 
7.10 Diagramas T-H Hornos de Proceso (Con Generación de vapor) 149 
7.11 Diagramas T-H Horno CCR-H-1/2/3/4 y Caldera 150 
7.12 Integración Térmica de Reactor CCR-R-1/2/3/4 y Servicio Disponible 159 
7.13 Integración Térmica de Reactor ISO-R-1 y Servicio Disponible 159 
7.14 Integración Térmica de Reactor TATO-R-1 y Servicio Disponible 160 
7.15 Integración Térmica de Columnas de Destilación 162 
7.16 Avances Tecnológicos reportados por UOP 167 
Índice 
 xii 
 
III. Índice de Tablas 
 Capítulo 1. Introducción 
1.1 Consumo Energético calculado de las secciones de proceso del Complejo de Producción de Aromáticos de “La 
Cangrejera” 
7 
 
Capítulo 2. Análisis de Exergía 
 
2.1 Exergía Química Estándar de Formación de Elementos 26 
2.2 Eficiencia termodinámica de un sistema definida por la segunda ley de la termodinámica (Ecuación 2.46) 32 
 
Capítulo 3. Análisis mediante la metodología Pinch 
 
3.1 Tabla para generar las curvas compuestas fría y caliente 41 
3.2 Temperaturas modificadas 44 
3.2 Balance de Entalpía 45 
3.4 Temperaturas Modificadas y Entalpía correspondiente de la Cascada de Calor 46 
3.5 Coeficientes de transferencia de calor 66 
3.6 Precio de adquisición (Correlación) 67 
3.7 Costos de suministro de servicios 68 
 
Capítulo 4. Descripción de Proceso 
 
4.1 Procesos Básicos del Complejo de Producción de Aromáticos 71 
 
Capítulo 6. Metodología 
 
6.1 Suministro de servicios para el Complejo de Producción de Aromáticos. 91 
6.2 Modelos Termodinámicos. Simulación del Complejo de Producción de Aromáticos 93 
6.4 Tabla base utilizada para el balance de materia y energía de los procesos del tren de aromáticos 115 
6.5 Significado de diferencia de entalpía para los equipos de proceso del tren de aromáticos 117 
 
 Capítulo 7. Análisis de Resultados 
7.1 Contribuciones presentes en los cálculos de exergía debidos a la convergencia de las recirculaciones de la 
simulación en HYSYS. 
131 
7.2 Potencial de Primera Ley – Complejo de Aromáticos 134 
Índice 
 xiii 
 
7.3 Potencial de Primera Ley – Complejo de Aromáticos (Global) 134 
7.4 Suministro de Energía – Complejo de Aromáticos (Global) 135 
7.5 Contribución por Planta de Proceso - Trabajo Perdido 138 
7.6 Desglose por Operaciones - Contribución por Planta de Proceso – Entropía Generada 139 
7.7 Contribuciones a la generación de entropía de los calentadores a fuego directo 141 
7.8 Eficiencia basada en la Segunda Ley de la Termodinámica – Equipos 145 
7.9 Resumen Análisis Pinch – Complejo de Aromáticos 151 
7.10 Resumen Análisis Pinch – Manejo de Servicios en el Complejo de Aromáticos 154 
7.11 Integración Térmica de Columnas de Destilación 161 
7.12 Resumen - Análisis Energético del Complejo de Producción de Aromáticos 165 
7.13 Resumen - Análisis de las Propuestas de mejora del Complejo de Producción de Aromáticos 166 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Notación, Simbología y Unidades 
 xiv 
 
NOTACIÓN 
Cantidades con mayúsculas son para las propiedades totales. 
Cantidades con minúsculas son para las propiedades específicas (por unidad de masa) o molares (por cantidad de materia). 
 
A , a = energía de Helmholtz A = U – T S 
Ex , ex = exergía Ex = H – TambS 
G , g = energía de Gibbs G = H – TS 
H , h = entalpía H = U + P V 
U , u = energía interna 
S , s = entropía 
V , v = volumen 
Cp = capacidad calorífica 
T = temperatura absoluta 
P = presión absoluta 
Q = calor transferido del exterior al sistema (positivo cuando el exterior transfiere calor al sistema y 
negativo cuando el sistema transfiere calor al exterior) 
W = trabajo realizado por el exterior sobre el sistema (positivo cuando el exterior realiza trabajo sobre el 
sistema y negativo cuando el sistema realiza trabajo sobre el exterior) 
M = masa o cantidad de sustancia (moles) totales 
MWQ  ,, = calor, trabajo, masa por unidad de tiempo 
g = aceleración de la gravedad 
z = altura con respecto a un plano de referencia 
 = velocidad 
 = eficiencia 
̂ = Potencial Químico
Notación, Simbología y Unidades 
 xv 
 
SIMBOLOGÍA 
 
Símbolo Significado Símbolo Significado 
 
Corriente de 
Energía 
(Q o W) 
 
 
Corriente de 
Proceso 
 
 
Ajuste de 
Parámetros 
 
 
Recirculación 
 
Bomba 
 
 
Compresor 
 
Calentador a 
fuego directo 
 
 
Columna de 
Destilación 
 
Mezclado de 
Corrientes 
 
 
División de 
Corrientes 
 
Reactor 
 
 
Component 
Splitter 
 
 
 
Notación, Simbología y Unidades 
 xvi 
 
Símbolo Significado Símbolo Significado 
 
Intercambiador 
de Calor 
(Corrientes de 
Proceso) 
 
 
 
Intercambiador 
de Calor 
(Servicios) 
 
Válvula 
reductora de 
Presión 
 
 
Tanque 
Acumulador 
 
Separador Flash 
 
 
Separador 
Trifásico 
 
 
Notación, Simbología y Unidades 
 xvii 
 
SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) 
Magnitudes y unidades fundamentales 
Magnitud unidad Símbolo 
Tiempo segundo s 
Longitud metro m 
Masa kilogramo kg 
Temperatura Kelvin K 
Cantidad de sustancia mol Mol 
 
Múltiplos de las unidades Submúltiplos de las unidades 
factor Prefijo Símbolo factor prefijo símbolo 
10 Deca da 10-1 deci d 
102 Hecto h 10-2 centi c 
103 Kilo k 10-3 mili m 
106 Mega M 10-6 micro μ 
109 Giga G 10-9 nano n 
1012 Tera T 10-12 pico p 
1015 Peta P 10-15 femto f 
1018 Exa E 10-18 atto a 
1021 Zeta Z 10-21 zepto z 
1024 Yotta Y 10-24 yocto y 
 
Unidades derivadas 
Magnitud unidad símbolo y equivalencia 
Fuerza: Newton N = kg m / s2 
Presión: Pascal Pa = N / m2 = kg / (m s2) 
Energía: Joule J = N m = kg m2 / s2 
Potencia: Watt W = J / s = kg m2 / s3 
 
 
Notación, Simbología y Unidades 
 xviii 
 
Factores unitarios de conversión de unidades 
Longitud Fuerza 
1 m = 3.28084 ft = 39.3701 in 1 lb = 32.174 lb ft/ s2 = 4.4482 N 
1 in = 2.54 cm 1kg = 9.807 kg m / s2 = 9.807 N 
1 ft = 30.48cm = 12 in 
Masa Volumen 
1 kg = 2.20462 lb 1 m3 = 1000 L 
1 lb = 0.453593 kg = 35.3147 ft 3 = 264.17 gal 
Presión Presión 
1 bar = 100 kPa 1 atm = 1.01325 bar 
 = 0.1 MPa = 101.325 kPa 
 = 0.986923 atm = 0.101325 MPa 
 = 14.5038 psia = 14.696 psia 
 = 1.0197 kg / cm2 = 1.0332 kg / cm2 
 = 750.062 mmHg = 760 mmHg 
 = 401.48 in H2O = 406.8 in H2O 
Energía Potencia 
1 kJ = 103 Pa m3 1 kW = 1kJ / s 
 =104 bar cm3 = 3414.4 Btu / h 
 = 239.01cal = 1.341 HP 
 = 0.94845 Btu = 860.4 kcal / h 
 = 737.562 lb ft = 737.562 lb ft / s 
 = 1.0197*104kg cm 
 =9.86923*103 atm cm3 
Cantidad de sustancia 
1 lbmol = 453.59 mol 1 kgmol = 1000mol 1kgmol = 2.20462 lbmol 
 
 
 
Notación, Simbología y Unidades 
 xix 
 
Constante universal de los gases Factor unitario gc 
= 8.314 J/mol K = 1 kg m / N s2 
= 83.14 bar cm3/mol K = 32.174 lb ft / lb s2 
= 1.987 cal/ mol K = 9.807 kg m / kg s2 
= 1.987 Btu/ lbmol K 
= 82.06 atm cm3/mol K 
= 10.73 psia ft3/ lbmol R 
 
 
Resumen 
 xx 
 
RESUMEN 
En este trabajo se lleva a cabo el análisis energético del tren de aromáticos del Complejo Petroquímico “La 
Cangrejera” localizado en Coatzacoalcos, Ver. Para ello, se recabó información disponible de la literatura, 
internet y se completó con información de corrientes de proceso tomada de la ingeniería de proceso del 
proyecto de modernización más reciente de estas plantas. Esta información se utilizó para desarrollar una 
simulación representativa de los procesos de los que se conforma el tren de aromáticos. Mediante el uso del 
simulador ASPEN HYSYS 8.2 se procedió a elaborar el cálculo de funciones de estado (entalpía y entropía) 
y de la capacidad calorífica (Cp) de las corrientes de proceso en condiciones de diseño. 
 
Con la información antes mencionada, se llevó a cabo el análisis energético en tres etapas: 
 
 Análisis de Eficiencia de 1ª. Ley de la Termodinámica para cada proceso y de manera global para 
todo el tren de aromáticos así como para los hornos de calentamiento de los hervidores de las torres 
de destilación y precalentamiento de alimentación a reactores. Este análisis permite tener una idea de 
la cantidad de energía suministrada al proceso y su aprovechamiento. 
 Análisis de Exergía y eficiencia de 2da. Ley de la Termodinámica para localizar los equipos con 
mayor contribución de irreversibilidades en el proceso e ineficiencias que tienen como consecuencia 
un mayor consumo de energía. 
 Análisis Pinch donde se generaron los diagramas de malla que describen la red de intercambio y las 
temperaturas en las que operan las corrientes. Se generaron las curvas compuestas y las curvas 
compuestas globales para determinar los puntos con menor gradiente de temperatura (Pinch) y los 
objetivos de optimización energética. En esta etapa se utilizó ASPEN ENERGY ANALYZER 8.1. 
Estos análisis se utilizaron para detectar oportunidades de mejora en el consumo energético del complejo de 
producción de aromáticos y generar las propuestas correspondientes. 
En el capítulo 1 se da una introducción del trabajo de tesis, en el cual se explican los antecedentes, la 
justificación y objetivos que se persiguieron. En los capítulos 2 y 3 se da el marco teórico para llevar a cabo 
el análisis energético describiendo los aspectos básicos de análisis de primera y segunda ley de la 
termodinámica, metodología Pinch y cálculo de eficiencias de equipos y procesos. En el capítulo 4 se explica 
el diagrama de flujo general de proceso y se describen cada una de las plantas que componen el complejo de 
manera detallada. 
El capítulo 6 tiene como objetivo describir la metodología con la cual se buscó alcanzar los objetivos 
propuestos en la introducción del trabajo de tesis, como se desarrollaron los cálculos de las diferentes etapas 
del análisis energético y las consideraciones utilizadas para aplicar los conceptos descritos en los capítulos 2 y 
3 al análisis energético del complejo de producción de aromáticos “La Cangrejera”. El capítulo 7 contiene el 
análisis de los resultados de los cálculos desarrollados para llevar a cabo el análisis energético del complejo 
de producción de aromáticos y comprobar la validez de la hipótesis. Las conclusiones de este trabajo se 
encuentran en el capítulo 8. 
El trabajo se completa con las referencias bibliográficas (capítulo 9) y un conjunto de anexos y apéndices 
utilizados durante el desarrollo de los cálculos. Esta información permite justificar los criterios empleados y 
conclusiones obtenidas en este trabajo de tesis. 
Palabras Clave: Análisis Energético, Complejo de Producción de Aromáticos, Análisis Termodinámico de 
Procesos, Análisis de Exergía, Metodología Pinch, Eficiencia Energética. 
1. Introducción 
1 
BAZÚA, E. R. [L1] y [L2]. 2 
 
1. Introducción 
Los procesos, plantas o complejos de producción que se encuentran en operación tienen un 
consumo de servicios definido de acuerdo al tipo de operaciones unitarias que requieren para 
cumplir con sus objetivos. Los procesos industriales están constituidos por diferentes operaciones 
para lograr la producción de los materiales requeridos1. En muchas de las operaciones se necesita 
suministrar energía de alguna manera, por ejemplo: 
 Se alimenta vapor de calentamiento a los hervidores de las columnas de destilación. 
 Se alimenta un combustible y aire a una caldera para suministrar la energía necesaria para la 
generación de vapor. 
 Se alimenta un combustible y aire a un horno para suministrar la energía necesaria para el 
calentamiento de una corriente de proceso. 
 Se alimenta vapor para accionar las turbinas y que éstas a su vez puedan proporcionar la 
fuerza motriz a los compresores o bombas. 
 Se alimenta energía eléctrica a los motores eléctricos para que accionen a las bombas. 
 
El objetivo que busca el uso eficiente de la energía en un proceso es minimizar el requerimiento 
global de energía del mismo, que redundará, en última instancia, en un menor consumo de 
combustibles1. Para lograr este objetivo se deben aplicar varios principios de la ingeniería. En 
primer lugar la termodinámica nos provee de las bases teóricas para lo siguiente: 
 Calcular el consumo de energía en cada una de las operaciones del proceso. 
 Calcular la eficiencia con que cada operación utiliza la energía. 
 Entender los principios que deben guiar las medidas para reducir el consumo de energía 
del proceso. 
 Establecer metodologías para analizar los procesos y proponer modificaciones que 
produzcan un menor consumo de energía del proceso. 
 
La termodinámica es una ciencia fenomenológica ya que estudia las transformaciones que ocurren 
en sistemas macroscópicos sin adentrarse en explicaciones moleculares o microscópicas. Las 
propiedades de las substancias que se utilizan en la termodinámica se miden experimentalmente, ya 
sea directamente o a través de otras cantidades. Los principios fundamentales de la termodinámica 
son de aplicación general de modo que se pueden estudiar sistemas sin conocer la naturaleza 
molecular de estos, observando solamente las propiedades macroscópicas y su variación frente a 
interacciones con el entorno. La termodinámica, siendo una ciencia de estudio de los sistemas de 
equilibrio, no proporciona herramientas para el cálculo de la rapidez con la que ocurren los 
procesos, para esto es necesario contar con la información que dan los fenómenos de transporte y la 
cinética química1. 
1. Introducción 
1
 BAZÚA, E. R. [L1] y [L2]. 
2
[A5] FENG X. & ZHU, X., [A20] ZAINUDDIN, A. M & FOO, S. H, [A15] STAINE, F. & FAVRAT, D. 3 
 
En forma simplificada se puede decir que existen básicamente dos conceptos en el costo de un 
proceso: 
i) energía y substancias utilizadas (costos de operación) y, 
ii) equipo de proceso (costos fijos). 
 
La termodinámica indica que para disminuir el primer concepto es necesario reducir los gradientes 
que conducen al proceso, y los fenómenos de transporte y la cinética química indican que para 
reducir el costo de equipo de proceso es necesario aumentar los gradientes. Un diseño correcto del 
proceso implica un balance adecuado de ambos factores. Ejemplos de los anterior son: la 
temperatura de acercamiento en los cambiadores de calor, la relación de reflujo en las torres de 
destilación, la relación de compresión, el diámetro económico de una tubería, la caída de presión 
máxima permisible en cambiadores de calor y torres de destilación, etc.1 
La fortaleza del análisis Pinch radica en que la información del sistema puede representarse 
mediante diagramas sencillos (por ejemplo, curvas compuestas, curva compuesta Grand), y de este 
modo los objetivosdel sistema en consideración pueden obtenerse previo al diseño. En contraste, la 
ventaja principal del análisis de Exergía es que se pueden localizar las causas principales de la 
imperfección termodinámica de procesos químicos o térmicos, lo cual permite localizar 
modificaciones prometedoras de manera efectiva2. Ambas técnicas (las cuales se basan en la 
primera y segunda ley de la termodinámica) permiten realizar un diagnóstico de la planta en 
condiciones de operación y definir objetivos de optimización y mejora en cuestión de consumo 
energético. 
 
1.1. Antecedente 
 
 
Fig. 1.1. Imagen aérea C.P. “Cangrejera” (PEMEX) 
de Coatzacoalcos, Ver. 
El tren de aromáticos del Complejo 
Petroquímico de PEMEX “La Cangrejera”, el 
cual se localiza en Coatzacoalcos, Ver., ha 
sido sujeto a modificaciones para 
modernización y optimización del mismo 
(modernización de procesos existentes e 
integración de procesos nuevos). Dentro de 
los estudios llevados a cabo para la 
modernización del tren de aromáticos en el 
C.P. Cangrejera, destacan los análisis para 
optimización en el consumo de servicios y de 
impacto ambiental. 
1. Introducción 
1
 UOP [P7] y [P10] 4 
 
1.2. Justificación 
La razón por la que se desarrolló el presente trabajo de tesis se debe, principalmente, al interés 
mostrado por la industria en la reducción de costos de operación de sus instalaciones. 
Como se mencionó al principio de este capítulo: “Cualquier proceso, planta o complejo que se 
encuentre en operación tiene un consumo de servicios definido de acuerdo al tipo de operaciones 
unitarias que se requieren para cumplir con sus objetivos”. La necesidad de operar con un menor 
consumo energético global es un objetivo permanente el cual justifica cualquier proyecto o trabajo 
que permita reducir el consumo de servicios (agua, vapor, electricidad), el cumplimiento de este 
objetivo se verá reflejado directamente en los costos de operación de las plantas de proceso y, de 
manera indirecta, en el impacto hacia el medio ambiente de las mismas plantas. 
Antes de comenzar el análisis energético, se debe preguntar: 
i. ¿Seguirá siendo rentable el complejo de producción de aromáticos? 
ii. ¿Cuál es el consumo actual de servicios del complejo de producción de aromáticos que se está 
estudiando? 
 
1.2.1. Producción de P-Xileno 
Como se verá en el capítulo 4, los complejos de producción de aromáticos tienen como objetivo 
principal la producción de los intermediarios químicos conocidos como BTX (Benceno, Tolueno y 
la mezcla de Xilenos). La figura 1.1 nos permite ver que, comparado con el petróleo crudo y los 
combustibles de refinería, estos productos presentan un mayor valor por tonelada, lo cual los 
convierte en un negocio bastante rentable. 
 
Fig. 1.2. Valor por tonelada (Dólares Americanos) de diferentes productos derivados del petróleo1. 
1. Introducción 
1
 UOP [P7] y [P10] 5 
 
Puede observarse como el valor del P-Xileno es mayor comparado con el del Benceno y O-Xileno, 
esto se debe a que la demanda del P-Xileno (uno de los isómeros presentes en la mezcla de Xilenos) 
es mucho mayor que la del resto de los isómeros y el Benceno (en el capítulo 4 se verá que el 
Tolueno, otro de los productos principales del complejo es recirculado para incrementar la 
producción de P-Xileno y Benceno). Algunos complejos son configurados para producir O-Xileno, 
mediante la selección de los catalizadores de la planta Isomar. 
La figura 1.3 muestra una proyección realizada en el año 2007 de la capacidad de producción 
mundial del P-Xileno comparado contra la demanda mundial de este compuesto. Puede observarse 
que, ya en el 2007, se tenía proyectado que la demanda superaría la capacidad de producción para 
2012, haciendo que la producción de P-Xileno requiriese la construcción de mayor cantidad de 
complejos de producción de aromáticos. 
 
Fig. 1.3. Proyección de la demanda y capacidad de producción de P-Xileno en 20071. 
En el momento que fue elaborado el presente trabajo de tesis, se encontró una actualización del 
gráfico anterior, realizada durante el 2012 (figura 1.4). Se puede observar como la tendencia se ha 
mantenido en los últimos años, e incluso, se prevé que la demanda de este producto se duplique 
dentro de los próximos diez años y se tenga capacidad suficiente para atender la demanda global de 
P-Xileno. 
Estos argumentos hacen que sea válido seguir estudiando el potencial de producción de estos 
complejos industriales así como el desarrollo de nuevas alternativas de producción de compuestos 
aromáticos. 
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1992 1996 2000 2004 2008 2012 2016
M
ill
o
n
e
s 
T
o
n
 P
ro
m
e
d
io
 /
 A
ñ
o
 
Proyección producción-demanda P-Xileno 
(2007) 
Demanda Global
Capacidad de Producción
1. Introducción 
1
 UOP [P7] y [P10] 6 
 
 
Fig. 1.4. Proyección de la demanda y capacidad de producción de P-xileno en 20121. 
 
La capacidad de producción (en condiciones de diseño) del complejo de producción de aromáticos 
del Complejo Petroquímico de “La Cangrejera” es de 487,493 Ton/Año (dato proveniente del 
procesamiento de 27,500 BPSD de Nafta de Petróleo, 330 días de operación y calculados con la 
simulación de este trabajo). Las acciones que se consideran para lograr satisfacer la creciente 
demanda de P-Xileno es el “revamp” de plantas existentes (sustitución de procesos, modificaciones 
físicas y desarrollo de mejores catalizadores) así como la construcción de nuevos complejos de 
producción de aromáticos (como el que se muestra en la figura 1.5). 
 
 
Fig. 1.5. Imagen de una sección de un complejo de producción de aromáticos instalado por UOP1. 
1. Introducción 
1
 UOP [P7] y [P10] 7 
 
1.2.2. Consumo Energético 
La Tabla 1.1 muestra el consumo actual calculado de las secciones de procesamiento principal del 
complejo de producción de aromáticos de “La Cangrejera” en Coatzacoalcos, Ver., el cual se 
simuló en este trabajo. 
 
Tabla 1.1. Consumo Energético calculado de las secciones de proceso del Complejo de Producción de Aromáticos 
de “La Cangrejera”. 
Planta CCR FRACC BT FRACC ISOMAR PAREX TATORAY SULFOLANE 
Unidades MJ/h MJ/h MJ/h MJ/h MJ/h MJ/h MJ/h 
1. Trabajo de 
Compresión (MJ/h) 46,774.64 6,766.56 1,053.90 1,759.50 1,957.76 2,332.36 580.97 
2. Calentamiento con 
Vapor (MJ/h) 29,208.79 -- 12,686.43 -- 259,861.11 47,743.46 82,816.02 
3. Calentamiento 
Horno (MJ/h) 179,902.59 329,762.13 131,739.30 154,096.99 -- 11,352.92 -- 
4. Enfriamiento con 
Servicios 122,301.29 337,460.98 142,891.60 24,916.43 288,270.01 70,204.40 90,983.86 
 
La Tabla 1.1 permite apreciar el consumo de servicios del complejo de producción de aromáticos. 
El rubro referente a trabajo de compresión considera el trabajo desarrollado por bombas y 
compresores accionados por motores eléctricos o turbinas de vapor. En este complejo, el 
calentamiento con vapor se realiza con vapor de alta presión (considerado a 60 kgf/cm2 y 275 ° C) y 
vapor de media presión (considerado a 20 kgf/cm2 y 214 ° C). Los hornos son utilizados 
principalmente cuando hay cargas térmicas muy grandes o se requiere alcanzar altas temperaturas, 
por arriba de los 450 ° C. El calor es retirado con aire o agua si se requiere enfriar corrientes de 
proceso. Más que comparar la magnitud del consumo de servicios contra otras plantas o procesos 
utilizados anteriormente, o enfocarse en solo reducir el consumo de un servicio en particular, se 
deben plantear los siguientes cuestionamientos: 
i. ¿Es adecuado el manejo actual de servicios en el complejo de producción de aromáticos? 
ii. ¿Existe alguna opción para reducir el consumo de servicios del mismo cumpliendo con los 
requerimientos de proceso y especificaciones? 
La metodología desarrollada en el presente trabajo de tesis permite analizar el manejo actual de 
energía dentro del tren modernizado y, de igual manera, pretende encontrar áreas de oportunidad 
respecto al uso eficiente de energía, las cuales permitan reducir el consumo delos servicios 
mencionados en esta sección. Responder a los cuestionamientos antes mencionados permite definir 
los objetivos esta tesis. 
1. Introducción 
 8 
 
1.3. Objetivos 
El objetivo general de este trabajo es: 
Analizar y encontrar oportunidades de mejora en el consumo de servicios del tren de 
aromáticos a través de herramientas de análisis energético basadas en principios 
termodinámicos (Exergía, Pinch). 
Tomando en cuenta las herramientas y metodologías que se habrán de ocupar, se pueden definir 
cuatro objetivos particulares: 
a. Con ayuda de un simulador comercial (Aspen HYSYS ver. 8.2), representar las 
plantas del tren de aromáticos y calcular las funciones de estado de cada una de 
las corrientes de los procesos del tren (Entalpía, Entropía). . 
 
b. Con base en la información de las funciones de estado, calcular la variación de 
Exergía, Entropía Generada (Trabajo Perdido), Eficiencia (1ª y 2ª Ley) y 
contribución de Entropía Generada de los equipos de proceso para definir la 
estrategia de mejora en el consumo de servicios. . 
 
c. Mediante el uso de la herramienta Aspen Energy Analyzer 8.2, realizar el análisis 
Pinch de cada uno de las plantas del tren, análisis Pinch global y análisis Pinch 
de las plantas que se integren (si es el caso) para encontrar opciones de mejora en 
la red de intercambio de calor del tren de aromáticos. . 
 
d. Cuantificar el impacto de las modificaciones propuestas en el consumo de 
servicios del complejo de producción de aromáticos. 
 
1.4. Trabajo previo y referencias bibliográficas disponibles 
En la literatura se pueden encontrar fuentes diversas de información con respecto a este tema. Se 
encontraron 15 libros (referencias [L1] a [L15]), los cuales presentan enfoques generales de 
termodinámica aplicada al análisis del uso de eficiente de energía en diferentes sistemas 
(referencias [L1] y [L2]), se presentan las bases del análisis termodinámico o análisis de Exergía 
(referencias [L4], [L7], [L15]) y la metodología Pinch (referencias [L6], [L9], [L11]). La 
descripción de los diferentes procesos que componen el complejo de producción de aromáticos se 
encuentra bien explicada en la referencia [L8] y los demás libros se utilizaron para encontrar 
criterios de diseño y conceptos de operación de equipos de proceso. La primera de estas referencias 
data de 1995, son bastante actuales y han hecho un buen resumen de artículos del año 1995 hacia 
atrás (tomando en cuenta el auge de las investigaciones sobre manejo eficiente de energía y 
reducción de costos, las cuales se dieron en gran medida durante 1980 con la entrada en vigor de 
reglamentos más estrictos en materia ambiental y consumo de combustibles fósiles). 
1. Introducción 
 9 
 
Los artículos de divulgación científica consultados (referencias [A1] a [A21]) principalmente se 
enfocan en casos de aplicación de las metodologías a diferentes tipos de plantas y reducción en 
consumo de combustible principalmente, de ellos solo la referencia [A20] ZAINUDDIN, A. M & 
FOO, S. H. , hace mención de plantas de producción de aromáticos y análisis energético mediante 
metodología Pinch y análisis de Exergía, sin embargo, su análisis se limita al estudio de la sección 
de reformado y no se especifica si son datos tomados de alguna planta en específico. Exceptuando 
la referencia [A8] de LINHOFF, B., DUNFORD, H. & SMITH, R., de 1983, los artículos 
consultados datan de 1996 a la fecha. Sin embargo, la referencia [A8] propone un esquema de 
análisis muy útil para analizar la integración térmica de los equipos de las plantas con respecto al 
Pinch, permitiendo detectar puntos en los que haya un excedente en el consumo de servicios. Una 
contribución muy importante de los artículos consultados a esta tesis son los que se enfocan en la 
combinación de las metodologías Pinch y análisis termodinámico o de Exergía (referencias [A1], 
[A5], [A9], [A11] y [A15]) sobre uso eficiente de energía en instalaciones industriales, ya que a 
partir de estos se estructuró buena parte del contenido y la orientación que se le dio a los análisis 
realizados de las plantas de proceso de este trabajo. Los demás artículos son puntos iniciales de 
búsqueda de información o referencias sobre información de los procesos que se analizaron en esta 
tesis. 
Las referencias [P1] a [P11] son un conjunto de presentaciones disponibles en la red, las cuales 
presentan información bastante útil de tipo ejecutivo por parte del licenciatario de las tecnologías de 
proceso del complejo de aromáticos, UOP, en donde se pueden ver los avances más recientes en 
cuestión de desarrollo de catalizadores para los diferentes procesos de reformado catalítico para 
obtención de productos petroquímicos, entre ellos P-Xileno, e información relevante sobre la 
demanda, consumo y capacidad de producción de los mismos. La referencia [P8] presenta 
información sobre el cambiador PACKINOX, utilizado en dos de las plantas del complejo de 
aromáticos estudiado, el cual permite la integración térmica eficiente de corrientes de proceso con 
un gradiente de temperatura considerable, también se incluyen presentaciones de catedra la cuales 
proporcionan más información complementaria sobre las metodologías manejadas en esta tesis. 
Se consultaron manuales, normas y estándares de diseño (referencias [M1] a [M12]), tanto para 
tener referencias sobre el manejo del simulador de procesos utilizados como delimitar valores de 
diferentes variables basados en criterios establecidos por proveedores de servicios y entender la 
simbología de los planos proporcionados por PEMEX Petroquímica Básica. 
No se puede descartar el trabajo de investigación realizado en universidades (incluida la UNAM), 
las referencias [T1] a [T19] son tesis que se localizaron referentes al tema de investigación de esta 
tesis. Estas tesis fueron desarrolladas a nivel licenciatura, maestría y doctorado, principalmente en 
Ingeniería Química (Ingeniería de Procesos) e Ingeniería en Energía. Exceptuando la referencia 
[T8] de GEFFROY AGUILAR de la carrera de Física, quien desarrollo un análisis mediante 
métodos matemáticos (axiomas) para demostrar que la Exergía cumple con las características de 
una función de estado, la mayoría de las tesis se enfocan en casos de aplicación directa de los 
conceptos de análisis sobre manejo y uso eficiente de energía en diferentes plantas y complejos 
industriales. Las tesis de [T3] ELIZONDO MAYER SERRA y [T1] BRIONES VALLEJO, de 1994 
y 1989 respectivamente, contienen información sobre integración térmica del complejo 
1. Introducción 
 10 
 
petroquímico “La Cangrejera”, considerando el proceso de obtención de P-Xileno a través de 
cristalización (sustituido por el proceso PAREX-ISOMAR, utilizado actualmente y que se analiza 
en el presente trabajo de tesis) mediante el empleo de una de las dos metodologías que se 
desarrollaron en el presente trabajo de tesis (ya sea análisis de Exergía como lo hizo Elizondo o 
Metodología Pinch como lo desarrolló Briones). 
1.5. Alcances 
El presente trabajo presenta los siguientes alcances y limitaciones: 
a) Conocimiento previo: Para mayor claridad y compresión de este trabajo se requiere de un 
conocimiento previo de termodinámica (ley cero, primer y segunda ley de la termodinámica 
y modelado de sistemas con ecuaciones de estado y operaciones unitarias básicas). 
b) Enfoque técnico: Se busca presentar una metodología enfocada en un problema específico 
que es la reducción del consumo de servicios de la planta e incremento de la eficiencia en el 
manejo de energía en las diferentes operaciones de los procesos involucrados. 
c) Enfoque práctico: Se utilizó información de una planta real (el complejo de producción de 
aromáticos del Complejo Petroquímico “La Cangrejera” de Coatzacoalcos, Ver.) y se 
estimaron las propiedades mediante datos calculados y validados contra información de 
diseño de lasplantas que se analizaron e información disponible en la literatura. El alcance 
del análisis, consideraciones y simplificaciones se explican con detalle en la sección de 
metodología. 
d) Análisis a régimen permanente: Se hace el análisis considerando las condiciones de diseño 
de la planta, en operación continua y sin variaciones debidas a problemas de operación, 
paro de planta, variaciones durante la fase de estabilización de operaciones en arranque o 
perturbaciones. 
e) Bombas y compresores: Se calculan mediante trabajo reversible corregido por un factor de 
eficiencia adiabática (75 %). Por el momento no se cuenta con información de las curvas de 
operación de estos equipos, se mostrará posteriormente la validez de esta simplificación. 
f) Hornos: Los hornos de proceso se diseñaron apegados a la información del diagrama de 
flujo de proceso (secciones de convección y radiación). No se realizan dimensionamientos 
de estos equipos, no se verifica la eficiencia de operación o se proponen mejoras del mismo 
mediante ajuste de parámetros geométricos. 
g) Catalizadores y reactores: Se utilizan reactores al equilibrio para el cálculo de temperatura 
de efluentes a partir de composiciones definidas. No se utilizaron modelos cinéticos ni se 
dimensionaron lechos catalíticos. 
h) Diseño de cambiadores de calor: Se calcularon cargas térmicas y se verificó que no hubiese 
cruces de temperaturas. Por el momento no se calcularon las áreas de intercambio de calor 
mediante métodos rigurosos, solo se utilizaron simplificaciones. 
i) Operaciones de separación por etapas de equilibrio: En el capítulo 6, sobre la metodología 
de análisis energético, se mencionan las consideraciones utilizadas para el análisis de las 
operaciones de separación, se utilizó el modelado únicamente de columnas de destilación a 
detalle y se utilizaron solo modelos de equilibrio liquido-vapor. 
1. Introducción 
 11 
 
j) Arreglo de Equipos: Se cuenta solamente con un arreglo que muestra la distribución de las 
plantas actual del complejo de aromáticos. Por ahora se harán propuestas de mejora, sin 
embargo en un análisis de mayor detalle habrá que ver que tan conveniente es integrar dos 
plantas de diferentes secciones del complejo. 
k) No se hace ajuste de parámetros de los modelos termodinámicos utilizados: Los modelos 
termodinámicos utilizados en este trabajo consideran valores por “default” del simulador de 
procesos para lo que son los parámetros de interacción binarios y parámetros de ecuación 
de estado cúbicas de cada componente utilizado en las simulaciones. 
2. Análisis de Exergía 
 12 
 
2. Análisis de Exergía 
Antes de comenzar con este capítulo es conveniente recordar algunos conceptos básicos de la 
primera y segunda ley de la termodinámica. 
La primera ley de la termodinámica se puede explicar a partir de los experimentos de Joule (1843), 
define una función extensiva y es una expresión del principio de la conservación de la energía 
aplicada a sistemas termodinámicos: 
 
WQU  
 
Donde la energía interna depende únicamente de los estados inicial y final del sistema que se está 
estudiando. Escribiendo W en términos de Presión y Volumen y reescribiendo la expresión anterior, 
puede definirse una propiedad extensiva denominada Entalpía, la cual permite realizar cálculos de 
procesos ya que involucra información del sistema con los cambios de energía interna y trabajo. 
 
)(PVUH  
 
La cantidad de energía utilizada por el proceso y las pérdidas hacia la atmosfera, permiten definir 
una eficiencia en el manejo de energía del proceso, sin embargo, el sistema internamente puede 
presentar ineficiencias sin tener en cuenta las pérdidas hacia la atmosfera, esta eficiencia viene dada 
por la generación de entropía en el sistema y se cuantifica mediante la segunda ley de la 
termodinámica. 
 
La segunda ley de la termodinámica permite definir la dirección en la que se efectúan los procesos, 
definiéndolos como reversibles, irreversibles o imposibles y define una propiedad extensiva 
llamada Entropía: 
 
 T
QdS 
 
En el apéndice 1 se realiza un desarrollo más amplio de esta propiedad, ya que la presencia de 
irreversibilidades en un proceso reduce la calidad de la energía utilizada en el mismo. La mejor 
manera de cuantificarlas es mediante el concepto de trabajo perdido, el cual proviene de la 
generación de entropía en el proceso. 
 
Conforme se avanza en este capítulo, se podrán ir identificando los conceptos de trabajo equivalente 
mínimo, entropía generada, trabajo perdido y trabajo equivalente total. Este capítulo presenta un 
resumen de los conceptos más relevantes de BAZUA [L1] para su aplicación en el análisis de 
Exergía del tren de aromáticos del complejo petroquímico “La Cangrejera”, en el siguiente capítulo 
se abordaran conceptos del análisis mediante la metodología Pinch. Las referencias [L3], [L4] y 
[L15] permiten ahondar en los conceptos que se describen en este capítulo. 
2. Análisis de Exergía 
 13 
 
2.1. Trabajo mecánico equivalente, trabajo mínimo y trabajo perdido. 
La energía puede ser suministrada al proceso en dos formas: trabajo mecánico (trabajo de eje o 
trabajo eléctrico) y calor. El calor y el trabajo mecánico no son energías de la misma calidad ya que 
el calor solo puede ser parcialmente convertido a trabajo mecánico. Por otro lado, el trabajo 
mecánico se transforma en calor cuando se tiene presente la fricción en alguna de sus formas. 
Cuando se presenta la fricción en un proceso hay una fuerza, la fuerza de fricción, que se opone al 
movimiento. El producto de la fuerza de fricción por el desplazamiento es igual al trabajo de 
fricción; a su vez, este trabajo de fricción se transforma completamente en calor. A este fenómeno 
se le denomina “proceso de disipación de energía mecánica en calor”, donde el calor es asimilado 
por las partes del sistema donde ocurre la fricción como energía térmica. Por otro lado, si esta 
energía térmica la queremos convertir nuevamente en trabajo mecánico, por las limitaciones 
impuestas por la segunda ley de la termodinámica (eficiencia de Carnot), solamente una parte de 
esta energía térmica podrá ser transformada en energía mecánica. 
Entonces, para analizar el consumo de energía de un proceso se deben poner el calor y el trabajo 
mecánico en la misma base. Para lograr lo anterior, el calor que se suministra a un proceso debe ser 
convertido en trabajo mecánico equivalente. Para esta conversión se debe utilizar un factor que sea 
conveniente para todas las aplicaciones. La eficiencia de Carnot (ecuación 2.1) es el factor 
adecuado de conversión. La temperatura del medio que suministra el calor, Text, se toma como la 
temperatura de la fuente térmica. El receptor térmico debe ser un cuerpo con capacidad ilimitada 
para absorber energía sin cambiar apreciablemente sus condiciones, por ejemplo su temperatura. El 
ambiente es el único que cumple con tales requisitos. La temperatura del ambiente se denota por 
Tamb. El trabajo mecánico equivalente al calor transferido al sistema está dado por la relación: 









ext
amb
T
T
1 (2.1) 









ext
amb
T
T
Q 1 (2.2) 
Si a esta cantidad se sum el trabajo mecánico proporcionado al sistema, se obtiene la energía total 
proporcionada al sistema, expresada como trabajo mecánico equivalente, la cual se denota por eqW , 
y queda expresada por la siguiente ecuación: 
 
 








i
exti
amb
ieq
T
T
1QWW (2.3) 
Donde W es el trabajo mecánico (trabajo de eje o trabajo eléctrico) suministrado al sistema, Qi es el 
calor transferido por el medio externo, que se encuentra a la temperatura (Ti)ext, al sistema, y Tamb es 
2. Análisis de Exergía 
 14 
 
la temperatura del ambiente. La ecuación (2.3) se puede rescribir de la siguiente manera y 
representarse mediante la figura 2.1: 
 
 








i
exti
amb
ieq
T
T
QQWW (2.4) 
Donde 
i
iQQ . 
 
Fig. 2.1.Proceso recibiendo energía de diferentes fuentes térmicas e interacción con el ambiente. 
Se desarrolla en primer lugar las ecuaciones para sistemas abiertos. El término W+Q para la 
ecuación (2.4) se obtiene del balance de energía, la expresión resultante es: 
   
  sistsist
ent
entradas
entsal
salidas
sal
Mzgu
MzghMzghWQ
2
2
1
2
2
12
2
1



 
 (2.5) 
El último término del lado derecho de la ecuación (2.4) se obtiene del balance de entropía, la 
expresión resultante es: 
 
   
   
Totalgenambsistsistamb
ent
entradas
entambsal
salidas
salamb
i exti
amb
i
STMsT
MsTMsT
T
T
Q











 (2.6) 
Sustituyendo las expresiones (2.5) y (2.6) en la ecuación (2.4) y agrupando los términos de las 
corrientes de entrada y salida y de la acumulación, se obtiene la siguiente expresión: 
2. Análisis de Exergía 
 15 
 
   
   
Totalgenambsistsistamb
ent
entradas
entambsal
salidas
salambeq
STMsTzgu
MsTzghMsTzghW

 
2
2
1
2
2
12
2
1


 
(2.7) 
La energía total que se suministra a un proceso, expresada como trabajo mecánico equivalente eqW , 
que se calcula con la ecuación (2.7), está formada por dos contribuciones. La primera depende de 
las propiedades de las corrientes de entrada y salida y de los estados inicial y final del sistema y no 
de la trayectoria que sigue el sistema, ni de la naturaleza reversible o irreversible de las operaciones. 
La segunda contribución, dada por el último término del lado derecho, por el contrario, si depende 
de la trayectoria que sigue el sistema y de la naturaleza reversible o irreversible de las operaciones. 
Esta segunda contribución es siempre positiva y es mayor mientras más grandes sean las 
irreversibilidades del proceso. Esta observación lleva a la conclusión de que la cantidad mínima de 
energía que requiere un sistema es cuando su operación es reversible, o sea, que no está presente 
ninguna de las causas de irreversibilidades. Lo anterior se expresa en forma de ecuación de la 
siguiente manera: 
  Peqeq WWW  min (2.8) 
Donde  
mineq
W es la cantidad mínima de energía que requiere un sistema para llevar a cabo las 
transformaciones que ocurren, y corresponde a una operación reversible del sistema en todas sus 
partes. PW es la cantidad adicional de energía que el proceso real necesita que se le proporcione 
porque su operación es irreversible. Estos términos se calculan con las siguientes ecuaciones: 
     
  sistsistamb
ent
entradas
entambsal
salidas
salambeq
MsTzgu
MsTzghMsTzghW

 
2
2
1
2
2
12
2
1
min


 (2.9) 
 
TotalgenambP
STW  (2.10) 
 
La ecuación (2.9) establece que para calcular  
mineq
W se necesitan exclusivamente las 
propiedades y condiciones de las corrientes de entrada y salida y las condiciones de los estados 
inicial y final del sistema, por lo cual no es necesario especificar los detalles del proceso 
reversible. Por lo tanto, el cálculo de  
mineq
W es directo. El cálculo del trabajo perdido PW 
también es directo y requiere solamente el cálculo de la generación total de entropía. 
2. Análisis de Exergía 
 16 
 
En conclusión, las irreversibilidades del proceso son las causantes de que se necesite una mayor 
cantidad de energía que la mínima para llevar a cabo dicho proceso. La energía mínima es  
mineq
W 
y la energía adicional debido a las irreversibilidades es PW . El trabajo perdido es proporcional a la 
generación total de entropía y es siempre positivo. La constante de proporcionalidad es la 
temperatura del ambiente expresada en la escala de temperatura absoluta. 
 Para régimen transitorio: 
 
   
  sistsist
ent
entradas
entsal
salidas
sal
Mzgu
MzghMzghWQ
2
2
1
2
2
12
2
1



 
 (2.11) 
     
 
 
  sistsist
i
exti
i
ent
entradas
entsal
salidas
salTotalgen
Ms
T
Q
MsMsS  
 (2.12) 
     
  sistsistamb
ent
entradas
entambsal
salidas
salambeq
MsTzgu
MsTzghMsTzghW

 
2
2
1
2
2
12
2
1
min


 
 (2.13) 
 Para régimen estacionario: 
 
    ent
entradas
entsal
salidas
sal MzghMzghWQ   
2
2
12
2
1  (2.14) 
     
 
 
 
i
exti
i
ent
entradas
entsal
salidas
salTotalgen T
Q
MsMsS

 (2.15) 
   
  ent
entradas
entamb
sal
salidas
salambeq
MsTzgh
MsTzghW






2
2
1
2
2
1
min


 (2.16) 
 
Este análisis puede versar sobre un equipo, una parte de un proceso químico o todo un complejo 
industrial, con solo especificar apropiadamente las fronteras del sistema. Para reducir el consumo de 
energía en un proceso es necesario disminuir PW y, por consiguiente se deben disminuir las 
irreversibilidades del proceso, esto es, se deben reducir los gradientes: 
2. Análisis de Exergía 
 17 
 
o buscar que el mezclado de corrientes se logre entre corrientes cuyas condiciones estén lo 
más cercanas posibles (procesos a contracorriente); 
o acercar las líneas de operación a las de equilibrio en las operaciones de separación y en los 
reactores químicos; 
o procurar que la transferencia de calor se efectué entre corrientes cercanas en temperatura; 
o evitar las válvulas reductoras de presión; 
o disminuir las pérdidas por fricción; 
o aumentar la eficiencia de los equipos motrices 
 
En la medida en que se reduzca la generación de entropía se disminuirá el consumo energético total 
del proceso y, consecuentemente, se reducirán los servicios de enfriamiento, calentamiento y 
combustible primario total utilizado. 
 
2.2. Exergía, una propiedad para el análisis energético de procesos 
Las ecuaciones (2.13) y (2.16) sugieren le definición de una nueva propiedad, la cual es llamada 
Exergía, y representada por Ex . La exergía de una corriente, sistema o cuerpo que tiene una masa 
M está definida por la siguiente ecuación: 
  MsTzghEx amb 221 (2.17) 
La exergía definida por la ecuación anterior tiene unidades de energía. Para una corriente de 
proceso que tiene un flujo másico M , el flujo de exergía xE se calcula con la siguiente ecuación: 
  MsTzghxE amb   221 (2.18) 
La exergía por unidad de masa se expresa por:  sTzghex amb 221 
Sustituyendo la definición de la exergía en la ecuación (2.16) se obtiene, para el trabajo equivalente 
mínimo, la siguiente expresión: 
           
salidas entradas
entsalent
entradas
entsal
salidas
saleq xExEMexMexW  min (2.19) 
Esta ecuación indica que la energía mínima, expresada como trabajo mecánico equivalente, que 
requiere un sistema que opera a régimen estacionario, es igual a la diferencia de exergía entre las 
corrientes de salida menos la correspondiente a las corrientes de entrada. Este resultado lleva a los 
siguientes enunciados: 
 
2. Análisis de Exergía 
 18 
 
 Para un sistema al que se le debe dar energía para su operación, la energía total que se 
proporciona al sistema, expresada como trabajo mecánico equivalente es  eqW , y se divide 
en dos contribuciones: 
o Una parte,  
mineq
W , contribuye al incremento de exergía de las corrientes de salida 
en adición a la que tienen las corrientes de entrada. Esta parte se almacena como 
exergía en las corrientes de salida. No todo el trabajo mecánico equivalente que se 
suministra  eqW se almacena como exergía en las corrientes de salida. 
o Otra parte, PW , se pierde por las irreversibilidades del proceso. 
 
 Para un sistema que entrega energía durante su operación, la energía total entregada 
por el sistema, expresada como trabajo mecánico equivalente, es  eqW , la cual es una 
cantidad negativa. 
o En este caso siempre las corrientes de salida tienen una exergía menor que las 
corrientes de entrada. El decremento de exergía está dado por  
mineq
W , la cual, por 
ser unacantidad negativa, es el trabajo máximo que podría ser obtenido del sistema. 
Esto se puede interpretar como una aportación de exergía de las corrientes de entrada 
en su tránsito por el sistema. Pero ¿Qué sucede con esta aportación de exergía? 
i. Una parte de esta aportación de exergía se obtiene como trabajo equivalente 
 eqW . 
ii. Otra parte de la aportación de exergía se consume como trabajo perdido, PW , 
el cual se pierde por las irreversibilidades del proceso. 
 
 Para un sistema que no entrega ni recibe energía durante su operación, la energía total, 
expresada como trabajo mecánico equivalente,  eqW , es igual a cero. 
o En este caso siempre las corrientes de salida tienen una exergía menor que las 
corrientes de entrada. El decremento de exergía está dado por  
mineq
W , la cual, por 
ser una cantidad negativa, es el trabajo máximo que podría ser obtenido del sistema. 
Esto se puede interpretar como una aportación de exergía de las corrientes de entrada 
en su tránsito por el sistema. Pero ¿Qué sucede con esta aportación de exergía? 
i. Nada de esta aportación de exergía se obtiene como trabajo equivalente 
 eqW , 
ya que el sistema no entrega ni trabajo ni calor. 
ii. Toda la aportación de exergía se consume como trabajo perdido, WP, el cual se 
pierde por las irreversibilidades. 
 
2. Análisis de Exergía 
 19 
 
2.2.1. Exergía y Ambiente 
Se mencionó que el análisis de exergía, realizado por medio de las ecuaciones 2.7 a 2.16, considera 
un sistema que puede abarcar un equipo o extenderse a la totalidad de una planta de proceso 
mientras se especifiquen de manera adecuada las fronteras del sistema. Para los fines de este trabajo 
de tesis, este análisis es suficiente, sin embargo, es conveniente saber cómo incrementar el detalle 
del estudio del manejo de energía en un sistema. Esto implica conocer las contribuciones de las 
diferentes manifestaciones de la energía en el proceso y como integrarlas a los balances de energía. 
En los anteriores párrafos se dedujo una expresión para el cálculo del trabajo equivalente entregado 
por el proceso a partir de las propiedades de las corrientes de entrada y salida. Este trabajo 
equivalente cuenta con dos contribuciones, una contribución la cual es la energía mínima requerida 
para realizar las transformaciones del proceso o diferencia de exergía (ecuación 2.9) y la energía 
adicional debida a las irreversibilidades del mismo o trabajo perdido (ecuación 2.10). En un sistema 
a régimen permanente (ecuación 2.16), puede observarse que el trabajo mínimo equivalente del 
sistema tiene presente las contribuciones de los términos que provienen de diferentes 
manifestaciones de energía (energía potencial debido a la posición geográfica del sistema y la 
aceleración de la gravedad en ese punto, energía cinética medida con la velocidad de 
desplazamiento del sistema, energía térmica cuantificable a través de los cambios de entalpía, y de 
manera indirecta, energía química, si hay presentes transformaciones químicas dentro del proceso 
analizado). 
En sistemas con transformaciones, debidas a reacciones químicas, se vuelve un poco complicado 
determinar la proporción del trabajo mínimo equivalente que corresponde a la energía requerida 
para que se lleven a cabo las reacciones. Hasta este momento, con base en lo descrito en la sección 
previa, ya se cuenta con información sobre los estados de equilibrio entre los que se desplaza el 
proceso (entalpía y entropía), la forma de ligarlos a los cambios en la concentración de los 
componentes que participan en el proceso y los que se encuentran en el ambiente es a través de la 
inclusión de los potenciales químicos en las funciones termodinámicas que describen el sistema y el 
ambiente. Teniendo como referencia un sistema como el que se muestra en la figura 2.2, el sistema 
y el ambiente representan un sistema cerrado del cual se puede extraer trabajo (trabajo equivalente 
total). Las propiedades intensivas características de este ambiente son Pamb, Tamb, µ̃i,amb (presión, 
temperatura y potencial químico de la mezcla de los elementos que componen el ambiente). El 
sistema tiene sus propiedades intensivas propias: P, T, µ̃i. Las propiedades extensivas del sistema y 
del ambiente son {U, V, S y Ni} y {Uamb, Vamb, Samb y Ni,amb, respectivamente. El ambiente 
proporciona un receptor de calor cuyas propiedades no varían notablemente al interactuar con el 
proceso e intercambiar energía en la forma de trabajo equivalente con él. Este enunciado puede 
describirse de la siguiente manera: 
𝑈 + 𝑁𝑔𝑧 +
1
2
2 ≪ 𝑈𝑎𝑚𝑏 
 𝑉 ≪ 𝑉𝑎𝑚𝑏 (2.20) 
 𝑁𝑖 ≪ 𝑁𝑖,𝑎𝑚𝑏 
2. Análisis de Exergía 
 20 
 
 
Fig. 2.2. Sistema cerrado con interacción con el ambiente. 
Dada la magnitud de las propiedades extensivas descritas en el párrafo anterior, se puede decir que: 
𝑈 + 𝑀𝑔𝑧 +
1
2
2 + 𝑈𝑎𝑚𝑏 − 𝑊𝑒𝑞 ≈ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 
 𝑉 + 𝑉𝑎𝑚𝑏 ≈ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 (2.21) 
𝑁𝑖 + 𝑁𝑖,𝑎𝑚𝑏 ≈ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 
Las diferenciales de estas funciones por lo tanto son: 
𝑑𝑈 + 𝑀𝑔𝑧 +
1
2
𝑀
2 + 𝑑𝑈𝑎𝑚𝑏 − 𝑑𝑊𝑒𝑞 = 0 
𝑑𝑉 + 𝑑𝑉𝑎𝑚𝑏 = 0 (2.22) 
𝑑𝑁𝑖 + 𝑑𝑁𝑖,𝑎𝑚𝑏 = 0 
La diferencial de energía interna del ambiente se calcula como: 



cn
i
ambiambiambambambambamb dNdVPdSTdU
1
,,̂ (2.23) 
De esta expresión se puede despejar la diferencial de entropía: 






 

cn
i
ambiambiambambamb
amb
amb dNdVPdUT
dS
1
,,ˆ
1
 (2.24) 
Que por medio de las relaciones escritas en las ecuaciones del conjunto 2.22 se puede reescribir 
como: 
amb
eq
n
i
iambiamb
amb
amb T
dW
dNdVPNNgzdU
T
dS
c






 
1
,
2 ˆ
2
11
 (2.25) 
2. Análisis de Exergía 
 21 
 
Donde N = Σ Ni. De este modo, la diferencial total de la generación de entropía en el sistema y el 
ambiente se puede calcular mediante: 
amb
eq
n
i
iambiambamb
amb
ambTotalgen T
dW
dNdSTdVPNNgzdU
T
dSdSSd
c






 
1
,
2 ˆ
2
11)( 
amb
eq
n
i
iambiambamb
amb
Totalgen T
dW
dNdSTdVPNNgzdU
T
Sd
c






 
1
,
2 ˆ
2
11)(  (2.26) 
Reacomodando la ecuación: 
Totalgen
n
i
iambiambamb
ambamb
eq SddNdSTdVPNdNgzddU
TT
dW c
)(ˆ
2
1)(1
1
,
2 











 

 
 
Totalgenamb
n
i
iambiambambeq SdTdNdSTdVPNdNgzddUdW
c
)(ˆ
2
1)(
1
,
2 











 

 
 (2.27) 
La forma diferencial de la ecuación 2.9 es: 
  Peqeq dWWddW  min (2.28) 
Sabiendo que: 
TotalgenambP SdTdW )( (2.29) 
Por lo tanto: 












 

cn
i
iambiambambeq dNdSTdVPNNgzUdWd
1
,
2
min ˆ2
1)(  (2.30) 
En un sistema cerrado, integrando la ecuación 2.30: 












 

cn
i
iambiambambeq NSTVPNNgzUW
1
,
2
min ˆ2
1)(  (2.31) 
La ecuación 2.31 permite ver una definición de exergía con sus contribuciones desglosadas para 
cada uno de los estados de equilibrio entre los que se desplaza el sistema: 
i
n
i
ambiambamb NSTVPNzNgUEx
c



1
,
2
2
1 ̂ (2.32) 
2. Análisis de Exergía 
 22 
 
En un sistema abierto y a régimen permanente, se requiere incorporar el trabajo de flujo V(P-Pamb) 
del sistema en la ecuación 2.30: 












 

cn
i
iambiambambambeq dNdSTPPVddVPNNgzUdWd
1
,
2
min ˆ)(2
1)(  












 

cn
i
iambiambeq dNdSTNNgzHdWd
1
,
2
min ˆ2
1)(  
Reagrupando términos y sabiendo que H = U + PV: 












 

cn
i
iambiambeq NSTNNgzHW
1
,
2
min ˆ2
1)(  (2.33) 
Por lo tanto: 
i
n
i
ambiamb NSTNzNgHEx
c



1
,
2
2
1 ̂ (2.34) 
Si se expresan las ecuaciones 2.32 y 2.34 en base molar: 
i
n
i
ambiambambNN
sTvPzguex
c



1
,
2
2
1 ˆ
1
 (2.35) 
i
n
i
ambiamb NN
sTzghex
c



1
,
2
2
1 ˆ
1
 (2.36) 
Substituyendo la relación de Gibbs en 2.35 y dado que no son significativas las contribuciones 
inerciales comparadas con el resto de los términos, las podemos despreciar por el momento: 
i
n
i
i NN
PvTsu
c



1
ˆ
1
 
i
n
i
ambiambambi
n
i
i NN
sTvPN
N
PvTsex
cc









1
,
1
ˆ
1
ˆ
1
 
i
n
i
ambiiambamb NN
sTTvPPex
c



1
, )ˆˆ(
1)()(  (2.37) 
Si el sistema alcanza el equilibrio térmico, mecánico y químico (igualdad de presión, temperatura y 
potencial químico) con el ambiente puede verificarse que la ecuación 2.37: 
0ambex (2.38) 
2. Análisis de Exergía 
1 GARFIAS [T8] 23 
 
El ambiente proporciona un estado de referencia donde examb=0 y a partir del cual puede definirse 
un valor de exergía para el sistema a determinadas condiciones de T,P. Entonces, la exergía es una 
medida de la energía requerida (trabajo, calor, reacciones químicas) por un sistema para entrar en 
equilibrio con el ambiente a través de procesos reversibles como se puede observar en la figura 2.3. 
A diferencia de las ecuaciones 2.13 y 2.18 donde Tamb es la única propiedad del ambiente que se 
requiere conocer para efectuar los cálculos del análisis y donde la estimación de las propiedades 
termodinámicas (entropía y entalpía) entre los estados de equilibrio (donde, si es el caso, ya se 
llevó a cabo un intercambio de energía térmica y mecánica y las composiciones del proceso ya 
están definidas si hubo transformación química) o las condiciones a la entrada y a la salida en un 
sistema a régimen permanente, las ecuaciones 2.35 y 2.36 involucran ahora un potencial químico 
de la mezcla de las sustancias químicas que conforman ambiente y la presión (Pamb, µ̃i,amb). 
 
Fig. 2.3. Exergía de la materia.1 
En la literatura se puede encontrar que el ambiente es referido como estado de referencia o estado 
muerto, en el cual examb = 0. Lo que se busca mediante el procedimiento aquí descrito es calcular el 
trabajo mínimo equivalente o efecto útil (sin irreversibilidades) de un proceso a partir de valores de 
referencia de las sustancias químicas que intervienen en el proceso o sistema que se está estudiando 
(al igual que se calculan potenciales de formación ΔH° y ΔG°) en condiciones estándar para 
proceder a su corrección mediante cálculos siguiendo el procedimiento de la ley de Hess. Esto no 
debiese ser mayor problema ya que la exergía de un sistema que se encuentra en un estado de 
equilibrio diferente al del ambiente puede determinarse de manera práctica con la ecuación 2.39 
que se muestra a continuación: 
2. Análisis de Exergía 
 24 
 
i
n
i
ambiambamb NN
sTvPuex
c



1
,ˆ
1
 (2.35) 
ambi
n
i
ambiambambambambambamb NN
sTvPuex
c
,
1
,ˆ
1


  (2.37) 
exexexex amb  0 (2.38) 
Entonces: 
  )(ˆ
1)()( ,
1
, ambii
n
i
ambiambambambambamb NNN
ssTvvPuuex
c
 

 (2.39) 
La ecuación 2.39 puede adaptarse, mediante las relaciones de Gibbs y Maxwell para escribirse en 
términos de entalpía o energías libres de Gibbs y poder realizar cálculos de exergía de formación 
estándar de sustancias y elementos. Con la presión y temperatura se ha optado por manejar las 
condiciones: 
 Tamb = 25°C (298.15 K) 
 Pamb = 1 atm (101.325 kPa) 
 Aparte de estas condiciones, para iones en solución se requiere que se defina una solución 
con 1 mol/ kg H2O del ión respectivo. 
De este modo: 
 
el
elqelq ExnGEx , (2.40) 
El potencial químico requiere definir un ambiente de composición definida. Esto lleva a preguntar, 
¿Qué características debe tener el ambiente para ser considerado un estado de referencia? Se han 
realizado diferentes trabajos a manera de tener una referencia estándar internacional para el cálculo 
de exergía estándar de formación de elementos y sustancias. El más conocido de estos modelos de 
cálculo es el de Szargut de 1983 (figura 2.4) que considera las concentraciones promedio de las 
sustancias en el ambiente y que se ha venido actualizando. La más reciente de estas actualizaciones 
es la de Rivero (2006), proponiendo cambios en la descripción del ambiente y reacomodando los 
componentes entre la hidrosfera, litosfera y atmosfera (agua, aire y corteza terrestre), buscando 
tener una referencia que describa de manera más detallada y cercana a la distribución real de los 
elementos que componen el ambiente (figura 2.5). 
En la Tabla 2.1, se muestra una tabla de valores de exergía de formación estándar estimados 
mediante el procedimiento de Szargut y comparados con la actualización de Rivero, la cual solo es 
para ejemplificar, ya que, por el enfoque de esta tesis, no se utilizó esta información.
2. Análisis de Exergía 
1GARFIAS [T8] 
2RIVERO [A14] 25 
 
 
Fig. 2.4. Modelo de Szargut1. 
 
Fig. 2.5. Secuencia de Cálculo de la Actualización de Rivero2.
2. Análisis de Exergía 
1RIVERO [A14] 26 
 
 
 
 
Tabla 2.1. Exergía Química Estándar de Formación de Elementos1. 
 
 
 
 
 
 
 
2. Análisis de Exergía 
1RIVERO [A14] 27 
 
 
Tabla 2.1. Exergía Química Estándar de Formación de Elementos1. (Cont.) 
 
2. Análisis de Exergía 
 28 
 
2.3. Eficiencia de procesos 
2.3.1. Eficiencia energética basada en la primera ley de la termodinámica 
La eficiencia con la que un sistema utiliza la energía se analiza desde dos puntos de vista. Estos 
análisis están basados en la Primera Ley y en la Segunda Ley de la Termodinámica, 
respectivamente. 
La energía suministrada al proceso está representada por dos cantidades, estas son el trabajo (W) y 
calor (Q). La primera ley de la termodinámica indica que para ahorrar energía, esto es, para 
disminuir el calor o el trabajo requeridos, es necesario que la energía que se suministra al proceso 
sea utilizada en el mismo y no sea desperdiciada por fugas a la atmósfera. Entonces, las tuberías y 
los equipos de proceso deben estar bien aislados, debe reducirse al mínimo la temperatura de los 
gases de combustión en la chimenea, deben evitarse fugas de vapor, etc., con lo cual se minimizan 
las pérdidas de energía a la atmósfera. 
En este sentido se debe contestar la siguiente pregunta: 
De toda la energía que se le suministra al sistema por cualquier medio (combustible, vapor, 
calor o trabajo), ¿Cuánta la utiliza el sistema para lograr las operaciones deseadas? La 
energía que no utiliza el sistema se desperdicia en pérdidas a la atmósfera, por ejemplo (ver 
figura 2.4): 
o Pérdidas por la transferencia de calor de los equipos de proceso hacia el ambiente. Estas 
pérdidas se disminuyen con un buen aislamiento de los equipos. 
o Pérdidas por fugas de vapor al ambiente. En este caso se pierde la energía que tiene el 
vapor, y se disminuyen con el correcto mantenimiento de las líneas de vapor (en las trampas 
de vapor y bridas). 
o Pérdidas porque no se recupera todo el condensado. Las pérdidas de vapor y condensado 
deben ser repuestas con agua tratada que tiene un costo de producción significativo. 
Además, el condensado no recuperado se encuentra a una temperatura superior a la 
ambiente. 
o Pérdidas por la energía de los gases de combustión que son desechados en las chimeneas a 
una temperatura mayor a la ambiente. Los gases de combustión transfieren calor a las 
corrientes de proceso, pero no transfieren toda su energía y salen calientes. Estas pérdidas 
disminuyen en la medida que los gases de combustión transfieren más calor y salen a una 
temperatura menor. El exceso de aire juega un papel importante en el control de estas 
pérdidas. 
 
 
2. Análisis de Exergía 
 29 
 
 
 
Fig. 2.6. Esquema para mostrar el uso de energía en un sistema y las pérdidas a la atmósfera. 
 
La eficiencia con que utiliza la energía el sistema, en este sentido, está basada en la Primera