COMPONENTES DE LOS CALENTADORES

CALENTADOR A FUEGO DIRECTO.
INTRODUCCIÓN.
Dentro de este capítulo se hablara en general del funcionamiento de los
calentadores, que para nuestra aplicación será un calentador del tipo a fuego directo,
se describirán las partes principales que los conforman, su clasificación, algunas
características de su construcción, su composición interna, así como también la
necesidad de proteger a este tipo de equipos. Es de vital importancia para la gran
mayoría de los procesos industriales el uso de una fuente de calor alterna, es por
esto que en la industria de la refinación y la petroquímica frecuentemente se requiera
suministrar calor a altas temperaturas a algunas corrientes de procesos para
diversos fines, para ello son utilizados los equipos llamados calentadores. En los
primeros tiempos el hombre tuvo necesidad de hacer uso de fuego directo en
muchas ocasiones y con poco éxito, el mayor problema del fuego directo es la falta
de control de la flama y la distribución del calor uniforme, un calentador a fuego
directo se puede definir como un conjunto de dispositivos por medio de los cuales el
calor liberado de la combustión que se realiza dentro de una cámara aislada, se
transfiere a elevadas temperaturas a un fluido que se encuentra en el interior de un
serpentín de tubos que comúnmente se coloca a lo largo de las paredes y techo de la
cámara de combustión.
Se denominan calentadores a los que solamente se usan para suministrar
calor a la corriente de proceso, ya sea para calentarla o evaporar una parte o toda la
carga sin que haya cambios químicos, por ejemplo: calentadores de carga al reactor,
rehervidores de columnas de destilación, sobrecalentadores de vapor, calentadores a
fuego directo, calentadores de gas, etc. Los calentadores a fuego directo de tipo
convencional funcionan por medio de tiro natural, es decir, la elevación de los gases
producto de la combustión contenidos en el calentador crean una presión menor a la
atmosférica lo cual induce a que el aire penetre dentro de la cámara de combustión y
se expulsen los gases producidos.
CLASIFICACIÓN DE LOS CALENTADORES A FUEGO DIRECTO POR
EL ARREGLO DE LOR TUBOS DEL SERPENTÍN.
Los calentadores a fuego directo, se pueden clasificar de acuerdo a su
forma en horizontales y verticales esto debido a la orientación de los tubos del
serpentín en la sección de radiación y los tipos son:
A.
B.
C.
D.
E.
F.
G.
Cilíndrico vertical todo radiante. Ver figura A.
Cilíndrico vertical de serpentín helicoidal. Ver figura B.
Cilíndrico vertical con convección tipo cruzado. Ver figura C.
Cilíndrico vertical con convección integral. Ver figura D.
Tipo Árbol o Wicket. Ver figura E.
De tubo vertical a doble fuego. Ver figura F.
De cabina con tubos horizontales. Ver figura G.
H.
I.
J.
K.
L.
Con caja de doble celda y tubos horizontales. Ver figura H.
De cabina con tubos horizontales y pared divisoria. Ver figura I.
De caja con tubos horizontales y quemadores en las paredes. Ver figura J.
Con sección de convección montada a un lado. Ver figura K.
De tubo horizontal a doble fuego. Ver figura L.
Forma física de un calentador a fuego directo típico.
Figuras A, B y C.
Figuras D, E y F.
Figuras G, H e I.
Figuras J, K y L.
CATEGORÍA DE SERVICIO DE LOS CALENTADORES A FUEGO
DIRECTO.
La industria que requiere en sus procesos calentadores a fuego directo
divide su aplicación en seis categorías de servicio general, las cuales son:
 Rehervidores: En esta aplicación particular, la temperatura de salida de un
rehervidor generalmente cae en el rango de los 204°C a 288°C (400°F a 550°F).
 Calentador de carga a columnas fraccionadoras: Se refiere al servicio de un
calentador de alimentación a una columna de destilación atmosférica, donde el
aceite crudo entra al calentador como un líquido a 232°C (450°F) y sale cerca de
los 371°C (700°F).
 Calentador de carga a reactores: En este caso se trata del calentamiento de un
componente individual, fase sencilla como el sobrecalentamiento de vapor en las
secciones de reacción del proceso de elaboración de productos petroquímicos.
En estos servicios, la temperatura de entrada del fluido típicamente es de 371°C
(700°F) y su temperatura de salida de aproximadamente 815°C (1500°F).
 Calor suministrado para medio de transferencia de calor: Muchas plantas
suministran calor a usuarios individuales, vía un medio de transferencia de calor
intermedio. Para este servicio el empleo del calentador se utiliza para elevar la
temperatura del medio recirculante, que es típicamente un aceite de
calentamiento. Los fluidos que circulan a través del calentador en estos sistemas,
casi siempre permanecen en fase líquida desde la entrada hasta la salida.
 Calor suministrado a fluidos viscosos: Con frecuencia el aceite pesado debe
ser bombeado desde un lugar a otro para su proceso. A bajas temperaturas el
aceite puede tener una viscosidad demasiada alta para ceder al bombeo, por lo
que es empleado un calentador para elevar la temperatura del aceite y así,
facilitar su bombeo.
 Calentadores a reactores: Calentadores reformadores de hidrocarburos (vapor),
en los cuales los tubos de la cámara de la combustión funcionan individualmente
como recipientes de reacción verticales llenos con catalizadores de níquel.
COMPONENTES DE LOS CALENTADORES A FUEGO DIRECTO.
Las secciones y partes que integran un calentador a fuego directo son
idénticas para ambos tipos, vertical y horizontal. A continuación se presenta una
descripción de dichas secciones y partes.
Sección de convección.
Es la sección de transferencia de calor directamente localizado debajo de
la chimenea, utilizando el calor ascendente de los gases calientes de la combustión.
En esta zona los tubos están en forma horizontal tanto para calentadores verticales
como horizontales.
Sección de radiación.
Es la mayor parte que utiliza el calor radiante de los quemadores. Aunque
en algunos calentadores el calor de la flama de los quemadores se dirige hacia un
muro cerámico el cual irradia calor a los tubos; normalmente los tubos reciben el
calor directamente de los quemadores.
Material
Refractario
Chimenea
Tubos
Escudo
Sección
de
Convección
Sección
de
Radiación
Cámara
de
Combustión
Tubos
Radiantes
ó
Serpentín
de
Tubos
Quemador
Compuerta
Piloto
Partes principales de un calentador a fuego directo.
Quemadores.
Es la parte del calentador el cual quema el combustible gas o líquido, en
ocasiones ambos, produciendo una flama de calor intenso. Los quemadores son
normalmente instalados al piso de los calentadores. Sin embargo algunos
calentadores horizontales pueden tener los quemadores montados lateralmente. El
número y tamaño de quemadores son determinados por el proveedor de acuerdo al
uso del calentador.
Chimenea.
Es la parte cilíndrica usada para transportar los gases de combustión a la
atmósfera, y al mismo tiempo produce un tiro a los quemadores. La altura de la
chimenea es determinada por el tiro requerido y demandas ecológicas (el quemar
gas es relativamente limpio, ya que el combustible líquido produce humos). Las
chimeneas pueden ser montadas sobre la parte superior del calentador o pueden
montarse al piso con ductos grandes para dirigir los gases de combustión hacia ellas.
En áreas densamente pobladas, a menudo algunos calentadores tienen ductos que
llegan a una chimenea común montada a piso la cual puede ser de 300 pies de altura
o más. Con este diseño la chimenea es normalmente de concreto.
Puertas de acceso.
Son puertas que proporcionan la entrada al calentador para inspeccionar
los tubos o hacer reparaciones. El acceso a las puertas debe mantenerse limpio.
Mampara (Damper).
Es un plato plano de acero localizado directamente arriba de la sección de
convección, conectado a una flecha y una rueda de acero. Los cables de control
están a nivel de piso para disponer la operación y regular el tiro del quemador por
abertura o cierre de la mampara. Las mamparas pueden ser conectadas para
trabajar automáticamente.
Conexión del manómetro de tiro.
Normalmente son coples localizados justo debajo de la mampara y en la
sección de radiación, cercano a los quemadores. Es un instrumento de presión
diferencial, llamado manómetro de tiro, para esto es conectado a dos coples para
medir el tiro del quemador.
1.4.8.- Transición de chimenea (Puente).
Es la sección fabricada bajo la chimenea, efectuándose la transición de la
forma rectangular del calentador a la chimenea cilíndrica. Es además usado bajo la
sección de convección para reducir el área de flujo entre dos partes rectangulares.
Estructura interna de un calentador a fuego directo.
Conexión de vapor de apagado.
Normalmente es un cople de dos pulgadas localizada en ambas secciones.
El vapor es usado para extinguir (por sofocamiento) las flamas. Si la ruptura de un
tubo causa fuego, una válvula de detección es abierta para introducir el vapor dentro
del calentador. En los calentadores grandes existen muchas conexiones de este tipo.
Anclaje de tubos.
Es el punto del tubo donde se encuentra sujeto o anclado, se aplica
principalmente a los calentadores horizontales.
Anillos de soportes de tubos.
El anillo que soporta los tubos en un calentador vertical. El montaje de
estos anillos es en la parte superior. Sin embargo los tubos pueden ser soportados
desde abajo. Frecuentemente los diseños de tuberías pueden tener los anillos de
soporte de tubos localizados para adaptarse a la expansión de tubería, ayudando a
aliviar los problemas de tensión o presión.
Caja de cabezales.
Sección al final de los tubos en la parte de radiación los cuales pueden
girar 180°. Las puertas son móviles para la inspección y no deben ser obstruidos por
tuberías.
Guías de tubos.
Situados directamente en los tubos para mantenerlos en el giro de estos
(en forma ondulada) solo en los calentadores verticales. En los calentadores
horizontales los soportes de los tubos también sirven como guías.
Puertas de observación.
Son pequeñas puertas abiertas por operadores para ver el tamaño y color
de flama y el brillo del tubo. Las válvulas de control de los quemadores deberán ser
localizadas cercas de estas puertas para poder regular el flujo del combustible
mientras se observa la flama del quemador dichas puertas pueden ser localizadas en
la pared del calentador y no deben ser obstruidas por tubería. Son comúnmente
llamadas mirillas del calentador.
1.4.15.- Uniones de paso (Crossovers).
La tubería que conecta a los tubos de convección con los tubos de
radiación, pueden estar localizados dentro o fuera de la caja del calentador. Las
conexiones externas deben ser aisladas. Dicha tubería de unión es normalmente (no
siempre) proporcionada por el proveedor del calentador, aunque raramente
proporciona el aislamiento.
Puertas de explosión.
Diseñadas para dar y aliviar la presión en caso de una explosión interna.,
estas puertas deben de estar libres de tubería.
Piso del quemador.
Plato de acero del fondo de calentadores verticales y horizontales.
Piloto de gas.
Es una flama pequeña y constante que inicia el quemado del combustible.
Esquema completo de un calentador a fuego directo.
NECESIDAD DE PROTEGER LOS CALENTADORES A FUEGO
DIRECTO.
Debido a que estos calentadores son los equipos que más riesgo
presentan en la industria es necesario efectuar una adecuada protección. Es
necesario proteger al personal, al mismo calentador y al medio ambiente. El proteger
al personal significa evitar perdidas y accidentes humanos. En este caso se podría
presentar este riesgo debido a que se manejan temperaturas superiores a los 400°C,
es mas, se corre el riesgo de superar esta temperatura y así poner en riesgo la vida
del personal de operación. Al mismo tiempo es necesario proteger al calentador
debido a que si no se detectaran las altas temperaturas, se podrían dañar los tubos
de dicho calentador y así tener un daño casi irreparable o muy costoso. También es
necesario proteger al medio ambiente debido a que estos equipos son los que mas
contaminación generan, además, se evita tener problemas con las auditorias
ambientales que se efectúan cuidando que se tenga una combustión adecuada.