Precalentadores de Aire

PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
TRANSFERENCIA DE CALOR
HORNOS
PDVSA N°
MDP–05–F–05
0
DIC.95
REV.
FECHA
APROB.
E1994
TITULO
PRECALENTADORES DE AIRE
43
DESCRIPCION
FECHA
PAG. REV.
APROB.
APROB. APROB.
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ESPECIALISTAS
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Indice
1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
5 TIPOS DE EQUIPOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5.1
5.2
5.3
Precalentadores de aire regenerativos rotativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Precalentadores de aire tubulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Precalentadores de aire de fluido circulante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
8
10
6 USOS DEL PRECALENTADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
6.1
6.2
Consideraciones de los equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Costo y justificación económica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
12
7 CONSIDERACIONES DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
Sistema global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Precalentador de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Soplado de hollín/lavado con agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ducto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de tiro forzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de tiro inducido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reguladores de tiro de gas de combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Piezas de repuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
18
20
21
22
22
23
24
8 INSTRUMENTACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
9 SISTEMA DE SEGURIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
10 PROBLEMA TIPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
11 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
12 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
Tabla 1.
Tabla 2.
Tabla 3.
Figura 1.
Figura 2.
Figura 3.
Consideraciones de seguridad en el diseño de sistema de
precalentamiento de aire en fluidos de proceso . . . . . . . . . . . . . . . .
Especificaciones típicas de un precalentador de aire . . . . . . . . . . .
Especificaciones típicas del regulador de tiro . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Instalación típica del precalentador de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Precalentador de aire del tipo regenerativo Ljungstrom . . . . . . . . .
Dimensiones aproximadas del precalentador Ljungstrom . . . . . . .
31
33
35
36
37
38
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Figura 4.
Figura 5.
Figura 6.
Figura 7.
Figura 8.
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Arreglo del precalentador de aire “DEKA” a prueba de corrosión .
Sistema de precalentamiento de aire de fluido circulante . . . . . . .
Esquema de un sistema de precalentador de aire
del tipo regenerativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arreglos del ducto de aire precalentado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Balance de material para un sistema de precalentamiento
típico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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OBJETIVO
Presentar información básica que pueda usarse en la evaluación de ofertas
precalentadores de aire nuevos para hornos de proceso. Esta información cubre
criterios de diseño que sean propietarios de PDVSA y sus filiales.
El tema “Hornos”, dentro del area de “Transferencia de Calor”, en el Manual de
Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientes documentos:
PDVSA–MDP–
Descripción de Documento
05–F–01
Hornos: Principios Básicos.
05–F–02
Hornos: Consideraciones de diseño.
05–F–03
Hornos: Quemadores.
05–F–04
05–F–05
Hornos: Sistemas de tiro forzado.
Hornos: Precalentadores de aire (Este documento).
05–F–06
Hornos: Generadores de gas inerte.
05–F–07
Hornos:Incineradores.
Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Hornos”, dentro del
Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualización de la
Práctica de Diseño “HORNOS”, presentada en la versión de Junio de 1986 del
MDP (Sección 8).
2
ALCANCE
Este documento cubre los procedimientos necesarios para la selección, diseño y
especificación de un sistema de precalentamiento de aire. También se incluyen
excepciones a otros documentos, tales como el PDVSA–MDP–05–F–04,
Sistemas de tiro forzado, las cuales son necesarias cuando se incorpora en el
diseño del horno de proceso, un precalentador de aire.
3
REFERENCIAS
Manual de Diseño de Proceso (versión 1986)
S Vol VII y VIII, Sección 12 “Instrumentación”
S Vol VIII y IX, Sección 15 “Seguridad en el diseño de plantas”
Manual de Ingeniería de Diseño
S PDVSA–MID–B–201–PR “Hornos de fuego directo”
S PDVSA–MID–GB–205 “Ventiladores centrífugos”
S PDVSA–MID–K–337: “Furnace instrumentation”
S PDVSA–MID–L–TP–2.7 “Hornos de proceso: Requisición, análisis de ofertas
y detalles de compra”
S PDVSA–MID–SN–252: “Control de ruidos en equipos”
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Manual de Ingeniería de Riesgo
S PDVSA–IR–P–01 “Sistema de paradas de
despresurizacion y venteo de equipos y plantas”
4
emergencia,
bloqueo,
ANTECEDENTES
Motivado al énfasis creciente sobre conservación de energía en los últimos años,
el interés por instalar equipos de precalentadores de aire de combustión ha
crecido. Este método de recuperar calor de desecho es uno de los dos métodos
principales para optimizar la eficiencia térmica de equipos de combustión. El otro
método es el de calderas de recuperación de calor de desecho.
El consumo de combustible puede disminuir marcadamente mediante el
precalentamiento del aire de combustión. En el precalentador, se transfiere calor
de los gases de combustión ó de chimenea, al aire para la combustión, reduciendo
la temperatura de salida de los gases de chimenea, y elevando la eficiencia
térmica de todo el sistema del horno. Con sistemas de precalentamiento de aire,
la temperatura de salida de los gases de chimenea está entre 163 °C (325 °F) y
177 °C (350 °F), y los niveles de eficiencia térmica pueden alcanzar de 90 a un 92%
(basados en el poder calórico inferior del combustible).
Cuando se quema gas con un contenido muy bajo de azufre, la temperatura de
salida de los gases de chimenea puede ser tan baja como 121 °C (250 °F): en tales
sistemas, la eficiencia térmica alcanzable ya no se mide por la diferencia de
temperaturas entre los gases de combustión y los fluídos entrando al sistema. La
temperatura de los gases de combustión saliendo del precalentador, la cual
determina la eficiencia, debería ser lo más baja posible, sin producir corrosión de
los elementos del precalentador, debido a la condensación de materiales
corrosivos por la baja temperatura.
El costo de un sistema de precalentamiento de aire debe justificarse por los
ahorros en consumo de combustible. Además, mientras más alta sea la
temperatura del aire de combustión, aumentará el nivel de NOx en los gases de
combustión y, si se viola alguna regulación ambiental tratando de maximizar la
eficiencia térmica, deberá añadirse algún tipo de control del contenido de NOx. El
vendedor del horno deberá considerar el costo adicional de tal control de emisión
de NOx, al evaluar económicamente el uso o no de un precalentador.
Además del precalentador de aire, el sistema de precalentamiento de aire consiste
de ventiladores de tiro forzado e inducido, ductos para el gas de combustión y el
aire, cierre hermético, reguladores de tiro y controles especiales de seguridad e
instrumentación. En la Figura 1. se presenta una ilustración de la instalación de
un precalentador de aire.
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TIPOS DE EQUIPOS
Los precalentadores de aire disponibles actualmente incluye tres tipos básicos:
1. Rotativo/regenerativo, tal como el de Ljungstrom, Lugat y Rothemuhle.
2. Tubular, tal como el DEKA, Stierle, Air Industries, etc.
3. De fluido circulante.
Todos estos equipos tienen ventajas/desventajas en instalaciones específicas.
Los precalentadores de aire del tipo regenerativo y tubular tienen una historia de
aplicación larga de la cual se ha obtenido experiencia muy valiosa. El sistema de
fluido circulante ofrece experiencia de operación limitada y por lo tanto requiere
de detalles del diseño mucho más precisos si va a ser utilizado. A continuación,
se suministra una descripción de cada tipo de equipo y una lista de las principales
ventajas/desventajas. Las comparaciones entre los precalentadores de aire del
tipo regenerativo y tubular excluyen el uso de una sección de tubo de vidrio debido
a que este equipo puede ser aplicado separadamente a cualquier tipo de
precalentador de aire para la recuperación de calor de baja temperatura. También,
se incluye una discusión del diseño del tubo de vidrio de la DEKA en la Subsección
de “Precalentadores de Aire DEKA”.
5.1
Precalentadores de aire regenerativos rotativos
Este precalentador de aire consiste de elementos metálicos que son enfriados y
calentados alternadamente. El tipo más común de este tipo de precalentador es
el Ljungstrom, el cual se muestra en la Figura 2. Los elementos metálicos están
contenidos en un cilindro subdividido que rota dentro de la envoltura. Los gases
calientes producto de la combustión fluyen a través de un lado de este cilindro y
calienta los elementos, mientras que el aire a ser calentado fluye a través del otro
lado. El cilindro gira y se transfiere calor desde los elementos calientes al aire frío.
Los deflectores que subdividen el cilindro, al igual que los sellos entre el cilindro
y la envoltura, limitan la cantidad de fugas del lado del aire al lado del gas de
combustión. Esto se debe a que el aire está a una presión mayor que el gas de
combustión, por lo que la fuga siempre es al lado de los gases. Esta fuga que es
generalmente del 10–20% del flujo total, debe ser tomada en cuenta en el diseño
del sistema de precalentamiento.
Otros tipos de precalentadores regenerativos son los suplidos por Lugat y
Rothemuhle. El diseño de Lugat es idéntico al de la Ljungstrom con la excepción
de que éste utiliza superficies de transferencia de calor y sellos del aire/gas de
combustión del tipo de la Rothemuhle. El diseño Rothemuhle es diferente al de los
dos anteriores, ya que las cubiertas de aire de entrada y salida giran mientras que
las superificies calientes permanecen estacionarias.
El precalentador de aire se instala normalmente en la plataforma, adyacente al
calentador. Aire del medio ambiente es forzado a través del calentador por medio
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de un ventilador de tiro forzado y es llevado por los ductos desde el precalentador
a los quemadores del horno. Los gases de combustión calientes son llevados por
medio de ductos desde el tope de la sección de convección al precalentador. Un
ventilador de tiro inducido saca estos gases de combustión a través de la sección
de convección, ductos y el precalentador, y los descargan en la chimenea. En este
caso, se requiere un aumento en el área trazada por encima del calentador
convencional debido al precalentador de aire, ventiladores y ductos. Ver la Figura
3. para las dimensiones típicas del precalentador Ljungstrom.
Los precalentadores del tipo regenerativo se usan mucho en hornos de cargas
calóricas muy grandes, y cuando se usan combustibles muy sucios, los cuales
producen muchas incrustaciones o depósitos.
Precalentador de aire Ljungstrom – La Figura 2. es una ilustración descriptiva
de una unidad típica instalada horizontalmente. Este precalentador de aire puede
ser suplido con tres materiales, dependiendo de la temperatura del gas de
combustión y la posición dentro del precalentador; en el extremo caliente se utiliza
normalmente acero dulce; las secciones intermedias pueden ser de acero “Corten
o acero esmaltado”; las secciones frías son normalmente de acero esmaltado. La
instalación puede ser horizontal o vertical. Las principales ventajas de este
precalentador son:
1. Costo inicial relativamente bajo en comparación con los otros tipos.
2. Tamaño compacto, no requiere mucha área y el peso es relativamente
liviano por lo que no requiere de fundación especial.
3. Fácil mantenimiento.
4. Aceptable para servicios con combustibles de alto azufre.
5. Puede ser limpiado por un solo soplador de hollín en el extremo frío. Para
casos donde se espera ensuciamiento fuerte se puede instalar sopladores
de hollín en ambos extremos tanto en el caliente como en el frío.
6. Pueden ser instalados para flujo horizontal de gas de combustión y aire, lo
que facilita el arreglo del ducto en muchas aplicaciones.
7. Los daños por corrosión del elemento no contribuyen con las fugas.
8. El ensuciamiento no afecta significativamente a la transferencia de calor.
9. Se tiene alta experiencia internacional.
Las principales desventajas de este precalentador son:
1. Altas fugas de aire de hasta 10–20%, las cuales aumentan con el tiempo
de operación debido a la degradación de los sellos.
2. Para las unidades diseñadas, existe un ∆P del aire y del gas de combustión
relativamente alto que contribuye a aumentar los costos operacionales del
ventilador.
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3. Generalmente, los daños por corrosión son más altos que en
precalentadores de aire del tipo tubular de hierro fundido.
4. Más propenso a ensuciamiento con depósitos fríos y pegostosos que
imponen limitaciones por caída de presión y aumento de la corrosión.
5. Las unidades horizontales no pueden ser lavada con agua efectivamente
y están sujetas a corrosión severa donde se colecta el agua de lavado en
la parte más baja de la envoltura y los sellos.
6. Contiene partes móviles.
7. Diseños estándar limitados a una temperatura máxima de entrada de gas
de combustión de 510°C (950°F) con diseños especiales disponibles para
temperatura de hasta 675°C (1250°F).
Este tipo de precalentador de aire es preferible para las aplicaciones de la refinería
en comparación con los tipos tubulares de acero o hierro fundido, debido a su bajo
costo, tamaño compacto y generalmente alta eficiencia térmica. Además, el tipo
de precalentador de aire regenerativo/rotativo no sufre pérdidas significativas de
transferencia de calor debido a recolección moderada de depósitos, ya que los
mismos depósitos son los transmisores de calor entre el aire y el gas de
combustión. En adición los daños por corrosión de la superficie de transferencia
de calor no afecta las fugas, ya que la superficie no forma obstáculo entre el gas
de combustión y el aire.
Estas ventajas son anuladas por los costos altos de operación de calentadores de
aire tipo rotativo causados por altas fugas de aire y alta tendencia de
ensuciamiento, lo cual resulta en un aumento de la caída de presión del lado del
gas de combustión. Por supuesto que la alta tendencia de ensuciamiento y
reducción en limpieza también contribuye a mayores tasas de corrosión por
depósitos.
Adicionalmente, aunque las partes móviles de los precalentadores de aire del tipo
rotativo experimentan pocas fallas, esto necesariamente reduce el factor de
confiabilidad.
Finalmente, aun cuando la mayoría de las aplicaciones de precalentamiento de
aire no requieren la utilización de temperaturas del gas de combustión mayores
de 510°C (950°F), ciertas aplicaciones han sido descartadas en el pasado debido
a esta limitación. En precalentadores de aire del tipo regenerativo/rotativo
propuestos para estas condiciones, es necesario suministrar un diseño especial
del material y de los sellos, los cuales pueden incrementar significativamente el
costo del precalentador de aire.
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Precalentadores de aire tubulares
El precalentador de aire tubular normalmente consiste de un intercambiador de
calor rectangular. En casi todos los diseños, el aire a ser precalentado es forzado
a través de los tubos, mientras los gases calientes producto de la combustión
pasan por fuera de los tubos. Los tubos generalmente tienen aletas para mejorar
la transferencia de calor; algunos diseños utilizan tubos lisos o tubos de acero con
aletas y otros utilizan tubos de hierro fundido con aletas. Para temperaturas del
gas de combustión muy bajas en presencia de gases de combustión altamente
corrosivos, algunos vendedores ofrecen tubos de vidrio. Los precalentadores de
aire son instalados típicamente cerca de la plataforma al lado del calentador como
se ilustra en la Figura 1.
La principal ventaja del diseño de este tipo de precalentador siempre ha sido la
ausencia de fugas y por lo tanto, una máxima recuperación de calor del gas de
combustión. Sin embargo, este precalentador también ha afrontado problemas de
alta corrosión del metal de los tubos si se reduce la temperatura muy por debajo
del punto de rocío. Por otro lado, las unidades regenerativas/rotativas mantienen
una temperatura mínima del metal más alta que los precalentadores tubulares a
condiciones iguales de temperatura de salida, debido al ciclo continuo entre el gas
de combustión y el aire. Esto fuerza normalmente la selección de una temperatura
de salida de los gases mayor para los precalentadores tubulares sin tubos de vidrio
y compensa los beneficios de eficiencia, los cuales pudieran ser reclamados
debido a la ausencia de fugas.
Los precalentadores de aire tubulares pueden soportarse en la plataforma o
montarse por encima de la sección de convección del calentador. Cuando se
soporta en la plataforma, los ductos y ventiladores son similares a aquellos
utilizados por el precalentador de aire regenerativo.
En el caso de los precalentadores de aire tubulares montados en el calentador, los
gases de combustión pasan directamente del calentador a través del
precalentador a la chimenea. En muchos casos, el ventilador de tiro inducido es
eliminado. Sin embargo, se requiere el ducto para trasladar el aire frío desde el
ventilador de tiro forzado hasta el precalentador y otro para el aire caliente de
retorno a los quemadores. En algunos casos, el ventilador de tiro forzado puede
ser montado en el tope del horno para eliminar los ductos largos desde el
ventilador al precalentador. Normalmente, esto no es recomendado desde el
punto de vista de mantenimiento y operación debido a la falta de fácil acceso.
Existen numerosos diseños comerciales técnicamente aceptables de
precalentadores de aire tubulares. Como una ilustración de este tipo de
precalentador, a continuación se describe el precalentador de aire DEKA.
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Precalentador de aire DEKA – Este tipo de precalentador, dependiendo de la
aplicación, consistirá de uno, dos o tres tipos diferentes de secciones de tubos, dos
construidas con hierro fundido y una con tubos de vidrio. Unos tubos de hierro
fundido se fabrican con aletas en las superficies tanto interna como externa y estos
tubos se aplican en la zona caliente de los gases de combustión para obtener una
máxima recuperación de calor. En la zona de temperatura intermedia de los gases
de combustión, los tubos de hierro fundido se fabrican con aletas en la superficie
externa (en contacto con los gases) y de esta manera se trata de mantener una
temperatura del metal tan alta como sea posible.
El tercer tipo de tubo de la sección consiste en tubos de vidrio de borosilicatos y
se emplean cuando la temperatura del extremo frío es muy baja. En la Figura 4.
se presentan todas las combinaciones de las instalaciones de estos tres tipos de
precalentadores. A través de una aplicación apropiada de cada tipo de tubo de la
sección, se puede mantener la temperatura del metal en o por encima de su punto
de rocío. La sección de tubos de vidrio opera sin problemas de corrosión por
debajo del punto de rocío, por lo que puede ser utilizada para alcanzar altas
eficiencias térmicas.
Los diseños de tubos de vidrio del pasado han dado un funcionamiento poco
seguro debido primeramente a problemas de esfuerzo y restricciones del extremo
del tubo, los cuales impiden la expansión térmica resultando un sobrepeso y
rompimiento. Este problema ha sido superado en el diseño patentado de la DEKA
(y “Air Industries”), debido a que los tubos sobresalen a través de la lámina sin
restringir el extremo del tubo y son soportadas dentro de una empacadura de sello
de teflón, sin problema de expansión térmica diferencial o ciclo térmico. El teflón
también cubre la superficie del tubo expuesta a los gases de combustión para
evitar la corrosión en la lámina de tubos.
La sección de tubos de vidrio está disponible para ser utilizada en conjunto con otro
tipo de precalentador que ya esté en servicio. La única limitación operacional de
diseño del tubo de vidrio es que la temperatura diferencial entre los tubos de vidrio
y el agua de lavado no debe exceder los 100°C (180°F) con el fin de evitar fallas
del vidrio por choque térmico.
Las ventajas del precalentador tubular DEKA pueden ser resumidas como sigue:
1. No hay fugas de aire.
2. El diseño del tubo de vidrio es aceptable.
3. Las secciones de hierro fundido pueden limpiarse con sopladores de hollín,
lavado con agua y dejando caer pequeñas bolas de acero o perdigones a
través del banco de tubos.
4. Menor tendencia a ensuciamiento debido a mayores espacios libres entre
la superficie extendida.
5. Incorpora en el diseño flexibilidad dimensional.
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6. No tiene partes móviles.
7. Fácil mantenimiento.
8. Puede tolerar altas temperaturas de entrada del gas de combustión sin
cambios en el diseño.
Las principales desventajas de este tipo de precalentador incluye lo siguiente:
1. Más costosos que el tipo de precalentadores regenerativos.
2. Construcción voluminosa la cual requiere generalmente mayor espacio.
3. El ensuciamiento disminuye la transferencia de calor.
5.3
Precalentadores de aire de fluido circulante
Este tipo de precalentador puede ser de dos formas:
1. Del tipo de fluido intermedio donde el fluido de transferencia de calor es
circulado entre el ducto de los gases de combustión y el ducto del aire de
combustión de tal forma que toma calor de los gases de combustión y lo
descarga al aire de combustión.
2. Proceso de recuperación de calor de desecho utilizando una corriente del
proceso, la cual puede ceder calor para precalentar el aire de combustión
en un intercambiador adecuado. Con este sistema no se reduce
significativamente la temperatura de la chimenea y por lo tanto se puede
recuperar calor adicional de los gases de combustión, por ejemplo
instalando una caldera para este calor de desecho.
Un sistema típico de recuperación de calor de desecho del tipo de fluido intermedio
se muestra esquemáticamente en la Figura 5. Este sistema es similar a un
precalentador de aire tubular, excepto que el fluido intermedio es calentado con
los tubos y no con el aire de combustión. El fluido es circulado al ducto de aire
donde se utiliza otro intercambiador de calor para suministrar calor al aire de
combustión.
Las principales ventajas de este tipo de precalentador de aire son:
1. Son más adaptables
estructuración.
potencialmente
a
situaciones
difíciles
de
2. Pueden ser usadas para mayor económica del transporte de calor de
desecho en distancias largas reemplazando el ducto por tubería.
3. Provee fácil separación del calor de desecho recuperado para calentar el
aire de combustión para hornos diferentes de los que se obtuvo el calor de
desecho.
Las principales desventajas del sistema de fluido circulante en adición a las
experimentadas por otros tipos de precalantadores de aire tubulares son:
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1. Peligro potencial de incendio si ocurre rotura de tubos del lado aire y/o del
lado de gases de combustión. El riesgo de peligro de incendio por rotura
de tubo en la sección de convección aumenta con el uso de combustibles
que contienen azufre. Sin embargo, una sección de convección de
compensación reduce el peligro de incendio en los tubos de proceso.
2. Requiere una bomba de circulación que adiciona una fuente potencial de
problemas, que posiblemente no fue considerada en la etapa de diseño del
horno.
3. Requiere largo tiempo de arranque y fuerza–hombre adicional para
establecer la circulación en todos los pasos paralelos.
4. Experiencia relativamente baja.
5. Limitado a la temperatura del aire precalentado de aproximadamente
345°C (653°F) debido a problemas de degradación del combustible.
6. Los tubos con aletas comúnmente suplidos con estos sistemas no pueden
ser limpiados efectivamente por los sopladores de hollín. Los tubos sin
revestir generalmente no son usados debido al costo, lo que hace a este
tipo de diseño menos competitivo.
Debido al problema potencial de seguridad con los precalentadores de aire de este
tipo, y debido a la falta de experiencia que se tiene con este tipo de diseño, se ha
desarrollado una lista de consideraciones las cuales deben ser incorporadas en
las aplicaciones de este equipo. Estas consideraciones están resumidas en la
Tabla 1 e involucra las siguientes áreas:
1. Minimización de fugas potenciales que puedan ocurrir.
2. Tipo aceptable de fluidos circulantes.
3. Procedimientos de operación.
4. Equipo de seguridad e instrumentación.
5. Suposiciones básicas para los cálculos relacionados con las fugas de
tubos.
La lista de consideraciones de diseño fue primeramente desarrollada para el caso
de recuperación de calor de desecho de una corriente del proceso. Por lo tanto,
puede que no sea enteramente aplicable a casos de fluidos intermedios,
especialmente en el caso que se necesite instalar un analizador de vapores de
hidrocarburos en la corriente de aire de combustión.
6
USOS DEL PRECALENTADOR
6.1
Consideraciones de los equipos
Hornos – Generalmente es necesario hacer un estudio económico para cada
caso a fin de determinar el retorno de la inversión incremental del precalentador.
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Sin embargo, los precalentadores de aire deben considerarse en situaciones que
llenen todas o la mayoría de las siguientes condiciones:
1. La temperatura del gas en la chimenea para un horno sin precalentador de
aire debe ser mayor que 290°C (550°F) (es decir, la temperatura de entrada
al serpentín es 345°C (650°F)).
2. El costo de combustible es mayor de $1.9/GJ (2$/MMBTU) (relativo a (1979
US o a los costos de construcción europeos) (Criterio a ser corroborado por
los grupos de Evaluación Tecnico–Económica ó equivalente de la filial
correspondiente).
3. El calor absorbido por el horno es mayor que 30 MW (100 MMBTU/h) (o una
carga térmica (Duty) combinada de 45 MW (150 MMBTU/h) para un grupo
de calentadores).
4. Se debe usar un sistema de tiro forzado, independientemente de que se
instala o no un precalentador.
5. El retorno sobre la inversión incremental es de 20% o más, antes de
impuestos. (Criterio a ser corroborado por los grupos de Evaluación
Tecnico–Económica ó equivalente de la filial correspondiente).
Debido a que cada una de esta condiciones afecta los ahorros potenciales de
combustible y/o la inversión, un retorno satisfactorio en base a la inversión es
posible aún si aparece un factor antieconómico. Por ejemplo, un precalentador de
aire puede ser económicamente justificado para un horno pequeño si el costo de
combustible es demasiado alto.
Calderas – Los precalentadores de aire normalmente no han sido usados en
calderas en refinerías y en plantas químicas debido a otros medios de
recuperación de calor, tales como economizadores que son generalmente más
económicos. Sin embargo, se debe investigar la economía con la utilización de un
precalentador de aire además del economizador debido a los aumentos en el
precio del combustible.
6.2
Costo y justificación económica
El costo incremental de un horno con precalentador de aire en comparación con
los hornos convencionales normalmente se justifica por el ahorro en combustible
obtenido por medio de la reducción de la temperatura del gas de la chimenea.
Ahorros de combustible – Para un horno sin precalentador de aire la temperatura
del gas de la chimenea (y la eficiencia y quema de combustible) se determina
adicionando la temperatura de aproximación económica a la temperatura de
entrada del serpentín. Para un horno con precalentador de aire, la temperatura del
gas de combustión a la salida del precalentador (no corregida por fugas) es usada
para determinar la cantidad de calor recuperado. La temperatura de salida del gas
de combustión debe ser la temperatura más baja, como lo desarrollado bajo las
Consideraciones de Diseño.
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6.2.1
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Inversión
1. Precalentador – Los costos aproximados para precalentadores de aire
deben ser obtenidos de los vendedores. Cuando el tamaño específico del
precalentador es determinado después que el diseño del horno, los costos
pueden ser confirmados con el vendedor.
2. Hornos – La adición de un precalentador de aire, transfiere calor de la
sección de convección a la sección de radiación, lo cual tiende a reducir los
costos de inversión del horno. Además, el sistema normalmente está
diseñado para una cantidad máxima de precalentamiento. De esta manera,
el gas de combustión que sale de la sección de convección está a su
máxima temperatura, lo cual resulta en una temperatura aproximadamente
alta en la sección de convección. Esto además reduce la inversión del
horno. El problema del ejemplo dado en este documento ilustra el
comportamiento relativo de las secciones de radiación y convección de los
hornos con o sin precalentadores.
3. Sistema de tiro forzado – Muchos hornos tendrán sistemas de tiro
forzado, dependiendo de si se usa o no aire precalentado. En estos casos,
sólo los costos aplicables al sistema de precalentamiento del aire se
incluyen en la justificación. Esto comprende lo siguiente:
a.
Un ventilador de tiro forzado de mayor capacidad, debido a la caída
de presión adicional del precalentador (y fugas a través de los
precalentadores del tipo regenerativo).
b.
Ducto adicional el cual debe ser más largo debido al gran volumen de
aire de alta temperatura. Este ducto también debe ser diseñado
mecánicamente para esta alta temperatura.
c.
Los quemadores normalmente son más costosos que los usados
cuando el aire es frío, debido a que se requieren materiales de más
alta calidad.
4. Sistema de tiro inducido – El sistema de tiro inducido generalmente es
requerido como un resultado directo de usar precalentadores de aire. A
menos que se requiera que la chimenea esté soportada al piso como es el
caso de los hornos convencionales (por ejemplo, para reducir la
contaminación), el costo adicional de la chimenea en comparación con la
chimenea soportada al horno debe también ser incluida.
7
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
La mayoría de las consideraciones de diseño de un precalentador de aire están
relacionadas con los efectos que su inclusión produce en el sistema del horno de
proceso a comprar modificar. A continuación se discute más profundamente ese
tema.
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Sistema global
Protección contra la corrosión por temperatura fría – La temperatura del gas
de combustión a la salida del precalentador (no corregida por fugas de aire frío en
el caso de precalentadores regenerativos) determinará la eficiencia total del
sistema. Esta temperatura debe ser tan baja como sea posible sin riesgos
significativos de corrosión en los elementos del precalentador de aire por baja
temperatura.
La temperatura del gas de combustión a la salida del precalentador estará
influenciada por la temperatura del aire a la entrada y el porcentaje máximo de
quema de combustible del horno. En general, si tanto la temperatura de aire a la
entrada como la cantidad de combustible que se quema son bajos, esto resultará
en una temperatura baja del gas de combustión a la salida. A fin de unificar los
cálculos se asume una temperatura de entrada del aire de 15°C (60°F), sin
embargo, esta temperatura puede que no sea representativa en climas más fríos.
Además, algunos equipos (tales como termoreactores) operan a alta capacidad
por períodos largos, lo que puede resultar en temperaturas del gas de combustión
a la salida menores que el diseño.
Los métodos que pueden utilizarse para aumentar la temperatura del extremo frío
del metal y que tomen en cuenta las variaciones de la temperatura del medio
ambiente y la cantidad de combustible que se quema, incluyen lo siguiente:
1. Usar un calentador vapor/aire para precalentar el aire frío antes del
precalentador gas de combustión/aire.
2. Un desvío de aire frío que limite la temperatura mínima del gas de
combustión del precalentador de aire.
3. Un desvío de aire caliente que regrese al lado frío para aumentar la
temperatura a la entrada del precalentador de la misma forma que el
calentador vapor/aire.
El desvío de aire frío (Punto 2) es un lineamiento unificado en todos los tipos de
instalaciones de precalentadores de aire. Sin embargo, la adición de los Puntos
1 y/o 3 para aumentar la temperatura del metal en precalentadores tubulares,
puede requerir gastos injustificados y/o complicaciones por lo que debe ser
evaluado dependiendo de la aplicación del precalentador de aire.
En adición a la corrosión del calentador de aire, se debe considerar la corrosión
aguas abajo del ducto, ventilador de tiro inducido y chimeneas. La temperatura
mínima del gas de combustión a la salida de la chimenea debe estar en o por
encima del punto de rocío. El establecer la temperatura del gas de combustión a
la salida de la chimenea permite calcular la temperatura mínima a la salida del
precalentador (corregida por fugas, de estar presentes), tomando en cuenta las
pérdidas de calor en el ducto y la chimenea. En las instalaciones donde el arreglo
no está bien definido durante las etapas de diseño, se sugiere que la temperatura
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del gas combustible a la salida del precalentador sea estimada en unos 28°C
(50°F) por encima de la temperatura del punto de rocío medido. En casos donde
más de un equipo descarga a una chimenea común, la chimenea y el ducto de
cada equipo deben evaluarse separadamente, basándose en condiciones
individuales de la temperatura del gas de combustión. En tales casos es posible
bajar la temperatura del gas de combustión de un horno en particular al punto de
rocío si la temperatura de la mezcla en la chimenea está por encima al punto de
rocío.
El ducto aguas abajo del precalentador de aire preferiblemente debe tener,
externamente, material aislante con un mínimo de 50 mm (2 pulg) de lana mineral
o estar internamente revestido con un mínimo de 50 mm (2 pulg) de refractario
fundido para mantener las temperaturas de la superficie interna cerca de la
temperatura del gas de combustión. De igual forma, el ventilador de tiro inducido
debe estar aislado externamente con un mínimo de 50 mm (2 pulg) de lana
mineral.
La protección de la chimenea depende del tipo de chimenea y del tipo de horno
al cual está conectada. Los siguientes puntos suministran lineamientos, pero se
deben desarrollar recomendaciones específicas en cada caso, consultando con
los grupos de apoyo correspondientes:
S Las chimeneas de acero o ductos de acero que aceptan gas de combustión de
un solo horno o en combinaciones con calderas y otros hornos, deben estar:
– Internamente aislada con un mínimo de 50 mm (2 pulg) de por lo menos 960
kg/m3 (60 lb/pie3) de refractario fundido para asegurar protección contra
incendio por rotura del tubo del calentador.
S Las chimeneas de ladrillos que aceptan gas de combustión de hornos y/o
calderas.
– Generalmente requiere revestimiento con ladrillo ácido.
S Las chimeneas de acero y/o los conductos de acero que aceptan gas de
combustión de calderas solamente, deben estar:
– Aisladas externamente con un mínimo de 50 mm (2 pulg) de lana mineral o
alternadamente revestida en la parte interna con un mínimo de 50 mm (2
pulg) de 960 kg/m3 (60 lb/pie3) de refractario fundido.
Temperatura de salida en precalentador del tipo regenerativo – En el
precalentador regenerativo, las elementos extremos fríos se mueven entre la
temperatura del gas de combustión a la salida y la temperatura del aire a la
entrada. La temperatura mínima recomendada está basada en el promedio de
estas dos temperaturas y en la cantidad de azufre en el combustible de acuerdo
con la siguiente tabla:
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Azufre en el combustible
g/kg
5 (0.5 % en peso)
10 (1% en peso)
15 (1.5% en peso)
20 (2 en peso
25 (2.5% en peso)
Temp. del extremo
Frío recomendado,
(no corregida)
°C
70
95
100
105
110
°F
160
205
215
225
235
Temp. resultante del gas de
combustión a la salida
(corregida) basado en 15°C
(60°F) Temp. del aire
°C
°F
125(70x2–15=125)
260
175
350
185
370
200
390
210
410
Basado en estas temperaturas recomendadas (no corregidas por fugas) se
esperan obtener los diseños del precalentador que requieran sólo un
mantenimiento mínimo, principalmente limitada a los elementos extremos fríos.
Debido a que la esmaltadura de estos elementos es relativamente económica, se
recomienda esta protección para reducir aun más el mantenimiento. También se
recomienda la protección adicional de los extremos calientes en su especificación.
Las temperaturas extremos frías promedio del precalentador tan bajas como 80°C
(175°F) (por ejemplo, temperatura de salida gas de combustión = 145°C (290°F)),
pueden ser especificadas para obtener mayor eficiencia del horno cuando se usan
combustibles que contienen 10 g/kg (1% en peso) de azufre o más. Sin embargo,
se necesitan materiales resistentes a la corrosión en el precalentador, por lo que
se requiere mayor mantenimiento.
Temperatura de salida en precalentadores del tipo tubular – En el diseño de
un precalentador de aire es importante eliminar la corrosión con el fin de prevenir
paradas no programadas y el mantenimiento intensivo. A diferencia del
precalentador de aire regenerativo, la corrosión en el precalentador de aire tubular
puede ser muy severa, ya que la falla de un tubo provee fuga de aire intolerable
o causa un incendio en el caso de diseños de fluidos circulantes. Si se desea que
la operación con las superficies de transferencia de calor esté en o por debajo del
punto de rocío del gas de combustión, el único equipo recomendado es una
sección de extremo frío con tubo de vidrio ofrecida por la DEKA.
Temperatura de salida de la sección de convección – El sistema debe ser diseñado
para la cantidad máxima de precalentamiento de aire, ya que el costo debido al
incremento del sistema de precalentamiento es relativamente pequeño. Además,
los costos del calentador se minimizan debido a la alta temperatura de
aproximación en la sección de convección. Como la temperatura del gas de
combustión a la salida de la sección de combustión está relativamente alta, el
espesor del refractario en la cámara y en el ducto debe ser aumentado con
respecto al espesor utilizado normalmente sin recuperación de calor aguas abajo
con el fin de mantener la conservación de calor.
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Generalmente, los precalentadores de aire tubular no están limitados por altas
temperaturas de entrada del gas de combustión. Sin embargo, en la mayoría de
los casos, es deseable limitar las temperaturas del aire precalentado a 540°C máx.
(1000°F), lo cual es equivalente a una temperatura del gas de combustión de
aproximadamente 705°C (1300°F) (asumiendo una temperatura del gas de
combustión a la salida de 205°C (400°F)).
Para los precalentadores regenerativos, la temperatura máxima del gas de
combustión saliendo de la sección de convección (entrando al precalentador)
debe normalmente ser entre 480 y 510°C (900 y 950°F). La temperatura resultante
del aire precalentado a los quemadores es de 345 a 370°C (650 a 700°F)
(asumiendo una temperatura del gas de combustión a la salida de 205°C (400°F)).
Estos niveles de temperatura permiten el uso de materiales convencionales en el
precalentador. Para aplicaciones especiales, el precalentador regenerativo puede
ser diseñado para temperaturas de entrada del gas de combustión tan alta como
675°C (1250°F), si los materiales, los diseños de sellos, etc. son los adecuados.
Requerimiento total de combustible – Debido al equipo adicional en el sistema
de precalentamiento de aire, las pérdidas totales por radiación serán mayores que
en calentadores convencionales. Para hornos con más de 30 MW (100 MMBTU/h)
de calor absorbido utilice:
Fg = 1.015 Fn (diseños nuevos)
Fg = 1.025 Fn (diseños renovados)
donde:
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
Fg
Fn
= Combustible total requerido
= Combustible neto requerido
En unidades
SI
kg/s
kg/s
En unidades
inglesas
lb/h
lb/h
Condiciones de diseño/alternativas – El sistema también debe ser diseñado
para operar a temperatura ambiente con el precalentador y el ventilador de tiro
forzado desviados. El horno debe ser diseñado basado en condiciones normales
de operación con el aire precalentado y verificando para el caso del aire a
temperatura ambiente a 100% de capacidad calórica con todos los quemadores
en operación. No es recomendable que el sistema de tiro forzado sea especificado
basado en estas condiciones de operación. Sin embargo, en situaciones donde
la capacidad del horno este restringida bajo condiciones operacionales, esto se
debe enfatizar en las especificaciones de diseño y en los procedimientos de
operación.
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Efectos en el diseño del horno
El calor disponible del combustible que se quema (y la temperatura de los
productos de combustión) se aumenta por la entalpía del aire precalentado. De
esta manera, el uso del aire precalentado aumenta directamente el calor de
radiación del horno en una cantidad igual al aire precalentado.
Para propósitos de diseño, las mismas relaciones de transferencia de calor de la
sección de radiación son usadas en aplicaciones de precalentamiento de aire al
igual que en diseños con aire a temperatura ambiente. Por lo tanto, se pueden usar
las mismas curvas de temperatura de pared divisoria/densidad calórica de
radiación (para hornos de proceso, Figuras 1 a 5 en PDVSA–MDP–05–F–02).
Excepto por lo modificado en este documento, todos los otros criterios de diseño
del horno usados en diseños convencionales no cambian.
El comportamiento de la sección de convección reducida en hornos con
aplicaciones de precalentamiento de aire debe hacer posible el ajuste del
comportamiento en no más de ocho filas de tubos de convección y, por lo tanto,
eliminar la necesidad de una segunda fila de sopladores de hollín normalmente
requerida en hornos convencionales. En el problema del ejemplo se ilustran los
tamaños relativos de las secciones de radiación y convección del horno con o sin
precalentador de aire.
7.2
Precalentador de aire
Dimensiones básicas para hornos – En vista de que el diseñador del horno debe
tomar en cuenta las condiciones operacionales del precalentador de aire, el
tamaño del precalentador debe ser aproximadamente establecido durante la
etapa de diseño del calentador.
La mayoría de los precalentadores de aire son unidades patentadas, construidas
en tamaños uniformes y deben ser evaluadas por el vendedor, dependiendo de las
condiciones específicas de diseño. La siguiente información es requerida por el
vendedor para seleccionar el tamaño del precalentador y establecer las
condiciones operacionales del mismo:
1. Temperatura del gas de combustión deseada saliendo del precalentador
(no corregida). Una vez que esta temperatura haya sido determinada, las
otras condiciones listadas más adelante pueden ser determinadas
fácilmente.
2. Temperatura y flujo del gas de combustión a la entrada del precalentador.
3. Flujo de aire requerido en los quemadores (por ejemplo, abandonando el
precalentador).
4. Temperatura ambiente del aire para el diseño térmico (generalmente 15°C
(60°F)).
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5. Caída de presión diferencial aproximada a través del precalentador (para
precalentadores de aire del tipo regenerativo). Esta es usada para
determinar fugas en el precalentador y es igual a la presión del aire a la
salida del precalentador (presión máxima del quemador más pérdidas en
el ducto), más el tiro requerido por el gas de combustión a la entrada del
precalentador (generalmente del orden de 0.4 kPa (1.5 pulg de H2O)).
Generalmente, las condiciones del precalentador son muy parecidas a las
deseadas, por lo que se requieren pocos cálculos para obtener las
especificaciones de diseño. Frecuentemente, algunos precalentadores de un
fabricante en particular se adaptan a los requerimientos, cada uno con alguna
pequeña diferencia en comparación con las condiciones de operación. El
diseñador del horno debe escoger el precalentador más apropiado tomando en
cuenta el tamaño del precalentador (costo), caída de presión, temperatura, etc.
En todo caso, se recomienda que la especificación de diseño del precalentador de
aire sea abierta en cuanto al tipo, con el fin de permitir licitaciones competitivas
para este equipo. En la Tabla 2 se presenta una especificación típica general. Si
el tipo de precalentador de aire debe ser definido en la etapa de diseño, el tamaño
del precalentador seleccionado debe especificarse en el diseño junto con las
principales condiciones operacionales.
Algunas condiciones operacionales dependen directamente del diseño del horno,
mientras que otras dependen del precalentador y deben ser indicadas como
aproximaciones. Esta última incluye las temperaturas del aire y del gas de
combustión saliendo del precalentador, fugas y caída de presión. En vista de que
el vendedor del precalentador normalmente ofrece su equipo como un
sub–suplidor al vendedor del horno, esos datos deben ser confirmados por el
vendedor del precalentador a través del vendedor del horno. Por lo tanto, la
especificación del diseño debe incluir: “El vendedor del horno debe incluir un
conjunto de datos completos del funcionamiento del precalentador y una
garantía del funcionamiento en la propuesta”.
Dimensiones básicas para la reconstrucción de hornos – En las instalaciones
reconstruidas es muy difícil escoger las condiciones correctas basándose en la
economía del proyecto y las dimensiones del precalentador de aire. En muchos
casos, la temperatura del gas de combustión en la chimenea, el exceso de oxígeno
y el flujo de gas de combustión varía considerablemente con respecto a las
condiciones del diseño original debido al ensuciamiento de la sección de
convección, condiciones modificadas del proceso, altas fugas de aire, etc.
Para asegurarse que la instalación de un precalentador de aire (u otro tipo de
recuperación de calor) es la alternativa más económica, se hace necesaria
verificar una medición alta de la temperatura de la chimenea. Esto se hace
comprobando las lecturas con TI temporales y simulando en el computador al
horno para compararla con los datos de campo. Se debe cuestionar seriamente
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las altas temperaturas medidas en las chimenea si la simulación del computador
está en desacuerdo con los valores medidos. En tal caso, se puede incrementar
la efectividad del soplado de hollín y/o reducir el exceso de O2 con el fin de
recuperar un porcentaje grande del calor potencial absorbido por el precalentador
de aire sin inversión adicional. Para efectos de simulación del horno, están
disponibles los programas FH–0 del HTRI, y FRNC–5 de PFR.
Cuando se han verificado los datos de campo y el proyecto se justifica, es
necesario definir una condición normal de operación y una condición mínima y
máxima de operación. La condición máxima de operación debe ser consistente
con los límites del diseño actual, tales como flujo de calor máximo y, generalmente,
no se espera un incremento en la capacidad de la unidad como un resultado de
añadir facilidades para precalentador de aire. En muchos casos, el tamaño del
precalentador de aire, al igual que los auxiliares, tales como quemadores,
ventiladores de tiro inducido y forzado están basados bajo las condiciones
máximas de operación. Sin embargo, si la condición normal de operación es
significativamente menor que la máxima y esta última pudiera ocurrir con poca
frecuencia, es preferible diseñar para la condición de máxima operación, pero
construir con suficiente flexibilidad, tal como especificar dos motores de velocidad
variable para los ventiladores. La condición mínima de operación es importante
para definir las temperaturas mínimas esperadas del gas de combustión a la salida
del precalentador de aire y la necesidad de instalar desvíos del aire o del gas de
combustión o reducción en la superficie de transferencia de calor del
precalentador.
Es importante obtener licitaciones competitivas para instalaciones en
reconstrucción al igual que en instalaciones nuevas a fin de obtener el costo más
bajo posible.
7.3
Soplado de hollín/lavado con agua
En todos los casos donde se quema aceite combustible, el precalentador debe ser
equipado con sopladores y facilidades de lavado con agua. Estas facilidades no
son requeridas normalmente en instalaciones que queman gas combustible. Los
precalentadores tipo regenerativo están equipados con sopladores especiales
provistos por el fabricante. Las facilidades de lavado con agua también son
provistas por el fabricante y pueden consistir de una combinación
sopladores/agua de lavado y/o una boquilla múltiple para rociar agua
permanentemente instalada en el ducto inmediatamente aguas arriba y/o la
sección aguas abajo del precalentador de aire. Las facilidades de soplado y lavado
con agua en los precalentadores tubulares es similar a las utilizadas en la sección
de convección de un horno.
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Los requerimientos de soplado con vapor para los precalentadores de aire
regenerativos varían entre los fabricantes, pero típicamente estos requerimientos
son de 0.25 kg/s (2000 lb/h) por soplador y una presión de 1800 kPa (250 psig).
Los precalentadores de aire tubulares están típicamente equipados con
sopladores retractables requeriendo 1.25 kg/s (10000 lb/h) y 1800 kPa (250 psig)
de vapor. Los requerimientos de lavado con agua dependen del tamaño del
precalentador de aire y pueden variar desde 2.5 dm3/s (40 gal/min) para un
precalentador dimensionado para un calentador de 15 MW (50 MMBTU/h) hasta
25 dm3/s (400 gal/min) para un calentador de 90 MW (300 MMBTU/h).
El lavado del precalentador de aire debe ser utilizado con el precalentador
desviado para minimizar los efectos de choque térmico en el precalentador, ducto
etc. El drenaje del agua de lavado normalmente puede ser enviado al sistema de
tanquillas de la refinería. Si este sistema no puede tolerar material ácido o si las
regulaciones ambientales locales requieren la neutralización del ácido, se debe
realizar un tratamiento de esta agua de lavado.
7.4
Ducto
El ducto debe ser provisto para ambas corrientes, el gas de combustión y el aire.
Un esquema típico del ducto se muestra en la Figura 6. Para el diseño de este
ducto se debe considerar lo siguiente:
1. El ducto debe ser dimensionado para una velocidad del gas de 15 m/s (50
pie/s).
2. Paletas deflectoras deben ser usadas en todos los ductos de sección
transversal rectangular (excepto en el ducto de salida de los quemadores)
incluyendo la entrada a la chimenea.
3. Se debe proveer un ducto de desvío alrededor del lado del aire del
precalentador. Además de su uso al desviar completamente el
precalentador, este ducto se utiliza para controlar la temperatura del gas de
combustión a la salida minimizando corrosión en el precalentador causada
por condensación en el lado del gas de combustión a bajas cargas o a bajas
temperaturas del aire. (También se puede instalar un serpentín de vapor a
la entrada del precalentador para evitar la temperatura baja del aire).
4. Se debe proveer de un ducto de desvío para la chimenea del gas de
combustión. Este es usado para desviar el precalentador y el ventilador de
tiro inducido.
5. Se deben especificar reguladores de tiro en el ducto como lo discutido en
una de las secciones anteriores.
6. Las especificaciones de diseño deben requerir que el precalentador y los
ventiladores sean protegidas de expansión térmica del ducto por inclusión
de juntas de expansión.
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7. Como lo indicado en la Figura 7., el ducto de distribución de tiro forzado
debe estar ubicado por encima del piso de acuerdo con una de las
configuraciones presentadas. Ductos subterráneos de aire caliente son
aceptables pero son mucho más costosos y sólo son requeridos para
satisfacer arreglos poco usuales. Otros tipos de ductos subterráneos no
son aceptables debido a su estructura y seguridad.
7.5
Sistema de tiro forzado
El sistema de tiro forzado y los ventiladores son especificados en la misma manera
que los hornos, usando aire a temperatura ambiente, tal y como lo indica el
con los siguientes puntos adicionales:
documento PDVSA–MDP–05–F–04,
1. La caída de presión del precalentador de aire debe incluirse en el sistema
de caída de presión.
2. Las fugas del precalentador de aire, si las hay, deben ser sumadas al aire
requerido en los quemadores para determinar el flujo normal de aire del
ventilador.
3. Se debe especificar una condición alterna del ventilador que cubra la
operación del horno con el precalentador desviado. Esta condición requiere
un aumento en el flujo de aire a baja presión.
7.6
Sistema de tiro inducido
Presión de operación – El horno opera como un sistema de tiro balanceado. El
tope de la sección de radiación siempre debe ser mantenido a una presión
ligeramente negativa. Una presión positiva causará fugas de los gases calientes
a través de aberturas de la cubierta del horno ocasionando daños a la estructura
del mismo.
El tiro requerido a la entrada del precalentador incluye lo siguiente:
1. Tiro en el tope de la sección de radiación del horno (normalmente 0.025 kPa
(0.1 pulg de agua).
2. Caída de presión de la sección de convección.
3. Caída de presión del ducto.
4. Efecto “reverso” de la chimenea en el ducto descendente de la sección de
convección al precalentador.
Ventilador de tiro inducido – El ventilador de tiro inducido debe suplir el tiro
requerido a la entrada del precalentador, más la caída de presión del
precalentador, menos el tiro disponible en la chimenea. El flujo normal en el
ventilador es igual al flujo de gas de combustión a través del precalentador, más
las fugas del precalentador.
La información requerida del ventilador de tiro inducido en la especificación de
diseño es la misma que la requerida por el ventilador de tiro forzado con las
siguientes consideraciones adicionales:
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1. Los cojinetes del ventilador deben ser enfriados con agua.
2. El ventilador debe ser aislado externamente para protección del personal
y de las condiciones del tiempo frías.
3. El diseño mecánico y la capacidad del ventilador debe estar basada en una
temperatura de 10°C (50°F) por encima de la temperatura de salida del
precalentador (incluyendo fugas del precalentador).
4. El punto nominal (rated point) del ventilador debe ser 125% del flujo normal
y 150% del incremento en la presión normal. (Los ventiladores de tiro
forzado usan 115/115%).
7.7
Reguladores de tiro de gas de combustión
Estas compuertas son un recurso constante de importancia cuando las
condiciones operacionales requieren de disparos rápidos.
Esta compuerta está garantizada para suministrar fugas menores de 1% y operan
libremente aun en ambientes sucios. El cierre hermético es provisto a través del
uso de un listón de cierre a lo largo de las extremidades de las aletas. Estos sellos
son fabricados de acero inoxidable y se parecen a un resorte metálico de lámina
flexible el cual se ajusta a las irregularidades de su superficie apareada cuando
está en la posición cerrada. Los cojinetes están aislados totalmente de la corriente
de gas de combustión, y son del tipo no lubricante construidos con materiales
resistentes a la corrosión.
En instalaciones reconstruidas, si se instala una nueva chimenea y la chimenea
existente es mantenida para la operación a aire ambiente, el aislamiento de esta
última chimenea debe estar acompañada por la instalación de una compuerta en
el punto donde el gas de combustión es desviado a los precalentadores de aire.
Las compuertas instaladas en el tope de la chimenea descontinuada atrapa gas
de combustión estancado, el cual es bajo en temperatura por pérdidas de calor y
produce daños severos y rápidos de corrosión debido al ácido sulfúrico.
La experiencia ha demostrado que el deterioro de las chimeneas ciegas en esta
forma es mucho más severa que las chimeneas abiertas a la atmósfera con muy
poco o sin ningún flujo de gas de combustión.
En la Tabla 3 se muestra una especificación típica de una compuerta. Nótese que
algunas compuertas son abiertas automáticamente. Otras compuertas son
usadas sólo para aislamiento, por lo que pueden ser del tipo guillotina. En la Figura
6. se muestran las posiciones de la compuerta para un sistema típico de
precalentamiento de aire.
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Piezas de repuesto
El precalentador de aire no debe tener otro de repuesto, ya que el horno es
generalmente diseñado para operar a máxima capacidad a condiciones de aire a
temperatura ambiente con el precalentador desviado. Por supuesto que la
eficiencia se reduce grandemente durante este período.
Como se discutió en el documento PDVSA–MDP–05–F–04, el ventilador de tiro
forzado tampoco debe tener otro ventilador de repuesto. En unidades críticas, se
pueden considerar dos ventiladores de 50% para aumentar la confiabilidad. Por
otro lado el ventilador de tiro inducido tampoco debe tener otro ventilador de
repuesto, ya que el gas de combustión puede ser desviado directamente a la
chimenea.
8
INSTRUMENTACION
La siguiente instrumentación debe ser provista en los sistemas de
precalentamiento de aire. Esta instrumentación es adicional en comparación a la
requerida en un horno convencional de tiro forzado y por lo general se muestra en
la Especificación de Diseño del diagrama de flujo. Además, la instrumentación
debe mostrarse en la Especificación de Diseño de la sección del horno, en el
diagrama del sistema de precalentamiento de tal forma que puedan ser ubicados
adecuadamente. En la Figura 6. se muestra un dibujo esquemático de un sistema
típico de precalentamiento de aire con la adecuada instrumentación.
Lado aire (sistema de tiro forzado)
Indicadores de temperatura – A la salida del precalentador, aguas abajo del ducto
de desvío de aire para medir la temperatura de la mezcla.
Indicadores manométricos de tiro – En cada lado del precalentador y en el ducto
de distribución de los quemadores.
Lado gas de combustión (sistema de tiro inducido)
Indicadores de temperatura/alarmas
1. A la entrada y salida del precalentador.
2. Alarma por alta temperatura a la entrada del precalentador, para indicar
temperaturas excesivas del gas de combustión que pueden dañar el
sistema de precalentamiento de aire.
3. Alarma por baja temperatura a la salida del precalentador, para indicar
problemas de corrosión en el extremo frío.
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Indicadores manométricos de tiro
1. A la entrada y salida del precalentador.
2. A la salida del ventilador de tiro inducido.
3. Aguas arriba y aguas abajo del ducto de desvío del gas de combustión.
9
SISTEMA DE SEGURIDAD
Los siguientes puntos son requeridos para proteger el horno y el sistema de
precalentamiento de aire.
Sistema de combustible
Indicadores de presión, disparos y alarmas (Ver PDVSA–IR–P–01).
Lado aire (sistema de tiro forzado)
Se requiere de un disparo por baja presión diferencial (PdLCO) u otro dispositivo
para indicar pérdidas de flujo de aire de combustión (Ver PDVSA–MID–K–337). En
los hornos con quemadores de tiro natural, el horno puede mantenerse en servicio
utilizando un regulador automático en el ducto de aire accionado por el PdLCO.
Si esta compuerta falla (no abre) se debe disparar la unidad.
Lado gas de combustión (sistema de tiro inducido)
Se requiere una alarma por alta temperatura (THA) a la entrada del ventilador de
tiro inducido para protección del mismo (y el del precalentador). Esto indicará fallas
del precalentador (no rotativo) o combustión retardada en el precalentador.
También se debe proveer de un disparo por alta temperatura (THCO) a la entrada
del precalentador para evitar daños al sistema de precalentamiento de aire
causados por temperaturas excesivas del gas de combustión. El THCO
preferiblemente debe abrir el regulador de desvío a la chimenea o
alternativamente disparar el horno.
Cámara de combustión del horno
Se necesita una alarma por alta presión (PHA) para indicar la presión excesiva en
la cámara de combustión del horno. Esto puede ser causado por un inadecuado
tiro inducido debido a un escaso control, excesiva caída de presión del
precalentador, fallas en el ventilador de tiro inducido. También se debe instalar un
disparo por alta presión (PHCO) (Ver PDVSA–MID–K–337),
para aliviar la
presión excesiva en la cámara del horno. La presión máxima en la cámara de
combustión del horno está limitada a 1.25 kPa (5 pulg de agua).
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Para servicios críticos y en otras aplicaciones se pueden considerar las
compuertas de alivio de presión, o sea donde no de deseen presiones excesivas
de la cámara del horno. Estas compuertas deben ser ubicadas en la sección de
radiación o en el ducto por encima de la sección de convección. El ducto de desvío
a la chimenea no es una manera aceptable para aliviar presión debido a la
posibilidad de que se tranque la compuerta en posición cerrada. Sin embargo,
cuando se utilizan dos ductos separados con sus respectivas compuertas es
posible aliviar presión, por lo que las compuertas de alivio son requeridas en vista
de que el diseño de la doble contingencia de dos compuertas en la chimenea hace
que la falla simultánea sea conservativa.
El área requerida para las compuertas de alivio de presión se determina utilizando
la Ec.(1), la cual está basada en una caída de presión a través de la compuerta
igual a 1.25 kPa (5 pulg de agua) y un cabezal de velocidad de 2.8.
A+
Wf
Ǹ Tg )
F 18
Ec. (1)
F 53
donde:
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
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A
Wf
Tg
F53
= Area de la compuerta de alivio de
presión
= Flujo de gas de combustión
= Temperatura del gas de combustión
en la puerta de alivio. Para
compuertas de alivio ubicadas en la
sección de radiación, utilice la
temperatura de la pared divisoria
(Bridgewall temp.). Para compuertas
ubicadas encima de la sección de
convección, use la temperatura de
salida de la sección de convección
= Factor cuyo valor depende de la
unidades usadas
En unidades
SI
m2
En unidades
inglesas
pie2
kg/s
°C
lb/s
°F
546
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10 PROBLEMA TIPO
Dado:
Calor total absorbido Qa = 58.62 MW (200 MMBTU/h)
Caso I:
Horno sin precalentador de aire. Temperatura de la
chimenea Ts = 370°C (700°F)
Caso II:
Igual que el caso I, pero con Ts = 510°C (950°F)
Caso III:
Horno con precalentador de aire. Temperatura a la
salida de la sección de convección = 510°C (950°F). Temperatura
a la salida del precalentador (no corregida) = 195°C (390°F) (para
un combustible que contiene 20 g/kg de azufre (2% en peso de
azufre)).
Encontrar:
Para cada caso:
Calor consumido y eficiencia del horno Rendimiento térmico entre
la sección de radiación y la sección de convección
Solución:
Este problema ilustra lo siguiente:
1. Los ahorros típicos de combustibles obtenidos por utilizar un precalentador
de aire: Diseño del horno basado en una temperatura típica de la chimenea
(370°C (700°F)) contra un sistema con precalentamiento de aire
(temperatura de la chimenea = 195°C (390°F)).
2. Determinación del calor total de radiación para un horno que contiene un
precalentador de aire.
3. Comparación de los tamaños relativos de las secciones de radiación y
convección para hornos con o sin precalentadores de aire.
4. Condiciones típicas de operación para un horno con el precalentador
desviado.
Para facilitar la comparación, los cálculos para los primeros tres casos se
muestran lado a lado en forma tabular en la próxima página.
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Solución al Problema Ejemplo
Eficiencia del Horno
Temp. de la chimenea, Ts, °C
Temp. salida sección convección, °C
Temp. salida precalent., (no corregido), °C
Exceso de aire, %
Calor disponible en la chimenea HAs
MJ/kg(2)
Comb. Neto Fn, kg/s = 59.62MW(Qa)/ HAs
Com. total Fg, kg/s =1.05 x Fn
= 1.015 x Fn (para horno con el
precalentador en operación)
PCI (LHV) de comb. con 950 kg/m3
MJ/kg(2)
Calor consumido, Qf , MW= Fg x PCI
Eficiencia del horno, %Qa/Qf x 100
Rend. sección radiación/convección
Calor disponible en la chimenea a la
Temp. pared divisoria, Tbw, °C HAbw,
MJ/kg
Calor radiado de la combustión del
combustible= Fn x HAbw, MW
Calor transferido en el precal., Qph:
HA 195 °C = 37.7 MJ/kg
HA 510 °C = 31.3 MJ/kg
6.4 MJ/kg
Qph, MW = 6,4 MJ/kg x Fn =
Qtr, MW
=
Rend. por rad., %Qtr/Qax 100
Rend. por convec.= 100–% Rend. por rad.
Gas de combustión y aire
kg gas de comb./kg de comb., FG(4) =
Gas de comb. = Fg x FG, kg/s
=
Aire de comb. = gas de comb.–Fg, kg/s =
Caso I
Caso II
Horno diseñado sin
precalentador de aire
370
510
20
34.2
20
31.3
1.74
1.83
1.90
2.0
Caso III
Horno diseñado con
precalentador de aire
Prec. en
Precalent.
operac.
desviado
554 (1)
510
195
20
50
37.7 (@
28.1
195 °C)
1.58
2.12
2.23
1.60
41.1
41.1
41.1
41.1
75.2
79.3
82.0
72.7
65.8
90.6
91.7
65.0
22.9
22.9
22.9
19.4
39.8
43.5
36.6
41.2
39.8
67.9
32.1
43.5
74.2
25.8
10.1
46.7
79.7
20.3
41.2
70.3
29.7
17.6
32.2
30.4
17.6
35.2
33.2
17.6
28.2
26.6
21.8
48.6
46.4
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NOTAS:
1. Basado en condiciones operacionales calculadas para diseño de horno con precalentador, pero sin
desvío del mismo.
2. Ver Figura 15 del documento PDVSA–MDP 05–F–01.
3. Ver Figura 8. para el balance de materia.
4. Ver Figuras 22A/B del documento PDVSA–MDP 05–F–01.
11 NOMENCLATURA
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
A
Wf
Tg
= Area de la compuerta de alivio de
presión
= Flujo de gas de combustión
= Temperatura del gas de combustión
en la puerta de alivio. Para
compuertas de alivio ubicadas en la
sección de radiación, utilice la
temperatura de la pared divisoria
(Bridgewall temp.). Para compuertas
ubicadas encima de la sección de
convección, use la temperatura de
salida de la sección de convección
En unidades
SI
m2
En unidades
inglesas
pie2
kg/s
°C
lb/s
°F
FACTORES QUE DEPENDEN DE LAS UNIDADES USADAS
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
F53
= Factor cuyo valor depende de la
unidades usadas
546
150
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12 APENDICE
Tabla 1.
Tabla 2.
Tabla 3.
Figura 1.
Figura 2.
Figura 3.
Figura 4.
Figura 5.
Figura 6.
Figura 7.
Figura 8.
Consideraciones de seguridad en el diseño de sistema de
precalentamiento de aire en fluidos de proceso
Especificaciones típicas de un precalentador de aire
Especificaciones típicas del regulador de tiro
Instalación típica del precalentador de aire
Precalentador de aire del tipo regenerativo Ljungstrom
Dimensiones aproximadas del precalentador Ljungstrom
Arreglo del precalentador de aire “DEKA” a prueba de corrosión
Sistema de precalentamiento de aire de fluido circulante
Esquema de un sistema de precalentador de aire del tipo
regenerativo
Arreglos del ducto de aire precalentado
Balance de material para un sistema de precalentamiento típico
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TABLA 1. CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE SISTEMA DE
PRECALENTAMIENTO DE AIRE EN FLUIDOS DE PROCESO
A.
Fugas
1. Diseñe los intercambiadores con los cabezales soldados fuera del ducto de aire.
2. Diseñe los intercambiadores para posibles presiones máximas y temperaturas según
el procedimiento único para este servicio.
3. Ubique los tubos cabezales fuera del ducto.
4. Análisis de presión en cada parada.
5. Sin aislamiento interno en el ducto.
6. Mantener la presión de operación del lado del combustible tan baja como sea posible
en la práctica.
7. Poner pendiente en el ducto del fondo para permitir el drenaje a un estanque.
8. Proporcionar un muro de separación con colector alrededor del intercambiador en el
ducto.
B.
Minimización del Potencial de Fugas
1. Restringir los tubos a un máximo de 25 mm (1 pulg) de tubería sin costura extra
pesados.
2. Minimizar la retención de combustible en el haz de tubos y también en la tubería
externa por medio de válvulas de cierre hermético y de desvío.
3. Proveer actuación rápida a las válvulas de cierre activadas por 20% LEL en el ducto.
C.
Selección del Combustible
1. No se deben usar combustibles con H2 o contaminados con H2. Se deben evitar los
cortes livianos y las naftas.
2. La temperatura del combustible a la entrada no debe exceder su temperatura de
auto–ignición.
3. No utilice combustibles corrosivos o aplique el patrón permisible de corrosión.
D.
Procedimiento
1. No ponga el precalentador de aire con aceite caliente en servicio hasta que el horno o
caldera estén en línea. (No se aplica a sistemas de recuperación de calor de gases de
combustión).
2. Sople frecuentemente el ducto de drenaje.
E.
Seguridad
1. Instalar un analizador de vapor en la corriente de aire. Ajustar la alarma del analizador
a 10% LEL y disparar el combustible a 20% LEL (se debe tener mucho cuidado en la
selección de este instrumento).
2. Instalar compuertas en ducto de venteo a un sitio seguro.
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Tabla 1 (Cont.)
3. Instalar válvulas de alivio térmico en el lado del combustible.
4. Instalar cierre hermético con ajuste manual en el combustible al precalentador
iniciado por:
+ Pérdida de flujo de aire + Indicación de 20% LEL
+ Extinción de la llama
+ Pérdida de carga al horno
+ Cualquier otra emergencia que paralize el horno
5. Calcular % de vaporización a la temperatura de entrada al horno según la Sección F
con el fin de determinar si ocurriera una mezcla explosiva cuando haya una ruptura de
tubos.
F.
Suposiciones Básicas para los Cálculos
1. Asuma ruptura de tubo con flujo de combustible a través de ambas puntas del tubo
roto por fuga de combustible.
2. Suponga que no hay neblina.
3. Calcule el porcentaje de vaporización a la temperatura de entrada del combustible
con un flujo normal de aire.
4. Si automáticamente resulta fuga en una mezcla explosiva (por ejemplo, por encima
del LEL) rechaze el diseño.
Por lo mencionado anteriormente, se deben considerar precalentadores
combustible/aire como casos especiales, los cuales requieren una revisión
detallada de arranques/paradas y condiciones anormales de operación. El Comité
Operacional de Seguridad de la Planta debe consultar con anticipación en las
etapas formativas del desarrollo del diseño de todas las propuestas de
conservación, y revisar los proyectos en las diferentes etapas. En caso de que
cualquiera de los afiliados encuentren un nuevo problema o desee asistencia se
puede consultar a los miembros de la sección de seguridad y protección contra
incendio.
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TABLA 2. ESPECIFICACIONES TIPICAS DE UN PRECALENTADOR DE AIRE
1. Se debe instalar un precalentador de aire rotatorio/regenerativo o tubular. En el caso
de un precalentador del tipo Ljungstrom, el precalentador de aire que está siendo
fabricado localmente debe ser diseñado según la Corporación de Precalentadores de
Aire CE (CE Air Preheater Corporation), USA.
2. El precalentador debe ser diseñado para las siguientes condiciones (El vendedor debe
proporcionar los datos para la lista dada a continuación):
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
En unidades
SI
En unidades
inglesas
Lado Gas de Combustión (Tiro Inducido)
Temp. del banco de convección
Flujo del banco de convección
Tiro requerido de entrada del precal.
510°C
28.3 kg/s
0.37 kPa
950°F
224500 lb/h
1.5 pulg de agua
Temp. aprox. del precal. (no corregida)
Temp. aprox. del precal. (incluyendo fugas)
Flujo aprox. del precal. (incluyendo fugas)
Caída de presión aprox. a través del precal.
195°C
°C
kg/s
kPa
383°F
°F
lb/h
pulg de agua
Lado Aire (Tiro Forzado)
Temp. ambiente para el diseño térmico
Temp. ambiente mín./máx.
Flujo de aire al quemador
Presión requerida en el quemador
15°C
–29/41°C
26,7 kg/s
2.5 kPa
60°F
–20/106°F
211800 lb/h
10 pulg de agua
Temp. aprox. en el quemador
Flujo aprox. al precal. (incluyendo fugas)
Caída de presión a través del precal.
°C
kg/s
kPa
°F
lb/h
pulg de agua
3. Las temperaturas aproximadas, flujos y caídas de presión son dependientes del
diseño y fugas del precalentador de aire. Estas figuras deben ser confirmadas por el
vendedor del precalentador de aire e incorporarlo en las dimensiones de los
ventiladores. El vendedor del precalentador debe incluir un conjunto completo de
datos del funcionamiento del equipo y la garantía en la propuesta.
4. Los materiales del precalentador deben ser adecuados para combustibles líquidos y
gaseosos que contengan 20 g/kg (2% en peso) de azufre. La propuesta debe tomar en
cuenta las temperaturas mínimas de los materiales de construcción.
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Tabla 2 (Cont.)
5. El precalentador debe estar provisto de facilidades de lavado con agua y de
sopladores de hollín para limpieza sobre líneas.
6. También se deben instalar compuertas de acceso para el mantenimiento e inspección
del precalentador.
Algunos requerimientos adicionales para precalentadores de aire del tipo
rotatorio/regenerativo:
7. Los elementos calientes deben ser “Corten” y los elementos fríos esmaltados. (Estos
materiales son los mínimos considerados, se pueden requerir materiales de mayor
calidad para servicios con temperaturas muy altas.)
8. Los elementos fríos deben estar en cestas para facilitar su remoción lateral.
9. El precalentador debe operar con motor eléctrico. También se debe instalar el motor
eléctrico auxiliar con embrague automático y solenoide.
10. Se deben instalar puertas de vidrio y luces de observación en la entrada del aire frío.
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TABLA 3. ESPECIFICACIONES TIPICAS DEL REGULADFOR DE TIRO
Instalar compuertas herméticas en ductos de acuerdo al siguiente procedimiento:
1. La entrada a cada quemador es operada manualmente y diseñada para cerrar
herméticamente.
2. El ducto de desvío del lado aire del precalentador (Metroflex o igual) es operado
neumáticamente para controlar la temperatura del gas de combustión a la salida y así
minimizar corrosión por condensación en el lado del gas de combustión por bajo flujo o
por bajas temperaturas del aire ambiente. Esta compuerta también puede ser utilizada
para desviar completamente el precalentador.
3. El ducto de desvío del gas de combustión a la chimenea (Metroflex o igual es operado
neumáticamente. La compuerta debe abrir automáticamente en caso de cualquier
falla del ventilador de tiro inducido o del precalentador de aire.
4. Se requieren reguladores adicionales operados manualmente a la entrada y salida del
lado aire y discos ciegos a la entrada del gas de combustión según lo requerido para
aislar el precalentador durante el mantenimiento.
5. Se requieren reguladores adicionales operados neumáticamente para controlar el aire
de combustión a hornos individuales unidos a un sistema común.
6. Se deben instalar sellos externos en los ejes del regulador para minimizar fugas.
NOTA:
Los puntos 4 y 5 deben ser incluidos sólo si son requeridos.
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Fig 1. INSTALACION TIPICA DEL PRECALENTADOR DE AIRE
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Fig 2. PRECALENTADOR DE AIRE DEL TIPO REGENERATIVO LJUNGSTROM
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Fig 3. DIMENSIONES APROXIMADAS DEL PRECALENTADOR LJUNGSTROM
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Fig 4. ARREGLO DEL PRECALENTADOR DE AIRE “DEKA” A PRUEBA DE
CORROSION
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Fig 5. SISTEMA DE PRECALENTAMIENTO DE AIRE DE FLUIDO CIRCULANTE
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Fig 6. ESQUEMA DE UN SISTEMA DE PRECALENTADOR DE AIRE DEL TIPO
REGENERATIVO
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Fig 7. ARREGLOS DEL DUCTO DE AIRE PRECALENTADO
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Fig 8. BALANCE DE MATERIAL PARA UN SISTEMA DE PRECALENTAMIENTO TIPICO