control de aire/combustible (tiro forzado)

Jesús Cruz
Juan José Martín
INDICE DE CONTENIDOS
1.
Datos de la División
2.
Productos y Servicios
3.
Aspectos Técnicos de Diseño
o
o
o
o
Diseño
Diseño
Diseño
Diseño
de
de
de
de
Intercambiadores de Calor
Air Coolers
Fired Heaters
P&ID´s de combustión
1. DATOS DE LA DIVISIÓN
{
{
¿Qué es TR-Tecnical?
Empresa líder en
diseño de equipos
para transferencia de
calor
Origen:
En 1965 se funda la
división de
transferencia de calor,
Tecnical
1. DATOS DE LA DIVISIÓN
{
{
Especialidad:
Diseño y suministro
de equipos para
transferencia de calor
Experiencia:
38 años de
experiencia en
industria petroquímica
1. DATOS DE LA DIVISIÓN
{
Referencias:
>3000 equipos
diseñados en
operación
{
Mercado:
70% Internacional
30% Nacional
2. PRODUCTOS Y SERVICIOS
PRODUCTOS
{
Hornos de Proceso:
Tipo Cabina y Cilíndricos
{
Sistemas de Recuperación de Calor
{
Cambiadores de Calor:
Industria Química / Petroquímica
Plantas Solares
Plantas Nucleares
Alta Presión
{
Air Coolers:
Tiro Forzado
Tiro Inducido
Alta Presión
2. PRODUCTOS Y SERVICIOS
SERVICIOS
{
Estudios de Viabilidad
{
Ingeniería Básica y de Detalle
{
Diseño térmico, mecánico y estructural
{
Gestión de Proyectos
{
Compras
{
Supervisión e Inspección:
Fabricación, Instalación, Construcción y
Comisionado
3. ASPECTOS TÉCNICOS DE DISEÑO
3.1. Diseño de Intercambiadores de Calor
3.1 DISEÑO DE INTERC. DE CALOR
{
Códigos de Diseño:
API, TEMA, ASME, etc.
{
Especificaciones del Proyecto:
Cliente / Licenciante / TR
{
Análisis Ingeniería Básica:
Viabilidad termo-hidráulica
Balances Materia y Energía
Tipo de Unidad, experiencia
PFD – P&ID´s
Plot Plants, etc.
3.1 DISEÑO DE INTERC. DE CALOR
{
Ingeniería de Detalle:
‚ Tipo de equipo TEMA
‚ Materiales: P, T y servicios (H2, H2S,..)
‚ Limitaciones de diseño:
Peso
Geometría (L/D)
Hidráulica, Pérdida de Carga Permitida, etc.
‚ Software:
HTRI, programas TR (know-how)
3.1 DISEÑO DE INTERC. DE CALOR
{
HTRI:
‚ Potente herramienta de cálculo termo-hidráulico:
Feed back Ingenierías, Suministradores, etc.
Ensayos en plantas piloto continuos (I+D)
‚ Método de cálculo Propio:
Correlación de coeficientes
Tipo de sistemas (mezclas, inertes, etc.)
Resolución por Diferencias Finitas
‚ Generación de disposiciones mecánicos preliminares
‚ Análisis de posibilidad de vibraciones en tubos
3.1 DISEÑO DE INTERC. DE CALOR
DISEÑO PROPUESTO
INTERACCIÓN INTERDISCIPLINAR
HTRI
CRITERIO DISEÑADOR
EXPERIENCIA
MECÁNICA, PIPING, PROCESOS,…
OPTIMIZACIÓN
ACEPTACIÓN CLIENTE
SUMINISTRADORES
3. ASPECTOS TÉCNICOS DE DISEÑO
3.2. Diseño de Air Coolers
3.2 DISEÑO DE AIR COOLERS
{
Ingeniería de Detalle:
‚ Selección Distribuidor
‚ Disposición: Tiro Forzado / Inducido
‚ Materiales (P, T, servicios)
‚ Limitaciones de diseño:
Peso
Geometría (L, ancho bundle, rack,…)
Hidráulica, Pérdida de Carga Permitida, etc.
Tipo de aletas
Tamaño de ventiladores
‚ Software:
HTRI
3.2 DISEÑO DE AIR COOLERS
{
Control de Temperatura:
Persianas: Manuales o Automáticas (Palas Fijas)
Acción sobre el ventilador: Ángulo de pala
Actuación sobre el motor: VSDS
{
Servicios especiales:
Equipos de “winterizing” (Recirculación de Aire)
Air Coolers con Steam Coils
Equipos con presencia de sales
3. ASPECTOS TÉCNICOS DE DISEÑO
3.3. Diseño de Fired Heaters
3.3 DISEÑO DE FIRED HEATERS
CLASIFICACIÓN
HORNOS
DE PROCESO
OBJETIVO
CALOR SENSIBLE (HOT OIL)
CALOR LATENTE (EVAP)
CRACKING
REFORMADO (H2)
INCINERACIÓN
FORMA
CÁMARA SIMPLE
CÁMARA DOBLE
CÁMARA MULTICELDA
OTROS
CON/SIN CONVECTIVA
TIRO NATURAL/FORZADO
CON/SIN PRECALENT.
UP/DOWN FIRED
LLAMA HORIZONTAL
3.3 DISEÑO DE FIRED HEATERS
{
SERPENTINES:
‚ Tubos Rectos + Codos unidos por soldadura
‚ Depósitos de Carbón de Coque: Codos accesibles
‚ Disposición de tubos:
Radiación: vertical / horizontal
Convección: horizontal
‚ Tubos horizontales:
Ventajas de estabilidad en mezclas
Mayor soportación que tubos verticales
‚ Radiación Simple / Doble Radiación
3.3 DISEÑO DE FIRED HEATERS
PARTES DE UN HORNO (I)
CÁMARA RADIACIÓN
MAYOR T (RADIACIÓN)
HORIZONTAL / VERTICAL
TUBOS DE CHOQUE
PARTE INFERIOR CONVECTIVA
POSICIÓN HORIZONTAL
CONVECCIÓN + RADIACIÓN
CONVECCIÓN
POSICIÓN HORIZONTAL
SUPERF. EXTENDIDA
3.3 DISEÑO DE FIRED HEATERS
PARTES DE UN HORNO (II)
PAREDES DE HORNOS
EXTERIOR: CHAPAS SOLDADAS
INTERIOR: REFRACTARIO
SOPORTES TUBOS
MATERIALES FUNDICIÓN
ALEADOS (Cr-Ni)
3.3 DISEÑO DE FIRED HEATERS
{
CHIMENEA:
‚ Tradicionalmente:
Pocas filas de convectiva
Chimeneas cortas
‚ Actualmente:
Mayor rendimiento (menor T)
Chimeneas largas
Regulación medioambiental
3.3 DISEÑO DE FIRED HEATERS
{
VENTILADORES:
‚ Tradicionalmente:
Tiro Natural
Regulación con dampers de chimenea y registros
quemadores
‚ Actualmente:
Instalación de ventiladores de tiro forzado
Control aire/combustible
Eficacia de combustión (control llama)
3.3 DISEÑO DE FIRED HEATERS
{
BALANCE DE CALOR EN HORNOS
Se fija Rendimiento del horno (η) Æ T humos
Liberación = Duty / η (kcal/h)
Liberación / L.H.V. Æ Consumo de combustible (kg/h)
3.3 DISEÑO DE FIRED HEATERS
{
BALANCE TOTAL
Q
COMBUSTIÓN
+Q
COMBUSTIBLE
+Q
AIRE
=Q
PROCESO
“LOBO-EVANS” (CALOR POR RADIACIÓN)
Q
PROCESO
= Q RADIACIÓN = σ x F x A x (Ta4 – Tb4)
CONVECCIÓN 5-20% (altura convectiva)
“HOTTEL” (ÁREA DE SUPERFICIE RECEPTORA)
A = α x Acp
Q
PÉRDIDAS
=Q
PAREDES
+ Q CHIMENEA
+Q
PÉRDIDAS
3.3 DISEÑO DE FIRED HEATERS
{
BALANCE PARCIAL (CÁMARA RADIACIÓN)
Q SAL RAD = Q
H
{
SAL. RAD
COMBUSTIÓN
=Q
SAL. RAD
+Q
/G
COMBUSTIBLE
COMBUSTIBLE
+Q
ÆT
AIRE
-Q
RAD
SAL. RAD
BALANCE PARCIAL (CONVECTIVA)
Q SAL CONV = Q
H
SAL. CONV.
Q
CONV.
SAL RAD.
=Q
-Q
SAL. CONV.
CONV.
/G
-Q
PÉRD. RAD
COMBUSTIBLE
= U x A x MTD (iterativo)
ÆT
SAL. CONV.
-Q
PÉRD. RAD
3.3 DISEÑO DE FIRED HEATERS
{
FACTOR DE INTERCAMBIO (F)
Q
PROCESO
= Q RADIACIÓN = σ x F x A x (Ta4 – Tb4)
Depende de:
‚ Emisividad llama (ε)
Concentración de CO2, H2O y SO2
‚ Área por donde se pierde radiación (Cuerpos Negros)
3. ASPECTOS TÉCNICOS DE DISEÑO
3.4. Diseño de P&ID´s
3.4 DISEÑO DE P&ID´s
{
CONTROL DE AIRE/COMBUSTIBLE
{
CONTROL DE HUMOS DE COMBUSTIÓN
{
SEGURIDAD EN HORNOS DE PROCESO
API 556, NFPA, etc.
3.4 DISEÑO DE P&ID´s
{
CONTROL DE AIRE/COMBUSTIBLE (TIRO NATURAL)
‚ Medición demanda calor:
Æ Actuación sobre válvula de combustible
‚ Medición del exceso de aire:
Æ Actuación sobre damper chimenea
3.4 DISEÑO DE P&ID´s
{
CONTROL DE AIRE/COMBUSTIBLE (TIRO FORZADO)
Sistema de Relés Cruzados:
Æ Establece mínimo caudal de aire, según la señal
mayor entre demanda de calor y caudal de combustible
medidos.
Æ Establece máximo caudal de combustible, según la
señal menor entre la demanda de calor y el caudal de aire
medidos.
3.4 DISEÑO DE P&ID´s
{
TIRO FORZADO-”COMBINATION FIRING”
Sistema de Relés Cruzados:
Æ Establece mínimo caudal de aire, según la señal
mayor entre demanda de calor y caudal de combustible
medidos.
Æ Establece máximo caudal de combustible, según la
señal menor entre la demanda de calor y el caudal de aire
medidos.
Æ El sistema está diseñado para quemar indistintamente
combustibles líquidos, gaseosos o mezcla de ambos.
3.4 DISEÑO DE P&ID´s
{
CONTROL DE HUMOS
Presión en el arco del horno: -2.5 mmca
Regulación con damper salida convectiva
Soplante de inducido (con preca en operación)
3.4 DISEÑO DE P&ID´s
{
SEGURIDAD EN HORNOS DE PROCESO (DISPAROS)
‚ Corte total (pilotos+combustible principal):
Parada de emergencia
Alta / Baja Presión a pilotos
Fallo de llama
Alta presión en cámara de radiación
‚ Corte parcial (sólo combustible principal)
Causas externas a la combustión
Alta/Baja Presión colector principal de combutible
Fallo parcial de llama
RUEGOS
Y
PREGUNTAS
SUPERFICIE
DOBLE TUBO
MEDIA Ó
GRANDE
ENSUCIAMIENTO
EN TUBOS
LIMPIO
TUBOS EN -U
SUCIO
PRESION EN
TUBOS
MUY ALTA
BAJA Y
MEDIA
PLACAS TUBULARES FIJAS
ENSUCIAMIENTO
EN CARCASA
LIMPIO
SUCIO
PRESION EN
CARCASA
BAJA Y
MEDIA
MUY ALTA
CABEZAL FLOTANTE
P
CALCULO DE LAS
PROPIEDADES FISICAS
CALCULO DE LA MTD
FIJAR UN VALOR DEL
COEFICIENTE GLOBAL Usup.
FIJAR Nº DE CARCASAS Y
CARACTERISTICAS
GEOMETRICAS DE CADA UNA
CALCULO DE COEFICIENTE Y
PERDIDA DE CARGA EN TUBOS
FIJAR UN VALOR MAS
ALTO DEL COEFICIENTE
GLOBAL Usup.
FIJAR UN VALOR MAS
BAJO DEL COEFICIENTE
GLOBAL Usup.
CALCULO DE COEFICIENTE Y
PERDIDA DE CARGA EN CARCASA
>
CALCULO DEL COEFICIENTE
GLOBAL Ucal.
>
Ucal: Usup
≤
=
CAMBIADOR CORRECTO
F
>
U CAL
: 1 . 05
U SUP
260
240
220
200
180
160
140
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Length from inlet, mm
Shell(1) Bulk temperature, C
Tube Bulk temperature, C
MTD (lineal) = (65-56) / Ln (65/56) * 0.944 = 57 ºC
MTD (HTRI) = ∑MTDi = 40 ºC
(corrección por bypasses y tipo de carcasa)
8000
Tipo de cabezal
P>100 kg/cm2
Distribuidor
P<30 kg/cm2
Ensuciamiento
Presión
100<P<30 kg/cm2
Fouling
Fouling
Cabezal soldado
con tapones
Cabezal con
tapa
desmontable
TYPICAL FORCED DRAFT
UNIT ILLUSTRATION
TYPICAL INDUCED DRAFT
UNIT ILLUSTRATION
ALETAS “EMBEDDED”
ALETAS “EXTRUDED”
ALETAS TIPO “L”
T operación hasta 400 ºC
T operación hasta 300 ºC
T operación hasta 120 ºC
Ambientes corrosivos pobres
Ambientes corrosivos
Ambientes corrosivos pobres
Bajo coste inversión
Alto coste inversión
Bajo coste inversión
GENERAL ARRANGEMENT
LOUVER
(DISPOSICION GENERAL DE PERSIANA)
CONTROL
CON
PERSIANAS
TT
TC
CONTROL
CON VSDS
TT
TC
SC
Fluido de Proceso: Problemas de Cristalización, Solidificación, Pour Point, etc.
Control de T metal del tubo por medio T entrada aire
Instalación de una “closed house” con persianas automáticas
CÁMARA RADIACIÓN SENCILLA CILÍNDRICA
CÁMARA RADIACIÓN SENCILLA PARALELEPÍPEDA
CÁMARA RADIACIÓN DOBLE PARALELEPÍPEDA
COIL HORIZONTAL
COIL VERTICAL
RADIACIÓN SIMPLE VS. DOBLE RADIACIÓN
Doble Radiación Æ T metal inferiores (menor coquización)
SUPERFICIES EXTENDIDAS EN HORNOS
ALETAS
TETONES
CONTROL AIRE/COMBUSTIBLE EN TIRO NATURAL
CONTROL AIRE/COMBUSTIBLE EN TIRO FORZADO
CONTROL AIRE/COMBUSTIBLE EN TIRO FORZADO (“COMBINATION FIRING”)