Manual de diseño de proceso-PDVSA-Hornos

PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
TRANSFERENCIA DE CALOR
HORNOS
PDVSA N°
MDP–05–F–01
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PRINCIPIOS BASICOS
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E PDVSA, 1983
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Indice
1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4 CONSIDERACIONES BASICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tipos de hornos de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Selección y diseño de hornos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gráficas para cálculos de combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Programas de computación para cálculos/simulación de hornos . . . . . .
4
5
12
15
23
25
5 APENDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
Tabla 1
Tabla 2
Tabla 3
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Figura 6
Figura 7
Figura 8
Figura 9
Figura 10A
Figura 10B
Figura 11A
Figura 11B
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
12
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14
15
16
Lista de puntos cubiertos normalmente en las especificaciones
de hornos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LIsta de puntos cubiertos en las especificaciones de servicios
de hornos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Factores que afectan el diseño y seleccion de hornos . . . . . . . . . . . . . . . .
Hornos – verticales cilíndricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Horno vertical – cilíndrico con sección de convección horizontal . . . . . . .
Hornos con tubos horizontales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Variaciones en hornos tipo cabina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Horno tipo caja con tubos verticales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Horno tipo caja con tubos horizontales con ala sencilla . . . . . . . . . . . . . . .
Guía para la selección de hornos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Calor de combustión de aceites combustibles y fracciones
de petróleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Calor de combustión para gases parafínicos y oleofínicos . . . . . . . . . . . .
Entalpía de los componentes del gas de chimenea
a bajas presiones (H2O, CO, CO2, SO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Entalpía de los componentes del gas de chimenea
a bajas presiones (H2O, CO, CO2, SO2) (Cont.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Entalpía de los componentes del gas de chimenea
a bajas presiones (aire, O2, NO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Entalpía de los componentes del gas de chimenea
a bajas presiones (aire, O2, nO2) (Cont.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Calor disponible por combustión de aceite combustible (0°API) . . . . . . . .
Calor disponible por combustión de aceite combustible (5°API) . . . . . . . .
Calor disponible por combustión de aceite combustible (10°API) . . . . . .
Calor disponible por combustión de aceite combustible (15°API) . . . . . .
Calor disponible por combustión de aceite combustible (20°API) . . . . . .
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Figura 17
Figura 18
Figura 19
Figura 20
Figura 21A
Figura 21B
Figura
Figura
Figura
Figura
22A
22B
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Calor disponible por la combustion de gas combustible
de refinería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Calor disponible por la combustión de gas combustible
de refinería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Calor disponible por la combustión de gas combustible
de refineriía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Calor disponible por la combustión de gas combustible
de refinería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Contenido de dióxido de carbono en el gas
de chimenea (unidades métricas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Contenido de dióxido de carbono en el gas de chimenea
(unidades metricas) (Cont.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
kg de gas de chimenea por kg de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
lb de gas de chimenea por lb de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Viscosidad absoluta del gas de chimenea a 1 atm . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conductividad térmica del gas de chimenea a 1 atm . . . . . . . . . . . . . . . . .
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OBJETIVO
Proporcionar los fundamentos teóricos que permitan una óptima comprensión de
la terminología relacionada y de cálculos relacionados con el tema de Hornos de
Proceso.
El tema “Hornos”, dentro del área 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 (Este documento).
05–F–02
Hornos: Consideraciones de diseño.
05–F–03
Hornos: Quemadores.
05–F–04
Hornos: sistemas de tiro forzado.
05–F–05
Hornos: Precalentadores de aire.
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
Cubre las definiciones básicas, descripción de los diferentes tipos de hornos
empleados por la IPPCN, gráficas que facilitan cálculos relacionados con
combustión en hornos de proceso, y una descripción general del programa de
modelaje de hornos a ser empleado como apoyo a los cálculos relacionados con
hornos.
3
REFERENCIAS
Manual de Diseño de Proceso (versión 1986)
S Vol VIII, Sección 14 “Flujo de fluidos”
S Vol VIII y IX, Sección 15 “Seguridad en el diseño de plantas”
Manual de Ingeniería de Diseño
S PDVSA–MID–L–TP–2.7 “Hornos de proceso: Requisición, análisis de ofertas
y detalles de compra”
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Otras Referencias
S
S
S
S
4
API Technical Data Book, cap.14 (1992) “Combustion”.
API 665, Fired Heater Data Sheet
ASME Code Section 1, Power Boilers
Berman, H. L., “Chemical Engineering”, julio 19, 1978, pp 99–104
CONSIDERACIONES BASICAS
4.1
Antecedentes
El calentamiento de un fluido de procesos en un horno está acompañado por la
combinación de la radiación y convección. El patrón usual de flujo del fluido en el
proceso es en contracorriente con el de los gases de combustión, es decir, el fluido
en el proceso pasa primero a través de la sección de convección y luego a través
de la sección de radiación del horno, mientras que los gases de combustión van
en dirección opuesta. Este arreglo permite obtener una mayor eficiencia (la
temperatura del gas en la chimenea es más baja) que la que se obtendría si el flujo
fuera en paralelo.
En la sección de radiación, el calor es transferido al fluido de proceso
principalmente por radiación de la alta temperatura de los gases que resultan de
la combustión del combustible en la cámara. Otra parte del calor es también
transferida por convección. Los gases de combustión a medida que transfieren
calor se enfrían, y por lo tanto, la transferencia de calor por radiación
progresivamente requiere de más área en los tubos, lo cual llega a ser poco
atractivo desde el punto de vista económico. Por esta razón, la transición a la
sección de convección es hecha mientras el gas de combustión aún está
relativamente caliente.
En la sección de convección, el calor es transferido principalmente por convección,
aunque una pequeña cantidad de calor se transfiere por radiación. Después que
todo el calor, que económicamente puede ser recuperado, ha sido transferido al
fluido de proceso, el gas de combustión deja el horno y pasa a través de una
chimenea a la atmósfera. Los hornos está divididos en dos categorías principales:
hornos de procesos y hornos de pirólisis.
Horno de Procesos (Convencional).
Estos hornos proveen calor, el cual es usado en los equipos aguas abajo del horno.
Ejemplos típicos son hornos de columnas de destilación, precalentadores de
reactores (hidrotratamiento y termoreactores) y rehervidores. Los sistemas de
calentamiento indirecto, tales como sistemas de aceite caliente o sistemas
“Dowtherm”, también usan hornos de procesos.
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Hornos de Pirólisis
Este tipo de hornos proveen calor para que una reacción química se lleve a cabo
dentro de los tubos del horno. Los de craqueo térmico con vapor y los
reformadores con vapor son los dos principales ejemplos. Muchas de las
consideraciones y problemas en el diseño y operación de estos hornos son
similares a los de los hornos convencionales. Sin embargo, estos hornos de
pirólisis operan normalmente a altas temperaturas y tienen muchas
consideraciones especiales.
Algunos hornos, tales como los utilizados en las plantas reductoras de viscosidad
y de craqueo térmico, son considerados hornos de procesos, aun cuando existen
reacciones químicas dentro de los tubos. Sus temperaturas son bajas,
comparadas con las temperaturas de los hornos de pirólisis; y aparte de los
cálculos de craqueo, el diseño de este tipo de hornos es muy similar al diseño de
hornos de procesos.
Tipos de Especificación
Para especificar hornos se utilizan dos tipos de documentos: la especificación del
diseño y la del calor requerido. En la especificación del diseño todas las variables
principales que afectan su comportamiento han sido determinadas y
especificadas por el diseñador. El vendedor del horno debe proveer los detalles
del diseño mecánico. En la especificación del calor requerido del equipo, sólo son
dados los requerimientos de servicio tales como carga calorífica y condiciones de
entrada y salida. El fabricante entonces suministra tanto el diseño mecánico como
el térmico.
En las Tablas 1 y 2 se muestran los aspectos cubiertos en cada tipo de
especificación. El API 665 (datos de diseño, Fired Heater Data Sheet) puede ser
utilizado para presentar la información requerida para cualquier tipo de
en su
especificación. Sin embargo, el documento PDVSA–MID–L–TP–2.7,
Tabla 1, presenta un formato de especificaciones para compra de hornos de
proceso (5 páginas), la cual es la oficial para PDVSA y sus filiales.
4.2
Definiciones
Arco del horno
Es la porción más elevada (usualmente plana) del horno, soportada desde arriba.
Cabezal
Es la unión que conecta dos tubos en un serpentín. Estrictamente hablando, es
el cabezal removible tipo tapón donde se fijan los tubos bien sea enroscados o
soldados. Comunmente, el cabezal se refiere a tubos doblados en forma de U.
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Caja
Los quemadores y los tubos están encerrados en una caja la cual consiste de una
estructura, recubriendo refractario y soporte de tubo.
Caja de cabezal
Es el compartimiento ubicado al final de la sección de convección, donde están
localizados los cabezales. En esta caja colectora no hay flujo de gases de
combustión, debido a que se encuentra separada del horno por una plancha
aislante. Las cajas colectoras pueden ser usadas algunas veces en la sección de
radiación.
Calor absorbido (Heat Duty)
Es el calor total aprovechado por el flujo de proceso, expresado usualmente MW
(BTU/h). El rendimiento térmico total de un horno es la suma de calor transferido
a todas las corrientes del proceso, incluyendo servicios auxiliares tales como
sobrecalentadores y secadores.
Calor disponible
Es el calor absorbido de los productos de combustión (gases de combustión) a
medida que estos son enfriados desde la temperatura de la llama hasta una
temperatura dada de los gases de combustión.
Calor generado
Se define como el calor total liberado en el horno y es igual al combustible total
multiplicado por el poder calorífico inferior (PCI) del combustible. Este calor es
expresado usualmente en MW (BTU/h).
Cámara de combustión
Es un término usado para describir la estructura que circunda los serpentines
radiantes y dentro de la cual se localizan los quemadores.
Cámara de convección
Es la parte del horno que consiste de un banco de tubos, el cual recibe calor de
los gases de escape calientes, principalmente por convección.
Cámara de radiación
Es la parte del horno en la cual el calor es transferido a los tubos de los hornos,
primeramente por radiación de la llama y por alta temperatura de los gases de
combustión.
Celda
Es una parte de la sección de radiación separada de otras celdas por tubos o por
una pared con refractario. También son llamadas “zonas o secciones”.
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Coeficiente de película
Es el coeficiente de transferencia de calor por convección de la película de líquido
en la pared del tubo.
Colector (Breeching)
Es un colector de los gases de combustión en la salida de la cámara de
convección. Estos gases pasan después a la chimenea.
Combustible bruto (Total)
Es el combustible total quemado en un horno, incluyendo todas las pérdidas (se
expresa usualmente en kg/s) (lb/h)).
Combustible neto
Es el combustible que se requeriría en el horno sino hubieran pérdidas por
radiación, expresado en kg/s (lb/h).
Compuerta (Damper)
Es un dispositivo que regula el flujo de gases a través de la chimenea o ducto y
controla el tiro del horno. Una compuerta típica consiste de una placa plana
conectada a un eje el cual puede ser rotado de manera similar a una válvula de
mariposa.
Conexión entre banco de convección y sección de radiación (Crossover)
Es la tubería que transfiere el fluido de proceso desde la salida de la sección de
convección a la entrada de la sección de radiación.
Conversión
Es la fracción de la alimentación transformada en un producto deseado,
usualmente expresado como g/kg (% peso) aplicada principalmente en hornos de
pirólisis.
Cubierta
Es un revestimiento de acero el cual encierra la caja del horno y la hace
esencialmente hermética.
Chimenea
Es un conducto cilíndrico de acero, revestido con concreto o ladrillos el cual
traslada el gas de escape a la atmósfera y provee el tiro necesario.
Densidad térmica
Es la cantidad de calor transferido a un tubo por unidad de área, y se basa en el
área externa total. Las unidades típicas son kW/m2 (BTU/h–pie2). La densidad
térmica también puede ser llamada flujo térmico.
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Efecto de chimenea
Es la diferencia entre el peso de una columna de gases de alta temperatura dentro
del horno y el peso de una columna equivalente de aire externo, expresada en kPa
por metros de altura (pulgadas de agua por pie).
Eficiencia del horno
Es la relación entre el calor absorbido y el calor suplido al horno.
Ensuciamiento o incrustaciones
Es la formación de una película sólida de sucio ceniza u hollín sobre la superficie
de transferencia de calor, que da como resultado un incremento en la resistencia
al flujo de calor.
Exceso de aire
Es el porcentaje de exceso de aire en el horno en relación a la cantidad de aire
requerida para combustión estequiométrica.
Factor de servicio
Es una medida de la continuidad de operación del horno, expresada generalmente
como la relación de días totales en operación para un período de tiempo dado
entre los días calendarios totales en el período.
Gases de combustión (Flue gas)
Es una mezcla de gases producto de la combustión del combustible.
Guías desviadoras (Corbelling)
Son planchas estrechas que se extienden desde las paredes laterales de la
sección de convección para evitar que el gas de combustión fluya a un lado de la
sección de convección, entre la pared y el tubo más cercano, desviándose del
banco de tubos.
Guía de tubos
Dispositivo utilizado para restringir el movimiento de los tubos.
Lámina de tubos
Es una lámina larga que soporta los tubos y está ubicada en la cámara de
convección. Los soportes finales son usualmente de acero al carbón o aleaciones
bajas de acero y constituyen un lado del cabezal del horno. Los internos de estos
soportes poseen aislamiento por estar expuestos a los gases de combustión. Los
soportes intermedios, como están expuestos al gas de escape por ambos lados,
son fabricados con una aleación más resistente.
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Línea de transferencia
Tubería usada para conectar la salida del horno y la columna de destilación (ya sea
atmosférica ó de vacío), en una instalación petrolera.
Mirillas de observación
Puertas de observación ubicadas en diferentes puntos seleccionados del piso del
horno y en las paredes del mismo, que permiten observar los tubos, soportes y
quemadores del horno.
Múltiple
Es un tubo conectado a varios pasos paralelos y es usado para distribuir o
recolectar los fluidos de estos pasos.
Pared aislante
Es el aislamiento refractario de la parte interna del horno.
Paso
Es el serpentín que transporta el fluido del proceso desde la entrada hasta la salida
del horno. El fluido total del proceso puede ser transportado a través del horno por
uno o más serpentines.
Película (Superficie)
Es una capa fina del fluido adyacente a la pared del tubo, la cual permanece en
flujo laminar aun cuando el flujo del fluido es turbulento. El perfil de velocidad en
la película es aproximadamente lineal, siendo la velocidad existente en la pared
igual a cero.
Poder calorífico inferior (PCI)
Es el calor de combustión teórico del combustible, cuando no se toma en cuenta
el calor de condensación del agua en los gases de combustión. También es
llamado poder calorífico neto y es expresado en MJ/kg (BTU/lb).
Poder calorífico superior (PCS)
Es el calor teórico de la combustión del combustible, cuando el agua formada se
considera en estado líquido (Se aprovecha el calor de condensación). También es
llamado Poder calorífico total (PCT) y viene expresado usualmente en MJ/kg
(BTU/lb).
Poder calorífico total (PCT)
Ver poder calorífico superior (PCS)
Precalentadores de aire
Es un intercambiador de calor en el cual se calienta el aire requerido para la
combustión, por transferencia de calor desde los gases de escape que salen de
la sección de convección.
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Quemador
Es un dispositivo utilizado para mezclar el combustible y el aire para la combustión.
Rango mínimo de operación (Turndown)
Ocurre cuando las condiciones de operación del horno son más bajas que las
condiciones de diseño: es decir, reducción en el rendimiento térmico, lo cual puede
ser el resultado de una reducción en los requerimientos entálpicos, o una
reducción de la carga del horno.
Sección de protección
La sección de protección son las dos primeras filas de tubos en la cámara de
convección. Estos tubos están expuestos a radiación directa proveniente de la
cámara de radiación y reciben más o menos la mitad del calor por radiación. Estos
tubos están fabricados de un material mucho más resistente que los tubos
restantes en la sección de convección. También se les llama tubos de choque.
Serpentín
Es una serie de tubos rectos conectados por retornos de 180°, formando un paso
continuo a través del cual el fluido del proceso fluye y es calentado.
Soplador de hollín
El soplador de hollín está ubicado en la sección de convección y utiliza vapor de
alta presión para soplar el hollín y la ceniza de los tubos.
Soportes de tubos
Es una parte metálica la cual soporta todo el peso de los tubos.
Superficie extendida
Es la superficie adicionada a los tubos lisos de la sección de convección para
proveer mayor área de transferencia. Esta superficie extendida puede consistir de
pequeños pernos soldados a los tubos o de aletas también soldadas.
Temperatura de chimenea
Es la temperatura de los gases de combustión saliendo de la cámara de
convección.
Temperatura de gases a la salida de la cámara de combustión o temperatura
de la pared divisoria (Bridgewall temperature)
Es la temperatura de los gases de escape saliendo de la sección de radiación. Este
término proviene de los tradicionales hornos horizontales donde la cámara de
combustión (zona radiante) y la de convección se separaba por una pared de
ladrillos.
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Temperatura de la masa de fluido (Bulk temperature)
Es la temperatura promedio del fluido del proceso en cualquier sección transversal
del tubo.
Temperatura de película
Es la máxima temperatura de la película, en la pared del tubo.
Tiro
Es la presión negativa (vacío) en un punto dado dentro del horno, expresado
usualmente en kPa (pulgadas de agua).
Tiro forzado
El uso de un ventilador de tiro forzado se requiere para suplir el aire de combustión
a los quemadores y para vencer la caída de presión a través de los quemadores.
Esto es contrario al tiro natural, donde la columna de gases caliente en la chimenea
y el horno proveen la succión para atraer el aire para combustión al horno.
Tiro inducido
Se usa un ventilador en el lado del flujo de gases de combustión del horno, para
proveer el tiro adicional requerido, mayor que el suplido por la chimenea, para
sacar el gas de escape a través de la sección de convección.
Tiro natural
Es el sistema mediante el cual el tiro requerido para llevar el aire de combustión
dentro del horno y extraer los gases de combustión del mismo es suministrado
solamente por la chimenea.
Velocidad crítica (Velocidad sónica)
Cuando la velocidad del fluido es igual a la velocidad del sonido a las condiciones
de temperatura y presión del fluido. También se llama velocidad sónica.
Tope de sección de radiación (Hip Section)
Es la zona de transición en el tope de la sección de radiación en hornos de tipo
convencionales. La pared de esta sección tiene por lo general un ángulo de 45°.
Tubos calentados por ambos lados
Tubos ubicados en la sección de radiación expuestos por ambos lados
directamente a la radiación emanada de los quemadores.
Tubos calentados por un lado
Son los tubos en la sección de radiación ubicados cerca de la pared del horno y
que tienen sólo un lado expuesto a la llama del quemador. La radiación del lado
contrario de los tubos es por reflexión de la pared.
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Velocidad másica
Es el flujo de masa por unidad de área de flujo a través del serpentín. Las unidades
típicas para la velocidad másica son Kg/s–m2 (lb/s–pie2).
4.3
Tipos de hornos de proceso
Existen muchos tipos/arreglos de hornos, los cuales están disponibles y han sido
usados por muchos años. Estos hornos consisten básicamente de cuatro
componentes: caja, quemadores, serpentín y chimenea. Los hornos de proceso
que se describen a continuación son los tipos más comunes utilizados en las
refinerías de las empresas filiales de PDVSA.
Hornos verticales–cilíndricos
En las Figuras 1. y 2. se muestra la sección transversal típica de este tipo de
hornos. Estos hornos probablemente son los más usados para rendimientos
térmicos hasta 43.9 MW (150 MM BTU/h). En la sección de radiación, los tubos
están colocados o colgados verticalmente en forma de círculo alrededor de los
quemadores del piso. Esto hace que la llama sea paralela a los tubos en la sección
de radiación. Este tipo de horno puede diseñarse con o sin la sección de
convección.
Estos hornos sin la sección de convección (Figura 1.A) son muy económicos
en términos de inversión, pero debido a que la temperatura de los gases de escape
a la salida del horno es my alta (800–1000°C) (1500–1800°F), este tipo de horno
tiene una eficiencia muy baja. Este arreglo requiere de un mínimo de área de
planta, y las cargas típicas están entre 0.15 y 2.9 MW (0.5 y 10 MM Btu/h).
Estos hornos con una sección de convección horizontal ubicada encima de la
sección de radiación (Figura 2.), proporcionan un diseño muy eficiente y
económico que requiere un mínimo de área de planta. Los gases de combustión
fluyen hacia arriba a través del banco de convección y posteriormente a la
chimenea. La sección de protección consiste de dos filas de tubos ubicados en el
fondo de la sección de convección. La sección de convección puede no justificarse
en hornos muy pequeños, es decir, menores de 1.5 MW (5 MM BTU/h), o en hornos
instalados en lugares donde el costo de combustible es extremadamente bajo. La
mayoría de las instalaciones nuevas con hornos de tubos radiantes verticales son
de este tipo. Las cargas típicas están entre 2.9 y 29.3 MW (10 y 100 MM Btu/h)
Estos hornos con la sección de convección integrada verticalmente (Figura
1.B), se usaron mucho, pero actualmente rara vez se escogen para nuevas
instalaciones. Los mismos tubos son usados para los servicios de radiación y
convección. La porción de convección de los tubos usualmente tiene una
superficie de forma extendida para incrementar el coeficiente de transferencia de
calor por convección. En este tipo de horno sólo se debe quemar gas o
combustibles destilados, debido a que la sección de convección es casi imposible
de limpiar.
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Horno tipo cabina con tubos en U (Anillados) (Arbor or Wicket)
Este es un diseño especializado en el cual la superficie de calor radiante la proveen
tubos en U, que se conectan a los múltiples de entrada y salida. Este tipo de horno
esta especialmente adaptado para el calentamiento de flujos grandes de gas bajo
condiciones de baja caída de presión. Este diseño se usa mucho en el calentador
de carga al reformador catalítico, y en otros servicios de calentamiento. Los
quemadores están, usualmente, en piso, produciendo llama vertical, o en la pared,
con la llama horizontal entre los tubos en U. Las cargas típicas por arreglo de tubos
en U (Arbor coil), están entre 14.7 y 29.3 MW (50 y 100 MM Btu/h).
Los hornos tipo cabina con tubos orientados verticalmente ofrecen ahorros
considerables en inversión (Figuras 4.C y 4.D). Este arreglo permite utilizar una
velocidad másica relativamente baja en el proceso, debido a la gran cantidad de
pasos paralelos y con una buena distribución del fluido.
En algunos casos (Powerformer), la sección de radiación consiste en zonas
separadas para los servicios de precalentamiento y recalentamiento. Estas zonas
están separadas por una pared de ladrillos. Los gases de combustión de todas las
zonas de radiación pasan a través de una sección común de convección, la cual
efectúa usualmente un servicio de precalentamiento solamente. En este tipo de
horno las variaciones en las condiciones operacionales de los servicios
individuales deben ser consideradas cuidadosamente, debido a que las zonas de
recalentamiento también están provistas de calor para precalentar la zona de
convección. Este tipo de hornos han sido construidos en tamaños desde 20 hasta
120 MW (desde 70 hasta 400 MM BTU/h) de calor total absorbido.
Hornos tipo cabina con tubos horizontales (Horizontal Tube Cabin
Furnaces)
En la Figura 3. se muestra un horno de este tipo. La sección de radiación incluye
los tubos horizontales al lado de las paredes y en el techo inclinado del horno (“Hip
section”). La sección de convección se extiende sobre todo lo largo de la sección
de radiación. Los quemadores están normalmente ubicados en el piso del horno
en una fila por debajo del centro de la cabina y queman verticalmente, pero no es
extraño conseguir diseños con quemadores montados en las paredes extremas
ó intermedias, por debajo del serpentín.
Este tipo de hornos han sido construidos hasta de 150 MW (500 MM BTU/h) de
calor absorbido. Sin embargo, en tamaños más pequeños como 35 MW (120 MM
BTU/h), los hornos verticales–cilíndricos son mucho más económicos. Este diseño
altamente eficiente y económico, representa, actualmente la mayoría de
instalaciones nuevas de hornos con tubos horizontales.
Se han realizado algunas modificaciones en este tipo de horno para algunas
aplicaciones especiales:
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1. En hornos grandes, el uso de una pared central para enfriamiento de aire
(Figura 4.A), permite alrededor del doble del tamaño del horno para una
longitud de tubo dada. Esta configuración es usada cuando los tubos en la
zona de una celda de radiación sencilla son más largos de 24 m (80 pie),
o cuando la celda de radiación es de más de 15 m (50 pie) de alto. Los
quemadores están ubicados en el piso. Estos hornos se conocen como
hornos horizontales de caja de tubos de dos celdas. Las cargas típicas
están entre 29.3 y 87.9 MW (100 y 300 MM Btu/h).
2. Cuando se requiera dos zonas separadas de calentamiento en la sección
de radiación, se puede tener una pared divisoria central (Figura 4.B).
Dependiendo del tamaño del horno, el centro de la pared puede o no estar
recubierta con tubos. Los diferentes servicios pueden ser compatibles,
debido a que hasta cierto punto la quema en una sección afectará la
transferencia de calor en la otra sección. La máxima capacidad para un
servicio es 75% del diseño con el otro servicio a máxima capacidad, si
ambos servicios usan la sección de convección (o 50% del diseño). Si un
servicio es sacado fuera de operación, el horno debe pararse
completamente o se debe circular otro fluido para evitar que se quemen los
tubos del lado del servicio fuera de operación. Este arreglo permite control
individual de llama por cada zona del horno, además de poder tener tanto
quemadores ubicados en el piso (llama vertical), ó quemadores montados
en la pared (llama horizontal), a ambos lados de la pared divisoria. Estos
hornos de pared divisoria central, tienen cargas típicas entre 5.9 y 29.3
MW (20 y 100 MM Btu/h)
Hornos tipo caja con tubos verticales (Vertical Tube Box Furnaces)
Este diseño es propiedad de la Exxon y tiene ventajas sustanciales con respecto
a los diseños de otros fabricantes. Por ser un diseño propietario, sólo se hará una
descripción general, ya que no será cubierto en los MDP.
La Figura 5. muestra el caso típico de este tipo de hornos. En la zona de radiación,
los tubos están orientados verticalmente a lo largo de las cuatro paredes. Estos
tubos, al igual que en hornos verticales–cilíndricos y hornos con cabina, son
expuestos al fuego por un solo lado. Además, las filas de tubos verticales que
atraviesan el horno son expuestos por ambos lados al fuego emitido por los
quemadores ubicados en el piso. Estos tubos tienen un calor de entrada 50%
mayor que los tubos ubicados en la pared, aunque la densidad de calor pico es la
misma que en los tubos de la pared.
La adición de este tipo de tubos (two–side fired tubes) reduce el serpentín de
radiación lo cual resulta en una reducción significativa del volumen de la celda de
radiación, comparado con los hornos con cabina de tubos horizontales. Cada paso
de tubos tiene un número igual de tubos del centro y de pared, de tal forma que
la distribución de calor entre los pasos sea uniforme. Este tipo de horno es
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adecuado cuando se requiere el uso de quemadores de tiro forzado de gran
capacidad. Dos o tres quemadores proveen el calor requerido a cada celda que
por lo general fijan las dimensiones de la cámara de combustión. Una sección
horizontal de convección esta localizada encima de la sección de radiación.
Ocasionalmente, se pueden hacer variaciones en los arreglos de este tipo de
hornos. La variación más común consiste en instalar solamente los tubos
centrales expuestos al fuego por ambos lados. Estos tubos son usualmente
instalados en dos filas, paralelas a la sección de convección extendiéndose por
todo lo largo del horno, este último arreglo es parecido al utilizado en los hornos
de pirólisis.
Para una cantidad de calor requerida, el uso de estos tubos (two–side fired tubes)
requiere menor superficie (y una longitud de serpentín menor) que en hornos
convencionales, debido a que los primeros (two–side fired tube) absorben más
calor (50%) que los tubos de la pared (one–side fired wall tubes). Sin embargo, la
ventaja de un serpentín más corto requerirá la utilización de una sección de
radiación más larga. El uso de este tipo de tubos (two–side fired tubes) tiene
ventajas en los siguientes casos:
1. Alto costo del material de los tubos; por ejemplo, tubos gruesos de acero
inoxidable.
2. Cuando se requiere corto tiempo de residencia.
3. Cuando la caída de presión permisible en el serpentín es baja.
4. Cuando se requiera invertir para aumentar capacidad. (Los tubos de la
pared pueden ser añadidos posteriormente).
Hornos tipo caja con tubos horizontales (Horizontal Tube Box Furnaces)
La Figura 6. muestra el arreglo típico de un horno de este tipo. Las secciones de
radiación y convección están separadas por una pared llamada pared de ladrillo.
Los hornos más largos tienen dos secciones de radiación, con una sección de
convección común localizada entre ellas. Esto hace que la sección de convección
sea imposible de limpiar por métodos normales de soplado.
Los quemadores están ubicados al final de la pared y queman en dirección de la
pared de ladrillo. Los tubos están orientados horizontalmente y están expuestos
al fuego perpendicularmente. Estos hornos fueron muy populares en el pasado,
pero actualmente son obsoletos debido principalmente a su alto costo.
4.4
Selección y diseño de hornos
Tubos horizontales vs tubos verticales
El diseño ideal de un horno debería proveer radiación uniforme a todos los tubos
y a todos los lados de los tubos. Esto, obviamente, no se alcanza en los diseños
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reales. Desde este punto de vista, los hornos con tubos verticales están en
desventaja, ya que, al ser altos y delgados, con llama vertical desde el piso del
horno, hacen que la zona de radiación más intensa se concentre en la zona media
baja de la cámara de combustión (firebox). Debido a que los extremos de los tubos
están bastante más alejados de esta zona media baja que el medio de los tubos,
se espera tener grandes fluctuaciones en la velocidad de transferencia de calor
a lo largo de los tubos, particularmente con ajustes no tan ideales en quemadores.
Además, el flujo vertical en tubos puede producir varias condiciones indeseables.
A velocidades bajas y con baja vaporización, se generará una segregación del
vapor del líquido. Esto resultará en una alta concentración de líquido en los tubos
con flujo ascendente, y una alta concentración de vapor en tubos con flujo
descendente; esto, a su vez, producirá tubos con paredes calientes en los tubos
con flujo descendente, y una excesiva caída de presión. Cuando el horno se para,
ya que los tubos no pueden drenar, se requieren períodos excesivamente largos
de limpieza con vapor (“steam out”), para desalojar el horno. También puede
quedar agua atrapada en el arranque, y ésta puede arrastrarse como tapones a
medida que la temperatura y el flujo al horno aumentan, con la posibilidad que se
generen explosiones de vapor de agua.
Sin embargo, la sencillez de construcción (para los verticales cilíndricos), y la poca
área de planta que ocupan los hace muy competitivos desde el punto de vista de
inversión. Además, de acuerdo a los diseños especiales de hornos que una
compañía esté usando, hace que estos comentarios no sean lo suficientemente
definitivos: tal es el caso de EXXON, la cual, gracias a su diseño propietario de
hornos tipo caja con tubos verticales, tiene preferencia por hornos verticales, a
despecho de las desventajas presentadas anteriormente.
De acuerdo a lo presentado anteriormente, la escogencia entre hornos
horizontales ó verticales no es evidente. De preferencia, para cargas calóricas
grandes, usar hornos tipo cabina con tubos horizontales; para cargas pequeñas,
y si los patrones de flujo no se perturban demasiado, usar hornos verticales
cilíndricos con sección de convección horizontal. Además, los hornos verticales
cilíndricos son los más apropiados para servicios no críticos, como rehervidores
donde la carga de calor puede mantenerse constante sin reducir la flexibilidad de
la planta.
Comportamiento de un horno
El requerimiento fundamental para alcanzar un buen funcionamiento de un horno
es el diseño confiable del horno. Los requerimientos del diseño deben ser
adecuadamente interpretados. Esta base debe incluir todo lo referente al proceso
y a los factores mecánicos que estén involucrados en el diseño. También, se deben
considerar los requerimientos especiales que tengan que ver con una situación
específica. El funcionamiento satisfactorio de un horno puede ser medido
haciendo las siguientes combinaciones:
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Operabilidad – Es la medida más sencilla e importante del funcionamiento
del horno y se refiere a la habilidad del horno a alcanzar los requerimientos
del proceso con un factor de servicio aceptable.
Mantenimiento – Se debe considerar el costo y las horas hombres
requeridas para mantener el horno en buenas condiciones de operabilidad.
En muchos casos, el mantenimiento está basado en la experiencia de las
refinerías y la filosofía de inversión.
Retorno de la inversión incremental
Este factor afecta principalmente el área de tubos del horno, es decir, añade área
de transferencia de calor para aumentar la eficiencia y ahorrar combustible. Este
probablemente es el único tipo de inversión que puede ser evaluado
separadamente.
Factores que afectan la selección y diseño de hornos
Los factores que pueden ser considerados en el diseño de un horno son discutidos
a continuación y resumidos en la Tabla 3. Estas consideraciones afectarán el tipo
y tamaño del horno, el número de tubos y pasos, los materiales usados y la
eficiencia del horno.
Calor absorbido y tipo de servicio – Las principales consideraciones en
la selección de un tipo específico de horno son el calor absorbido y el tipo
de fluido (flujo líquido o parcialmente evaporado en función del vapor).
Debido a que la densidad del flujo de calor de radiación se define para
cualquier servicio, el tamaño físico del horno es proporcional al calor
absorbido. En la Figura 7. se muestra una guía para la selección de hornos.
Tipo de combustible – El combustible que se va a quemar en un horno
tiene un efecto importante en el diseño. Por tal razón, se debe decidir con
anticipación el tipo o tipos de combustibles que se quemarán antes de
comenzar con los cálculos detallados del diseño. Entre los factores
afectados por el tipo de combustible se encuentran:
1. Eficiencia del horno – El valor del combustible afectará la inversión
incremental del horno, la cual puede ser justificada para aumentar la
eficiencia.
2. Costo del horno – En general, el costo de inversión de un horno
diseñado para quemar combustible líquido pesado es 10–20% mayor
que el costo de inversión si sólo se quema gas. Esto se debe
principalmente a la inversión que representan los sopladores.
3. Superficie extendida en la sección de convección – Los tubos con
aletas se ensucian fácilmente por lo que este tipo de tubos se deben usar
cuando sólo se queme gas (o combustible líquidos muy livianos). Los
tubos (studded) pueden ser usados si el combustible es más pesado que
900 kg/m3 (25°API) a 15°C (60°F).
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4. Limpieza de la sección de convección – Si el combustible contiene
más de 0.1 g/kg (0.01% en peso) de cenizas, se deben instalar
sopladores de hollín para mantener limpios los tubos de convección.
5. Tipos de quemadores – La quema de gas se hace usualmente con
quemadores de tiro natural. Este tipo de quemadores son fáciles de
operar y mantener, además la combustión es buena y la atenuación del
ruido es fácilmente controlada con silenciadores primarios y cámaras de
distribución.
Para reducir estos problemas, cuando se esté quemando aceite se
deben usar quemadores de tiro forzado. Con este tipo de quemadores
se logra una mejor combustión, el mantenimiento y la atención de la
operación se reducen y el ruido es fácilmente atenuado. El sistema de
tiro forzado es adaptable al control de computadoras.
6. Arreglo de la sección de radiación y convección – Para quemar
combustibles líquidos se requieren mayores espacios libres entre los
quemadores y los tubos, comparado con combustibles gaseosos,
debido a que en la quema de combustibles líquidos la llama producida
es mucho más larga. La velocidad másica de los gases de escape en la
sección de convección debe ser diseñada más baja cuando se queman
líquidos que cuando se quema gas, debido al mayor potencial de
ensuciamiento del combustible líquido.
7. Exceso de aire de diseño – Para obtener combustión completa del
combustible se requiere una cantidad de aire de combustión mayor que
el requerido teóricamente para combustión completa. Esto es causado
por variaciones en la distribución de aire y combustible a cada
quemador, y la mezcla imperfecta del aire y combustible en el quemador
y en la llama. Por tal razón, se debe suplir aire en exceso a fin de obtener
una buena combustión. Sin embargo, no se debe suministrar más aire
en exceso que el requerido, ya que esto implica pérdidas de combustible
debido a que el aire adicional debe ser calentado y venteado por la
chimenea con lo cual se malgasta combustible.
Todos los diseños de hornos con tiro forzado o tiro natural y que quemen
gas combustible deben basarse en 20% de exceso de aire. Por otro lado,
los diseños de hornos con tiro natural y que queman combustible líquido
o una combinación de gas/líquido, presentan grandes dificultades para
un buen mezclado, por tal razón, para este tipo de diseño se debe tomar
en cuenta un 30% de exceso de aire.
8. Materiales corrosivos – Si el combustible a ser quemado contiene altas
concentraciones de materiales corrosivos, tales como vanadio, sodio o
azufre; se requerirá de materiales especiales para el refractario y los
soportes de los tubos.
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La temperatura de diseño del metal de los tubos debe ser mantenida por
debajo de 620°C (1150°F), si el combustible contiene más de 40 mg/kg
(40 ppm) de vanadio y sodio.
9. Corrosión en sitios fríos – Con el fin de evitar la corrosión en sitios fríos,
se debe tomar en consideración la temperatura del metal y las
temperaturas de entrada de la carga cuando estas estén entre
120–150°C (250–300°F). Cuando se queman combustibles que
contienen azufre, parte de este azufre se convierte en trióxido de azufre
(SO3), el cual se combina con vapores de agua formando ácido sulfúrico,
el cual permanece en forma gaseosa mientras su temperatura esté por
encima de su punto de condensación y se condensa en áreas
relativamente frías, (entre 120–150°C) (250–300°F) causando corrosión
en el metal. Las superficies más propicias a ser afectadas son los lados
aguas abajo de la sección de convección, debido a que como sólo ocurre
una pequeña transferencia de calor, la temperatura del metal de los
tubos es muy cercana a la temperatura del fluido del proceso.
Temperatura de chimenea – El valor económico de la temperatura de la
chimenea es una función del valor del combustible, de la temperatura de
entrada del fluido del proceso, del costo de inversión incremental de la
sección de convección y del coeficiente requerido para el retorno de la
inversión incremental.
A medida que la temperatura de la chimenea se reduce, el calor es
desviado de la zona de radiación a la sección de convección. De esta
manera, mientras que la inversión en la sección de convección y chimenea
aumentan, hay una compensación bajando la inversión de la zona de
radiación. Estos conceptos también pueden utilizarse en hornos donde el
calor de radiación sea fijo (tales como craqueos con vapor y reformadores),
si el incremento en el calor de convección reduce la inversión requerida
para otro equipo.
Es importante que, cuando se esté fijando este valor para nuevas
instalaciones ó para instalaciones a ser remodeladas, se haga un trabajo
conjunto con los grupos de Estimación de Costos, ya que pueden existir
ahorros importantes en equipos tan costosos como lo son los hornos de
proceso.
Condiciones operacionales y características de fluido en servicios de
puro líquido o con vaporización – Estos hornos son diseñados para
minimizar la formación de coque. A temperaturas de película por encima
de 350°C (660°F) aproximadamente (usualmente equivale a una
temperatura volumétrica de fluido por encima de 315°C (600°F)), se da
origen a craqueo del lado interno de la pared del tubo. Los hidrocarburos
son craqueados y una película de coque se forma gradualmente. Esta
película produce una alta caída de presión a través del serpentín y altas
temperaturas del metal del tubo. Estos dos factores deben tomarse en
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cuenta en el diseño. Tarde o temprano, todos los hornos en estos servicios
deben decoquificarse.
A fin de minimizar la diferencia entre la temperatura volumétrica del fluido
y la temperatura de la película es necesario un coeficiente de película alto,
el cual es obtenido manteniendo condiciones de flujo turbulento dentro del
tubo. Mientras más grande sea la velocidad másica, mayor será el
coeficiente de transferencia de calor.
Sin embargo, si la velocidad másica es muy alta causará una caída de
presión elevada en el serpentín, lo que implica alto costo por bombeo,
aumento en la presión de diseño del equipo aguas arriba y posible erosión
en los retornos de los tubos. Para servicios convencionales de
hidrocarburos (líquidos o vaporizados), la velocidad másica de diseño es
mantenida en el rango de 1200 a 1700 kg/s–m2 (250 a 350 lb/s–pie2). Este
rango ha demostrado en la práctica ser satisfactorio para hornos que
tengan flujos verticales u horizontales. En el documento
PDVSA–MDP–05–F–02, se dan algunas recomendaciones específicas
sobre velocidad másica.
En condiciones por debajo del rango de operación, la velocidad másica
debe mantenerse por encima de 730 kg/s–m2 (150 lb/s–pie2). Esto puede
resultar en una alta velocidad másica a las condiciones de diseño (asociado
con bajos costos) en hornos diseñados para un alto rango de operabilidad
o donde se hace una inversión para aumentar sustancialmente la carga del
horno. Recircular a través del horno puede considerarse para mantener la
velocidad másica en condiciones del rango de operación (turndown) y
evitar alta caída de presión en condiciones de diseño. En general, un diseño
con un rango de operación menor de 60% de la carga de diseño produce
un sobre costo.
En algunas situaciones, tales como a la salida de un horno de vacío, no es
posible mantener esta velocidad másica alta. Debido a la baja presión y al
alto volumen específico del gas, si la velocidad másica es alta se puede
alcanzar la velocidad crítica (o sónica) a la salida del horno. Esto puede
causar erosión en los tubos del horno o en la línea de transferencia y
oxidación del fluido (lo cual puede perturbar el fraccionamiento en la torre).
Para evitar estos problemas, los hornos de vacío y las líneas de
transferencia son diseñadas para velocidades por debajo de 80% de la
velocidad crítica (Ver documento PDVSA–MDP–05–F–04).
Este método requiere reducir el valor del diseño de la velocidad másica en
la salida de los tubos a un valor entre 580–730 kg/s–m2 (120–150
lb/s–pie2), pero no puede ser menor que 440 kg/s–m2 (90 lb/s–pie2) bajo
condiciones de “turndown”. Para evitar la velocidad crítica, es preferible
bajar la velocidad másica a la salida de los tubos en hornos de vacío que
aumentar la presión a la salida del serpentín. Esto último también evita el
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problema, pero al suprimir la vaporización hace que la temperatura
requerida a la salida del serpentín aumente excesivamente. Aun con esta
reducción en velocidad másica, la coquificación no es un problema a la
salida de los tubos, debido a la alta velocidad lineal y al poco tiempo de
residencia. En el diseño de la línea de transferencia, se debe asegurar que
la caída de presión no sea mayor que la requerida actualmente, ya que una
caída de presión excesiva en la línea de transferencia puede causar baja
velocidad lineal y alto tiempo de residencia, lo que se traduce en la
formación rápida de coque.
Además de los criterios de velocidad másica, los hornos de vacío de las
plantas de lubricantes también deben cumplir con los criterios de tiempo de
residencia/temperatura para evitar degradación de los productos
lubricantes.
Un coeficiente de película alto no necesariamente garantiza un diseño
satisfactorio. Si el calor transferido a cualquier punto es demasiado grande,
la vaporización en la superficie será tan rápida que se producirá una capa
de vapor por todo el área. La superficie será cubierta de burbujas de vapor,
las cuales no pueden ser removidas por el líquido. Por tal razón, el
coeficiente de película efectivo disminuye lo que resulta en temperaturas
excesivas en los tubos y en la película y la rápida formación de coque. Para
servicios típicos de vaporización de hidrocarburos la tasa máxima
permisible de transferencia de calor es 110 kW/m2 (35000 BTU/h–pie2)
antes de que se produzca sobrecalentamiento (asumiendo una velocidad
másica adecuada).
La transferencia de calor no es uniforme a través de la zona de radiación.
La densidad calórica promedio está entre 40–50% del máximo para tubos
expuestos al fuego por un sólo lado; esta mala distribución está
determinada por la geometría del horno. Por lo tanto, el diseño y operación
del horno debe basarse en densidades calóricas suficientemente
pequeñas a fin de obtener la densidad máxima permisible. En el documento
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se detallan las recomendaciones sobre la
densidad calórica promedio. Seguidamente, al igual que otros criterios
recomendados en el diseño de hornos, se asegura que la densidad calórica
máxima será la más adecuada.
A fin de evitar formación de coque o problemas de ensuciamiento, se debe
evitar la condición de ir al punto seco del serpentín. El material que no se
vaporice puede adherirse en el punto seco del tubo y causar grandes
obstrucciones. Este material extraño o polímero pudo formarse durante el
almacenaje. Este tipo de hornos deben diseñarse de tal forma que el punto
seco queda fuera de la zona de calentamiento. El límite de la máxima
evaporación en el serpentín debe ser 80%.
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Por otro lado, cuando un destilado es alimentado directamente al horno (sin
almacenaje intermedio), el riesgo que se corre de ir al punto seco es
mínimo, debido a que el destilado ha sido vaporizado completamente.
El criterio normal para el diseño de servicios de vaporización puede que no
sea aplicable a fluidos con un solo componente en tubos horizontales. El
flujo estratificado, derivado de temperaturas excesivas en el metal del tubo,
ha sido encontrado en hornos que operan cerca de la interfase entre flujo
tapón y burbuja o espumoso (Ver PDVSA–MDP–(Pendiente) (Consultar
MDP versión 1986, Subsección 14C)).
Hornos en servicios para puro vapor – Los hornos con flujo de puro
vapor no son susceptibles a los problemas severos de coquificación,
debido a la naturaleza ligera del fluido del proceso. Con la velocidad
máxima a condiciones de diseño se puede obtener un coeficiente fílmico
adecuado cuando las velocidades másicas están entre 75 y 490 kg/s–m2
(entre 15 y 100 lb/s–pie2). A velocidades más altas, como las usadas en
servicios de vaporización, se puede dar origen a caídas de presión altas en
flujo puro–vapor. Estos ∆P altos no son económicos en circuitos con
compresores.
Hornos de servicio múltiple – En muchos casos, se pueden incluir dos
o más servicios en un mismo horno, con ahorros sustanciales en la
inversión. Esto aplica para hornos con cabina y del tipo cilíndrico–vertical.
Con el propósito de proporcionar flexibilidad y control de la operación de
cada servicio, los mismos deben estar separados por una pared interna
refractaria.
Si un servicio opera a 100% de su capacidad, el otro u otros servicios
pueden reducirse a 75% de la capacidad de diseño; asumiendo que todos
los servicios están integrados adecuadamente en la sección de
convección. Todos los servicios pueden reducirse al 50% del diseño en la
sección de radiación. Los hornos con cajas verticales también pueden ser
usados para dos servicios. En este caso no se requiere la pared con
refractario interno entre los dos servicios.
Hornos de alta presión – Para el diseño de hornos de alta presión, 7000
kPa (1000 psig) manométricos y mayores, se requieren tomar
consideraciones mucho más conservadoras que para el diseño de hornos
de baja presión, debido a los daños potenciales ocasionados por fallas en
los tubos. Por tal razón, se deben tomar en cuenta los siguientes
requerimientos mínimos a fin de reducir la probabilidad de falla de un tubo
y minimizar los daños posteriores:
1. Minimizar el riesgo de llamas tocando los tubos y alta temperatura del
metal del tubo con buenas dimensiones de la cámara de combustión.
También puede considerar la quema por ambos lados del tubo y no
quemar aceite combustible.
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2. Usar la Sección 1 del Código ASME para determinar el espesor mínimo
de los tubos de la pared. A fin de asegurar que este espesor es adecuado
con respecto a tensiones térmicas, relajación, fatiga, etc.; se deben
revisar los cálculos..
3. Usar diámetros de tubo pequeños, 100 mm (4 pulg) D.I. máx. para limitar
la velocidad de descarga en caso de fallas de tubos.
4. Incorporar un sistema de alivio en la cámara de combustión, para
mantener la presión dentro de la capacidad estructural del horno en caso
de cualquier falla.
5. Suministrar válvulas que se operen con control remoto a la entrada y
salida para aislar el horno del proceso en caso de fallas de tubos. Ubicar
las válvulas de tal forma que queden protegidas del horno y permitan el
acceso en caso de falla. Las válvulas de retención no son recomendadas
para propósitos de aislamiento del horno.
4.5
Gráficas para cálculos de combustión
Combustibles líquidos
La Figura 8. presenta los calores de combustión de los combustibles líquidos y de
las fracciones de petróleo en función de la gravedad API. Se muestran tanto los
valores caloríficos superiores, (PCS) (HHV) e inferiores (PCI) (LHV). Estos valores
han sido corregidos en base al efecto promedio de impurezas (diferentes al agua)
que se encuentran usualmente en los combustibles líquidos. Estas impurezas
promedio son bastante representativas, aunque pudiese haber desviaciones
apreciables para un combustible en particular. En general, los valores caloríficos
de los combustibles líquidos promedio se encuentran dentro del 1% de diferencia
con los valores obtenidos con las curvas. En el caso que se desee hacer cálculos
en forma automatizada, en el Manual de datos técnicos del API, capítulo 14, se
presenta el procedimiento 14A1.3, el cual incluye, además, ecuaciones para
corregir por impurezas.
Las Figuras 12., 13., 14., 15. y 16. proporcionan el calor disponible para la
combustión a 15°C (60°F) de los combustibles líquidos con gravedades de 0, 5,
10, 15 y 20 °API), respectivamente. Debido a que estos gráficos difieren
ligeramente unos de otros, no es necesario interpolar. El calor disponible a una
temperatura y un porcentaje de exceso de aire dados puede leerse en la figura
para los combustibles líquidos cuya densidad sea semejante a la del combustible
líquido en cuestión. Si se sabe que las impurezas difieren apreciablemente de las
consideradas para los combustibles promedio en la Figura 8., se puede corregir
el calor disponible en proporción directa a la porción de hidrocarburo del
combustible, considerando el azufre como material inerte.
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Combustibles gaseosos
La Figura 9. proporciona los calores de combustión para gases parafínicos y
olefínicos, en función del peso molecular. Los calores de combustión de los
componentes puros que usualmente se encuentran en los gases combustibles se
muestran en la tabla siguiente:
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Componente
PCS (HHV)
Hidrógeno
Monóxido de carbono
Sulfuro de hidrógeno
Metano
Etano
Etileno
Propano
Propileno
Butano
Butileno
NOTA:
142.0
10.0
17.4
55.6
51.9
50.2
50.2
48.8
49.5
48.4
PCI (LHV)
120.0
10.0
16.0
50.0
47.4
47.2
46.3
45.8
45.8
45.4
Para obtener los valores en BTU/lb, multiplicar por 429.953
De la figura 17. a la 20. se presenta el calor disponible para la combustión a 15°C
(60°F) de combustibles gaseosos con varios valores caloríficos. Estas curvas
representan combustibles típicos de refinería como lo son las mezclas de H2,
hidrocarburos e inertes. Dichas curvas no representan mezclas que constituyen
esencialmente hidrocarburos puros (p. ej. gas natural).
Propiedades del gas de chimenea
Las Figuras 10.A., 10.B., 11.A. y 11.B., presentan las entalpías de los
componentes del gas de chimenea. Las Figuras 21.A. y 21.B. suministra el
contenido de dióxido de carbono en el gas de chimenea para la combustión de
varios combustibles como función del porcentaje de exceso de aire. En el caso que
se desee hacer cálculos en forma automatizada, en el Manual de datos técnicos
del API, capítulo 14, se presenta la ecuación 14–0.4, la cual permite obtener dicho
contenido como un porcentaje molar, pero requiere conocer el contenido de
inertes, relación C/H y contenido de azufre. Las Figuras 22.A. y 22.B. proporcionan
la masa de gas de chimenea por unidad de masa de combustible en función del
porcentaje en exceso de aire. En el caso que se desee hacer cálculos en forma
automatizada, en el Manual de datos técnicos del API, capítulo 14, se presenta la
ecuación 14–0.3, la cual permite obtener dicho valor como masa de gas de
chimenea por unidad de masa de combustible, pero requiere conocer el contenido
de inertes, relación C/H y contenido de azufre.
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El efecto del porcentaje en exceso de aire sobre las propiedades físicas del gas
de chimenea no está claro. Por lo tanto, ha sido despreciado en las Figuras 23.y
24., las cuales suministran las viscosidades y conductividades térmicas,
respectivamente, del gas de chimenea en función sólo de la temperatura.
4.6
Programas de computación para cálculos/simulación de hornos
Existen, en el mercado, compañías dedicadas a la investigación y desarrollo en
el área de hornos y calderas de fuego directo y el uso de la tecnología de
computación aplicada al desarrollo de “Software“ para la evaluación de este tipo
de equipos.
Entre estas compañías se encuentran PFR y HTRI (Heat Transfer Research
Institute), con la serie de programas de HTRI.
4.6.1
Heat Transfer Research Institute (HTRI):
Los programas de HTRI son el “estándar de facto” para diseño de
intercambiadores de calor. PDVSA adquirió toda la serie de programas de HTRI,
para tenerlos disponibles a nivel corporativo. Aún cuando la experticia principal de
HTRI está en intercambiadores de calor, ha hecho una reciente incursión en el
cálculo de hornos con el programa “FH–0”, el cual simula el comportamiento de
un horno existente, además de hacer cálculos de combustión con cualquier tipo
de combustible.
Este programa es útil para resolver problemas operativos, evaluar diseños
competitivos de vendedores, evaluar cambios para remodelar hornos viejos, etc.
4.6.2
PFR:
Esta compañía se presenta con el programa “FRNC–5”, el cual simula y predice
la eficiencia de la mayoría de los hornos y calderas de fuego directo que se
encuentran en instalaciones de refinación de petróleo, plantas petroquímicas y en
esquemas de cogeneración. La mayoría de las partes de un horno pueden
simularse, incluyendo secciones de convección en hogares (fireboxes) múltiples,
ductos, chimeneas, muchas configuraciones de serpentines, tipos variados de
tubos y aletas, líneas de transferencia, múltiples (manifolds) y aditamentos de
tuberías.
El enfoque riguroso de simulación empleado por este programa sigue a las
corrientes del proceso y de los gases de combustión a medida que pasan por cada
serpentín y sección del horno, permitiendo determinar en forma precisa lo
siguiente:
1.
Eficiencia global del horno y del hogar ó cámara de combustión (firebox)
2.
Temperaturas del gas de combustión saliendo de la cámara de combustión,
y entrando a la chimenea
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3.
Densidades de flujos pico, promedio convectivo y radiante local, de calor.
4.
Determinación de regímenes de ebullición y de flujo bifásico.
5.
Transferencia de calor y caída de presión en flujo bifásico
6.
Transferencia de calor y tiro del lado de las llamas
7.
Presencia de flujo estrangulado (“choked”), tubos secos o corrosión
potencial por extremos fríos.
Este programa está disponible a través de TEIG (Dpto de Ingeniería General), en
INTEVEP, S.A.
5
APENDICES
Tabla 1
Tabla 2
Tabla 3
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Figura 6
Figura 7
Figura 8
Figura 9
Figura 10A
Figura 10B
Figura 11A
Figura 11B
Figura 12
Figura 13
Figura 14
Lista de puntos cubiertos normalmente en las especificaciones de
hornos
LIsta de puntos cubiertos en las especificaciones de servicios de
hornos
Factores que afectan el diseño y seleccion de hornos
Hornos – verticales cilíndricos
Horno vertical – cilíndrico con sección de convección horizontal
Hornos con tubos horizontales
Variaciones en hornos tipo cabina
Horno tipo caja con tubos verticales
Horno tipo caja con tubos horizontales con ala sencilla
Guía para la selección de hornos
Calor de combustión de aceites combustibles y fracciones de
petróleo
Calor de combustión para gases parafínicos y oleofínicos
Entalpía de los componentes del gas de chimenea a bajas
presiones (H2O, CO, CO2, SO2)
Entalpía de los componentes del gas de chimenea a bajas
presiones (H2O, CO, CO2, SO2) (Cont.)
Entalpía de los componentes del gas de chimenea a bajas
presiones (aire, O2, nO2)
Entalpía de los componentes del gas de chimenea a bajas
presiones (aire, O2, nO2) (Cont.)
Calor disponible por combustión de aceite combustible (0°API)
Calor disponible por combustión de aceite combustible (5°API)
Calor disponible por combustión de aceite combustible (10°API)
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Figura 15
Figura 16
Figura 17
Figura 18
Figura 19
Figura 20
Figura 21A
Figura 21B
Figura
Figura
Figura
Figura
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Calor disponible por combustión de aceite combustible (15°API)
Calor disponible por combustión de aceite combustible (20°API)
Calor disponible por la combustion de gas combustible de
refinería
Calor disponible por la combustión de gas combustible de
refinería
Calor disponible por la combustión de gas combustible de
refineriía
Calor disponible por la combustión de gas combustible de
refinería
Contenido de dióxido de carbono en el gas de chimenea
(unidades métricas)
Contenido de dióxido de carbono en el gas de chimenea
(unidades metricas) (cont.)
kg de gas de chimenea por kg de combustible
lb de gas de chimenea por lb de combustible
Viscosidad absoluta del gas de chimenea a 1 atm
Conductividad térmica del gas de chimenea a 1 atm
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TABLA 1. LISTA DE PUNTOS CUBIERTOS NORMALMENTE EN LAS
ESPECIFICACIONES DE HORNOS
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a. Fluido del proceso
Condiciones Operacionales
f. Condiciones para cada sección de tubos: (radiación,
convección, vapor sobrecalentado)
1. Carga
1. Densidad
2. Porcentaje de vaporización a la entrada y
calórica
promedio
(superficies
extendidas basadas en área externa total)
salida
2. Temperaturas de entrada y salida de la sección
3. Calor absorbido (Heat Duty)
3. Presiones de entrada y salida de la sección
b. Vapor sobrecalentado (si existe)
4. Temperatura de gases de combustión, a la salida
de cada sección (temp. de la chimenea). Estas
1. Carga
temperaturas también son usadas para diseñar
2. Calor absorbido
los tubos soportes de la sección de convección
c. Calor absorbido total y calor suministrado (PCI)
g. Temperatura de diseño del refractario caliente
d. Porcentaje exceso de aire en chimenea consumido por
quemador
e. Eficiencia (basada en poder calorífico inferior)
a. Número y D.E.: radiación, tubos de choque, convección
(tubos lisos y de superficie extendida) y vapor
h. Espacio centro–a–pared (1)
b. Número de pasos: radiación, protección, convección y
vapor
c. Número de tubos por fila: protección, convección y
vapor (1)
Espacio centro–a–centro de quemadores (1)
j.
Materiales
k. Detalles de tubos enroscados (longitud, diámetro, números
l.
e. Longitud expuesta
Area expuesta, incluyendo superficie extendida
i.
por fila, espacio por fila, material)
d. Espesor promedio (o mínimo) de la pared
f.
Tubos
g. Espacio centro–a–centro (1)
Detalle de tubos con aletas (altura, espesor, separación,
material)
m. Prueba hidrostática del serpentín (4)
Cabezales
a. Tipo
c. Ubicación: Dentro y fuera de la cámara de combustión
b. Materiales: normalmente igual que los tubos (los
(radiación dentro y convección fuera de la cámara)
cabezales de convección pueden ser de material de baja
aleación cuando los tubos son de grado alto, siempre y
cuando esté basado en temperaturas altas del metal
causadas por superficies extendidas).
a. Sección de radiación
Dimensiones (1)
d. Espacio de sopladores de hollín en la sección de convección
b. Sección de convección (incluyendo desviadores)
c. Elevación aprox. del piso del horno (la quema de fondo
requiere 2.0 m (6 pie–6 pulg) de espacio libre piso del
horno a aprox. 3.6 m (12 pie–0 pulg) por encima de los
quemadores de tiro forzado)
e. Ubicación de puntos de observación
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TABLA 1 (Cont.)
Chimenea (1)
d. Area de la sección transversal y arreglos del ducto a la
a. Ubicación
chimenea
b. Diámetro interno de la salida
e. Tiro requerido por encima de la sección de convección, si el
c. Altura por encima de la sección de convección
vendedor diseña cualquier parte del ducto o chimenea
Seguridad y misceláneos (Ver PDVSA–MID–L–TP–2.7)
a. Medidas contra fallas de alimentación o de combustible c. Refractario especial y requerimientos de soportes de tubos.
(3)
b. Previsiones para purgar con vapor la
cámara de
combustión
a.
Fabricación
Quemadores (Ver PDVSA–MID–L–TP–2.7)
f. Ubicación (1)
b. Tiro (tiro natural o forzado, combinación de combustible
gas/aceite)
c. Modelo del quemador
d. Tamaño
g. Flujo normal y máx. de combustible
h. Tiro mínimo en el nivel del quemador
i.
Protecciones de los quemadores (pilotos) (4)
j.
Plenum Chambers, si se requieren
e. Número
Combustible Aceite
f. Presión del vapor de atomización a quemadores
a. Requerimiento total
b. Densidad (4)
g. Contenido de sólidos y/o componentes corrosivos (4) (V, Na,
S, Cenizas)
c. Temperatura de aceite en el quemador
h. Poder calorífico inferior y superior(PCI, PCS)
d. Viscosidad del aceite en el quemador
e. Presión en el quemador
Combustible Gas
d. Componentes corrosivos (S)(4)
a. Requerimientos totales
b. Presión y temperatura en los quemadores
e. Peso molecular
c. Poder calorífico inferior y superior (PCI, PCS)
Instrumentos (3)(5)
a. Controles de temperatura a la salida del serpentín
e. Analizador del oxígeno (especificado en la sección de
instrumentos)
b. Puntos de temperatura del metal del tubo
c. Puntos de presión y temperatura del fluido
f.
Controles del tiro forzado
d. Tiro manométrico
g. Sistema de parada de emergencia
Decoquificación Aire–Vapor
a. Proporcionados para expansión térmica (4)
b. Diseño del sistema de decoquificación (3)
a. Tipo (retractable)
Sopladores de Hollín (Ver PDVSA–MID–L–TP–2.7)
d. Presión y cantidad de vapor (Nota en sección de hornos: si
es menor que 1720 kPa (250 psig) manométricos
b. Número
c. Ubicación (1)
Plataformas (Ver PDVSA–MID–L–TP–2.7)
Cualquier requerimiento adicional referente a plataformas y accesos debe ser especificado (4).
Sistema de Tiro Forzado
Consultar PDVSA–MDP–05–F–05
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TABLA 1 (Cont.)
NOTAS
1. Puntos mostrados en dibujo del horno
2. Eliminada
3. Cubierto en el diagrama de flujo
4. Información requerida PDVSA–MID–L–TP–2.7
5. Los instrumentos son mostrados en el diagrama de flujo. También se encuentran en el dibujo del
horno.
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TABLA 2. LISTA DE PUNTOS CUBIERTOS EN LAS ESPECIFICACIONES DE
SERVICIOS DE HORNOS
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Calor del Combustible
Incluye cualquier servicio requerido para
flexibilidad.
Combustible Quemado, Temperatura
Chimenea, PCI y Eficiencia
(Factores con los cuales el fabricante puede
desarrollar el diseño económico)
Densidad Calórica Máxima Permisible
Para cada sección sobre la base de tubos
lisos
Diseño del Porcentaje de Exceso de Aire
Características de la Alimentación
Quemadores
a. Tipo
b. Pilotos requeridos
c. Tipo de control requerido contra el ruido
Combustible(s)
a. Flujo requerido
b. Características (PCI, PCS, *Densidad, etc.)
c. Condiciones
operacionales
en
los
quemadores
(temperatura y presión del
combustible, presión de atomización del
(Tipo, gravedad, viscosidad, temperatura,
curvas de entalpía, etc).
Condiciones Operacionales
A. Flujo de alimentación
B. Presión y temperatura de entrada
C. Presión y temperatura de salida
D. Vaporización a la salida del serpentín
vapor, etc).
d. Características del combustible de los pilotos
e. *Cantidad de V, Na, S y cenizas en aceites
combustibles
Instrumentos Requeridos
(PDVSA–MID–K–337)
a. Termopozos e indicadores de temperatura
Descoquificación Aire–Vapor
a. *Márgen de seguridad para expansiones
térmicas
Limpieza de la Sección de Convección
E. Caída de presión mínima y máxima (limpia y a. *Sopladores de hollín requeridos si
el
con carbón)
combustible contiene más de 0.1 g/kg (0,01 %
F. Velocidad másica mínima Limpieza de la
Sección de Convección
Tubos
A. Diámetro externo (D.E.)
B. Materiales
C. Corrosión permitida y/o vida útil requerida
peso) de cenizas
1. Tipo de sopladores (retractable)
2. Presión de vapor para los sopladores
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TABLA 2 (Cont.)
Chimenea
A. Altura (altura mínima requerida por Manual de Ingeniería de Diseño
consideraciones de contaminación ambiental
o por cercanía a estructuras o edificios)
B. Temperatura de diseño para el aire en verano. a. PDVSA–MID–L–TP–2.7,
Hornos
de
Procesos, Requisicion, análisis de ofertas y
detalles de compra
b. Otros relacionados con Hornos de Procesos,
como B–201–PR
“Calentadores de fuego
directo”, K–337
“Instrumentación para
Hornos”, etc.
* Información requerida por
PDVSA–MID–L–TP–2.7
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TABLA 3. FACTORES QUE AFECTAN EL DISEÑO Y SELECCION DE HORNOS
Consideraciones de Diseño
Observaciones
Tipo de Servicio (fluido deseado)
Requieren velocidad máxima adecuada para minimizar formación
de coque
S
S
S
Puro líquido
Vaporización (70–80% máx. dentro del serpentín)
Puro Vapor
Carga Calórica
Condiciones operacionales
S
S
Flujo de alimentación
Normalmente no coquifica; velocidad másica baja para ∆P mín.
Determina el tipo de horno
Afecta tamaño de tubos y número de pasos
Condiciones de entrada y salida
– Propiedades
– Temperatura
– Presión
Alta presión, 7000 kPa man. (1000 psig), requiere
consideraciones especiales
– Vaporización
Para evitar sobrevaporización se debe minimizar la entrada de
vapor en hornos multipasos
– Composición
Los fluidos con un solo componente requieren consideraciones
especiales en servicios de vaporización
Características del Fluido
S
S
S
S
S
Coquificación
Estabilidad del calor
Es importante el tiempo de residencia/temperatura
Corrosividad
Afecta el material del tubo requerido
Contenido H2/H2S
Viscosidad
Alta viscosidad origina un bajo coeficiente fílmico
Combustibles
Gas y/o líquido
Afecta la superficie de la sección de convección, su limpieza y
Componentes corrosivos
Afecta el soporte de los tubos y el material refractario
Costo
Afecta la eficiencia del horno
tipo de quemadores
Afecta la justificación de un precalentador de aire
Requerimientos Especiales
S
S
S
S
S
S
Alto rango de operación
Geometría del horno, velocidad másica, ∆P
Pre–inversión
Se consideran dos grupos de condiciones
Limitaciones de espacio
Tipo de horno
Requerimientos especiales de refinería
Experiencia operacional y en mantenimiento
Contaminación ambiental, concentración de SO2
Altura de la chimenea
Ruido
Muflas, quemadores de tiro forzado.
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Fig 1. HORNOS – VERTICALES CILINDRICOS
TUBOS DE
CONVECCION
ALETEADOS
Manga
deflectora
ZONA DE
COMBUSTION
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Fig 2. HORNO VERTICAL – CILINDRICO CON SECCION DE CONVECCION
HORIZONTAL
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Fig 3. HORNOS CON TUBOS HORIZONTALES
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Fig 4. VARIACIONES EN HORNOS TIPO CABINA
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Fig 5. HORNO TIPO CAJA CON TUBOS VERTICALES
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Fig 6. HORNO TIPO CAJA CON TUBOS HORIZONTALES CON ALA SENCILLA
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Fig 7. GUIA PARA LA SELECCION DE HORNOS
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Fig 8. CALOR DE COMBUSTION DE ACEITES COMBUSTIBLES Y FRACCIONES DE
PETROLEO
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Fig 9. CALOR DE COMBUSTION PARA GASES PARAFINICOS Y OLEOFINICOS
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Fig 10.A ENTALPIA DE LOS COMPONENTES DEL GAS DE CHIMENEA A BAJAS
PRESIONES (H2O, CO, CO2, SO2)
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Fig 10.B ENTALPIA DE LOS COMPONENTES DEL GAS DE CHIMENEA A BAJAS
PRESIONES (H2O, CO, CO2, SO2) (CONT.)
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Fig 11.A ENTALPIA DE LOS COMPONENTES DEL GAS DE CHIMENEA A BAJAS
PRESIONES (AIRE, O2, NO2)
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Fig 11.B ENTALPIA DE LOS COMPONENTES DEL GAS DE CHIMENEA A BAJAS
PRESIONES (AIRE, O2, NO2) (CONT.)
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Fig 12. CALOR DISPONIBLE POR COMBUSTION DE ACEITE COMBUSTIBLE (0°API)
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Fig 13. CALOR DISPONIBLE POR COMBUSTION DE ACEITE COMBUSTIBLE (5°API)
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Indice norma
Fig 14. CALOR DISPONIBLE POR COMBUSTION DE ACEITE COMBUSTIBLE (10°API)
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Indice norma
Fig 15. CALOR DISPONIBLE POR COMBUSTION DE ACEITE COMBUSTIBLE (15°API)
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Indice norma
Fig 16. CALOR DISPONIBLE POR COMBUSTION DE ACEITE COMBUSTIBLE (20°API)
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Indice norma
Fig 17. CALOR DISPONIBLE POR LA COMBUSTION DE GAS COMBUSTIBLE DE
REFINERIA*
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Fig 18. CALOR DISPONIBLE POR LA COMBUSTION DE GAS COMBUSTIBLE DE
REFINERIA*
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Fig 19. CALOR DISPONIBLE POR LA COMBUSTION DE GAS COMBUSTIBLE DE
REFINERIA*
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Fig 20. CALOR DISPONIBLE POR LA COMBUSTION DE GAS COMBUSTIBLE DE
REFINERIA*
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Fig 21.A CONTENIDO DE DIOXIDO DE CARBONO EN EL GAS DE CHIMENEA
(UNIDADES METRICAS)
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Fig 21.B CONTENIDO DE DIOXIDO DE CARBONO EN EL GAS DE CHIMENEA
(UNIDADES METRICAS) (CONT.)
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Fig 22.A KG DE GAS DE CHIMENEA POR KG DE COMBUSTIBLE
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Fig 22.B LB DE GAS DE CHIMENEA POR LB DE COMBUSTIBLE
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Fig 23. VISCOSIDAD ABSOLUTA DEL GAS DE CHIMENEA A 1 ATM
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Fig 24. CONDUCTIVIDAD TERMICA DEL GAS DE CHIMENEA A 1 ATM
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Indice
1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 SECCION DE RADIACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
4.1
4.2
4.3
Arreglo de la sección de radiación (Layout) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Caída de presión a través del serpentín de radiación . . . . . . . . . . . . . . . .
Materiales y vida útil de los tubos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
17
19
5 SECCION DE CONVECCION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
5.1
5.2
5.3
Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Superficie de la sección de convección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arreglo de la sección de convección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
22
25
6 CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . .
30
6.1
6.2
6.3
Tipos de construcción y arreglo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diámetro de la chimenea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Revestimientos de la chimenea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
31
32
7 MULTIPLES Y LINEAS DE TRANSFERENCIA . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
7.1
7.2
Múltiples (“Manifolds”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Líneas de transferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
36
8 INSTRUMENTACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
Fluido del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Temperaturas del metal del tubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gas de combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de tiro forzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
40
40
41
41
9 ESPECIFICACIONES MECANICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
9.1
9.2
9.3
Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Guías de tubos y soportes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Refractario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
42
43
10 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
11 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
Tabla 1
Tabla 2
Figura 1
Figura 2
Condiciones de diseño para hornos de proceso . . . . . . . . . . . . 49
Propiedades y tamaños de tubos de hornos más comunes . . 51
Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos verticales–cilíndricos
y de cabina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos de
cabina con pared refractaria en el centro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
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Figura 3
Figura 4
Figura 5
Figura 6
Figura 7
Figura 8
Figura 9
Figura
Figura
Figura
Figura
10
11
12
13
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Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos verticales
(contiene tubos de un lado y de dos lados de radiación) . . . . . 54
Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos verticales
(contiene sólo tubos de dos lados de radiación) . . . . . . . . . . . . 55
Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos anillados
(“Arbor or Wicket”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos
horizontales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Arreglo de los pasos en un hornos de cabina . . . . . . . . . . . . . . 58
Longitudes aproximadas de los tubos para hornos con tubos horizontales .
59
Longitudes aproximadas de los tubos para
hornos verticales–cilíndricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Arreglo típico de hornos verticales–cilíndricos . . . . . . . . . . . . . . 61
Arreglo típico para hornos con tubos anillados . . . . . . . . . . . . . 62
Arreglos del Ducto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Tamaño típico de línea de transferencia vs presión . . . . . . . . . 64
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OBJETIVO
Presentar información básica que pueda usarse en la evaluación de ofertas de
hornos nuevos y/o modificaciones de hornos existentes. Esta información cubre
criterios de diseño que sean propietarios de PDVSA y sus filiales.
Este documento no espera entregar suficiente información para hacer el diseño
completo de hornos de proceso, ya que esta función la cumplirán los suplidores
reconocidos de hornos, los cuales entregarán garantías de funcionamiento de
dichos equipos.
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
05–F–02
Hornos: Principios Básicos.
Hornos: Consideraciones de diseño (Este documento).
05–F–03
Hornos: Quemadores.
05–F–04
Hornos: Sistemas de tiro forzado.
05–F–05
Hornos: Precalentadores de aire.
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
Se entregará información acerca de la zona de convección, serpentín, zona de
convección, chimenea y múltiples (“Manifolds”) de distribución de flujo hacia y
desde el horno en cuestión.
3
REFERENCIAS
Manual de Diseño de Proceso (versión 1986)
S Vol VII y VIII, Sección 12 “Instrumentación”
S Vol VIII, Sección 14 “Flujo de fluídos”
S Vol VIII y IX, Sección 15 “Seguridad en el diseño de plantas”
Manual de Ingeniería de Diseño
S PDVSA–MID–L–TP–2.7 “Hornos de proceso: Requisición, análisis de ofertas
y detalles de compra”
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S PDVSA–MID–B–201–PR “Calentadores de fuego directo”
Otras Referencias
S ASME Code, Section 1, Power Boilers
S ANSI Standard B31.3, Petroleum Refinery Piping
S Berman, H. L., “Fired Heaters III: How combustion conditions influence design
and operation”, Chemical Engineering, agosto 14, 1978, pp 129–140
S Garg, A., Ghosh, H., “Good heater specifications pay off”, Chemical
Engineering, julio 18, 1988, pp 77–80
4
SECCION DE RADIACION
4.1
Arreglo de la sección de radiación (Layout)
4.1.1
Tamaño de los tubos y número de pasos
Velocidad másica, G – Como se discutió en el documento
PDVSA–MDP–05–F–01,
para desarrollar un coeficiente de película
satisfactorio, se debe mantener un flujo dentro de los tubos del horno adecuado,
de tal forma que calor transferido de la pared de los tubos al fluido sea obtenido
con una diferencia de temperatura razonable a través de la película. En la Tabla
1 se muestran velocidades másicas del fluido según diseño para diferentes
servicios. Debido a que la carga del horno, kg/s (lb/s) es determinada por los
requerimientosdel proceso, la sección transversal interna del área total del tubo
requerida es determinada dividiendo la carga por la velocidad másica. Esta área
de la sección transversal determina el diámetro interno de los tubos y el número
de pasos paralelos a través de la sección de radiación y usualmente a través de
la sección de convección:
G+
W
p Ax
Ec. (1)
donde:
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
G
=
W
p
Ax
=
=
=
Velocidad másica del fluido a través del
tubo
Carga a través del tubo
Número de pasos paralelos
Area de la sección transversal a través del
tubo
En unidades
SI
kg/sm2
En unidades
inglesas
lb/spie 2
kg/s
kg/s
m2
lb/s
lb/h
pie2
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Tamaños de tubos disponibles – Siempre que sea posible, los diámetros de los
tubos deben ser seleccionados del tamaño de tubos nominales estándar (IPS), en
el rango de 5 a 20 cm (2 a 8 pulg). En el documento PDVSA–MDP–(Pendiente)
(Consultar MDP versión 1986, Sección 14), se listan estos tamaños. Sólo en
ocasiones especiales, cuando los parámetros de diseño así lo exijan, pueden
usarse tamaños no estandarizados. En tales casos, se pueden obtener tamaños
comunes en incrementos de 0.32 cm (1/8 pulg) (o más pequeños) de diámetro
externo, 12.7,15.24 y 19.368 cm (5.0, 6.0 y 7.625 pulg).
La mayoría de los hornos se diseñan para usar tubos de 10.2 a 20 cm (4 a 8 pulg).
Estos tubos y sus espesores se presentan en la Tabla 2. En caso que la experiencia
no indique lo contrario, puede suponerse un espesor para la pared de los tubos
con aleación de la sección de radiación de 0.724 cm (0.285 pulg) mínimo. Nótese
que para el caso de acero al carbón, el espesor de la pared debe ser especificado
siguiendo el tamaño estándar y en cambio para aleaciones se debe especificar
dependiendo del espesor de la pared mínimo requerido. La Tabla 2 muestra los
tamaños estándar más comunes para conveniencia del diseñador.
4.1.2
Tamaño económico de tubo y número de pasos
1. Los tamaños de los tubos más económicos son los de 10.2, 12.7 y 15 cm
(4, 5 y 6 pulg). En algunos casos, a fin de obtener las velocidades másicas
requeridas, se pueden usar tamaños más pequeños, pero se debe evitar,
en lo posible, más de un paso.
2. En servicios de fluídos parcialmente o todo vaporizado, o de líquidos, la
dificultad de obtener una distribución uniforme del flujo aumenta con el
número de pasos. Por lo tanto, se debe minimizar el número de pasos pero
siendo consistente con la distribución del horno. Esto tiende a favorecer la
selección de tubos largos. El mismo número de tubos debe ser mantenido
en todas las partes del horno.
3. En servicios puro–vapor, se obtiene una distribución uniforme del fluido en
pasos individuales con un diseño apropiado del múltiple de distribución. La
selección del tamaño del tubo y el número de pasos debe basarse en las
consideraciones de arreglo del horno. En las secciones de radiación y
convección se pueden usar diferentes números de pases y diferentes
tamaños de tubos, debido a que las salidas de la sección de convección
pueden ser combinadas y redistribuidas con las entradas de la sección de
radiación.
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4.1.3
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Densidad calórica radiante, φr
Consideraciones del proceso – Como se discutió en el documento
PDVSA–MDP–05–F–01,
la densidad calórica radiante permisible, desde le
punto de vista de consideraciones del proceso, es una función de varios factores
los cuales incluyen geometría del horno, alimentación, servicio y temperatura de
salida del fluido. Las densidades calóricas máximas son establecidas no sólo por
consideraciones teóricas, sino también por experiencia. La Tabla 1 lista las
densidades calóricas promedio para casi todos los servicios. Estas densidades,
junto con otros criterios recomendados de diseño de hornos, aseguran
densidades calóricas adecuadas.
Consideraciones mecánicas – El uso de densidades calóricas promedio
determinadas por las condiciones del proceso resultará en temperaturas de los
gases de combustión saliendo de la sección de radiación del orden de los
870–982°C (1600–1800°F) (Temperatura de la pared divisoria, o “bridgewall
temperature”). A esta temperatura se puede esperar un buen servicio mecánico
de los soportes de los tubos y del material refractario. En caso de que la
temperatura exceda los 982°C (1800°F) se debe usar una densidad calórica
radiante más baja.
4.1.4
Superficie total de radiación
Temperatura de la pared divisoria, Tbw – Es la temperatura de los gases de
combustión saliendo de la sección de radiación. Debido a que los tubos
protectores “miran” la sección de radiación, estos absorben parte del calor de
radiación total que es transferido. Este calor de radiación está incluido en el calor
absorbido por enfriamiento del gas de escape o temperaturas por debajo de la
temperatura de la pared divisoria (Tbw).
Esta temperatura (Tbw) es una función de la densidad calórica promedio,
temperatura del metal del tubo, composición del gas de escape y formadel horno.
Estas variables están representadas en las Figuras 1., 2., 3., 4., 5. y 6., para varios
tipos de diseños de hornos. La Tbw se muestra como una función de la densidad
calórica promedio y de la temperatura promedio del metal del tubo y está basada,
para hornos de procesos, en tubos de radiación sin coque.
4.1.5
Disposición de la sección de radiación
General – Según lo mencionado anteriormente, la distribución de la sección de
radiación depende de un número de requerimientos.
La distribución de la sección de radiación debe estipular suficiente espacio para
la colocación de los quemadores y para instalar la superficie de transferencia de
calor requerida. El espacio requerido entre quemadores y tubos determina el
espacio mínimo de los tubos alrededor de los quemadores. En muchos hornos,
este espacio es fijo por lo que el número requerido de tubos deben ser distribuidos
en este espacio o se debe añadir más tubos al número mínimo requerido.
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El tamaño del tubo y el número de pasos son seleccionados para dar la velocidad
másica deseada. El número de pasos debe ser consistente con el tipo de horno,
de tal forma que cada paso reciba la misma cantidad de calor. Mientras que los
hornos vertical–cilíndricos pueden ser diseñados para cualquier número de pasos,
los hornos con cabina requieren por lo general un número uniforme de número de
pasos de tal forma que puedan ser distribuidos simétricamente en el horno.
El siguiente criterio general de distribución debe ser usado en todas las
configuraciones de hornos:
1. El espacio entre el centro de los tubos de radiación debe ser 2 veces el
diámetro nominal, codos de curva cerrada en U (Short radius U–bend).
2. Los tubos de radiación adyacentes a la pared deben estar ubicados a una
distancia de 1.5 veces el diámetro nominal alejado de la pared.
3. Los tubos de las esquinas en la sección de radiación deben ser ubicadas
de tal manera de evitar zonas muertas ya que estos tubos reciben menos
calor que la cantidad promedio.
EVITE TUBOS MUERTOS
2 x IPS
1 1/2 x IPS
PREFERIBLE
A SER EVITADO
4. Para asegurar una visibilidad adecuada desde las puertas de observación
de la sección de radiación, el espacio entre tubos a estas puertas debe ser
3 veces el diámetro nominal (Long radius U–bend).
5. Se debe mantener compatibilidad entre la distribución de tubería a la
entrada y la recolección de tubería a la salida cuando se esté colocando el
arreglo de los tubos.
Longitud de tubos – La escogencia de la longitud del tubo tiene un gran efecto en
el costo de cualquier calentador que esté siendo diseñado. Más adelante se
presenta una guía para la selección económica de las longitudes de los tubos de
hornos con cabina y vertical–cilíndricos. Las longitudes dadas son
aproximaciones y pueden variar en casos individuales. Para hornos con tubos
verticales, el número de tubos y su disposición son desarrollados primero, una vez
que se conozca la longitud del tubo.
Las longitudes máximas para secciones de convección o para secciones de
radiación horizontales, deben ser limitadas a 30 m, (100 pie) debido a la dificultad
de su manejo. Por otro lado, las longitudes máximas de tubos verticales deben ser
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limitadas a 15 m, (50 pie o más pequeños) debido a la excesiva mala distribución
del calor de entrada en tubos largo.
El número de tubos calculados debe ser ajustado de forma tal que se obtenga una
cantidad igual por cada paso. Cada paso debe tener un número de tubos
consistente con el tipo de diseño de horno, al igual que con las entradas y salidas
(por ejemplo, la entrada del tope y la salida del fondo de la sección de radiación
requieren un número impar de tubos por paso). En casos especiales se puede usar
un número desigual de tubos por paso a fin de compensar la mala distribución de
calor a los pasos. Debido a que la caída de presión será desigual en los pasos, se
debe tomar en cuenta para el control del flujo.
Espacio libre entre quemadores – A continuación se listan los espacios libre
mínimos que deben mantenerse alrededor de los quemadores:
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
Distancias mínimas recomendadas entre quemadores y centro de los tubos
Calor liberado de
diseño por quemador
Distancia quemadores–centro de tubos
Gas
MW
Quemadores
0.59
1.17
1.76
2.34
2.93
3.52
Quemadores
1.47
2.93
4.40
5.86
7.33
Quemadores
4.40
5.86
7.33
8.79
10.26
11.72
MMBtu/h
pie–pulg
de tiro natural
2
2’–6”
4
3’–0”
6
3’–6”
8
4’–0”
10
4’–6”
12
5’–0”
de tiro forzado
5
3’–0”
10
3’–2”
15
3’–4”
20
3’–6”
25
3’–8”
de alta intensidad
15
4’–0”
20
4’–8”
25
4’–10”
30
5’–0”
35
5’–2”
40
5’–6”
Aceite
mm
pie–pulg
mm
760
920
1100
1220
1400
1520
3’–0”
3’–6”
4’–0”
4’–6”
5’–0”
5’–6”
920
1100
1220
1400
1520
1710
920
970
1020
1100
1120
3’–6”
3’–8”
3’–10”
4’–0”
4’–2”
1100
1120
1170
1220
1270
1220
1420
1470
1520
1575
1710
4’–6”
5’–2”
5’–4”
5’–6”
5’–8”
5’–10”
1400
1575
1630
1710
1730
1780
a.
El espacio libre para servicios de aceite combustible sirve de guía
para servicios con combinaciones gas/aceite.
b.
No hay ajuste mínimo de espacio libre de quemador a quemador. Se
debe tomar por lo menos una pulgada (25.4 mm) entre quemadores
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adyacentes. Si se va a usar un “Plenum Chamber” para los ruidos
producidos de la combustión, se requiere aumentar el espacio para
asegurar una buena distribución de aire alrededor de los
“Hornos:
quemadores.
Ver
PDVSA–MDP–05–F–03,
Quemadores”.
c.
4.1.6
También se debe dejar espacio libre entre quemadores y el
refractario, tubos, entrada a la chimenea, etc. en línea con la
excentricidad del quemador. Proveer por lo menos 2 m por MW de
calor máximo liberado (2 pies por MM BTU/h de calor máximo
liberado) de los quemadores, más 1.8 m (6 pies).
Hornos con tubos horizontales
1. Número de pasos y distribución
a.
En la Figura 7. se muestran las distribuciones típicas de los pasos.
Las combinaciones de estas distribuciones pueden usarse para más
de cuatro pasos (Figuras 7.a y 7.D).
b.
Para servicios severos de coquización usar la Figura 7.C en vez de
la Figura 7.A, ya que el arreglo en la Figura 7.C ofrece mejor
distribución de calor a cada paso que el arreglo en la Figura 7.A. Esto
debido al uso de accesorios de enlace los cuales por ser muy
costosos no deben ser usados si no es necesario
2. Longitud del tubo – La Figura 8. puede ser usada como una guía para
escoger la longitud efectiva del tubo de radiación en hornos de cabina con
tubos horizontales según la Figura 7. Esta longitud aproximada puede
requerir ajustes, basado en el número de tubos y pasos, espacio entre
quemadores, etc. Para la mayoría de las aplicaciones, la longitud actual
usada puede ser 80–100% de la longitud aproximada.
3. Longitud del Horno – La ubicación de los codos de retorno afectará la
longitud actual de los tubos de radiación y convección. Las distribuciones
posibles se muestran a continuación:
(a)
(b)
SECCION DE CONVECCION
SECCION RADIANTE
a.
El dibujo (a) es preferible, ya que la longitud efectiva de los tubos de
convección es aproximadamente 0.91 m (3 pie) más larga que la de
los tubos de radiación. Se debe proveer espacio libre para la
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expansión térmica entre los codos de retorno de la sección de
radiación y la pared, pero esto sólo afecta el diseño mecánico
detallado.
b.
El dibujo (b) debe ser usado sólo cuando se usan codos de retorno
con tapones desmontables (colectores de tapones) o con
accesorios de enlace. En este caso los tubos de la sección de
radiación y convección tienen la misma longitud efectiva.
c.
Los codos de retorno de la sección de convección deben estar
siempre ubicados en los cabezales para evitar que los gases de
combustión se desvíen al final de la sección de convección.
4. Sección de radiación y arreglos de quemadores
a.
Suponga una fila sencilla de quemadores (para la Figura 7.D una fila
en cada celda).
b.
Seleccione el espacio libre del quemador al tubo como fue
establecido previamente. Para la disposición preliminar suponga un
espacio centro a centro entre el quemador y el tubo de 1.3 m (51
pulg) para tiro natural y 1.5 m (60 pulg) para tiro forzado.
c.
Dejar un espacio de 0.61 m (2 pie) entre la línea central del tubo más
bajo de la sección de radiación (tubos de la pared) y el piso.
d.
Espacio de los tubos (centro a centro) en dos diámetros nominales
(2 veces el tamaño IPS). La distancia mínima entre las paredes
radiantes y la de los tubos será de 1.5 veces su diámetro nominal
(Ver PDVSA–MID–B–201–PR).
e.
Las secciones de transición entre las secciones de radiación y
convección deben ser asumidas a un ángulo de 45° (Hip Sections).
f.
Determine el número de quemadores requeridos, basado en el
espacio libre mínimo establecido previamente. Determine si los
quemadores pueden ser acomodados físicamente en una fila
sencilla como los asumido. Si los quemadores no puede ser
colocados en una fila sencilla:
(1) Para tiro natural, use una fila alternada (arreglo triangular)
o filas dobles de quemadores y aumente el ancho de la
sección de radiación.
(2) Para tiro forzado, revise la disposición adecuada.
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Hornos verticales–cilíndricos
1. General – Muchos de estos hornos son diseñados con tubos horizontales
en las secciones de convección. Los hornos no deben ser diseñados con
secciones
de
convección
integral
(Ver
Documento
PDVSA–MDP–05–F–01, Figura 1b).
2. Número de pasos y distribución – Cualquier número de pasos puede ser
usado en hornos verticales–cilíndricos, debido a que la disposición de la
sección de radiación es siempre simétrica. Sin embargo, algunos números
de pasos (1, 2, 4 u 8) tiende a simplificar la salida de la tubería. Otros
arreglos pueden requerir un múltiple de distribución (manifold) costoso,
quizás no requerido, para recolectar las salidas del horno, por lo que debe
evitarse su uso a menos que las consideraciones del proceso así lo exijan.
3. Longitud de tubos de radiación – La Figura 9. se puede usar para
determinar el rango aproximado de la longitud de los tubos de radiación.
Siendo consistente con el criterio utilizado anteriormente, la longitud de los
tubos de radiación debe ser usualmente lo más larga posible. Para evitar
una mala distribución longitudinal excesiva del calor de entrada, la longitud
máxima del tubo normalmente debe estar entre 11 y 12 m (35 y 40 pie). En
ningún caso se deben usar tubos que sean más largos de 15 m (50 pie).
4. Disposición de la sección de radiación
a.
La circunferencia es determinada multiplicando el número de tubos
por el espacio centro a centro del tubo.
b.
Los calentadores verticales cilíndricos serán diseñados con una
relación recomendada de altura a diámetro entre 2 y 3, donde la
altura es la interna de la sección de radiación y el diámetro es el del
círculo de tubos (Ver PDVSA–MID–B–201–PR).
c.
Los codos de retorno soldados están ubicados normalmente dentro
de la cámara de combustión y la altura total de la cámara debe
permitir la expansión térmica del serpentín.
d.
El serpentín de radiación puede estar soportado en el tope y guiado
en la base o soportado en la base y guiado en el tope. Con un mismo
número de tubos de radiación por paso, la salida estará en el tope
de la sección de radiación (debido a que la entrada de la sección de
convección está en el tope). En este caso, el serpentín de radiación
debe ser fijado para eliminar el aumento vertical en la boca de salida
del horno. Recíprocamente, con un número desigual de tubos de
radiación por paso, el serpentín debe normalmente ser soportado
del nivel del piso, debido a que la boquilla de salida (outlet nozzle)
están en la parte inferior del horno.
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Los diseños de la vía de enlace convección a radiación son menos
difíciles con soportes de serpentín en el tope, debido a que esta vía
de enlace requiere muchos menos flexibilidad. Sin embargo, ambos
arreglos son hechos rutinariamente con buenos resultados. Se
deben hacer consideraciones al arreglo del manifold de salida y a la
línea de transferencia, ya que estos son afectados por la ubicación
de los soportes y los tubos de salida.
e.
La vía de enlace (crossover) debe estar ubicada fuera del horno y
no dentro del mismo. Esto permite mejor soporte y aumenta la
flexibilidad, evitando problemas mecánicos potenciales. Además,
provee un espacio para instalar indicadores de temperatura entre las
secciones de radiación y convección.
5. Disposición de los quemadores
a.
Evitar el uso de dos quemadores en hornos verticales–cilíndricos. El
uso de dos quemadores produce un modelo de energía asimétrico,
lo que puede resultar una operación pobre.
b.
El uso de un sólo quemador requiere que el horno sea parado cada
vez que el quemador tenga que ser limpiado. Por lo tanto, es
preferible usar tres quemadores pequeños que uno grande en
hornos de servicio continuo.
c.
Los quemadores deben estar distribuidos en un círculo (burner
circle). Se debe evitar poner quemadores dentro de este circulo
excepto para un número pequeño de quemadores auxiliares (tal
como quemadores para eliminación de desechos) los cuales deben
colocarse en el centro.
6. Arreglo de la sección de convección – En adición a la sección general
sobre el diseño de la sección de convección, los siguientes puntos se
especifican para el horno tipo cilíndrico–vertical (Ver Fig. 10):
a.
La caja de la sección de convección está soportada por la armadura
cilíndrica de la sección de radiación y por los soportes de la
estructura. Las cuatro esquinas internas de la sección de convección
con refractario deben ubicarse encima de la parte interna de la pared
de la sección de radiación. Esto por lo tanto fija la longitud efectiva
de los tubos y el ancho de la sección de convección, debido a que
la combinación de ambas es una función del diámetro de la sección
de radiación.
b.
Los cabezales de la sección de convección casi siempre están
extendidos más allá de la caja de radiación.
c.
En casos muy raros donde los tubos de radiación tienen tapones de
limpieza (“cleanout plugs”), los tubos de convección (incluyendo los
cabezales y las cajas colectoras) no pueden extenderse más allá del
diámetro del tubo de radiación, debido a que se debe permitir el
acceso para la limpieza de los tubos de radiación.
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7. Hornos con sólo la sección de radiación
a.
Para este tipo de horno, no hay medios provistos para el
enfriamiento de los gases de combustión que salen de la sección de
radiación. La temperatura de la chimenea es la temperatura de la
pared divisoria (bridgewall). La temperatura de la chimenea y la
eficiencia dependen de la densidad calórica de radiación que se
escoja.
b.
La superficie de radiación es obtenida directamente dividiendo el
calor absorbido del horno entre la densidad calórica.
c.
Todos los tubos verticales en hornos con sólo la sección de
radiación, casi siempre tienen igual número de tubos por paso, con
el serpentín soportado en el fondo.
8. Hornos muy pequeños – En el diseño de hornos muy pequeños es
bastante difícil cumplir los criterios normales de diseño (carga calórica < 3
MW (10 MM BTU/h). Se debe considerar lo siguiente:
a.
Usualmente estos hornos poseen sólo la sección de radiación. Sin
embargo, una sección de convección puede ser económica
particularmente si se usa solamente gas combustible.
b.
Consideraciones mayores que las normales deben ser tomadas
para las pérdidas de calor por radiación y por otras pérdidas. Por lo
que se debe multiplicar el combustible neto por 1.03 para determinar
el combustible total requerido.
c.
La altura mínima de la sección de radiación debe ser de 4.5 m (15
pie).
d.
Se debe mantener una separación mínima entre el quemador y el
tubo.
e.
Se debe aumentar la separación entre centro–a–centro de tubo
(discutido anteriormente) y/o reducir la densidad calórica, tanto
como sea necesario. Debido a que las dimensiones del horno serán
determinadas utilizando el espacio libre mínimo del quemador, la
reducción de la densidad calórica tiene el beneficio adicional de
aumentar la eficiencia del horno a un costo incremental
relativamente bajo.
f.
Los serpentines helicoidales frecuentemente son usados en hornos
pequeños, en lugar de los serpentines comunes.
(1) Si el serpentín no requiere de codos de retorno, se reduce
el costo del horno. La caída de presión a través del
serpentín también se reduce eliminando los codos de
retorno. La caída de presión es aproximadamente 150%
de la caída para un tubo recto de la misma longitud.
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(2) Se debe usar un máximo de dos pasos de tubos.
9. Hornos multi–servicio tipo verticales–cilíndricos – La sección de
radiación para hornos verticales–cilíndricos puede ser dividida en dos o
tres servicios separados pero compatibles.
4.1.8
a.
Se puede usar una pared de ladrillos refractarios para dividir la
sección de radiación en zonas separadas. Aunque cada zona tiene
sus propios controles, el calor de entrada está influenciado de cierto
modo por las otras zonas. Debido a que la altura máxima de las
paredes internas es de por lo menos 7.6 m (25 pie), esto influiría
sustancialmente en hornos altos. Ver la discusión sobre hornos tipo
cabina con tubos anillados (”Arbor or Wicket”) para mayores detalles
de la pared divisoria.
b.
Se pueden instalar también servicios separados en la misma sección
de radiación, pero sin la pared interior. Sin embargo, este arreglo
puede ser usado sólo en casos especiales, debido a que no hay
forma de variar el calor de entrada relativo a los servicios individuales
una vez que la cantidad de superficie en cada servicio haya sido
seleccionada.
Hornos
tipo
cabina
con
tubos
PDVSA–MDP–05–F–01, Figuras 4c y 4d)
anillados
(Ver
documento
1. General – El arreglo mostrado en la Figura 4d del documento
PDVSA–MDP–05–F–01 es usado en hornos Powerformer, pero también
puede ser usado para otros servicios puro–vapor. Estos hornos
usualmente son multi–servicios, con cada zona de radiación separada de
las otras por medio de paredes de ladrillos instaladas a través de la sección
de radiación.
El arreglo sencillo mostrado en la Figura 4c del documento
PDVSA–MDP–05–F–01 puede ser usado para dos diferentes servicios,
uno en cada sección de radiación. En algunos casos, se coloca una pared
de ladrillos para permitir una parada relativamente larga de cualquiera de
las dos secciones. Zonas adicionales pueden ser ubicadas en la sección
de radiación, uniendo la pared de ladrillos con otra pared. Sin embargo, con
sólo dos celdas, las paredes de ladrillos normalmente no son necesarias,
debido a que los tubos adyacentes en las dos secciones pueden ser
colocadas escalonadamente, separando cada zona de la zona adyacente.
2. Arreglo típico – Un arreglo típico de un horno tipo cabina con tubos
anillados dobles (“double hoop tube cabin furnace”), se muestra en la
Figura 13. Este arreglo presenta tres zonas de radiación separadas.
Nótese que las secciones verticales de tubos en las filas centrales están
instalados escalonadamente y están conectados por codos estándar
doblados en U. Estos tubos son considerados tubos expuestos al fuego por
un solo lado, igual que si estuvieran apoyados por una pared refractaria.
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Los anillados también se consideran equivalente a tubos expuestos al
fuego por un lado.
Aunque la Figura 13. muestra las entradas y salidas de los tubos múltiples
paralelas a la sección de convección, la práctica reciente es arreglar los
tubos múltiples perpendicular a la sección de convección. Esto con el
propósito de reducir la caída de presión eliminando las conexiones tipo T
y los tubos múltiples intermedios y simplificando la tubería entre el horno
y los reactores.
3. Número de pasos, tamaño de tubos y longitud – Para la selección del
número de pasos paralelos y el tamaño de los tubos se requiere hacer
consideraciones especiales, ya que la longitud del tubo por paso también
debe ser considerada (Nótese que todas las referencias son para la Figura
13.).
a.
Se deben considerar varias combinaciones de tamaño de tubo y
número de pasos. Debido a que cada tamaño de tubo tienen una
relación diferente de superficie de tubo a área de flujo, cada
combinación resultará en un requerimiento diferente de la longitud
del tubo.
b.
La selección de la longitud del serpentín está limitada relativamente,
si se compara con otros diseños.
(1)La altura mínima está basada en el espacio libre de los
quemadores.
(2)La altura máxima está basada en mantener una
transferencia del calor uniforme, además de consideraciones
mecánicas. La altura se debe limitar a la longitud de tubo recto
de:
a. 9 m (30 pie) para 13 cm (5 pulg) IPS y diámetro de tubo más
largo.
b. 7.6 m (25 pie) para 10 cm (4 pulg) IPS y más pequeños.
(3)El ancho de la celda entre tubos (B) está basado en el
espacio libre mínimo quemadores–a–tubo. Sin embargo, el
ancho mínimo debe ser 3 m–0 cm (10 pie–0 pulg) centro de
tubo–a–centro de tubo.
c.
Aunque se desea usar el mismo tamaño de tubos en todas las zonas,
esto no es necesario; y en la práctica frecuentemente se usan dos
tamaños de tubos.
d.
La longitud del serpentín puede ser aumentada por un factor de dos
incrementando el número de pasos en series a través de la zona.
Esto se hace proviendo discos ciegos o guías deflectoras en los
tubos múltiples (manifolds). Las zonas A y C son mostradas con una
serie de pasos, mientras que la zona B tiene dos series de pasos.
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De ser necesario se puede usar cualquier número de pasos en
series adicionales.
4. Longitud de la sección de convección – La sección de convección se
extiende a todo lo largo del horno a través de todas las zonas de radiación.
La longitud de la sección de convección es igual a la suma de las longitudes
de todas las zonas de radiación, más el ancho de las paredes divisorias
internas.
5. Requerimiento calórico de la sección de radiación – Como en otros
diseños de hornos el requerimiento promedio de la sección de radiación
puede ser determinado de gráficas de calor disponible, dada la cantidad de
combustible neto y la temperatura de salida de los gases de la cámara de
combustión (bridgewall temperature). Cada zona de radiación tiene su
propia temperatura de salida de gases (bridgewall temp.). La temperatura
promedio está basada en las corrientes de gases de combustión
combinados saliendo de cada sección de radiación. El diseño de la sección
de convección está basada en esta temperatura promedio de salida de los
gases.
Para servicios que están compuestos enteramente de servicio solo
radiación, la temperatura de salida (bridgewall) es una función de la
densidad calórica radiante y la temperatura del metal del tubo. El diseño
completo de estas zonas es directo. La temperatura (bridgewall) es
determinada de la Figura 5. La transferencia de calor a través del anillo ha
sido incluida en esta curva.
Para servicios que combinan la transferencia por radiación y por
convección, el rendimiento por radiación debe ser determinado
substrayendo el otro, o sea todos los rendimientos por radiación del
rendimiento de radiación promedio. Antes de determinar este rendimiento,
se debe estimar el arreglo del horno (corregir posteriormente según lo
requerido) de tal manera de poder calcular en rendimiento de la zona de
radiación.
Cada zona de radiación contribuirá al rendimiento total de la sección de
radiación. Esta contribución dependerá de la densidad calórica de la
sección de radiación de cada zona y de la porción de la sección de
convección ubicada sobre cada zona de radiación.
Las variaciones en los rendimientos relativos sobre la longitud deben ser
consideradas en la selección de las densidades calóricas para cada zona
de radiación. Por ejemplo, en el horno típico Powerformer (Fig. 13), las
zonas A y C son servicios de recalentamiento solo–radiación, mientras que
la zona B y la sección de convección son servicios de precalentamiento.
Debido a esto, las zonas A y C contribuyen con una pequeña cantidad de
gas de combustión frío a la sección de convección durante operación
cuando el calor suministrado a estos recalentadores es reducido, por lo
tanto la zona B debe quemar más para complementar esta reducción en el
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calor de convección. Por lo tanto, la zona B debe incrementarse en tamaño
para evitar densidades calóricas por radiación altas durante los períodos
en que las zonas A y C operan a bajo flujo.
6. Arreglo del quemador – Los quemadores deben ubicarse de tal forma de
dar una distribución de calor uniforme a los tubos, consistente con el
espacio libre mínimo quemador–a–pared. Los quemadores deben ser
ubicados de tal forma que la distancia quemador–a–pared sea
aproximadamente la mitad de la distancia quemador–a–quemador.
El espacio adecuado para el quemador no siempre es disponible en hornos
de tubos anillados, por lo que ocasionalmente se requiere espacio libre
adicional. Para quemadores de tiro natural, esto se puede obtener a través
del uso de doble fila de quemadores (Zona A). En otros hornos puede ser
necesario proporcionar una longitud de celda mayor que el requerido.
7. Paredes divisorias – Las paredes de ladrillos refractarios dividen las
zonas de radiación. Estas paredes deben ser 70 cm (2 pie – 3 pulg) de
ancho (3 ladrillos de 23 cm (9 pulg) con una construcción escalonada y una
altura máxima de casi 7.6 m (25 pie).
El arreglo de la sección de radiación debe proveer un espacio libre mínimo
de 1.5 veces el tamaño del tubo (IPS) entre la pared interna y los tubos
anillados adyacentes (igual que entre la pared externa y los tubos).
4.2
4.2.1
Caída de presión a través del serpentín de radiación
Generalidades
La caída de presión a través del serpentín de radiación de un horno nuevo, la
calcula el vendedor del horno. Dicho cálculo es complejo para servicios con
vaporización, ya que la caída de presión por unidad de longitud cambia
continuamente con cambios en la relación gas líquido.
En general, luego que se ha establecido el número de tubos y la disposición de los
mismos en la sección de radiación, el serpentín se divide, para efectos de cálculo,
en un número de partes secuenciales para el cálculo de caída de presión. Se usan
secciones de longitud más corta a la salida del serpentín, ya que aquí los cambios
en el volumen específico son mayores que en otras partes del serpentín.
Los cálculos comienzan a la salida del serpentín, donde se conoce la presión y
temperatura: en este punto, se puede calcular la entalpía y composición de las dos
fases.
Luego, se supone una presión a la entrada de la sección para cálculo
correspondiente a la salida. La entalpía absorbida en esta sección (ya que se
conoce la densidad de calor radiante, y ésta se supone constante), se substrae de
la entalpìa a la salida, obteniéndose una entalpía a la entrada de la sección que
se usa para obtener la temperatura y composición a la presión asumida.
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Usando las condiciones de entrada y salida, y la longitud equivalente (tubería recta
más aditamentos), se calcula la caída de presión de la sección, debida a fricción,
cambios en la energía cinética y cambios en el cabezal estático.
Si la caída de presión calculada no se aproxima lo suficiente a la caída de presión
supuesta por la presión de entrada, se supondrá una nueva presión de entrada y
se repetirán los cálculos hasta que haya convergencia en esta sección del
serpentín. Luego, se continuará con este mismo procedimiento con las secciones
restantes aguas arriba en el serpentín.
Al especificar un horno nuevo, el ingeniero responsable debe especificar la
máxima caída de presión permitida para el horno (sección de radiación y sección
de convección). Esta caída de presión se obtiene por experiencia con hornos
similares y, generalmente, debe entregarse para condiciones del horno limpio y del
horno sucio.
Para hornos en servicio de vaporización, la caída de presión es relativamente alta,
debido a las velocidades másicas requeridas y la vaporización del líquido:
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
Caídas de presión típicas (Hornos vaporizando)
Tipo de horno
Unidad de crudo
Unidad de vacío
Coquificación retardada
Horno limpio
kPa
1000–1400
350–500
2400
psi
150–200
50–75
350
Horno sucio
kPa
1200–1700
450–700
2800–3500
psi
175–250
65–100
400–500
Para hornos en servicio de puro vapor, las caídas de presión son bastante
menores. Por ejemplo, el horno precalentador en un reformador catalítico puede
tener una caída de presión de 100 a 170 kPa (15–25 psi), y el horno recalentador
tan poco como 20 a 40 kPa (3–6 psi): la razón principal para estos valores tan
bajos, es minimizar el cabezal del compresor de gas de reciclo.
En el caso que se requieran cálculos detallados de caída de presión en el serpentín
de radiación, por parte de PDVSA y sus filiales, remitimos al lector a los manuales
de los programas de simulación de hornos FRNC–5 (PSR) y FH–0 (HTRI), que son
los programas oficiales de uso para este tipo de labores.
En el caso que los anteriores programas no estén disponible, puede usarse el
programa PRO II (SIMSCI), el cual tiene la instrucción “PIPE”, la cual permite hacer
cálculos rigurosos de caída de presión (Flujo multifásico ó monofásico), con una
absorción fija de calor, simulando así, más ó menos, el serpertín de un horno. Este
enfoque no es tan preciso como el de los dos programas anteriormente
mencionados. Remitimos al lector al correspondiente manual del programa PRO
II.
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Factor de seguridad en la caída de presión
Para compensar por variaciones inherentes a la alimentación al horno análisis del
crudo (análisis del crudo, contenido de agua, etc.) e imprecisiones del método de
cálculo, es recomendable añadir un 10% a la caída de presión calculada por los
métodos presentados anteriormente cuando se estan fijando los requerimientos
del cabezal de la bomba de alimentación al horno.
4.3
4.3.1
Materiales y vida útil de los tubos
Materiales de los tubos
Las consideraciones preliminares son la resistencia requerida, resistencia a la
corrosión
(o
erosión)
y
las
características
de
oxidación
(o
reducción).Conjuntamente con estas características están el nivel de
temperatura, la atmósfera del horno, y los constituyentes corrosivos del fluido del
proceso o del combustible.
Los materiales más usados comúnmente son acero al carbón, 1 1/4 Cr –1/2 Mo,
2 1/4 Cr – 1 Mo, 5 Cr – 1/2 Mo, 18 Cr – 8 Ni y 25 Cr – 20 Ni. También se utilizan
otros materiales que incluyen C – 1/2 Mo, 9 Cr – 1 Mo y 12Cr.
Los materiales del serpentín se seleccionarán para resistir el escamamiento
(”scaling”) exterior y la corrosión en el interior. Para evitar el escamamiento
excesivo, la temperatura de la superficie exterior no debe exceder los siguientes
niveles (Ver PDVSA–MID–B–201–PR):
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
Temperatura
Material de los tubos
Acero al Carbono
1/2 Mo
1 Cr – 1/2 Mo
2 1/4 Cr – 1 Mo
5 Cr – 1/2 Mo
9 Cr – 1 Mo
16/14/2 Cr–Ni–Mo
18/8 Cr–Ni
ºC
454
565
595
635
650
705
870
850
ºF
850
1050
1100
1175
1200
1300
1600
1500 (1)
(1) Para los aceros tipo 18/8 Cromo–Níquel tipo 304H/321H, se requerirá además
la prueba de Sensibilidad a la formación de fase sigma, previa consulta con la filial
de PDVSA o su representante.
Especial atención deberá tomarse al emplear aceros del tipo C–1/2 Mo en tubos
del serpentín, más aún cuando exista la posibilidad de que la temperatura de
operación de piel de tubo se encuentre por debajo de las temperaturas señaladas
en la curva de Nelson, ya que se ha reportado daños por ataque de hidrógeno para
este tipo de material (Véase API – Publicación 941–83); por esta razón,
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preferentemente se recomienda no usar aceros del tipo C–1/2 Mo en cualquier
diseño de tubos para hornos
Para hornos de procesos los siguientes materiales de tubo son los más usados
(basado en condiciones internas y externas):
Condiciones internas – Basado principalmente en corrosión por azufre.
1. Alambique de Tubos (Unidades de crudo y vacío)
a.
Acero al carbono (AC) es usado a temperaturas del metal del tubo
bajas, hasta que la corrosión se hace excesiva.
b.
5% Cr es usado para altas temperaturas. Este material es adecuado
para temperaturas del metal del tubo (TMT) hasta 565°C (1050°F).
c.
9% Cr ó 12% Cr es ocasionalmente requerido en casos muy
especiales, donde el crudo es extremadamente corrosivo o las
condiciones operacionales resultan en temperaturas del metal del
tubo muy elevadas.
2. Rehervidores, Hydrofiners, etc. – La tasa de corrosión puede ser mucho
mas elevada que en alambiques de tubos.
a.
AC es usada para temperaturas bajas.
b.
5% Cr es usado para temperaturas moderadas (no hay aumento en
la resistencia por corrosión sobre AC para servicios H2S/H2
c.
18 Cr – 8 Ni es usado para temperaturas elevadas.
3. Termoreactores (Powerformers) – La selección del tubo depende
principalmente de la resistencia al ataque de H2.
d.
C – 1/2 Mo es usado para temperaturas bajas.
e.
1 1/4 ó 2 1/4 Cr es usado para altas temperaturas. 5 Cr es también
usado si la oxidación externa se hace limitante.
Oxidación Externa – Esta oxidación juega un papel relativamente menor en la
selección del tubo o en la tolerancia de corrosión, pero es el factor principal
concerniente en la ubicación y selección de los materiales de toda la superficie
extendida de la sección de convección.
4.3.2
Vida util del tubo
Estudios realizados en el pasado han indicado que la vida económica del tubo es
de 4 a 5 años. Esto está basado en comparaciones entre el costo de inversión
inicial y los costos de reemplazo. Este diseño debe ser consistente con los
programas de paradas. Se deben tomar precauciones para proveer una vida útil
más larga en los tubos de superficie extendida de la sección de convección, debido
al costo elevado de esta superficie comparado al costo incremental de los tubos
base con mayor espesor.
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Debido al conservativismo inherente en el procedimiento del cálculo de hornos,
casi todos los tubos de los hornos tienen una vida útil mayor que la vida útil según
el diseño, a no ser de que sean mal operados. Por lo tanto, para muchas
aplicaciones, el diseño de la vida útil de los tubos de radiación que sobrepasen los
4 a 5 años no se justifica. Como una manera práctica, los tubos raramente son
reemplazados cuando ellos alcanzan el fin de su vida útil según el diseño. El
reemplazo de los tubos es el resultado de uno de los siguientes puntos:
– Error del operador: un ejemplo es mantener la quema de combustible sin
flujo en el serpentín. Problemas de esta naturaleza son imposibles de
tomarlos en cuenta durante el diseño.
– Pared del tubo muy fina: al punto de que debe ser reemplazado. Esto se
puede detectar con medidas o puede ser visible como un tubo deformado
o roto. El tiempo para que el tubo llegue a presentar fallas es una decisión
de la refinería y está basado en la tasa actual de deterioro, la vida restante
calculada y las consecuencias que representan una falla de esta índole. Por
ejemplo, la falla de un tubo es un termoreactor resultará probablemente en
un incendio, requiriendo el reemplazo completo del tubo; mientras que una
falla en un tubo de un horno de una unidad de crudo ó vacío causará
posiblemente humo por la chimenea y una parada no programada.
– Puntos calientes ocasionados por problemas operacionales (coque,
choque de llama) pueden causar deformación o rotura en los tubos.
5
SECCION DE CONVECCION
5.1
Antecedentes
Los gases de combustión salen de la sección de radiación del horno y pasan a
través de la sección de convección antes de entrar a la chimenea. A temperaturas
de los gases de combustión por debajo de 815–980°C (1500–1800°F), la
transferencia de calor por radiación llega a ser antieconómica, y si además se
requiere recuperar más calor de los gases de combustión, esto se lleva a cabo más
económicamente por transferencia de calor por convección. Típicamente, el 35 a
40% del rendimiento total del horno se obtiene en las superficies extendidas de las
secciones de convección modernas.
La sección de convección debe diseñarse para transferir calor económicamente
al fluido del proceso, y al mismo tiempo no impedir la salida del gas de combustión
del horno. Debido a que el coeficiente de transferencia de calor de los gases de
combustión en la superficie externa de los tubos es relativamente pobre, se debe
usar superficie extendida para aumentar la transferencia de calor.
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5.2
5.2.1
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Superficie de la sección de convección
Sección de protección
Las primeras dos filas de la sección de convección están expuestas a radiación
desde la cámara de radiación y se conocen como “tubos de protección” (“shield
tubes”), o tubos de choque. La transferencia de calor por radiación a estas dos filas
está incluida en el rendimiento total por radiación del horno. Debido a que estos
tubos también reciben calor por convección, el rendimiento total es la suma de los
rendimientos calóricos por radiación y convección. No se deben usar superficies
extendidas en los tubos de protección, debido a que el calor total y las densidades
calóricas pueden ser excesivas, causando temperaturas altas en el metal del tubo
y/o interferencia con vapor (vapor blanketing).
Normalmente, se prefiere que los tubos de protección sean del mismo material que
los tubos de radiación. Esto no aplica cuando el servicio de estos tubos sea
diferente al servicio de radiación, tal como los serpentines de generación de vapor
en el horno de proceso.
5.2.2
Sección de tubos lisos
Aunque la superficie extendida debe ser usada lo más posible en la sección de
convección después de la sección de protección, esto no es práctico para los tubos
instalados inmediatamente después de los tubos de protección. Las temperaturas
de los gases de combustión son aún altas y puede causar altas densidades
calóricas y temperaturas excesivas del metal del tubo. Por lo tanto, unas cuantas
filas de tubos lisos (bare tubes) usualmente son requeridos antes de poder usar
superficies extendidas.
5.2.3
Superficies extendidas
Selección del tipo de superficie extendida – El tipo de superficie extendida a ser
usado está basado en el combustible que va a quemarse en el horno.
1. La superficie extendida tipo espiga o perno (stud type) es el único tipo que
puede ser usado si lo que se va a quemar son combustibles líquidos
pesados ( ρ= 904 kg/m3 o mayor, 25°API o menos). Ver Figura 1.
2. La superficie extendida tipo aleta (fin type) debe ser usada solo cuando gas
combustible o combustibles líquidos livianos van a ser quemados ( ρ< 904
kg/m3, por encima de 25°API). Ver Figura 2.
En hornos donde se van a quemar diferentes combustibles, el más pesado
determina la selección del tipo de superficie extendida. Fíjese que en hornos
donde se va a quemar combustibles pesados en el futuro, se deben usar tubos con
superficie extendida espigada o apernada (studded tubes). La conversión de un
horno que fue diseñado originalmente para quemar sólo gas combustible, para
permitir la quema de combustible líquido pesado requerirá una modificación.
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5.2.4
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Tubos de superficie extendida tipo espiga o perno
1. Aplicación – Las espigas o pernos cilíndricos (“cylindrical studs”) están
soldadas fuertemente al tubo en filas circulares o helicoidales. Superficies
apernadas de acero al carbón, 12.7 mm (0.5 pulg) de diámetro y
distanciados de las filas 15.9 mm (5/8 pulg) (63.0 filas por metro de tubo
(19.2 filas por pie de tubo)) son estándar y deben especificarse. Otros tipos
de superficie apernada, incluyendo diámetros de 6.4 y 9.5 mm (1/4 y 3/8
pulg) y formas elípticas están disponibles. Sin embargo, estas no pueden
usarse debido a sus desventajas, tales como baja resistencia mecánica y
escasa posibilidad de limpieza.
2. Temperatura – Las superficies tipo espiga o perno de acero al carbón
deben ser limitadas hasta una temperatura máxima de 565°C (1050°F),
basado en consideraciones de oxidación. Las superficies tipo espiga o
perno de acero al carbón pueden ser aplicadas a cualquier material del
tubo. No se requiere alivio de esfuerzos térmicos. Por lo general, no es
económico utilizar aleaciones en estas superficies.
3. Arreglos de los superficies tipo espiga o perno (Stud Arrangement) –
Pueden aplicarse en todo el diámetro del tubo, o en la mitad del fondo del
tubo (el lado frente al flujo de gas de combustión). Sin embargo, tubos
completamente cubiertos de superficies tipo espiga o perno generalmente
se prefieren y deben usarse en el diseño, a menos que condiciones
especiales indiquen que puede usarse sólo la mitad.
Las siguientes consideraciones se aplican para la selección de la mitad de
los tubos con superficie extendida tipo espiga o perno:
a.
Los diseños de tubo con la mitad de la superficie tipo espiga o perno
incrementan el espacio libre vertical entre las filas de tubos. De ser
necesario, estos espacios pueden ser usados para la limpieza de los
tubos de la sección de convección. Esta es una ventaja significativa
cuando se queman combustibles extremadamente sucios, tales como
residuos venezolanos.
b.
Debido a que casi todo el calor transferido es desarrollado en la mitad
del fondo del tubo, la mitad de los tubos con superficie extendida tipo
espiga o perno son 80% tan efectivas como todos los tubos
recubiertos de superficie extendida tipo espiga o perno y, bajo ciertas
condiciones, puede ser económicamente atractivos. Sin embargo,
debido a que por lo menos 20% más de filas de tubos con la mitad de
la superficie extendida se requerirían, en comparación con tubos
completamente cubiertos, se puede necesitar una fila adicional de
sopladores de hollín. Los ahorros realizados por usar tubos con la
mitad de superficie extendida deben ser mayores que el costo de los
sopladores añadidos.
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NOV.95
Página 24
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c.
La aplicación de superficies extendidas tipo espiga o perno en sólo un
lado de un tubo requiere técnicas especiales, ya que las tensiones
térmicas por soldar en un solo lado del tubo pueden causar
deformaciones al tubo. Por lo tanto, sólo pueden ser realizados por
fabricantes especialmente aprobados para la operación de este tipo
de tubos.
d.
Si se usan tubos con aleaciones en las filas de tubos incremental (en
vez de tubos de acero al carbón), la economía debe favorecer a los
tubos completamente con superficies extendidas para minimizar el
número de tubos con aleaciones.
Si se escogen tubos con la mitad de la superficie extendida, la
especificación del diseño debe incluirlo y además debe proveerse
suficiente espacio en la sección de convección para permitir el uso de tubos
con la superficie completamente extendida.
4. Longitud del perno (Stud) – Están disponibles en longitudes crecientes
de 1.6 mm (1/16 pulg), empezando con 19.1 mm (3/4 pulg de largo) (pernos
de 15.9 mm (5/8 pulg) pueden también obtenerse, pero deben ser cortados
y por lo tanto no son usados normalmente). La longitud máxima posible
está basada en las capacidades de fabricación y depende del tamaño del
tubo, debido a que el diámetro externo del tubo y del perno está limitado a
282.6 mm (11–1/8 pulg). La longitud máxima del perno debe ser limitada
a 50 mm (2 pulg), ya que la eficiencia decrece severamente con
incrementos en la longitud.
La selección de longitudes depende de la geometría de la sección de
convección y la velocidad másica del gas de combustión, como se discute
más abajo. Los pernos cortos deben ser usados tan pronto como sea
posible en la parte más baja de la sección de convección, por limitaciones
de la punta del perno, temperaturas de película y del tubo; y la longitud del
perno debe ser aumentada a medida que la temperatura de los gases de
combustión disminuye a través de la sección de convección.
5. Pernos por fila – El número de pernos por fila circunferencial depende del
diámetro del tubo. Este número por fila debe estar limitado al valor máximo
listado a continuación:
Número Máximo de Pernos por Fila Circunferencial
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
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ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
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ÁÁÁ
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ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁ
2.5
8
3
10
Diámetro externo de la tubería, pulg
3.5
4
4.5
5 5.56 6 6.63 8.63
12 12 14 16
18 20
22
28
100% tipo rosca
(studded)
50% tipo rosca
4
6
6
6
8
8
10 10
12
(studded)
* Para convertir los valores de los diámetros a mm, multiplique por 25.4
14
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5.2.5
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
AC
11–13 Cr
18/8 Cr/Ni
25/20 Cr/Ni
5.3.1
REVISION
Tubos con aletas
1. Aplicación – Las aletas están continuamente enrolladas alrededor del
tubo en un espiral y tienen por lo menos dos vueltas por cm (5 vueltas por
pulg). Las aletas deben ser soldadas continuamente al tubo por filetes
(fillet) o soldadura de resistencia. Estas soldaduras son mucho más
recomendables que las de puntos intermitentes, debido a su mejor
transferencia de calor y por su unión más fuerte al tubo.
2. Tipos de aletas – Aletas continuas (Figura 2.A) son hechas para forzar un
corte en bandas continuas del metal alrededor del tubo. Estas son
preferibles que las aletas dentadas (Figura 2.B), las cuales son construidas
fijadas mediante soldadura intermitente, debido a sus mejores propiedades
de transferencia de calor y una unión al tubo más resistente. Las aletas
continuas tienen una rigidez mecánica superior. Los procedimientos de
cálculo dados en esta subsección están basados en aletas continuas.
3. Disponibilidad – Una variedad de aletas están disponibles:
– Aletas con alturas desde 3.2 hasta 38.1 mm (1/8 hasta 1 1/2 pulg)
– Aletas con espesores desde 0.5 hasta 1.5 mm (0.02 a 0.06 pulg)
– Espacio entre aletas hasta 2.5 mm (10 aletas por pulg de tubo)
– No todas las combinaciones de estas variables son disponibles. Para un
diseño económico, las aletas deben basarse en lo siguiente:
– Altura de aletas de 12.7, 19.1 ó 25.4 mm (1/2, 3/4 ó 1 pulg) Espesor de
aletas de 1.3 mm (0.05 pulg) Espacio entre aletas de 5,1 hasta 6,4 mm
(4 ó 5 aletas por pulg)
4. Material – Casi todos los materiales de las aletas pueden ser fijados a
cualquier material del tubo. Debido a que las aletas son mucho más finas
que los pernos, los materiales de las aletas deben ser seleccionados para
0% de oxidación a la temperatura máxima de la periferia (tip temperature).
Mientras mayor sea esta temperatura, mayor será el grado requerido de la
aleta. Los siguientes materiales comúnmente son los usados en aletas:
Material de la Aleta
5.3
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Temperatura Máxima de la Periferia
de la Aleta
455° C (850° F)
677° C (1250° F)
790° C (1450° F)
980° C (1800° F)
Arreglo de la sección de convección
Consideraciones Mecánicas
El espacio y arreglo de los tubos de sección de convección están basados en las
consideraciones de procesos, tales como las velocidades másicas requeridas u
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Página 26
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óptimas del gas de combustión, flujo de transferencia de calor, etc. Sin embargo,
las siguientes consideraciones mecánicas también limitan o influyen sobre el
arreglo de la sección de convección.
Longitud – La longitud efectiva de los tubos de la sección de convección y de la
sección de protección dependen del tipo particular de horno que se esté
diseñando. En general, se debe usar la longitud máxima de la sección de
convección permitida por el diseño de la sección de radiación. Los codos de
retorno de la sección de la cámara de convección deben ubicarse en los
cabezales. Por lo tanto, la longitud interna de la sección de convección es la
longitud efectiva.
Ancho – Cada fila horizontal en la sección de convección debe tener por lo menos
4 tubos o el número de pasos en el horno, cualquiera que sea mayor (en hornos
muy pequeños, se pueden usar de 2 a 3 tubos por fila).
Si la sección de convección es suficientemente larga para requerir uno o más
soportes de tubos (tubesheets) intermedios, ésta no debe ser más ancha de 4.3
m (14 pie), debido a las dificultades encontradas en el diseño y la fabricación de
estos tubos intermedios con longitudes mayores que ésta. Secciones de
convección cortas sin estos tubos intermedios pueden ser diseñadas más anchas
que 4.3 m (14 pie).
Número de pasos – En servicios de vaporización, el número de pasos de tubos
en la cámara de convección debe ser el mismo que en la sección de radiación,
estando conectado cada paso con su propio conductor. En todos los servicios con
vapor, donde la distribución puede hacerse por una división natural, un número de
pasos diferente puede ser usado en las secciones de radiación y convección. Los
flujos pueden ser combinados en la salida de la sección de convección y
redistribuirse en la entrada de la sección de radiación.
Codos de retorno – Donde sea posible, el arreglo y la distribución de los tubos
deben permitir el uso de codos de radio largo en U de 180° estándar. Los codos
de radio corto en U son usados en situaciones especiales.
Para otros casos, donde se requieren espacios no estandarizados, la siguiente
tabulación muestra los espacios mínimos de tubos para los tubos de la zona de
convección, basado en el espacio libre requerido por fabricación. Debido a que los
codos de retorno adquiridos para los espacios no estándar son todos según como
sean pedidos, cualquier espacio por encima del mínimo es obtenible.
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Tamaño de
tubo
Nominal
Espaciamiento
Mínimo
Tamaño de
Estándar
Espaciamiento
Tubo
Centro a
Centro a
Diámetro
Centro
Centro
externo
mm
pulg
mm
mm
mm
76.2
50
2
102
102
101.6
80
3
152
152
127.0
100
4
203
203
152.4
125
5
254
254
150
6
305
305
200
8
406
406
* Para convertir las medidas a pulg, dividir entre 25.4
Espaciamiento
Estándar
Centro a
Centro
mm
152
203
254
305
Mínimo
Espaciamiento
Centro a
Centro
mm
127
152
191
229
Si se requieren tapones en los cabezales para la limpieza mecánica, consulte el
catálogo del fabricante o los consultores de diseño de hornos para el espacio
mínimo centro–a–centro, si es menor que el espacio estándar deseado.
Arreglo y espaciamiento de los tubos (Ver Figura 3.) – Aunque los tubos de la
sección de convección pueden ser situados en forma triangular o rectangular,
siempre se usan formas de triángulos equiláteros o isósceles para las secciones
de convección de hornos. Coeficientes de transferencia de calor para tubos lisos
en forma triangular han sido incluidos con las ecuaciones de transferencia de calor
debido a que la forma triangular es más común para calderas.
Los tubos frecuentemente están distribuidos en forma de triángulo equilátero. Sin
embargo, cuando el número de tubos por fila horizontal es igual al número de
pasos, los tubos pueden ser localizados en un modelo triangular isósceles. La
base (el espacio tubo–a–tubo en la fila horizontal) puede ser variada a fin de
obtener la velocidad másica deseada de los gases de combustión.
Cuando se usan tubos de superficie extendida en la sección de convección, el
espacio mínimo entre las aletas o la espiga o perno (studs) del horno sobre tubos
adyacentes es 38.1 mm ( 1 1/2 pulgl). Este puede estar situado en cualquier
dirección y está basado en requerimientos mínimos para el diseño mecánico de
los soportes de los tubos. Este requerimiento limita la longitud máxima de la
superficie extendida que puede ser usada para un espacio tubo–a–tubo dado.
Un espacio mínimo de 19.1 mm (3/4 pulg) puede especificarse entre la aleta o la
periferia del perno y la pared lateral de la sección de convección.
Salientes (Cobelling) – Las guías desviadoras deben ser especificadas por cada
fila de la sección de convección para prever desvíos de los gases de escape de
la sección de convección. La Figura 3.D presenta un arreglo aproximado de estas
placas guías (Corbelling) y los tubos de la sección de convección. el ancho máximo
normal del saliente (Corbelling) es 152 mm (6 pulg). Este mismo tamaño de
saliente es usado a través de la sección de convección. Los salientes (Corbelling)
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reducen el área abierta para el flujo de gases de combustión aumentando la
velocidad másica del gas de combustión y el flujo de transferencia de calor. Por
lo tanto, estos salientes no deben colocarse en la fila de tubos de protección del
fondo, ya que no se requiere aumento en la transferencia de calor de esta fila.
Soporte de tubos – La longitud máxima sin soporte para los tubos horizontales
del horno es 35 veces el diámetro externo (excepto para tubos de vapor, los cuales
requieren más soportes). Las secciones de convección más largas que ésta
requerirán láminas de tubos intermedias para reducir la longitud sin soporte.
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Tamaño de la Tubería
Nominal
mm
pulg
100
4
125
5
150
6
Longitud Máxima
Sin Soporte,
m
pie
3.99
13.1
4.94
16.2
5.90
19.3
Limpieza de la sección de convección – El requerimiento para los sopladores
de hollín y la protección por erosión localizada de las paredes refractarias de la
cámara de convección tiene un efecto significativo en la inversión del horno. El
arreglo de la sección de convección debe tomar en consideración el arreglo óptimo
de los sopladores de hollín, láminas de tubos y los tubos.
Se debe tomar en consideración la extensión de la sección de convección con el
fin de minimizar el número requerido de sopladores de hollín. Un mayor ancho de
la sección de convección permite el uso de más superficie de tubos por fila, lo cual
resulta en menos filas verticales a ser cubiertos por los sopladores de hollín. Aun
cuando el total de número de tubos es aumentado (velocidad másica del gas de
combustión y coeficiente de transferencia de calor más bajas), la reducción en la
inversión de sopladores será mayor que lo compensado por el aumento en el
número de tubos. Sin embargo, reducir el número de sopladores de esta manera
es frecuentemente imposible. Por lo tanto, se debe usar las velocidades másicas
convencionales de los gases de combustión.
5.3.2
Velocidad Másica de los Gases de Combustión
1. Cuando la altura de las chimeneas están basadas en los requerimientos del
tiro, se recomiendan velocidades másicas máximas del flujo de gases de
combustión (Ver la siguiente tabulación). Para quemar combinaciones de
combustible controla el combustible más pesado.
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Combustible
Gas natural o combustible limpio
Combustible líquido con bajo
contenido de metales y gas ácido
Combustible líquido con alto
contenido de metales
Máxima Velocidad Másica del
Gas de Combustión
Recomendada, Gc
kg/sm2
lb/spie 2
2.5 a 3.0
0.5 a 0.6
2.0 a 2.5
0.4 a 0.5
1.5 a 2.0
0.3 a 0.4
Estas recomendaciones son para la parte de la sección de convección con
la velocidad másica más alta (es decir, la superficie extendida más larga).
Las velocidades másicas en secciones de la sección de convección con
tubos lisos o corta superficie extendida puede estar por debajo de los
rangos recomendados.
Estos rangos de máxima velocidad másica están considerados en el diseño
óptimo de la sección de convección y deben ser usados en la práctica. Bajo
ciertas condiciones, como se discute abajo, se deben usar velocidades
másicas más altas. En otros casos, velocidades másicas más bajas pueden
ser ventajosas, tal como minimizar el número de sopladores para hacer la
sección de convección más amplia, como se ha discutido previamente. Sin
embargo, el diseño de las velocidades másicas del gas de combustión por
debajo de 1.0 kg/sm2 (0,2 lb/spie2) deben ser evitadas, debido a las
características pobres del flujo de los gases de combustión.
2. Si la velocidad másica de los gases de combustión calculada anteriormente
es mayor que el rango recomendado para un combustible en particular, se
debe revisar el arreglo de la sección de convección. Se deben añadir más
tubos a cada fila de la sección de convección o aumentar el espacio
tubo–a–tubo en la fila. En cualquier caso, el ancho de la sección de
convección también aumentará. Preferiblemente, se debe aumentar el
número de tubos por fila. Sin embargo, el número total de tubos por fila
debe ser un múltiplo del número de pasos, es decir, un horno con dos pasos
debe tener 4, 6 u 8 tubos por fila en la sección de convección.
Bajo ciertas condiciones, el número de tubos por fila puede desviarse de
este principio. Por ejemplo, un horno con cuatro pasos puede tener 6 tubos
por fila (Figura 3.C). Un paso puede tener 2 tubos en una fila y un tubo en
la próxima fila. El próximo paso tendrá un tubo en la primera fila, después
dos tubos en la fila siguiente, etc. Sin embargo, se debe asegurar que el
calor de entrada total a cada paso sea igual. Nótese que este arreglo
requiere la forma de un triángulo equilátero.
Cuando el número de tubos de convección por fila es igual al número de
pasos, el espacio del tubo en la fila puede ser variado con el fin de obtener
la velocidad másica deseada. Este espacio debe ser usado para toda la
sección de convección.
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3. Cuando las alturas de las chimeneas dependen de consideraciones de
contaminación más que los requerimientos de tiro, se aceptan velocidades
másicas del gas de combustión mayores que las mostradas anteriormente.
Sin embargo, en estos casos la caída de presión a través de la sección de
convección nunca debe ser mayor que la mitad del tiro provisto por la
chimenea.
4. Los hornos equipados con ventiladores del tiro inducido pueden ser
diseñados con velocidades másicas del gas de combustión mayores. Sin
embargo, se debe considerar la necesidad de tener que desviar al
ventilador durante cualquier interrupción y enviar los gases de combustión
directamente a la chimenea. La velocidad óptima debe basarse en un
estudio económico del costo del ventilador (costo de inversión y de
operación) contra ahorro de inversión de la sección de convección. En
general, con ventiladores de tiro inducido, la velocidad másica óptima es
de 3.4 a 4.4 kg/sm2 (0,7 a 0,9 lb/spie2).
5. En las secciones de convección donde el flujo de gas de combustión es
forzado por una presión positiva, la velocidad másica también debe ser más
alta. Las calderas CO son ejemplos típicos de esta situación. Las
velocidades másicas del gas de combustión en el rango de 3.9 a 5.9 kg/sm2
(0.8 a 1.2 lb/spie2) deben ser consideradas. En estos casos la sección de
convección debe sellarse herméticamente para evitar fugas de gases de
combustión calientes.
6
CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE LA CHIMENEA
6.1
Tipos de construcción y arreglo
Las chimeneas usadas en hornos de procesos frecuentemente están fabricadas
de acero o concreto. Chimeneas de ladrillos raramente son usadas, aunque
muchas de las chimeneas de concreto están revestidas con ladrillos. Las
chimeneas pueden ser colocadas en el piso al lado del horno (chimeneas
soportadas por el suelo) o pueden ser montadas en el tope del horno (chimeneas
soportadas por el horno).
Chimeneas soportadas por el suelo – Las chimeneas por debajo de una altura
de 76 m (250 pie) son hechas de acero, las mayores de 76 m (250 pie) son de
concreto.
Estas chimeneas son usadas por diferentes hornos. Si la altura de la chimenea
está basada en los requerimientos de tiro solamente, el sistema del horno con la
caída de presión mayor determinará la altura de la chimenea.
Si un horno está conectado a una chimenea común y tiene que ser parado para
reparación, este horno debe estar provisto de compuertas o guillotinas en el ducto
para asegurar la continua operación de los otros hornos y de la chimenea.
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Ya que hay pérdidas adicionales de presión entre la salida del horno y la entrada
de la chimenea, las que son soportadas por el piso deben ser más altas que las
chimeneas soportadas por los hornos, siempre y cuando la altura de la chimenea
sea determinada por requerimientos de tiro solamente.
Chimeneas soportadas por hornos – Estas siempre son de acero. La altura
máxima económica para estas chimeneas es de 45 a 60 m (150 a 200 pie) por
encima del piso. Para alturas mayores de 60 m (200 pie) se debe especificar una
chimenea soportada por el piso.
Salidas de las chimeneas – Por cada 12.2 m (40 pie) de longitud de tubo de la
sección de convección se requiere una salida. Se pueden usar chimeneas
múltiples soportadas por el horno, o las salidas pueden ser dirigidas a una
chimenea común la cual puede estar soportada por el piso o por el horno.
6.2
Diámetro de la chimenea
El diámetro es una función de la cantidad de flujo de gas de combustión. Las
chimeneas deben ser diseñadas para una velocidad de 7.6 m/s (25 pie/s). Aunque
los detalles de la chimenea sean conocidos, para propósitos del diseño, el
diámetro debe considerarse uniforme. La especificación del diseño debe
establecer el diámetro interno requerido a la salida de la chimenea. Las siguientes
consideraciones pueden afectar el diámetro de la chimenea:
Chimeneas soportadas por el horno – Cuando los gases de combustión pasan
directamente a la chimenea, el diámetro no debe ser mayor que la anchura externa
(alrededor de 300 mm (12 pulg) mayor que la anchura interna) de la sección de
convección. Cuando los gases de combustión entran a la chimenea proveniente
de los ductos (Figura 18a), la chimenea puede tener un diámetro un poco mayor
que el ancho externo de la sección de convección.
Requerimientos de control de contaminación – Cuando se requieren altas
chimeneas por consideraciones del control de contaminación o por regulaciones
locales, velocidades del gas en la chimenea mayores que 7.6 m/s (25 pie/s)
pueden ser económicas, ya que de cualquier manera existe tiro extra para
compensar la caída de presión adicional. En ocasiones, altas velocidades pueden
ser requeridas por consideraciones de control de contaminación. Cuando se usa
una restricción en la salida de la chimenea (plancha de estrangulación o “choke
plate”) para obtener este incremento en la velocidad, la caída de presión a través
de esta plancha puede fijar la porción del tope de la chimenea bajo presión interna
positiva, si la velocidad a la salida está muy por encima de 7.6 m/s (25 pie/s). Esto
puede causar daños a las chimeneas de concreto o ladrillos, por lo que
posiblemente se requiera un revestimiento con acero. Cuando la velocidad de
salida es menor o igual a 7.6 m/s (25 pie/s), la pérdida a la salida es relativamente
pequeña, por lo que se puede ignorar el efecto de una plancha de estrangulación.
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Velocidad mínima del gas de chimenea – A velocidades menores que 4.6 m/s
(15 pie/s) del gas en la chimenea, puede ocurrir inversión con aire frío en la
chimenea y bajar por un lado de la misma. Esta recirculación puede reducir
seriamente el tiro disponible por lo que debe evitarse. En caso de que se opere el
horno a baja carga por largo tiempo, se deben considerar las siguientes medidas:
1. Operar con alto exceso de aire – Durante la operación a baja carga, el
porcentaje de exceso de aire puede ser aumentado tanto como sea
necesario, para evitar recirculación, en caso de llegar a ser un problema.
Esta solución es preferible para incrementar la velocidad del gas en la
chimenea según el diseño, y se recomienda particularmente en casos
donde la altura de la chimenea está basada en los requerimientos de tiro.
En tales casos, el incremento de la velocidad del gas en la chimenea
requerirá aumentar la altura de la chimenea. Otra razón para aceptar un
porcentaje de oxígeno mayor que el diseño durante la operación a baja
carga, es cuando dificultades en el control y entradas de aire al horno, no
permiten en la práctica operar a bajo exceso de aire bajo estas condiciones.
2. Aumento en la velocidad del gas en la chimenea – A pesar de las
consideraciones anteriores, se hace necesario por razones de procesos y
operabilidad del horno o economía de la planta, diseñar un horno y su
chimenea para que operen con el porcentaje de exceso de aire del diseño
a baja carga. Esto significa que la chimenea tiene que ser diseñada para
una velocidad del gas en la chimenea de por lo menos 4.6 m/s (15 pie/s)
para la menor carga esperada; y que a las condiciones de diseño la
velocidad del gas en la chimenea puede exceder 7.6 m/s (25 pie/s).
3. Plancha de estrangulación removible – Se puede considerar una tapa
o plancha de estrangulación removible, como un medio de aumentar la
velocidad del gas a la salida de la chimenea durante la operación inicial a
baja carga. La tapa puede ser removida cuando se le aumente la carga del
horno.
6.3
Revestimientos de la chimenea
Todas las chimeneas de acero al carbón requieren revestimiento para mantener
la temperatura de la armadura por debajo de 480°C (900°F). La armadura o
carcaza de acero debe también ser protegida si la temperatura es menor de 175°C
(350°F).
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MULTIPLES Y LINEAS DE TRANSFERENCIA
7.1
Múltiples (“Manifolds”)
7.1.1
Generalidades
Los múltiples son utilizados para distribuir y recolectar fluidos de los diferentes
pasos de los hornos. Estos múltiples deben estar diseñados para alcanzar una
distribución uniforme del flujo en todos los pasos del horno. Una mala distribución
del flujo por los pasos del horno puede causar que algunos de ellos se queden sin
flujo, resultando en sobrecalentamiento y quema de los tubos.
Se debe proveer protección por bajo flujo (o flujo interrumpido) de acuerdo con el
documento PDVSA–MDP–(Pendiente: consultar MDP versión 1986, Subsección
15E).
7.1.2
Servicios de vaporización
Los múltiples de entrada no pueden proporcionar una distribución del flujo
adecuada en servicios de vaporización. Debido a que esta distribución del fluido
nunca será perfecta, el paso con poco flujo absorbe la misma cantidad de calor,
lo que resulta en una alta temperatura a la salida del serpentín, y aumento de la
vaporización. Este incremento en la vaporización origina un flujo invertido en este
paso y causa mala distribución del fluido, hasta que el sistema quede finalmente
desbalanceado. Bajo condiciones de poco flujo –poca caída de presión, esta
situación puede originar rápidamente coquificación en los pasos. Aún en
condiciones máximas de operación, este paso más caliente coquifica mucho más
rápido que los pasos fríos y se convierte en una limitante para el proceso.
La instrumentación de control de flujo automático instalado debe ser especificado
para servicios con formación de coque (para temperaturas a la salida del serpentín
por encima de los 315°C (600°F)).
Los indicadores de flujo y las válvulas de globo (generalmente 1 a 2 tamaños
menores que el tamaño de la línea) deben ser especificados para servicios no
críticos y sin coque, tales como rehervidores, los cuales pueden tolerar cierta mala
distribución del flujo. Se debe asegurar buena operación de los TR instalados a
las salidas de los serpentines.
Se deben revisar las condiciones de arranque para asegurar que las válvulas
puedan controlar adecuadamente los bajos flujos y las altas caídas de presión que
se encuentren en un momento dado.
Las corrientes del proceso con una vaporización significativa a la entrada del
horno, no pueden ser reguladas adecuadamente con válvulas de control de flujo.
Por lo tanto, si no se puede tolerar mala distribución del flujo en los pasos, se debe
evitar vaporización aguas arriba de estas válvulas de control.
Muchos hornos han operado satisfactoriamente con un porcentaje de vapor de
hasta 0.01 kg/kg (1% en peso) antes de las válvulas de control, y este límite debe
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ser utilizado en hornos destiladores y en hornos similares. Si se espera mayor
vaporización, el sistema debe ser rediseñado de tal forma que la vaporización no
sea mayor de 0.01 kg/kg (1% en peso) en el punto donde el flujo es dividido y
controlado. Por supuesto que este límite no aplica en hornos con un sólo paso.
Algunos hornos pueden tolerar una mala distribución del flujo relativamente alta
entre pasos, y en estos casos, un grado de vaporización en la entrada del horno
es aceptable. Estos casos deben ser evaluados en una base individual,
considerando la experiencia previa que se tiene con respecto al nivel de
temperatura, tendencias de coquificación, etc. Debido a que los controladores de
flujo no son efectivos en estos casos, el arreglo de la tubería de entrada debe
proveer la mejor división posible de los flujos. El arreglo debe ser simétrico, con
las divisiones de flujo acabadas por tramos en “T” de tuberías horizontales.
7.1.3
Servicios de una sola fase
Líquido – Hornos alimentados sólo con líquido tienen requerimientos similares
que los servicios de vaporización, o sea que deben ser provistos de reguladores
para la distribución del flujo paso–a–paso. Una mala distribución del flujo puede
causar que el fluido sea subalimentado en un paso y se evapore, ocasionando el
mismo problema encontrado en servicios de vaporización. Sin embargo, esto no
parece ser un problema muy severo en la mayoría de los casos, y por lo tanto, al
igual que en servicios de vaporización sin coquificación, indicadores de flujo y
válvulas de globo en cada paso proveerán adecuada distribución del flujo. Se debe
asegurar la buena operación de los TR instalados a la salida.
Vapor – La distribución adecuada del flujo en hornos con puro flujo de vapor no
requiere válvulas de control en los pasos individuales; en cambio se puede hacer
una división natural mediante un apropiado diseño de los múltiples de entrada y
salida del horno.
Los múltiples de entrada y salida deben ser dimensionados de tal forma que el
cabezal dinámico en el múltiple, en el punto de máxima velocidad, no sea mayor
que el 5% de la caída de presión de cada paso individual. Las siguientes
ecuaciones pueden ser usadas para determinar el diámetro interno del múltiple.
2
Ph + V
2g
Ec. (2)
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
donde:
Ph
V
g
En unidades
SI
m de fluido
m/s
9.81 m/s2
= Cabezal dinámico en el múltiple
= Velocidad lineal del fluido
= Aceleración de la gravedad
En unidades
inglesas
pie de fluido
pie/s
32.17 pie/s2
En otras unidades,
PȀ h +
F 50 W2
ρ D 4i
Ec. (2a)
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
donde:
P’h
W
ρ
Di
F50
=
=
=
=
=
En unidades
SI
kPa
kg/s
kg/m3
mm
8.1x10 8
Cabezal dinámico en el múltiple
Flujo másico
Densidad del fluido
Diámetro interno de múltiple
Factor cuyo valor depende de las
unidades usadas
En unidades
inglesas
psi
lb/s
lb/pie 3
pulg
3.625
Si ∆Pt es la caída de presión total a través del serpentín, entonces para
dimensionar el múltiple se usa:
PȀ h + 0.05 DP t
D i + F 51
Ec. (3)
Ǹ
4
W2
ρ DP t
Ec. (4)
donde:
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
DPt
F51
= Caída de presión total a través del
serpentín
= Factor cuyo valor depende de las
unidades usadas
En unidades
SI
kPa
En unidades
inglesas
psi
357
2.92
La tubería típica de entrada y salida de un múltiple de un horno está ubicada en
el centro o en una de las esquinas del múltiple, como se muestra a continuación.
Los múltiples de entrada y salida no necesitan ser simétricos. Si la entrada está
en una esquina del múltiple se requiere uno mayor que si la entrada estuviera en
el centro, ya que el flujo se hace el doble en el punto de máxima velocidad.
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Aunque no hay mucha diferencia del flujo entre los pasos, este procedimiento dará
una distribución satisfactoria para los requerimientos de procesos convencionales
(por ejemplo, Powerformers, etc.).
7.2
7.2.1
Líneas de transferencia
Generalidades
Las líneas de transferencia son utilizadas para conectar la salida del horno con la
torre. Para muchos hornos, el diseño de la línea de transferencia está basado en
una caída de presión razonable, flexibilidad mecánica y consistencia con el diseño
del proceso. Sin embargo, la línea de transferencia de hornos de alambiques de
tubos de vacío requieren consideraciones de diseño especiales debido al alto
volumen específico del fluido a las condiciones de la torre.
7.2.2
Consideraciones de diseño / Cálculos manuales
El diseño de una línea de transferencia para un horno de vacío debe estar basado
en lo siguiente:
1. La velocidad del fluido en la línea de transferencia y en los tubos del horno
debe ser limitada a 80% de la velocidad sónica. La velocidad sónica se
determina utilizando la siguiente ecuación, la cual se aplica a condiciones
de flujo disperso. (Aun con una fracción muy pequeña de vaporización, las
condiciones de flujo disperso existen en los tubos de la salida de hornos de
vacío/sistema de líneas de transferencia, debido al nivel de presión bajo y
al alto volumen específico del vapor resultante).
V s + F 52 ǸkPV m
Ec. (5)
donde:
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
Vs
k
P
= Velocidad sónica
= Relación de calores específicos,
Cp/Cv (aprox. igual a 1.)
= Presión Absoluta
En unidades
SI
m/s
En unidades
inglesas
pie/s
kPa
Psia
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ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
Vm
X
Vg
Vf
F52
= Volumen específico de la mezcla del
fluido
= XVg + (1 – X) Vf
= Fracción vaporizada en peso
= Volumen específico del gas en la
mezcla
= Volumen específico del liquido en la
mezcla
= Factor cuyo valor depende de la
unidades usadas
En unidades
SI
3
m /kg
En unidades
inglesas
pie3/lb
m3/kg
pie3/lb
m3/kg
pie3/lb
31.64
68.1
2. En el documento PDVA–MDP–(Pendiente: consultar MDP versión 1986,
Sección 14), se incluye información adicional referente a longitudes
equivalentes de accesorios.
3. Los cálculos de la línea de transferencia comienzan con las condiciones de
la torre y se mueven aguas arriba a través de la línea de transferencia al
horno. Haciendo los cálculos desde la torre hacia el horno, la presión
aumenta debido a la reducción del volumen específico. Esto permite utilizar
un diámetro progresivamente pequeño de la línea de transferencia, sin
exceder el 80% de la velocidad sónica.
La caída de presión se debe a la fricción y a las cambios en el cabezal de
velocidad y al cabezal estático (asumida igual a cero para estos fluidos
parcialmente vaporizados). Los cambios en el cabezal de velocidad
resultan de cambios continuos en la velocidad a lo largo de la línea de
transferencia, al igual que de expansiones repentinas en cada cambio del
diámetro de la tubería. Normalmente se usan reductores convencionales
para cambiar el diámetro de la tubería, por lo que estos deben ser
considerados igual que las expansiones repentinas.
4. Se deben utilizar codos con radios largos estándar (R/D = 1.5) en el diseño
de la línea de transferencia. Para tuberías con diámetros mayores que 610
mm (24 pulg), donde los codos no son disponibles o son demasiados
costosos, se pueden usar dos tubos curvados en vez de codos. Se puede
considerar que la longitud equivalente de estos tubos curvados es igual a
1.5 veces la longitud equivalente de codos de radio largo.
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5. Los cálculos deben estar basados en los tubos del horno y en la línea de
transferencia a la condición de no coquificación.
6. Como se discute en el documento PDVSA–MDP–05–F–01, la velocidad
del fluido a la salida del horno, debe ser tan alta como sea posible, sin
excederse de 80% de la velocidad sónica. Una excesiva caída de presión
en la línea de transferencia puede causar bajas velocidades lineales y alto
tiempo de residencia en los tubos de la salida, resultando una rápida
coquificación.
7. Muchos hornos/sistemas de torres contienen dos líneas de transferencia,
las cuales entran por lados opuestos a la torre. Como se re quieren
diferentes arreglos para las dos líneas, se debe calcular en el diseño, dos
líneas de transferencia.
7.2.3
Cálculos manuales
1. Calcule el 80% de la velocidad sónica a la carga de alimentación según el
diseño para dos o más niveles de presión, como lo requerido (tal como 14,
70, 140 kPa (2, 10, 20 psia) para el ejemplo mostrado en la Figura 13.). La
densidad de la mezcla vapor y líquido a cada presión pueden ser obtenidas
de los programas de balance de materia y energía ó simuladores de
proceso en estado estacionario (PRO II, ASPEN, etc.).
2. Basado en la carga de alimentación según diseño, determine el diámetro
interno de la línea de transferencia requerida, considerando el 80% de la
velocidad crítica a estas presiones. Grafique el diámetro interno (DI) de la
línea de transferencia en función de la presión (en papel logaritmo es una
línea recta. Ver Figura 13.).
3. Utilizando la gráfica, trace la línea de transferencia, seleccionando
diferentes tamaños de diámetros internos a lo largo de la línea. Calcule la
caída de presión en la línea de transferencia. El arreglo de la línea de
transferencia debe ser revisado, para asegurar que la velocidad lineal a
través de la línea de transferencia (y en los tubos de salida del horno) no
exceda el 80% de la velocidad sónica. La Figura 13. muestra una curva
típica del tamaño de la línea de transferencia en función de la presión.
4. Verifique la flexibilidad mecánica de la configuración final de la línea de
transferencia.
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5. Proveer un trazado isométrico en la especificación de diseño y exigirle al
contratista que revise el arreglo final con los ingenieros propietarios para
la aprobación de ser diferente de la Especificación de Diseño.
7.2.4
Cálculos automatizados
Con el advenimiento de los programas de simulación estática de procesos o
balanceadores de materia y energía, este tipo de cálculos de la línea de
transferencia pueden hacerse en forma más precisa.
El programa PRO II (SIMSCI), de uso generalizado por PDVSA y sus filiales,
permite simular con bastante precisión, y en forma relativamente sencilla, el
comportamiento de una línea de transferencia existente, o el diseño de una nueva
línea de transferencia, buscando el tamaño de la tubería para una caída de presión
ó velocidad dada. Remitimos al lector al manual de configuración de PRO II
(keyword manual) para más detalles.
Los programas FRNC–5 (PSR) y FH–0 (HTRI) no permiten, por ahora, la
simulación de la línea de transferencia.
8
INSTRUMENTACION
Esta información se presenta a título de guía y no pretende ser mandatoria. Para
requerimientos mandatorios de instrumentación en hornos, consultar
PDVSA–MID–K–337: “FURNACE INSTRUMENTATION”.
8.1
8.1.1
Fluido del proceso
Flujo
1. Medición y control del flujo por cada paso de líquido y servicios de vapor
2. Protección por bajo flujo (o flujo detenido).
8.1.2
Temperatura
1. Entrada al serpentín. Temperatura promedio en el horno. También,
indicadores individuales por paso si ocurre vaporización a través de una
válvula de control.
2. Conexiones (Crossovers). La temperatura de cada paso (o de un colector
común) entre las secciones de radiación y convección.
3. Salida del serpentín. La temperatura de cada paso, más la temperatura
combinada en la línea de transferencia. Debido al largo número de pasos
en hornos tipo tubos anillados (hoop–tube) (con temperaturas a la salida
aproximadamente uniformes), se deben medir las temperaturas a la salida
del serpentín de pasos representativos, en vez de las temperaturas a la
salida del serpentín de todos los pasos.
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8.1.3
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Presión
1. Entrada al serpentín. Presión de cada paso aguas abajo de la válvula de
control. Presión en la línea de alimentación si las válvulas no son usadas
para controlar el flujo a pasos individuales.
2. Salida del serpentín. Presión total en la línea de transferencia.
8.2
Temperaturas del metal del tubo
Se deben instalar termocuplas para monitorear las temperaturas del metal de los
tubos, sólo si es pedido por el propietario. La experiencia operacional ha mostrado
que estos TI’s por lo general tienen corta duración y frecuentemente indican
temperaturas del metal mucho más altas que las temperaturas actuales.
8.3
8.3.1
Gas de combustión
Temperatura –
1. En la chimenea debajo del regulador de tiro (damper).
2. En el tope de la sección de radiación debajo de la sección de convección
(Bridgewall temperature).
8.3.2
Manómetros de tiro (Draft Gages) .
1. En la chimenea encima y debajo del regulador de tiro (damper).
2. En el tope de la sección de radiación exactamente debajo del nivel del arco
(arch level).
8.3.3
Otros instrumentos de presión
En hornos de tiro forzado se requiere una alarma por alta presión (y bajo ciertas
condiciones, un interruptor), en el tope de la sección de radiación.
8.3.4
Analizadores de oxígeno
Estos analizadores son de gran utilidad para monitorear la composición de los
gases de combustión como una ayuda para obtener una operación eficiente del
horno. Estos instrumentos son de gran valor, particularmente en hornos donde la
operación oscila grandemente.
Los analizadores de oxígeno son aparatos opcionales y deben ser instalados
siempre y cuando se justifique. Ellos son obviamente más atractivos en hornos
grandes que queman combustibles de costos elevados. Sin embargo, no se
requieren mediciones continuas. Por lo tanto, un analizador puede ser usando en
varios hornos que estén relativamente cerca, haciendo uso del cambio de equipo
apropiado. Para instalaciones de hornos pequeños, un analizador de oxígeno
puede justificarse si la carga al horno es mayor que 15 MW (50 MM BTU/h). Nótese
que se requiere una cantidad significativa de mantenimiento para lograr que estos
analizadores trabajen adecuadamente.
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8.4
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Sistema de tiro forzado
8.4.1
Indicadores de Presión
1. Ducto principal de aire
2. En cada quemador, aguas abajo del regulador de tiro hermético.
8.4.2
Sistema de control de seguridad
Consultar PDVSA–MID–K–337: “ FURNACE INSTRUMENTATION “.
8.4.3
8.5
8.5.1
Medición de flujo de aire
Esta medición no se justifica normalmente a no ser de que se desee regular la
relación combustible/aire por control computarizado.
Sistema de combustible
Sistema de control y seguridad
Indicadores de presión, alarmas, interruptores,
PDVSA–MID–K–337: “ FURNACE INSTRUMENTATION “.
como
lo
indica
8.5.2
Vapor de Atomización
Provee un indicador de presión en el colector, aguas abajo de la válvula de control.
8.5.3
Aceite Combustible
Provee un indicador de la temperatura cerca de los sitios muertos de los
colectores, y en la entrada y salida de los colectores de retorno.
8.5.4
Sistema de decoquificación aire–vapor
Ver PDVSA–MID–K–337: “ FURNACE INSTRUMENTATION “.
8.5.5
9
Sopladores de hollín
Indicador de presión en el colector de vapor.
Indicador de flujo en el colector de vapor para sistemas de baja presión (< 1,7 MPa
(250 psi)).
ESPECIFICACIONES MECANICAS
9.1
Generalidades
“Hornos de proceso: Requisición, análisis de ofertas
PDVSA–MID–L–TP–2.7
y detalles de compra”, y PDVSA–MID–B–201–PR “Calentadores de fuego directo”
cubren todos los requerimientos que dirigen el diseño, procura, fabricación e
inspección de hornos de procesos. Aunque para la oferta del vendedor–diseñador
de hornos se incluyen los requerimientos mínimos del proceso, estos documentos
de PDVSA están muy involucrados con los requerimientos comunes del diseño
mecánico, que aplica a casi todos los hornos. Estos requerimientos son
actualizados periódicamente, basado en las últimas experiencias y desarrollos.
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Especificación de diseño – La especificación del diseño suministra la
información que se muestra en la Tabla 1 del documento
PDVSA–MDP–05–F–01.
También es necesaria una gráfica que muestre el
arreglo general del horno. Lineamientos mecánicos especiales para un horno en
particular, también están incluidos en la especificación del diseño..
9.2
Guías de tubos y soportes
Componentes corrosivos en el combustible – Si el combustible contiene
cantidades significativas de vanadio y sodio, se deben tomar consideraciones
especiales con respecto a las partes metálicas que operen a temperaturas
porencima de los 650°C (1200°F). La temperatura de operación del soporte del
tubo se supone que es igual a la temperatura de los gases de combustión. Por
encima de los 650°C (1200°F), los depósitos de cenizas se derriten en las soportes
y los funden. El soporte común del tubo y los materiales para las guías de tubos
de aleaciones 25/20 y 25/12 Cr–Ni rápidamente se deterioran bajo estas
condiciones. Los siguientes puntos deben ser incluidos en la especificación para
reducir estos problemas:
1. El diseñador debe especificar las cantidades de vanadio y sodio en el
combustible, de acuerdo con L–TP–2.7 (Tabla 1). Esto definiría el uso de
refractario protector y de altas aleaciones de cromo–níquel (50/50 o 60/40
Cr/Ni) para los soportes de los tubos.
2. Donde sea práctico, los hornos y sus componentes pueden ser diseñados
para minimizar su exposición a los gases calientes de combustión. Muestra
de ello son los soportes de tubos y guías ubicadas fuera de la cámara de
combustión y detrás de los tubos. También, se puede eliminar algunas
veces las láminas de tubos intermedias en la sección de convección en el
caso de hornos verticales–cilíndricos (VC) haciendo la sección de
convección más corta y más ancha.
3. Los componentes vulnerables pueden fácilmente ser removidos para su
reemplazo durante paradas de mantenimiento programado. Esto es
práctico para los soportes y guías de sección de radiación. El
PDVSA–MID–B–201–PR requiere soportes para tubos horizontales de la
sección de radiación, los cuales son reemplazados sin tener que sacar los
tubos.
Para hacer el reemplazo de los soportes de tubos en la sección de
convección sin remover los tubos se requiere una inversión extra muy
elevada, por lo que normalmente no se hace. Algunas veces, los
propietarios desean que los soportes de los tubos de radiación sean
reemplazados sin tener ni siquiera que apagar el horno. Sin embargo, esto
es muy costoso por lo que raramente se justifica. Ninguno de estos dos
lineamientos deben ser especificados a menos que sea pedido por el
propietario.
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Detalles mecánicos especiales – Algunos diseños de hornos requieren la
inclusión de lineamientos especiales del diseño mecánico en las especificaciones
con el fin de obtener un diseño detallado adecuado. Aunque algunos detalles
típicos son incluidos en los MDP, consultar siempre con los documentos
“Hornos de proceso: Requisición, análisis de ofertas
PDVSA–MID–L–TP–2.7
y detalles de compra”, y PDVSA–MID–B–201–PR “Calentadores de fuego
directo”.
9.3
Refractario
Materiales – Los materiales refractarios del horno son afectados por los
componentes corrosivos que posee el combustible. Los problemas más comunes
son causados por el azufre, pero altas concentraciones de metales puede causar
también el deterioro del refractario a altas temperaturas.
El diseñador debe especificar las cantidades de azufre y metales en el
combustible, (L–TP–2.7), de tal manera de poder aplicar los requerimientos
adecuados de refractario segun PDVSA–MID–B–201–PR.
Temperaturas – El diseño de las temperaturas de superficie caliente debe ser
especificado de tal manera de poder calcular el espesor del refractario requerido,
basado en las pérdidas de calor. (PDVSA–MID–B–201–PR requiere una
temperatura máxima de 82°C (180°F) en la cubierta (casing), sin viento y con una
temperatura ambiente de 27°C (80°F)). Estas temperaturas de diseño deben ser
estimaciones verdaderas de temperaturas actuales. Se debe usar la siguiente
base para determinar estas temperaturas (redondear a la temperatura más
próxima en 30°C (50°F)).
1. Paredes protegidas en la sección de radiación (protegidas por los tubos):
Temperatura promedio de la pared divisoria (bridgewall temperature) y
temperatura promedio del metal del tubo (sin coque), más 56°C (100°F).
2. Paredes desprotegidas en la sección de radiación: Temperatura promedio
de la pared divisoria (bridgewall temperature).
3. Arco (arch) de la sección de radiación: Temperatura promedio de la pared
divisoria.
4. Piso de la sección de radiación: 980°C (1800°F).
5. Paredes de la sección de convección: Dividir la sección en dos partes
(tubos lisos y tubos de superficie extendida). Usar temperaturas de 93°C
(200°F) en cada sección por debajo de la temperatura de entrada del gas
de combustión.
Purga y sofocación con vapor
Purga con Vapor – Cada diseño de horno debe incluir facilidades para efectuarle
purgas con vapor al horno. Estas facilidades deben ser de un tamaño tal que
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provean vapor a una tasa de un cambio en volumen del horno (sección de
radiación) cada 5 minutos. Un orificio de restricción debe ser provisto en el sistema
de tubería para limitar el flujo de vapor a esta tasa requerida. De otra manera, se
puede dar origen a un flujo de vapor mucho mayor que el actual, con posibles
efectos dañinos al sistema de vapor. En los cálculos de la cantidad de vapor,
recuerde que el horno está a presión atmosférica.
Las conexiones del sistema de purga con vapor preferiblemente deben estar
ubicadas en el piso del horno. Esto evita la incidencia directa del vapor en los
tubos. Se deben especificar suficiente conexiones para distribuir el vapor
uniformemente a través de la cámara de combustión, por lo menos una conexión
por cada 14 m2 (150 pie2) de área en el piso.
Vapor de Sofocación – También se requiere vapor de sofocación en la caja de
cabezales, pero sólo cuando los cabezales usados son del tipo tapón (Plug
Headers). Use un flujo de 0.0315 kg/s (250 lb/h) para cada cabezal.
Serpentín de emergencia de purga con vapor – Las facilidades para purgar con
vapor el serpentín en el caso de pérdidas de flujo, son ocasionalmente
especificadas. Debido a que ellas tienen valores limitados, no deben ser provistos
a menos que sean exigidas por PDVSA y sus filiales. Este serpentín de purga
intenta prevenir la temperatura alta del calor residual en el refractario del horno
producto de coquificación de hidrocarburos que quedan en el serpentín. Nunca
se debe considerar la purga con vapor del serpentín como un sustituto por disparo
inmediato del combustible por falta de flujo en el serpentín.
La purga con vapor tiene poco o ningún valor en servicios que contienen
hidrocarburos livianos (rehervidores, etc.) o mezclas de hidrocarburos e
hidrógeno (termoreactores, hidrorefinadores (Powerformer, hydrofiner)). La
experiencia ha demostrado que no es requerido en servicios de hidrocarburos
pesados si se para la quema de combustible inmediatamente en caso de pérdidas
de flujo en el serpentín.
Si se debe especificar la purga con vapor en el serpentín, se debe adecuar una
tasa de vapor equivalente o la velocidad másica de por lo menos 24 kg/sm2 (5
lb/spie2) para sistema de baja presión. Esto evacuará el serpentín en menos de
1–2 minutos. La presión de vapor suministrado debe ser mayor que la presión del
sistema aguas abajo. Para hornos de fraccionadoras atmosféricas y de vacío
(pipestills), se puede usar vapor de 860 a 1034 kPa (125 a 150 psig), a través de
las facilidades de decoquificación. Además, cuando la purga con vapor es
especificada, se debe tener en consideración el efecto del vapor sobre el equipo
instalado aguas abajo.
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Detalles misceláneos
Ventanillas de observación – Aunque el documento PDVSA–MID–B–201–PR
requiere que el equipo sea provisto de ventanillas de observación e inspección,
el número y la ubicación deben ser indicados en la especificación del diseño,
debido a que los vendedores solamente proveerán una vista parcial del interior del
horno. Lo siguiente son requerimientos típicos de las mirillas de observación:
1. Hornos V.C.
a.
Dos mirillas en el piso para observar los tubos de radiación y los
tubos de protección.
b.
En el nivel bajo de la plataforma. Por lo menos, 1.4 m (4 pie–6 pulg)
por encima del piso, principalmente para observar la operación del
quemador. Uno para cada 3 a 4 quemadores de tiro natural o una por
cada quemador de tiro forzado.
c.
Más arriba de la sección de radiación. Uno por debajo de la sección
de convección para observar el arco, los tubos de protección y
soportes, y los soportes de los tubos de radiación.
d.
Arco. Uno para observar los tubos de radiación y quemadores.
2. Hornos de cabina
a.
En el nivel bajo de la plataforma para observar los quemadores. Uno
por cada 3 a 4 quemadores de tiro natural o uno por cada quemador
de tiro forzado a lo largo de cada lado del horno.
b.
En cada esquina del horno. Dos por celda en el nivel bajo de la
plataforma, uno a tres en el área más alta de la sección de radiación.
c.
En el lado del horno de tubos anillados al comienzo de la sección hip
para observar los tubos y sus guías.
3. Hornos con tubos verticales
a.
Dos mirillas en el piso de cada celda, en las esquinas diagonalmente
opuestas.
b.
En en nivel bajo de la plataforma. Una por celda en cada lado del
horno. Ubicada en las esquinas diagonalmente opuestas, dos en
cada esquina.
c.
En el nivel alto de la plataforma. Una por celda en cada lado del
horno. Dos a tres en cada esquina.
d.
Una en el arco sobre cada celda.
4. Sección de convección de todos los hornos – Proveer por lo menos un
conjunto de puertas de inspección para observar representativamente los
tubos y soportes, de tal manera de detectar deterioro y ensuciamiento.
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Estos debe ser alineados verticalmente para permitir la inspección de cada
fila de tubos en la sección de convección. También se debe proveer un
segundo conjunto de puertas de inspección para las secciones de
convección que sean más largas de 9 m (30 pies).
Plataformas y Escaleras – Al igual que las ventanillas de observación, aunque
cubiertas por PDVSA–MID–B–201–PR, las plataformas y escaleras deben ser
especificadas para eliminar desacuerdos.
1. Las plataformas típicas son provistas como sigue:
a.
Alrededor del horno al nivel del piso (observación del quemador)
b.
Como lo requerido alrededor del horno al nivel de observación su
perior.
c.
En ambos extremos de la sección de convección para el acceso a
los colectores.
d.
A lo largo de un lado de la sección de convección para el acceso de
los sopladores de hollín, si son usados. Esta plataforma debe ser
suficientemente ancha para ser extendida más allá de los
sopladores de hollín (Ver PDVSA–MID–B–201–PR).
e.
Acceso a otros sitios donde haya mirillas debe hacerse con la
escalera, o plataforma, como lo establecido por el arreglo de horno.
f.
Acceso a los reguladores de tiro de la chimenea y conexiones de
instrumento no es provisto normalmente, a menos que sea
especificado por el propietario.
2. Las escaleras son especificadas para el acceso de la grada a la plataforma
ubicada en el control del quemador (nivel del piso) y hacia el nivel del
soplador de hollín. Para todos los hornos excepto para los V.C., se provee
un acceso adicional en el extremo opuesto del horno desde la grada hasta
el nivel del soplador de hollín.
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ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
10 NOMENCLATURA
Ax
=
Di
G
=
=
g
k
=
=
P
p
Ph
P’h
V
Vf
=
=
=
=
=
=
Vm
=
Vg
=
Vs
W
W
X
DPt
=
=
=
=
=
ρ
=
Area de la sección transversal a
través del tubo
Diámetro interno de múltiple
Velocidad másica del fluido a través
del tubo
Aceleración de la gravedad
Relación de calores específicos,
Cp/Cv (aprox. igual a 1.)
Presión Absoluta
Número de pasos paralelos
Cabezal dinámico en el múltiple
Cabezal dinámico en el múltiple
Velocidad lineal del fluido
Volumen específico del liquido en la
mezcla
Volumen específico de la mezcla del
fluido
Volumen específico del gas en la
mezcla
Velocidad sónica
Flujo másico
Carga a través del tubo
Fracción vaporizada en peso
Caída de presión total a través del
serpentín
Densidad del fluido
En unidades
SI
m2
En unidades
inglesas
pie2
mm
kg/sm2
pulg
lb/spie 2
9.81 m/s2
32.17 pie/s3
kPa
kg/s
m de fluido
kPa
m/s
m3/kg
Psia
lb/h
pie de fluido
psi
pie/s
pie3/lb
m3/kg
pie3/lb
m3/kg
pie3/lb
m/s
kg/s
kg/s
pie/s
lb/s
lb/s
kPa
psi
kg/m3
lb/pie 3
FACTORES QUE DEPENDEN DE LAS UNIDADES USADAS
F50
F51
F52
= Ver ec. (2a)
= Ver ec. (4)
= Ver ec. (5)
8.1x10 8
357
31.64
3.625
2.92
68.1
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11 APENDICE
Tabla 1
Tabla 2
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Figura 5
Figura 6
Figura 7
Figura 8
Figura 9
Figura
Figura
Figura
Figura
10
11
12
13
Condiciones de diseño para hornos de proceso
Propiedades y tamaños de tubos de hornos más comunes
Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos
verticales–cilíndricos y de cabina
Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos de cabina
con pared refractaria en el centro
Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos
verticales (contiene tubos de un lado y de dos lados de radiación)
Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos
verticales (contiene sólo tubos de dos lados de radiación)
Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos
anillados (“Arbor or Wicket”)
Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos
horizontales
Arreglo de los pasos en un hornos de cabina
Longitudes aproximadas de los tubos para hornos con tubos
horizontales
Longitudes aproximadas de los tubos para hornos
verticales–cilíndricos
Arreglo típico de hornos verticales–cilíndricos
Arreglo típico para hornos con tubos anillados
Arreglos del Ducto
Tamaño típico de línea de transferencia vs presión
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TABLA 1. CONDICIONES DE DISEÑO PARA HORNOS DE PROCESO
Densidad calórica
promedio sugerida Ør
(Basada en tubos
expuestos al fuego
por un lado)*
Diseño sugerido
Velocidad másica; G
BTU/hpie3
(W/m2)
lb/spie2
(12000)
37860
250 (mín.) a 350
Contenido de sal menor que 18
kg/1000 barriles (40 lb/1000 bbl).
12000
37860
250 (mín.) a 350
Ver abajo para salida de tubos,
limitaciones de tiempo y temperatura
para alambiques de tubos de vacío
para lubricantes
a. Precalentadores y rehervidores
12000
37860
250 (mín.) a 350
Menor que 80% de vaporización. No
hay gran cantidad de materiales sin
saturarse que puedan polimerizarse.
b. Calentamiento de aceite rico y pobre
12000
37860
250 (mín.) a 350
Precalentadores de lubricantes
12000
37860
250 (mín.) a 350
Calentadores de gas comb. Liviano
12000
37860
250 (mín.) a 350
12000
37860
120 a 150
Máximo 2 tubos de salida por paso,
para evitar alta temperatura a la salida
del serpentín.
6000
18930
250 a 350
Densidad calórica baja debido a un
coeficiente de pélicula pobre.
10000
31546
250 a 350
Requiere corridas largas y operación
dependiente. Puede manejar
materiales pesados y sucios..
a. Precalentamiento de gas
12000
37860
35 a 50
b. Precalentamiento de nafta
12000
37860
100 a 200
c. Gas mezclado y nafta (termoreactor)
12000
37860
15 a 40
a. Solución de extracto
12000
37860
100 a 200
b. Solución de refinado
7000
22080
200 a 300
Servicios
OBSERVACIONES
Servicios ordinarios
Precalentadores atmosféricos
Precalentadores de vacío
Unidades de comp. livianos
Servicios Especiales
Precalentador de vacío
Tubos de salida
Calentadores de asfalto
Calentadores de residuo en sistemas
de circulación de aceite comb.
Reformador catalítico
Para servicios todo vapor
Tratamiento de lubricantes
Servicio de craqueo (reductores de
viscosidad)
a. Calentadores
Basado en la ausencia de craqueo y
contenido moderado de sal
12000
37860
600 a 900
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Servicios
b. Remojadores
Precalentamiento desufurización
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Diseño sugerido
Velocidad másica; G
BTU/hpie3
lb/spie2
(W/m2)
8000
25237
200 a 300
12000
37860
200 a 250
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Densidad calórica
promedio sugerida Ør
(Basada en tubos
expuestos al fuego
por un lado)*
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OBSERVACIONES
Mezcla de la alimentación y gas de
reciclo a alta temperatura.
* Las densidades calóricas promedio para tubos expuestos al fuego por dos lados es igual a 1.5
veces la densidad calórica para tubos expuestos al fuego por un lado.
Para convertir lb/spie2 a kg/sm2, multiplicar por 4.886.
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TABLA 2. PROPIEDADES Y TAMAÑOS DE TUBOS DE HORNOS MAS COMUNES(1)
Tamaño
nominal,
pulgadas
8
(203mm)
6
(152mm)
5
(127mm)
4
(102mm)
Diámetro
externo
Do, pulg
8.625
(219mm)
6.625
(188mm)
5.563
(141mm)
4.500
(114mm)
Diámetro
interno prom.
Di, pulg
Catálogo
tubería
(SCH)
Espesor
prom.
de la pared(2)
Espesor mín.
de la pared(2)
ta, pulg.
tm, pulg
Area de
flujo(3)
Ax, pie2
Superficie
de área
interna(3)
Superficie
de área
externa(3)
Ai, Pie2/pie
Ao, Pie2/pie
7.981
40
0.322
0.282
0.3480
2.089
7.973
––
0.326
0.285
0.3467
2.087
7.939
––
0.343
0.300
0.3435
2.080
7.767
––
0.429
0.375
0.3290
2.033
7.625
80
0.500
0.437
0.3171
1.996
6.065
40
0.280
0.245
0.2006
1.587
5.973
––
0.326
0.285
0.1946
1.564
5.939
––
0.343
0.300
0.1922
1.555
5.767
––
0.429
0.375
0.1814
1.510
5.761
80
0.432
0.378
0.1810
1.508
5.047
40
0.258
0.226
0.1390
1.321
4.911
––
0.236
0.285
0.1315
1.286
4.877
––
0.343
0.300
0.1296
1.277
4.813
80
0.375
0.328
0.1265
1.260
4.705
––
0.429
0.375
0.1207
1.232
4.026
40
0.237
0.207
0.0884
1.055
3.848
––
0.326
0.285
0.0808
1.007
3.826
80
0.337
0.295
0.0798
1.002
3.814
––
0.343
0.300
0.0793
0.998
3.642
––
0.429
0.375
0.0723
0.953
2.258
(0.688m2/m)
1.734
(0.529m2/m)
1.456
(0.444m2/m)
1.178
(0.359m2/m)
NOTAS:
1. Esta tabla lista los tamaños comunes de tubos para la conveniencia del diseñador. Espesores
intermedios de tubos pueden ser usados si resultal apropiados.
2. Si la Ta corresponde a un catálogo de tubería estándar, no especifique Tm sino Ta. Nótese que
Tm=0.875 Ta
3. Basado en el espesor promedio de la pared:
Ta, Tm, Di; para llevarlos a mm multiplique el valor por 25.4
Ax; para obtener el valor en mm2 multiplique el valor de la tabla por 0.0929
Ai; para llevar el valor de pie2/pie a m2/m multiplique el valor de la tabla por 0.3048
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Fig 1. TEMPERATURA DE LA PARED DIVISORIA (Tbw), PARA HORNOS
VERTICALES–CILINDRICOS Y DE CABINA
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Fig 2. TEMPERATURA DE LA PARED DIVISORIA (Tbw), PARA HORNOS DE CABINA
CON PARED REFRACTARIA EN EL CENTRO
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Fig 3. TEMPERATURA DE LA PARED DIVISORIA (Tbw), PARA HORNOS CON TUBOS
VERTICALES (CONTIENE TUBOS DE UN LADO Y DE DOS LADOS DE RADIACION)
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Fig 4. TEMPERATURA DE LA PARED DIVISORIA (Tbw), PARA HORNOS CON TUBOS
VERTICALES (CONTIENE SOLO TUBOS DE DOS LADOS DE RADIACION)
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Fig 5. TEMPERATURA DE LA PARED DIVISORIA (Tbw), PARA HORNOS CON TUBOS
ANILLADOS (“ARBOR OR WICKET”)
°C
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Fig 6. TEMPERATURA DE LA PARED DIVISORIA (Tbw), PARA HORNOS CON TUBOS
HORIZONTALES
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Fig 7. ARREGLO DE LOS PASOS EN UN HORNO DE CABINA
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Fig 8. LONGITUDES APROXIMADAS DE LOS TUBOS PARA HORNOS CON TUBOS
HORIZONTALES
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Fig 9. LONGITUDES APROXIMADAS DE LOS TUBOS PARA HORNOS
VERTICALES–CILINDRICOS
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Fig 10. ARREGLO TIPICO DE HORNOS VERTICALES–CILINDRICOS
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Fig 11. ARREGLO TIPICO PARA HORNOS CON TUBOS ANILLADOS
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Fig 12. ARREGLOS DEL DUCTO
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Fig 13. TAMAÑO TIPICO DE LA LINEA DE TRANSFERENCIA VS PRESION
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E PDVSA, 1983
TITULO
QUEMADORES
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DESCRIPCION
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APROB.
APROB. APROB.
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ESPECIALISTAS
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Indice
1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA QUEMADORES . . . . . . .
4
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
Quemadores de tiro natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Quemadores de tiro forzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Requerimientos de exceso de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Flexibilidad del quemador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tratamiento del ruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
7
9
9
10
6 CONSIDERACIONES DE DISEÑO DEL SISTEMA
DE COMBUSTIBLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
6.1
6.2
6.3
6.4
Combustibles gaseosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Combustibles líquidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pilotos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tubería del quemador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
13
17
18
7 SELECCION DEL QUEMADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
Tipo de quemador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Número de quemadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Capacidad del quemador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Espaciamiento del quemador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Preparación de las especificaciones del diseño del quemador . . . . . . . .
18
19
19
20
20
8 APENDICES
Tabla 1
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Direcciones de algunos vendedores de quemadores . . . . . . . . . . .
Quemadores típicos de tiro natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Espacio de quemadores montados sobre una cámara
(plenum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema típico de circulación de aceite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arreglo típico de la tubería del quemador para quemadores
de tiro forzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
23
24
25
26
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OBJETIVO
Presentar información básica que pueda usarse en la evaluación de ofertas
quemadores 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
05–F–03
Hornos: Consideraciones de diseño.
Hornos: Quemadores (Este documento).
05–F–04
Hornos: Sistemas de tiro forzado.
05–F–05
Hornos: Precalentadores de aire.
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
Se cubre el uso de quemadores en hornos de proceso de la refinería. Se presentan
normas para la selección del quemador y diseño de los mismos. Exceptuando
algunas especificaciones, la selección del quemador debe ser consistente con los
requerimientos de las prácticas básicas para equipos con niveles de ruido.
También se incluyen detalles de los quemadores comúnmente usados.
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–L–TP–2.7 “Hornos de proceso: Requisición, análisis de ofertas
y detalles de compra”
S PDVSA–MID–B–201–PR “Hornos de fuego directo”
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S PDVSA–MID–K–337: “ Furnace instrumentation “
S PDVSA–MID–SN–291: “Control de ruidos de plantas: filosofia de diseño”
Manual de Ingeniería de Riesgo
S PDVSA–IR–P–01 “Sistema de paradas de
despresurizacion y venteo de equipos y plantas”
emergencia,
bloqueo,
Manual de Inspección
S PDVSA–PI–12–12–01: “ Control de ruido”
Otras Referencias
S Garg, A., Ghosh, H., “Good heater specifications pay off”, Chemical
Engineering, julio 18, 1988, pp 77–80
S Whitehead, D. M., Butcher, R. W., “Forced draft burners compared”,
Hydracarbon Processing, julio 1984, pp 51–55
4
DEFINICIONES
Para ver otras definiciones relacionadas con el tema de hornos, consultar
PDVSA–MDP–05–F–01.
Poder calorífico inferior (PCI)
Es el calor teórico de combustión de un combustible, cuando no se le da crédito
al calor de condensación del agua en el gas de combustión. También se le llama
poder calorífico neto y es generalmente expresado en kJ/kg (BTU/lb).
Convencionalmente, el poder calorífico inferior es utilizado para todos los rangos
de operación de los quemadores.
Capacidad máxima del quemador
Es el calor máximo liberado a la cual el quemador puede operar con características
de combustión aceptables.
Capacidad normal de diseño del quemador
Es el calor liberado por los quemadores individuales cuando el horno opera a su
capacidad de diseño y todos los quemadores están en servicio.
Capacidad máxima del diseño del quemador
Es el máximo calor específico liberado por un quemador. Esta es un poco mayor
que la capacidad normal de diseño y su intención es suplir capacidad suficiente
al quemador para compensar la carga adicional cuando uno o más quemadores
son removidos temporalmente para mantenimiento, limpieza, etc. La capacidad
máxima de diseño no debe exceder la capacidad máxima del quemador.
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Flexibilidad del quemador (Turndown)
Es la relación de la capacidad máxima de diseño y la carga mínima a la cual el
quemador puede operar satisfactoriamente.
5
CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA QUEMADORES
Una gran variedad de tipos de quemadores se disponen para el uso en refinerías
y en plantas químicas. Cada tipo de quemador tiene su capacidad y limitaciones,
las cuales determinan su aplicación para un servicio dado. A continuación, se
describen los tipos de quemadores comúnmente usados.
5.1
Quemadores de tiro natural
La mayoría de estos quemadores cuentan con un tiro térmico desarrollado en el
horno y en la chimenea para proveer el aire requerido para la combustión. Algunos
usan la energía del gas combustible para alcanzar el 100% del aire
estequiométrico requerido. Todos estos quemadores son clasificados de acuerdo
al tipo de combustible con que operan, es decir, gas, líquido o combinación
gas/líquido.
La capacidad máxima de diseño de los quemadores de tiro inducido está
normalmente limitada a 4.6 MW (16 MM BTU/h), ya que pueden ocurrir llamas con
longitud excesiva a capacidades mayores.
Componentes básicos – Todos los quemadores de tiro natural son fabricados con
tres componentes básicos:
1. Pistola del quemador – De ser requerido atomiza el combustible y lo inyecta
en la zona de combustión.
2. Registro de aire – Controla el flujo de aire al quemador.
3. Garganta(s) del quemador – Dirige el flujo de aire a través del quemador
e irradia calor en la zona de combustión.
Quemadores de gas – Cuando sólo se van a quemar combustibles gaseosos, y
no hay precalentamiento del aire de combustión, se usan quemadores de gas de
tiro natural. Estos pueden ser de “gas bruto” o “pre–mezcla de gas”, dependiendo
del método usado para combinar o mezclar el combustible y el aire.
1. Quemadores de gas bruto – Es un quemador en el cual el gas combustible
es inyectado en una corriente de aire para el encendido. Mecánicamente,
esto se lleva a cabo mediante uno de las dos configuraciones generales del
quemador:
a.
b.
Quema central – Se monta una pistola de gas sencilla coaxialmente dentro del
quemador que se encuentra generalmente provisto de un cono estabilizador
de llama (Fig. 1.A).
Pistola múltiple – Por lo general de 4 a 8 pistolas de gas se ubican alrededor
de la circunferencia interna de la garganta del quemador (Fig.1.C).
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Debido a su bajo costo, los quemadores que queman el gas por el centro
generalmente son usados en aplicaciones donde han sido seleccionados
quemadores de gas bruto y sólo están disponibles combustibles gaseosos.
Los quemadores de gas con pistola múltiple cuestan más o menos el doble.
Sin embargo, la mayoría de estos quemadores tienen la capacidad de ser
modificados para quemar combustibles líquidos añadiendo simplemente
una pistola que quema aceite por el centro. Las pistolas que queman aceite
por el centro se encuentran disponibles para algunos quemadores de gas,
pero esto se considera un diseño inaceptable.
Otras ventajas de los quemadores de gas bruto, son:
1. Tienen la flexibilidad de quemador más alta para cualquier condición de
combustión.
2. Pueden operar a presiones muy bajas de gas y sin retroceso de la llama.
3. El nivel de ruido es relativamente bajo.
Entre las desventajas se tiene:
1. Siempre requieren de ajustes en el aire de combustión en todo el rango de
operación del quemador.
2. La llama tiende a alargarse, y las condiciones de las llamas se hacen
insatisfactorias cuando el quemador es usado más allá de su condición de
diseño.
3. Los orificios de gas están expuestos a la zona caliente y tienden a taparse a
bajas velocidades y altas temperaturas.
2. Quemadores de pre–mezcla de gas – Estos quemadores usan la energía
cinética del gas combustible para mezclar una parte o todo el aire de
combustión con el gas combustible en un tubo de mezcla. Esta mezcla
aire/combustible se introduce en la zona de encendido a través de un
distribuidor instalado en la salida del tubo mezclador. Cualquier aire
adicional (secundario) que sea requerido para completar la combustión,
entra y es controlado por un registro de aire.
El tamaño y la forma de las llamas producidas por estos quemadores varían
considerablemente, dependiendo de la configuración del cabezal de
distribución. Las llamas típicas no son luminosas. Estos quemadores
normalmente son clasificados en llama corta, llama larga (lápiz) o
quemadores radiantes.
a.
b.
Quemadores de llama corta – La mezcla combustible/aire es esparcida en la
zona de encendido a través de un cabezal en forma de estrella, el cual se
extiende a lo largo del radio completo de la garganta del quemador. Las llamas
producidas son relativamente pequeñas, siendo cerca de 1000 mm de largo
por MW de calor (1 pie de largo por MM BTU/h de calor) liberado. (Ver Fig. 1.B).
Algunos quemadores de este tipo están equipados con pistolas que queman
aceite por el centro. Sin embargo, esto se considera un diseño inaceptable.
Quemador tipo lápiz – En estos quemadores, el cabezal se localiza en el centro
y libera la mezcla combustible/aire en una columna vertical coaxial con el aire
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secundario entrando a través del registro. La llama resultante es larga y
estrecha. Estos quemadores físicamente se parecen a los quemadores de
llama corta, a excepción del cabezal y se utilizan normalmente en aplicaciones
especiales y en hornos de pirólisis.
Quemador radiante – Estos quemadores inspiran cerca del 100% de su aire
de combustión. La mezcla aire/combustible es dirigida a través de la garganta
del quemador y se quema sobre su superficie, la cual está orientada en
ángulos rectos con respecto al eje del quemador. En este tipo de quemador,
el calor es transferido a los tubos del horno por radiación de las gargantas de
los quemadores. Generalmente, están limitados en capacidad hasta 0.21 MW
(0.75 MM BTU/h) y sólo son usados en aplicaciones especiales, tales como en
hornos de pirólisis, donde se requiere una distribución y control del calor
uniforme.
Algunas ventajas de los quemadores de pre–mezcla de gas, son:
1. Su operatividad es buena dentro de su rango de operación. La cantidad de
aire “inspirado” varía con la presión del gas combustible y, consecuentemente,
se requiere solamente un ajuste limitado del aire secundario de combustión
(no inspirado). estos quemadores pueden operar a bajas tasas de aire de
exceso, y no se afectan significativamente por cambios en la dirección y
velocidad del viento
2. La longitud de la llama es corta, y el patrón de la llama está bien definido a altas
tasas de liberación de calor.
3. Los orificios del quemador son relativamente grandes y, debido a que están
localizados en una zona fría, se taponan menos que los orificios más
pequeños de otros tipos de quemadores..
Entre las desventajas se tiene:
1. Tienen un reducido rango de operación, debido a la posibilidad de retroceso
de la llama hacia el tubo de mezcla. Este retroceso ocurre cuando la velocidad
de la mezcla y/o distribuidor cae por debajo de la velocidad de la llama. El
hidrógeno tiene una velocidad de llama significativamente mayor que los otros
hidrocarburos gaseosos. Por lo tanto, con altas concentraciones de hidrógeno
en el gas combustible (30 a 50%), la flexibilidad del quemador puede ser
limitada, haciendo que normalmente no se usen. Por lo general, el retroceso
de la llama no ocurre en estos quemadores de pre–mezcla, siempre y cuando
el quemador permanezca limpio y la presión del gas combustible sea
mantenida por encima de 14 kPa man (2 psig).
2. El pre–encendido de la mezcla aire/combustible puede también ocurrir si el
tubo de mezcla o distribuidor se calienta por encima de la temperatura de
ignición del combustible. Este problema ocurre predominantemente con
olefinas o mezclas de vapor–nafta.
3. El ruido producido por los quemadores de pre–mezcla es mayor que el de los
quemadores de gas bruto. El ruido producido por los quemadores de
pre–mezcla se origina, primero, en el venturi inspirador, y luego en los orificios
de salida del quemador. Sin embargo, el ruido puede ser controlado
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adecuadamente por silenciadores en la primera entrada de aire y/o por
diseños especiales de la copa de los inspiradores.
Quemadores de líquidos – También existen quemadores de líquidos de tiro
natural. Sin embargo, la única configuración aceptable tiene una pistola de
combustible en el centro rodeado de baldosas refractarias primarias y secundarias
(Ver Fig. 1.B). La forma, longitud y calidad de las llamas del combustible líquido
son una función del diseño de la pistola de atomización y del diseño de las
baldosas refractarias. Normalmente, se prefiere tener quemadores de líquido del
tipo de tiro forzado, por lo cual se ampliará la discusión al llegar a ese punto.
Quemadores que operan con gas/líquido – Estos quemadores son la
combinación de un quemador líquido y un quemador de gas de pistola múltiple.
(Ver Fig. 1.C). Todos los comentarios anteriores de estos dos tipos de quemadores
se aplica a los quemadores combinados. Estos quemadores son capaces de
quemar puro gas, puro líquido o ambos combustibles simultáneamente. La quema
simultánea de ambos combustibles resulta en llamas un poco más largas en
comparación con la quema de un sólo combustible. Cuando se queman ambos
combustibles simultáneamente, la capacidad total combinada que se quema no
debe exceder la capacidad máxima de diseño del quemador.
Cuando ambos combustibles deben ser quemados al mismo tiempo en un horno,
se prefiere la quema simultánea en cada quemador. El número de quemadores
usados, por cada servicio de distribución, se estima en base al porcentaje del calor
total suministrado por el combustible. Además, los quemadores en operación
deben ser distribuidos tan uniformemente como sea posible. Se debe tener
cuidado cuando se queman combustibles líquidos y gaseosos en quemadores
separados debido a que las capacidades pueden excederse si el gas combustible
es la carga base y su poder calorífico varía.
5.2
Quemadores de tiro forzado
Los quemadores de tiro forzado cuentan con ventiladores para suplir su aire de
combustión bajo presión. En el diseño de este tipo de quemadores, la energía
cinética de la corriente de aire es utilizada para alcanzar mayor eficiencia de la
mezcla aire/combustible que en los quemadores de tiro natural. Como resultado
de este mejor mezclado, se obtienen volúmenes específicos pequeños de la llama
y por ende mayores capacidades permisibles en los quemadores. Por tal razón,
se requiere menor número de quemadores de tiro forzado en comparación a la
cantidad de quemadores de tiro natural, basado en el mismo calor total liberado.
La capacidad máxima de diseño de estos quemadores (los del tipo de alta
intensidad), está del orden de 11.7 MW (40 MM BTU/h), ya que pueden ocurrir
llamas con longitud excesiva a capacidades mayores.
Comparados con los quemadores de tiro natural, los de tiro forzado tiene las
siguientes ventajas:
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1. Operación menores niveles de exceso de aire para todos los combustibles.
2. Combustión más eficiente con combustibles residuales (Menor emisión de
partículas: cuando los quemadores queman a bajos niveles de exceso de
aire para una mayor eficiencia, la emisión excesiva de partículas puede ser
un problema; estas partículas se generan cuando se queman aceites
residuales y son, principalmente, cenizas de aceite y coque. Estas
emisiones pueden obstruir superficies de transferencia de calor,
reduciendo las tasas de transferencia, reduciendo así la eficiencia del
horno entre paradas por mantenimiento.
3. Menor consumo de vapor de atomización.
4. Mejor control de la forma de la llama.
5. Mejor estabilidad de la llama mediante el mezclado controlado del
combustible y el aire.
6. Recuperación de calor a través de precalentamiento de aire de combustión.
7. Menores niveles de ruido.
8. Un solo punto de control del aire de combustión.
9. Oportunidad de controlar la relación aire/combustible.
10. Menor número de quemadores por horno.
Entre las desventajas, comparados con los de tiro natural, se tienen:
1. Orificios de menor tamaño en el quemador, comparados con los
correspondientes de tiro natural: lo cual los hace más sensibles a
taponamientos y erosión si no se cuida el filtrado y calidad del combustible.
2. Peligro de inestabilidad de llama bajo condiciones de tiro muy alto, debido
a la alta presión del soplador de aire.
Quemadores de líquidos – Debido a que la mezcla de combustible y aire de
combustión sucede en fase gaseosa, todos los quemadores de líquido usan
alguna forma de atomización para dividir la masa líquida en gotas de tamaño
microcópico. Esto aumenta la relación superficie/masa, permitiendo un
calentamiento extremadamente rápido y vaporization de la masa del aceite
combustible.
Los quemadores de aceite casi siempre usan vapor de agua como medio de
atomización, y el contacto del vapor caliente con el aceite tiende a emulsificarlo y
formar espuma, favoreciendo el proceso de atomización. Para este proceso, se
espera tener las siguientes condiciones:
1. Aceite combustible lo suficientemente caliente para tener una viscosidad
del orden de 26 cSt @ 38 ºC (125), aún cuando existen quemadores que
pueden trabajar hasta 65 cSt @ 38 ºC (aprox. 300 SSU), empleados para
quemar residuo de vacío.
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2. La presión del combustible en el quemador debe estar del orden de 4 – 7
barg (60–100 psig), preferiblemente en el valor más alto, y debe
mantenerse constante.
3. El vapor de agua en el quemador debe estar absolutamente seco,
preferiblemente con unos 28 ºC de sobrecalentamiento, y con 2.1 barg (30
psig) por encima de la presión del combustible.
Para aquellos casos donde se no se disponga de vapor de agua, se puede tener
atomización mecánica o por aire.
Los requerimientos operativos de atomización por aire son similares a los de
atomización con vapor, aunque se requiere una temperatura un poco más alta del
combustible, para compensar por el efecto enfriador del aire atomizante.
Las unidades atomizadas mecánicamente aprovechan la energía cinética del
aceite para atomizar el combustible en la punta del quemador. Los rangos de
temperatura y viscosidad del combustible son similares a los de atomización con
vapor. El combustible debe estar disponible a presiones cercanas a los 21 barg
(300 psig). Si se requiere una flexibilidad alta del quemador, la presión de
suministro podría ser tan alta como 67 barg (1000 psig).
5.3
Requerimientos de exceso de aire
El quemador debe ser dimensionado de tal forma de asegurar que el aire requerido
para una buena combustión sea disponible a su capacidad máxima de diseño.
Quemadores de tiro natural – El flujo máximo de aire a través de los quemadores
está gobernado por el tiro disponible del horno a nivel del quemador y por las
características de flujo del registro de aire. Los quemadores de tiro natural deben
ser capaces de operar a las siguientes condiciones:
1. 20% de exceso de aire para gas combustible solamente.
2. 30% de exceso de aire para combustible líquido o combinación gas/líquido.
Quemadores de tiro forzado – Para este tipo de quemadores, se tiene que la
quema debe estar basada en 20% de exceso de aire.
5.4
Flexibilidad del quemador
La flexibilidad es una función de varios factores, siendo los más importantes el
diseño del quemador y el tipo de combustible. Los otros factores incluyen la
presión del combustible, la presión de atomización del vapor y la habilidad para
controlar el flujo de aire de combustión. La flexibilidad del quemador normalmente
no afecta la selección del quemador ni el diseño del horno, ya que los quemadores
pueden ser apagados o se puede incrementar el exceso de aire cuando el horno
está operando a cargas reducidas.
Quemadores de gas bruto – Para ambos quemadores de tiro forzado y natural,
estos quemadores tienen una flexibilidad de 5 a 1 ó mayor, asumiendo un peso
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molecular y un poder calorífico del gas combustible constante. La presión del
combustible a la capacidad máxima de diseño debe ser de por lo menos 210 kPa
manométricos (30 psig). La mínima presión de diseño debe ser de por lo menos
7 kPa manométricos (1 psig); esto ajusta la capacidad mínima del quemador.
Presiones menores del combustible limitan la flexibilidad del quemador.
En situaciones donde el gas combustible varía considerablemente en peso
molecular, la pistola del combustible debe ser diseñada para el gas que contenga
el menor peso molecular. Como la densidad del gas combustible aumenta, la caída
de presión a través del quemador decrecerá y se reducirá la flexibilidad con el
combustible más pesado.
Quemadores de pre–mezcla de gas – Estos quemadores pueden estar limitados
en capacidad con gas combustible de bajo peso molecular, particularmente si el
contenido de hidrógeno es alto, debido al potencial del combustible para retornar
la llama (quema en el tubo de mezcla). A fin de evitar el retorno de la llama, se debe
usar una mínima presión del combustible de 14 kPa manométricos (2 psig) a carga
crítica.
Quemadores de aceite – Estos están usualmente limitados por la flexibilidad de
3 ó 4 a 1, tanto para los quemadores de tiro natural como los de tiro forzado. Este
límite es ajustado por el rango sobre el cual casi todas las pistolas pueden atomizar
el combustible adecuadamente para una buena combustión. Al igual que con gas,
la maximización de la presión del combustible maximizará la flexibilidad.
Quemadores de combinación gas/líquido – Cuando se queman ambos
combustibles simultáneamente en quemadores de tiro natural e inducido, se
obtiene una mayor flexibilidad de operación que con un solo combustible. La razón
de esto es que el combustible principal actúa como una fuente de encendido con
respecto al combustible secundario. Para los quemadores que operan
simultáneamente con ambos combustibles, se hace necesario la adición de
controles de tal forma que la pérdida del combustible principal automáticamente
cierre el combustible secundario, en caso de que este último se esté quemando
por debajo de su flexibilidad límite individual .
Consideraciones del lado del aire – El lado del aire por lo general no afecta la
flexibilidad del quemador o del horno, debido a que el exceso de aire puede ser
aumentado durante la operación a cargas bajas. El aire puede ser reducido en
quemadores de tiro natural e inducido hasta que haya insuficiente energía para
mezclar adecuadamente el aire y el combustible. Los quemadores de tiro natural
generalmente son capaces de dar una flexibilidad del lado del aire de 3 a 1 ó más.
5.5
Tratamiento del ruido
A continuación se presenta un resumen de recomendaciones del tratamiento
acústico para varios quemadores.
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Quemadores de tiro natural
1. Quemadores de pre–mezcla de gas – Estos quemadores requieren
silenciadores de aire primario. (Las paredes de radiación del quemador
generalmente no requieren estos silenciadores). Estos quemadores
también pueden requerir cámaras (plenum) de aire secundario,
dependiendo del combustible que se queme.
2. Otros quemadores de tiro natural – Normalmente se requieren
“plenums” acústicos para quemadores de tiro natural que quemen gas
bruto, líquidos o combinaciones de ellos.
Los quemadores de aceite, montados sobre paredes de reducción acústica
(plenums) tienen severas desventajas, debido a problemas de operación y
mantenimiento, los cuales pueden ser causados por combustibles residuales.
Además, los combustibles altamente volátiles, tales como la nafta líquida, no
deben ser utilizados en estos quemadores debido al alto potencial explosivo que
puede resultar en el caso de que el combustible se derrame. Se han desarrollado
anillos de refuerzo acústico, los cuales están abiertos en el fondo, para ser usados
en este tipo de servicio.
Quemadores de tiro forzado – Los quemadores de alta intensidad normalmente
no requieren de tratamiento acústico. Los ventiladores, motores y sistemas de
ducto de tiro forzado normalmente requieren de algún tratamiento.
6
CONSIDERACIONES DE DISEÑO DEL SISTEMA DE
COMBUSTIBLE
Los combustibles de la refinería tienen por lo general corrientes de baja calidad,
las cuales contienen contaminantes que pueden causar problemas severos de
seguridad y/o operacionales, si no son tratados y manejados adecuadamente
antes de ser inyectados en los quemadores.
6.1
Combustibles gaseosos
Estos combustibles varían de limpios, secos y de peso molecular constante, hasta
sucios, mezclas húmedas de gases de desechos de procesos que pueden fluctuar
significativamente su peso molecular y composición. En el primer caso, el
combustible puede causar muy pocos problemas; pero el último origina problemas
mayores de seguridad y mantenimiento a menos que se limpie y se seque el gas.
Los líquidos y sólidos pueden taponar la entrada del combustible en la pistola,
restringiendo la capacidad del quemador y causar mala combustión debido a la
mala distribución del combustible en los quemadores.
Con el fin de protegerse contra gas sucio o húmedo, los separadores gas/líquido
son un requerimiento mínimo en todos los sistemas de gas combustible. Sin
embargo, cuando el gas es muy sucio o muy húmedo, estos separadores no
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pueden hacer un servicio adecuado de purificación del combustible. En lugares
donde la experiencia ha demostrado que existe esta situación, equipos de gas
mucho más eficientes, tales como depuradores de secado tipo centrífugos y filtros
deben especificarse.
Tanto el tanque deshidratador como el depurador deben ser instalados tan cerca
del horno como sea posible (pero no menos de 15 m (50 pie) del horno). La tubería
aguas abajo del separador debe estar traceada con vapor, con aislamiento y
drenajes en caso de que sea posible la condensación del gas.
Presión – La presión requerida de combustible cuando se quema gas se
determina por la flexibilidad del quemador. Los quemadores de gas tienen una
flexibilidad de 5 a 1 ó mayor, teniendo en cuenta que la presión del combustible
requerida a carga máxima es de 210 kPa manométricos (30 psig) o mayor. Por
ejemplo, la presión del gas a la capacidad mínima del quemador es de 7 a 14 kPa
manométricos (1 a 2 psig). Las presiones de diseño más bajas limitan la
flexibilidad.
En situaciones donde el peso molecular del gas varía considerablemente, la
flexibilidad del quemador será limitada según el gas se desvíe del peso molecular
para el cual el quemador fue diseñado; el aumento en densidad restringirá el límite
de operación inferior y la disminución en densidad reducirá el límite de operación
superior del quemador a no ser que se disponga de suficiente presión de gas para
contrarrestar el incremento de la caída de presión. Por lo tanto, la flexibilidad del
calor total liberado puede ser controlado apagando quemadores en casi todos los
hornos, las pistolas de gas combustible deben ser diseñadas para utilizar el
combustible con el menor peso molecular. Los quemadores pueden ser operados
satisfactoriamente con presiones de gas de hasta 280 kPa manométricos (40
psig). Presiones mayores pueden dar origen a problemas de ruido.
Para muy bajas presiones del gas (presión máxima disponible en el quemador de
21 kPa (3.0 psig)) se puede usar un quemador especial de pre–mezcla con un
eyector de vapor. Este quemador es usado con frecuencia para corrientes de
gases de desecho, tales como incondensables de vacío. El consumo de vapor es
del orden de 0.3 kg por kg (0.3 lb por lb) de combustible y debe ser suministrado
al quemador a una presión de 210 kPa manométricos (30 psig): por supuesto esta
información es preliminar y cualquier información final deberá entregarse, con
garantías, por un suplidor especializado..
Control del horno – Si los quemadores de gas están en su condición de carga
base, como puede ocurrir en hornos donde ambos combustibles se queman
separadamente, se puede dar origen a un incremento sustancial del poder
calorífico del combustible que resulta en una combustión sub–estequiométrica en
el quemador. Recíprocamente, si el poder calorífico del gas combustible
disminuye significativamente, los quemadores de aceite pueden sobrecargarse,
ya que ellos tratan de absorber la carga. Por lo tanto, en unidades con gas
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segregado y quema de combustible líquido, y donde el gas combustible fluctúa
sustancialmente con respecto al poder calorífico, el flujo de gas combustible debe
ser controlado automáticamente si es posible. Por otro lado, el líquido combustible
puede estar a la carga base, ya que su poder calorífico es relativamente constante.
El método preferido para quemar gas y líquido en una unidad es quemarlos a
ambos simultáneamente en cada quemador. La quema simultánea permite
basarse en la carga de cualquier combustible.
6.2
Combustibles líquidos
Los combustibles líquidos tienen un rango extenso, el cual incluye desde la nafta,
hasta combustibles muy viscosos y/o combustibles líquidos como por ejemplo
residuales de vacío y residuo craqueado. Independientemente de la calidad, los
combustibles líquidos deben llegar a la pistola del quemador bajo las siguientes
condiciones:
1. A una viscosidad y temperatura que asegure buena atomización y
combustión.
2. Solo en la fase líquida.
3. Libre de cualquier sólido que pueda taponar los orificios de atomización
pequeños.
Viscosidad y temperatura del combustible – Para una buena atomización el
combustible debe llegar al quemadores con una viscosidad de 26 mm2/s (26 cst)
o menor. A viscosidades mayores el tamaño de las gotas del combustible
atomizado pueden ser tan grandes que se puede dar origen a una combustión
ineficiente. Esto trae como resultado que las llamas no sean adecuadas, y que el
combustible no consumido pueda escaparse de la llama, causando combustión
humeante.
La temperatura de los combustibles residuales debe ser mantenida por encima de
175°C (350°F), aun si temperaturas más bajas alcanzan los requerimientos de
viscosidad. Estos 175°C (350°F) es la mínima temperatura que ha sido usada con
buenos resultados en el pasado para combustibles residuales típicos.
Generalmente, la temperatura de los cortes de este tipo de combustible debe ser
suficientemente alta para asegurar que la viscosidad del componente más pesado
sea de 26 mm2/s (26 cst) o menor. De esta forma se asegura que el componente
más pesado se gasifique rápidamente y se queme. Mientras mayor sea la
temperatura del combustible, más rápida será la gasificación y mejor la
combustión.
Combustibles volátiles – En caso de combustibles volátiles, tales como la nafta,
se debe evitar la gasificación parcial del combustible aguas arriba del orificio del
combustible. Esta condición trae como resultado inestabilidad del quemador y
posible apagado de las llamas.
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Los combustibles del tipo de la nafta también presentan problemas de seguridad
debido a su alta volatibilidad, por lo cual requiere especial atención. Estos
problemas son:
1. Alto riesgo de incendio en el caso de que se derrame el combustible (o
explosión en el caso de quemadores de tiro natural con plenum acústico).
Por lo tanto, estos combustibles no deben ser quemados en quemadores
con plenum acústicos. Además, se deben especificar sistemas de
seguridad para evitar la remoción del quemador sin haber bloqueado
completamente el combustible.
2. Las fugas de nafta en sistemas de aceite combustible caliente,
especialmente del tipo de recirculación, se vaporizará parcialmente en
estas líneas de combustible y/o tanques de compensación y tanques de
retención. Por lo tanto, el sistema de la nafta debe ser segregado al sistema
de aceite combustible mediante la separación física o por el uso de válvulas
de tres vías en todas las interfases entre los dos sistemas.
Atomizadores – Estas son probablemente las piezas más críticas en el sistema
de aceite combustible. Si no son diseñadas y dimensionadas correctamente o si
se llegan a ensuciar o desgastar durante su uso, no atomizarán el combustible
suficientemente y no podrán dar una combustión rápida y completa. Esto puede
dar como resultado una combustión humeante y choques de la llama con los tubos
del proceso y otras superficies de los hornos. Además, las gotas grandes de
combustible pueden derramarse en el quemador ocasionando condiciones
inseguras en el caso de combustibles volátiles, o por lo menos problemas serios
de mantenimiento en el caso de combustibles residuales.
1. Tipos de atomizadores – Generalmente se usan tres tipos básicos de
atomizadores:
a.
b.
Atomizadores con vapor – De acuerdo a lo mencionado en 5.2, la presión del
vapor normalmente es mantenida cerca de 210 kPa man (30 psig) por encima
de la presión de combustible por medio de un controlador de presión
diferencial. La presión del combustible en el quemador debe ser de 420 a 700
kPa man (60 a 100 psig) (preferiblemente cerca de los 700 kPa manométricos
(100 psig) de ser posible).
El consumo estimado de vapor de atomización típico, para efectos de
estimación de servicios industriales, es de 0.5 kg de vapor por kg (0.5 lb de
vapor por lb) de combustible. Sin embargo, para calcular la línea de suministro
de vapor, use 1.0 kg/kg (1.0 lb/lb) de combustible.
Atomizador mecánico – (Ver subsección 5.2, Quemadores de líquido) Este
tipo de atomizador tiene aplicaciones limitadas. Se usa sólo en quemadores
horizontales (por lo tanto, no se usa en diseños modernos de hornos), donde
la disponibilidad de vapor es limitada. Estos quemadores son altamente
susceptibles al taponamiento debido al tamaño pequeño de los orificios, por
lo tanto, el combustible debe ser muy bien filtrado.
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Atomizadores combinación mecánico/vapor – Los requerimientos de
presión del combustible y del vapor son de 700 a 875 kPa man (100 a 125 psig)
(para ambos) en el quemador.
El combustible debe estar libre de sólidos para evitar taponamiento. El consumo
de combustible para este tipo de atomizador es de 0.25 a 0.6 kg de vapor por kg
(0.25 a 0.6 lb/lb) de combustible.
2. Selección del atomizador
El vendedor del quemador tiene la responsabilidad de diseñar
apropiadamente los atomizadores para todos los quemadores. El tipo de
atomizador usado se determina por el tipo de quemador, las características
del combustible y la disponibilidad de vapor.
1. Los vendedores normalmente equipan los quemadores de tiro
natural con atomizadores de vapor. Sin embargo, para casos
especiales, tales como la falta de vapor de atomización, ellos
suplirán atomizadores de combinación mecánico/vapor (o
mecánico) a solicitud del comprador.
2. Los quemadores comerciales de tiro forzado generalmente están
equipados con atomizadores especiales que han sido diseñados
especialmente para estos quemadores
Sistema de combustible – Para combustibles pesados, tales como residuales de
vacío o atmosféricos, alquitrán y otros combustibles con bajos puntos de fluidez,
se debe utilizar un sistema de recirculación. Este sistema evita problemas
inherentes asociados con los sistemas muertos, tales como arranques con el
combustible frío y líneas taponadas. La Figura 3. muestra un sistema de
recirculación de aceite combustible. Se deben considerar los siguientes puntos
importantes para el diseño:
1. Selección de un recurso caliente para eliminar la necesidad de utilizar
intercambiadores de calor, por ejemplo, enviar el combustible directamente
desde el fondo de la torre.
2. Diseñar el retorno del sistema principal de tal forma que este opere a una
presión más baja que cualquier circuito de los hornos. Generalmente, una
presión de 350 kPa man (50 psig) o menos es adecuada en la línea de
retorno principal.
3. Proveer orificios pequeños de limitación de flujo mínimo (válvulas de
compuerta con un orificio) en las líneas de retorno de unidades individuales
para prevenir situaciones de no flujo.
4. Diseñar los componentes del sistema para permitir flujos adecuados de
combustible. Los flujos de retorno de combustible dependen de sus
características; el tamaño y longitud de la(s) línea(s) de retorno,
condiciones ambientales, etc., y son ajustadas para mantener
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temperaturas adecuadas del combustible a través del sistema. Se debe
tener cuidado cuando se dimensionen las bombas, válvulas de control, etc.
5. Todas las líneas deben tener aislamiento y trazas de calentamiento, y se
especifican para mantener por 2–3 horas la temperatura en el caso de que
no haya flujo. La temperatura de calentamiento no necesariamente tiene
que ser mayor que la temperatura normal del combustible.
6. Proveer un combustible relativamente liviano para facilitar el desalojo del
combustible principal. Proveer conexión de vapor en cada extremo final del
circuito del horno para permitir la limpieza de estas líneas. Estas
conexiones deben estar a una mínima distancia del sistema principal de
combustible.
7. Proveer válvulas automáticas de cierre hermético en las líneas de retorno
de los hornos individuales. Estas válvulas se activan simultáneamente con
la válvula de control de combustible con la señal proveniente del sistema
de seguridad del horno.
8. Proveer indicadores locales de temperatura en las líneas de retorno del
sistema principal y en los circuitos individuales de cada horno.
9. Proveer medidores de flujo en las líneas de alimentación y retorno de cada
horno.
Limpieza del combustible – Se deben instalar filtros de malla fina, diseñados
para ser limpiados sin interrumpir el flujo de combustible en todos los sistemas de
combustible líquido. Para combustibles residuales y combustibles de alquitrán se
deben suministrar filtros auto–limpiantes. Los filtros de protección del tipo
convencional son aquellas tipo cesta de malla removible que pueden ser usados
para permitir el mantenimiento de los auto–limpiantes. Dos fuentes confiables de
filtros autolimpiantes son:
1. Auto–Klean Strainers Limited
Lascar Works Hounslow,
Middlesex
England
2. Cuno Engineering Corporation
80 South Vine Street Meriden,
Connecticut 06453
USA
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Los filtros auto–limpiantes (operados por motor) deben estar equipados con dos
aletas de limpieza estacionarias y tener una malla suficientemente pequeña para
remover todas las partículas de 0.5 mm (0.02 pulg) y mayores. La caída de presión
máxima permisible en condición sucia no debe ser mayor de 70 kPa (10 psi). Los
filtros deben tener trazas de vapor y aislamiento para mantener la temperatura
deseada. Las siguientes características del combustible y del flujo deben ser
incluidos en las especificaciones de los filtros:
1. Temperaturas de operación, °C (°F)
2. Temperaturas de diseño, °C (°F)
3. Gravedad específica a la temperatura de operación
4. Viscosidad a la temperatura de operación, mm2/s (cSt)
5. Contenido máximo de azufre, incluyendo % peso de H2S
6. Presión de operación aguas arriba, kPa man (psig)
7. Presión de diseño, kPa man (psig)
8. Flujo, dm3/s (gpm)
6.3
Pilotos
Las consideraciones de seguridad requieren protección contra el apagado de la
llama de cada quemador. Generalmente, esto se lleva a cabo por medio de pilotos
de quema continua de gas, los cuales reencienden inmediatamente el combustible
si la llama se apaga. Los detectores de llamas, los cuales cortan el flujo de
combustible al quemador, pueden ser usados en instalaciones de tiro forzado si
es exigido por el comprador. Esta alternativa es raramente usada debido a que los
sistemas de detección son costosos y de difícil mantenimiento.Otras
consideraciones adicionales son:
Capacidad – Los quemadores pilotos operan a una capacidad nominal de 20.5
a 35.2 kW (70.000 a 120.000 BTU/h) a presiones de combustible de 14 a 100 kPa
man. (2 a 15 psig).
Combustible – Sólo se puede usar gas combustible limpio y seco. El combustible
puede ser suplido desde el sistema de gas combustible del horno principal o
preferiblemente desde una fuente independiente y confiable. Si el gas combustible
proviene del sistema principal, el gas piloto debe venir desde aguas arriba del
control de combustible del horno y las válvulas de bloqueo.
Los orificios del flujo de combustible en todos los pilotos son muy pequeños, por
lo que se necesita instalar en el sistema de gas piloto un filtro con una malla de 1.3
mm (0.05 pulg). Las alarmas por baja presión del gas piloto deben ser ajustadas
a 14 kPa man. (2 psig) y el disparo debe activarse a 7 kPa man. (1 psig).
Aire – Los pilotos para los quemadores de tiro natural son del tipo inspiratorio. Para
los quemadores principales se puede usar aire del sistema principal o de un
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sistema independiente, tal como aire de instrumentos o aire de servicios. Si se
utiliza el sistema de aire del quemador, el aire del piloto es tomado aguas arriba
de los reguladores de cierre hermético de cada quemador en particular.
6.4
Tubería del quemador
La Figura 4. muestra un sistema típico de la tubería de quemadores de tiro forzado.
Este sistema permite encender el quemador desde abajo del horno, como también
operarlo desde la plataforma. Este sistema puede ser simplificado para los
quemadores de tiro natural.
7
SELECCION DEL QUEMADOR
7.1
Tipo de quemador
Hornos de pirólisis – Los hornos de craqueo y reformación con vapor queman
gas y sus quemadores de llama fina están instalados en el piso. En algunos
reformadores con vapor, también se instala una fila de quemadores de radiación
montados en la pared.
Hornos de procesos – El tipo de quemador requerido dependerá del combustible
que vaya a ser quemado, del calor total y de la disponibilidad de aire de combustión
precalentado. La siguiente tabla resume las aplicaciones de quemadores
recomendados:
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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Combustible
Gas
Calor liberado por el horno,
MW (MMBTU/h)
Todo
Líquido o combinación
Líquido o combinación
Líquido o combinación
<14.7 (50 MM BTU/h)
14.7–23.4 (50–80MM BTU/h)
> 23.4 (80 MM BTU/h)
Tipo de quemador
Recomendado
Tiro natural de pre–mezcla o
de gas bruto preferiblemente
Tiro natural
Tiro natural o forzado
Tiro forzado
En casos donde se tiene un vendedor preferido, se recomienda especificar que el
suplidor haga la selección.
1. Quema de gas – Cuando sólo van a ser quemados combustibles gaseosos
en hornos de procesos, normalmente se especifican quemadores de gas
de tiro natural. El tipo de quemador de gas bruto es preferido, en tanto que
para aplicaciones especiales se usan los quemadores pre–mezcla de llama
corta, de lo contrario, es preferible utilizar el tipo de quemador de gas bruto.
Generalmente, los silenciadores de aire primario sólo disminuyen
satisfactoriamente el ruido de los quemadores pre–mezcla. Bajo ciertas
condiciones este tipo de quemadores puede también requerir cámaras
plenum acústicas. En este caso la selección económica será por los
quemadores de fuego centrado de gas bruto.
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2. Quema de líquido o combinación – En los hornos que queman
combustibles líquidos o una combinación líquido y gas, se usan los mismos
tipos de quemadores, lo único que varía es el equipo de la pistola. Este tipo
de quemador también debe ser especificado para hornos que queman gas
y que en el futuro quemarán combustibles líquidos.
7.2
a.
Horno de baja capacidad – Normalmente se especifican
quemadores de tiro natural con cámara plenum acústica, para
calentado res con una capacidad menor de 14.7 MW (50 MM BTU/h).
En estos pequeños hornos no es práctico instalar quemadores de
tiro forzado.
b.
Hornos de capacidad intermedia – Son los hornos con una
capacidad de 14.7 a 23.4 MW (50 a 80 MM BTU/h). Normalmente
se deben especificar los quemadores de tiro forzado, aunque
también pueden usarse quemadores de tiro natural. Estos últimos
son menos costosos, pero los quemadores de tiro forzado requieren
menos atención del operador y menos mantenimiento; además de
brindar un mejor control.
c.
Hornos de alta capacidad – Los quemadores de tiro forzado, del tipo
de alta intensidad son especificados en hornos con capacidad
mayor de 23.4 MW (80 MM BTU/h).
Número de quemadores
Por lo menos tres quemadores deben usarse en cualquier horno que queme
líquidos, estos es esencial para evitar interrupciones no deseadas de la operación
del proceso. El uso de un solo quemador es satisfactorio en servicios con gases
combustibles limpios, ya que el mantenimiento de estos quemadores es
despreciable.
7.3
Capacidad del quemador
La capacidad máxima de diseño del quemador depende del tipo y número de
quemadores que tenga el horno.
Quemadores de tiro natural – La capacidad máxima de diseño del quemador
debe ser casi igual a la capacidad máxima estipulada por el fabricante (por lo
menos 90%). El sobredimensionamiento excesivo del quemador reduce su
habilidad de operar eficientemente en condiciones normales de diseño y rango de
control, debido a las bajas velocidades del aire y a la mezcla deficiente. La
capacidad máxima de diseño es:
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Quemadores quemando
solo gas (% capacidad
normal de diseño)
Hasta 5 quemadores
6 ó más quemadores
115
110
Quemadores quemando
líquido o combinaciones de
líquido/gas (% capacidad
normal de diseño)
125
120
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Normalmente, la capacidad máxima de diseño no debe exceder 4.6 MW (16 MM
BTU/h) para los quemadores de tiro natural.
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Quemadores de tiro forzado – La capacidad máxima de diseño es:
Hasta 5 quemadores:
6 ó 7 quemadores:
8 ó más quemadores:
7.4
125% de la capacidad normal
de diseño
120% de la capacidad normal
de diseño
115% de la capacidad normal
de diseño
Espaciamiento del quemador
Hornos de procesos – Los espacios libres (mínimos) quemador–a–tubo y
quemador–a–refractario se presentan en el documento PDVSA–MDP–05–F–02
(Hornos: Consideraciones de diseño)
El espaciamiento mínimo del quemador es de 25 mm (1 pulg) mayor que su
diámetro máximo. Esto aplica en quemadores no montados en cámaras “Plenum”
o en aquellos con distribución uniforme de aire. Las dimensiones controladas son
generalmente el diámetro de la garganta del quemador y el diámetro de la placa
del fondo para quemadores montados en el plenum.
Se puede requerir de mayor espacio para los quemadores instalados en las
paredes y que reciben todo el aire de combustión por un solo lado (por ejemplo,
un anillo de quemadores en un horno cilíndrico vertical). Este incremento en
espacio se hace necesario para asegurar una distribución adecuada del flujo de
aire alrededor del quemador.
Caída de presión del aire – Los quemadores deben mantener cierta distancia de
tal forma que el cabezal máximo de velocidad del aire que pasa por el lado de atrás
del quemador no exceda en 10% la caída de presión de dicho quemador. La Figura
2. suministra información para determinar el espacio mínimo del quemador.
Además de las tolerancias arriba mencionadas, los espacios externos alrededor
de los quemadores (incluyendo la estructura del horno, tubería, fundaciones y el
ducto del tiro forzado) deben permitir que tanto la pistola como el quemador sean
removidos para mantenimiento sin interferir con la operación de cualquier otro
quemador. Esto depende principalmente del contratista y el vendedor. Sin
embargo, el diseñador del horno debe tener en mente estas consideraciones
particularmente cuando se determinan arreglos similares de ductos de tiro
forzado.
7.5
Preparación de las especificaciones del diseño del quemador
Las especificaciones del quemador deben incluirse en el diseño de todos los
hornos. Esta información debe incluir: tamaño del quemador, capacidades normal
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y máxima de diseño, y disponibilidad de tiro o presión de aire de combustión en
el quemador. La especificación de diseño debe incluir las propiedades del
combustible y las presiones disponibles en el quemador.
8
APENDICES
Tabla 1
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
Direcciones de algunos vendedores de quemadores
Quemadores típicos de tiro natural
Espacio de quemadores montados sobre una cámara (plenum)
Sistema típico de circulación de aceite
Arreglo típico de la tubería del quemador para quemadores de tiro
forzado
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
TABLA 1. DIRECCIONES DE ALGUNOS VENDEDORES DE QUEMADORES
Vendor Name: JOHN ZINK CO
Nuevo nombre: KOCH INDUSTRIES
INC/KOCH ENGINEERING CO
INC/ZINK (JOHN) CO
11920 E APACHE
PO BOX 21220
TULSA, OK
74121–1220
USA
telf.: 918/234–2892
Fax: 918/234–1978
Vendor Name: N A O INC
Antiguo nombre: NATIONAL AIROIL
BURNER Co.
1284 E SEDGLEY AVE,
PHILADELPHIA, PA
19134–1590
USA
telf.: 215/743–5300, 800/523–3495
Fax: 215/743–3018, 215/743–3020
Telex: WU 84–5403
Colombia
Inclocol LTDA
Apartado Aereo 52653,
Calle 75 #5836.
Barranquilla
Colombia
telf.: 575–6–456025
Fax: 575–8–580774
V R Ingenieria & Mercadeo
Santa Fe de Bogota,
Colombia
telf.: 571–2–443461
Fax: 571 2–688601
Venezuela
Baker Químicas de Venezuela, S A
(representative)
Apartado 6682
Caracas, 12010A
Venezuela
telf.:582– 285–6612
fax: 582–285–6223
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Fig 1. QUEMADORES TIPICOS DE TIRO NATURAL
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Fig 2. ESPACIO DE QUEMADORES MONTADOS SOBRE UNA CAMARA (PLENUM)
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Fig 3. SISTEMA TIPICO DE CIRCULACION DE ACEITE
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Fig 4. ARREGLO TIPICO DE LA TUBERIA DEL QUEMADOR PARA QUEMADORES DE
TIRO FORZADO
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NOTAS:
1. La ubicación recomendada de las válvulas de aislamiento del quemador para el gas combustible,
aceite combustible y vapor de atomización es adyacentes a las puertas de observación. Esto
permite que los ajustes del quemador sean hechos mientras se observa la llama.
2. Los colectores de aceite combustible, gas combustible, gas piloto y líneas deben ser revestidas con
aislamiento y con trazas de vapor. Las líneas de vapor de atomización y de aceite combustible
deben ser revestidas juntas.
3. Las tuberías de aceite y vapor en el múltiple recibidor deben proveer flexibilidad de ±50 mm (2 pulg)
de movimiento vertical; y la tubería del gas en el quemador debe proveer ±12 mm (0,5 pulg) de
movimiento vertical.
4. Instalar bridas en toda la tubería de forma tal de poder sacar el quemador para mantenimiento.
ubique las bridas aproximadamente 600 mm (24 pulg) del quemador. Las líneas de trazas con vapor
deben tener accesorios de compresión en las bridas de la tubería para facilitar su
desmantelamiento.
5. Se requieren válvulas de tapón en las líneas de aire y de gas piloto en el quemador.
6. Se requieren drenajes en las líneas de aceite combustible y vapor de atomización.
7. Las válvulas aguas arriba de las bridas de gas combustible, aceite combustible y vapor de
atomización están por conveniencia, para vaporizar fuera de la pistola del quemador y apagar el
quemador.
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E PDVSA, 1983
TITULO
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DESCRIPCION
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Indice
1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
4 CONSIDERACIONES BASICAS DEL DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
Quemadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ductos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ventilador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Control de ruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Control del flujo del aire de combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Medición del flujo de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3
6
9
9
10
11
5 PROCEDIMIENTOS DE CALCULO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
6 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
7 APENDICES
Tabla 1
Figura 1
Figura 2
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
3.A
3.B
4
5
6
Información para la especificación de diseño del ventilador
y el ducto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de tiro forzado típico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Curvas características típicas para ventiladores de tiro forzado
con curva re–graficada del sistema de resistencia . . . . . . . . . . . . .
Curvas psicrométricas (unidades SI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Curvas psicrométricas (unidades inglesas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Velocidad del aire contra cabezal dinámico . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cambio de la densidad del aire con la altitud . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pérdidas de presión en codos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
19
20
21
22
23
24
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OBJETIVO
Presentar información básica que pueda usarse en la evaluación de ofertas
quemadores 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
05–F–04
Hornos: Quemadores.
Hornos: Sistemas de tiro forzado (Este documento).
05–F–05
Hornos: Precalentadores de aire.
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
Esta subsección cubre el ventilador, el ducto y la instrumentación requerida para
el sistema de quemador de tiro forzado. Los requerimientos adicionales para
sistemas, que contienen precalentadores de aire son cubiertos en el documento
PDVSA–MDP–05–F–05.
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–GB–206 “Sopladores de uso general”
S PDVSA–MID–K–337: “ Furnace instrumentation “
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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”
S PDVSA–MID–SN–291: “Control de ruidos de plantas: filosofia de diseño”
Manual de Ingeniería de Riesgo
S PDVSA–IR–P–01 “Sistema de paradas de
despresurizacion y venteo de equipos y plantas”
emergencia,
bloqueo,
Manual de Inspección
S PDVSA–PI–12–12–01: “ Control de ruido”
Otras Referencias
S Fan Engineering, R. Jorgensen, Editor, Buffalo Forge Company, Buffalo, N.Y.
(1961)
S Plant Energy Systems, McGraw–Hill Book Company, N.Y. (1967) (Capítulo
sobre Ventiladores)
4
CONSIDERACIONES BASICAS DEL DISEÑO
La Tabla 1 lista la información necesaria del ventilador y ducto en la forma que debe
ser presentada en la sección del horno sobre la especificación según el diseño.
Esta incluye los requerimientos no cubiertos por los siguientes documentos:
S PDVSA–MID–B–201–PR “Hornos de fuego directo”
S PDVSA–MID–GB–205 “Ventiladores centrífugos”
S PDVSA–MID–GB–206 “Sopladores de uso general”
La seguridad requerida y la instrumentación de control deben presentarse en el
diagrama de flujo de especificación del diseño. Cualquier conexión de
instrumentos debe mostrarse en la gráfica del horno, de tal manera de ubicar
apropiadamente estas conexiones.
4.1
Quemadores
La selección y el arreglo de los quemadores de tiro forzado están cubiertos en los
/ 03.
Cuando se dimensione el
documentos PDVSA–MDP–05–F–02
ventilador y el ducto, el diseñador debe saber la presión de aire requerida a la
entrada delquemador para flujo normal y máximo.
4.2
Ductos
El aire es conducido desde la atmósfera al ventilador y desde el ventilador a los
quemadores de tiro forzado. La Figura 1. muestra un sistema típico del ducto.
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4.2.1
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Arreglo del ducto
El ducto debe localizarse de forma que:
1. Los quemadores puedan removerse.
2. Las rutas de escape del personal estén disponibles.
3. Haya espacio suficiente para mantenimiento del equipo debajo del horno.
Se recomienda el máximo uso de ductos subterráneos, para minimizar el área
congestionada y facilitar el acceso para la operación y el mantenimiento.
4.2.2
Entrada del ventilador
Para evitar daños potenciales de materiales extraños que entren al ventilador, el
ducto de entrada del ventilador (o la entrada misma del ventilador, si no se usa
ducto) debe estar cubierto por una malla de alambres separados cada 38 mm (1.5
pulg). No se deben usar mallas más finas en climas con invierno, ya que éstas
tienden a congelarse durante el invierno o pueden taponarse con material fino. En
el diseño se incluirá una tapa cónica contra la lluvia (Ver Tabla 1) para evitar que
el agua entre al ventilador.
4.2.3
Descarga del ventilador
El ducto desde la descarga del ventilador incluye (Ver Figura 1):
1. Ducto de alimentación – Conecta el escape del ventilador y el ducto de
distribución.
2. Ducto interconector – Conecta el sistema de ductos de dos hornos. Este
ducto permite operar dos hornos con un ventilador común.
3. Ducto de distribución – Es un colector el cual debe ser di mensionado
para asegurar igual flujo de aire a todos los quemadores.
4. Ducto ascendente – Conecta los quemadores con el ducto de distribución.
4.2.4
Construcción
Los ductos por encima del piso deben estar construidos de acero al carbón de por
lo menos 5 mm (3/16 pulg) de espesor y reforzados para minimizar vibraciones.
4.2.5
Compuertas
Se debe instalar una compuerta de aislamiento en el ducto interconector entre los
dos hornos (aun si ambos hornos están en una caja común, como por ejemplo,
termoreactores (Powerformers)). El diseñador debe incluir este punto en las
especificaciones.
Las siguientes compuertas deben ser instaladas en el ducto:
1. Compuertas de cierre hermético en cada quemador, aguas arriba de la
brida del quemador y que sea operable localmente.
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2. Compuerta de cierre hermético en la descarga del ventilador.
3. Si dos o más ventiladores descargan en un ducto común, cada ventilador
debe estar provisto con una compuerta automática que evite el flujo reverso
a través del ventilador cuando esté fuera de operación (igual que una
válvula de no retorno). Esta compuerta automática no es necesaria si se
instala una compuerta aislante entre el ducto que conecta los dos
ventiladores.
4.2.6
Tamaño del ducto
El tamaño del ducto (área de la sección transversal) para un flujo de aire
específico, es fijado por la velocidad del aire según diseño. Una velocidad baja
resultará en un ducto excesivamente grande y costoso. Por otro lado, una
velocidad de diseño muy alta resultará en una caída de presión elevada y un alto
costo de energía. Una velocidad del aire según el diseño en ductos alimentadores
e interconectores de 12 m/s (40pie/s) ha resultado en un tamaño de ducto y caída
de presión razonables. El uso de velocidades mayores no es recomendable a no
ser de que se justifique mediante un estudio económico.
La velocidad del aire en el ducto de distribución – y en los ductos ascendentes, si
ellos alimentan más de un quemador (Ver Figura 1) – deben ser lo suficientemente
baja para asegurar el mismo flujo de aire a todos los quemadores. Esta velocidad
puede ser menor que la óptima recomendada anteriormente (12 m/s (40 pie/s)).
El flujo uniforme de aire a los quemadores del ducto de distribución se asegura
limitando la velocidad de tal manera que el cabezal dinámico (presión de
velocidad) en este ducto sea menor que 5% de la presión estática requerida en el
registro del quemador a flujo normal.
El ducto que alimenta al quemador debe ser del mismo tamaño que el registro del
quemador.
4.2.7
Caída de presión
La caída de presión en el ducto debe ser calculada antes que los requerimientos
finales del diseño del ventilador sean establecidos. Debido a que el arreglo y
tamaño final del ducto son generalmente establecidos por el contratista, los
cálculos de caída de presión son normalmente elaborados también por el
contratista durante la ingeniería de detalles y son revisados por el grupo de
ingeniería de la filial propietaria. Los procedimientos para el cálculo de caída de
presión del ducto están dados en el punto sobre Procedimiento de cálculos. La
caída de presión calculada en ductos de distribución y ductos ascendentes debe
basarse en flujo de aire normal (combustible quemado de diseño en el horno
según el exceso de aire también de diseño dividido por el número total de
quemadores).
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4.3
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Ventilador
El ventilador es el elemento clave en el sistema de tiro forzado. Debido a que los
ventiladores normalmente no tienen equipo de respaldo, la falla de un ventilador
resulta en la parada del horno en una instalación sencilla, o en reducción de la
carga de la unidad si se usa más de un ventilador para proveer el aire de
combustión. Los fabricantes raras veces garantizan una combinación
ventilador/motor para un tiempo de operación consistente con la corrida deseada
del horno, la cual puede ser tan larga como de 3 a 4 años. Por lo tanto, para proveer
una combinación ventilador/motor para la corrida deseada, se deben especificar
cuidadosamente lineamientos críticos de dichos equipos, tales como cojinetes y
lubricación. En el PDVSA–MID–GB–205, se definen estos requerimientos de
diseño.
Además de la confiabilidad, el ventilador debe calcularse apropiadamente para
suministrar el flujo de aire según la presión requerida por los quemadores.
4.3.1
Número de ventiladores
Los ventiladores normalmente no tienen equipo de respaldo. Un ventilador por
horno es suficiente, excepto para unidades críicas, tales como hornos
atmosféricos, donde la parada del horno implica necesariamente la parada de las
unidades instaladas aguas abajo. En estas unidades críicas se debe proveer dos
ventiladores, cada uno dimensionado para 50% del flujo de aire normal. Con uno
de los dos ventiladores en operación, el horno puede operar a 85% de la capacidad
de diseño, debido al margen de flexibilidad incorporado en el criterio dimensional
del ventilador, y debido a que un solo ventilador operará a un cabezal más bajo
sobre su curva característica.
En unidades no críticas, el uso de más de un ventilador por horno es algunas veces
deseable, como por ejemplo, cuando tales ventiladores son respaldo de los
ventiladores de otros hornos, minimizando de esta forma los requerimientos de
repuestos.
4.3.2
Especificación del ventilador
La especificación de un ventilador para cumplir con los requerimientos discutidos
anteriormente tiene dos partes:
1. Requerimientos generales para ventiladores de tiro forzado – Casi
todos estos requerimientos generales del ventilador están cubiertos en
PDVSA–MID–GB–205 / 206 y no deben repetirse en la Especificación del
Diseño (Simplemente debe anexarse estos documentos). Aquellos
requerimientos no cubiertos por los documentos del manual de ingeniería
de diseño, se presentan en la Tabla 1.
2. Criterios para dimensionar el ventilador – Para dimensionar un
ventilador, se debe especificar su punto nominal. El punto nominal y la
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información necesaria para definirlo cuantitativamente se discute más
adelante.
4.3.3
Curvas del ventilador
La Figura 2 muestra el cabezal estático contra las características del flujo para una
velocidad constante típica, de un ventilador centrífugo con aletas curveadas hacia
atrás (“backward curved blades”). Estas aletas se especifican con preferencia
sobre las aletas en sentido directo (“straight or forward curved blades”), debido a
que la eficiencia pico de un ventilador con aletas curveadas retraídas ocurre muy
cerca del punto de máximo consumo de electricidad del ventilador; de esta
manera, se minimiza la potencia del motor.
Como puede verse en la Figura 2, el ventilador tiene una curva característica
separada por cada posición variable de las paletas guías de entrada, las cuales
se usan para controlar el flujo de aire. En esta Figura también se muestra lo
siguiente:
1. Curva de resistencia del sistema – Esta curva muestra el cabezal del
ventilador necesario para vencer la caída de presión del sistema a un flujo
de aire dado. La caída de presión del sistema incluye la presión para forzar
el aire a través de los quemadores (Ver PDVSA–MDP–05–F–03), las
pérdidas de presión del ducto y las pérdidas en cualquier regulador de tiro
o medidores de flujo. Por lo tanto, la curva de resistencia del sistema es la
línea de operación del ventilador. Cualquier incremento en la
contrapresión, tal como resulta si se le cierra el registro a un quemador,
mueve hacia arriba esta curva. La curva de resistencia del sistema es
también mayor cuando el horno opera con algunos quemadores apagados,
aun cuando el aire total es constante.
La línea de operación (curva de resistencia del sistema) está definida por:
H + Hn
ǒ Ǔ
F 2v
2
+ RF v
F 2vn
Ec. (1)
donde:
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
Fv
Fvn
H
Hn
R
= Flujo volumétrico
= Flujo volumétrico para flujo de
combustible normal
= Cabezal estático según Fv
= Cabezal estático para flujo de
combustible normal
= Resistencia del sistema = Hn /(Fvn)2
En unidades
SI
dm3/s
dm3/s
En unidades
inglesas
pie3/min
pie3/min
kPa
kPa
pulg de agua
pulg de agua
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NOTA:
Use la temperatura de verano y la humedad, y corrija por la altitud (de ser necesario) para definir
la línea de operación.
2. Puntos de operación del ventilador – Estos son las intersecciones de la
curva de resistencia del sistema con las curvas características del
ventilador.
3. Punto nominal del ventilador – Este no es un punto real de operación,
pero incluye los márgenes de flujo y cabezal definidos más adelante. Estos
márgenes son necesarios para proveer un factor de seguridad sobre el
horno y el sistema, y para asegurar que el ventilador no está operando
normalmente con sus aletas completamente abiertas (es decir, sin control).
4. Estabilidad del ventilador – La operación del ventilador es inestable
cerca y al lado izquierdo de los picos de las curvas características. En esta
región inestable, cualquier reducción en el flujo de aire (lo cual resulta si se
cierra el registro del quemador) reduce el cabezal del ventilador, lo cual
produce otra reducción en el flujo de aire. Para asegurar una operación
estable, el cabezal estático debe mostrar un aumento continuo de flujo de
aire, desde el nominal hasta un 60% por arriba del mismo. Esto es requerido
por PDVSA–MID–GB–205.
4.3.4
Tamaño
Para proveer un tamaño apropiado del ventilador, se debe definir el punto nominal
del ventilador (Ver Figura 2). En este punto nominal, el ventilador debe proveer lo
siguiente:
1. 115% del flujo de aire (flujo másico) necesario para el diseño de quemado
del horno y el exceso de aire.
2. 115% del cabezal estático requerido para vencer la suma de la caída de
presión del ducto más la caída necesaria de presión en el quemador para
la máxima cantidad de combustible quemado.
El ventilador debe ser dimensionado en base a la temperatura del aire en verano
y la humedad relativa dependiendo de la altura de la instalación. No se necesita
corrección por altitud a menos que la instalación esté a 300m (1000 pie) o más por
encima del nivel del mar. Los cálculos necesarios para establecer el punto nominal
normalmente son elaborados por el vendedor del horno, usando la información
suministrada en la Especificación de Diseño (Tabla 1). Ver los procedimientos de
cálculos más adelante.
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4.4
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Control de ruido
La emisión del ruido del ventilador y del ducto deben cumplir con los criterios de
conservación definidos en el documento PDVSA–MID–SN–252, “Control de
ruido en equipos”. Para asegurar que estos criterios de ruido se cumplan, al
sistema ventilador/ducto se le deben incorporar los siguientes lineamientos (Tabla
1):
4.4.1
Elevación
La entrada al ventilador debe estar 4.6 m (15 pie) por encima de la primera
plataforma del horno.
4.4.2
Aislamiento
El ducto y casco del ventilador deben ser cubiertos con, por lo menos, 50 mm (2
pulg) de aislamiento fundible (densidad entre1280–1600 kg/m3) (80 a 100 lb/pie3).
Además de cumplir con los criterios de conservación de ruido, la contribución del
ruido del sistema ventilador/ducto debe ser consistente con el criterio de ruido de
la comunidad para una instalación en particular.
4.5
Seguridad
Los hornos equipados con sistemas de tiro forzado requieren ciertos lineamientos
de seguridad adicionales en comparación a los hornos de tiro natural, y se
resumen a continuación:
4.5.1
Pérdida de aire de combustión
El combustible principal y el combustible piloto deben cerrarse automáticamente
y debe sonar una alarma en caso de que el flujo de aire esté bloqueado o en caso
de que el ventilador falle. Esto puede llevarse a cabo por una de las siguientes
causas (en orden de preferencia):
1. Interrupción por bajo flujo, si está siendo medido el aire de combustión.
2. Interruptor de presión diferencial a través de la entrada y descarga de los
ventiladores, fuera de cualquier estrangulamiento o dispositivo de cierre.
3. Interruptor de presión diferencial a través de los quemadores.
4.5.2
Sobrepresión del horno
La presión máxima interna que puede soportar un horno sin daños en su estructura
es de 1.25 kPa (5 pulg H2O). Debido a que el ventilador es capaz de liberar
presiones mayores, el horno debe estar protegido de la sobrepresión, la cual
puede resultar si la salida del horno estuviera bloqueada. Se deben tomar en
cuenta los siguientes lineamientos para evitar sobrepresión:
1. Alarma por alta presión, suena cuando la presión del horno llega a ser
positiva, es decir 0.025 kPa (0.1 pulg de agua).
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2. Compuertas o reguladores parciales en el ducto del gas de combustión.
Estas compuertas deben ser dimensionadas para proveer una caída
máxima de presión de 1.25 kPa (5 pulg de agua) en la posición totalmente
cerrada con flujo de aire normal. Si estos reguladores resultan poco
prácticos (por ejemplo, cuando se usa precalentador de aire), se debe
instalar un dispositivo de alivio para asegurar que la presión del horno no
se exceda de 1.25 kPa (5 pulg H2O). En el documento
PDVSA–MDP–05–F–05
se discute el dimensionamiento de las
ventanillas de alivio de presión.
4.5.3
Parada del horno
Los ventiladores deben continuar en operación cuando se paraliza el horno por
medio de equipos de seguridad, tales como los pilotos de gas PLCO.
4.6
Control del flujo del aire de combustión
Para proveer el exceso de aire apropiado a diferentes cargas del horno, se debe
ajustar el flujo de aire a los quemadores. Para controlar el flujo de aire en el
ventilador, se prefieren las aletas guías de posición variable (“Variable position
Inlet guide vanes”). Cuando las aletas de entrada están cerradas, el aire que entra
recibe un giro en la dirección de la rotación del ventilador. Este giro resulta en un
cabezal estático y consumo de potencia (horsepower, HP) reducido para un flujo
de aire dado (Ver Figura 2).
Otros métodos para controlar el flujo de aire, tales como variando la velocidad del
ventilador o usando un regulador variable en la descarga del ventilador
generalmente no se usan. El estrangulamiento de la descarga del ventilador
incrementa la curva de resistencia del sistema (Ver Figura 2), requiriéndose mayor
energía para el mismo flujo de aire y la misma presión de descarga (aguas abajo
del regulador de estrangulamiento). Para variar la velocidad del ventilador se
requiere un motor de velocidad variable, el cual es mucho más costoso que las
aletas de control en la entrada. Aun cuando el estudio económico determine el uso
de una turbina, la cual escapaz de operar con velocidades variables, es preferible
utilizar la turbina con velocidad constante en combinación con las aletas de control,
ya que esto resulta en un sistema menos complicado.
La posición de las aletas guías en la entrada pueden ser controladas por:
1. Un Posicionador manual local, tal como un volante manual.
2. Un Posicionador hidráulico o neumático controlado desde la sala de
control. Este método es preferible cuando la indicación del analizador de
oxígeno está instalada en la sala de control. Usando la indicación de
oxígeno como guía, el panelista ajusta la posición de acuerdo al exceso de
oxígeno deseado. Debido a que la presión en la caja del quemador es una
medida del flujo de aire al quemador (Ver documento
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PDVSA–MDP–05–F–05),
ésta se puede usar como referencia para
verificar el flujo de aire al horno instalando un indicador de presión en la sala
de control.
3. Un Sistema de control automático, que fije el flujo de aire como una
función del combustible que se quema para mantener un nivel de exceso
de aire previamente fijado. El control automático debe ser usado sólo
cuando condiciones especiales así lo requieran.
4.7
Medición del flujo de aire
Normalmente, no se provee ninguna forma de medir el flujo de aire. En caso de
que requerimientos especiales, tales como control automático aire/combustible,
determinen que se debe medir el flujo de aire, un venturi en la entrada del
ventilador es el dispositivo más práctico para este propósito. El venturi también
puede ser instalado en la descarga del ventilador, como es el caso de los ductos
subterráneos, tomando en cuenta que haya suficiente longitud recta entre la salida
del ventilador y la entrada del venturi para buenas mediciones.
Las placas de orificio requieren demasiada caída de presión comparadas con el
venturi, y por lo tanto, un ventilador más grande. Los tubos Pitot requieren una
mayor velocidad de aire que la disponible en los ductos a fin de lograr mediciones
confiables.
Debido a que el flujo de aire debe ser medido sólo en situaciones especiales, los
detalles para especificar el sistema de medición no son cubiertos en esta Práctica
de Diseño.
5
PROCEDIMIENTOS DE CALCULO
Flujo requerido de aire seco a una cantidad dada de combustible
W a + F g (FG – 1)
Ec. (2a)
donde:
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
Ǔ
ǒ
Wa
= Flujo másico del aire,
Fg
FG
= Combustible total requerido
= Masa de gas de combustión/masa de
combustible (Figuras 22A/B,
PDVSA–MDP–05–F–01)
En unidades
SI
kg/s de aire
seco
kg/s
kg/kg
W a + F 47 Qf 100 ) EA
100
En unidades
inglesas
lb/h de aire seco
lb/h
lb/lb
Ec. (2b)
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ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
donde:
Qf
EA
F47
= Calor liberado (PCI)
= Porcentaje de exceso de aire
= Factor cuyo valor depende de la
unidades usadas
En unidades
SI
MW
%
0.344
En unidades
inglesas
BTU/h
%
0.0008
Flujo volumétrico del aire a condiciones ambientales específicas
Dado:
Temperatura, humedad relativa y flujo másico del aire seco
Encontrar:
Flujo volumétrico, Fv
De la gráfica psicrométrica (Figura 3) determine v = volumen específico en m3/kg
aire seco (pie3/lb aire seco).
Fv +
v Wa
F 48
Ec. (3)
donde:
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
Qf
F48
= Calor liberado (PCI)
= Factor cuyo valor depende de la
unidades usadas
En unidades
SI
MW
10–3
En unidades
inglesas
BTU/h
60
Corrección de flujo volumétrico por altitud
(F v)corr + 1.0 (F v) nivel del mar
Sa
Ec. (4)
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
donde:
Sa
= Densidad relativa del aire a la altitud
deseada (Figura 5)
En unidades
SI
MW
En unidades
inglesas
BTU/h
Si la altitud es menor de 300 m (1000 pie) por encima del nivel del mar, esta
corrección se puede omitir.
Velocidad del aire en ductos de distribución
Ver Figura 1 para la definición de ductos de distribución. Si un ducto ascendente
alimenta dos o más quemadores, se puede considerar como un ducto de
distribución. El cabezal de velocidad no debe exceder del 5% de la presión de aire
requerida en la entrada del quemador.
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Ejemplo:
Presión del quemador = 3.0 kPa (12 pulg de agua)
Velocidad por Presión = 0.15 kPa (0.6 pulg de agua)
De la Figura 4, la velocidad del aire = 15.8 m/s (52 pie/s). Sin embargo, el flujo de
aire en el ducto no debe exceder los 12 m/s (40 pie/s). Por lo tanto, se debe usar
el valor de 12 m/s (40 pie/s) para los cálculos de caída de presión.
NOTA:
En este cálculo se pueden omitir los efectos de temperatura y
altitud sobre la densidad del aire.
Pérdidas de presión en ductos rectos
Se puede usar una velocidad de aire de 12 m/s (40 pie/s) para todos los ductos
excepto para los ductos de distribución. Calcule la caída de presión usando las
correlaciones normales de flujo de fluidos. Ver PDVSA–MDP–(Pendiente:
consultar MDP versión 1986, Sección 14). Para la caída de presión en un ducto
de área transversal rectangular, el diámetro equivalente dc = (2 x y/( x + y )), donde
x, y son las dimensiones de los lados del rectángulo.
Otras pérdidas de presión de ductos
Codos, tuberías en forma de t y cambios en el area de flujo – Use el siguiente
procedimiento:
d c + ǒ2 x yń(x ) y)Ǔ
Ec. (9)
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
donde:
dc
=
x
y
=
=
Diámetro hidráulico equivalente (para un
ducto circular con la misma pérdida de
fricción)
Profundidad del ducto
Ancho del ducto
En unidades
SI
m
En unidades
inglesas
pie
m
m
pie
pie
1. Pérdidas por fricción a través de la compuerta (“Damper”) – Con la
compuerta completamente abierta
DP3 + 0.025 kPa ó DP3 + 0.10 pulg de agua
Ec. (5)
2. Pérdidas adicionales – Estas caídas de presión dependen del arreglo del
ducto y de la chimenea. Ellas incluyen expansiones y contracciones
repentinas, codos e intersecciones de corrientes de gases de combustión.
La suma de estas pérdidas adicionales se designa como ∆P4.
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Expansión Repentina
DP e + F 29
ǒV1– V2Ǔ2
ǒT g )
Ec. (6)
F 18Ǔ
donde:
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
DPe
=
V1
=
V2
=
Tg
=
F18
=
F29
=
Pérdida de presión debido a una
expansión repentina
Velocidad de los gases de combustión
aguas arriba de la expansión
Velocidad de los gases de combustión
aguas abajo de la expansión
Temperatura de los gases de combustión
en el punto en cuestión
Factor cuyo valor depende de las
unidades usadas
Factor cuyo valor depende de las
unidades usadas
b.
En unidades
SI
kPa
En unidades
inglesas
pulg de agua
m/s
pie/s
m/s
pie/s
°C
°F
273.15
459.6
0.176
0.1186
Contracción Repentina
DP c + F 29 K1
V 22
ǒT g )
Ec. (7)
F 18Ǔ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
donde:
DPc
=
K1
=
A2/A1
K1
A2
A1
=
=
En unidades
SI
En unidades
inglesas
kPa
pulg de agua
Pérdida de presión debido a una
contracción repentina
Coeficiente para la pérdida de contracción
(Ver MDP versión 1986, Sección 14);
utilice un valor de la siguiente tabla
0.0
0.5
0.2
0.42
Areas aguas abajo
Areas aguas arriba
0.4
0.34
0.6
0.25
0.8
0.15
m2
m2
1.0
0.0
pie2
pie2
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c.
Codos – Las pérdidas en codos son detalladas en la Figura 6. Para
sistemas donde la altura de la chimenea es determinada por los
requerimientos de tiro del horno, asuma el uso de codos angulares
(miter bend) con placas deflectoras. Estas placas deben incluirse en
la especificación de diseño. Para sistemas donde la altura de la
chimenea es fijada por requerimientos locales (por ejemplo, control
de contaminación), es decir, que el tiro disponible excede el tiro
requerido, asuma el uso de codos redondeados con Rt/x = 0.5 y sin
usar placas deflectoras.
d.
Intersecciones – Las intersecciones típicas de las corrientes de
gases de combustión se muestran en la Figura 12, del documento
PDVSA–MDP–05–F–02. Estas pérdidas son adicionales a las
pérdidas de codos normales, expansiones y contracciones.
Silenciadores – Si se usan silenciadores, obtenga los datos de pérdidas de presión
del fabricante.
Estimación de la potencia del motor
Utilizando la Ecuación (8) se puede estimar la potencia del motor en forma
aproximada, la cual es de gran utilidad para determinar el consumo de servicios:
P+
ǒ
F 49 (F v)corr HM
N
Ǔ
Ec. (8)
donde:
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁ
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P
(Fv)corr
H
M
N
F49
=
=
=
=
=
Consumo eléctrico aproximado
Flujo de aire (de la Ecuación 4))
Cabezal estático del ventilador
Factor de carga; use 1.05
Eficiencia estática del ventilador; use
0.70
= Factor cuyo valor depende de la
unidades usadas
En unidades
SI
KW
dm3/s
kPa
En unidades
inglesas
HP
pie3/min
pulg de agua
9.96x10 –4
1.576x10 –4
La Ecuación (8) puede ser utilizada para estimar el tamaño del motor usando el
flujo de aire y el cabezal estático en el punto nominal del ventilador.
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
TRANSFERENCIA DE CALOR
HORNOS
SISTEMAS DE TIRO FORZADO
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6
PDVSA MDP–05–F–04
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En
unidades
SI
A
A1
A2
dc
=
=
=
=
Area superficial total o área de flujo
Areas aguas arriba
Areas aguas abajo
Diámetro hidráulico equivalente
(para un ducto circular con la misma
pérdida de fricción)
Porcentaje exceso de aire
Combustible total requerido
Factores cuyo valor depende de las
unidades usadas
Flujo volumétrico de aire
Flujo volumétrico de aire a carga
normal
masa de gas de combustión/unidad
de masa de combustible
EA
Fg
Fi
=
=
=
Fv
Fvn
=
=
FG
=
H
=
Cabezal estático
Hn
=
Cabezal estático a carga normal
K1
=
M
N
P
Qf
=
=
=
=
Coeficiente para la pérdida de
contracción (Ver MDP versión 1986,
Sección 14)
Factor de carga del motor
Eficiencia estática del ventilador
Potencia aproximadad del motor
Calor quemado (PCI)
R
=
Resistencia del sistema=Hn/(Fvn)
Sa
=
Tg
=
v
=
Gravedad específica del aire a la
altitud en cuestión
Temperatura de los gases de
combustión en el punto en cuestión
Volumen específico
En
unidades
inglesas
m2/m
m2
m2
m
pie2/pie
pie2
pie2
pie
kg/s
lb/h
dm3/s
dm3/s
pie3/min
pie3/min
kg. gas de
combustión/
kg
combustible
kPa
lb de gas de
combustión/
lb de
combustible
pulg. de
agua
pulg. de
agua
kPa
adimensional
adimensional
kW
HP
MW
BTU/h
pulg de agua
kPa/(dm3/s)2
ǒpie 3ńminǓ
°C
°F
m3/kg aire
seco
pie3/lb de
aire seco
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V1
=
V2
=
Wa
=
x
y
DPc
=
=
=
DPe
=
Velocidad de los gases de
combustión aguas arriba de la
expansión
Velocidad de los gases de
combustión aguas abajo de la
expansión
Flujo másico del aire
Profundidad del ducto
Ancho del ducto
Pérdida de presión debido a una
contracción repentina
Pérdida de presión debido a una
expansión repentina
m/s
pie/s
m/s
pie/s
kg/s de aire
seco
m
m
kPa
lb/h de aire
seco
pie
pie
pulg de
agua
pulg de
agua
kPa
FACTORES QUE DEPENDEN DE LAS UNIDADES USADAS
F18
F29
F47
F48
F49
7
=
=
=
=
=
Ec.
Ec.
Ec.
Ec.
Ec.
(6)
(6)
(2b)
(3)
(8)
En unidades
SI
273.15
0.176
0.344
10–3
9.96x10 –4
En unidades
inglesas
459.6
0.1186
0.0008
60
1.576x10 –4
APENDICES
Tabla 1
Figura 1
Figura 2
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
3.A
3.B
4
5
6
Información para la especificación de diseño del ventilador y el
ducto
Sistema de tiro forzado típico
Curvas características típicas para ventiladores de tiro forzado
con curva re–graficada del sistema de resistencia
Curvas psicrométricas (unidades SI)
Curvas psicrométricas (unidades inglesas)
Velocidad del aire contra cabezal dinámico
Cambio de la densidad del aire con la altitud
Pérdidas de presión en codos
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HORNOS
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TABLA 1. INFORMACION PARA LA ESPECIFICACION DE DISEÑO DEL VENTILADOR
Y EL DUCTO
VENTILADOR
Designación:
C– _____________________
Flujo normal de aire: _________________ kg/s (lb/h) de aire seco (Flujo de aire a carga normal
del horno)
Presión del aire a la entrada del quemador a flujo normal de aire: ___________kPa (pulg de agua)
Condiciones ambientales para el diseño:
Altitud: _______________m (pie) por encima del nivel del mar (para altitudes menores de 300 m (1000
pie), utilice el nivel del mar)
Condiciones ambientales: (Use los valores presentados en las bases de diseño)
Verano
Invierno
Temperatura, °C (°F)_______________
Humedad relativa, %_______________
Control de flujo de aire: Paletas guías de entrada variable (“Variable inlet guide vanes”) (se debe
especificar el tipo de posicionador)
Tipo de Motor: Velocidad constante (motor eléctrico o turbina de vapor)
Paletas: Curveadas hacia atrás, sin sobrecarga
Sellos del ventilador: Estándar del frabricante; las fugas deben tomarse en cuenta cuando se
dimensiona el ventilador
Punto nominal del ventilador
– El flujo de aire debe ser de 115% el flujo normal y accesible a través del rango de las condiciones
ambientales a una altitud local. Se debe añadir la concesión de fugas del ventilador o del ducto.
– El cabezal estático debe ser 115% de la suma de (1) + (2), más abajo:
(1) Presión de aire en la brida de entrada al quemador kPa (pulg de agua) (El valor que debe usarse
es la presión del registro a carga máxima, consultar PDVSA–MDP–05–F–03)
(2) Las pérdidas de presión calculadas a la entrada y salida del ducto basadas en flujo de aire normal
y en arreglo final del ducto.
Curvas de resistencia del sistema: Esta curva debe ser regraficada en base a las curvas características
del ventilador. La resistencia del sistema se debe calcular basada en flujo normal de aire ypresión de aire a
la entrada del quemador y pérdidas en el ducto a carga normal.
DUCTO DE AIRE
El ducto, siempre que sea posible, debe ser subterraneo
La velocidad del aire en el ducto no debe exceder los 12 m/s (40 pie/s)
Los ductos subterráneos deben ser:
(1) Construidos de acero al carbón de por lo menos 5 mm (3/16 pulg) de espesor
(2) Reforzado por rigidez.
(3) Revestido externamente con por lo menos 50 mm (2 pulg) de aislamiento de 1300 a 1600 kg/m3 (80
a 100 lb/pie3)
La entrada del ducto deben ser:
(1) Elevada a 4.6 m (15 pie) por encima de la primera plataforma del horno
(2) Provista con un protector contra lluvia
En ductos de interconexión entre hornos se requieren reguladores de tiro con aislamiento. Los cálculos
del arreglo final del ducto y la caída de presión deben ser suministrados para laaprobación del ingeniero
propietario.
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Fig 1. SISTEMA DE TIRO FORZADO TIPICO
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Fig 2. CURVAS CARACTERISTICAS TIPICAS PARA VENTILADORES DE TIRO
FORZADO CON CURVA RE–GRAFICADA DEL SISTEMA DE RESISTENCIA
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Fig 3.A. CURVAS PSICROMETRICA (UNIDADES SI)
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Fig 3.B. CURVAS PSICROMETRICA (UNIDADES INGLESAS)
Fig 3.
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Fig 4. VELOCIDAD DEL AIRE CONTRA CABEZAL DINAMICO
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Fig 5. CAMBIO DE LA DENSIDAD DEL AIRE CON LA ALTITUD*
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Fig 6. PERDIDAS DE PRESION EN CODOS
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FECHA
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E PDVSA, 1983
TITULO
PRECALENTADORES DE AIRE
43
DESCRIPCION
FECHA
PAG. REV.
APROB.
APROB. APROB.
FECHA
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
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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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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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5.2
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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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ÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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
documento PDVSA–MDP–05–F–04,
con los siguientes puntos adicionales:
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
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
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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ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
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
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
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ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
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
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
F53
= Factor cuyo valor depende de la
unidades usadas
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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
ÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁ
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
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁ
ÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
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
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E PDVSA, 1983
TITULO
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APROB. APROB.
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Indice
1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
4 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
Descripción del gas inerte deseado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Consideraciones del agua de enfriamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tipos de servicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistemas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Consideraciones del combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Servicios y opciones propias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
4
5
5
6
6 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
Tabla 1.
Figura 1
Lista de comprobación de las especificaciones
del generador de gas inerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Generador típico de gas inerte y equipo
para tratamiento posterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
8
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OBJETIVO
Este documento provee información técnica y lineamientos para preparar las
especificaciones de generadores de gas inerte. 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
Hornos: Sistemas de tiro forzado.
05–F–05
05–F–06
Hornos: Precalentadores de aire.
Hornos: Generadores de gas inerte (Este
documento).
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
Esto está restringido a unidades paquetes completas, las cuales pueden ser
probadas en la fábrica antes de su envío. Estas unidades están generalmente
limitadas hasta 0.8 m3/s (100000 pie3/h en condiciones estándar) en cuanto a
capacidad. Las especificaciones para unidades más grandes, unidades
construidas en sitio o unidades de subconjuntos combinadas, las cuales no
pueden ser verificadas antes de la entrega, deben ser desarrolladas de una
tecnología individual como cualquier otra unidad de proceso.
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 Riesgo
S PDVSA–IR–P–01 “Sistema de paradas de
despresurizacion y venteo de equipos y plantas”
emergencia,
bloqueo,
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ANTECEDENTES
Los generadores de gas inerte no son especificados frecuentemente, y hay un
incentivo económico fuerte para comprar las unidades estándar del vendedor. Por
lo tanto, este tipo de equipo debe ser procurado vía especificaciones de
requerimiento y no especificaciones de diseño. Para asegurar que el equipo posea
una calidad aceptable, normalmente se especifican dos requisitos de seguridad:
– El equipo debe ser comprado a vendedores que demuestren que unidades
similares han operado satisfactoriamente.
– Se requiere una prueba completa en fábrica de la unidad específica que se
desea comprar. Los generadores de gas inerte tipo combustión (Ver Figura
1.) producen una mezcla de gases inertes que contiene principalmente,
nitrógeno y dióxido de carbono, con menos de 50 dm3/m3 (5% en volumen)
de oxígeno e hidrocarburos no quemados; quemando un gas o un líquido
combustible limpio y liviano o relaciones estequiométricas de aceite
combustible/aire relativamente cerca.
Dependiendo de la calidad del gas requerido, estos productos de combustión
relativamente inertes pueden ser usados en la forma que son producidos, o
pueden ser comprimidos, secados y tratados en equipos auxiliares para alcanzar
la calidad del gas deseado. Naturalmente, mientras mayor sea el tratamiento,
mayor serán los costos de inversión y operación. La siguiente tabla describe las
calidades del gas típico sin y con tratamiento.
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ
Tipo de Combustible
Líquido (kerosén)
Gas (promedio)
Gas (alta calidad)
Contenido Mínimo de O2 (dm3/m3)
en el efluente
10 (1% en volumen)
2 a 5 (0.2 a 0.5% en volumen)
1 a 2 (0.1 a 0.2% en volumen)
Las unidades paquetes incluyen todos los controles, combustores, compresores,
filtros, secadores y facilidades de tratamiento auxiliar. Estas unidades pueden ser
probadas en fábrica y pre–ajustadas para las condiciones operacionales
deseadas. La Tabla 1 es una lista de comprobación de los puntos normalmente
especificados por el diseñador.
5
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
5.1
Descripción del gas inerte deseado
La cantidad del gas inerte requerido debe ser establecida en unidades
volumétricas en base húmeda (saturado) o seca. Una alternativa disponible es
especificar dos o más unidades pequeñas que puedan ser usadas al mismo
tiempo para proveer el volumen de gas total requerido. Este arreglo brinda un
grado necesario de confiabilidad y asegura la capacidad parcial durante el
mantenimiento de una de las unidades.
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La calidad del gas inerte requerido debe ser claramente especificado, como se
detalla en la Tabla 1. No es necesario especificar la composición del gas inerte a
una relación estequiométrica única; solamente se deben especificar los límites
permisibles por cada elemento. El vendedor determina cuales puntos establecen
las restricciones para sus equipos.
5.2
Consideraciones del agua de enfriamiento
Se requiere agua de enfriamiento para enfriar la cámara de combustión y el gas
efluente del combustor. El diseño de la camisa de enfriamiento del combustor
asume una transferencia de calor desde la superficie del metal hasta el agua,
limpia y con poca resistencia. Ensuciamiento del lado correspondiente al agua
puede causar distorsión y una falla eventual del combustor. Se puede conservar
agua de alta calidad por medio de un circuito cerrado de circulación de agua de
enfriamiento a través de un intercambiador auxiliar diseñado para ser enfriado con
agua de más baja calidad.
La concentración de oxígeno en el gas efluente del generador se ve afectada por
el tipo de enfriador de salida utilizado. Si se usa enfriamiento por contacto directo,
la concentración de oxígeno en el efluente del generador puede ser más alta que
en el efluente del combustor, debido a que el gas toma oxígeno del agua de
enfriamiento. Si se utiliza agua desaireada, el incremento puede ser tan bajo como
50 a 100 mg/kg (50 a 100 ppm). Sin embargo, si se usa agua de enfriamiento de
la torre o un tipo de agua similar a ésta, el incremento puede ser tan alto como 600
mg/kg (600 ppm).
Se debe usar material de construcción especial resistente a la corrosión para
porciones de gas inerte del generador que está expuesto al gas de combustión a
temperaturas por debajo de su punto de rocío. Los materiales adecuados son del
tipo 316 acero al carbón y revestidos con plástico o goma. El enfriamiento directo
disminuye las tasas de corrosión, ya que el agua de enfriamiento tiende a depurar
los materiales corrosivos. En algunas unidades se pueden hacer ajustes de pH en
la corriente directa del agua. Si se utiliza un combustor revestido con aislamiento
en vez de un combustor con camisa de enfriamiento, las temperaturas promedio
de la cámara deben mantenerse por debajo de 1480°C (2700°F) para minimizar
la formación de óxidos de nitrógeno, los cuales aumentarán la corrosividad del gas
inerte.
5.3
Tipos de servicio
El tipo de servicio establece el tipo de control requerido. Generalmente las
unidades son requeridas para servicios continuos o intermitentes, dependiendo de
su función en el esquema del proceso.
El servicio continuo se aplica donde la demanda puede ser constante o puede
fluctuar sobre un rango amplio, pero por lo menos se debe requerir un servicio
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Página 5
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mínimo continuo para períodos largos de tiempo, tales como semanas o meses.
El servicio intermitente es cualquier demanda limitada a períodos relativamente
poco frecuentes, tales como horas y días, durante el mantenimiento de la unidad,
fuera de servicio, perturbaciones, etc., y donde habrá cero demanda durante estos
períodos. Para las situaciones que claramente no caen entre estas dos categorías,
el diseñador determinará la economía de ventear el gas inerte para estos períodos
intermedios en función de un sistema de control más costoso y controles
específicos en conformidad.
En los servicios intermitentes, la relación aire/combustible se ajusta manualmente
para producir un flujo constante de gas inerte. La composición del gas se controla
automáticamente a este flujo. Para compensar por demandas de gas más bajas
que el diseño, el gas inerte debe ser venteado. Para cambios mayores o
prolongados en la calidad del gas o en el flujo, reajustes manuales de los puntos
de ajuste del combustible y del aire se hacen necesarios.
Para servicios continuos, los generadores son capaces de proveer gas inerte a
una composición específica a un rango de producción de 100 a 25% del flujo
máximo especificado. Esto requiere que el quemador sea capaz de dar
combustión estable, que el ventilador y los reguladores suministren condiciones
estables de flujo, y que el esquema de control proporcione repuestas adecuadas
y estabilidad a través del rango de operación. Si los requerimientos de capacidad
difieren significativamente de este rango típico, la especificación debe incluir el
rango deseado y las opciones de control.
5.4
Sistemas de control
La experiencia previa ha mostrado que los sistemas de control típicos,
analizadores, instrumentos y sistemas de seguridad tienen una alta probabilidad
de ser difíciles durante el arranque. Algunas veces ellos son ineficaces. Por lo
tanto, se requiere una prueba en fábrica para verificar su operabilidad. Esta prueba
debe incluir la información de cualquier equipo compresor y los controles que
están siendo suministrados, además del sistema de control de combustión.
5.5
Consideraciones del combustible
La especificación del gas combustible debe incluir la composición del gas según
el diseño y las variaciones esperadas de esta composición. Se debe evitar el uso
de gas de refinería, el cual está sujeto a cambios en la composición, debido que
el gas inerte resultante, fuera de especificación, requiere un tratamiento costoso
después de la combustión a fin de mantener la calidad del gas inerte. Si se dispone
de dos gases diferentes, pero constantes en composición, se pueden requerir
reguladores con doble control. Para unidades de contacto directo al enfriamiento,
el azufre en el combustible debe ser menor de 5 mg/kg (5 ppm).
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GENERADORES DE GAS INERTE
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Se requieren trazas con vapor y precalentamiento del combustible para evitar
condensación del gas combustible. El condensado, aun en pequeños porcentajes,
puede formar hollín en el combustor.
Los combustibles líquidos deben ser limitados a kerosén. Otros combustibles,
tales como nafta, no han sido demostrados y requerirán investigaciones en
cooperación con los vendedores.
5.6
Servicios y opciones propias
Se debe incluir los detalles de la especificación típica del diseño para el suministro
de electricidad y el Código de Area Eléctrica, disponibilidad de vapor
(especialmente si el compresor es un turbocompresor) y disponibilidad de aire de
instrumentos.
Las opciones propias son algunas veces requeridas en adición a la unidad del
paquete básico. Con el fin de integrar estas unidades paquetes en una planta de
operación, se requieren ciertos controles remotos, alarmas e instrumentos
automáticos, además de los controles estándar del vendedor. Se deben
suministrar los detalles de estos requerimientos especiales.
6
APENDICE
Tabla 1.
Figura 1
Lista de comprobación de las especificaciones del generador de
gas inerte
Generador típico de gas inerte y equipo para tratamiento posterior
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TABLA 1. LISTA DE COMPROBACION DE LAS ESPECIFICACIONES DEL
GENERADOR DE GAS INERTE
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ÁÁÁÁÁÁÁÁ
En unidades SI
1. Cantidad del gas inerte requerido
En unidades
inglesas
dm3/s Std (en
base saturada o
seco)
– Número o tamaño de las unidades deseadas
2. Calidad del gas inerte deseado
– Concentraciones máximas permisibles de O2 o
H2, CO, hidrocarburos
– Si se desea, especifique concentraciones
de N2 o CO2 requerido (máximo, mínimo o
rango).
– Presión
– Temperatura
– Punto de rocío
dm3/m3
% en vol
kPa (man.)
psig
°C
°F
°C
°F
kPa (man.), °C
psig, °F
3. Agua de enfriamiento
– El agua de enfriamiento del combustor debe
ser de la misma calidad del agua de alimentación a calderas.
– Temperatura y presión
4. Tipo de servicio
– Continuo o intermitente
5. Especificaciones del combustible
– Incluir todas las variaciones posibles en la composición del gas combustible
– Indicar la frecuencia esperada de estas varia-
ciones.
6. Servicios
– Suministro de electricidad (voltaje, Número de
fases, Hz) y Código de Area Eléctrica
– Presión y temperatura del vapor
– Aire de instrumentos
7. Otras opciones
– Operación remota
– Grado de automaticidad contra manual
– Ubicación interna y externa
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Fig 1. GENERADOR TIPICO DE GAS INERTE Y EQUIPO PARA TRATAMIENTO
POSTERIOR
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E PDVSA, 1983
TITULO
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DESCRIPCION
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PAG. REV.
APROB.
APROB. APROB.
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ESPECIALISTAS
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Indice
1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
4 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4.1
4.2
4.3
Solicitud de incinerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Control de contaminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Alternativas para construir un nuevo incinerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
4
5 TIPOS DE INCINERADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
Incineradores de fuego directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Incineradores catalíticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Incineradores de lecho fluidizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Horno de calcinación rotatoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Núcleos múltiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
6
6
6
7
7
7
6 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
Características de las corrientes de desecho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Unidad deseada de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cámara de combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Recuperación de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de control del efluente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
9
9
11
13
14
14
7 PREPARACION DE LAS ESPECIFICACIONES DE TRABAJO . . .
15
8 NORMAS PARA LOS ANALISIS DE DEMOSTRACION . . . . . . . . .
17
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1
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OBJETIVO
Describir los varios tipos de incineradores disponibles y las normas vigentes para
la preparación de las especificaciones de trabajo de estos incineradores en
refinerías y en plantas químicas. 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
Hornos: Sistemas de tiro forzado.
05–F–05
Hornos: Precalentadores de aire.
05–F–06
05–F–07
Hornos: Generadores de gas inerte.
Hornos:Incineradores (Este documento).
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 tiene que ver primeramente con la fase de combustión del
incinerador, pero no considera en detalle el manejo de la alimentación aguas arriba
o las facilidades de tratamiento (aguas abajo) del gas de combustión o de los
efluentes. Debido a que estos puntos son frecuentemente incluidos en cualquier
sistema de incineración, el responsable debe tratar toda la unidad como un
sistema en preparación de la especificación de servicio completo. Los problemas
de interfase básicos aguas arriba y aguas abajo y las condiciones operacionales
se discuten en esta subsección, pero los detalles para la preparación de la
especificación del servicio debe ser obtenida de los respectivos consultores
ambientales ó sus equivalentes en las respectivas filiales.
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”
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Indice norma
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”
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
4.1
Solicitud de incinerador
La mayoría de los incineradores se solicitan mediante las especificaciones de
trabajo y no mediante las especificaciones de diseño. Los criterios primarios
requeridos para especificar cualquier incinerador son una definición precisa de la
corriente de desecho a ser oxidada y la calidad del gas efluente requerida. Los
puntos normalmente cubiertos en tales especificaciones están incluidos en este
documento.
Los incineradores no se clasifican fácilmente, debido a que cada unidad debe
generalmente manejar un tipo diferente de desecho. Cada uno requiere la
integración de varios subsistemas: un sistema de alimentación, un sistema de
combustión, un sistema de control y un posible sistema de control de recuperación
de calor y efluente o emisión del gas de combustión. La tecnología disponible, la
capacidad del vendedor y la experiencia difieren enormemente entre estos
sistemas. Por ejemplo, los vendedores orientados a la combustión normalmente
saben muy poco acerca de sistemas sofisticados de depuración y necesitan
asistencia en esa área para cualquier incinerador de desecho requerido para
controlar la emisión del gas de combustión.
Debido a estas complejidades, los vendedores frecuentemente rechazan el
garantizar los sistemas de incineración, excepto cuando ellos tienen experiencia
con desechos similares. Hay algo de renuencia en diseñar incineradores para
desechos nuevos y difíciles debido al costo involucrado de desarrollo. Con la
presente tecnología, la única forma segura de comprar un incinerador para
aplicaciones industriales es conseguir un vendedor que tenga experiencia
operacional con unidades similares. Los análisis de demostración son una
práctica común en la industria donde no existe experiencia. Si no se consiguen
vendedores con experiencia para resolver un problema de desecho dado, una
alternativa es desarrollar un diseño utilizando la tecnología y análisis local,
preferiblemente en cooperación con el vendedor de mayor experiencia.
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INCINERADORES
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Control de contaminación
En todos los casos, el control de contaminación local debe ser cuidadosamente
examinado, para evaluar el impacto de las leyes presentes, y las que fueron
propuestas durante los primeros años de la operación del incinerador. Todas las
alternativas de métodos de disposición deben ser examinados antes de tomar la
decisión de construir un nuevo incinerador. Algunas de estas alternativas son
discutidas más adelante.
4.3
Alternativas para construir un nuevo incinerador
Debido a que las condiciones económicas varían de una ubicación a otra, cada
caso debe ser revisado individualmente para evaluar las siguientes alternativas:
4.3.1
Reprocesamiento del desecho
1. El desecho puede algunas veces ser reprocesado para concentrar los
contaminantes. Esto implica que se puede utilizar el equipo existente para
incinerar el desecho concentrado o venderlo como se discute más abajo.
Esta propuesta puede ser la más económica, especialmente en el caso de
grandes
volúmenes
conteniendo
bajas
concentraciones
de
contaminantes. Un ejemplo serían los sedimentos de plantas de
tratamiento de agua.
2. Los desechos pueden algunas veces ser reprocesados para crear un
nuevo producto o un material crudo. Esta técnica requiere de considerable
tiempo y no puede ser regulado como un sustituto a corto plazo para la
incineración. Sin embargo, es necesario hacer algunas investigaciones de
estas corrientes, las cuales son ricas en material crudo o producto, o
corrientes que requieren altos costos de inversión del incinerador.
Ejemplos de estos son las plantas de recuperación de cloro y azufre.
4.3.2
Combinación de corrientes en unidades existentes
1. Incineradores – Con un diseño apropiado del incinerador, más de un
desecho puede ser incinerado en la misma unidad. Por ejemplo:
a.
Combustión de una corriente con un alto calor de combustión para
reemplazar combustible auxiliar el cual de otra forma será utilizado
para quemar una corriente con un calor de combustión tan bajo que
tiene características de quema pobres.
b.
La incineración de una corriente con un poder calorífico bajo para
reemplazar el agua de enfriamiento o el aire en un incinerador que
quema desechos con un alto poder calorífico.
c.
Pequeñas corrientes, que deben añadirse en menos del 10 ó 20%
a la alimentación de una unidad existente, pueden algunas veces ser
adicionadas sin alterar la operación de la unidad existente.
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INCINERADORES
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2. Hornos de Procesos – En algunos casos, las corrientes de desecho de
fácil manejo (menos del 10% del calor quemado), pueden ser dispuestas
eficiente y económicamente de un horno de proceso. Sin embargo,
sistemas de control, seguridad y distribución pueden aumentar los costos.
4.3.3
Contratación del desalojo de la corriente de desecho
1. Sistemas regionales industriales de desechos – Algunas firmas están
construyendo incineradores regionales para servir a complejos
industriales. Los costos varían dependiendo del transporte y tipo de
desecho. Buenas muestras de este tipo de desalojo son las corrientes
pequeñas de bajo volumen o corrientes tóxicas, las cuales podrían ser
difíciles o costosas de manejar en un incinerador local. Por tal razón, se
requiere una evaluación del contratado, para asegurar que la falla en su
equipo o la deficiencia en sus facilidades de almacenaje no implicará una
parada de nuestra planta. Nótese que el riesgo final generalmente depende
del originador de la corriente de desecho y no del contratado. Esta
tendencia es popular en países desarrollados con una legislación
ambiental estricta, pero en Venezuela aún no se ha hecho presente.
2. Incineradores municipales – Algunas plantas municipales de desperdicio
consideran el material industrial como un desecho. Los desechos sólidos
son buenas muestras para este método, y se pueden usar desechos con
alto poder calorífico en esta unidades para aumentar el poder calorífico
inferior y mejorar la combustión. Sin embargo, desechos industriales
volátiles pueden causar problemas en unidades diseñadas para
desperdicios de bajo poder calorífico. Materiales, tales como plásticos y
gomas pueden ser dispuestos en unidades municipales sólo en cantidades
que no excedan el 5–10% de la carga total. Esta tendencia es popular en
países desarrollados con una legislación ambiental estricta, pero en
Venezuela aún no se ha hecho presente.
5
TIPOS DE INCINERADORES
5.1
Incineradores de fuego directo
Este tipo de unidad utiliza contacto directo con una llama suspendida para oxidar
la corriente de desecho, con o sin combustible auxiliar. Esto se lleva a cabo en una
zona de combustión, o cámara, diseñada para dar un tiempo de residencia
adecuado y una temperatura para la combustión de las corrientes de desechos.
La incineración por fuego directo requiere que el material de desecho pueda ser
atomizado adecuadamente. Este es el tipo más común de incineradores
industriales para desechos líquidos y gaseosos.
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5.2
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0
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Incineradores catalíticos
Este tipo de incinerador utiliza el contacto de un catalizador para convertir la
corriente de desecho. Estas unidades pueden requerir algo de precalentamiento
para permitir que ocurra la reacción catalítica a las temperaturas adecuadas, en
cuyo caso ellas son construidas en serie con una unidad de fuego directo o un
intercambiador de calor para alcanzar el precalentamiento deseado. Algunas
veces los convertidores catalíticos son instalados para limpiar el gas de
combustión de otro tipo de incinerador. Las unidades catalíticas son generalmente
costosas y el catalizador es susceptible a desactivación o envenenamiento por los
componentes del desecho de alimentación no contemplados en el diseño. Las
unidades catalíticas son usadas sólo cuando ningún otro método de desalojo es
aplicable.
5.3
Incineradores de lecho fluidizado
Estos incineradores son usados frecuentemente para quemar desechos que
contienen gran cantidad de sólidos que no pueden ser atomizados en una unidad
de fuego directo. Los desechos de las facilidades de tratamiento de agua de la
refinería y en algunos casos deposición de soda cáustica usada, son típicos
materiales de este tipo de unidad. El material del lecho es por lo general arena,
pero puede ser sales de sodio cuando está involucrada la disposición de soda
cáustica. La inercia térmica del lecho evita cambios rápidos en temperatura y
provee la capacidad para manejar desechos con composición y poder calorífico
variables. Sin embargo, si el desecho contiene sales inorgánicas en
concentraciones significativas ( 2000 mg/kg (2000 ppm)), especialmente cloruros
del agua de mar, se podría formar una mezcla de sal con una baja temperatura de
fusión, la cual permanecería en el lecho en fase líquida. Por aglomeración de las
partículas, las sales fundidas pueden causar desfluidización del lecho, e impedir
el uso del lecho fluidizado para ese desecho contaminante. También los
incineradores de lecho fluidizado son costosos y requieren de equipo para
remover el arrastre de partículas finas en el gas de combustión.
5.4
Intercambiadores de calor
Este tipo de incinerador puede ser de llama o sin ella, pero difiere de los
calentadores de fuego directo en que la corriente de desecho es calentada hasta
la temperatura de conversión sin contacto directo con la llama o con los gases de
combustión. Este sistema pudiera ser usado donde se requiera baja temperatura
de conversión y/o la contaminación de la corriente de desecho pudiera causar
otros problemas.
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5.5
TRANSFERENCIA DE CALOR
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INCINERADORES
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Horno de calcinación rotatoria
Este es un tipo especial de incinerador de fuego directo, el cual es usado para
desalojar sólidos y líquidos que poseen sólidos. Este horno de calcinación crea un
tiempo de residencia alto para la combustión completa de los sólidos. El contacto
directo del desecho con la pared del horno restringe el uso de este tipo de horno
a desechos con poder calorífico relativamente bajo con bajas concentraciones de
metales contaminantes, los cuales pudieran causar daños al refractario.
5.6
Núcleos múltiples
Estas unidades tienen las mismas ventajas y desventajas de los hornos de
calcinación rotatoria, y usan sólo un mecanismo diferente para mover el material
a través del incinerador (usualmente un brazo rotativo de arrastre).
5.7
Embalses
Estos incineradores de desechos sólidos son diseñados con y sin circulación
forzada de aire. En ambos diseños, el humo y las emisiones de cenizas son
generalmente insatisfactorias.
6
CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑO
Los principales requerimientos para las especificaciones de servicio de cualquier
incinerador son categorizar tan preciso como sea posible (a) las características del
desecho y (b) los requerimientos deseados de la unidad de operación. Una vez
que las condiciones primarias son definidas, se deben expandir las
especificaciones para incluir los requerimientos específicos para el sistema de
alimentación, cámara de combustión, sistema de control, sistema de control de
recuperación de calor y sistema de control de efluentes.
6.1
Características de las corrientes de desecho
Esta es la porción más crítica de la especificación de servicio de cualquier
incinerador, debido a que las corrientes de desecho son tradicionalmente las más
escasamente definidas en cualquier proceso; aun así cambios pequeños en la
composición y en las propiedades puede seriamente afectar el costo y la
operabilidad del sistema de incineración. Las principales consideraciones son:
Lista de todos los componentes – La lista debe incluir cualquier traza de
elementos o componentes que pueden causar toxicidad o arrastre de cenizas
inorgánicas, o que puedan reaccionar con los metales o refractarios. Estos datos
deben ser usados por el vendedor para los propósitos de análisis y diseño.
También se deben suministrar las cantidades de flujo y los poderes caloríficos, de
tal forma que los vendedores puedan evaluar sobre una base consistente.
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Identificar la dinámica del flujo y composición – Las corrientes de desechos
de muchas refinerías típicas y plantas de procesos químicos pueden variar
marcadamente en composición y en flujo durante operación no usual del proceso;
es decir, arranques, paradas, ajustes, etc. Debido a que el control de
contaminación incluye límites aun durante niveles de emisión de corto tiempo, el
incinerador debe ser diseñado para soportar estas variables dinámicas en su
alimentación. Esto es crítico especialmente en corrientes gaseosas donde es
imposible retener el flujo y en corrientes líquidas que puedan estar contaminadas
con sedimentos de sólidos o compuestos de alta viscosidad que no entrarían al
incinerador bajo condiciones normales.
Aunque no es práctico o necesario proveer controles para manejar todas las
contingencias de ajustes, éstos deben ser determinados, considerados y
documentados. En muchos casos, se pueden incluir opciones para solicitar al
vendedor que considere tales contingencias en el diseño y que indique los costos
adicionales.
Cambios pronosticados en el futuro para la cantidad y calidad de las
corrientes – En muchos casos, las plantas se construyen tomando en
consideración expansiones futuras pero el incinerador tendrá que manejar los
flujos iniciales y finales. También ocurrirán cambios en la composición del desecho
como alimentación, en el producto y en el catalizador.
Pronóstico potencial en el futuro para combinar corrientes de desechos – Si
algunas plantas ha sido construidas simultáneamente o si algunos incineradores
son diseñados para un lugar en específico, se debe tomar en consideración la
combinación de las unidades, especialmente si las corrientes son compatibles.
Naturalmente, se deben examinar las unidades existentes que posiblemente sean
usadas en combinación.
6.2
Unidad deseada de operación
Es esencial describir completamente los lineamientos de la unidad de operación
deseada para cualquier instalación dada.
Interface proceso/incinerador – Si la dinámica de la corriente ha sido
determinada, esta parte de la especificación debe detallar los modos de operación
requeridos bajo los cuales el incinerador debe funcionar. Algunos detalles a ser
considerados son la capacidad líquido/sólido retenido, diluente o disponibilidad de
flujo para contrarrestar las variaciones en composición durante las paradas de las
corrientes y sistemas alternos de desalojo de gas durante las mismas.
Operación general del incinerador – Se debe especificar algunas
consideraciones de diseño con respecto a la operación deseada del incinerador.
Estas incluyen: factor de servicio requerido, grado de control automático contra
control manual, lista de servicios y operación intermitente contra operación
continua.
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Detalles del diseño – En el caso de unidades de multi–corrientes, será necesario
calcular el balance de calor de la unidad para determinar el número aproximado
de quemadores, su capacidad y los requerimientos de combustible auxiliar para
todos los posibles modos de operación. Los incinerador con una sola corriente no
requieren estos cálculos, debido a que la operabilidad se fija para una sola
corriente. El diseñador debe construir para los vendedores una matriz de todos las
potenciales formas de operación de las diferentes corrientes.
Generalmente, para estas unidades complejas, los vendedores tendrán que ser
consultados para determinar cuales tipos de arreglos son posibles o prácticos. Por
ejemplo, es posible combinar varias corrientes en un quemador o construir
unidades con multi–cámaras para separar corrientes incompatibles.
Especificación de la calidad del efluente – La información sobre las leyes
aplicables debe ser suministrada junto con las especificaciones de servicio,
incluyendo los requerimientos de efluentes del agua y aire, las limitaciones
aplicables al ruido y los requerimientos de la chimenea. Si se va a usar una
chimenea existente en común, se deben suministrar los detalles del diseño de la
chimenea al vendedor para propósitos de cálculo. También se debe suministrar un
regulador de tiro con aislamiento.
6.3
Sistema de alimentación
La mayoría de los problemas del incinerador ocurren en los sistemas de
alimentación, debido principalmente a problemas de interface entre el contratista
y el vendedor. Algunas de las áreas con problemas que requieren consideraciones
de diseño para los sistemas de alimentación se listan a continuación.
6.3.1
Definición de las variables
1. Presión disponible en el incinerador.
2. Temperatura de la corriente en el incinerador.
3. Flujo: máximo, mínimo y nominal.
4. Viscosidad de los líquidos, pesos moleculares de los gases, densidades de
los sólidos.
5. Poder calorífico: Todos los posibles extremos deben ser definidos y de
acuerdo a éstos diseñar el incinerador. Por ejemplo, si una corriente de
humo llega a ser rica en hidrocarburos debido a problemas en la unidad,
se podría sobrecalentar el incinerador y dañarse a menos que haya sido
diseñado par este caso.
6. Contaminantes: Sólidos inorgánicos, reactivos químicos, elementos
tóxicos (por ejemplo, contaminantes al proceso de incineración).
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Corrientes de desechos líquidos
1. Bombeo: Si la corriente tiene sólidos abrasivos se pueden desgastar partes
de la bomba, reducir el flujo en líneas largas de baja velocidad o estancarse
el flujo.
2. Medición y control del flujo: Se requieren tipos especiales de medidores
para líquidos de alta viscosidad y para líquidos que contienen sólidos.
3. Fluidizar el fluido: Para manejar corrientes pesadas durante arranques,
paradas, etc.
4. Flujo de recirculación: Generalmente 10–50 a 1 para corrientes de alta
viscosidad. Se requieren los detalles del sistema de control.
5. Almacenaje de retención: si es posible, varios días.
6. Control térmico: Esencial en corrientes de alta viscosidad o en corrientes
con variaciones grandes del poder calorífico.
7. Capacidad de purga: Para paradas en manual o en automático. Durante
arranques o paradas se recomienda usar aceite en corrientes que
contienen líquidos pesados o alto contenido de sólidos.
8. Pretratamiento: Despojamiento de agua, sedimentación de sólidos,
espesamiento, etc.
9. Filtración: Generalmente, no se aplica debido a que muchas de las
corrientes de desechos líquidos poseen alto contenido de sólidos.
6.3.3
Corrientes de desechos gaseosos
1. Se requieren atrapadores de llamas. Se requiere protección contra el
retorno de la llama para aislar la cámara de combustión de los equipos del
proceso. Los atrapadores de llamas son adecuados para servicios
normales, pero no son efectivos en servicios con alto grado de
ensuciamiento o con altas temperaturas.
2. Drenajes y separador de líquido: El condensado puede ser enviado al
incinerador o al drenaje; pero debe ser especificado durante el diseño del
incinerador.
3. Precalentar para vaporizar condensado y reducir los requerimientos de
combustible auxiliar.
4. No siempre se requiere control de flujo y además este tipo de control es
costoso.
6.3.4
Corrientes de desechos sólidos (generalmente no se queman en las
refinerías)
1. Sistema de manejo: Están disponibles varios tipos; rejas, alimentadores de
rosca, etc.
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2. Control de carga de alimentación: El poder calorífico del desecho varía
enormemente, por lo que debe ser controlado.
3. Contenido de cenizas: Los inorgánicos pueden ser separados para eliminar
los problemas de efluentes de gas de combustión.
4. Pretratamiento: Remover metales, vidrios, etc.
6.3.5
Unidades de lecho fluidizado
1. Bombas y líneas de alimentación: Se utiliza un múltiple en vez de un control
individual para inyección más uniforme del desecho en el lecho.
2. Pretratamiento: despojamiento de agua y espesamiento, basado en
ahorros potenciales del combustible.
6.4
Cámara de combustión
La cámara de combustión consiste de un conjunto de quemador y cámara. El
quemador atomiza el desecho y/o suministra combustible auxiliar de combustión
para oxidar el desecho. El desecho es oxidado por permanecer en la cámara de
combustión el tiempo requerido para obtener el grado deseado de conversión en
los productos inocuos del gas de combustión.
6.4.1
Consideraciones de diseño para los quemadores
1. Desechos líquidos
a.
Pilotos: Pueden ser intermitentes o pueden usar encendedores con
un detector ultravioleta como un control primario.
b.
Combustible auxiliar: La distribución de calor es importante para las
instalaciones con varios quemadores, especialmente con
posiciones diferentes de inyección de desecho.
c.
Corrientes contaminadas con sólidos: Estas corrientes requieren
quemadores múltiples con capacidad de reserva suficiente para un
adecuado mantenimiento.
d.
Medio de atomización: Los requerimientos deben ser especificados
para un uso máximo de vapor y a una presión máxima.
e.
Mantenimiento: Tanto la pistola como los quemadores deben ser
fácilmente removibles.
2. Desechos gaseosos
a.
Piloto: debe ser un sistema seguro y confiable. Se puede considerar
a los quemadores auxiliares como el piloto para corrientes con bajo
poder calorífico o para corrientes con alto contenido de agua o
condensado.
b.
Mantenimiento: Debido a que por lo general la capacidad de
retención de gases no está disponible, se debe utilizar el esquema
del mechurrio para desviar cuando se requiera mantenimiento.
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Quemadores de rejilla: Los pilotos deben ser distribuidos a través de
la rejilla y no en un solo sitio. Se deben evitar muchos orificios
pequeños de gas combustible auxiliar.
3. Unidades combinadas – Nunca se debe mezclar el gas combustible
auxiliar y los desechos líquidos en un mismo quemador. Utilice siempre dos
o más quemadores con la llama interceptada.
4. Unidades de lecho fluidizado
6.4.2
a.
Las lanzas deben ser removibles para limpieza.
b.
El quemador de precalentamiento debe tener un sistema de control
separado y debe ser removible para servicio.
Consideraciones de diseño para la cámara de combustión
1. Construcción
a.
Temperatura de operación: Normalmente la temperatura máxima de
operación es de 980°C (1800°F). Por encima de esta temperatura se
pudiera requerir materiales especiales.
b.
Temperatura de diseño: 1540°C (2800°F) mínimo para el refractario
de la cámara de combustión, en otro sitio, 1100°C (2000°F). 1650°C
(3000°F) + para ladrillos refractarios donde la llama del quemador
choca con las paredes.
c.
Protección contra estallidos: Es deseable instalar alivios de presión
para liberar el calor, especialmente para corrientes variables a fin de
limitar los daños de la unidad.
d.
Contaminantes: Los materiales de construcción deben ser
chequeados para contrarrestar cualquier elemento químicamente
activo que pueda ser dirigido a la cámara o a la chimenea.
e.
Visibilidad: Las mirillas deben ser colocadas para buena
observación de todos los quemadores y de la cámara de
combustión.
f.
Instrumentos: Indicadores de temperatura para leer las
temperaturas máximas, por tal razón se recomienda no instalarlos
cerca de la salida de la cámara de combustión.
g.
Distribución de calor: El aire o el agua pueden ser usados para
controlar la temperatura de la cámara, pero sólo se aceptan diseños
probados.
h.
Acceso: Grandes puertas de acceso al nivel del piso son
recomendables para unidades que queman líquidos y que pueden
necesitar de limpieza de cenizas y de otros depósitos sólidos.
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2. Dimensionamiento
a.
Densidad calórica: El promedio para incineradores es de 310 kW/m3
(30000 BTU/hpie3), el rango común es de 100 a 625 kW/m3 (10000
BTU/hpie 3 a 60000 BTU/hpie3).
b.
Conversión: El tiempo a la temperatura es el criterio modelo para
cada corriente, por lo que debe ser suplido por el vendedor para
porcentajes de conversión específicos. Cualquier valor menor o
mayor que 0.5–1.0 s a 600–815°C (1100–1500°F) debe ser
cuestionado.
c.
Unidades por encima de 980°C (1800°F): Para casos especiales
únicamente.
3. Control térmico
6.5
a.
Puertas de aire: Deben ser ajustables desde la plataforma.
b.
Tiro forzado: Puede ser controlado automáticamente por medio de
un ventilador con paletas guías.
c.
Rociadores de agua: Pueden arruinar el refractario por choque
térmico sino están en la posición adecuada o si el agua no es
suficientemente atomizada.
d.
Control del efluente: Los materiales del sistema de depuración se
basan frecuentemente en la temperatura del gas de combustión.
Sistema de control
General – Los controles generalmente son suministrados con el incinerador. Los
vendedores han desarrollado paneles y esquemas de control para sus equipos y
por lo general suministran estos controles ya probados con las unidades. Por lo
general, ellos son aceptados si han sido demostrados por lo menos en otra
aplicación. En la mayoría de los casos, no es necesario comprobarla en una
aplicación con una corriente de desecho similar, debido a que los controles son
más o menos los mismos para todas las unidades, aun en unidades de diferentes
tamaños.
Requerimientos adicionales – La especificación de servicio por lo general
estipula algunos puntos adicionales:
1. Cuales instrumentos, alarmas y controles irán en paralelo con la sala de
control.
2. Algunas veces se requieren indicadores adicionales para arrancar o alinear
la unidad o para asegurar que se reúnen los requerimientos de diseño.
3. Considerar si cualquier dispositivo automático extra es ventajoso.
4. Después de cualquier parada automática, se recomienda energizar
nuevamente la unidad pero en manual.
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Recuperación de calor
Frecuentemente, los incineradores pueden usar calor recuperado para reducir sus
costos de operación. Sin embargo, la recuperación de calor para suplir vapor
esencial, o para cualquier proceso crítico, es riesgoso por lo que debe evitarse. El
precalentamiento de la corriente de desecho para reducir requerimientos de
combustible auxiliar en el incinerador es la alternativa más atractiva para sistemas
de recuperación de calor.
6.6.1
Tipos de precalentadores
1. Regenerativo (Ljungstrom)
2. De tubos y carcaza
3. Módulos prefabricados
4. Fuego directo
6.6.2
Desventajas de la RECUPERACIÓN DE Calor:
1. Inversión – Generalmente, son necesarios materiales de altas
temperaturas. Muchas corrientes pueden causar corrosión y
ensuciamiento especialmente durante desajustes.
2. Mantenimiento – Alto, especialmente para corrientes de desechos sucios.
3. Confiabilidad – La mayoría de los incineradores diseñados para
conservar energía por medio de precalentamiento de la corriente de
desecho no pueden operar (excepto a carga muy bajas) si la corriente no
ha sido precalentada, debido a que no son diseñadas para quemar
suficiente combustible auxiliar para compensar la carga calórica. También,
se deben tomar consideraciones para el arranque del calentador.
6.7
Sistema de control del efluente
Este varía grandemente de un sitio a otro debido a las regulaciones del control del
medio ambiente, por lo que cada proyecto en particular debe investigar
cuidadosamente la legislación existente y sus posibles tendencias. Esto debe ser
realizado al comienzo del proyecto, debido a que el equipo de tratamiento del gas
de combustión puede duplicar los costos del sistema de incineración. Los puntos
que pueden afectar considerablemente el costo y la operación de los sistemas de
control de efluentes son:
– Enfriamiento de los gases de escape – para reducir los requerimientos de
materiales.
– Ducto del incinerador por una chimenea – común para diluir los gases.
(el control de temperatura es requerido para evitar excesos en los límites de
la temperatura del material).
– Depuración del agua – puede causar problemas de contaminación.
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– Venteo de los gases de las corrientes de desecho cuando el incinerador es
parado de emergencia.
7
PREPARACION DE LAS ESPECIFICACIONES DE TRABAJO
La siguiente lista de comprobación muestra los puntos cubiertos normalmente en
las especificaciones de servicio del incinerador. Para detalles de cada punto
refiérase a las consideraciones de diseño.
1. Características de la corriente de desecho
• Incluye todas las propiedades, flujos poderes caloríficos, cenizas,
contaminantes.
• Para corrientes nuevas y difíciles, determine la factibilidad del
incinerador antes de proceder con las especificaciones de servicio.
• Defina la dinámica de las corrientes.
• Pronostique cambios futuros de la calidad y cantidad de la corriente.
2. Tipo de operación requerida
• Especifique operación continua vs. intermitente, manual vs.
automática; especialmente se deben dar detalles de las unidades de
operación compleja (multi–corrientes).
3. Calidad requerida del efluente
• Proporcione información de todas las leyes de control de
contaminación local.
– Los límites pronosticados deben ser impuestos por la legislación
competente.
– Defina cual ley existente debe cumplir.
• Incluya las especificaciones del agua, especificaciones del aire,
especificaciones de ruido, concentraciones al nivel del piso para el
diseño de la chimenea.
4. Especificaciones de servicios
• Dar las características del combustible auxiliar, vapor, aire,
electricidad y combustible piloto.
• Especifique el sitio de área disponible.
• Suministre los datos de costos de servicios para las evaluaciones
económicas.
5. Interfaces entre el vendedor–suplidor
• Describa las interfaces con el sistema de alimentación, servicios,
chimenea, fundación, etc.
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6. Costos de instalación
• Solicite que el vendedor estime los costos de instalación y suministre
detalles generales de las subsecciones fabricadas.
7. Sistemas y controles de alimentación
• Especifique los puntos del equipo que el vendedor va a suministrar y
lo que será suministrado por el contratista.
– Generalmente, se compran controles de un mismo modelo.
– Por lo general, el contratista suministra el sistema de alimentación.
• Indique los controles que deben ser instalados en la sala de control.
• Generalmente, instale purgas automáticas durante el arranque y
encendido.
• Especifique la capacidad de retención para desechos líquidos.
• Especifique como manejar desechos gaseosos durante paradas de la
unidad (venteos, mechurrio, etc.).
8. Cámara de combustión y quemadores
• Se aceptan quemadores de tiro natural o forzado.
• Especifique la fácil remoción de los quemadores y pistolas para su
mantenimiento sin tener que parar la unidad.
• Exija suficientes mirillas a diferentes elevaciones para visualizar cada
quemador y casi toda la cámara de combustión en la zona de
combustión.
• Los
requerimientos
de
ruido
deben
cumplir
con
PDVSA–MID–SN–252: “Control de ruidos en equipos”.
• Si se van a quemar desechos sólidos o líquidos con alto contenido de
cenizas, se debe proporcionar suficiente acceso para limpiar y hacerle
mantenimiento a la cámara de combustión. Es posible considerar dos
cámaras.
• Las compuertas de entrada del aire y los reguladores de tiro debe ser
ajustados desde la plataforma.
9. Controles
• El vendedor debe suministrar los dibujos de control y las instrucciones
de operación detallando todas las funciones del sistema de control y
seguridad.
• El sistema de control debe incluir protección contra extinción de llamas
similar a los requeridos por los MID de hornos y calderas. Nótese que
casi todos los incineradores son construidos con tales sistemas, pero
cada uno debe ser cuidadosamente revisado para ver si es compatible
con MID.
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Las áreas con problemas típicos son:
– Las llamas de muchas corrientes de desecho no pueden funcionar
con detectores de llama de tipo ultravioleta. Por lo tanto, se pueden
usar detectores del tipo infrarrojo, si se tiene cuidado de asegurar la
protección adecuada de la llama. Si se utiliza calor de combustión
para la generación de vapor o para la recuperación de calor del
proceso, el combustor del incinerador debe cumplir todos los
criterios de los MID en lo que a sistemas de extinción de
llamas/seguridad se refiere.
10. Recuperación de calor
• Especifique que el balance de calor de la unidad sin recuperación de
calor es tal, que la unidad cumple con los límites requeridos en caso
de una falla del intercambiador de calor.
• Si se desea, se puede instalar un desvío en el intercambiador de calor.
• Especificar la composición del gas de combustión, el porcentaje de
conversión del desecho, etc. para el caso en que no haya
recuperación de calor.
• Para información adicional, refiérase a los MID y MDP de
Intercambiadores de Calor.
8
NORMAS PARA LOS ANALISIS DE DEMOSTRACION
Debido a los requerimientos únicos de cada incinerador, a la falta de uniformidad
y a la carencia de experiencia del vendedor en la industria, es común exigir
un análisis de demostración de cualquier diseño del incinerador antes de hacer el
contrato. Para corrientes no usuales, estos análisis de demostración/confiabilidad
deben hacerse tan pronto como sea posible, para tener tiempo durante el
desarrollo del mismo. Los requerimientos de análisis deben ser realizados en
unidades existentes, dependiendo de los objetivos. Estos objetivos son para
suministrar datos que prueben la aceptabilidad de todos los otros sub–sistemas
en un diseño dado del incinerador. Los vendedores cooperan en estos esfuerzos
y conducen análisis a un costo nominal, con el fin de obtener negociaciones
futuras.
Disponibilidad de muestra de corriente de desecho
En muchos casos, es difícil obtener una muestra representativa con todas las
trazas contaminantes. En tales casos, será necesario simular la corriente tan
precisa como sea posible y con todos los parámetros posibles. Los parámetros de
interés particular son: viscosidad, contenido de cenizas, contenido de sólidos y
tamaño de las partículas, poder calorífico, contenido de agua o inertes.
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Objetivos múltiples obtenidos de los análisis
Por lo general, el vendedor prueba si la corriente es o no capaz de mantener la
combustión a los límites deseados de conversión, con o sin combustible auxiliar
en su diseño particular de la cámara de combustión. Aunque este es el primer
objetivo de cualquier análisis de incineración, se deben obtener datos para el
diseño del manejo de la alimentación y sistemas de emisión de control.
Los datos del sistema de alimentación deben incluir rangos de temperatura,
bombeo, viscosidad, presión requerida y recirculación requerida. Los controles
deben ser verificados para dimensionar los orificios y los cierres de combustión.
Lo más recomendable sería que todo el sistema de control pudiera ser utilizado
durante el análisis.
Los análisis de combustión deben suministrar datos para los requerimientos de
atomización con vapor, puntas perforadas, revestimiento refractario, combustible
auxiliar y conversión de la corriente (tiempo, temperatura en función del % de
conversión). Finalmente, los gases de combustión deben ser muestreados por
personal con experiencia o por un laboratorio independiente, para determinar los
requerimientos de tratamientos del gas de combustión. Se debe hacer análisis
completos a varias muestras para determinar la composición y el tamaño de la
partícula.