UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios profesionales
Coordinación de Cursos en Cooperación
Departamento de Mecánica
Diseño de guía para especificación
de hornos de refinería y
simulación por HTRI-Xfh
Por
Jesús Enrique Sandoval Hinds
Sartenejas, enero de 2007
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios profesionales
Coordinación de Cursos en Cooperación
Departamento de Mecánica
Diseño de guía para especificación
de hornos de refinería y
simulación por HTRI-Xfh
Por
Jesús Enrique Sandoval Hinds
Realizado con asesoría de
Tutor Académico: Ing. Ulises Lacoa
Tutor Industrial: Ing. Jorge Luís Méndez
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Mecánico
Sartenejas, enero de 2007
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
Decanato de Estudios profesionales
Coordinación de Cursos en Cooperación
Departamento de Mecánica
Diseño de guía para especificación de hornos de refinería
y simulación por HTRI-Xfh
PROYECTO DE GRADO presentado por Jesús Enrique Sandoval Hinds
REALIZADO CON LA ASESORÍA DE: Ing. Ulises Lacoa e Ing. Jorge Luís Méndez
En este trabajo se presenta el desarrollo de una guía y hoja de cálculo que permiten
obtener características básicas de hornos de procesos a partir de datos de la ingeniería
básica y otros fijados por el diseñador. La metodología de cálculo planteada se basa en la
publicación “How combustion conditions influence design and operation” de la revista
“Chemical Engineering” (1978), y las recomendaciones de la norma API STD. 560 “Fired
Heaters for General Refinery Service”.
La hoja de cálculo desarrollada en Microsoft Excel presenta un conjunto de ventanas
desarrolladas en Visual Basic donde es posible observar información de interés, realizar el
ingreso de datos y tener acceso a una base de datos de hornos, que contiene hojas de datos
y plano principal de diferentes tipos de hornos, pertenecientes a proyectos en los que ha
trabajado la empresa, a partir de los cuales se obtiene información y comparan resultados.
Con el programa de simulación de equipos de transferencia de calor HTRI – Xfh se
simuló un horno de aceite caliente. Los resultados obtenidos se compararon con los
arrojados por la hoja de cálculo para el pre-dimensionamiento de hornos a manera de
validación, mostrando resultados similares y cumpliendo con el objetivo de desarrollar una
herramienta que agiliza la determinación de características de pre-diseño de un horno de
proceso.
PALABRAS CLAVES
Horno, transferencia de calor, diseño, simulación
A Dios por ser mi base y a mi amigo Octavio, siempre recordado.
AGRADECIMIENTOS
A Dios por estar presente en cada uno de mis logros y permitirme llevar a cabo
mi trabajo de pasantía sin inconvenientes y en tan prestigiosa empresa.
A mis padres por brindarme su apoyo incondicional y haberme dado educación,
valores, y todas las herramientas necesarias para culminar con éxito cada una de las
etapas de mi vida.
A mi hermano por ser la persona con quien siempre cuento y darme fuerzas y
esperanzas en todo momento, manteniéndome atento a las metas que me he fijado.
A mi novia por darme todo su amor y apoyo en cada uno de los momentos que
lo necesitaba formando parte de mi vida.
A mis compañeros de pasantía por brindarme su ayuda, atender dudas y hacer
del ambiente de trabajo un lugar ameno.
Al Ingeniero y Profesor Ulises Lacoa por su apoyo, tolerancia y ayuda oportuna
como tutor académico al momento de realizar cada una de las actividades de la
pasantía.
Al Ingeniero Jorge Méndez, tutor industrial, por seleccionarme para la
realización del trabajo de pasantía y atender a cada una de las dudas que se
presentaban día a día.
Al Departamento de Ingeniería Mecánica y especialmente a su gerente Gladys
Fuentes por hacerme sentir como en casa, brindarme su apoyo y aceptarme como
parte del equipo de trabajo.
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE GENERAL................................................................................................................ i
ÍNDICE DE TABLAS........................................................................................................... iv
ÍNDICE DE FIGURAS .......................................................................................................... v
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS ...................................................................... vi
NOMENCLATURA............................................................................................................. vii
ALCANCE............................................................................................................................. x
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN........................................................................................ 1
CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA ............................................................. 4
2. 1 Historia....................................................................................................................... 4
2. 2 Visión ......................................................................................................................... 5
2. 3 Misión ........................................................................................................................ 6
2. 4 Política de Calidad ...................................................................................................... 6
2. 5 Política de Seguridad e Higiene................................................................................... 7
2. 6 Estructura Organizacional de la Empresa .................................................................... 7
2. 7 Ejecución de proyectos ............................................................................................... 9
CAPÍTULO 3. OBJETIVOS............................................................................................... 10
3. 1 Planteamiento del problema ...................................................................................... 10
3. 2 Objetivos generales................................................................................................... 11
3. 3 Objetivos específicos ................................................................................................ 11
CAPÍTULO 4. FUNDAMENTOS TEÓRICO .................................................................... 12
4. 1 Hornos de refinería ................................................................................................... 12
4. 2 Desarrollo de los hornos de refinería ......................................................................... 14
4. 3 Función de los hornos en las refinerías...................................................................... 15
4. 4 Secciones de transferencia de calor de un horno........................................................ 16
4.4. 1 Sección de radiación .......................................................................................... 16
4.4. 2 Sección de pantalla de radiación o escudo .......................................................... 16
4.4. 3 Sección de convección ....................................................................................... 17
4.4. 4 Chimenea ........................................................................................................... 17
4. 5 Clasificación de hornos............................................................................................. 18
4.5. 1 Características generales de hornos cilíndricos y de cabina................................. 20
4.5. 2 Configuración de los tubos de la sección de radiación ........................................ 21
4.5. 3 Arreglo o ubicación de los quemadores .............................................................. 22
4.5. 4 Hornos de acuerdo al servicio............................................................................. 23
4. 6 Elementos principales que conforman un horno de refinería...................................... 25
4.6. 1 El serpentín ........................................................................................................ 25
4.6. 2 Los quemadores ................................................................................................. 32
4.6.2. 1 La combustión............................................................................................. 35
4.6. 3 La chimenea....................................................................................................... 37
4. 7 Materiales empleados en la construcción de hornos.................................................. 39
ii
4.7. 1 Cubierta ............................................................................................................. 39
4.7. 2 Refractarios........................................................................................................ 39
4.7.2. 1 Refractarios aplicados por vaciado o proyectado.......................................... 40
4.7.2. 2 Fibras cerámicas.......................................................................................... 41
4.7.2. 3 Ladrillos refractarios aislantes ..................................................................... 43
4. 8 Mecanismos de transferencia de calor ....................................................................... 43
4.8. 1 Conducción........................................................................................................ 43
4.8. 2 Convección ........................................................................................................ 44
4.8. 3 Radiación........................................................................................................... 45
CAPÍTULO 5 GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE HORNOS DE REFINERÍA ....... 46
5. 1 Objetivos .................................................................................................................. 46
5. 2 Alcance..................................................................................................................... 47
5. 3 Determinación de las características del horno de proceso......................................... 47
5.3. 1 Datos de entrada................................................................................................. 47
5.3.1. 1 Variables de proceso.................................................................................... 47
5.3.1. 2 Especificaciones de diseño .......................................................................... 49
5. 4 Cálculos.................................................................................................................... 52
5.4. 1 Condiciones de operación................................................................................... 53
5.4. 2 Sección de radiación .......................................................................................... 55
5.4.2. 1 Horno cilíndrico vertical.............................................................................. 58
5.4.2. 2 Hornos de cabina horizontal ........................................................................ 59
5.4.2. 3 Hornos de cabina vertical ............................................................................ 60
5.4. 3 Sección del escudo ............................................................................................. 61
5.4. 4 Sección de convección ....................................................................................... 61
5.4. 5 Chimenea ........................................................................................................... 62
5.4. 6 Pesos.................................................................................................................. 63
CAPÍTULO 6 DESARROLLO DEL PROGRAMA Y HOJA DE CÁLCULO PARA EL
PRE-DIMENSIONAMIENTO DE HORNOS DE REFINERÍA ........................................... 64
6. 1 Generalidades ........................................................................................................... 64
6. 2 Manual del usuario.................................................................................................... 65
6.2. 1 Ventana de inicio ............................................................................................... 66
6.2. 2 Hoja de Cálculo.................................................................................................. 66
6.2. 3 Ingreso de Datos ................................................................................................ 70
6.2. 4 Base de Datos..................................................................................................... 72
6.2. 5 Información ....................................................................................................... 74
6.2. 6 Salir ................................................................................................................... 75
6. 3 Requerimientos......................................................................................................... 75
CAPÍTULO 7 PROGRAMA HTRI Xchanger Suite 5.0...................................................... 78
7. 1 Generalidades ........................................................................................................... 78
7. 2 Módulo de Hornos de fuego directo (Xfh) ................................................................. 79
CAPÍTULO 8 EJEMPLO DE CÁLCULO .......................................................................... 81
8. 1 Datos de entrada ....................................................................................................... 81
8. 2 Resultados ................................................................................................................ 81
8. 3 Análisis de resultados ............................................................................................... 83
iii
CONCLUSIONES ............................................................................................................... 84
RECOMENDACIONES....................................................................................................... 85
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 86
APÉNDICES........................................................................................................................ 87
GLOSARIO DE TÉRMINOS........................................................................................... 88
HOJAS DE DATOS TÍPICAS DE UN HORNO DE REFINERÍA EN EL FORMATO
REQUERIDO POR INELECTRA.................................................................................... 92
HOJAS DE DATOS Y PLANO DEL HORNO DE ACEITE CALIENTE DE LA
REFINERÍA DE JOSE, ESTADO ANZOATEGUI, VENEZUELA, 03-F-50-03.............. 99
PUBLICACIÓN “HOW COMBUSTION CONDITIONS INFLUENCE DESIGN AND
OPERATION” .................................................................................................................112
VALIDACIÓN DE CÁLCULOS A PARTIR DEL EJEMPLO DE LA
PUBLICACIÓN ..............................................................................................................125
REPORTE DE RESULTADOS DEL PROGRAMA HTRI AL EVALUAR
EL HORNO DE ACEITE CALIENTE DE LA REFINERÍA DE JOSE, ESTADO
ANZOATEGUI, VENEZUELA, 03-F-50-03..................................................................126
REPORTE DE RESULTADOS DE LA HOJA DE CÁLCULO PARA EL PREDIMENSIONAMIENTO DE HORNOS DE REFINERÍA AL EVALUAR EL
HORNO DE ACEITE CALIENTE DE LA REFINERÍA DE JOSE, ESTADO
ANZOATEGUI, VENEZUELA, 03-F-50-03..................................................................129
iv
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 4. 1 Materiales utilizados para la fabricación de serpentines de hornos de refinería ... 27
Tabla 4. 2 Materiales más utilizados para la construcción de aletas ..................................... 30
Tabla 4. 3 Dimensiones límites para las aletas ................................................................... 32
Tabla 4. 4 Dimensiones límites para las agujas .................................................................. 32
Tabla 4. 5 Características de la capa de la cara caliente para la fibra cerámica .................... 42
Tabla 5. 1 Densidad calórica de la sección de radiación de acuerdo al servicio del horno...... 49
Tabla 5. 2 Dimensiones de los tubos a partir de los diámetros recomendados....................... 50
Tabla 5. 3 Materiales de tubos recomendados por API Std. 560. .......................................... 51
Tabla 8. 1 Comparación entre la hoja de datos y los resultados obtenidos en hoja de
cálculo y HTRI para el horno de aceite caliente de la refinería de Jose, Venezuela................ 82
v
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2. 1 Logo actual de Inelectra, desde el año 2005 .......................................................... 5
Figura 2. 2 Estructura Organizacional de Inelectra S.A.C.A................................................... 8
Figura 4. 1 Balance de energía en un horno......................................................................... 13
Figura 4. 2 Secciones de transferencia de calor de un horno de refinería .............................. 17
Figura 4. 3 Diferentes configuraciones de hornos................................................................ 19
Figura 4. 4 Tipos de superficies extendidas más comunes.................................................... 29
Figura 4. 5 Tipos de construcción de aletas......................................................................... 31
Figura 4. 6 Diferentes ubicaciones de quemadores.............................................................. 33
Figura 4. 7 Variación del tiro con la altura en el horno........................................................ 37
Figura 5. 1 Calor disponible en función de la temperatura de los gases de combustión......... 53
Figura 5. 2 Calor disponible en función de la temperatura de los gases de combustión.......... 54
Figura 5. 3 Temperatura de los gases de combustión en la sección de radiación ................... 56
Figura 6. 1 Ventana principal del programa Pre-dimensionamiento de Hornos de Refinería. 66
Figura 6. 2 Página de datos de entrada de la hoja de cálculo................................................. 68
Figura 6. 3 Página de resultados de la hoja de cálculo .......................................................... 69
Figura 6. 4 Página de condiciones de la hoja de cálculo ....................................................... 70
Figura 6. 5 Primera ventana de datos de entrada .................................................................. 71
Figura 6. 6 Ventana final de datos de entrada....................................................................... 72
Figura 6. 7 Base de datos del programa................................................................................ 73
Figura 6. 8 Base de datos, clasificación por tipo de horno .................................................... 73
Figura 6. 9 Ventana de información del programa................................................................ 74
Figura 6. 10 Ventana de salida del programa ....................................................................... 75
Figura 6. 11 Ruta para verificar la configuración del separador decimal............................... 76
Figura 6. 12 Ruta para modificar o verificar la seguridad de los macros............................... 76
Figura 6. 13 Nivel de seguridad de para los macros en Microsoft Excel............................... 77
Figura 7. 1 Heat Transfer Research, Inc. .............................................................................. 78
vi
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
API: American Petroleum Institute (Instituto Americano de Petróleo)
STD.: Standard (Estándar)
ASME: The American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de
Ingenieros Mecánicos)
HTRI: Heat Transfer Research, Inc. (Instituto de Investigación de Transferencia de
Calor)
C.A.: Compañía Anónima
S.A.C.A.: Sociedad Anónima Compañía Anónima
Xfh: Fired Heaters Module (Módulo de hornos de fuego directo)
FGT: Flue Gas Temperature (Temperatura de los gases de combustión)
BWT: Bridge Wall Temperature (Temperatura de los gases de combustión en la
sección de radiación)
vii
NOMENCLATURA
σ
Constante de Stefan – Boltzman
ρ calórica
Densidad calórica de la sección de radiación
ρi
Densidad del material. El subíndice i diferencia el material o la sección
∀i
Volumen del material. El subíndice i diferencia el material o la sección
η horno
Eficiencia del horno
η radiación
Eficiencia de la sección de radiación del horno
%Qextraido
Porcentaje de calor extraído por el horno
a radiación
Ancho de la cámara de combustión de un horno tipo cabina
A
Área
Aconvección
Área efectiva de los tubos de convección
Acp
Área o superficie de transferencia de calor
A filaescudo
Área o superficie de una fila de los tubos del escudo
Aradiación
Área o superficie de los tubos que absorben calor por radiación
Aradtubos
Área o superficie de los tubos de la sección de radiación
At
Área transversal
Atranschimenea
Área transversal de la chimenea
BWT
Temperatura de los gases de combustión en la sección de radiación
d tubospared
Distancia entre los tubos y la pared de refractario
d tubospiso
Distancia entre los tubos y el piso del horno
d tubosrad
Distancia entre los tubos de la sección de radiación
Dchimenea
Diámetro de la chimenea
Dcirculorad
Diámetro del círculo de tubos de la sección de radiación
Dextesc
Diámetro externo de los tubos de la sección del escudo
Dextrad
Diámetro externo de los tubos de la sección de radiación
Dradiación
Diámetro interno de una celda de combustión
viii
etubo
Espesor de los tubos
EN chimenea
Efecto neto de la chimenea en el tiro del horno
F
Factor global de radiación
Fcombustible
Factor de multiplicación para la relación de masa de combustible y gas
FGT
Temperatura de los gases al salir de la sección de convección
hchimenea
Altura de la chimenea
hconvección
Altura de la caja de convección
hradiación
Altura de una celda de combustión
k
Conductividad térmica
L
Longitud
LHV
Poder calorífico de baja del combustible
LMTDbancoconv Temperatura media logarítmica del banco de convección
LMTDescudo
Temperatura media logarítmica del escudo
Lradiación
Altura de la celda de combustión
Ltubosconv
Longitud efectiva de los tubos de la sección de convección
Ltubosrad
Longitud efectiva de los tubos de la sección de radiación
m& combustibl e
Flujo de combustible
m& fluidoproceso
Flujo del fluido de proceso
m& gas
Flujo de gases de combustión
N celdas
Número de celdas del horno
N filasconv
Número de filas de tubos del banco de convección
N filasesc
Número de filas de tubos del escudo
N pasos
Número de pasos del horno
N tubosfilaesc
Número de tubos por fila del escudo
N tubosrad
Número de tubos por celda de radiación
Pi
Peso. El subíndice i indica la zona del horno
ix
Qabsorbido
Calor total absorbido por el horno
Qbancoconv
Calor absorbido por el banco de convección
Qconducción
Transferencia de calor por conducción
Qconvección
Transferencia de calor por convección
Qdisponible
Calor disponible de los gases de combustión
Qescudo
Calor absorbido por el escudo
Qliberado
Calor liberado por los quemadores
Q perdido
Calor perdido o no aprovechado
Qradiación
Calor absorbido por radiación
Qsu min istrado
Calor suministrado al equipo
Texterna
Temperatura externa
Tg
Temperatura de los gases
Tint erna
Temperatura interna
T piel
Temperatura de la superficie de algún cuerpo
TRchimenea
Tiro requerido por la chimenea
U bancoconv
Coeficiente global de transferencia de calor del banco de convección
U escudo
Coeficiente global de transferencia de calor del escudo
V fluidoproceso
Velocidad del fluido de proceso a través de los tubos
V gaschimenea
Velocidad de los gases de combustión a los largo de la chimenea
wradiación
Profundidad de la celda de combustión tipo cabina
x
ALCANCE
Desarrollar una guía para el pre-dimensionamiento de hornos de refinería y un
programa de cálculo como herramienta intermedia entre los cálculos realizados a
mano y el simulador HTRI – Xfh en la estimación de características preliminares de
un horno de proceso.
Los resultados que se obtienen de la hoja de cálculo son preliminares, no
definitivos.
La validación del programa para el pre-dimensionamiento de hornos de refinería
se realiza a partir de la comparación con el ejemplo de cálculo de la publicación “How
combustion conditions influence design and operation” [1], hojas de datos de hornos
existentes y resultados de HTRI – Xfh.
Se trabajó con el módulo para hornos del programa HTRI Xchanger Suite v5.0.
El programa cuenta con una base de datos que presenta hojas de datos y el
plano principal de los hornos de proyectos donde ha participado Inelectra.
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
Inelectra dentro del sector petrolero y petroquímico ejecuta proyectos de
producción, transporte y distribución, mejoramiento y refinación donde uno de los
equipos principales es el horno, que se encarga de transferir al fluido de trabajo la
energía térmica necesaria para que se lleven a cabo los procesos.
En la fase de ingeniería básica de los proyectos se envía la hoja de procesos a
los fabricantes para el diseño de hornos, quienes invierten gran cantidad de tiempo
en emitir una respuesta lo cual retrasa el proceso de avance de la oferta. Por tanto
se hace necesario que la empresa realice un cálculo de estimación de las
dimensiones del horno para enviar información a otras disciplinas en un corto período
de tiempo.
El programa para el pre-dimensionamiento de hornos de refinería es una
herramienta de fácil uso a partir de la cual se calculan las dimensiones y peso de
hornos de diferentes tipos, configuraciones, materiales, entre otras características. El
uso de este programa permite dar una respuesta inmediata y otorgar información de
importancia a otros departamentos de la empresa a partir de información básica de
ingeniería de procesos. Por otra parte el programa cuenta con una base de datos
que permite obtener información (fabricante, hojas de datos y planos) de diferentes
hornos, permitiendo tomar ciertos equipos como referencia además de comparar las
características obtenidas del programa con los hornos ya existentes.
Por otra parte la hoja de cálculo se encuentra vinculada a 6 (seis) hojas de
datos típicas para hornos de refinería. Las hojas de datos fueron realizadas en
español e inglés bajo el formato de la empresa.
El departamento cuenta con el programa HTRI que permite evaluar equipos de
transferencia de calor, como es el caso de los hornos. El programa tiene un módulo
de equipos de calentamiento por fuego directo (Xfh) donde es posible realizar
2
estudios del equipo completo, de sus partes o de diferentes procesos que se llevan a
cabo, esto de acuerdo a las necesidades o requerimientos del usuario. Para realizar
una corrida en HTRI – Xfh se debe ingresar una gran cantidad de datos, muchos de
ellos desconocidos en la etapa de diseño o difíciles de determinar y calcular.
Con el programa HTRI – Xfh se simuló un horno cilíndrico vertical de aceite
caliente con sección de convección, y fue comparado con los resultados obtenidos a
partir de la hoja de cálculo para el pre-dimensionamiento de hornos. Los resultados
fueron similares y además revisados a partir de la hoja de datos del horno en
cuestión.
El trabajo consta de 10 capítulos donde se describe el trabajo realizado además
de incluir información teórica de interés para la comprensión del mismo.
En el CAPÍTULO 2 se presenta la descripción de la empresa donde tuvo lugar el
desarrollo del trabajo, Inelectra, su historia, visión, misión, política de calidad, entre
otros. Por otra parte se realiza una breve explicación de las fases que cumplen en la
realización de un proyecto.
En el CAPÍTULO 3 se plantea el problema y se muestran los objetivos tanto
generales como específicos del trabajo realizado.
El CAPÍTULO 4 contiene información teórica de hornos, definiciones, función,
elementos, partes, mecanismos de transferencia de calor, entre otros tópicos de
interés relacionados con el tema de estudio. Otros términos son definidos en el
APÉNDICE 1.
En el CAPÍTULO 5 se presenta la metodología de cálculo que se emplea en el
programa desarrollado, sintetizada en una guía para el pre-dimensionamiento de
hornos. Esta guía fue entregada al departamento de ingeniería mecánica de la
3
empresa como herramienta donde se presenta una serie de pasos que permiten
determinar las características básicas de un horno de procesos.
El CAPÍTULO 6 muestra el desarrollo del programa y la hoja de cálculo, además
se describe el uso a través de un manual entregado al departamento de ingeniería
mecánica de la empresa.
En el CAPÍTULO 7 se realiza una breve presentación del programa HTRI
Xchanger Suite v5.0, enfocándose en el módulo de calentadores de fuego directo
(Xfh) que fue utilizado en el desarrollo del trabajo en la empresa.
El CAPÍTULO 8 muestra un ejemplo de cálculo realizado tanto en el programa
para el pre-dimensionamiento de hornos como en el programa HTRI – Xfh a partir de
valores provenientes de la hoja de datos del horno. La comparación se realizó a fin
de validar la herramienta desarrollada con una ya existente y aprobada.
Por último el CAPÍTULO 9 y el CAPÍTULO 10 presentan un conjunto de
conclusiones y recomendaciones referentes al tema de trabajo, basadas en los
resultados obtenidos.
CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA
Inelectra S.A.C.A. es una empresa consultora de capital venezolano dedicada a
la ingeniería, procura y construcción para otras empresas e industrias ejecutando
proyectos de importancia y gran envergadura en Venezuela y el exterior. Está
comprometida con el desarrollo industrial del país teniendo como meta el aumento de
la participación nacional en sus proyectos incorporando capital humano, materiales y
equipos venezolanos.
La filosofía de la empresa está fuertemente orientada al desarrollo y bienestar
de
sus
recursos
humanos,
y
promover
la
participación
de
su
personal
incorporándolos como accionistas para hacerlos partícipes de sus ganancias
logrando su identificación con los objetivos corporativos y obteniendo beneficios de
su gestión empresarial.
Su campo de trabajo abarca la industria petrolera, petroquímica, minera,
metalurgia, electricidad, telecomunicaciones, infraestructura, transporte masivo entre
otras, donde ofrece servicios profesionales de consulta y asesoría, estudio de
factibilidad, gerencia de proyectos, ingeniería conceptual, ingeniería básica,
ingeniería de detalle, procura, gerencia de procura, supervisión y gerencia de
construcción, construcción, operación de instalación, puesta en marcha y
mantenimiento.
2. 1 Historia
Inelectra nace en 1968 como una empresa especializada en servicios de
ingeniería que incorpora posteriormente las áreas de procura, gerencia de
construcción y construcción directa, así como la de operación y mantenimiento. La
integración de actividades se logra progresivamente mediante la capacitación de
personal, desarrollo y adquisición de tecnologías, participación en sociedad con
5
firmas extranjeras y, sobre todo, identificando tempranamente las oportunidades y
asumiendo profesionalmente los retos surgidos durante el desarrollo del país.
A los largo de estos años, Inelectra ha contabilizado una importante experiencia
en actividades de distintas índoles y complejidad, permitiéndole aplicar en proyectos
industriales el conocimiento, la experticia, las técnicas y las herramientas más
sofisticadas.
También ha logrado importantes avances en la ejecución de proyectos
destacando la optimización del programa de trabajo y su duración, disminución de
costos, control de criticidad, cero accidentes y maximización de la eficiencia y la
productividad, entre otros
En sus 35 años de historia Inelectra ha realizado muchos de los proyectos más
relevantes desarrollados en el país, los cuales representan más de 28 millones de
horas-hombre de servicios profesionales y 80 millones de horas-hombre de
construcción.
Figura 2. 1 Logo actual de Inelectra, desde el año 2005
2. 2 Visión
“Ser la primera empresa Venezolana de servicios de ingeniería, procura y
construcción. Que fije los estándares de la industria, la capacidad de producir
dividendos, crecimiento, moral y productividad del empleado, profesionalismo,
6
seguridad, preservación del medio ambiente, integridad personal, aplicación de
nuevas tecnologías, místicas corporativas, cumplimiento con regulaciones, relaciones
con la comunidad y ética del negocio”.
2. 3 Misión
“Prestar servicios profesionales multidisciplinarios y realizar proyectos integrales
de ingeniería de alta calidad a diferentes sectores industriales en Venezuela y el
exterior, así como otras actividades conexas con dichos servicios, identificándose
con las necesidades de los clientes para satisfacerlas de manera efectiva y eficiente”.
2. 4 Política de Calidad
“Proveer servicios, proyectos e instalaciones de alta calidad, que cumplan con
los requerimientos establecidos y garanticen la satisfacción de nuestros clientes,
conjugando exitosamente sus expectativas y las de los socios, accionistas,
empleados y proveedores.
Entender los requerimientos y exigencias del trabajo que se nos asigne,
ejecutándolo correctamente desde la primera vez de manera segura efectiva y
eficiente.
Asegurar que nuestro personal esté debidamente entrenado, motivado y
mantenga una actitud innovadora, entienda nuestros procesos de trabajo, se
identifique con ellos y esté dispuesto a mejorarlos continuamente.
Promover el desarrollo sustentable a través de una operación responsable y
respetuosa del medio ambiente y del entorno social”.
7
2. 5 Política de Seguridad e Higiene
“En Inelectra entendemos que nuestra actividad tiene impacto directo en el
desarrollo del entorno, por esto las prácticas y procedimientos de trabajo seguro,
higiene y protección del ambiente son parte de la responsabilidad social que tenemos
como individuos y como empresa.
Somos gente que día a día se compromete a realizar su actividad de forma
segura y confiable, cumpliendo las normas y leyes vigentes de Seguridad, Higiene y
Ambiente, por eso nos preocupamos por formarnos y capacitarnos permanentemente
en esta materia.
Trabajando en prevención, minimizando los riesgos y poniendo en práctica las
lecciones aprendidas lograremos la meta de “Cero Accidentes, Cero Enfermedades
Profesionales, Cero Impactos al Ambiente” en el desempeño de nuestras
actividades.
El protagonismo de todos en el logro de esta meta, así como, el esfuerzo por
mejorar continuamente y una actitud preventiva garantizan condiciones adecuadas y
ambientes óptimos de trabajo, lo cual se refleja en el bienestar de todos, el de
nuestras familias, y la comunidad en general”.
2. 6 Estructura Organizacional de la Empresa
Presenta una organización vertical con diferentes rangos de decisión. Cada
departamento tiene un gerente y cada disciplina tiene un líder, de igual manera los
proyectos presentan una estructura organizacional donde existen líderes por
disciplina o campo.
La Corporación está conformada por un conjunto de unidades que actúan como
centros de costo-beneficio, con responsabilidad sobre sus resultados, integrándose
8
desde el punto de vista organizativo bajo dos unidades operativas principales:
Operaciones
e
Inepetrol,
Telecomunicaciones,
con
Planificación,
unidades
Recursos
corporativas
Humanos,
de
Finanzas,
y
Relaciones
Legal
Institucionales.
En general la estructura organizacional de Inelectra se muestra en la figura a
continuación:
Figura 2. 2 Estructura Organizacional de Inelectra S.A.C.A.
Dentro de la estructura organizacional se encuentra el departamento de
ingeniería mecánica que a su vez se subdivide de acuerdo a diferentes disciplinas.
Es el encargado del desarrollo de la ingeniería relacionada con los equipos
mecánicos
en
las
áreas
de
maquinaria,
unidades
paquete,
tanques
de
almacenamiento, recipientes a presión e intercambiadores de calor.
Inelectra ofrece en esta área: el diseño o selección de equipos, especificaciones
de los mismos, evaluaciones de ofertas y revisión de la documentación generada por
los fabricantes. Con el objetivo de obtener óptimos resultados, así como satisfacer
9
necesidades los clientes, el departamento de ingeniería mecánica ofrece también
servicio de traslado de personal de ingeniería a los talleres de fabricación e
inspección de equipos, y servicio a terceros en el diseño de recipientes a presión y
en el diseño térmico y mecánico de intercambiadores de calor
2. 7 Ejecución de proyectos
En los procesos de ejecución de proyectos se cumplen determinadas fases
donde intervienen los tres sectores principales: Cliente, Fabricante y Empresa
Consultora.
El cliente es quien asigna el proyecto a una empresa consultora que lleva a
cabo la ingeniería conceptual donde se definen parámetros y procedimientos
operacionales del proceso en estudio.
Luego pasa a la ingeniería básica llevándose a cabo el dimensionamiento de las
instalaciones requeridas para el proceso con sus respectivas especificaciones, para
llevar a cabo la ingeniería de detalle donde se elaboran planos y dibujos a escala de
las instalaciones y de los equipos.
Finalmente se elabora la requisición que es enviada a los fabricantes
especialistas quienes luego de estudiarla envían un presupuesto a partir del cual la
empresa consultora realiza la oferta al cliente quien lleva a cabo un análisis de costo,
calidad, disponibilidad y facilidad de instalación para la selección de la oferta más
conveniente.
CAPÍTULO 3. OBJETIVOS
3. 1 Planteamiento del problema
En el proceso de licitación de un proyecto un factor importante es el tiempo en
el cual la empresa puede dar una respuesta y presentar su oferta, dicho tiempo
representa costos, por esta razón es necesario agilizar los trámites a fin de minimizar
las horas hombres empleadas.
Para el caso de las especificaciones de hornos de refinería Inelectra envía la
hoja de procesos al fabricante con un tiempo de respuesta que depende de este
último. Se ha tomado la decisión de realizar un programa para el departamento de
ingeniería mecánica que permita dar un estimado, a partir de los datos de ingeniería
básica de procesos, de las dimensiones y del peso de hornos con diferentes
configuraciones.
El departamento de ingeniería mecánica cuenta con el programa HTRI
Xchanger Suite – Xfh v5.0 que puede llevar a cabo el estimado de las dimensiones,
pero es necesario introducir al software gran cantidad de datos y especificaciones, y
seguir una serie de pasos que llevan tiempo y puede ser un poco complicado. El
fuerte de este programa es evaluar equipos cuyas características de diseño son
conocidas.
Por esta razón se busca una manera de agilizar el proceso de especificación de
hornos de refinería de manera rápida y sencilla permitiendo al departamento de
ingeniería mecánica dar respuestas en un corto plazo de tiempo.
11
3. 2 Objetivos generales
•
Diseñar una hoja de cálculo para el pre-dimensionamiento de hornos de
refinería
•
Familiarizarse con el manejo del programa HTRI Xchanger Suite – Xfh v5.0
3. 3 Objetivos específicos
•
Comprender los distintos diseños de hornos de proceso de refinerías y
plantas petroquímicas
•
Análisis de los mecanismos de transferencia de calor por radiación y
convección para el diseño de hornos de procesos
•
Desarrollo del cálculo para el pre-dimensionamiento de un horno cilíndrico
vertical de aceite caliente de 43.39 MMBTU/hr de calor absorbido
•
Simulación por HTRI – Xfh de un horno cilíndrico vertical de aceite caliente
de 43.39 MMBTU/hr de calor absorbido
•
Estudio y organización de hojas de datos típicas para la especificación de un
horno de refinería
•
Estudio, revisión y comprensión de la norma API STD. 560 para hornos de
refinería
•
Realización de una base de datos de hornos de refinería de proyectos en los
que ha participado Inelectra
CAPÍTULO 4. FUNDAMENTOS TEÓRICO
4. 1 Hornos de refinería
Un horno se define como un recinto cerrado dentro del cual se transfiere calor a
cualquier tipo de cuerpo y/o sustancia. Los mismos presentan diferentes formas y
modos de transferencia de calor de acuerdo a la sustancia o material al cual se le
suministra calor y al servicio que presta.
Los hornos de refinería, también llamados calentadores de fuego directo (Fired
Heaters)
son equipos en los cuales se suministra calor a un fluido de proceso
principalmente mediante radiación y por convección a partir de la circulación los
gases calientes productos de la combustión de un combustible en el interior del
horno. El proceso de transferencia de calor por radiación se lleva a cabo dentro de la
cámara de combustión donde el conjunto de tubos que contienen el fluido de proceso
se pueden encontrar dispuestos de diferentes maneras (vertical, horizontal, etc.),
mientras la transferencia de calor por convección tiene lugar en el banco de
convección donde generalmente las filas de tubos se encuentran dispuestas de
forma horizontal y escalonada.
La transferencia de calor dentro de un horno se calcula a través de la ecuación
de balance de energía:
Qsu min istrado = Qabsorbido + Q perdido
(1)
13
Figura 4. 1 Balance de energía en un horno
Como se observa en la Figura 4. 1 las pérdidas de energía se producen a través
de las paredes del horno y por medio de los gases liberados a través de la chimenea
cuyo calor no es aprovechado. A medida que la diferencia entre le calor suministrado
y el calor absorbido sea menor el proceso es más eficiente.
En los hornos de refinería el fluido de proceso circula en sentido opuesto al flujo
de los gases de combustión, es decir, el fluido pasa en primer lugar por la sección de
convección y sigue su camino hacia la sección de radiación por donde sale del
horno, mientras los gases de combustión van en sentido opuesto y son liberados por
la chimenea. A medida que la temperatura de los gases de escape sea menor se
aprovecha mayor cantidad de energía y el proceso es más eficiente.
Dentro de las refinerías y plantas petroquímicas se lleva a cabo un proceso de
mejoramiento del crudo por medio de un conjunto de unidades de procesos que
operan a diferentes condiciones (temperatura, presión, flujo, calor, etc.). Dentro de
estos procesos uno de los equipos fundamentales es el horno de fuego directo que
de acuerdo a su condición de diseño eleva la temperatura del fluido a un valor
específico. El control de la temperatura del crudo (fluido de proceso) es muy
14
importante para las diferentes etapas de transformación en cada una de las
unidades.
Los hornos de refinería pueden presentar problemas debido a cambios en sus
condiciones de operación: sobrecalentamiento de los tubos (se produce cuando la
carga de fluido de proceso es muy baja en comparación con la energía
suministrada), acumulación de coque producto de la descomposición del crudo en el
interior de los tubos lo que afecta la transferencia de calor, el paso de fluido y
disminuye el tiempo de vida de los tubos (se produce cuando la carga de fluido de
proceso es muy alta con respecto a la energía suministrada), entre otros factores que
impactan en los límites de funcionamiento del equipo.
4. 2 Desarrollo de los hornos de refinería
Para llegar al diseño actual de los hornos de refinería se paso por diferentes
configuraciones que fueron variando con el fin de hacer el proceso lo más eficiente
posible. A continuación se mencionan algunas de las configuraciones utilizadas:
•
En primer lugar los hornos de refinería se inspiraron en las calderas
cilíndricas horizontales de destilación pero se producía una mala transmisión de
calor y una acumulación excesiva de coque lo que reducía la vida útil de los
componentes del equipo.
•
Luego se instalaron tubos de humo lo que aumentó la capacidad y la
operación de los mismos, pero eran de funcionamiento discontinuo requiriendo
de mantenimiento y limpieza luego de cada carga de crudo. La operación
continua solo se podía lograr a través de la utilización de una serie de hornos
con una diferencia de temperatura relativamente baja requiriendo de gran
espacio para la instalación.
15
•
Con la implementación de hornos acuatubulares, donde el crudo circula a
través de un serpentín, se obtuvo gran éxito. Con dicha modificación se permite
trabajar con mayores presiones y altas temperaturas.
•
Los
anteriores hornos
se
fueron
desarrollando hasta llegar a la
implementación de una zona de convección que permite un mayor
aprovechamiento de los gases calientes producto de la combustión y un
calentamiento más progresivo del crudo evitando de esta manera la producción
excesiva de coque que pueda obstruir los tubos. Entre estas dos secciones
existe una pantalla de radiación o escudo constituida por unos tubos desnudos
colocados antes de la zona de convección y que reciben calor tanto por
radiación como por convección, permitiendo de esta manera que el efecto de la
llama se concentre en la sección de radiación.
4. 3 Función de los hornos en las refinerías
En las refinerías existen unidades de proceso que operan bajo ciertas
especificaciones y condiciones de temperatura, presión, flujo, entre otras. El horno es
uno de los equipos que hace posible al cumplimiento de estas especificaciones
mediante el calentamiento del fluido a determinadas condiciones de presión,
permitiendo llevar a cabo el proceso de mejoramiento y transformación en las
diferentes unidades.
Al clasificar los hornos de acuerdo a su función se distinguen dos categorías:
hornos de procesos y hornos de pirólisis.
Los hornos de procesos calientan el fluido sin producir cambio de fase o con
vaporización parcial, para que sea utilizado o aprovechado en equipos que se
encuentran aguas abajo del horno como es el caso de las columnas de destilación
atmosféricas o de vacío.
16
Los hornos de pirólisis proveen calor con la finalidad de que se lleve a cabo una
reacción química dentro de los tubos del horno, operan a muy altas temperaturas
contemplando muchas consideraciones especiales.
4. 4 Secciones de transferencia de calor de un horno
Los hornos se dividen normalmente en cuatro secciones: sección de radiación,
sección de pantalla o escudo, sección de convección y chimenea. En general cuando
se habla de las secciones de transferencia de calor de un horno de refinería se
refiere a las zonas donde ocurre un intercambio de calor entre el fluido de proceso y
los gases de combustión, a partir de esta premisa se habla de tres secciones:
radiación, escudo y convección.
4.4. 1 Sección de radiación
En esta zona del horno los tubos se encuentran en presencia de la llama, razón
por la cual la transmisión de calor se da aproximadamente en un 80% por radiación y
un 20% por convección debido a la circulación de gases calientes a través de los
tubos. En la zona de radiación de los hornos actuales se acostumbra a colocar desde
una sola fila de tubos hasta máximo tres, debido al efecto de pantalla que se puede
producir entre cada una de las filas.
4.4. 2 Sección de pantalla de radiación o escudo
Conformada por las primeras filas de tubos de la sección de convección donde
la absorción de calor se da por radiación y convección aproximadamente en la
misma proporción. Los tubos de esta sección no presentan superficie extendida
(aletas), es decir, al igual que en la sección de radiación son tubos desnudos.
17
4.4. 3 Sección de convección
Los tubos de esta zona se encuentran fuera del alcance del efecto de la llama y
presentan superficies extendidas (aletas o agujas). La transferencia de calor es
esencialmente por convección a partir de los gases calientes productos de la
combustión. El haz de tubos se coloca paralela o perpendicularmente a la dirección
de los gases de combustión, con el fin de obtener una mayor velocidad y de esta
manera aumentar el coeficiente de transferencia de calor por convección.
4.4. 4 Chimenea
Representa el ducto de salida de los gases de combustión del horno a la
atmósfera y proporciona el tiro necesario para la circulación de los gases en el horno,
además de disminuir la temperatura de los gases de combustión hasta valores
seguros.
En la Figura 4. 2 se observan de manera esquemática las secciones de
transferencia de calor de un horno.
Figura 4. 2 Secciones de transferencia de calor de un horno de refinería
18
Aunque no es muy usual, es posible encontrar hornos sin sección de
convección. Estos hornos tienen una baja eficiencia y los gases de combustión que
salen por la chimenea tienen altas temperaturas. La función de la sección de
convección es precalentar el fluido y mediante el intercambio de calor disminuir la
temperatura de los gases de combustión aumentando el aprovechamiento de energía
y por ende mejorando la eficiencia.
Cabe destacar que los gases de combustión antes de ser liberados a la
atmósfera pueden ser utilizados para otros procesos como es el caso de líneas de
vapor o para precalentar el aire de combustión, siempre que su temperatura lo
permita y no se alcance el punto de rocío de los gases.
4. 5 Clasificación de hornos
Los hornos se pueden clasificar de acuerdo a diferentes parámetros como:
configuración estructural, configuración o arreglo del serpentín de tubos de la sección
de radiación, forma o arreglo de los quemadores, servicio.
De acuerdo a la configuración estructural se distinguen: hornos cilíndricos, y de
cabina, con al posibilidad de múltiples celdas.
De acuerdo a la configuración del serpentín de tubos en la sección de radiación
se encuentran: vertical, horizontal, helicoidal y en arco.
De acuerdo al arreglo o ubicación de los quemadores: quemador de techo
(Upfired), quemador de piso (Downfired), y quemador lateral o de pared (Wallfired).
Por otra parte también se pueden encontrar de múltiple quemadores.
Algunos de los tipos de hornos con diferentes configuraciones se muestran a
continuación:
19
Figura 4. 3 Diferentes configuraciones de hornos [2]
Como se observa en la Figura 4. 3, los diferentes arreglos de los hornos en
cuanto a geometría y orientación de los tubos pueden ser combinados de acuerdo a
lo requerido en el proceso. El esquema del horno cilíndrico con serpentín helicoidal
es el único que no presenta zona convectiva. También se observan hornos con dos
celdas de combustión.
20
4.5. 1 Características generales de hornos cilíndricos y de cabina
Los hornos cilíndricos consisten en un casco en forma de cilindro vertical con
piso aislado, techo generalmente plano y quemadores situados en el suelo. Pueden
presentar una o dos celdas de combustión.
Los hornos de cabina consisten en un conjunto de cuatro paredes encerradas
sobre un piso aislado, con techo plano o con cierta inclinación. Los tubos de sección
de radiación se encuentran en las paredes y un número de los mismos puede
ubicarse en el techo de la celda de combustión.
Los hornos de sección transversal cilíndrica se caracterizan porque la
configuración de los tubos de la zona de radiación es vertical alrededor de las
paredes de la cámara de combustión aunque presentan la variante del arreglo
helicoidal. Por su parte en los hornos de cabina los tubos se pueden disponer de
manera horizontal o vertical en las paredes laterales de la cámara, además de
presentar la opción del arreglo en arco. Para ambos hornos se mantienen las
secciones básicas de un horno: sección de radiación, escudo, sección de convección
y chimenea.
Entre las ventajas de un horno cilíndrico se puede mencionar:
•
Costos bajos
•
Requieren un área mínima para su instalación
•
Transfiere mayor cantidad de calor requiriendo un área pequeña
•
Se pueden ordenar un mayor número de pasos paralelos en la zona de
radiación
•
La velocidad de los gases en la zona de convección es más alta que en la
zona de radiación, permitiendo que el coeficiente de transferencia de calor por
convección sea alto
•
Presenta un tiro natural mayor y tiene una celda de combustión más alta
21
•
Requiere un menor número de soportes de tuberías para la zona de
convección
•
No requiere sopladores de hollín cuando utiliza combustible gaseoso y
menor cantidad cuando el combustible es líquido
•
Presenta la opción del serpentín helicoidal (un solo paso)
•
La cámara de precalentamiento de aire es más pequeña
•
La cámara anti-ruido es más pequeña
Por su parte los hornos de cabina presentan las siguientes ventajas:
•
Son más eficientes que los hornos cilíndricos
•
Se pueden colocar dos o más cámaras de combustión
•
Se pueden colocar quemadores laterales, centrales, frontales, de multi-nivel
•
El serpentín puede ser drenado siempre
•
Los problemas productos por la existencia de flujo bifásico son menos
severos. Se evita el flujo tipo tapón
•
Para horno de mayor capacidad( > 10
MMBTU
) la inversión monetaria es
hr
menor que para hornos cilíndricos
4.5. 2 Configuración de los tubos de la sección de radiación
El serpentín vertical se puede utilizar tanto para hornos cilíndricos (más
frecuente) como para hornos de cabina. Se ubican a lo largo de las paredes de la
cámara de combustión, en el caso de hornos de cabina se ubican en las paredes
laterales. Este serpentín no es autodrenable y requiere períodos excesivamente
largos para su limpieza. Cuando el quemador se encuentra en el piso de la cámara
presenta altas fluctuaciones en la velocidad de transferencia de calor debido a que la
zona de radiación más intensa se ubica en la parte media baja de los tubos que está
alejada de los extremos de los mismos, una opción utilizada es colocar quemadores
laterales a lo largo de las paredes de la cámara de combustión. Por otra parte la
22
circulación del fluido es un poco más difícil debido a al recorrido ascendente –
descendente que debe realizar.
El serpentín horizontal se utiliza solo para hornos de cabina. Se ubican en las
paredes laterales y además pueden colocarse en el techo de la cámara de
combustión. Su exposición a la llama es perpendicular. Este serpentín es más fácil
de limpiar que los verticales.
El serpentín helicoidal se utiliza solo en hornos cilíndricos y se coloca alrededor
de las paredes de la cámara o celda de combustión. Dicho serpentín es autodrenable
y el fluido sigue un solo trayecto. Cuando se utiliza esta configuración el horno no
presenta sección de convección.
El serpentín en arco se utiliza para hornos de cabina y los tubos de encuentran
colocados en forma de “U” o de “U” invertida dentro de la sección de radiación y
están conectados a un múltiple de entrada y uno de salida del fluido ubicados en la
parte inferior o superior de la celda. Esta configuración permite colocar los
quemadores en el piso o en las partes más elevadas de la cámara de combustión,
además permite separar varios serpentines por paredes divisorias.
4.5. 3 Arreglo o ubicación de los quemadores
Los quemadores se pueden ubicar en diferentes partes de la cámara o celda de
combustión.
Los quemadores de piso son los más utilizados sobre todo para los hornos de
procesos. Los quemadores de techo se utilizan generalmente para hornos que
trabajan con catalizadores. Los quemadores de pared son utilizados para hornos de
pirolisis, se clasifican a su vez en quemadores de pared lateral (sidewall),
quemadores de pared de fondo (endwall) y quemadores de multinivel (multilevel).
23
Estos últimos se utilizan cuando el proceso requiere que se mantenga cierto perfil de
temperatura o es necesario un calentamiento gradual.
4.5. 4 Hornos de acuerdo al servicio
A continuación se describen brevemente algunos de los servicios que pueden
prestar los hornos en una refinería:
Horno de crudo atmosférico (Atmospheric crude heaters)
Es utilizado para incrementar la temperatura del crudo desalado antes de entre
en la columna de destilación atmosférica, favoreciendo la vaporización de las
fracciones livianas lo que permite la correcta destilación atmosférica.
Horno de crudo vacío (Reduced-crude vacuum heaters)
Se utilizan para incrementar la temperatura del residuo atmosférico hasta
alcanzar la temperatura de la columna de vacío
Horno de Bitumen (Diluted Bitumen)
Tiene como finalidad aumentar la temperatura de los bitúmenes con el fin de
disminuir su viscosidad para determinados procesos o para permitir el bombeo del
mismo a lugares distantes.
Recalentador o rehervidor (Reboilers)
Su función es evaporar parcialmente el volumen de la carga extraída de la
columna de destilación, generalmente más del 50%. La eficiencia de los rehervidores
se puede aumentar mediante la inyección de gas burbujeante al fluido de proceso lo
que permite incrementar la separación de las fases líquida y gaseosa.
24
Horno de aceite caliente (Circulating-oil heaters)
Por medio de estos hornos se aumenta la temperatura del aceite disminuyendo
su viscosidad para
ser transportado o para un determinado proceso. No ocurre
cambio de fase del aceite en el interior del equipo.
Horno reformador catalítico (Catalytic-reformer charge)
Se llevan a cabo reacciones químicas en el interior de los tubos en presencia de
catalizadores.
Horno de decoquificación retardada (Delayed coker heaters)
Permite alcanzar la temperatura adecuada para la realización del craqueo
térmico requerido para el proceso de coquificación.
Horno calentador de cambio de viscosidad (Visbreaker heaters – heating
section)
Su finalidad es incrementar la temperatura del fluido con el fin de disminuir la
viscosidad del mismo. Los fluidos mantienen su estado líquido.
Horno de cambio de viscosidad con sección de mojado (Visbreaker
heaters – soaking section)
En estos equipos luego de calentar el fluido se realiza el craqueo en la sección
de mojado por un tiempo específico de residencia bajo condiciones apropiadas de
presión y temperatura. Se emplea para aumentar la producción neta del destilado de
la refinería y reducir el volumen de fuel-oil pesado producido mediante la reducción
de viscosidad.
25
Horno de desasfalto del propano (Propane deasphalting heaters)
Cumple con la función de minimizar los residuos en la producción de
combustible mediante un proceso de separación. El proceso se basa en que los
maltenes son más solubles en solventes parafínicos ligeros que en productos de
asfalto.
Horno de hidrocraqueo (Hydrocracker charge heaters)
Su función es llevar a cabo el proceso de craqueo (ruptura cadena de
hidrocarburo en otras más pequeñas) en el interior del horno, disminuyendo de esta
manera el peso molecular del producto. Para el proceso el horno se alimenta con
hidrocarburo líquido e hidrógeno.
4. 6 Elementos principales que conforman un horno de refinería
Los hornos de refinería cuentan con un conjunto de elementos que hacen
posible el cumplimiento de sus funciones y determinan su diseño. Los elementos o
partes principales que conforman a un horno de refinería son: el serpentín, los
quemadores y la chimenea.
4.6. 1 El serpentín
Representa el conjunto de tubos por cuyo interior circula el fluido mientras
ocurre la transferencia de calor con los gases de combustión ya sea por radiación y/o
convección según su ubicación en el interior del horno. Está formado por un conjunto
de tubos conectados en serie mediante diferentes métodos, siendo los más
conocidos:
26
•
Curvas de retorno
•
Cabezales de clavijas
Mediante el método de curvas de retorno se conectan los extremos de los tubos
mediante curvas de 180°, que pueden ser de material forjado o material fundido, que
son soldadas sobre la parte final de los tubos. Estas curvas de retorno funcionan
además como superficies de transferencia de calor.
Por su parte los cabezales de clavija están constituidos por material fundido y se
ubican en el exterior de la zona de transferencia de calor debido a que no soportan
las temperaturas a las que están sometidos los tubos.
El serpentín es el componente más importante al momento de la instalación del
horno y el de mayor costo. En la selección del tipo y material de los tubos a utilizar
intervienen los siguientes factores:
•
Temperatura
•
Ambiente dentro del equipo
•
Vida útil
•
Costo
La temperatura de la superficie del tubo es siempre superior pero muy cercana
a la temperatura del fluido que circula por su interior.
La diferencia de temperatura entre el fluido y la superficie del tubo aumenta
cuando ciertas sustancias indeseables (coque, lodo, entre otras) se depositan en los
mismos. Este ensuciamiento produce una degradación en el funcionamiento del
equipo de aproximadamente un 80%, lo que a su vez puede ocasionar falla o
suspensión total de la operación.
27
La determinación de la temperatura en la superficie de los tubos es importante
al momento de seleccionar el material ya que cada uno tiene su temperatura máxima
a la cual falla. Al alcanzar o sobrepasar las temperaturas máximas se puede producir
una estrangulación de alto riesgo en el serpentín, por lo tanto debe tener, en caliente,
características mecánicas suficientes. En la Tabla 4. 1 se muestran los materiales
recomendados por la norma API STD. 560 para la fabricación de serpentines con sus
temperaturas máximas de diseño.
Tabla 4. 1 Materiales utilizados para la fabricación de serpentines de hornos de
refinería [2]
Material
Especificación
Acero al carbono
Carbono - (1/2)Mo
(1 1/4)Cr - (1/2)Mo
(2 1/4)Cr - (1)Mo
(3)Cr - (1)Mo
(5)Cr - (1/2)Mo
(5)Cr - (1/2)Mo - Si
(7)Cr - (1/2)Mo
(9)Cr - (1)Mo
(9)Cr - (1)Mo - V
A53, A106, Gr B
A 335 Gr P1
A335, Gr P11
A 335, Gr P22
A 335, Gr P21
A 335, Gr P5
A 335, Gr PS5b
A 335, Gr P7
A 335, Gr P9
A 335, Gr P91
A 312, A 376, TP 304 and TP 304H
and TP 304L
A 312, A 376, TP 316 and TP 316H
and TP 316L
A 312, TP 317 and TP 317L
A 312, A 376, TP 321 and TP 321H
A 312, A 376, TP 347 and TP 347H
B 407
A 608, Gr HK40
(18)Cr - (8)Ni
(16)Cr - (12)Ni - (2)Mo
(18)Cr - (13)Ni - (3)Mo
(18)Cr - (10)Ni - Ti
(18)Cr - (10)Ni - Cb
Aleación 800H/HT
(25)Cr - (20)Ni
Temperatura límite de Diseño
[°F]
1000
1100
1100
1200
1150
1200
1250
1300
1300
1350
1500
1500
1600
1500
1500
1800
1850
El ambiente dentro del equipo determina el medio en el cual opera el serpentín.
Dentro de los hornos el ambiente es corrosivo y oxidante lo que influye notablemente
en el tiempo de vida de las tuberías. Por esta razón es importante que los materiales
del serpentín sean resistentes a la corrosión. Los gases de combustión tienden a
producir oxidación en la superficie de los tubos, y por otra parte el fluido caliente que
28
pasa por el interior de los tubos puede provocar corrosión. Existen diferentes tipos de
corrosión para las cuales se debe elegir un determinado material.
El tiempo de vida del serpentín esta ligado con los procesos particulares de
calentamiento, pero en general depende de los lineamientos de mantenimiento. Es
muy importante además tomar en cuenta el tiempo y el modo de reparación o de
reemplazo de los tubos en caso de dañarse irremediablemente.
El factor de mayor importancia en la selección del serpentín es el costo. De allí
que se elija el que cumpla con los requerimientos básicos de funcionamiento del
horno.
En la fabricación de los tubos del serpentín el material más empleado es el
acero al carbono debido a su costo moderado, buen rendimiento y facilidad de
soldadura, aunque su uso está limitado para ambientes de baja corrosión y
oxidación.
Cuando existen elevadas temperaturas se recomienda utilizar aleaciones de
acero que contengan molibdeno (le da mayor resistencia), cromo (reduce la
producción de grafito y da mayor resistencia a la oxidación) y/o silicio (proporciona
resistencia a la oxidación). Por su parte las aleaciones que contienen hierro, cromo y
níquel son utilizadas en ambientes altamente corrosivos y que pueden producir
oxidación.
Por otra parte también se utilizan materiales vaciados centrífugamente como es
el caso del (25)Cr – (25)Ni cuyo principal uso es en la fabricación de tuberías de
hornos de vapor de hidrocarburos procesados, como se puede observar en la Tabla
4. 1, es el material que presenta una mayor temperatura máxima de diseño.
Los tubos que se encuentran en la sección de convección presentan un
incremento en la superficie con el fin de aumentar el área de transferencia de calor lo
29
que permite un mayor aprovechamiento de la energía térmica presente en los gases
de combustión. El tipo de superficie extendida más utilizada son las aletas aunque
también se utilizan las agujas o tachuelas, ver Figura 4. 4.
La metalurgia de las aletas debe ser adecuada para el nivel de temperatura que
debe soportar, nunca se instalan aletas en los tubos de la sección de radiación. Cabe
destacar que para ciertos casos es indeseable el uso de aletas debido a que las
mismas actúan como acumuladores o depósitos de partículas indeseables como es
el caso de las cenizas.
Figura 4. 4 Tipos de superficies extendidas más comunes
Las aletas al igual que las agujas pueden ser fabricadas de diferentes
materiales de acuerdo a las condiciones a las que se encuentra sometido el
serpentín, en la Tabla 4. 2 se muestran los materiales utilizados en la construcción
de aletas.
30
Tabla 4. 2 Materiales más utilizados para la construcción de aletas [2]
Materiales de aletas
Temperatura máxima la punta de la aleta
[°F]
Acero al carbono
850
(2 1/4)Cr - (1)Mo
1100
(5)Cr - (1/2)Mo
1100
(11) - (13)Cr
1100
(18)Cr - (8)Ni
1500
(25)Cr - (20)Ni
1800
Algunos de los métodos utilizados en la construcción de aletas son: espiral en
tensión, tensión en el codo, incrustadas, extruídas o integrales, soldadas y
calentadas [3]. Cada una de ellas se diferencia en la manera en que la superficie
extendida se une a la superficie de los tubos.
•
Las aletas en espiral de tensión (Edge Wound or Edge Tension) es el
método de menor costo y consiste en una tira delgada de metal en
espiral colocada por tensión alrededor de la superficie del tubo. La aleta
debe estar sujetada en cada extremo para evitar que el espiral se suelte.
•
Las aletas por tensión en el codo (L-Footed or Shoulder Tension) son las
más comunes, la base de las aletas presentan un codo en “L” lo que
permite mantener el espaciamiento y proporciona protección contra la
corrosión. Presentan una variación llamada tensión con doble pie
(Overlapped L-Footed) donde las bases de las aletas se encuentran
superpuestas dando una mayor protección a la superficie del tubo.
•
Las aletas incrustadas (Embedded Fin, Edge Grooved, or Shoulder
Grooved) se llevan a cabo mediante el desarrollo de canales helicoidales
en la superficie del tubo cuya profundidad debe ser la mitad del grosor de
la aleta donde luego son presionadas.
31
•
Las aletas integrales o extruídas (Extruded Fins) son mecanizadas en un
tubo y luego este último se coloca arropando (se une por mecanizado) la
superficie del tubo a través del cual circula el fluido. Proporciona una
buena protección contra a corrosión.
En la Figura 4. 5 se muestran esquemas de los algunos tipos o métodos de
construcción de las aletas.
Figura 4. 5 Tipos de construcción de aletas
Las dimensiones de las aletas (alto, ancho y densidad) se establecen de
acuerdo a determinadas condiciones. La norma API STD. 560 establece restricciones
o dimensiones límite de acuerdo al combustible utilizado, en la Tabla 4. 3 se
presentan las restricciones en cuanto a las dimensiones.
32
Tabla 4. 3 Dimensiones límites para las aletas [2]
Espesor
Combustible
mínimo [in]
Altura
Máxima
máxima
densidad
[in]
[aleta/in]
Gas
0,05
1
5
Fuel – oil
0,10
0,75
3
Por otra parte las dimensiones de las agujas también presentan ciertas
restricciones por parte de la norma API STD. 560 y se muestran en la Tabla 4. 4 a
continuación.
Tabla 4. 4 Dimensiones límites para las agujas [2]
Combustible
Diámetro
mínimo [in]
Altura
máxima
[in]
Gas
0,5
1
Fuel – oil
0,5
1
A diferencia de las aletas, las dimensiones de las agujas no se ven afectadas
por el tipo de combustible utilizado por el horno.
4.6. 2 Los quemadores
Se encargan de la preparación final del combustible y su quemado. La
preparación del combustible consiste en mezclarlo, en cierta proporción, con aire
para luego atomizarlo y vaporizarlo para que de esta manera se lleve a cabo la
combustión.
Son equipos construidos en metal refractario para un rango determinado de
cantidades de aire y combustible, que al mezclarlos de la forma más homogénea
posible permite el quemado del combustible mediante procesos exotérmicos
33
estables. Deben mantener la llama estable y eficiente para amplios rangos de
operaciones.
Representa la principal fuente de energía para el movimiento de los gases en el
horno dando calor de manera uniforme al fluido que va por los tubos y manteniendo
un perfil de temperatura estable en el interior del horno.
Los quemadores se pueden ubicar en diferentes partes o zonas de la cámara de
combustión del horno dependiendo del servicio o configuración del equipo. Como se
mencionó anteriormente se pueden encontrar quemadores de piso, de techo y
laterales o de pared. En la Figura 4. 6 se muestran esquemas de quemadores con
diferentes ubicaciones:
Figura 4. 6 Diferentes ubicaciones de quemadores [2]
34
Los quemadores se clasifican de acuerdo al combustible que utilizan y a la
forma en que son alimentados de aire.
Los quemadores en general son fabricados para trabajar con un determinado
tipo de combustible, ya sea gas o combustible líquido, pero también se pueden
encontrar para trabajar con cualquiera de los tipos de combustible. El combustible
líquido necesita ser pulverizado para que se mezcle efectivamente con el aire, dicha
pulverización se logra mecánicamente o mediante el uso de vapor.
Pueden presentar múltiples entradas de aire permitiendo que la mezcla del
combustible con el aire se lleve por etapas, de allí que se hable de aire principal, aire
secundario, y aire terciario. A partir de lo anterior se tienen quemadores de
premezcla y sin premezcla.
La alimentación del combustible también se puede realizar por etapas. Las
diferentes configuraciones o características de los quemadores tienen como finalidad
controlar la llama (tamaño, forma, dirección, intensidad) de acuerdo a lo requerido.
Para la entrada del aire a los quemadores se aprovecha el tiro del horno (tiro
natural), aunque en ocasiones el mismo se introduce por tiro forzado con el cual se
obtiene una mejor y más controlada combustión.
En los quemadores de premezcla el aire de combustión se mezcla con el
combustible antes de que éste llegue al extremo del quemador. Con la premezcla se
obtiene una combustión más rápida, pero no se pueden utilizar para combustibles
donde la velocidad de propagación de la llama es elevada como es el caso del gas
rico en hidrógeno. Por su parte los quemadores sin premezcla proporcionan una
llama por difusión debido a que el aire entra paralelamente con el combustible y se
van mezclando lentamente. La llama es más larga y luminosa que para los
quemadores con premezcla [4].
35
La operación de cualquier sistema de combustión será más eficiente a medida
que se utiliza un mayor número de quemadores pequeños, en lugar de pocos de
mayor tamaño. Lo anterior se debe a que la capacidad para dispersar calor a través
del horno es proporcional al número de quemadores.
4.6.2. 1 La combustión
En los hornos, la combustión representa el mecanismo generador de la energía
necesaria para producir el calor que se transfiere al fluido de proceso, por lo que
influye en su diseño, operación y selección.
Es un proceso donde ocurre una oxidación que consiste en la unión del oxígeno
y un material combustible. La reacción química es de gran rapidez, altamente
exotérmica y genera gran cantidad de calor y luz.
Generalmente el material combustible es un hidrocarburo y el oxígeno es
tomado del aire. La combustión completa ocurre cuando existe suficiente oxígeno
para convertir todo el carbono en dióxido de carbono (CO2) y todo el hidrógeno en
agua. Las reacciones de combustión se pueden representar por una ecuación
química donde se muestra un balance estequiométrico a partir del cual se determina
la cantidad de oxígeno requerido por el combustible. Cabe destacar que el aire
también presenta en su composición nitrógeno, argón, entre otros elementos que
aunque son pocos reactivos y se desprecian al momento de realizar el balance
químico de la reacción pueden formar óxidos.
Los combustibles más utilizados en los hornos de refinería son: gases (gas
natural, gas de refinería proveniente de otras operaciones), líquidos (destilados,
residuos de destilación, fuel - oil). Los combustibles mencionados son mezclas de
hidrocarburos y generalmente contienen impurezas. El gas natural es ideal para ser
quemado en hornos porque no produce ceniza, se mezcla fácilmente con e oxígeno,
requiere poco exceso de aire y responde rápidamente a las variaciones de carga.
36
Cuando la cantidad de oxígeno es menor a la requerida o el combustible no
reacciona o reacciona parcialmente con el oxígeno se produce lo que se conoce
como combustión incompleta. Entre los factores que ocasionan este fenómeno se
pueden mencionar: insuficiencia de oxígeno, mezcla imperfecta entre el combustible
y el oxígeno, y temperaturas bajas que impiden que se mantenga la combustión.
Para evitar el fenómeno anterior y asegurar una combustión completa se
suministra aire en exceso que representa un porcentaje del aire teórico requerido. La
presencia de aire en exceso permite que en el proceso de combustión se toleren
excesos de combustible y por ende un aumento de la capacidad de los quemadores.
La determinación o control del exceso de aire es de gran importancia ya que el
aire no utilizado en la combustión constituye una pérdida suplementaria debido a que
es calentado a la temperatura de los gases en su paso por el equipo produciendo
una disminución en el rendimiento del horno. Por otra parte, si ocurre una
combustión incompleta debido a la falta de oxígeno, la aparición de monóxido de
carbono (CO) reduce la cantidad de calor desarrollado disminuyendo la eficiencia del
horno en mayor medida que si existe un exceso de aire ligeramente elevado. Por lo
tanto se debe reducir el exceso de aire al mínimo pero sin descender por debajo de
un límite razonable [4].
En la norma API STD. 560 se recomienda que para hornos que operan con tiro
natural el porcentaje de exceso de aire sea del 20% cuando el combustible es gas y
del 25% cuando el combustible es líquido. En el caso de hornos que operan con tiro
forzado los porcentajes de exceso de aire se reducen a 15% con gas y 20% con
combustible líquido, ya que es posible ejercer un mejor control en el flujo de aire.
37
4.6. 3 La chimenea
El diseño de la chimenea es muy importante debido a que proporciona el tiro
necesario al equipo. Interesa que la presión en el interior del horno y en la chimenea
sea menor a la presión en el exterior ya que la dirección de los fluidos es de las
zonas de mayor presión hacia las de menor presión.
En ningún punto del interior del horno debe existir una presión superior a la
atmosférica. En el borde de la chimenea la presión debe ser mayor a la atmosférica
para favorecer la salida de los gases. Su altura y diámetro deben ser calculadas con
el fin de obtener el tiro requerido por el horno.
En la Figura 4. 7 se observa la variación de la presión a lo largo del horno y la
chimenea, donde la presión en el interior del horno siempre es menor a la del medio
ambiente (presión atmosférica) a excepción
de salida de la chimenea donde es
mayor.
Figura 4. 7 Variación del tiro con la altura en el horno [5]
38
La circulación de los gases combustión y la entrada del aire al horno se
consigue de diferentes maneras: tiro natural, tiro inducido, tiro forzado.
El tiro natural es aquel que se debe al efecto de la chimenea por la diferencia de
presión con el medio ambiente. A mayor altura de a chimenea menor será la presión
de los gases a su salida.
El tiro inducido consiste en la ubicación de un ventilador en el interior del equipo
para la extracción de gases produciendo una presión negativa en la cámara de
combustión induciendo un mayor flujo de aire para la combustión en los quemadores.
El tiro forzado suministra una corriente de aire de combustión forzada creada
por un ventilador bajo presión positiva. Por medio de este tiro se logra remover los
gases de la combustión durante todo el proceso, teniendo en cuenta que en las otras
partes del horno se mantiene la presión negativa producto de la chimenea.
Se pueden encontrar hornos que presentan ambas modalidades, tiro inducido y
tiro forzado, como es el caso de los equipados con precalentadores de aire.
En general las chimeneas se construyen de acero al carbono y pueden llevar
recubrimiento de acuerdo a la temperatura de los gases que pasan a través de ella.
En muchas ocasiones se encuentra en su base un registro (construido de acero
resistente a las altas temperaturas) que permite regular el tiro.
Existe la posibilidad de utilizar una chimenea común para varios hornos y la
misma alcanza grandes alturas y se construye generalmente de hormigón.
Una de las funciones de la chimenea es disminuir la temperatura de los gases
de combustión antes de ser expulsados a la atmósfera y a una determinada altura
debido a las normas de seguridad y exigencias impuestas para evitar contaminación
ambiental. Es importante que la pared de la chimenea se encuentre siempre por
39
encima de la temperatura de rocío de los gases de salida. Dentro de instalaciones
muy apretadas las chimeneas de los hornos deben ser más elevadas que los
equipos cercanos.
4. 7 Materiales empleados en la construcción de hornos
En la selección de los materiales que componen el horno influyen las
condiciones ambientales, los factores estructurales y las condiciones del proceso. La
determinación y estudio de estos factores determinarán la utilización de materiales
costosos o no.
4.7. 1 Cubierta
En general la cubierta o pared exterior del horno, incluyendo la cubierta de la
chimenea, se fabrica de placas de acero de un espesor generalmente de 6,35 mm
( 0,25 in ) que son reforzadas para evitar torceduras en la estructura. Las placas se
unen de manera hermética (selladas) generalmente mediante soldadura evitando así
las filtraciones de aire, agua y cualquier otra sustancia en el interior del horno.
4.7. 2 Refractarios
La cubierta o armazón del horno requiere de revestimiento interno con un
material aislante. El asilamiento en un horno es de extrema importancia por un gran
número de razones:
•
Conserva el calor en el interior del horno para que sea absorbido por los
tubos que contienen al fluido de proceso lo que mejora la eficiencia del
equipo
•
Actúa como protector de la cubierta ante la posibilidad de corrosión por
productos de la combustión
40
•
Impide el calentamiento de la pared externa del horno lo que permite
mantener seguro al personal que recorre zonas cercanas, además de no
afectar equipos que se encuentran alrededor
•
El mantenimiento de la temperatura de la cubierta externa también se
traduce en una mayor estabilidad de la estructura del equipo
Además de representar una protección térmica los refractarios también permiten
que las radiaciones térmicas que los inciden sean reflejadas e incidan sobre los
tubos que transportan el fluido de proceso, manteniendo una temperatura
suficientemente alta dentro del horno e incrementando la eficiencia.
La norma API STD. 560 establece que la temperatura en la cubierta del horno
no debe ser superior a 82°C ( 180° F ) cuando la temperatura ambiente es de 27°C
( 80° F ) y en ausencia de viento. Por su parte la temperatura del piso no debe
exceder 91°C (195° F ).
Entre los materiales refractarios utilizados se pueden mencionar: refractario
aplicado por vaciado o proyectado, ladrillos refractarios aislantes y fibras cerámicas.
4.7.2. 1 Refractarios aplicados por vaciado o proyectado
Los refractarios aplicados por vaciado o proyectado consisten en una mezcla de
lumina, haydita y vermiculita en determinadas proporciones volumétricas. La mezcla
de estos componentes es de bajo costo y con un coeficiente de expansión bajo lo
que permite que sea aplicado en áreas apreciables sin necesidad del uso de juntas
de expansión. La temperatura máxima de servicio de este refractario es de 1038°C
( 1900° F ). El espesor mínimo de la capa con la cara caliente es de 75 mm. ( 2,95 in ) y
el máximo espesor recomendado es de 200 mm. ( 8 in. ). Las refractarios de este tipo
más utilizados son LHV 1:2:4 (más denso) y LHV 1:0:6 (menos denso), donde los
números que siguen a las siglas LHV determinan la proporción volumétrica de la
mezcla de los componentes.
41
El refractario es sujetado de la superficie de la cubierta o de otra capa de
refractario por medio de anclajes. La profundidad de dichos anclajes no debe ser
menos del 70% del espesor de una capa y para el caso de la cara caliente la
penetración no debe ser menos a 13 mm. ( 0,5 in. ), y el espaciamiento entre los
anclajes no debe ser mayor a tres veces el espesor de la capa de refractario sin
excederse de 300 mm. ( 12 in. ) [2].
Los ajustes hidráulicos (secado) de estos refractarios, en particular los de
densidad media o baja, son susceptibles a desarrollar hidrólisis alcalina
(carbonización) cuando son colocados en ambientes de altas temperaturas y/o alta
humedad. Este fenómeno produce perdidas en el espesor del refractario de 10 mm. o
menos. Para reducir esta tendencia se debe aplicar una capa de impermeable
orgánico inmediatamente después de colocar el refractario y realizar una reaplicación
luego de pasadas 24 horas. Por otra parte el uso de un secado forzado por
circulación de aire a baja temperatura para remover un porcentaje de agua mecánica
antes de la aplicación de la capa de impermeable orgánico reduce en gran medida el
desarrollo de la hidrólisis alcalina. Aunque se realicen los procesos mencionados
anteriormente la posibilidad de aparición del fenómeno no se elimina totalmente [2].
4.7.2. 2 Fibras cerámicas
Las fibras cerámicas son aislantes térmicos cuyo peso es bajo en comparación
con otros materiales y no requiere de periodos de secado ni curamiento. Puede
entrar en operación inmediatamente luego de su instalación. Se colocan en varias
capas donde la capa de la cara caliente es a base de fibra cerámica y varias capas
de material de soporte.
Entre las características de la fibra cerámica se pueden mencionar:
42
•
No combustibles
•
Baja densidad y baja conductividad térmica
•
Poco peso con poca masa térmica
•
Resistencia al choque térmico
•
Flexible y de fácil instalación
•
No contiene componentes orgánicos
•
Se pueden presentar en diferentes formas: manta, tabla, bloques, entre
otros)
Cualquier capa de fibra cerámica debe soportar al menos una temperatura
superior en 260°C ( 500° F ) a la temperatura de servicio [2]. En la Tabla 4. 5 se
observan las condiciones que debe cumplir la capa de la cara caliente de la fibra
cerámica en cuanto a espesor y densidad.
Tabla 4. 5 Características de la capa de la cara caliente para la fibra cerámica [2]
Espesor mínimo
Densidad
[mm] / [in]
[Kg/m ] / [lb/ft ]
Manta
25 / 1
128 / 8
Tabla
38 / 1,5
240 / 15
Bloques
------
96 / 6
Fibra cerámica
3
3
Las fibras cerámicas, a parte de ser más livianas que los otros refractarios o
aislantes, permiten obtener una temperatura de cara fría mucho menor con un
espesor inferior.
Las fibras cerámicas se pueden usar en todas las áreas del horno menos en la
chimenea, ductos y piso. Tampoco debe utilizarse fibra cerámica cuando existe la
posibilidad de presencia de vapor u hollín.
43
4.7.2. 3 Ladrillos refractarios aislantes
Es un refractario constituido por ladrillos porosos con características de aislante
térmico. Se fabrican mediante la combustión de mezclas de aserrín, coque y arcillas
refractarias con alto contenido de alúmina.
Se pueden utilizar en paredes, piso y como capas para caras calientes. Debe
tener juntas de expansión verticales en los finales de pared y en zonas intermedias
que lo requieran. Las temperaturas de servicios a las cuales se pueden someter
estos ladrillos se encuentran en el rango de 870°C −1428°C ( 1600° F − 2600° F ) [2].
Generalmente los ladrillos refractarios son utilizados en los calentadores de
hidrocarburos pesados y en procesos de pirolisis donde las temperaturas son
bastante elevadas.
4. 8 Mecanismos de transferencia de calor
La transferencia de calor es el proceso mediante el cual existe un intercambio
de energía entre dos o más cuerpos o sustancias, determinando así fuentes y
receptores, debido a la diferencia de temperatura entre ellos.
Existen tres formas por las cuales puede ocurrir el fenómeno de intercambio de
energía calórica: conducción, convección y radiación. En aplicaciones de ingeniería
es posible que ocurran simultáneamente dos o las tres formas de transferencia de
calor.
4.8. 1 Conducción
La transferencia de calor por conducción consiste en el paso de calor de una
parte a otra del mismo cuerpo o bien de un cuerpo a otro que están en contacto físico
directo, sin un desplazamiento apreciable de las partículas del cuerpo, debido a un
44
gradiente de temperatura. Este tipo de transferencia de calor está siempre presente
en los gases, líquidos y sólidos en menor o mayor grado donde exista un gradiente
de temperatura.
La ecuación general que define el mecanismo es:
Qconducción =
k⋅A
⋅ (Tint erna − Texterna )
L
(2)
4.8. 2 Convección
La transferencia de calor por convección consiste en el paso de calor desde un
punto a otro de un fluido, líquido o gas, debido a una diferencia de temperatura que a
su vez produce diferencias en la densidad. También abarca el intercambio de calor
entre una superficie de fluido y una sólida.
La convección se puede dar naturalmente o de manera forzada. En la
convección libre o natural el movimiento del fluido se da únicamente por el efecto de
la diferencia de densidad resultado de la diferencia de temperatura. En la convección
forzada el movimiento del fluido se produce por medios mecánicos (bomba,
ventilador).
La ecuación que define el fenómeno es la siguiente:
Qconvección = hconvección ⋅ At ⋅ (Tg − T piel )
(3)
45
4.8. 3 Radiación
La transferencia de calor por radiación es el proceso mediante el cual se lleva a
cabo un intercambio de energía desde una región de alta temperatura a una de baja
temperatura, ambas separadas por un espacio que puede ser el vacío.
El fenómeno se define a partir de la siguiente ecuación:
(
Qradiación = σ ⋅ F ⋅ Acp ⋅ Tg − T piel
4
4
)
(4)
Las tres formas de transferencia de calor descritas se dan con mayor o menor
intensidad dentro de los hornos de refinería. La forma a través de la cual se transfiere
mayor energía o calor al fluido es por radiación, aunque no menos importante es la
transferencia de calor por convección a través de la cual se aprovecha el calor de los
gases de combustión que salen de la cámara de combustión antes de ser liberados
al ambiente. En lo que respecta al paso de calor de los gases de combustión al fluido
de proceso la conducción es despreciable con respecto a las otras formas de
transferencia de calor, pero juega un papel importante en la determinación del
espesor o de las capas de refractario a utilizar para asegurar la temperatura en el
exterior del equipo.
CAPÍTULO 5 GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE HORNOS DE REFINERÍA
5. 1 Objetivos
La guía para el pre-dimensionamiento y especificación de hornos de refinería
plantea el conjunto de pasos a seguir para el cálculo de las características básicas
de un horno de refinería, a partir de la información proveniente de ingeniería básica
de procesos.
Su objeto es permitir al personal del departamento involucrado con la selección
y/o diseño de equipos determinar de manera eficiente las variables involucradas en
la especificación de hornos, disminuyendo el consumo de horas, por medio de la
definición de una serie de pasos y procedimientos a seguir.
El uso de esta guía se limita a la obtención de características preliminares de un
horno de refinería donde el fluido de proceso se encuentra en una sola fase, es decir,
se trabaja con hornos de procesos sin cambio de fase.
Los cálculos realizados se basan en una publicación “How combustión
conditions influence design and operation” de la revista “Chemical Engineering”
(1978) y las estimaciones realizadas se fundamentan en la norma API STD. 560
“Fired Heaters for General Refinery Service” y en información obtenida de la
bibliografía referente al tema.
Se busca establecer los pasos, fórmulas, gráficas y metodologías a utilizar para
el pre-diseño de un horno de refinería a partir de los requerimientos básicos que
debe cumplir el equipo.
47
5. 2 Alcance
La guía permite estimar las características de pre-diseño del horno a partir de
información básica, sin obtener valores definitivos.
Es aplicable en cualquier cálculo donde el fluido de proceso se encuentre en
una sola fase.
El diseño térmico y mecánico del horno definitivo queda de parte del fabricante.
5. 3 Determinación de las características del horno de proceso
En la determinación de las características del horno los cálculos se llevan a
cabo por zonas o secciones. Es importante mantener el sistema de unidades
utilizado en cada uno de los cálculos que se realicen.
5.3. 1 Datos de entrada
Los datos de entrada corresponden a cada una de variables que pertenecen al
proceso en sí o son fijadas por el diseñador o persona que lleva a cabo el cálculo.
Por lo tanto en este ámbito se tienen: variables de proceso y especificaciones de
diseño.
5.3.1. 1 Variables de proceso
Para dar inicio a los cálculos es necesario tener conocimiento de variables
provenientes de Ingeniería de Procesos. Estas variables vienen definidas por el
proceso y determinan ciertas características del equipo.
48
Los datos requeridos son:
•
Calor absorbido
•
Flujo de proceso
•
Temperaturas de entrada y salida del fluido
•
Propiedades del fluido de proceso a las condiciones de entrada y a las
condiciones de salida (densidad, viscosidad, conductividad térmica,
capacidad calorífica)
•
Combustible
•
Poder calorífico inferior o de baja del combustible
•
Porcentaje de exceso de aire
•
Servicio del horno
El combustible va a fijar limitaciones en los que respecta a las características
dimensionales de la superficie extendida de los tubos de la sección de convección,
generalmente aletas. Las dimensiones críticas de las aletas se muestran en la Tabla
4. 3 presentada anteriormente.
A partir del conocimiento del servicio que debe prestar el horno es posible
determinar o establecer la densidad calórica que debe tener el equipo. Los posibles
valores de la densidad calórica se muestran en la Tabla 5. 1 a continuación.
49
Tabla 5. 1 Densidad calórica de la sección de radiación de acuerdo al servicio
del horno
Servicio del horno
Horno de crudo atmosférico
Horno de crudo al vacío
Horno de Bitumen
Recalentador
Horno de aceite caliente
Horno reformador catalítico
Horno de decoquificación retardada
Horno calentador de cambio de viscosidad
Horno secador de cambio de viscosidad
Horno de asfaltado (propano)
Horno de lubricante al vacío
Horno de hidrocraqueo
Horno de hidrotratamiento
Horno de craqueo catalítico
Horno de vapor de sobrecalentamiento
Horno de gasolina
Densidad Calórica promedio
de la sección de radiación
[BTU/hr-ft^2]
12000
10000
12000
12000
11000
12000
11000
10000
7000
9000
8500
10000
10000
11000
13000
12000
Cabe destacar que estos valores promedios son los recomendados de acuerdo
al proceso pero el diseñador o fabricante puede variarlos o fijar el valor según su
criterio.
5.3.1. 2 Especificaciones de diseño
Quedan a potestad de la persona que realiza el cálculo y pueden ser cambiadas
a voluntad, siendo el principal factor de selección la experiencia, sin olvidar las
recomendaciones y consideraciones de las normas relacionadas con los cálculos.
•
Tipo de horno (cilíndrico o de cabina)
•
Número de celdas
•
Configuración de los tubos de la zona de radiación (vertical u horizontal)
•
Diámetro externo de los tubos de radiación, escudo, y convección
•
Número de pasos
•
Número de tubos por celda de la sección de radiación
50
•
Material de los tubos
•
Materiales refractarios empleados
•
Material de la cubierta externa
•
Longitud de los tubos de la caja de convección
•
Número de tubos por fila del banco de convección
•
Número de filas de tubos del escudo
El diámetro externo de los tubos, ya sean de la zona de radiación, escudo o
convección, deben encontrarse entre los valores recomendados por la norma API
STD. 560. Para cada uno de los valores de diámetro externo corresponde un espesor
de tubería y un diámetro nominal (Ver Tabla 5. 2).
Tabla 5. 2 Dimensiones de los tubos a partir de los diámetros recomendados
Dimensiones de los tubos
Diámetro externo
Diámetro Nominal
Espesor de pared
[in]
[in]
[in]
2,375
2,0
0,135
2,875
2,5
0,178
3,500
3,0
0,189
4,000
3,5
0,198
4,500
4,0
0,207
5,563
5,0
0,226
6,625
6,0
0,245
8,625
8,0
0,282
10,750
10,0
0,319
La selección de un diámetro externo determina la distancia que debe existir
entre los tubos del serpentín de cualquier sección del horno, la cual corresponde al
doble del diámetro nominal.
51
Con respecto a los materiales de los tubos, es importante conocer su densidad
y conductividad térmica. Es posible proponer, para efectos de cálculo, el mismo
material de los tubos para las aletas, sin embargo los materiales empleados para la
construcción de aletas se encuentran en la Tabla 4. 2. Los materiales más utilizados
para la construcción de los tubos, con su respectiva densidad y conductividad
térmica, se muestran en la Tabla 5. 3 a continuación.
Tabla 5. 3 Materiales de tubos recomendados por API Std. 560.
Material
Acero al carbono
Carbono - (1/2)Mo
(1 1/4)Cr - (1/2)Mo
(2 1/4)Cr - (1)Mo
(3)Cr - (1)Mo
(5)Cr - (1/2)Mo
(5)Cr - (1/2)Mo - Si
(7)Cr - (1/2)Mo
(9)Cr - (1)Mo
(9)Cr - (1)Mo - V
(18)Cr - (8)Ni
(16)Cr - (12)Ni - (2)Mo
(18)Cr - (13)Ni - (3)Mo
(18)Cr - (10)Ni - Ti
(18)Cr - (10)Ni - Cb
Aleación 800H/HT
(25)Cr - (20)Ni
Especificación
ASTM
Densidad
[lb/ft^3]
A53, A106, Gr B
A 335 Gr P1
A335, Gr P11
A 335, Gr P22
A 335, Gr P21
A 335, Gr P5
A 335, Gr PS5b
A 335, Gr P7
A 335, Gr P9
A 335, Gr P91
A 312, A 376, TP 304 y
TP 304H y TP 304L
A 312, A 376, TP 316 y
TP 316H y TP 316L
A 312, TP 317 y TP
317L
A 312, A 376, TP 321 y
TP 321H
A 312, A 376, TP 347 y
TP 347H
B 407
A 608, Gr HK40
490.31
490.31
490.56
490.56
490.56
490.56
488.31
490.56
490.56
489.19
Conductividad
Térmica
[BTU/hr-ft-°F]
22.65
22.65
19.93
19.93
19.93
19.93
19.24
19.93
19.93
20.97
495.05
19.93
496.93
19.93
496.93
19.93
493.18
19.93
495.05
19.93
495.68
524.39
19.93
19.93
La temperatura máxima que soporta cada uno de los materiales se muestra en
la Tabla 4. 1.
52
El número de filas de tubos del escudo debe ser mayor a 2 para que cumpla con
su función de pantalla. Los tubos de la sección del escudo no presentan superficie
extendida.
El material más utilizado para la cubierta del horno es acero al carbono A36.
5. 4 Cálculos
En la realización de los cálculos se proponen ciertas variables o se estiman a
partir de gráficas obtenidas de manera empírica o de resultados obtenidos y
aceptados a partir de la experiencia.
Las temperaturas tanto del fluido de proceso como de los gases de combustión
a lo largo del horno son estimadas a partir de las siguientes consideraciones:
•
La variación de temperatura del fluido en el banco de convección se
asume como 20°F = 11,11°C .
•
La caída de temperatura de los gases al pasar a través del escudo se
asume como 210° F = 116,67°C .
•
La temperatura promedio del metal de los tubos se asume como
75° F = 41,67°C superior
a
la
temperatura promedio del fluido en la
sección de radiación.
•
Se asume que la
temperatura
de los gases luego de pasar por la
sección de convección es 150° F = 83,33°C superior a la temperatura del
fluido de proceso.
•
La temperatura promedio de los gases a lo largo de la chimenea se
estima como 75° F = 41,67°C inferior a la temperatura de los gases a la
entrada de la misma.
•
La variación de temperatura experimentado por el fluido al pasar por el
banco de convección y escudo se asume de 30° F = 16,67°C .
53
Las secciones en las cuales se dividen los cálculos son: condiciones de
operación, sección de radiación, sección del escudo, sección de convección,
chimenea, pesos.
5.4. 1 Condiciones de operación
Se determinan variables que definen las condiciones en que opera el horno.
Conocida la temperatura de los gases de combustión al salir de la sección de
convección y el combustible utilizado, el calor disponible en los gases se obtiene a
partir de la Figura 5. 1 o de la Figura 5. 2, dependiendo del combustible.
Calor Disponible para GAS
20000
18000
%E=20%"
%E=25%"
%E=30%"
%E=40%"
%E=50%"
%E=75%"
%E=100%"
Poly. (%E=20%")
Poly. (%E=25%")
Poly. ( %E=30%")
Poly. ( %E=40%")
Poly. ( %E=50%")
Poly. ( %E=75%")
Poly. ( %E=100%")
16000
Q [BTU/lb]
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
T [°F]
Figura 5. 1 Calor disponible en función de la temperatura de los gases de
combustión. Las curvas dependen del porcentaje de exceso de aire.
54
Calor Disponible para Fuel Oil
18000
16000
%E=20%
%E=30
14000
%E=40
%E=50
Q [BTU/lb]
12000
%E=75%
10000
%E=100%
Poly. (%E=20%)
8000
Poly. (%E=30)
6000
Poly. (%E=40)
Poly. (%E=50)
4000
Poly. (%E=75%)
Poly. (%E=100%)
2000
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
T [°F]
Figura 5. 2 Calor disponible en función de la temperatura de los gases de
combustión. Las curvas dependen del porcentaje de exceso de aire.
Con el calor disponible se puede calcular el porcentaje de calor extraído de los
gases de combustión ( %Qextraído = [%] ).
%Qextraído =
Qdisponoble (@ T = FGT )
LHV
⋅ 100%
(5)
A partir de este porcentaje de calor extraído se calcula la eficiencia del horno
(η horno = [%] ). Se estima un 2% de perdidas por radiación en el proceso.
η horno = %Qextraido − 2%
(6)
55
El calor liberado por los quemadores ( Qliberado ) se determina a partir de la
siguiente ecuación:
Qliberado =
Qabsorbido
⋅ 100
η horno
(7)
Con el calor liberado por los quemadores y el poder calorífico inferior o de baja
( LHV ), el combustible consumido se calcula de la siguiente manera:
m& combustible =
Qliberado
LHV
(8)
A partir del combustible consumido se determina el flujo de gas combustible al
multiplicarlo por un factor que relaciona el flujo de gas producido con el flujo de
combustible consumido por los quemadores. Para combustible gas Fcombustible = 19.5 y
para Fuel-oil Fcombustible = 15.5 , estos valores se obtienen a partir de la figura 2 (Fig. 2)
de la publicación
“How combustión conditions influence design and operation”,
revista Chemical Engineering” (1978).
Por lo tanto el flujo de gas combustible viene determinado por:
m& gas = m& combustible ⋅ Fcombustible
(9)
5.4. 2 Sección de radiación
En esta sección se determinan las variables relacionadas con la o las celdas de
combustión del horno. Estos cálculos son de gran importancia ya que es en esta
sección donde se da la mayor transferencia de energía entre los gases de
combustión y el fluido de proceso.
56
La velocidad del fluido por unidad de área a través de los tubos de radiación se
calcula como:
V fluidoproceso =
m& fluidoproceso
( 10 )
π
2
N pasos ⋅ ⋅ (Dextrad − (2 ⋅ etubo ))
4
En primer lugar es necesario conocer la temperatura del fluido de proceso a la
entrada de la sección de radiación y la temperatura promedio del metal de los tubos
en la sección de radiación. Se calculan a partir de las consideraciones mencionadas
anteriormente.
Conocida la temperatura promedio del metal de los tubos de la sección de
radiación y su orientación se determina la temperatura de los gases de combustión
en la sección de radiación (Bridgewall temperature: BWT ) a partir de la Figura 5. 3.
Temperatura de los gases en la sección de radiación
2000
1900
y = 0.0002x 2 + 0.0982x + 1447.1
BWT [°F]
1800
Vertical
1700
Horizontal
1600
Poly. (Horizontal)
1500
Poly. (Vertical)
1400
y = 0.0002x2 + 0.0836x + 1344.3
1300
1200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Tpromediotubosrad [°F]
Figura 5. 3 Temperatura de los gases de combustión en la sección de radiación
57
Con esta temperatura de los gases y el uso de la Figura 5. 1 o de la Figura 5. 2
es posible conocer el calor disponible de los gases a dicha temperatura.
El calor absorbido por radiación se calcula de la siguiente manera:
Qradiación =
Qdisponible (@ T = BWT )
Qdisponible (@ T = FGT )
⋅ Qabsorbido
( 11 )
El valor de calor absorbido incluye también el calor absorbido por radiación de
los tubos de la primera fila de la sección del escudo. Por esta razón se hace
necesario restarle al cálculo del área de radiación total el área de la primera fila del
escudo para determinar el área de radiación correspondiente a los tubos de una
celda de combustión.
La eficiencia de la sección de radiación se obtiene de la siguiente manera:
η radiación =
Qradiación
⋅ 100%
Qliberado
( 12 )
Las variables que se calculan a continuación corresponden a una sola celda de
combustión.
Aradiación =
Qradiación
ρ calórica ⋅ N celdas
Aradtubos = Aradiación −
A filaescudo
N celdas
( 13 )
( 14 )
58
La relación
Afilaescudo
N celdas
corresponde a un estimado del espacio ocupado por la fila
de tubos del banco de convección respecto a una celda.
Conocida el área de los tubos de la sección de radiación, es posible llevar a
cabo el cálculo de la longitud de los tubos y de las dimensiones de una celda de
combustión.
Ltubosrad =
Aradtubos
N tubosrad ⋅ π ⋅ Dextrad
( 15 )
La determinación de las dimensiones de la celda depende de la forma de la
misma, es decir, del tipo de horno (cilíndrico o de cabina) y de la orientación de los
tubos de la sección de radiación en el caso de hornos de cabina.
5.4.2. 1 Horno cilíndrico vertical
El diámetro del círculo de tubos viene dado por la siguiente ecuación:
Dcírculorad =
N tubosrad ⋅ d tubosrad
π
( 16 )
Y el diámetro interno de la celda de combustión (distancia entre las paredes) se
calcula a partir de lo siguiente:
Dradiación = Dcírculorad + (2 ⋅ d tubospared )
Donde d tubospared
( 17 )
se determina cumpliendo con las siguientes consideraciones
planteadas en la norma API Std. 560:
59
- Si 1,5 ⋅ d tubosrad > 4 in
d tubospared = 1,5 ⋅ d tubosrad
- Si 1,5 ⋅ d tubosrad < 4 in
d tubospared = 4 in
La altura de la celda de combustión cilíndrica es definida por la siguiente
ecuación:
Lradiación = Ltubosrad + 2 ⋅ d tubospiso
( 18 )
Donde d tubospiso = 1,5 [ ft ] corresponde a la distancia que debe existir entre el piso
y los tubos. El factor de multiplicación 2 (dos) aparece porque esta distancia también
debe existir entre los tubos y el techo de la cámara.
5.4.2. 2 Hornos de cabina horizontal
Las dimensiones de la celda de combustión se determinan a partir de las
siguientes ecuaciones:
Altura
hradiación =
1
⋅ ( N tubosrad − 1) ⋅ d tubosrad + 2 ⋅ d tubospiso
2
El factor
( 19 )
1
corresponde al arreglo más usual de los tubos en la cámara de
2
radiación donde se ordenan de manera proporcional en las paredes laterales, es
decir, la mitad de los tubos en cada una de paredes laterales.
60
El factor 2 (dos) que multiplica a d tubospiso que debe haber tanto entre los tubos y
el piso como entre los tubos y el techo.
Profundidad
wradiación = Ltubosrad + (2 ⋅ d tubospared )
( 20 )
Ancho
a radiación =
hradiación
1,5
( 21 )
El divisor 1,5 se debe a que el cálculo del ancho se realiza a partir de la relación
entre altura y ancho de la celda de combustión que se debe respetar según la Norma
2.3.6 API 560. Se toma el menor valor de la relación ya que arroja el mayor valor
para el ancho de la zona de radiación lo que corresponde a una situación límite.
5.4.2. 3 Hornos de cabina vertical
En cálculo de las dimensiones para esta configuración de la celda se realiza
igual que para los hornos de cabina horizontal, solo que el la altura corresponde a la
profundidad y viceversa. Los factores tienen la misma procedencia que los de hornos
de cabina horizontal.
hradiación = Ltubosrad + (2 ⋅ d tubospared )
( 22 )
wradiación =
1
⋅ ( N tubosrad − 1) ⋅ d tubosrad + d tubospiso
2
( 23 )
a radiación =
wradiación
1,5
( 24 )
61
5.4. 3 Sección del escudo
El calor absorbido por convección en la sección del escudo se calcula a partir de
la siguiente ecuación:
Qescudo = U escudo ⋅ LMTDescudo ⋅ N tubosfilaesc ⋅ N filasesc ⋅ Ltubosconv ⋅ π ⋅ Dextesc
( 25 )
5.4. 4 Sección de convección
El calor absorbido por la sección de convección se calcula a partir de la
siguiente suma algebraica:
Qbancoconv = Qabsorbido − (Qradiación + Qescudo )
( 26 )
Determinado este valor y conocidas las temperaturas de entrada y salida del
banco tanto de los gases de combustión como del es posible hallar la superficie de
convección. Es importante recordar que en esta sección los tubos presentan
superficie extendida cuyo arreglo más utilizado son las aletas.
Aconvección =
Qbancoconv
U bancoconv ⋅ LMTDbancoconv
( 27 )
Es posible determinar el número de filas del banco de convección a partir de la
siguiente relación:
N filasconv =
Aconvección
A filaconvección
( 28 )
El valor obtenido debe redondearse al valor entero correspondiente, y a partir
del mismo calcular la superficie efectiva de transferencia de calor de la sección de
convección.
62
5.4. 5 Chimenea
En la determinación de las dimensiones de la chimenea se plantea que no
existen restricciones con respecto a la altura de la misma. Por lo tanto para
determinación del diámetro de la chimenea se fija un flujo de gases por unidad de
área ( V gaschimenea ) que la atraviesa, los valores recomendados se encuentran en el
⎡ lb ⎤
rango de 0,75 − 1 ⎢
.
2 ⎥
⎣ hr ⋅ ft ⎦
Atranschimenea =
Dchimenea =
1,25 ⋅ m& gas
Vgaschimenea
4 ⋅ Atranschimenea
π
( 29 )
( 30 )
Para determinar la altura de la chimenea se toman en cuenta todas las pérdidas
que se producen a lo largo del horno, dichas pérdidas van a determinar el tiro
requerido por la chimenea ( TRchimenea ), es decir, se deben hallar las pérdidas en el
arco, escudo, banco de convección, entrada y salida de la chimenea, compuerta de
los gases. También se considera el aporte en tiro que produce la sección de
convección.
Luego de calcular las pérdidas a lo largo del horno se determinan el tiro
proporcionado por la chimenea y las pérdidas por fricción que se producen a lo largo
de la misma por unidad de longitud. Al realizar la suma algebraica se obtiene el
efecto neto de la chimenea ( EN chimenea ).
De tal manera que la altura requerida de la chimenea viene dada por:
hchimenea =
TRchimenea
EN chimenea
( 31 )
63
5.4. 6 Pesos
En la determinación del peso de toda la estructura del horno es importante
determinar el espesor de las capas de refractario empleados que depende del
material utilizado, al igual que se debe especificar el espesor de la cubierta exterior.
Conocidos los espesores, y las dimensiones de cada parte del horno es posible
obtener volúmenes de materiales que al multiplicarlos por la densidad del material
que los compone permiten obtener el peso.
De igual manera, el peso de los tubos se calcula a partir del conocimiento de los
diámetros, longitudes y materiales de los arreglos del serpentín de cada sección del
horno.
Pi = ∑i ∀ i ⋅ ρ i
( 32 )
Donde ∀ i es el volumen de una de las capas que conforman la estructura de
cualquier zona del horno (cámara de radiación, caja de convección, chimenea) y ρ i
corresponde a la densidad del material que compone una determinada capa.
En la determinación del aporte en peso de los tubos se utiliza la ecuación
anterior donde el volumen total de los tubos es determinado, como es de esperarse,
a partir del espesor, la longitud, y el número de tubos en cada sección del horno.
El peso total del horno debe considerar el aporte en peso de las escaleras y
plataformas, el cual se asume como un 15% del peso total calculado.
CAPÍTULO 6 DESARROLLO DEL PROGRAMA Y HOJA DE CÁLCULO PARA EL
PRE-DIMENSIONAMIENTO DE HORNOS DE REFINERÍA
6. 1 Generalidades
La hoja de cálculo es una herramienta importante para el departamento de
ingeniería mecánica de Inelectra, representando una opción práctica al momento de
realizar los cálculos de pre-diseño de un horno de proceso.
El programa se desarrolló en Microsoft Excel junto con el editor de Visual Basic,
herramientas de fácil acceso, cómodo uso y conocidas por los ingenieros del
departamento.
El objeto del programa es realizar estimados de las características de diseño
dimensional y peso de hornos de proceso, a partir de la información de la ingeniería
básica de proceso, tomando como criterio la norma API STD. 560 “Fired Heaters for
general Refinery Service” y siguiendo como metodología de cálculo la propuesta en
la publicación “How combustión conditions influence design and operation” de la
revista “Chemical Engineering” (1978).
Para que se lleven a cabo los cálculos el programa necesita que se inserten 31
variables, unas provenientes de la hoja de procesos y otras fijadas por el usuario.
Las variables de entrada son: calor absorbido, flujo de proceso, condiciones de
entrada y salida del fluido de proceso (temperatura, densidad, viscosidad, capacidad
calorífica, conductividad térmica), combustible y su poder calorífico, porcentaje de
exceso de aire, materiales (tubos, cubierta, refractarios), servicio del horno, tipo de
horno, número de celdas, configuración de los tubos de radiación, diámetro externo y
número de tubos de radiación, número de pasos, diámetro externo y longitud de los
tubos del escudo y banco de convección, número de filas de tubos del escudo,
número de tubos por fila del escudo y banco de convección.
65
El programa presenta además una recopilación de hojas de datos y planos
principales de los hornos de refinería presentes en los proyectos donde ha
participado la empresa.
Para la realización del programa se siguieron una serie de pasos o fases:
•
Búsqueda de información de hornos industriales, material bibliográfico y
normas para diseño de los equipos
•
Estudio de los mecanismos de transferencia de calor que ocurren en los
hornos de procesos
•
Observación de hornos típicos para los procesos dentro de las refinerías
•
Elaboración de la hoja de cálculo en Microsoft Excel
•
Realización de una interfaz con el editor de Visual Basic para la
presentación del programa, ingreso de datos, información, base de datos
•
Búsqueda de hojas de datos y planos de hornos de refinería y realización
de la base de datos
•
Verificación de cálculos a partir de información de hornos existentes
6. 2 Manual del usuario
Una vez cargado el programa “Pre-dimensionamiento de hornos de refinería”
por medio de Microsoft Excel se abrirá la ventana de inicio. Es necesario verificar que
la protección para los Macros que presenta Microsoft Excel esté en nivel medio o
bajo, la manera en que se realiza la verificación se muestra más adelante en el punto
de los requerimientos (6. 3 Requerimientos).
66
6.2. 1 Ventana de inicio
Es la portada del programa y presenta botones que permiten tener acceso a
diferentes secciones. En esta ventana inicial y en las siguientes aparecen los
logotipos de las instituciones a las cuales va dirigido: la Empresa Inelectra y la
Universidad Simón Bolívar (U.S.B.).
La distribución de los cinco botones que presenta la ventana de inicio se
observa en la Figura 6. 1 y la función de cada uno es descrita a continuación:
Figura 6. 1 Ventana principal del programa Pre-dimensionamiento de Hornos
de Refinería
6.2. 2 Hoja de Cálculo
Permite tener acceso directamente a la hoja de cálculo en el ambiente de
Microsoft Excel, donde tiene la posibilidad de ingresar los datos requeridos para la
realización de los cálculos.
67
Al ingresar datos directamente desde Excel, el usuario tiene acceso sólo a las
celdas de la hoja de cálculo donde es necesario que inserte o seleccione datos.
“La Hoja de Cálculo se encuentra protegida para evitar que se realice algún
cambio no deseado a alguna de las formulas con que cuenta. Cualquier modificación
que se realice a la Hoja podría afectar los cálculos que lleva a cabo”.
En algunas casillas de la hoja de cálculo, protegidas o no, hay comentarios que
pueden, de alguna manera, responder a alguna duda sobre los cálculos o las
variables a insertar.
La hoja de cálculo se encuentra a su vez vinculada a las hojas de datos típicas
de hornos (HD 1, HD 2, HD 3, HD 4, HD 5, HD 6) que cumplen con el formato
propuesto por API STD. 560. Todos los valores presentes en estas hojas y obtenidos
a partir de cálculos son insertados de manera automática, y dejando además la
posibilidad de que sea completada por el usuario. Estas hojas de datos se pueden
observar en el APÉNDICE 2.
Para cada una de las casillas de la hoja de cálculo, cuando lo requiere el caso,
se indica la unidad en la cual debe ingresarse el valor. “Las unidades deben
respetarse para la correcta ejecución de los cálculos”.
La hoja de cálculo está dividida en tres páginas o secciones:
Datos de Entrada: Corresponde a la primera página. Se encuentran los datos
que debe ingresar el usuario y las listas de las cuales debe elegir un valor o
posibilidad. Cabe destacar que hay casillas que se encuentran sombreadas de color
naranja cuyo valor depende de ciertos factores y el usuario no tiene acceso para
modificarlas. Se subdivide en las siguientes secciones, ver Figura 6. 2:
68
•
CONDICIÓN DE PROCESO
•
SECCIÓN DE RADIACIÓN
•
FLUIDO DE PROCESO
•
MATERIALES
•
SECCIÓN DEL ESCUDO Y BANCO DE CONVECCIÓN
Figura 6. 2 Página de datos de entrada de la hoja de cálculo
Resultados: Corresponde a la segunda página. En ella se encuentran los
resultados de interés obtenidos luego de llenar completamente la página de datos de
entrada. Esta página sólo presenta la posibilidad de que el usuario pueda cambiar las
unidades de las dimensiones que aparecen en el ESQUEMA DEL HORNO, el resto
de la página se encuentra protegido contra modificaciones. Aquí se encuentran:
•
ESQUEMA DEL HORNO
•
RESULTADOS
69
En la parte inferior derecha la página de resultados de la hoja de cálculo se
encuentran tres botones:
•
Nuevo cálculo: Borra todos los datos que se encuentren en la hoja y
resetea las listas.
•
Portada: Permite dirigirse a la ventana inicial del programa.
•
Cálculos especificados: Muestra la hoja donde se encuentran, paso a
paso, cada uno de los cálculos realizados.
Figura 6. 3 Página de resultados de la hoja de cálculo
Hoja de condiciones: Se muestran todas las condiciones con que debe cumplir
el horno de acuerdo a diferentes restricciones y las mismas son verificadas de
acuerdo a los valores obtenidos. De no cumplirse alguna de las condiciones se
genera un mensaje que sugiere posibles soluciones. La misma se muestra a
continuación, Figura 6. 4:
70
Figura 6. 4 Página de condiciones de la hoja de cálculo
6.2. 3 Ingreso de Datos
Permite el acceso a las ventanas de ingreso de datos. Es recomendable realizar
el ingreso de datos a través de esta opción debido al orden y la comodidad. Es
necesario ingresar todos los datos solicitados, en las unidades especificadas, y el
separador decimal debe ser el punto para que se lleven a cabo de manera correcta
los cálculos.
Cada una de las ventanas de datos de entrada presenta, a parte de las casillas
de datos, dos botones: Siguiente (permite ir a la siguiente ventana de Datos de
entrada) y Regresar (permite regresar a la ventana de Datos de entrada anterior).
Las ventanas de Datos de entrada son:
•
Condición de proceso
•
Fluido de proceso y Materiales
•
Sección de radiación
•
Sección del escudo y banco de convección
71
En cada ventana se solicitan datos referentes a la sección. En la última ventana,
Sección del escudo y banco de convección, se encuentra el botón de “Agregar datos”
el cual muestra la hoja de cálculo de Excel con todos los datos antes ingresados y
arroja los resultados. Si existía algún valor o dato en la hoja de cálculo es
reemplazado por los nuevos modificando los resultados.
“Luego de pulsar el botón “Agregar datos” las variables se pueden modificar
sólo desde la hoja de cálculo en Excel, si se regresa a las ventanas de datos de
entrada habrá que ingresar todos los datos de nuevo”.
A continuación se presenta la primera ventana de entrada de datos, Figura 6. 5:
Figura 6. 5 Primera ventana de datos de entrada
Las otras tres ventanas de datos de entrada presentan una estructura muy
similar. Todos los datos ingresados pasan a la hoja de cálculo luego de pulsar el
botón agregar datos de la última ventana, ver Figura 6. 6. Deben ingresarse todos los
datos solicitados en cada ventana para poder avanzar a la siguiente.
72
Figura 6. 6 Ventana final de datos de entrada
6.2. 4 Base de Datos
Al pulsar este botón se muestra la ventana de Base de Datos que presenta tres
pestañas donde se muestra la clasificación de los hornos, por servicio y por tipo.
Para observar la información de alguno de los hornos se debe pulsar el botón
cuadrado que se encuentra a la izquierda de cada nombre. Esta ventana se puede
observar en la Figura 6. 7.
73
Figura 6. 7 Base de datos del programa
En la pestaña de “Hornos por Tipo” los equipos se encuadran clasificados en
Cilíndrico (una o dos celdas) y Cabina (una, dos o más de dos celdas). Ver Figura 6.
8.
Figura 6. 8 Base de datos, clasificación por tipo de horno
74
6.2. 5 Información
Muestra la ventana de información donde se puede observar:
•
Acerca de la Hoja de Cálculo: se muestra la justificación y los créditos del
programa
•
Variables de entrada: se explican brevemente cada una de las variables
solicitadas por el programa
•
Uso de la Hoja de Cálculo: Se explica el modo de trabajo de la hoja de
Cálculo y se mencionan ciertas limitaciones
•
Referencias: presenta la bibliografía utilizada para la realización del
programa
En al Figura 6. 9 se puede observar esta ventana.
Figura 6. 9 Ventana de información del programa
75
6.2. 6 Salir
Al pulsar este botón se despliega una venta de Cierre de la Hoja de Cálculo, Ver
Figura 6. 10, con la pregunta “¿Seguro que desea salir?”. La ventana presenta dos
botones:
Si: cierra el programa sin guardar los cambios realizados
Regresar: vuelve a la ventana inicial
Figura 6. 10 Ventana de salida del programa
6. 3 Requerimientos
Para que el programa pueda tener un rendimiento óptimo el equipo debe
cumplir con los siguientes requerimientos mínimos:
Pentium 1 233Mhz
Windows 95 o superior
Microsoft Office Excel 2003
Es necesario que la computadora esté configurada para que se utilice el punto
(.) como separador decimal. La misma se puede verificar en la siguiente ruta:
76
Figura 6. 11 Ruta para verificar la configuración del separador decimal
La seguridad para los macros debe estar en nivel medio o bajo. La manera de
verificarlo se muestra a continuación (Ver Figura 6. 12 y Figura 6. 13):
Figura 6. 12 Ruta para modificar o verificar la seguridad de los macros
77
Figura 6. 13 Nivel de seguridad de para los macros en Microsoft Excel
CAPÍTULO 7 PROGRAMA HTRI Xchanger Suite 5.0
7. 1 Generalidades
HTRI es una organización reconocida como centro de investigación y desarrollo
en el área de transferencia de calor y dinámica de fluidos. Entre sus actividades se
pueden mencionar:
•
Anticipación de necesidades globales
•
Conducción de estudios
•
Desarrollo industrial de herramientas computacionales y productos
relacionados
•
Identificación y evaluación de tecnologías innovadoras
•
Provee servicios de educación y consulta
Figura 7. 1 Heat Transfer Research, Inc.
HTRI Xchanger Suite 5.0 es un programa que cuenta con varios módulos que
permiten realizar cálculos y estudios en equipos de transferencia de calor como es el
caso de los intercambiadores de calor, aero-enfriadores, hornos de calentamiento
directo, entre otros.
Los métodos de trabajo de HTRI y su software están basados en datos
extensos resultado de la investigación industrial por más de 40 años. Los estudios y
desarrollos se mantienen hoy en día, pues se obtienen y analizan nuevos datos
sobre equipos de transferencia de calor, por lo que se mantienen actualizados todos
los métodos y se incorporan a la versión siguiente del software.
79
7. 2 Módulo de Hornos de fuego directo (Xfh)
En este módulo se presentan múltiples opciones de acuerdo a diferentes
estudios o configuraciones de calentadores de fuego directo. El programa permite
simular el comportamiento del fluido de proceso y gases de combustión a lo largo del
horno, mostrando de tal manera perfiles de temperatura y propiedades, así como la
vida de los materiales. Además, de ser necesario, realiza alertas en cuanto a los
resultados obtenidos dando ciertas recomendaciones.
El programa puede trabajar con varias unidades y además realizar las
conversiones que se requieran. Esto permite que el usuario pueda trabajar
cómodamente.
El módulo Xfh se puede utilizar para:
•
Localizar averías y problemas en una planta
•
Evaluar el diseño de un vendedor
•
Evaluar los cambios propuestos para mejorar hornos viejos o para
nuevos servicios
•
Evaluar la utilización de un economizador y/o precalentador de aire para
mejorar la eficiencia de la planta
•
Evaluar los efectos de los cambios propuestos en la operación de la
planta y su efecto sobre el horno, incluyendo el estimado de vida de los
tubos.
Contiene diferentes módulos de cálculo para simular las diferentes partes de un
horno de calentamiento directo. Estos se pueden ejecutar por separado o
combinados para modelar parte o todo el equipo. Las opciones que se presentan
para realizar el cálculo y estudio de hornos son:
80
•
API 530
•
Cabina (Box)
•
Combustión (Combustion)
•
Convección (Convection)
•
Cilíndrico (Cilindrical)
Para realizar las corridas es indispensable conocer una serie de datos de
acuerdo al módulo en el cual se trabaje. Las casillas de estos datos indispensables
para el cálculo están resaltadas en rojo.
El programa HTR – Xfh evalúa las condiciones de operación del horno a partir
de las características suministradas y genera una serie de hojas de reporte donde se
incluyen las hojas de datos API del horno simulado.
CAPÍTULO 8 EJEMPLO DE CÁLCULO
Los cálculos que se presentan a continuación corresponden a un horno de
aceite caliente ubicado en la refinería de Jose, Venezuela. Es un horno cilíndrico
vertical
de
una
celda
y
de
tiro
natural
cuyo
calor
absorbido
es
de
12,7162 MW = 43,39 MMBTU hr .
Se comparan los valores obtenidos al utilizar la hoja de cálculo para el predimensionamiento de hornos de refinería, el programa HTRI – Xfh, y los presentados
en las hojas de datos del equipo.
8. 1 Datos de entrada
Los datos de entrada necesarios de acuerdo a la herramienta de cálculo
utilizada son tomados de la hoja de datos del horno de aceite caliente que se
muestra en el APÉNDICE 3.
8. 2 Resultados
A continuación se presenta una tabla comparativa con datos de la hoja del
horno y los resultados obtenidos al utilizar ambas herramientas.
Los valores comparados afectan el funcionamiento del horno y determinan las
características del equipo que permiten evaluar su desempeño y por lo tanto van a
ser determinantes al momento de pre-diseñar.
82
Tabla 8. 1 Comparación entre la hoja de datos y los resultados obtenidos en
hoja de cálculo y HTRI para el horno de aceite caliente de la refinería de Jose,
Venezuela
Variables
Hoja de Datos
Hoja de Cálculo
HTRI
81
80
81
1589
1498
1810
739,4
722
692
Calor absorbido por radiación [MMBTU/hr]
-
31
27
Calor absorbido por convección [MMBTU/hr]
-
12
17
Filas de tubos de convección
6
4
6
Diámetro de la sección de radiación [ft]
14,5
14
14,5
Altura de la sección de radiación [ft]
37,2
41
37,17
Ancho de la caja de convección [ft]
8,5
7
8,5
Altura de la caja de convección [ft]
10
9
10
Diámetro de la chimenea [ft]
5
5
-
67,8
58
-
Eficiencia [%]
Temperatura de los gases de combustión al salir
de la sección de radiación [°F]
Temperatura de los gases de combustión al salir
de la sección de convección [°F]
Altura de la chimenea [ft]
El porcentaje de variación entre la hoja de datos y los resultados obtenidos a
partir de la hoja de cálculo es pequeño. La mayor diferencia se observa en el número
de filas de tubos del banco de convección, que como es de esperarse influye en las
dimensiones de la caja de convección.
La diferencia más relevante entre los resultados del programa HTRI – Xfh y la
hoja de datos del horno se observa en las temperaturas de los gases de combustión,
donde al salir de la sección de radiación se obtiene una temperatura mayor y al salir
del banco de convección la temperatura es menor respecto a la hoja de datos. La
variación de temperatura de los gases al atravesar el banco de convección obtenida
por HTRI es de 1118 ° F = 621 °C mientras con la hoja de cálculo se obtuvo una
diferencia de 776 ° F = 431 °C .
83
La diferencia entre el calor absorbido por convección calculado con ambas
herramientas es bastante grande.
8. 3 Análisis de resultados
La diferencia de temperatura de los gases de combustión a la salida de cada
una de las secciones que se obtuvo para el programa HTRI – Xfh va en completa
concordancia con los valores de calor absorbido por radiación y convección.
Por su parte las temperaturas de los gases de combustión obtenidas a partir de
la hoja de cálculo son bastante similares a los presentados en la hoja de datos. Lo
anterior permite afirmar que las estimaciones realizadas en la determinación de las
temperaturas en diferentes puntos del horno en la hoja de cálculo son valederas.
La variación en el número de filas de tubos de convección (tubos aleteados) se
debe a la diferencia en la densidad de aletas, es decir, cantidad de aletas por unidad
de longitud. Los tubos del horno tienen 127 aletas m = 3,2 aletas in y la hoja de cálculo
fija dicho valor, en función a las recomendaciones de la norma API STD. 560, al
seleccionar el combustible. Para este horno que utiliza gas combustible la densidad
de las aletas fijada por la hoja de cálculo es de 5 aletas in , razón por la cual se
obtiene un área de transferencia de calor suficiente con una menor cantidad de filas
de tubos aleteados.
Las diferencias en las dimensiones de las secciones del horno se deben a los
valores de espesor de los refractarios utilizados y del espaciamiento entre los tubos y
las paredes del horno en las diferentes zonas del horno.
CONCLUSIONES
•
El programa para el pre-dimensionamiento de hornos de refinería
constituye una herramienta confiable y práctica al momento de definir las
características preliminares de un horno de procesos
•
El módulo de calentadores de fuego directo (Xfh) del programa HTRI
Xchange Suite v5.0 es una herramienta poderosa para el cálculo y
evaluación
de
hornos,
aunque
requiere
de
gran
número
de
especificaciones del equipo para llevar a cabo una corrida
•
Los datos de ingeniería básica de procesos son necesarios para llevar a
cabo la estimación de las características de un horno de refinería
•
Para determinar las características básicas de un horno de refinería es
necesario proponer ciertas variables por lo que se requiere de un
conocimiento previo del área
RECOMENDACIONES
•
Mantener en constante actualización la base de datos
•
Programar un sistema de alerta y verificación al momento de ingresar de
datos no válidos
•
De ser posible vincular el programa para el pre-dimensionamiento de
hornos con el simulador HTRI de manera tal que se complete el diseño de
estos equipos
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
Berman, Herbert L., “How combustion conditions influence design and
operation”, CHEMICAL ENGINEERING, pp. 129-139, Agosto, 1978.
[2]
American Petroleum Institute (A.P.I.) 560, “Fired Heaters for General
Refinery Services”, Tercera Edición, Mayo 2001.
[3]
Perry, R.H. y Green, D.W., “Perry’s Chemical Engineers’ Handbook”,
Séptima Edición, McGraw – Hill Companies, Octubre, 1998
[4]
Simonot,
Ives,
“Hornos
tubulares”,
PETROLEO,
REFINO
Y
TRATATAMIENTO QUÍMICO pp. 1147-1182
[5]
PDVSA, “Manual de Ingeniería de Diseño, Calentadores de Fuego Directo”,
Volumen 6, 1983.
[6]
Incropera, F. y DeWitt, D., “Fundamentos de transferencia de calor”, Cuarta
Edición, PRENTICE HALL, México, 1999.
[7]
American Petroleum Institute (A.P.I.) 530, “Calculation of Heater-Tube
Thickness in Petroleum Refineries”, Cuarta Edición, Octubre 1996.
APÉNDICES
88
APÉNDICE 1:
GLOSARIO DE TÉRMINOS
A continuación se presentan las definiciones de varios de los términos
empleados en el estudio, diseño y especificación de hornos de refinería.
Arco o techo de radiación (Arch): Zona aplanada o inclinada que se
encuentra en la parte más elevada de la sección de radiación.
Anclaje (Anchor): Dispositivo metálico o aislante utilizado para retener el
refractario o aislante en su lugar.
Calor absorbido (Heat Duty): Es el calor total absorbido o aprovechado por el
fluido de proceso que pasa a través del horno.
Calor disponible: Es una medida del calor que se ha absorbido de los gases
de combustión a una determinada temperatura.
Calor liberado: Es el calor total generado por los quemadores del horno para
un combustible específico. Para su cálculo se utiliza el poder calorífico de baja (LHV).
Cámara o celda de combustión: Zona del horno donde se encuentran
encerrados los tubos de la zona de radiación y los quemadores. Las paredes de la
misma están cubiertas por refractarios.
Colector (Breeching): Recoge los gases de combustión luego de la última fila
del banco de convección y los guía hacia la chimenea o ducto de salida.
Combustible consumido: Es el flujo de combustible quemado para la
producción del calor requerido
89
Compuerta de gases (Damper): Dispositivo, generalmente similar a una
mariposa, que regula el flujo de gases liberados a la atmósfera a través de la
chimenea o ducto de salida, controlando el tiro del horno.
Conector de secciones (Crossover): Es un tubo de interconexión entre las
tuberías o serpentines de dos secciones del horno. En general transfiere el fluido de
proceso desde la sección de convección a la sección de radiación.
Cubierta (Casing): Revestimiento externo que encierra el horno. Debe ser lo
suficientemente fuerte para resistir las acciones del viento y soportar todos los
componentes del equipo. No debe presentar ningún espacio en su estructura que
permita la entrada de corrientes de aire parásitas desde el exterior al horno.
Chimenea (Stack): Es un ducto vertical, generalmente cilíndrico, a través del
cual el gas de combustión es liberado a la atmósfera y da el tiro necesario al horno.
Densidad calórica (Heat Flux Density): Es la tasa de calor transferido o
absorbido por el serpentín de tubos por unidad de área.
Eficiencia del horno: Relación entre el calor absorbido por el fluido de proceso
y el calor liberado por los quemadores.
Ensuciamiento: Es la producción de una película de sucio, ceniza, coque u
hollín sobre las superficies de transferencia de calor.
Exceso de aire: Es el porcentaje de aire por encima de la cantidad requerida
para la combustión estequiométrica que se introduce a los quemadores con la
finalidad de obtener una combustión completa.
Gases de combustión (Flue Gas): Mezcla de gases calientes productos de la
combustión del combustible.
90
Guía de tubos: Dispositivo que restringe el movimiento de los tubos. Permite la
expansión axial.
Guías proyectadas (Corbel): Proyecciones de la pared refractaria de la
sección de convección cuya función es evitar que el gas de combustión fluya por los
lados del banco de convección (entre la pared y el tubo más cercano) alejándose del
serpentín de tubos.
Múltiple (Manifold): Tubo conectado a varios tubos paralelos entre sí cuya
función es distribuir o recoger el fluido que va por dichos tubos.
Paso: Es el serpentín que transporta al fluido de proceso desde la entrada a la
salida del horno.
Precalentador de aire: Consiste en un intercambiador de calor donde se
calienta el aire requerido para combustión a partir de los gases de combustión del
horno. El intercambiador de calor puede ser de haces tubulares (carcasa y tubo), de
placas, o tipo Ljungstrom (consiste en un cilindro corto que gira alrededor de su eje y
esta dividido en secciones, por una mitad pasa el gas de combustión y por la otra el
aire frío). Este dispositivo se coloca con la finalidad de aumentar la eficiencia del
horno o cuando el ambiente donde opera el equipo lo requiere (lugares frios).
Puertas de observación: Son accesos ubicados en diferentes puntos del horno
(paredes y piso) que permiten inspeccionar características de operación. Deben
quedar herméticamente cerradas cuando el horno se encuentra en servicio.
Quemador (Burner): Dispositivo encargado de introducir el combustible y el
aire al horno a la velocidad, turbulencia y concentración deseada o establecida para
mantener la llama y la combustión en un rango estable.
91
Rango mínimo de operación (Turndown): Tiene lugar cuando las condiciones
de operación del horno son inferiores a las de diseño. Se reduce la carga del horno.
Refractario: Pared de material aislante ubicada en el interior del horno cuya
finalidad es mantener la temperatura interna del mismo y mantener condiciones
seguras en el exterior del mismo, evitando la pérdidas caloríficas al exterior.
Serpentín (Coil): Tubos conectados en serie y con retornos de 180° a través de
los cuales fluye el fluido de proceso mientras es calentado.
Soplador de hollín (Sootblower): Dispositivo utilizado para remover hollín,
ceniza u otro depósito de las superficies de transferencia de calor de la sección de
convección.
Poder Calorífico de Baja (LHV): Es el calor de combustión del combustible
cuando no se toma en cuenta el calor latente de vaporización del agua presente en
los gases de combustión.
Soportes de tubos: Cualquier dispositivo utilizado para sostener el peso de los
tubos.
Superficie extendida: Se refiere a la superficie de transferencia de calor
adicionada a los tubos con la finalidad de obtener una mayor área de transferencia
de calor. Se aplica a los tubos de la sección de convección. Las más comunes son
las aletas anulares, pero también se pueden utilizar tachuelas o agujas.
Tiro (Draft): Es la presión negativa o vacío del aire y/o gas de combustión en
cualquier punto del horno. Puede ser inducido, forzado o natural.
APÉNDICE 2:
HOJAS DE DATOS TÍPICAS DE UN HORNO DE REFINERÍA EN EL FORMATO
REQUERIDO POR INELECTRA
(Se desarrollaron como parte del trabajo de pasantía)
93
94
95
96
97
98
APÉNDICE 3:
HOJAS DE DATOS Y PLANO DEL HORNO DE ACEITE CALIENTE DE LA
REFINERÍA DE JOSE, ESTADO ANZOATEGUI, VENEZUELA, 03-F-50-03
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
APÉNDICE 4:
PUBLICACIÓN “HOW COMBUSTION CONDITIONS INFLUENCE DESIGN AND
OPERATION”
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
APÉNDICE 5:
VALIDACIÓN DE CÁLCULOS A PARTIR DEL EJEMPLO DE LA PUBLICACIÓN
A continuación se presenta un cuadro comparativo, con sus respectivos errores,
entre los resultados presentados en el ejemplo de cálculo de la publicación “How
combustion conditions influence design and operation” y los resultados obtenidos al
utilizar la hoja de cálculo.
Cabe destacar que por medio de este cálculo se realizó la primera validación de
la hoja de cálculo.
Variable
Eficiencia [%]
Calor liberado [MMBTU/hr]
Temperatura de los gases en la sección de radiación [°F]
Calor absorbido por radiación [MMBTU/hr]
Calor absorbido por convección [MMBTU/hr]
Diámetro del círculo de tubos de radiación [ft]
Longitud de los tubos de radiación [ft]
Número de filas de tubos aleteados
Diámetro de la chimenea [ft]
Longitud de la chimenea [ft]
Publicación
82.000
33.280
1470.000
19.310
8.080
11.030
30.000
6.000
4.333
55.250
Hoja de
Cálculo
82.000
33.000
1475.000
20.000
8.000
11.000
30.000
4.000
4.000
77.000
Error
[%]
0.000
0.008
0.003
0.036
0.010
0.003
0.000
0.333
0.077
0.394
APÉNDICE 6:
REPORTE DE RESULTADOS DEL PROGRAMA HTRI AL EVALUAR EL HORNO
DE ACEITE CALIENTE DE LA REFINERÍA DE JOSE, ESTADO ANZOATEGUI,
VENEZUELA, 03-F-50-03
127
128
129
APÉNDICE 7:
REPORTE DE RESULTADOS DE LA HOJA DE CÁLCULO PARA EL PREDIMENSIONAMIENTO DE HORNOS DE REFINERÍA AL EVALUAR EL HORNO DE
ACEITE CALIENTE DE LA REFINERÍA DE JOSE, ESTADO ANZOATEGUI,
VENEZUELA, 03-F-50-03
130
131