consideraciones de diseño

PDVSAMANUAL DE DISEO DE PROCESOTRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS

PDVSA N

TITULO

MDP05F02

CONSIDERACIONES DE DISEO

0REV.

NOV.95FECHA DESCRIPCION FECHA APROB.

64PAG. REV. APROB. APROB. FECHA

APROB.

E PDVSA, 1983

ESPECIALISTAS

MANUAL DE DISEO DE PROCESO

PDVSA MDP05F02 REVISION FECHA

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TRANSFERENCIA DE CALOR HORNOS CONSIDERACIONES DE DISEOIndice manual Indice volumen

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NOV.95

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Indice1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 SECCION DE RADIACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1 4.2 4.3 5.1 5.2 5.3 6.1 6.2 6.3 7.1 7.2 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 9.1 9.2 9.3 Arreglo de la seccin de radiacin (Layout) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cada de presin a travs del serpentn de radiacin . . . . . . . . . . . . . . . . Materiales y vida til de los tubos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Superficie de la seccin de conveccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arreglo de la seccin de conveccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de construccin y arreglo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimetro de la chimenea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Revestimientos de la chimenea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mltiples (Manifolds) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lneas de transferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fluido del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturas del metal del tubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gas de combustin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema de tiro forzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistema de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Guas de tubos y soportes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Refractario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 3 44 17 19

5 SECCION DE CONVECCION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2121 22 25

6 CONSIDERACIONES DE DISEO DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . .

3030 31 32

7 MULTIPLES Y LINEAS DE TRANSFERENCIA . . . . . . . . . . . . . . . . .

3333 36

8 INSTRUMENTACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3939 40 40 41 41

9 ESPECIFICACIONES MECANICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4141 42 43

10 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Tabla 1 Tabla 2 Figura 1 Figura 2

47 48

Condiciones de diseo para hornos de proceso . . . . . . . . . . . . 49 Propiedades y tamaos de tubos de hornos ms comunes . . 51 Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos verticalescilndricos y de cabina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos de cabina con pared refractaria en el centro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53



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Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura Figura Figura Figura 10 11 12 13

Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos verticales (contiene tubos de un lado y de dos lados de radiacin) . . . . . 54 Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos verticales (contiene slo tubos de dos lados de radiacin) . . . . . . . . . . . . 55 Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos anillados (Arbor or Wicket) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos horizontales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Arreglo de los pasos en un hornos de cabina . . . . . . . . . . . . . . 58 Longitudes aproximadas de los tubos para hornos con tubos horizontales . 59 Longitudes aproximadas de los tubos para hornos verticalescilndricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Arreglo tpico de hornos verticalescilndricos . . . . . . . . . . . . . . 61 Arreglo tpico para hornos con tubos anillados . . . . . . . . . . . . . 62 Arreglos del Ducto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Tamao tpico de lnea de transferencia vs presin . . . . . . . . . 64



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OBJETIVOPresentar informacin bsica que pueda usarse en la evaluacin de ofertas de hornos nuevos y/o modificaciones de hornos existentes. Esta informacin cubre criterios de diseo que sean propietarios de PDVSA y sus filiales. Este documento no espera entregar suficiente informacin para hacer el diseo completo de hornos de proceso, ya que esta funcin la cumplirn los suplidores reconocidos de hornos, los cuales entregarn garantas de funcionamiento de dichos equipos. El tema Hornos, dentro del area de Transferencia de Calor, en el Manual de Diseo de Procesos (MDP), est cubierto por los siguientes documentos: PDVSAMDP 05F01 05F02 05F03 05F04 05F05 05F06 Descripcin de Documento Hornos: Principios Bsicos. Hornos: Consideraciones de diseo (Este documento). Hornos: Quemadores. Hornos: Sistemas de tiro forzado. Hornos: Precalentadores de aire. Hornos: Generadores de gas inerte.

05F07 Hornos:Incineradores. Este documento, junto con los dems que cubren el tema de Hornos, dentro del Manual de Diseo de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualizacin de la Prctica de Diseo HORNOS, presentada en la versin de Junio de 1986 del MDP (Seccin 8).

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ALCANCESe entregar informacin acerca de la zona de conveccin, serpentn, zona de conveccin, chimenea y mltiples (Manifolds) de distribucin de flujo hacia y desde el horno en cuestin.

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REFERENCIASManual de Diseo de Proceso (versin 1986) S Vol VII y VIII, Seccin 12 Instrumentacin S Vol VIII, Seccin 14 Flujo de fludos S Vol VIII y IX, Seccin 15 Seguridad en el diseo de plantas Manual de Ingeniera de Diseo S PDVSAMIDLTP2.7 Hornos de proceso: Requisicin, anlisis de ofertas y detalles de compra



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S PDVSAMIDB201PR Calentadores de fuego directo Otras Referencias S ASME Code, Section 1, Power Boilers S ANSI Standard B31.3, Petroleum Refinery Piping S Berman, H. L., Fired Heaters III: How combustion conditions influence design and operation, Chemical Engineering, agosto 14, 1978, pp 129140 S Garg, A., Ghosh, H., Good heater specifications pay off, Chemical Engineering, julio 18, 1988, pp 7780

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SECCION DE RADIACION4.14.1.1

Arreglo de la seccin de radiacin (Layout)Tamao de los tubos y nmero de pasos Velocidad msica, G Como se discuti en el documento PDVSAMDP05F01, para desarrollar un coeficiente de pelcula satisfactorio, se debe mantener un flujo dentro de los tubos del horno adecuado, de tal forma que calor transferido de la pared de los tubos al fluido sea obtenido con una diferencia de temperatura razonable a travs de la pelcula. En la Tabla 1 se muestran velocidades msicas del fluido segn diseo para diferentes servicios. Debido a que la carga del horno, kg/s (lb/s) es determinada por los requerimientosdel proceso, la seccin transversal interna del rea total del tubo requerida es determinada dividiendo la carga por la velocidad msica. Esta rea de la seccin transversal determina el dimetro interno de los tubos y el nmero de pasos paralelos a travs de la seccin de radiacin y usualmente a travs de la seccin de conveccin: G+ donde: W p Ax Ec. (1)

G = = = = W p Ax Velocidad msica del fluido a travs del tubo Carga a travs del tubo Nmero de pasos paralelos Area de la seccin transversal a travs del tubo En unidades SI kg/sm2 kg/s kg/s m2 En unidades inglesas lb/spie 2 lb/s lb/h pie2



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Tamaos de tubos disponibles Siempre que sea posible, los dimetros de los tubos deben ser seleccionados del tamao de tubos nominales estndar (IPS), en el rango de 5 a 20 cm (2 a 8 pulg). En el documento PDVSAMDP(Pendiente) (Consultar MDP versin 1986, Seccin 14), se listan estos tamaos. Slo en ocasiones especiales, cuando los parmetros de diseo as lo exijan, pueden usarse tamaos no estandarizados. En tales casos, se pueden obtener tamaos comunes en incrementos de 0.32 cm (1/8 pulg) (o ms pequeos) de dimetro externo, 12.7,15.24 y 19.368 cm (5.0, 6.0 y 7.625 pulg). La mayora de los hornos se disean para usar tubos de 10.2 a 20 cm (4 a 8 pulg). Estos tubos y sus espesores se presentan en la Tabla 2. En caso que la experiencia no indique lo contrario, puede suponerse un espesor para la pared de los tubos con aleacin de la seccin de radiacin de 0.724 cm (0.285 pulg) mnimo. Ntese que para el caso de acero al carbn, el espesor de la pared debe ser especificado siguiendo el tamao estndar y en cambio para aleaciones se debe especificar dependiendo del espesor de la pared mnimo requerido. La Tabla 2 muestra los tamaos estndar ms comunes para conveniencia del diseador. 4.1.2 Tamao econmico de tubo y nmero de pasos 1. Los tamaos de los tubos ms econmicos son los de 10.2, 12.7 y 15 cm (4, 5 y 6 pulg). En algunos casos, a fin de obtener las velocidades msicas requeridas, se pueden usar tamaos ms pequeos, pero se debe evitar, en lo posible, ms de un paso. 2. En servicios de fludos parcialmente o todo vaporizado, o de lquidos, la dificultad de obtener una distribucin uniforme del flujo aumenta con el nmero de pasos. Por lo tanto, se debe minimizar el nmero de pasos pero siendo consistente con la distribucin del horno. Esto tiende a favorecer la seleccin de tubos largos. El mismo nmero de tubos debe ser mantenido en todas las partes del horno. 3. En servicios purovapor, se obtiene una distribucin uniforme del fluido en pasos individuales con un diseo apropiado del mltiple de distribucin. La seleccin del tamao del tubo y el nmero de pasos debe basarse en las consideraciones de arreglo del horno. En las secciones de radiacin y conveccin se pueden usar diferentes nmeros de pases y diferentes tamaos de tubos, debido a que las salidas de la seccin de conveccin pueden ser combinadas y redistribuidas con las entradas de la seccin de radiacin.



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4.1.3

Densidad calrica radiante, r Consideraciones del proceso Como se discuti en el documento PDVSAMDP05F01, la densidad calrica radiante permisible, desde le punto de vista de consideraciones del proceso, es una funcin de varios factores los cuales incluyen geometra del horno, alimentacin, servicio y temperatura de salida del fluido. Las densidades calricas mximas son establecidas no slo por consideraciones tericas, sino tambin por experiencia. La Tabla 1 lista las densidades calricas promedio para casi todos los servicios. Estas densidades, junto con otros criterios recomendados de diseo de hornos, aseguran densidades calricas adecuadas. Consideraciones mecnicas El uso de densidades calricas promedio determinadas por las condiciones del proceso resultar en temperaturas de los gases de combustin saliendo de la seccin de radiacin del orden de los 870982C (16001800F) (Temperatura de la pared divisoria, o bridgewall temperature). A esta temperatura se puede esperar un buen servicio mecnico de los soportes de los tubos y del material refractario. En caso de que la temperatura exceda los 982C (1800F) se debe usar una densidad calrica radiante ms baja. Superficie total de radiacin Temperatura de la pared divisoria, Tbw Es la temperatura de los gases de combustin saliendo de la seccin de radiacin. Debido a que los tubos protectores miran la seccin de radiacin, estos absorben parte del calor de radiacin total que es transferido. Este calor de radiacin est incluido en el calor absorbido por enfriamiento del gas de escape o temperaturas por debajo de la temperatura de la pared divisoria (Tbw). Esta temperatura (Tbw) es una funcin de la densidad calrica promedio, temperatura del metal del tubo, composicin del gas de escape y formadel horno. Estas variables estn representadas en las Figuras 1., 2., 3., 4., 5. y 6., para varios tipos de diseos de hornos. La Tbw se muestra como una funcin de la densidad calrica promedio y de la temperatura promedio del metal del tubo y est basada, para hornos de procesos, en tubos de radiacin sin coque.

4.1.4

4.1.5

Disposicin de la seccin de radiacin General Segn lo mencionado anteriormente, la distribucin de la seccin de radiacin depende de un nmero de requerimientos. La distribucin de la seccin de radiacin debe estipular suficiente espacio para la colocacin de los quemadores y para instalar la superficie de transferencia de calor requerida. El espacio requerido entre quemadores y tubos determina el espacio mnimo de los tubos alrededor de los quemadores. En muchos hornos, este espacio es fijo por lo que el nmero requerido de tubos deben ser distribuidos en este espacio o se debe aadir ms tubos al nmero mnimo requerido.



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El tamao del tubo y el nmero de pasos son seleccionados para dar la velocidad msica deseada. El nmero de pasos debe ser consistente con el tipo de horno, de tal forma que cada paso reciba la misma cantidad de calor. Mientras que los hornos verticalcilndricos pueden ser diseados para cualquier nmero de pasos, los hornos con cabina requieren por lo general un nmero uniforme de nmero de pasos de tal forma que puedan ser distribuidos simtricamente en el horno. El siguiente criterio general de distribucin debe ser usado en todas las configuraciones de hornos: 1. El espacio entre el centro de los tubos de radiacin debe ser 2 veces el dimetro nominal, codos de curva cerrada en U (Short radius Ubend). 2. Los tubos de radiacin adyacentes a la pared deben estar ubicados a una distancia de 1.5 veces el dimetro nominal alejado de la pared. 3. Los tubos de las esquinas en la seccin de radiacin deben ser ubicadas de tal manera de evitar zonas muertas ya que estos tubos reciben menos calor que la cantidad promedio.EVITE TUBOS MUERTOS

2 x IPS 1 1/2 x IPS

PREFERIBLE

A SER EVITADO

4. Para asegurar una visibilidad adecuada desde las puertas de observacin de la seccin de radiacin, el espacio entre tubos a estas puertas debe ser 3 veces el dimetro nominal (Long radius Ubend). 5. Se debe mantener compatibilidad entre la distribucin de tubera a la entrada y la recoleccin de tubera a la salida cuando se est colocando el arreglo de los tubos. Longitud de tubos La escogencia de la longitud del tubo tiene un gran efecto en el costo de cualquier calentador que est siendo diseado. Ms adelante se presenta una gua para la seleccin econmica de las longitudes de los tubos de hornos con cabina y verticalcilndricos. Las longitudes dadas son aproximaciones y pueden variar en casos individuales. Para hornos con tubos verticales, el nmero de tubos y su disposicin son desarrollados primero, una vez que se conozca la longitud del tubo. Las longitudes mximas para secciones de conveccin o para secciones de radiacin horizontales, deben ser limitadas a 30 m, (100 pie) debido a la dificultad de su manejo. Por otro lado, las longitudes mximas de tubos verticales deben ser



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limitadas a 15 m, (50 pie o ms pequeos) debido a la excesiva mala distribucin del calor de entrada en tubos largo. El nmero de tubos calculados debe ser ajustado de forma tal que se obtenga una cantidad igual por cada paso. Cada paso debe tener un nmero de tubos consistente con el tipo de diseo de horno, al igual que con las entradas y salidas (por ejemplo, la entrada del tope y la salida del fondo de la seccin de radiacin requieren un nmero impar de tubos por paso). En casos especiales se puede usar un nmero desigual de tubos por paso a fin de compensar la mala distribucin de calor a los pasos. Debido a que la cada de presin ser desigual en los pasos, se debe tomar en cuenta para el control del flujo. Espacio libre entre quemadores A continuacin se listan los espacios libre mnimos que deben mantenerse alrededor de los quemadores:

Distancias mnimas recomendadas entre quemadores y centro de los tubos Calor liberado de diseo por quemador Distancia quemadorescentro de tubos Gas Aceite MW Quemadores 0.59 1.17 1.76 2.34 2.93 3.52 Quemadores 1.47 2.93 4.40 5.86 7.33 Quemadores 4.40 5.86 7.33 8.79 10.26 11.72 MMBtu/h piepulg de tiro natural 2 26 4 30 6 36 8 40 10 46 12 50 de tiro forzado 5 30 10 32 15 34 20 36 25 38 de alta intensidad 15 40 20 48 25 410 30 50 35 52 40 56 mm piepulg 30 36 40 46 50 56 mm 760 920 1100 1220 1400 1520 920 970 1020 1100 1120 1220 1420 1470 1520 1575 1710 920 1100 1220 1400 1520 1710 1100 1120 1170 1220 1270 1400 1575 1630 1710 1730 1780 36 38 310 40 42 46 52 54 56 58 510 a. b.

El espacio libre para servicios de aceite combustible sirve de gua para servicios con combinaciones gas/aceite. No hay ajuste mnimo de espacio libre de quemador a quemador. Se debe tomar por lo menos una pulgada (25.4 mm) entre quemadores



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adyacentes. Si se va a usar un Plenum Chamber para los ruidos producidos de la combustin, se requiere aumentar el espacio para asegurar una buena distribucin de aire alrededor de los quemadores. Ver PDVSAMDP05F03, Hornos: Quemadores. c. Tambin se debe dejar espacio libre entre quemadores y el refractario, tubos, entrada a la chimenea, etc. en lnea con la excentricidad del quemador. Proveer por lo menos 2 m por MW de calor mximo liberado (2 pies por MM BTU/h de calor mximo liberado) de los quemadores, ms 1.8 m (6 pies).

4.1.6

Hornos con tubos horizontales 1. Nmero de pasos y distribucina. En la Figura 7. se muestran las distribuciones tpicas de los pasos. Las combinaciones de estas distribuciones pueden usarse para ms de cuatro pasos (Figuras 7.a y 7.D). Para servicios severos de coquizacin usar la Figura 7.C en vez de la Figura 7.A, ya que el arreglo en la Figura 7.C ofrece mejor distribucin de calor a cada paso que el arreglo en la Figura 7.A. Esto debido al uso de accesorios de enlace los cuales por ser muy costosos no deben ser usados si no es necesario

b.

2. Longitud del tubo La Figura 8. puede ser usada como una gua para escoger la longitud efectiva del tubo de radiacin en hornos de cabina con tubos horizontales segn la Figura 7. Esta longitud aproximada puede requerir ajustes, basado en el nmero de tubos y pasos, espacio entre quemadores, etc. Para la mayora de las aplicaciones, la longitud actual usada puede ser 80100% de la longitud aproximada. 3. Longitud del Horno La ubicacin de los codos de retorno afectar la longitud actual de los tubos de radiacin y conveccin. Las distribuciones posibles se muestran a continuacin:(a) (b)SECCION DE CONVECCION

SECCION RADIANTE

a.

El dibujo (a) es preferible, ya que la longitud efectiva de los tubos de conveccin es aproximadamente 0.91 m (3 pie) ms larga que la de los tubos de radiacin. Se debe proveer espacio libre para la



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expansin trmica entre los codos de retorno de la seccin de radiacin y la pared, pero esto slo afecta el diseo mecnico detallado. b. El dibujo (b) debe ser usado slo cuando se usan codos de retorno con tapones desmontables (colectores de tapones) o con accesorios de enlace. En este caso los tubos de la seccin de radiacin y conveccin tienen la misma longitud efectiva. Los codos de retorno de la seccin de conveccin deben estar siempre ubicados en los cabezales para evitar que los gases de combustin se desven al final de la seccin de conveccin.

c.

4. Seccin de radiacin y arreglos de quemadoresa. b. Suponga una fila sencilla de quemadores (para la Figura 7.D una fila en cada celda). Seleccione el espacio libre del quemador al tubo como fue establecido previamente. Para la disposicin preliminar suponga un espacio centro a centro entre el quemador y el tubo de 1.3 m (51 pulg) para tiro natural y 1.5 m (60 pulg) para tiro forzado. Dejar un espacio de 0.61 m (2 pie) entre la lnea central del tubo ms bajo de la seccin de radiacin (tubos de la pared) y el piso. Espacio de los tubos (centro a centro) en dos dimetros nominales (2 veces el tamao IPS). La distancia mnima entre las paredes radiantes y la de los tubos ser de 1.5 veces su dimetro nominal (Ver PDVSAMIDB201PR). Las secciones de transicin entre las secciones de radiacin y conveccin deben ser asumidas a un ngulo de 45 (Hip Sections). Determine el nmero de quemadores requeridos, basado en el espacio libre mnimo establecido previamente. Determine si los quemadores pueden ser acomodados fsicamente en una fila sencilla como los asumido. Si los quemadores no puede ser colocados en una fila sencilla:

c. d.

e. f.

(1) Para tiro natural, use una fila alternada (arreglo triangular) o filas dobles de quemadores y aumente el ancho de la seccin de radiacin. (2) Para tiro forzado, revise la disposicin adecuada.



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4.1.7

Hornos verticalescilndricos 1. General Muchos de estos hornos son diseados con tubos horizontales en las secciones de conveccin. Los hornos no deben ser diseados con secciones de conveccin integral (Ver Documento PDVSAMDP05F01, Figura 1b). 2. Nmero de pasos y distribucin Cualquier nmero de pasos puede ser usado en hornos verticalescilndricos, debido a que la disposicin de la seccin de radiacin es siempre simtrica. Sin embargo, algunos nmeros de pasos (1, 2, 4 u 8) tiende a simplificar la salida de la tubera. Otros arreglos pueden requerir un mltiple de distribucin (manifold) costoso, quizs no requerido, para recolectar las salidas del horno, por lo que debe evitarse su uso a menos que las consideraciones del proceso as lo exijan. 3. Longitud de tubos de radiacin La Figura 9. se puede usar para determinar el rango aproximado de la longitud de los tubos de radiacin. Siendo consistente con el criterio utilizado anteriormente, la longitud de los tubos de radiacin debe ser usualmente lo ms larga posible. Para evitar una mala distribucin longitudinal excesiva del calor de entrada, la longitud mxima del tubo normalmente debe estar entre 11 y 12 m (35 y 40 pie). En ningn caso se deben usar tubos que sean ms largos de 15 m (50 pie). 4. Disposicin de la seccin de radiacina. La circunferencia es determinada multiplicando el nmero de tubos por el espacio centro a centro del tubo. Los calentadores verticales cilndricos sern diseados con una relacin recomendada de altura a dimetro entre 2 y 3, donde la altura es la interna de la seccin de radiacin y el dimetro es el del crculo de tubos (Ver PDVSAMIDB201PR). Los codos de retorno soldados estn ubicados normalmente dentro de la cmara de combustin y la altura total de la cmara debe permitir la expansin trmica del serpentn. El serpentn de radiacin puede estar soportado en el tope y guiado en la base o soportado en la base y guiado en el tope. Con un mismo nmero de tubos de radiacin por paso, la salida estar en el tope de la seccin de radiacin (debido a que la entrada de la seccin de conveccin est en el tope). En este caso, el serpentn de radiacin debe ser fijado para eliminar el aumento vertical en la boca de salida del horno. Recprocamente, con un nmero desigual de tubos de radiacin por paso, el serpentn debe normalmente ser soportado del nivel del piso, debido a que la boquilla de salida (outlet nozzle) estn en la parte inferior del horno.

b.

c.

d.



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Los diseos de la va de enlace conveccin a radiacin son menos difciles con soportes de serpentn en el tope, debido a que esta va de enlace requiere muchos menos flexibilidad. Sin embargo, ambos arreglos son hechos rutinariamente con buenos resultados. Se deben hacer consideraciones al arreglo del manifold de salida y a la lnea de transferencia, ya que estos son afectados por la ubicacin de los soportes y los tubos de salida. e. La va de enlace (crossover) debe estar ubicada fuera del horno y no dentro del mismo. Esto permite mejor soporte y aumenta la flexibilidad, evitando problemas mecnicos potenciales. Adems, provee un espacio para instalar indicadores de temperatura entre las secciones de radiacin y conveccin.

5. Disposicin de los quemadoresa. Evitar el uso de dos quemadores en hornos verticalescilndricos. El uso de dos quemadores produce un modelo de energa asimtrico, lo que puede resultar una operacin pobre. El uso de un slo quemador requiere que el horno sea parado cada vez que el quemador tenga que ser limpiado. Por lo tanto, es preferible usar tres quemadores pequeos que uno grande en hornos de servicio continuo. Los quemadores deben estar distribuidos en un crculo (burner circle). Se debe evitar poner quemadores dentro de este circulo excepto para un nmero pequeo de quemadores auxiliares (tal como quemadores para eliminacin de desechos) los cuales deben colocarse en el centro.

b.

c.

6. Arreglo de la seccin de conveccin En adicin a la seccin general sobre el diseo de la seccin de conveccin, los siguientes puntos se especifican para el horno tipo cilndricovertical (Ver Fig. 10):a. La caja de la seccin de conveccin est soportada por la armadura cilndrica de la seccin de radiacin y por los soportes de la estructura. Las cuatro esquinas internas de la seccin de conveccin con refractario deben ubicarse encima de la parte interna de la pared de la seccin de radiacin. Esto por lo tanto fija la longitud efectiva de los tubos y el ancho de la seccin de conveccin, debido a que la combinacin de ambas es una funcin del dimetro de la seccin de radiacin. Los cabezales de la seccin de conveccin casi siempre estn extendidos ms all de la caja de radiacin. En casos muy raros donde los tubos de radiacin tienen tapones de limpieza (cleanout plugs), los tubos de conveccin (incluyendo los cabezales y las cajas colectoras) no pueden extenderse ms all del dimetro del tubo de radiacin, debido a que se debe permitir el acceso para la limpieza de los tubos de radiacin.

b. c.



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7. Hornos con slo la seccin de radiacina. Para este tipo de horno, no hay medios provistos para el enfriamiento de los gases de combustin que salen de la seccin de radiacin. La temperatura de la chimenea es la temperatura de la pared divisoria (bridgewall). La temperatura de la chimenea y la eficiencia dependen de la densidad calrica de radiacin que se escoja. La superficie de radiacin es obtenida directamente dividiendo el calor absorbido del horno entre la densidad calrica. Todos los tubos verticales en hornos con slo la seccin de radiacin, casi siempre tienen igual nmero de tubos por paso, con el serpentn soportado en el fondo.

b. c.

8. Hornos muy pequeos En el diseo de hornos muy pequeos es bastante difcil cumplir los criterios normales de diseo (carga calrica < 3 MW (10 MM BTU/h). Se debe considerar lo siguiente:a. Usualmente estos hornos poseen slo la seccin de radiacin. Sin embargo, una seccin de conveccin puede ser econmica particularmente si se usa solamente gas combustible. Consideraciones mayores que las normales deben ser tomadas para las prdidas de calor por radiacin y por otras prdidas. Por lo que se debe multiplicar el combustible neto por 1.03 para determinar el combustible total requerido. La altura mnima de la seccin de radiacin debe ser de 4.5 m (15 pie). Se debe mantener una separacin mnima entre el quemador y el tubo. Se debe aumentar la separacin entre centroacentro de tubo (discutido anteriormente) y/o reducir la densidad calrica, tanto como sea necesario. Debido a que las dimensiones del horno sern determinadas utilizando el espacio libre mnimo del quemador, la reduccin de la densidad calrica tiene el beneficio adicional de aumentar la eficiencia del horno a un costo incremental relativamente bajo. Los serpentines helicoidales frecuentemente son usados en hornos pequeos, en lugar de los serpentines comunes.

b.

c. d. e.

f.

(1) Si el serpentn no requiere de codos de retorno, se reduce el costo del horno. La cada de presin a travs del serpentn tambin se reduce eliminando los codos de retorno. La cada de presin es aproximadamente 150% de la cada para un tubo recto de la misma longitud.



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(2) Se debe usar un mximo de dos pasos de tubos. 9. Hornos multiservicio tipo verticalescilndricos La seccin de radiacin para hornos verticalescilndricos puede ser dividida en dos o tres servicios separados pero compatibles.a. Se puede usar una pared de ladrillos refractarios para dividir la seccin de radiacin en zonas separadas. Aunque cada zona tiene sus propios controles, el calor de entrada est influenciado de cierto modo por las otras zonas. Debido a que la altura mxima de las paredes internas es de por lo menos 7.6 m (25 pie), esto influira sustancialmente en hornos altos. Ver la discusin sobre hornos tipo cabina con tubos anillados (Arbor or Wicket) para mayores detalles de la pared divisoria. Se pueden instalar tambin servicios separados en la misma seccin de radiacin, pero sin la pared interior. Sin embargo, este arreglo puede ser usado slo en casos especiales, debido a que no hay forma de variar el calor de entrada relativo a los servicios individuales una vez que la cantidad de superficie en cada servicio haya sido seleccionada.

b.

4.1.8

Hornos tipo cabina con tubos PDVSAMDP05F01, Figuras 4c y 4d)

anillados

(Ver

documento

1. General El arreglo mostrado en la Figura 4d del documento PDVSAMDP05F01 es usado en hornos Powerformer, pero tambin puede ser usado para otros servicios purovapor. Estos hornos usualmente son multiservicios, con cada zona de radiacin separada de las otras por medio de paredes de ladrillos instaladas a travs de la seccin de radiacin. El arreglo sencillo mostrado en la Figura 4c del documento PDVSAMDP05F01 puede ser usado para dos diferentes servicios, uno en cada seccin de radiacin. En algunos casos, se coloca una pared de ladrillos para permitir una parada relativamente larga de cualquiera de las dos secciones. Zonas adicionales pueden ser ubicadas en la seccin de radiacin, uniendo la pared de ladrillos con otra pared. Sin embargo, con slo dos celdas, las paredes de ladrillos normalmente no son necesarias, debido a que los tubos adyacentes en las dos secciones pueden ser colocadas escalonadamente, separando cada zona de la zona adyacente. 2. Arreglo tpico Un arreglo tpico de un horno tipo cabina con tubos anillados dobles (double hoop tube cabin furnace), se muestra en la Figura 13. Este arreglo presenta tres zonas de radiacin separadas. Ntese que las secciones verticales de tubos en las filas centrales estn instalados escalonadamente y estn conectados por codos estndar doblados en U. Estos tubos son considerados tubos expuestos al fuego por un solo lado, igual que si estuvieran apoyados por una pared refractaria.



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Los anillados tambin se consideran equivalente a tubos expuestos al fuego por un lado. Aunque la Figura 13. muestra las entradas y salidas de los tubos mltiples paralelas a la seccin de conveccin, la prctica reciente es arreglar los tubos mltiples perpendicular a la seccin de conveccin. Esto con el propsito de reducir la cada de presin eliminando las conexiones tipo T y los tubos mltiples intermedios y simplificando la tubera entre el horno y los reactores. 3. Nmero de pasos, tamao de tubos y longitud Para la seleccin del nmero de pasos paralelos y el tamao de los tubos se requiere hacer consideraciones especiales, ya que la longitud del tubo por paso tambin debe ser considerada (Ntese que todas las referencias son para la Figura 13.).a. Se deben considerar varias combinaciones de tamao de tubo y nmero de pasos. Debido a que cada tamao de tubo tienen una relacin diferente de superficie de tubo a rea de flujo, cada combinacin resultar en un requerimiento diferente de la longitud del tubo. La seleccin de la longitud del serpentn est limitada relativamente, si se compara con otros diseos.

b.

(1)La altura mnima est basada en el espacio libre de los quemadores. (2)La altura mxima est basada en mantener una transferencia del calor uniforme, adems de consideraciones mecnicas. La altura se debe limitar a la longitud de tubo recto de:a. 9 m (30 pie) para 13 cm (5 pulg) IPS y dimetro de tubo ms largo. b. 7.6 m (25 pie) para 10 cm (4 pulg) IPS y ms pequeos.

(3)El ancho de la celda entre tubos (B) est basado en el espacio libre mnimo quemadoresatubo. Sin embargo, el ancho mnimo debe ser 3 m0 cm (10 pie0 pulg) centro de tuboacentro de tubo.c. Aunque se desea usar el mismo tamao de tubos en todas las zonas, esto no es necesario; y en la prctica frecuentemente se usan dos tamaos de tubos. La longitud del serpentn puede ser aumentada por un factor de dos incrementando el nmero de pasos en series a travs de la zona. Esto se hace proviendo discos ciegos o guas deflectoras en los tubos mltiples (manifolds). Las zonas A y C son mostradas con una serie de pasos, mientras que la zona B tiene dos series de pasos.

d.



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De ser necesario se puede usar cualquier nmero de pasos en series adicionales.

4. Longitud de la seccin de conveccin La seccin de conveccin se extiende a todo lo largo del horno a travs de todas las zonas de radiacin. La longitud de la seccin de conveccin es igual a la suma de las longitudes de todas las zonas de radiacin, ms el ancho de las paredes divisorias internas. 5. Requerimiento calrico de la seccin de radiacin Como en otros diseos de hornos el requerimiento promedio de la seccin de radiacin puede ser determinado de grficas de calor disponible, dada la cantidad de combustible neto y la temperatura de salida de los gases de la cmara de combustin (bridgewall temperature). Cada zona de radiacin tiene su propia temperatura de salida de gases (bridgewall temp.). La temperatura promedio est basada en las corrientes de gases de combustin combinados saliendo de cada seccin de radiacin. El diseo de la seccin de conveccin est basada en esta temperatura promedio de salida de los gases. Para servicios que estn compuestos enteramente de servicio solo radiacin, la temperatura de salida (bridgewall) es una funcin de la densidad calrica radiante y la temperatura del metal del tubo. El diseo completo de estas zonas es directo. La temperatura (bridgewall) es determinada de la Figura 5. La transferencia de calor a travs del anillo ha sido incluida en esta curva. Para servicios que combinan la transferencia por radiacin y por conveccin, el rendimiento por radiacin debe ser determinado substrayendo el otro, o sea todos los rendimientos por radiacin del rendimiento de radiacin promedio. Antes de determinar este rendimiento, se debe estimar el arreglo del horno (corregir posteriormente segn lo requerido) de tal manera de poder calcular en rendimiento de la zona de radiacin. Cada zona de radiacin contribuir al rendimiento total de la seccin de radiacin. Esta contribucin depender de la densidad calrica de la seccin de radiacin de cada zona y de la porcin de la seccin de conveccin ubicada sobre cada zona de radiacin. Las variaciones en los rendimientos relativos sobre la longitud deben ser consideradas en la seleccin de las densidades calricas para cada zona de radiacin. Por ejemplo, en el horno tpico Powerformer (Fig. 13), las zonas A y C son servicios de recalentamiento soloradiacin, mientras que la zona B y la seccin de conveccin son servicios de precalentamiento. Debido a esto, las zonas A y C contribuyen con una pequea cantidad de gas de combustin fro a la seccin de conveccin durante operacin cuando el calor suministrado a estos recalentadores es reducido, por lo tanto la zona B debe quemar ms para complementar esta reduccin en el



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calor de conveccin. Por lo tanto, la zona B debe incrementarse en tamao para evitar densidades calricas por radiacin altas durante los perodos en que las zonas A y C operan a bajo flujo. 6. Arreglo del quemador Los quemadores deben ubicarse de tal forma de dar una distribucin de calor uniforme a los tubos, consistente con el espacio libre mnimo quemadorapared. Los quemadores deben ser ubicados de tal forma que la distancia quemadorapared sea aproximadamente la mitad de la distancia quemadoraquemador. El espacio adecuado para el quemador no siempre es disponible en hornos de tubos anillados, por lo que ocasionalmente se requiere espacio libre adicional. Para quemadores de tiro natural, esto se puede obtener a travs del uso de doble fila de quemadores (Zona A). En otros hornos puede ser necesario proporcionar una longitud de celda mayor que el requerido. 7. Paredes divisorias Las paredes de ladrillos refractarios dividen las zonas de radiacin. Estas paredes deben ser 70 cm (2 pie 3 pulg) de ancho (3 ladrillos de 23 cm (9 pulg) con una construccin escalonada y una altura mxima de casi 7.6 m (25 pie). El arreglo de la seccin de radiacin debe proveer un espacio libre mnimo de 1.5 veces el tamao del tubo (IPS) entre la pared interna y los tubos anillados adyacentes (igual que entre la pared externa y los tubos).

4.24.2.1

Cada de presin a travs del serpentn de radiacinGeneralidades La cada de presin a travs del serpentn de radiacin de un horno nuevo, la calcula el vendedor del horno. Dicho clculo es complejo para servicios con vaporizacin, ya que la cada de presin por unidad de longitud cambia continuamente con cambios en la relacin gas lquido. En general, luego que se ha establecido el nmero de tubos y la disposicin de los mismos en la seccin de radiacin, el serpentn se divide, para efectos de clculo, en un nmero de partes secuenciales para el clculo de cada de presin. Se usan secciones de longitud ms corta a la salida del serpentn, ya que aqu los cambios en el volumen especfico son mayores que en otras partes del serpentn. Los clculos comienzan a la salida del serpentn, donde se conoce la presin y temperatura: en este punto, se puede calcular la entalpa y composicin de las dos fases. Luego, se supone una presin a la entrada de la seccin para clculo correspondiente a la salida. La entalpa absorbida en esta seccin (ya que se conoce la densidad de calor radiante, y sta se supone constante), se substrae de la entalpa a la salida, obtenindose una entalpa a la entrada de la seccin que se usa para obtener la temperatura y composicin a la presin asumida.



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Usando las condiciones de entrada y salida, y la longitud equivalente (tubera recta ms aditamentos), se calcula la cada de presin de la seccin, debida a friccin, cambios en la energa cintica y cambios en el cabezal esttico. Si la cada de presin calculada no se aproxima lo suficiente a la cada de presin supuesta por la presin de entrada, se supondr una nueva presin de entrada y se repetirn los clculos hasta que haya convergencia en esta seccin del serpentn. Luego, se continuar con este mismo procedimiento con las secciones restantes aguas arriba en el serpentn. Al especificar un horno nuevo, el ingeniero responsable debe especificar la mxima cada de presin permitida para el horno (seccin de radiacin y seccin de conveccin). Esta cada de presin se obtiene por experiencia con hornos similares y, generalmente, debe entregarse para condiciones del horno limpio y del horno sucio. Para hornos en servicio de vaporizacin, la cada de presin es relativamente alta, debido a las velocidades msicas requeridas y la vaporizacin del lquido:

Tipo de horno Horno limpio Horno sucioUnidad de crudo Unidad de vaco Coquificacin retardada kPa 10001400 350500 2400 psi 150200 5075 350 kPa 12001700 450700 28003500 psi 175250 65100 400500

Cadas de presin tpicas (Hornos vaporizando)

Para hornos en servicio de puro vapor, las cadas de presin son bastante menores. Por ejemplo, el horno precalentador en un reformador cataltico puede tener una cada de presin de 100 a 170 kPa (1525 psi), y el horno recalentador tan poco como 20 a 40 kPa (36 psi): la razn principal para estos valores tan bajos, es minimizar el cabezal del compresor de gas de reciclo.

En el caso que se requieran clculos detallados de cada de presin en el serpentn de radiacin, por parte de PDVSA y sus filiales, remitimos al lector a los manuales de los programas de simulacin de hornos FRNC5 (PSR) y FH0 (HTRI), que son los programas oficiales de uso para este tipo de labores. En el caso que los anteriores programas no estn disponible, puede usarse el programa PRO II (SIMSCI), el cual tiene la instruccin PIPE, la cual permite hacer clculos rigurosos de cada de presin (Flujo multifsico monofsico), con una absorcin fija de calor, simulando as, ms menos, el serpertn de un horno. Este enfoque no es tan preciso como el de los dos programas anteriormente mencionados. Remitimos al lector al correspondiente manual del programa PRO II.



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4.2.2

Factor de seguridad en la cada de presin Para compensar por variaciones inherentes a la alimentacin al horno anlisis del crudo (anlisis del crudo, contenido de agua, etc.) e imprecisiones del mtodo de clculo, es recomendable aadir un 10% a la cada de presin calculada por los mtodos presentados anteriormente cuando se estan fijando los requerimientos del cabezal de la bomba de alimentacin al horno.

4.34.3.1

Materiales y vida til de los tubosMateriales de los tubos Las consideraciones preliminares son la resistencia requerida, resistencia a la corrosin (o erosin) y las caractersticas de oxidacin (o reduccin).Conjuntamente con estas caractersticas estn el nivel de temperatura, la atmsfera del horno, y los constituyentes corrosivos del fluido del proceso o del combustible. Los materiales ms usados comnmente son acero al carbn, 1 1/4 Cr 1/2 Mo, 2 1/4 Cr 1 Mo, 5 Cr 1/2 Mo, 18 Cr 8 Ni y 25 Cr 20 Ni. Tambin se utilizan otros materiales que incluyen C 1/2 Mo, 9 Cr 1 Mo y 12Cr. Los materiales del serpentn se seleccionarn para resistir el escamamiento (scaling) exterior y la corrosin en el interior. Para evitar el escamamiento excesivo, la temperatura de la superficie exterior no debe exceder los siguientes niveles (Ver PDVSAMIDB201PR):

(1) Para los aceros tipo 18/8 CromoNquel tipo 304H/321H, se requerir adems la prueba de Sensibilidad a la formacin de fase sigma, previa consulta con la filial de PDVSA o su representante. Especial atencin deber tomarse al emplear aceros del tipo C1/2 Mo en tubos del serpentn, ms an cuando exista la posibilidad de que la temperatura de operacin de piel de tubo se encuentre por debajo de las temperaturas sealadas en la curva de Nelson, ya que se ha reportado daos por ataque de hidrgeno para este tipo de material (Vase API Publicacin 94183); por esta razn,

Temperatura Material de los tubos Acero al Carbono 1/2 Mo 1 Cr 1/2 Mo 2 1/4 Cr 1 Mo 5 Cr 1/2 Mo 9 Cr 1 Mo 16/14/2 CrNiMo 18/8 CrNi C 454 565 595 635 650 705 870 850 F 850 1050 1100 1175 1200 1300 1600 1500 (1)



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preferentemente se recomienda no usar aceros del tipo C1/2 Mo en cualquier diseo de tubos para hornos Para hornos de procesos los siguientes materiales de tubo son los ms usados (basado en condiciones internas y externas): Condiciones internas Basado principalmente en corrosin por azufre. 1. Alambique de Tubos (Unidades de crudo y vaco)a. b. c. Acero al carbono (AC) es usado a temperaturas del metal del tubo bajas, hasta que la corrosin se hace excesiva. 5% Cr es usado para altas temperaturas. Este material es adecuado para temperaturas del metal del tubo (TMT) hasta 565C (1050F). 9% Cr 12% Cr es ocasionalmente requerido en casos muy especiales, donde el crudo es extremadamente corrosivo o las condiciones operacionales resultan en temperaturas del metal del tubo muy elevadas.

2. Rehervidores, Hydrofiners, etc. La tasa de corrosin puede ser mucho mas elevada que en alambiques de tubos.a. b. c. AC es usada para temperaturas bajas. 5% Cr es usado para temperaturas moderadas (no hay aumento en la resistencia por corrosin sobre AC para servicios H2S/H2 18 Cr 8 Ni es usado para temperaturas elevadas.

3. Termoreactores (Powerformers) La seleccin del tubo depende principalmente de la resistencia al ataque de H2.d. e. C 1/2 Mo es usado para temperaturas bajas. 1 1/4 2 1/4 Cr es usado para altas temperaturas. 5 Cr es tambin usado si la oxidacin externa se hace limitante.

Oxidacin Externa Esta oxidacin juega un papel relativamente menor en la seleccin del tubo o en la tolerancia de corrosin, pero es el factor principal concerniente en la ubicacin y seleccin de los materiales de toda la superficie extendida de la seccin de conveccin. 4.3.2 Vida util del tubo Estudios realizados en el pasado han indicado que la vida econmica del tubo es de 4 a 5 aos. Esto est basado en comparaciones entre el costo de inversin inicial y los costos de reemplazo. Este diseo debe ser consistente con los programas de paradas. Se deben tomar precauciones para proveer una vida til ms larga en los tubos de superficie extendida de la seccin de conveccin, debido al costo elevado de esta superficie comparado al costo incremental de los tubos base con mayor espesor.



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Debido al conservativismo inherente en el procedimiento del clculo de hornos, casi todos los tubos de los hornos tienen una vida til mayor que la vida til segn el diseo, a no ser de que sean mal operados. Por lo tanto, para muchas aplicaciones, el diseo de la vida til de los tubos de radiacin que sobrepasen los 4 a 5 aos no se justifica. Como una manera prctica, los tubos raramente son reemplazados cuando ellos alcanzan el fin de su vida til segn el diseo. El reemplazo de los tubos es el resultado de uno de los siguientes puntos: Error del operador: un ejemplo es mantener la quema de combustible sin flujo en el serpentn. Problemas de esta naturaleza son imposibles de tomarlos en cuenta durante el diseo. Pared del tubo muy fina: al punto de que debe ser reemplazado. Esto se puede detectar con medidas o puede ser visible como un tubo deformado o roto. El tiempo para que el tubo llegue a presentar fallas es una decisin de la refinera y est basado en la tasa actual de deterioro, la vida restante calculada y las consecuencias que representan una falla de esta ndole. Por ejemplo, la falla de un tubo es un termoreactor resultar probablemente en un incendio, requiriendo el reemplazo completo del tubo; mientras que una falla en un tubo de un horno de una unidad de crudo vaco causar posiblemente humo por la chimenea y una parada no programada. Puntos calientes ocasionados por problemas operacionales (coque, choque de llama) pueden causar deformacin o rotura en los tubos.

5

SECCION DE CONVECCION5.1 AntecedentesLos gases de combustin salen de la seccin de radiacin del horno y pasan a travs de la seccin de conveccin antes de entrar a la chimenea. A temperaturas de los gases de combustin por debajo de 815980C (15001800F), la transferencia de calor por radiacin llega a ser antieconmica, y si adems se requiere recuperar ms calor de los gases de combustin, esto se lleva a cabo ms econmicamente por transferencia de calor por conveccin. Tpicamente, el 35 a 40% del rendimiento total del horno se obtiene en las superficies extendidas de las secciones de conveccin modernas. La seccin de conveccin debe disearse para transferir calor econmicamente al fluido del proceso, y al mismo tiempo no impedir la salida del gas de combustin del horno. Debido a que el coeficiente de transferencia de calor de los gases de combustin en la superficie externa de los tubos es relativamente pobre, se debe usar superficie extendida para aumentar la transferencia de calor.



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5.25.2.1

Superficie de la seccin de conveccinSeccin de proteccin Las primeras dos filas de la seccin de conveccin estn expuestas a radiacin desde la cmara de radiacin y se conocen como tubos de proteccin (shield tubes), o tubos de choque. La transferencia de calor por radiacin a estas dos filas est incluida en el rendimiento total por radiacin del horno. Debido a que estos tubos tambin reciben calor por conveccin, el rendimiento total es la suma de los rendimientos calricos por radiacin y conveccin. No se deben usar superficies extendidas en los tubos de proteccin, debido a que el calor total y las densidades calricas pueden ser excesivas, causando temperaturas altas en el metal del tubo y/o interferencia con vapor (vapor blanketing). Normalmente, se prefiere que los tubos de proteccin sean del mismo material que los tubos de radiacin. Esto no aplica cuando el servicio de estos tubos sea diferente al servicio de radiacin, tal como los serpentines de generacin de vapor en el horno de proceso.

5.2.2

Seccin de tubos lisos Aunque la superficie extendida debe ser usada lo ms posible en la seccin de conveccin despus de la seccin de proteccin, esto no es prctico para los tubos instalados inmediatamente despus de los tubos de proteccin. Las temperaturas de los gases de combustin son an altas y puede causar altas densidades calricas y temperaturas excesivas del metal del tubo. Por lo tanto, unas cuantas filas de tubos lisos (bare tubes) usualmente son requeridos antes de poder usar superficies extendidas.

5.2.3

Superficies extendidas Seleccin del tipo de superficie extendida El tipo de superficie extendida a ser usado est basado en el combustible que va a quemarse en el horno. 1. La superficie extendida tipo espiga o perno (stud type) es el nico tipo que puede ser usado si lo que se va a quemar son combustibles lquidos pesados ( = 904 kg/m3 o mayor, 25API o menos). Ver Figura 1. 2. La superficie extendida tipo aleta (fin type) debe ser usada solo cuando gas combustible o combustibles lquidos livianos van a ser quemados ( < 904 kg/m3, por encima de 25API). Ver Figura 2. En hornos donde se van a quemar diferentes combustibles, el ms pesado determina la seleccin del tipo de superficie extendida. Fjese que en hornos donde se va a quemar combustibles pesados en el futuro, se deben usar tubos con superficie extendida espigada o apernada (studded tubes). La conversin de un horno que fue diseado originalmente para quemar slo gas combustible, para permitir la quema de combustible lquido pesado requerir una modificacin.



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5.2.4

Tubos de superficie extendida tipo espiga o perno 1. Aplicacin Las espigas o pernos cilndricos (cylindrical studs) estn soldadas fuertemente al tubo en filas circulares o helicoidales. Superficies apernadas de acero al carbn, 12.7 mm (0.5 pulg) de dimetro y distanciados de las filas 15.9 mm (5/8 pulg) (63.0 filas por metro de tubo (19.2 filas por pie de tubo)) son estndar y deben especificarse. Otros tipos de superficie apernada, incluyendo dimetros de 6.4 y 9.5 mm (1/4 y 3/8 pulg) y formas elpticas estn disponibles. Sin embargo, estas no pueden usarse debido a sus desventajas, tales como baja resistencia mecnica y escasa posibilidad de limpieza. 2. Temperatura Las superficies tipo espiga o perno de acero al carbn deben ser limitadas hasta una temperatura mxima de 565C (1050F), basado en consideraciones de oxidacin. Las superficies tipo espiga o perno de acero al carbn pueden ser aplicadas a cualquier material del tubo. No se requiere alivio de esfuerzos trmicos. Por lo general, no es econmico utilizar aleaciones en estas superficies. 3. Arreglos de los superficies tipo espiga o perno (Stud Arrangement) Pueden aplicarse en todo el dimetro del tubo, o en la mitad del fondo del tubo (el lado frente al flujo de gas de combustin). Sin embargo, tubos completamente cubiertos de superficies tipo espiga o perno generalmente se prefieren y deben usarse en el diseo, a menos que condiciones especiales indiquen que puede usarse slo la mitad. Las siguientes consideraciones se aplican para la seleccin de la mitad de los tubos con superficie extendida tipo espiga o perno: a. Los diseos de tubo con la mitad de la superficie tipo espiga o perno incrementan el espacio libre vertical entre las filas de tubos. De ser necesario, estos espacios pueden ser usados para la limpieza de los tubos de la seccin de conveccin. Esta es una ventaja significativa cuando se queman combustibles extremadamente sucios, tales como residuos venezolanos. Debido a que casi todo el calor transferido es desarrollado en la mitad del fondo del tubo, la mitad de los tubos con superficie extendida tipo espiga o perno son 80% tan efectivas como todos los tubos recubiertos de superficie extendida tipo espiga o perno y, bajo ciertas condiciones, puede ser econmicamente atractivos. Sin embargo, debido a que por lo menos 20% ms de filas de tubos con la mitad de la superficie extendida se requeriran, en comparacin con tubos completamente cubiertos, se puede necesitar una fila adicional de sopladores de holln. Los ahorros realizados por usar tubos con la mitad de superficie extendida deben ser mayores que el costo de los sopladores aadidos.

b.



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c.

La aplicacin de superficies extendidas tipo espiga o perno en slo un lado de un tubo requiere tcnicas especiales, ya que las tensiones trmicas por soldar en un solo lado del tubo pueden causar deformaciones al tubo. Por lo tanto, slo pueden ser realizados por fabricantes especialmente aprobados para la operacin de este tipo de tubos. Si se usan tubos con aleaciones en las filas de tubos incremental (en vez de tubos de acero al carbn), la economa debe favorecer a los tubos completamente con superficies extendidas para minimizar el nmero de tubos con aleaciones.

d.

Si se escogen tubos con la mitad de la superficie extendida, la especificacin del diseo debe incluirlo y adems debe proveerse suficiente espacio en la seccin de conveccin para permitir el uso de tubos con la superficie completamente extendida. 4. Longitud del perno (Stud) Estn disponibles en longitudes crecientes de 1.6 mm (1/16 pulg), empezando con 19.1 mm (3/4 pulg de largo) (pernos de 15.9 mm (5/8 pulg) pueden tambin obtenerse, pero deben ser cortados y por lo tanto no son usados normalmente). La longitud mxima posible est basada en las capacidades de fabricacin y depende del tamao del tubo, debido a que el dimetro externo del tubo y del perno est limitado a 282.6 mm (111/8 pulg). La longitud mxima del perno debe ser limitada a 50 mm (2 pulg), ya que la eficiencia decrece severamente con incrementos en la longitud. La seleccin de longitudes depende de la geometra de la seccin de conveccin y la velocidad msica del gas de combustin, como se discute ms abajo. Los pernos cortos deben ser usados tan pronto como sea posible en la parte ms baja de la seccin de conveccin, por limitaciones de la punta del perno, temperaturas de pelcula y del tubo; y la longitud del perno debe ser aumentada a medida que la temperatura de los gases de combustin disminuye a travs de la seccin de conveccin. 5. Pernos por fila El nmero de pernos por fila circunferencial depende del dimetro del tubo. Este nmero por fila debe estar limitado al valor mximo listado a continuacin: Nmero Mximo de Pernos por Fila Circunferencial

100% tipo rosca (studded) 50% tipo rosca 4 6 6 6 8 8 10 10 12 (studded) * Para convertir los valores de los dimetros a mm, multiplique por 25.4 2.5 8 3 10 Dimetro externo de la tubera, pulg 3.5 4 4.5 5 5.56 6 6.63 8.63 12 12 14 16 18 20 22 28 14



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5.2.5

Tubos con aletas 1. Aplicacin Las aletas estn continuamente enrolladas alrededor del tubo en un espiral y tienen por lo menos dos vueltas por cm (5 vueltas por pulg). Las aletas deben ser soldadas continuamente al tubo por filetes (fillet) o soldadura de resistencia. Estas soldaduras son mucho ms recomendables que las de puntos intermitentes, debido a su mejor transferencia de calor y por su unin ms fuerte al tubo. 2. Tipos de aletas Aletas continuas (Figura 2.A) son hechas para forzar un corte en bandas continuas del metal alrededor del tubo. Estas son preferibles que las aletas dentadas (Figura 2.B), las cuales son construidas fijadas mediante soldadura intermitente, debido a sus mejores propiedades de transferencia de calor y una unin al tubo ms resistente. Las aletas continuas tienen una rigidez mecnica superior. Los procedimientos de clculo dados en esta subseccin estn basados en aletas continuas. 3. Disponibilidad Una variedad de aletas estn disponibles: Aletas con alturas desde 3.2 hasta 38.1 mm (1/8 hasta 1 1/2 pulg) Aletas con espesores desde 0.5 hasta 1.5 mm (0.02 a 0.06 pulg) Espacio entre aletas hasta 2.5 mm (10 aletas por pulg de tubo) No todas las combinaciones de estas variables son disponibles. Para un diseo econmico, las aletas deben basarse en lo siguiente: Altura de aletas de 12.7, 19.1 25.4 mm (1/2, 3/4 1 pulg) Espesor de aletas de 1.3 mm (0.05 pulg) Espacio entre aletas de 5,1 hasta 6,4 mm (4 5 aletas por pulg) 4. Material Casi todos los materiales de las aletas pueden ser fijados a cualquier material del tubo. Debido a que las aletas son mucho ms finas que los pernos, los materiales de las aletas deben ser seleccionados para 0% de oxidacin a la temperatura mxima de la periferia (tip temperature). Mientras mayor sea esta temperatura, mayor ser el grado requerido de la aleta. Los siguientes materiales comnmente son los usados en aletas:

5.35.3.1

Arreglo de la seccin de conveccin

Consideraciones Mecnicas El espacio y arreglo de los tubos de seccin de conveccin estn basados en las consideraciones de procesos, tales como las velocidades msicas requeridas u

Material de la Aleta AC 1113 Cr 18/8 Cr/Ni 25/20 Cr/Ni Temperatura Mxima de la Periferia de la Aleta 455 C (850 F) 677 C (1250 F) 790 C (1450 F) 980 C (1800 F)



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ptimas del gas de combustin, flujo de transferencia de calor, etc. Sin embargo, las siguientes consideraciones mecnicas tambin limitan o influyen sobre el arreglo de la seccin de conveccin. Longitud La longitud efectiva de los tubos de la seccin de conveccin y de la seccin de proteccin dependen del tipo particular de horno que se est diseando. En general, se debe usar la longitud mxima de la seccin de conveccin permitida por el diseo de la seccin de radiacin. Los codos de retorno de la seccin de la cmara de conveccin deben ubicarse en los cabezales. Por lo tanto, la longitud interna de la seccin de conveccin es la longitud efectiva. Ancho Cada fila horizontal en la seccin de conveccin debe tener por lo menos 4 tubos o el nmero de pasos en el horno, cualquiera que sea mayor (en hornos muy pequeos, se pueden usar de 2 a 3 tubos por fila). Si la seccin de conveccin es suficientemente larga para requerir uno o ms soportes de tubos (tubesheets) intermedios, sta no debe ser ms ancha de 4.3 m (14 pie), debido a las dificultades encontradas en el diseo y la fabricacin de estos tubos intermedios con longitudes mayores que sta. Secciones de conveccin cortas sin estos tubos intermedios pueden ser diseadas ms anchas que 4.3 m (14 pie). Nmero de pasos En servicios de vaporizacin, el nmero de pasos de tubos en la cmara de conveccin debe ser el mismo que en la seccin de radiacin, estando conectado cada paso con su propio conductor. En todos los servicios con vapor, donde la distribucin puede hacerse por una divisin natural, un nmero de pasos diferente puede ser usado en las secciones de radiacin y conveccin. Los flujos pueden ser combinados en la salida de la seccin de conveccin y redistribuirse en la entrada de la seccin de radiacin. Codos de retorno Donde sea posible, el arreglo y la distribucin de los tubos deben permitir el uso de codos de radio largo en U de 180 estndar. Los codos de radio corto en U son usados en situaciones especiales. Para otros casos, donde se requieren espacios no estandarizados, la siguiente tabulacin muestra los espacios mnimos de tubos para los tubos de la zona de conveccin, basado en el espacio libre requerido por fabricacin. Debido a que los codos de retorno adquiridos para los espacios no estndar son todos segn como sean pedidos, cualquier espacio por encima del mnimo es obtenible.



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Espaciamiento Mnimo Tamao de Estndar Espaciamiento Tubo Centro a Centro a Dimetro Centro Centro externo mm pulg mm mm mm 76.2 50 2 102 102 101.6 80 3 152 152 127.0 100 4 203 203 152.4 125 5 254 254 150 6 305 305 200 8 406 406 * Para convertir las medidas a pulg, dividir entre 25.4 Tamao de tubo Nominal Espaciamiento Estndar Centro a Centro mm 152 203 254 305 Mnimo Espaciamiento Centro a Centro mm 127 152 191 229

Si se requieren tapones en los cabezales para la limpieza mecnica, consulte el catlogo del fabricante o los consultores de diseo de hornos para el espacio mnimo centroacentro, si es menor que el espacio estndar deseado.

Arreglo y espaciamiento de los tubos (Ver Figura 3.) Aunque los tubos de la seccin de conveccin pueden ser situados en forma triangular o rectangular, siempre se usan formas de tringulos equilteros o issceles para las secciones de conveccin de hornos. Coeficientes de transferencia de calor para tubos lisos en forma triangular han sido incluidos con las ecuaciones de transferencia de calor debido a que la forma triangular es ms comn para calderas. Los tubos frecuentemente estn distribuidos en forma de tringulo equiltero. Sin embargo, cuando el nmero de tubos por fila horizontal es igual al nmero de pasos, los tubos pueden ser localizados en un modelo triangular issceles. La base (el espacio tuboatubo en la fila horizontal) puede ser variada a fin de obtener la velocidad msica deseada de los gases de combustin. Cuando se usan tubos de superficie extendida en la seccin de conveccin, el espacio mnimo entre las aletas o la espiga o perno (studs) del horno sobre tubos adyacentes es 38.1 mm ( 1 1/2 pulgl). Este puede estar situado en cualquier direccin y est basado en requerimientos mnimos para el diseo mecnico de los soportes de los tubos. Este requerimiento limita la longitud mxima de la superficie extendida que puede ser usada para un espacio tuboatubo dado. Un espacio mnimo de 19.1 mm (3/4 pulg) puede especificarse entre la aleta o la periferia del perno y la pared lateral de la seccin de conveccin. Salientes (Cobelling) Las guas desviadoras deben ser especificadas por cada fila de la seccin de conveccin para prever desvos de los gases de escape de la seccin de conveccin. La Figura 3.D presenta un arreglo aproximado de estas placas guas (Corbelling) y los tubos de la seccin de conveccin. el ancho mximo normal del saliente (Corbelling) es 152 mm (6 pulg). Este mismo tamao de saliente es usado a travs de la seccin de conveccin. Los salientes (Corbelling)



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reducen el rea abierta para el flujo de gases de combustin aumentando la velocidad msica del gas de combustin y el flujo de transferencia de calor. Por lo tanto, estos salientes no deben colocarse en la fila de tubos de proteccin del fondo, ya que no se requiere aumento en la transferencia de calor de esta fila. Soporte de tubos La longitud mxima sin soporte para los tubos horizontales del horno es 35 veces el dimetro externo (excepto para tubos de vapor, los cuales requieren ms soportes). Las secciones de conveccin ms largas que sta requerirn lminas de tubos intermedias para reducir la longitud sin soporte.

5.3.2

Tamao de la Tubera Nominal mm pulg 100 4 125 5 150 6 Longitud Mxima Sin Soporte, m pie 3.99 13.1 4.94 16.2 5.90 19.3

Limpieza de la seccin de conveccin El requerimiento para los sopladores de holln y la proteccin por erosin localizada de las paredes refractarias de la cmara de conveccin tiene un efecto significativo en la inversin del horno. El arreglo de la seccin de conveccin debe tomar en consideracin el arreglo ptimo de los sopladores de holln, lminas de tubos y los tubos.

Se debe tomar en consideracin la extensin de la seccin de conveccin con el fin de minimizar el nmero requerido de sopladores de holln. Un mayor ancho de la seccin de conveccin permite el uso de ms superficie de tubos por fila, lo cual resulta en menos filas verticales a ser cubiertos por los sopladores de holln. Aun cuando el total de nmero de tubos es aumentado (velocidad msica del gas de combustin y coeficiente de transferencia de calor ms bajas), la reduccin en la inversin de sopladores ser mayor que lo compensado por el aumento en el nmero de tubos. Sin embargo, reducir el nmero de sopladores de esta manera es frecuentemente imposible. Por lo tanto, se debe usar las velocidades msicas convencionales de los gases de combustin. Velocidad Msica de los Gases de Combustin 1. Cuando la altura de las chimeneas estn basadas en los requerimientos del tiro, se recomiendan velocidades msicas mximas del flujo de gases de combustin (Ver la siguiente tabulacin). Para quemar combinaciones de combustible controla el combustible ms pesado.



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Combustible Gas natural o combustible limpio Combustible lquido con bajo contenido de metales y gas cido Combustible lquido con alto contenido de metales Mxima Velocidad Msica del Gas de Combustin Recomendada, Gc kg/sm2 lb/spie 2 2.5 a 3.0 0.5 a 0.6 2.0 a 2.5 0.4 a 0.5 1.5 a 2.0 0.3 a 0.4

Estas recomendaciones son para la parte de la seccin de conveccin con la velocidad msica ms alta (es decir, la superficie extendida ms larga). Las velocidades msicas en secciones de la seccin de conveccin con tubos lisos o corta superficie extendida puede estar por debajo de los rangos recomendados. Estos rangos de mxima velocidad msica estn considerados en el diseo ptimo de la seccin de conveccin y deben ser usados en la prctica. Bajo ciertas condiciones, como se discute abajo, se deben usar velocidades msicas ms altas. En otros casos, velocidades msicas ms bajas pueden ser ventajosas, tal como minimizar el nmero de sopladores para hacer la seccin de conveccin ms amplia, como se ha discutido previamente. Sin embargo, el diseo de las velocidades msicas del gas de combustin por debajo de 1.0 kg/sm2 (0,2 lb/spie2) deben ser evitadas, debido a las caractersticas pobres del flujo de los gases de combustin. 2. Si la velocidad msica de los gases de combustin calculada anteriormente es mayor que el rango recomendado para un combustible en particular, se debe revisar el arreglo de la seccin de conveccin. Se deben aadir ms tubos a cada fila de la seccin de conveccin o aumentar el espacio tuboatubo en la fila. En cualquier caso, el ancho de la seccin de conveccin tambin aumentar. Preferiblemente, se debe aumentar el nmero de tubos por fila. Sin embargo, el nmero total de tubos por fila debe ser un mltiplo del nmero de pasos, es decir, un horno con dos pasos debe tener 4, 6 u 8 tubos por fila en la seccin de conveccin. Bajo ciertas condiciones, el nmero de tubos por fila puede desviarse de este principio. Por ejemplo, un horno con cuatro pasos puede tener 6 tubos por fila (Figura 3.C). Un paso puede tener 2 tubos en una fila y un tubo en la prxima fila. El prximo paso tendr un tubo en la primera fila, despus dos tubos en la fila siguiente, etc. Sin embargo, se debe asegurar que el calor de entrada total a cada paso sea igual. Ntese que este arreglo requiere la forma de un tringulo equiltero. Cuando el nmero de tubos de conveccin por fila es igual al nmero de pasos, el espacio del tubo en la fila puede ser variado con el fin de obtener la velocidad msica deseada. Este espacio debe ser usado para toda la seccin de conveccin.



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3. Cuando las alturas de las chimeneas dependen de consideraciones de contaminacin ms que los requerimientos de tiro, se aceptan velocidades msicas del gas de combustin mayores que las mostradas anteriormente. Sin embargo, en estos casos la cada de presin a travs de la seccin de conveccin nunca debe ser mayor que la mitad del tiro provisto por la chimenea. 4. Los hornos equipados con ventiladores del tiro inducido pueden ser diseados con velocidades msicas del gas de combustin mayores. Sin embargo, se debe considerar la necesidad de tener que desviar al ventilador durante cualquier interrupcin y enviar los gases de combustin directamente a la chimenea. La velocidad ptima debe basarse en un estudio econmico del costo del ventilador (costo de inversin y de operacin) contra ahorro de inversin de la seccin de conveccin. En general, con ventiladores de tiro inducido, la velocidad msica ptima es de 3.4 a 4.4 kg/sm2 (0,7 a 0,9 lb/spie2). 5. En las secciones de conveccin donde el flujo de gas de combustin es forzado por una presin positiva, la velocidad msica tambin debe ser ms alta. Las calderas CO son ejemplos tpicos de esta situacin. Las velocidades msicas del gas de combustin en el rango de 3.9 a 5.9 kg/sm2 (0.8 a 1.2 lb/spie2) deben ser consideradas. En estos casos la seccin de conveccin debe sellarse hermticamente para evitar fugas de gases de combustin calientes.

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CONSIDERACIONES DE DISEO DE LA CHIMENEA6.1 Tipos de construccin y arregloLas chimeneas usadas en hornos de procesos frecuentemente estn fabricadas de acero o concreto. Chimeneas de ladrillos raramente son usadas, aunque muchas de las chimeneas de concreto estn revestidas con ladrillos. Las chimeneas pueden ser colocadas en el piso al lado del horno (chimeneas soportadas por el suelo) o pueden ser montadas en el tope del horno (chimeneas soportadas por el horno). Chimeneas soportadas por el suelo Las chimeneas por debajo de una altura de 76 m (250 pie) son hechas de acero, las mayores de 76 m (250 pie) son de concreto. Estas chimeneas son usadas por diferentes hornos. Si la altura de la chimenea est basada en los requerimientos de tiro solamente, el sistema del horno con la cada de presin mayor determinar la altura de la chimenea. Si un horno est conectado a una chimenea comn y tiene que ser parado para reparacin, este horno debe estar provisto de compuertas o guillotinas en el ducto para asegurar la continua operacin de los otros hornos y de la chimenea.



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Ya que hay prdidas adicionales de presin entre la salida del horno y la entrada de la chimenea, las que son soportadas por el piso deben ser ms altas que las chimeneas soportadas por los hornos, siempre y cuando la altura de la chimenea sea determinada por requerimientos de tiro solamente. Chimeneas soportadas por hornos Estas siempre son de acero. La altura mxima econmica para estas chimeneas es de 45 a 60 m (150 a 200 pie) por encima del piso. Para alturas mayores de 60 m (200 pie) se debe especificar una chimenea soportada por el piso. Salidas de las chimeneas Por cada 12.2 m (40 pie) de longitud de tubo de la seccin de conveccin se requiere una salida. Se pueden usar chimeneas mltiples soportadas por el horno, o las salidas pueden ser dirigidas a una chimenea comn la cual puede estar soportada por el piso o por el horno.

6.2

Dimetro de la chimeneaEl dimetro es una funcin de la cantidad de flujo de gas de combustin. Las chimeneas deben ser diseadas para una velocidad de 7.6 m/s (25 pie/s). Aunque los detalles de la chimenea sean conocidos, para propsitos del diseo, el dimetro debe considerarse uniforme. La especificacin del diseo debe establecer el dimetro interno requerido a la salida de la chimenea. Las siguientes consideraciones pueden afectar el dimetro de la chimenea: Chimeneas soportadas por el horno Cuando los gases de combustin pasan directamente a la chimenea, el dimetro no debe ser mayor que la anchura externa (alrededor de 300 mm (12 pulg) mayor que la anchura interna) de la seccin de conveccin. Cuando los gases de combustin entran a la chimenea proveniente de los ductos (Figura 18a), la chimenea puede tener un dimetro un poco mayor que el ancho externo de la seccin de conveccin. Requerimientos de control de contaminacin Cuando se requieren altas chimeneas por consideraciones del control de contaminacin o por regulaciones locales, velocidades del gas en la chimenea mayores que 7.6 m/s (25 pie/s) pueden ser econmicas, ya que de cualquier manera existe tiro extra para compensar la cada de presin adicional. En ocasiones, altas velocidades pueden ser requeridas por consideraciones de control de contaminacin. Cuando se usa una restriccin en la salida de la chimenea (plancha de estrangulacin o choke plate) para obtener este incremento en la velocidad, la cada de presin a travs de esta plancha puede fijar la porcin del tope de la chimenea bajo presin interna positiva, si la velocidad a la salida est muy por encima de 7.6 m/s (25 pie/s). Esto puede causar daos a las chimeneas de concreto o ladrillos, por lo que posiblemente se requiera un revestimiento con acero. Cuando la velocidad de salida es menor o igual a 7.6 m/s (25 pie/s), la prdida a la salida es relativamente pequea, por lo que se puede ignorar el efecto de una plancha de estrangulacin.



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Velocidad mnima del gas de chimenea A velocidades menores que 4.6 m/s (15 pie/s) del gas en la chimenea, puede ocurrir inversin con aire fro en la chimenea y bajar por un lado de la misma. Esta recirculacin puede reducir seriamente el tiro disponible por lo que debe evitarse. En caso de que se opere el horno a baja carga por largo tiempo, se deben considerar las siguientes medidas: 1. Operar con alto exceso de aire Durante la operacin a baja carga, el porcentaje de exceso de aire puede ser aumentado tanto como sea necesario, para evitar recirculacin, en caso de llegar a ser un problema. Esta solucin es preferible para incrementar la velocidad del gas en la chimenea segn el diseo, y se recomienda particularmente en casos donde la altura de la chimenea est basada en los requerimientos de tiro. En tales casos, el incremento de la velocidad del gas en la chimenea requerir aumentar la altura de la chimenea. Otra razn para aceptar un porcentaje de oxgeno mayor que el diseo durante la operacin a baja carga, es cuando dificultades en el control y entradas de aire al horno, no permiten en la prctica operar a bajo exceso de aire bajo estas condiciones. 2. Aumento en la velocidad del gas en la chimenea A pesar de las consideraciones anteriores, se hace necesario por razones de procesos y operabilidad del horno o economa de la planta, disear un horno y su chimenea para que operen con el porcentaje de exceso de aire del diseo a baja carga. Esto significa que la chimenea tiene que ser diseada para una velocidad del gas en la chimenea de por lo menos 4.6 m/s (15 pie/s) para la menor carga esperada; y que a las condiciones de diseo la velocidad del gas en la chimenea puede exceder 7.6 m/s (25 pie/s). 3. Plancha de estrangulacin removible Se puede considerar una tapa o plancha de estrangulacin removible, como un medio de aumentar la velocidad del gas a la salida de la chimenea durante la operacin inicial a baja carga. La tapa puede ser removida cuando se le aumente la carga del horno.

6.3

Revestimientos de la chimeneaTodas las chimeneas de acero al carbn requieren revestimiento para mantener la temperatura de la armadura por debajo de 480C (900F). La armadura o carcaza de acero debe tambin ser protegida si la temperatura es menor de 175C (350F).



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MULTIPLES Y LINEAS DE TRANSFERENCIA7.17.1.1

Mltiples (Manifolds)Generalidades Los mltiples son utilizados para distribuir y recolectar fluidos de los diferentes pasos de los hornos. Estos mltiples deben estar diseados para alcanzar una distribucin uniforme del flujo en todos los pasos del horno. Una mala distribucin del flujo por los pasos del horno puede causar que algunos de ellos se queden sin flujo, resultando en sobrecalentamiento y quema de los tubos. Se debe proveer proteccin por bajo flujo (o flujo interrumpido) de acuerdo con el documento PDVSAMDP(Pendiente: consultar MDP versin 1986, Subseccin 15E). Servicios de vaporizacin Los mltiples de entrada no pueden proporcionar una distribucin del flujo adecuada en servicios de vaporizacin. Debido a que esta distribucin del fluido nunca ser perfecta, el paso con poco flujo absorbe la misma cantidad de calor, lo que resulta en una alta temperatura a la salida del serpentn, y aumento de la vaporizacin. Este incremento en la vaporizacin origina un flujo invertido en este paso y causa mala distribucin del fluido, hasta que el sistema quede finalmente desbalanceado. Bajo condiciones de poco flujo poca cada de presin, esta situacin puede originar rpidamente coquificacin en los pasos. An en condiciones mximas de operacin, este paso ms caliente coquifica mucho ms rpido que los pasos fros y se convierte en una limitante para el proceso. La instrumentacin de control de flujo automtico instalado debe ser especificado para servicios con formacin de coque (para temperaturas a la salida del serpentn por encima de los 315C (600F)). Los indicadores de flujo y las vlvulas de globo (generalmente 1 a 2 tamaos menores que el tamao de la lnea) deben ser especificados para servicios no crticos y sin coque, tales como rehervidores, los cuales pueden tolerar cierta mala distribucin del flujo. Se debe asegurar buena operacin de los TR instalados a las salidas de los serpentines. Se deben revisar las condiciones de arranque para asegurar que las vlvulas puedan controlar adecuadamente los bajos flujos y las altas cadas de presin que se encuentren en un momento dado. Las corrientes del proceso con una vaporizacin significativa a la entrada del horno, no pueden ser reguladas adecuadamente con vlvulas de control de flujo. Por lo tanto, si no se puede tolerar mala distribucin del flujo en los pasos, se debe evitar vaporizacin aguas arriba de estas vlvulas de control. Muchos hornos han operado satisfactoriamente con un porcentaje de vapor de hasta 0.01 kg/kg (1% en peso) antes de las vlvulas de control, y este lmite debe

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ser utilizado en hornos destiladores y en hornos similares. Si se espera mayor vaporizacin, el sistema debe ser rediseado de tal forma que la vaporizacin no sea mayor de 0.01 kg/kg (1% en peso) en el punto donde el flujo es dividido y controlado. Por supuesto que este lmite no aplica en hornos con un slo paso. Algunos hornos pueden tolerar una mala distribucin del flujo relativamente alta entre pasos, y en estos casos, un grado de vaporizacin en la entrada del horno es aceptable. Estos casos deben ser evaluados en una base individual, considerando la experiencia previa que se tiene con respecto al nivel de temperatura, tendencias de coquificacin, etc. Debido a que los controladores de flujo no son efectivos en estos casos, el arreglo de la tubera de entrada debe proveer la mejor divisin posible de los flujos. El arreglo debe ser simtrico, con las divisiones de flujo acabadas por tramos en T de tuberas horizontales. 7.1.3 Servicios de una sola fase Lquido Hornos alimentados slo con lquido tienen requerimientos similares que los servicios de vaporizacin, o sea que deben ser provistos de reguladores para la distribucin del flujo pasoapaso. Una mala distribucin del flujo puede causar que el fluido sea subalimentado en un paso y se evapore, ocasionando el mismo problema encontrado en servicios de vaporizacin. Sin embargo, esto no parece ser un problema muy severo en la mayora de los casos, y por lo tanto, al igual que en servicios de vaporizacin sin coquificacin, indicadores de flujo y vlvulas de globo en cada paso proveern adecuada distribucin del flujo. Se debe asegurar la buena operacin de los TR instalados a la salida. Vapor La distribucin adecuada del flujo en hornos con puro flujo de vapor no requiere vlvulas de control en los pasos individuales; en cambio se puede hacer una divisin natural mediante un apropiado diseo de los mltiples de entrada y salida del horno. Los mltiples de entrada y salida deben ser dimensionados de tal forma que el cabezal dinmico en el mltiple, en el punto de mxima velocidad, no sea mayor que el 5% de la cada de presin de cada paso individual. Las siguientes ecuaciones pueden ser usadas para determinar el dimetro interno del mltiple.2 Ph + V 2g

Ec. (2)



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donde:

Ph V g = Cabezal dinmico en el mltiple = Velocidad lineal del fluido = Aceleracin de la gravedad En unidades SI m de fluido m/s 9.81 m/s2 En unidades inglesas pie de fluido pie/s 32.17 pie/s2

En otras unidades,

P

h+

F 50 W2 D4 i

Ec. (2a)

donde:

Ph W Di F50 = = = = = Cabezal dinmico en el mltiple Flujo msico Densidad del fluido Dimetro interno de mltiple Factor cuyo valor depende de las unidades usadas En unidades SI kPa kg/s kg/m3 mm 8.1x10 8 En unidades inglesas psi lb/s lb/pie 3 pulg 3.625

Si Pt es la cada de presin total a travs del serpentn, entonces para dimensionar el mltiple se usa: Ph

+ 0.05 DP t4

Ec. (3) Ec. (4)

D i + F 51 donde:

W2 DP t

DPt F51 = Cada de presin total a travs del serpentn = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas En unidades SI kPa 357 En unidades inglesas psi 2.92

La tubera tpica de entrada y salida de un mltiple de un horno est ub

consideraciones de diseño

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