Hornos

Un horno de proceso es un equipo constituido por un cerramiento metálico revestido interiormente por una pared refractaria aislante, dentro del cual se dispone de un serpentín tubular por el que circula un producto que se desea calentar y/o evaporar a través del calor liberado por un combustible sólido, líquido o gaseoso que reacciona en el quemador liberando gases de combustión calientes que entregan calor por radiación al serpentín.

Un mazo tubular ubicado por encima de la zona radiante, en el camino de salida de los gases a la chimenea, recupera calor de los humos, mediante un mecanismo de convección. Esta sección se denomina zona convectiva.

La utilización de estos equipos puede tener distintos propósitos como precalentamiento de una corriente previa a su fraccionamiento o reacción, evaporar la corriente de fondo de una columna de destilación o disminuir la viscosidad de un fluido para facilitar su manipuleo.

Pueden utilizarse también como reactores, en este caso proveen el calor de reacción. La cantidad de combustible alimentado al horno se regula normalmente en función de la temperatura de salida de la corriente de proceso.

Calor en el Horno

El calor en los hornos es intercambiado en dos zonas bien diferenciadas, como es la zona radiante y la convectiva. En la primera el calor es transferido por radiación a los tubos, luego los gases de la combustión son dirigidos hacia la zona de convección pasando previamente por la una zona de protección denominada zona de choque, la cual protege de la radiación del hogar a los tubos de la zona de convección. El mecanismo de intercambio de calor en la zona de convección permite que los tubos posean superficie extendida como lo constituye el agregado de aletas o pernos, que mejoran sensiblemente la transferencia de calor y la eficiencia de los equipos.

Normalmente los hornos se dividen en tres partes:

Sección RADIANTE: donde los tubos están en presencia de la llama. En esta parte la transmisión de calor es por radiación en un 80 % aprox y un 20 % por convección de la circulación de gases calientes alrededor de los tubos.

Sección de CONVECCION: Los tubos están fuera del alcance de la llama. Los gases caliente se direccionan a través del paquete de tubos. El calor transmitido es por radiación del CO2 y H2 O en los gases calientes además del calor por convección. Los tubos están equipados con aletas para mejorar las condiciones de transmisión de calor.

Sección de BLINDAJE: Las primeras filas de tubos del área de convección son la zona de CHOQUE (SHOCK) en ella los tubos no tienen aletas, reciben la misma cantidad de calor por ambos mecanismos. Podemos clasificar los hornos en:

Podemos clasificar los hornos en:

• TIPO CILINDRO VERTICAL• TIPO DE CAJA O CABINA (BOX HEATERS)

a) Tubos horizontales. Calentamiento simple.b) Tubos horizontales. Calentamiento doble.

Hornos verticales

En estos tipos de hornos el serpentín o arreglo al igual que la pared de la cámara de combustión están dispuestos de manera vertical (con respecto al suelo). Pueden tener o no una sección convectiva, que dependerá de la magnitud de la carga calorífica requerida.

Cilíndrico todo radiante

Este tipo de horno se caracteriza por brindar un rango de operación comprendido entre 150 y 5800 kW. Por trabajar con cargas caloríficas relativamente bajas no existe la presencia de una zona convectiva (banco de tubos); por el hecho de que sobre el flujo másico de los gases no se realiza trabajo se diseña la transición de la cámara de combustión a la chimenea con una geometría cónica, de tal manera que los gases tengan un aumento de velocidad por el cambio de área y puedan salir con mayor facilidad. Los quemadores se colocan en el piso. De igual manera se pueden colocar los tubos sobre la pared en forma helicoidal, pero se corre el riesgo de que el fluido de trabajo siga recorridos preferenciales dentro de los tubos, lo que traería desventajas si se presentan estancamientos del fluido y afectar la transferencia de calor; en la configuración helicoidal la caída de presión es mayor que la netamente vertical. Por su configuración geométrica, este tipo de hornos puede ser un medio en áreas pequeñas para su establecimiento y representa una solución de bajos costos, aunque su eficiencia también es baja

Cilíndrico convectivo

Estos hornos manejan cargas caloríficas que van desde 2900 hasta 58600 kW. El quemado del combustible se realiza desde el suelo. El arreglo de tubos se coloca verticalmente y se integra una zona de convección en el serpentín es colocado a manera de banco de tubos horizontalmente y se sitúa por encima de la cámara de combustión, ya que se desea aprovechar la energía térmica de los gases de combustión antes de salir al medio ambiente.

Posiblemente sea la configuración de hornos más utilizada, ya que presentan una buena relación ente la eficiencia que brindan y el espacio que ocupan.

Cilíndrico con convección integral

En este tipo de horno la sección convectiva se integra en la parte superior de la cámara de combustión y como el coeficiente convectivo de los gases es muy bajo se agregan superficies extendidas; de igual manera se coloca un bafle de forma cónica o cilíndrica con la función de desviar el flujo, crear mayor turbulencia y aumentar su velocidad. Al añadir aletas en la sección convectiva se busca aumentar la eficiencia; se recomienda que el combustible a quemar en este tipo de horno no genere demasiada ceniza, porque la disposición de la zona convectiva integrada con sus arreglos de aletas, hace difícil la limpieza y podrían quedar residuos de cenizas adheridas a las paredes de los tubos afectando la transferencia de calor.

El espacio ocupado por este tipo de hornos es similar en magnitud al de los hornos descritos anteriormente y el rango en que opera va desde 2900 hasta 29300 kW; los quemadores se sitúan en el piso del horno. En el pasado se utilizaban en las mayorías de las instalaciones, pero poco a poco se ha dejado atrás su diseño.

Tambor o pórtico

Este diseño de horno tiene cámara de combustión y banco de tubos horizontales (para recuperar el calor de los gases) como dos etapas separadas. Los tubos en la zona radiante están conectados en los extremos a múltiples terminales y tienen forma de U.

Este tipo de horno es utilizado principalmente en operaciones de recalentamiento y calentamiento de la carga para reformadores catalíticos en la industria petrolera. Es adecuado 18 utilizar este diseño cuando se manejan flujos de grandes cantidades de gas bajo condiciones de pequeñas caídas de presión.

Por otra parte, dentro de una misma estructura pueden crearse más de un pórtico al añadir paredes separadoras; el rango típico de trabajo es de 14700 – 29300 kW.

Tubos verticales con generadores dobles

Este diseño permite dividir en dos cabinas la zona radiante. El serpentín, orientado verticalmente, se coloca en el medio de ambas cámaras de combustión y los quemadores se disponen a los lados colocados a lo largo de las paredes

El fluido de trabajo se hace pasar primero por un banco de tubos horizontales y luego se divide en dos para recorrer respectivamente ambas secciones radiantes. Estos hornos ocupan un espacio mayor que los anteriormente descritos y permiten que la distribución de calor en la zona radiante sea más uniforme; aunque se llegan a obtener valores relativamente altos de eficiencia, con respecto a los anteriores, estos hornos son más costosos. Su rango de operación está comprendido entre 5900 – 36700 kW.

Hornos Horizontales (Horno Seleccionado)

Hornos horizontales Los tubos en la zona de radiación están colocados horizontalmente y es raro encontrar un diseño sin la presencia de una zona convectiva; presentan una mayor eficiencia con respecto a los hornos de tubos verticales. Se recomienda diseñar todos los bancos de tubos convectivos de tal manera que puedan ser limpiados bajo los métodos normales de soplar hollín.

De cabina sencilla o múltiple El número de cámaras independientes dependerá de la carga calorífica en operación. El banco de tubos horizontales se coloca encima de las(s) cámara(s) de combustión. Este tipo de horno brinda una solución de bajo costo, aunque esto dependerá del número de cámaras requeridas. La quema de combustible puede ser vertical (los quemadores se sitúan en el suelo) –perpendicular a los tubos- u horizontal (los quemadores se colocan sobre las paredes). En el caso de que existan dos o más cámaras, los tubos no son colocados sólo sobre las paredes, sino también sobre el techo de cada cabina y se unen en un único banco de tubos (convectivos) por encima de la zona de radiación. Ambas secciones de radiación y convección están separadas por una

pared llamada altar. El rango de operación de un horno de cabina sencilla comprende 2900 – 29300 kW, mientras que el de doble cámara va desde 29300 hasta 73300 kW.

Cabina dividida Se pueden tener dos cabinas a partir de una única cámara de combustión al colocar una pared (en inglés bridgewall) que divide al horno en dos secciones, con sistemas independientes de quemado de combustible, el cual puede ser horizontal o vertical; esto permite tener una distribución más uniforme de la generación y transferencia de calor en la zona de radiación.

Puede llegar a brindar mejor eficiencia que un horno de cabina sencilla y ocupar el mismo espacio; el banco de tubos que presenta este diseño tiene las mismas características que el de los descritos anteriormente y tiene una capacidad de carga que comprende un rango de 5900 hasta 29000 kW. Se recomienda usar este tipo de horno cuando los tubos en la sección radiante sobrepasan aproximadamente los 24 m.

Eficiencia del horno.

La eficiencia de un horno es el porcentaje del calor liberado en la llama que es absorbido por el fluido calentado.

Los valores van de 70 % al 95 %.

La fuente de la ineficiencia son: Las pérdidas de calor en las paredes del horno (un 2 % es valor aceptable en el diseño) y las perdidas en los gases producidos. La temperatura de salida de los gases ha de ser de 50 a 75 oF (25 a 40 oC) superior a la del fluido de entrada.