Hornos de procesos

UNIVERSIDAD LAICA ELOY ALFARO DE MANABÍ

FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

OPERACIONES UNITARIA

HORNOS DE PROCESOS

Integrantes:

ARAUZ MEDRANDA TEDDY IVAN

MERO MERO JEFFERSON SEBASTIAN

DOCENTE:

Ing. JOUBER ANTONIO AZUA ALVIA

SEMESTRE:

OCTAVO “B”

MANTA-MANABI-ECUADOR

2021(2)

Indice

-Definición

-Esquema

-Clasificación

-Aplicación en la Industria

-Bibliografía.

Definición:

HORNOS DE PROCESOS

Puede definirse un horno como un gran intercambiador de calor, cuya fuente de energía (o potencia) proviene de la combustión de un combustible. Como el calor proviene de la combustión, el diseño del horno obliga a tener un dispositivo adecuado para la combustión de un combustible (quemador) En un intercambiador de calor básico existe un fluido frío que se calienta conforme un fluido caliente se enfría. Globalmente este calor transferido desde el caliente al frío atraviesa una superficie de determinada área. Por definición de Horno el fluido caliente son los gases durante y después de la combustión en un quemador y el fluido frío (de procesos) circulará dentro de tubos. El área de intercambio depende de la cantidad de tubos de procesos y otros factores geométricos (Largo de los tubos, diámetro, Schedule, etc.). Los arreglos de hornos dependen si el fuego de la llama del quemador (a mayor temperatura) irradia de un lado de las caras de los tubos radiantes o si se irradia a ambos lados.

Hornos de Procesos:

Estos hornos proveen la energía para un proceso en un equipo aguas abajo; x.ej. Torre de destilación, reactor, reboiler, etc.

-Partes claves de un horno

Las partes clave del Horno desde el punto de vista del calor transferido al proceso son:

Zona Radiante

Escudo o banco de choque

Zona de convección

Quemadores

Refractario

Chimenea

-Esquema

Zona Radiante

En la zona radiante se encuentran los quemadores y es donde los gases de combustión están a mayor temperatura. En esta zona es donde ocurre la combustión del combustible, por lo tanto dispone de quemadores adecuados para la mezcla correcta aire-combustible y un espacio suficiente para que la combustión ocurra de manera controlada y segura.

Escudo o banco de choque

El escudo del horno corresponde a las primeras 2 o 3 filas de tubos en el banco de convección. Donde finaliza La zona radiante y comienza el banco de convección los gases aceleran pero aún están muy calientes. Normalmente el diseño típico del horno evita poner las primeras filas de tubos con superficie extendida (mínimo de 2 filas porque la ubicación en tresbolillo en el banco de convección dejaría algunos tubos de esta zona, expuestos a las condiciones severas de la zona Radiante)

Zona o Banco de Convección

Luego del escudo los gases llegan al banco de convección. Estos gases están más fríos que en la zona radiante y por lo tanto la capacidad de emisión de radiación térmica es menor. La zona de convección se diseña para absorber la mayor cantidad de potencia que aún disponen los gases aprovechando la transferencia de calor por convección. Estructuralmente esta parte es casi continuación del escudo, sin embargo la diferencia más importante es la utilización de tubos con superficie extendida y corbelling en las paredes de refractario5 . Los tubos son en general más largos que los de la zona radiante con superficie extendida6 cuyos retornos se encuentran por fuera del banco siempre. La clave de una buena transferencia de calor por convección es la velocidad de los fluidos involucrados. A mayor velocidad: mayor turbulencia y las capas límites que ofrecen resistencia a la transferencia de calor disminuyen

Superficie Extendida

La elección del tipo de superficie extendida depende del combustible usado9 y de la cantidad de cenizas que contiene el combustible. En el caso de combustibles líquidos pesados, tipo Fuel Oil u otros hidrocarburos (API25°) o gas (de refinería o Gas natural) se recomienda el uso de aletas (Fin). Para hornos que puedan quemar ambos tipos de combustibles, la elección del tipo de superficie extendida es definida de acuerdo al combustible más pesado utilizado.

Tipos de pernos / Stud

Son cilindros soldados sobre la pared exterior del tubo. El material normalmente es acero al carbono (Carbon steel, CS) por lo que limita la temperatura al que pueden estar expuestos para permitir un tiempo de vida útil razonable por degradación térmica o excesiva oxidación. La temperatura no debe ser mayor a 1050°F (565°C). A medida que se utilizan stud más largos, la temperatura de operación máxima disminuye ya que el extremo del stud está cada vez más caliente10 conforme el stud es más largo, para igual temperatura de gases externa. Los arreglos pueden ser circulares o helicoidales.

Tipo aleta (Fin)

En general las aletas van soldadas transversalmente al tubo 11, y la bibliografía indica cerca de 5 aletas por pulgada lineal de tubo. Existen tubos aletados continuos o con aleta aserrada para aliviar dilataciones de la misma que redundan en esfuerzos sobre el tubo o sobre la misma aleta, deformándolas.

Retornos del banco de convección

Los retornos de los tubos en la zona de convección están siempre fuera del banco de convección propiamente dicho (son tubos sin intercambio de calor) debido a que la misma geometría de los retornos actuaría como by-pass de humos. Los retornos van en una caja de humos (header box) 12 de manera que los tubos expuestos al flujo de gases tengan un área de flujo constante sin by-passes posibles

Placa de tubos

Normalmente construida del mismo material que los soportes de tubos en la zona radiante. La placa de tubos es el soporte estructural del banco de convección y es una parte clave de la integridad del banco de convección y de todo el horno.

Chimenea y Damper

El diseño de chimenea es clave para lograr el tiro necesario dentro del horno. El damper que actúa como una válvula mariposa sirve para controlar el tiro. El detalle de Tiro de un horno y control del mismo se discutirá en el capítulo referente al tiro de hornos. En general cuanto más alta la chimenea à mayor tiro. Desde el punto de vista ambiental es beneficioso ya que la expulsión de gases (función de la chimenea) ocurre a mayor altura y con menores probabilidades de que los gases lleguen a nivel de piso. Las chimeneas se construyen en acero al carbono u hormigón armado con refractario interno.

Diámetro de chimenea

Depende del caudal de gases liberados por diseño para que la velocidad de escape sea de unos 3-4 m/s (valores de diseño), sin embargo existen otros parámetros que inciden en el diámetro de las chimeneas (requerimientos de control atmosférico, consideraciones estructurales, etc.)

Balance global de Calor

El calor entregado en un horno es suministrado fundamentalmente por la combustión de un combustible. En detalle existen otras fuentes de energía que ingresan al horno, utilizando conceptos de ingeniería de balance de calor se puede plantear una serie de ecuaciones.

Debe leerse: calor que entra al horno (Qin ) = Calor absorbido por el proceso (Duty = energía útil) + Calor perdido (Qperd)

-Clasificación

Tipos de diseño

-Tipo Cabina / Tubos Horizontales / simple llama (single fired)

Ejemplos: Hornos 140B, 104B, 901B

Se considera estos diseños cuando la carga tiende a formar coque. Los tubos van montados sobre las paredes principales del horno y en el techo, las dos paredes laterales no llevan tubos y en ella se montan las puertas de explosión: en general el diseño típico de hornos considera las dos paredes laterales “libres” para desagotar la onda expansiva en caso de una explosión.

Tipo Cilíndricos, Tubos Verticales:

Ejemplos: Hornos 11B, 12B, 2101B, 2102B, 2205B, 3101B

Los Hornos cilíndricos son más económicos de construir respecto a los hornos tipo cabina. La ventaja es que cada tubo recibe la misma cantidad de flujo térmico si la disposición de los quemadores es adecuada, por lo tanto el flujo térmico es más homogéneo en el horno y cada pase recibe la misma cantidad de potencia radiante, esta ventaja se mantiene independientemente el número de pases que tenga el horno. La desventaja más importante es la perdida de carga mayor por diferencia de energía potencial en cada tubo, y además la posibilidad de no drenarse por gravedad por lo que para el vaciado del serpentín debe usarse un fluido tipo vapor o nitrógeno para purgar el producto. Una desventaja importante desde el punto de vista de mantenimiento es la dificultad para cambiar tubos en la zona radiante.

Tipo “U”-invertido- (Hoop Tube/Wicket-Arbor)

Ejemplos: Hornos: 2201B, 2202B, 2203B; 2204B

El diseño permite velocidad por tubos muy baja con consecuente baja pérdida de carga. Hornos con muchos pases, hasta 120 pases según bibliografía. La principal desventaja es que normalmente estos diseños requieren temperaturas de operación elevadas y solo puede aprovecharse el calor radiante. El clásico esquema a contracorriente de un horno, en donde la carga ingresa por la zona de convección (en contacto con los humos más fríos) no puede aplicarse porque la carga de entrada está muy caliente y la diferencia térmica humos-procesos no amerita el diseño de un banco de convección.

Tipo Helicoidal Vertical

Ejemplos: Horno 3401B

Permiten un drenaje completo sin posibilidades de golpes de ariete Desventaja: tamaño del serpentín condiciona el transporte, debe tenerse cuidado con líquidos o problemas que hagan vibrar el serpentín. Hornos con más de dos pases requiere cuidado para la distribución de flujo térmico homogénea. El único ejemplo en RLT es el horno de Prime G 3401B, un horno pequeño (Duty = 0.888MMKcal/h), y se construye para calentar una carga en fase vapor.

Tipo cabina/ tubos horizontales / doble llama (double fired)

Ejemplos: Horno 103B

El diseño de hornos de doble fuego es clave para asegurar una distribución de calor más homogénea en el tubo. Estos hornos se usan para calentar carga a elevadas temperaturas, que tiende a formar coque por descomposición térmica, por ejemplo cargas de Visbreaking, Delayer coker etc. Como el tubo es irradiado por fuego directo en ambas caras, el flujo térmico promedio y el máximo es menor que en el caso de los tubos con fuego de un solo lado (single fired), además la distribución de flujo térmico es más homogénea dentro del horno por lo que sumado a todo, se evitan temperaturas de piel de tubos muy altas y de esa manera se evita la formación de coque.