Capítulo I

 

CAPÍTULO I 1.1 Planteamiento del problema Los calentadores a fuego directo son equipos requeridos dentro de la industria de Refinación y Petroquímica para suministrar grandes cantidades de energía a corrientes de proceso contenidas en serpentines tubulares a partir pa rtir de la combustión de combustibles líquidos y gaseosos, elevar niveles de condiciones temperatura y modificar sus características químicas y para físicas, para sus cumplir con las condicione s de proceso. El diseño de un calentador a fuego directo requiere de un amplio conocimiento y experiencia que involucran problemas de transferencia de calor, combustión, flujo de fluidos, así como problemas mecánicos y estructurales, por lo que es importante especificar correctamente los calentadores y asegurarse que todos los elementos esenciales se han considerado. Las eficiencias calculadas y reales garantizadas deben estar basadas en la carga térmica de diseño, el poder calorífico inferior del combustible suministrado y debe incluir un mínimo de 1.5% de pérdidas por radiación de la liberación de calor de diseño. Los calentadores que emplean sistemas de precalentamiento de aire deben incluir un mínimo de 2.5% de pérdidas por radiación de la liberación de calor de diseño. Cuando la eficiencia no se logra obtener obtener en el proceso, una causa de este problema es que los gases o líquidos de combustión contienen residuo (corrosión), que incrementa la caída de presión, normalmente una acumulación de coque y escoria, en la superficie interna de los tubos del serpentín, expresado en milímetros. Este valor se debe utilizar en el cálculo cá lculo de la caída de presión en sucio. El funcionamiento del equipo dentro de las variaciones previstas a las condiciones de operación, capacidad y eficiencia especificadas resultan ser afectadas por la corrosión que se genera dentro de las tuberías, lo cual afecta a la eficiencia del equipo, también se genera un gran impacto a las estructuras las cuales se ven forzadas a trabajar con una capacidad mayor a la de operación normal, los cuales necesitaran mantenimiento o reemplazo de piezas de ser necesario.  Al mismo tiempo es necesario proteger al calentador debido a que si no se detectaran las altas temperaturas, se podrían dañar los tubos de dicho calentador y así tener un daño casi irreparable o muy costoso. También es necesario proteger al medio me dio ambiente debido a que estos equipos son los que más contaminación generan, además, se evita tener problemas con las auditorías ambientales que se efectúan cuidando que se tenga una combustión adecuada.

 

1.1.1 Antecedentes del problema CALENTADOR A FUEGO DIRECTO. Es de vital importancia para la gran mayoría de los procesos industriales el uso de una fuente de calor alterna, es por esto que en la industria de la refinación y la petroquímica frecuentemente se requiera suministrar calor a altas temperaturas a algunas corrientescalentadores. de procesos para diversos fines, para ello son utilizados los equipos llamados En los primeros tiempos el hombre tuvo necesidad de hacer uso de fuego directo en muchas ocasiones y con poco éxito, el mayor problema del fuego directo es la falta de control de la flama y la distribución del calor uniforme, un calentador a fuego f uego directo se puede definir como un conjunto de dispositivos por medio de los cuales el calor liberado de la combustión que se realiza dentro de una cámara aislada, se transfiere a elevadas temperaturas a un fluido que se encuentra en el interior de un serpentín de tubos que comúnmente se coloca a lo largo de las paredes y techo de la cámara de combustión. Se denominan calentadores a los que solamente se usan para suministrar calor a la corriente de proceso, ya sea para par a calentarla o evaporar una parte par te o toda la carga sin que haya cambios químicos, por ejemplo: calentadores de carga al reactor, rehervidores de columnas de destilación, sobrecalentadores de vapor, vapo r, calentadores a fuego directo, calentadores de gas, etc. Los calentadores a fuego directo de tipo convencional funcionan por medio de tiro natural, es decir, la elevación de los gases producto de la combustión contenidos en el calentador crea una presión menor a la atmosférica lo cual induce a que el aire penetre dentro de la cámara de combustión y se expulsen los gases producidos. Los problemas de servicio surgen y se desarrollan en el tiempo como aparicion de depositos de impurezas que poco a poco se acumulan sobre las superficies de transferencia termica, disminucion del metal comido por la corrosion, reduccion del espesor de los tubos por la erosion, los aumentos y bajadas terrnicas (cíclicas) producen la aparicion de grietas, las conexiones de los controles se llegan a taponar, las tensiones debidas a la presion y variacion termica afectan a la capacidad del metal para resistir los esfuerzos, y asi toda una serie de problemas operativos similares tienen lugar debido al desgaste y corrosion del equipo. Hay muchos problemas operativos que afectan a la produccion y rendimiento Muy a menudo está asociada con acumulación a cumulación de impurezas en el combustible utilizado en la combustión del calentador a fuego directo, se necesitan ajustes y verificaciones de presión, nivel de la llama, calor dentro del hogar, y que no haya perdidas de calor que afectan gravemente al rendimiento, se verifica para p ara mantener sus exigencias formales de trabajo.

 

1.1.2 ENUNCIADO DEL PROBLEMA En las plantas de proceso los intercambiadores de calor tienen una gran importancia, los calentadores a fuego directo deben de trabajar dentro de las variaciones previstas a las condiciones de operación, capacidad y eficiencia especificada en la hoja de datos. Para lograryalaque eficiencia requerida equipo,conelelquemador juega un papel importante está diseñado paradel funcionar combustible indicado en la hoja de datos del quemador, el quemador está diseñado para prevenir el retroceso de la flama. El combustible utilizado en el proceso, contiene impurezas que poco a poco se acumulan en el quemador esto provoca una disminución en la flama que se ve reflejado en el rendimiento del equipo, las acumulaciones de suciedad afectan la cantidad de calor que se requiere para efectuar el proceso, y afecta a las tuberías que van conectadas al quemador.  Al no tener el calor requerido ocasiona que el operador, aumente aumen te los niveles de su operación normal, esto ocasiona que las tuberías tengan desgaste en el espesor y se cree roturas o desprendimiento de corrosión que afectan en la producción. 1.1.3 PREGUNTAS DE INVESTIGACION   ¿Riesgos que se deben de considerar con el aumento de temperatura?   ¿Consecuencias y daños a otras partes del equipo?   ¿Qué se debe evitar para tener menos impurezas?   ¿Cómo mantener el rendimiento del equipo? 

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1.1.4 JUSTIFICACION La función fundamental de un calentador, es suministrar una cantidad específica de calor a niveles elevados de temperatura al fluido que va a ser calentado, es por eso que consumen grandes cantidades de energía en forma de combustible. En un calentador a fuego directo el calor liberado de la combustión que se realiza dentro de una cámara aislada, se transfiere transfier e a elevadas temperaturas a un fluido que se encuentra en el interior de un serpentín de tubos que comúnmente se colocan a lo largo de las paredes y techo de la cámara de combustión. Como concepto general, la eficiencia térmica es definida como la razón entre el calor absorbido por la corriente de proceso y el calor liberado por el combustible. En los calentadores a fuego directo se presentan pérdidas de energía, por diversas causas, y por ello es importante detectar puntos de optimización energética que contribuyan a la eficiencia de la operación del calentador así, como el consumo de energía (combustible), apoyándose para ello en un análisis energético, el cual, generalmente, derivará recomendaciones que implicarán económico, además de disminuir la contaminación ambiental.un ahorro energético

 

Las condiciones de operación que se deben manejar en el calentador a fuego directo son las requeridas por la hoja de verificación, para que todo el proceso tenga la máxima efectividad y operaciones de trabajo requeridas, se le deben hacer inspecciones con anterioridad para poder efectuar un buen funcionamiento de este. Si las inspecciones y/o mantenimientos no se realizan como se debe, se perderá grandes suministros de materia prima, el cual produce un gasto innecesario para la empresa, y se afecta con la producción de la planta, además que tienen consecuencias graves en la venta del producto, donde no se logra obtenerlo. Los mantenimientos que se realizaran al calentador contemplan, tanto como interior y exterior del equipo para asi poder determinar las condiciones en la que se encuentra, a su vez, se emplearan métodos e inspecciones a las tuberías para determinar la cantidad de corrosión que se encuentra en la tubería, lo cual obstruye el flujo de liquido y se produce una excesiva acumulación de escoria en los quemadores, asi provoca un efecto grave, que es la disminución de la flama. Lo cual provoca que el operador al no obtener las condiciones de operación del equipo y al no tener la cantidad de calor necesaria para poder cumplir con la operación, este aumenta la flama provocando que los componentes, como las tuberías se dañen por el exceso de calor permisible para cada componente, asi dañando y agotando el nivel de vida de la tubería y otro componentes. Cada uno de los procesos que se realizan en el calentador debe ser medido y observado con las condiciones de trabajo. Las eficiencias calculadas y reales garantizadas se basan en la carga térmica de diseño, el poder calorífico inferior del combustible suministrado, incluyendo un mínimo de 1.5% de pérdidas por radiación. Los calentadores con sistemas de precalentamiento de aire incluyen un mínimo de 2.5% de pérdidas por radiación. Las eficiencias calculadas para operación en tiro natural se basan en un 20% de exceso de aire cuando el combustible principal es gas, y 25% de exceso de aire cuando el combustible principal es combustóleo. Para Par a el caso de operación con tiro forzado, las eficiencias calculadas se basan en un 15% de exceso de aire para gas combustible y 20% para combustóleo. La temperatura mínima de los gases de combustión a la salida de la chimenea debe ser 463 °K (190 °C) cuando se queme gas combustible y 477 °K (204 °C) para cuando se queme combustóleo. Cuando el combustible contenga azufre, la temperatura de metal calculada en la sección se cción de convección debe ser mayor ma yor o igual a 463 °K (190 °C).

 

1.2 Objetivos generales y específicos. Objetivo general Mantenimiento general al calentador de fuego directo BA-501 ubicado en el interior de la “Refinería Lázaro Cárdenas”, sector 3.

Objetivos específicos          

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Inspección interna/externa del calentador Verifricacion de los calentadores después de su inspección/mantenimiento Mantenimiento a Palometa Mantenimiento a pilotos Mantenimiento a quemadores

1.3 Marco conceptual Clasificación de calentadores de acuerdo al servicio que proporcionan. Los calentadores a fuego directo son clasificados en el ANEXO B de la NRF-089PEMEX-2004 en tres categorías, de acuerdo al servicio que proporcionan:

A.  Calentadores. Son los que se usan para suministrar calor a la corriente de proceso para calentarla, evaporar una parte o toda la carga sin que haya cambios químicos. Por ejemplo: calentadores de carga al reactor, rehervidores de columnas, sobrecalentadores de vapor, calentadores de gas, por mencionar algunos. B. Calentadores de rompimiento (craking). Son hornos en los que se efectúa una descomposición térmica para obtener determinados productos o mejores compuestos para uso industrial. Ejemplos, hornos de producción de olefinas y reductores de viscosidad. C. Reformadores u hornos vapor-hidrocarburos. Son hornos en los cuales se lleva a cabo una reacción química catalizada dentro del serpentín. Generalmente se diseñan los tubos como cámaras individuales de reacción re acción con lechos de catalizador y que se calientan en la sección de radiación. Estos se usan para producir de hidrógeno con los siguientes fines: a) Hidrógeno puro. b) Producción de amoniaco. c) Producción de metanol.

 

Clasificación de calentadores de acuerdo al arreglo de tubos. Los calentadores a fuego directo se pueden clasificar de acuerdo a su forma, en horizontales y verticales, esto debido a la orientación de los tubos del serpentín en la sección de radiación.  A. Cilíndrico – vertical, todo radiante. B. Cilíndrico – vertical, serpentín helicoidal. C. Cilíndrico – vertical, con convección (flujo cruzado). D. Cilíndrico – vertical con convección integral. E. Arbor o ticket. F. Tubos verticales con doble fuego. G. Cabina con tubos horizontales. H. Caja de doble celda con tubos horizontales. I. Cabina con tubos horizontales y pared divisoria.

Consideraciones del diseño termo-hidráulico  Aquí se considera la temperatura máxima permisible del fluido de proceso. Las eficiencias calculadas y reales garantizadas se basan en la carga térmica de diseño, el poder calorífico inferior del combustible suministrado, incluyendo un mínimo de 1.5% de pérdidas por radiación. Los calentadores con sistemas de precalentamiento de aire incluyen un mínimo de 2.5% de pérdidas por radiación. Las eficiencias calculadas para operación en tiro natural se basan en un 20% de exceso de aire cuando el combustible principal es gas, y 25% de exceso de aire cuando el combustible principal es combustóleo. Para el caso ca so de operación con tir tiro o forzado, las eficiencias calculadas se basan en un 15% de exceso de aire para gas combustible y 20% para combustóleo. La temperatura mínima de los gases de combustión a la salida de la chimenea debe ser 463 °K (190 °C) cuando se queme gas combustible y 477 °K (204 °C) para cuando se queme combustóleo. Cuando el combustible contenga azufre, la temperatura de metal calculada en la sección se cción de convección debe ser mayor ma yor o igual a 463 °K (190 °C).

 

Consideraciones del diseño de las partes del CAFD. Refractario. En el diseño del refractario se debe permitir la expansión o contracción de todas sus partes, con un contenido máximo de fierro de 1.5% y el vendedor debe proporcionar el procedimiento de secado del concreto refractario incluyendo su curva de secado específica y la protección contra el desarrollo de la hidrólisis alcalina. Chimeneas, ductos y caja de humos. Todas las chimeneas deben ser fabricadas de placa de acero y del tipo auto soportada con una altura mínima de 32 m, sobre el nivel n ivel de piso terminado. En caso de que se encuentren localizadas cerca de poblaciones, la altura se debe de be determinar de acuerdo al estudio de dispersión de contaminantes específico de la planta, de acuerdo a la NMX-AA-107-1988. Cuando la temperatura de los gases de combustión sea hasta 315 °C el refuerzo de acero al carbono es aceptable y arriba de 315 °C se requiere refuerzo de acero inoxidable 18 Cr  –  8 Ni. Los últimos 1.5 m de la chimenea, deben ser de acero inoxidable 11 – 13 Cr. Quemadores. Para el diseño se considera como base la composición química de los combustibles, de acuerdo al análisis efectuado por el laboratorio. Todos los quemadores deben ser de alta eficiencia, bajo NOx, y con atenuador de ruido, deben cumplir con la norma NOM-085-SEMARNAT-1994 vigente en el momento en que inicie la operación opera ción de los calentadores, y deben debe n incluir los sistemas requeridos para cumplir con los límites de emisiones contaminantes establecidos estab lecidos en esta norma. Se debe tomar en cuenta una vida útil garantizada para los materiales de las boquillas de combustóleo y gas, atomizador y esprea, como mínimo de 2 años. El quemador debe diseñarse para funcionar con él (los) combustible (s) y excesos de aire que se indican en las hojas de datos del quemador. Se deben diseñar con quemadores múltiples debiendo tenerse un piloto por cada quemador, debe diseñarse para prevenir el retroceso de la flama. La caída de presión máxima a través del quemador para calentadores a fuego directo es de 7.62 mm de agua a condiciones de diseño. Debe diseñarse para un nivel de ruido máximo permisible de 85 decibeles a una distancia de un metro del punto de generación de este, medido en respuesta lenta en la escala "A" del medidor (sonómetro), en caso de rebasar este valor, el quemador debe llevar un atenuador ate nuador de ruido para cumplir cu mplir con dicho requisito.

 

 

Para los fines de esta Norma de Referencia se establecen las siguientes definiciones: Aire primario. Porción del total del aire de combustión que primeramente se mezcla con el combustible. Aire secundario. Porción del total del aire de combustión que se suministra para los productos de la combustión combu stión y el combustible no quemado después de la sección donde el combustible y el aire primario son mezclados. Anclaje para refractario. Dispositivo metálico o refractario para sostener el recubrimiento aislante o refractario en su lugar. Atomizador. Dispositivo usado para reducir un combustible líquido a una neblina fina. La atomización se puede producir por vapor, aire o medios mecánicos. Caída de presión del serpentín. Diferencia de la presión de entrada del serpentín y la presión de salida, sin considerar la carga estática. Compartimiento estructural internamente, Caja de cabezales. la corriente de gases de combustión, el cual aislado se utiliza para cubrirseparado retornosde o cabezales de distribución. El acceso se proporciona por medio de puertas articuladas o paneles removibles.

Caja de viento. Cámara que circunda los quemadores y que se utiliza para distribuir el aire a los quemadores y/o reducir el ruido de la combustión.

Calentador de tiro balanceado. Utiliza un ventilador de tiro inducido para eliminar los gases de combustión y un ventilador de tiro forzado para suministrar el aire para la combustión. Calentador de tiro forzado. Unidad en la cual el aire para la combustión se suministra por un ventilador u otro medio mecánico.

Calentador de tiro inducido. Usa un ventilador para eliminar los gases de combustión y mantener la presión negativa en el calentador para inducir el aire para la combustión sin un ventilador de tiro forzado. Calentador de tiro natural. Unidad en la cual el efecto chimenea induce el aire para la combustión y eliminar los gases de combustión. Calor de absorción. Calor total absorbido por el serpentín excluyendo cualquier aire de combustión precalentado, expresado en MW.

 

Cara caliente del recubrimiento refractario. Recubrimiento refractario expuesto a las más altas temperaturas en un recubrimiento multicapas o multicomponentes. Carga térmica. Cantidad de calor que puede absorber el fluido de proceso a su paso por el calentador. Chimenea. Conducto vertical usado para descargar los gases de combustión a la atmósfera. Concreto refractario.- Es un producto constituido por una mezcla de materiales refractarios, de adecuada granulometría, con agregado de un cemento resistente al calor, que asegure el fraguado hidráulico cuando se mezcla con agua, generalmente gener almente fragua en el lugar donde se coloca, toma la forma o estructura rígida por la acción química.

Condiciones de operación (temperatura, presión, gasto del fluido de proceso, carga térmica, etc.). Condiciones de proceso que están especificadas en las hojas de datos de calentadores a fuego   directo y que indican los parámetros bajo los cuales esta operando normalmente el calentador durante su vida útil.  Conducto de gases. Sección del calentador donde los gases de combustión son colectados después del último serpentín de convección para transmitirlo a la chimenea o a los ductos de salida. Corrosión permisible. Espesor de material adicional para permitir pérdidas de material durante la vida de diseño de un componente. Creep (Termofluencia). Es la continuación de la deformación de un material bajo esfuerzos y temperaura, a lo largo del tiempo. Descoquizado. Proceso que hace posible la eliminación del carbón adherido a las paredes interiores de los tubos y cabezales del calentador. Deflector de gases. Proyección de la superficie refractaria para prevenir que los gases de combustión se desvíen de los tubos de la sección de convección cuando están en un arreglo triangular. Densidad de flujo térmico máximo. Relación máxima de transferencia de calor local en la sección del serpentín, expresado en kW/m2. Densidad de flujo térmico promedio. Calor absorbido dividido entre la superficie expuesta de calentamiento del serpentín, expresado en kW/m2. La densidad de flujo promedio para un tubo con superficie extendida se debe indicar sobre la base de tubo desnudo indicando la relación de extensión Ducto. Conducto para aire o gases de combustión.

 

Eficiencia de combustible. Calor absorbido total dividido por el total de calor suministrado derivado solamente de la combustión del combustible (base poder calorífico inferior). Eficiencia térmica. Calor absorbido total dividido por el total de calor suministrado, derivado de la combustión de un combustible (base poder calorífico inferior) más el calor total sensible del aire, combustible o cualquier medio de atomización, expresado como porcentaje. Ensuciamiento permisible. Factor para permitir que una capa de residuo incremente la caída de presión, normalmente una acumulación de coque y escoria, en la superficie interna de los tubos del serpentín, expresado en milímetros. Este valor se debe utilizar en el cálculo de la caída de presión en sucio. Envolvente. Placa metálica usada para cubrir el calentador a fuego directo. Erosión. Reducción en el espesor de material, debido al ataque mecánico por un fluido. Exceso de aire. Cantidad de aire arriba del requerimiento estequiométrico para completar la combustión, expresado como un porcentaje. Fibra cerámica. Refractario aislante fibroso compuesto primariamente de sílica y alúmina. Gases de combustión. Productos gaseosos de la combustión incluyendo el exceso de aire. Guía de tubo.  Accesorio utilizado en los tubos verticales para restringir el movimiento horizontal mientras permite la expansión axial al tubo. Guillotina. Dispositivo de una simple hoja que es usada para aislar equipos o calentadores. Hoja de datos de calentadores a fuego directo. Hojas que contienen la información de operación y diseño de los calentadores a fuego directo. Haydita. Material Vesicular, ligero y productos expandidos similares a cenizas de carbón, que resulta del calentamiento controlado de arcillas adecuadas o rocas arcillosas en un horno rotatorio a temperaturas generalmente entre 1 000ºC y 1 300ºC. El término es un sinónimo de los términos "pizarra expandida" y "arcilla expandida". Interconexión salteada. Tubería de interconexión de tubería entre una sección del serpentín. Liberación de calor. Total de calor liberado para el combustible especificado, usando el poder calorífico inferior, expresado en MW.

 

Liberación de calor normal. Calor de absorción de diseño del calentador dividido por la eficiencia del combustible calculada, expresada en MW. Liberación de calor volumétrico. Calor liberado dividido por el volumen neto de d e la sección de radiación, excluyendo los serpentines y paredes divisorias, expresada en kW/m3. hecho a base de bauxita y arcilla la cual es ligeramente Lumnita.resistente alMaterial los ácidos y al calor.

Moldeado. Concreto aislante colado o lanzado en el lugar para darle una forma o estructura rígida de refractario. Mortero. Preparación de un material refractario para recubrir y unir ladrillos refractarios, se definen por la temperatura, composición comp osición y uso, pueden ser húmedos y secos. Multi-componente. Sistema refractario consistente de dos o más capas de diferentes tipos de refractario, por ejemplo, concreto y fibra cerámica. Múltiple. Cabezal para la colección y distribución de un fluido para o de un paso múltiple paralelo de flujo. Operación normal. Funcionamiento del equipo dentro de las variaciones previstas a las condiciones de operación, capacidad y eficiencia especificadas en las hojas de datos y documentos posteriores, y garantizado por el vendedor, sin requerir ningún mantenimiento mayor, reparación o reposición de partes excepto el mantenimiento propio de dicho funcionamiento.

Pared de re-radiación. Pared vertical de ladrillo refractario, la cual es expuesta al choque de la flama directa en uno o en ambos lados. Pared divisoria. Pared que separa dos zonas adyacentes del calentador. Paso o corriente. Circuito de flujo consistente de uno más tubos en serie. Piloto. Quemador pequeño para proveer la energía de ignición para encender el quemador principal. Poder calorífico inferior. Poder calorífico superior menos el calor latente de vaporización del agua formada por la combustión del hidrógeno en el combustible, también llamado poder calorífico neto, expresado en kJ/Nm3. Poder calorífico superior. Total de calor obtenido de la combustión de un combustible específico a 288 K (15° C) , expresado en kJ/Nm3. Precalentador de aire. Equipo de transferencia de calor a través tra vés del cual es pasado el aire para la combustión y calentado por un medio de mayor temperatura, tales como los productos de la combustión, vapor, u otro fluido.

 

6.58 Precalentador de aire tipo indirecto. Dispositivo de transferencia de calor de un fluido al aire. La transferencia de calor se puede realizar por medio de: un fluido térmico, una corriente de proceso o una corriente corrien te de servicios auxiliares que ha sido calentada por los gases de combustión o de otra manera. Un precalentador de aire de tubos térmicos utiliza la vaporización/condensación de un fluido para transmitir el calor entre los gases de combustión y el aire. Presión de diseño elástico. Presión máxima a la que están sujetos los serpentines de los calentadores por cortos períodos de tiempo. Presión de diseño de ruptura. Presión máxima a la que están sujetos los serpentines de los calentadores durante la operación normal. Presión máxima permisible de operación. Presión máxima a la que se puede trabajar un calentador dentro de los límites de seguridad, debe ser menor a la presión de diseño. Presión nominal (PN).- Designación numérica, el cual es un número conveniente redondeado para propósitos de referencia (ISO 7268). Quemador. Dispositivo que introduce el combustible y el aire a las velocidades, turbulencia y condiciones deseadas para establecer y mantener una ignición y una combustión apropiada. Recubrimiento de respaldo. Capa refractaria detrás del recubrimiento de cara de gases de combustión o aire. Regulador de tiro multihoja. Tipo de regulador de tiro consistente de varias hojas o álabes cada una pivoteada alrededor de su centro y conectadas juntas para una operación simultánea. Regulador de tiro tipo mariposa. Tipo de regulador de tiro consistente en una sola hoja pivoteada alrededor de su centro. Relación de corrosión. Reducción en el espesor de material debido al ataque químico del fluido de proceso o gases de combustión, o ambos, expresado en milímetros por año. Relación de extensión. Relación de la superficie externa total expuesta a la superficie externa del tubo desnudo. Retorno tipo tapón. Retorno fabricado de fundición, provisto con una o más aberturas con el propósito de inspección, inspec ción, limpieza mecánica de los tubos, o drenaje. Sección de convección. Zona del calentador en la cual la transferencia de calor a los tubos primariamente es por convección. Sección de radiación. Zona del calentador en la cual el calor es transferido a los tubos primariamente por radiación.

 

Sección escudo. Parte del serpentín que contiene aquellos tubos que escudan los tubos restantes de la sección de convección de la radiación directa. Sección de sobrecalentamiento. Zona del calentador donde se logra la elevación de la temperatura, arriba de la saturación, del fluido manejado. Sistema refractario. Envolvente metálica del calentador, ladrillo, refractario y aislamiento, incluyendo el anclaje para refractario. Soplador de hollín. Dispositivo para remover el hollín u otro depósito de la superficie absorbente de calor en la sección de convección. Donde el vapor es el medio que se usa normalmente para el soplado.

Soporte para tubos o espejos de tubos. Cualquier dispositivo para soportar tubos. Superficie extendida. Superficie de transferencia de calor en forma de aletas o pernos, unida a la superficie absorbente de calor. Techo. Parte de la sección de radiación plana o inclinada opuesta al piso. Temperatura de cara caliente. Temperatura de la superficie del refractario en contacto condelos gases de es combustión o aire de combustión La temperatura cara caliente usada para determinar el espesorcalentado. requerido de refractario o aislamiento y el calor transmitido. La temperatura de diseño es utilizada para especificar la temperatura de servicio de los materiales refractarios.

Terminal. Conexión bridada o soldada de un serpentín, donde se considera la entrada y salida del fluido. Tubería de enlace. Tubería de interconexión entre dos secciones del serpentín del calentador.

 

 

CLASIFICACIÓN DE LOS CALENTADORES A FUEGO DIRECTO POR EL  ARREGLO DE LOR TUBOS DEL SERPENTÍN. Los calentadores a fuego directo, se pueden clasificar de acuerdo a su forma en horizontales y verticales esto debido a la orientación de los tubos del serpentín en la sección de radiación y los tipos son:  A. B. C. D. E. F. G. Ci Cilíndrico líndrico vertical todo radiante. Ver figura A. Cilíndrico vertical de serpentín helicoidal. Ver figura B. Cilíndrico vertical con convección tipo cruzado. Ver figura C. Cilíndrico vertical con convección integral. Ver figura D. Tipo Árbol o Wicket. Ver figura E. De tubo vertical a doble fuego. Ver figura F. De cabina con tubos horizontales. Ver figura G. H. I. J. K. L. Con caja de doble celda y tubos horizontales. Ver figura H. De cabina con tubos horizontales y pared divisoria. Ver figura I. De caja con tubos horizontales y quemadores en las paredes. Ver figura J. Con sección de convección montada a un lado. Ver figura K. De tubo horizontal a doble fuego. Ver figura L. Forma física de un calentador a fuego directo típico. Figuras A, B y C. Figuras D, E y F. Figuras G, H e I. Figuras J, K y L. CATEGORÍA DE SERVICIO DE LOS CALENTADORES A FUEGO DIRECTO. La industria que requiere en sus procesos calentadores a fuego directo divide su aplicación en seis categorías de servicio general, las cuales son: son: Rehervidores: En esta aplicación particular, la temperatura de salida de un rehervidor generalmente cae cae en el rango de los 204°C a 288°C (400°F a 550°F). Calentador de carga a columnas fraccionadoras: Se refiere al servicio de un calentador de alimentación a una columna de destilación atmosférica, donde el aceite crudo entra al calentador como un líquido a 232°C (450°F) y sale cerca de los 371°C (700°F). Calentador de carga a reactores: En este caso se trata del calentamiento de un componente individual, fase sencilla como el sobrecalentamiento de vapor en las secciones de reacción del proceso de elaboración de productos petroquímicos. En

 

estos servicios, la temperatura de entrada del fluido típicamente es de 371°C (700°F) y su temperatura de salida de aproximadamente 815°C (1500°F). Calor suministrado para medio de transferencia de calor: Muchas plantas suministran calor a usuarios individuales, vía un medio de transferencia de calor intermedio. Para este servicio el empleo del calentador se utiliza para elevar la temperatura del medio recirculante, que es típicamente un aceite de calentamiento. Los fluidos que circulan a través dellacalentador en estos sistemas, casi permanecen en fase líquida desde entrada hasta la salida. Calorsiempre suministrado a fluidos viscosos: Con frecuencia el aceite pesado debe ser bombeado desde un lugar a otro para su proceso. A bajas temperaturas el aceite puede tener una viscosidad demasiada alta para ceder al bombeo, por lo que es empleado un calentador para elevar la temperatura del aceite y así, facilitar su bombeo. Calentadores a reactores: Calentadores reformadores de hidrocarburos (vapor), en los cuales los tubos de la cámara de la combustión funcionan individualmente como recipientes de reacción verticales llenos con catalizadores de níquel. COMPONENTES DE LOS CALENTADORES A FUEGO DIRECTO. Las secciones y partes que integran un calentador a fuego directo son idénticas para ambos tipos, vertical y horizontal. A continuación se presenta una descripción de dichas secciones y partes. Sección de convección. Es la sección de transferencia de calor directamente localizado debajo de la chimenea, utilizando el calor ascendente de los gases calientes de la combustión. En esta zona los tubos están en forma horizontal tanto para calentadores verticales como horizontales. Sección de radiación. Es la mayor parte que utiliza el calor radiante de los quemadores. Aunque en algunos calentadores el calor de la flama de los quemadores se dirige hacia un muro cerámico el cual irradia calor a los tubos; normalmente los tubos reciben el calor directamente de los quemadores. Chimenea Material Refractario Sección de Convección Tubos Escudo Sección de Radiación Tubos Radiantes ó Serpentín de Tubos Cámara de Combustión Quemador Compuerta Piloto Partes principales de un calentador a fuego directo. Quemadores. Es la parte del calentador el cual quema el combustible gas o líquido, en ocasiones ambos, produciendo una flama de calor intenso. Los quemadores son normalmente instalados al piso de los calentadores. Sin embargo algunos calentadores horizontales pueden tener los quemadores montados lateralmente. El número y tamaño de quemadores son determinados por el proveedor de acuerdo al uso del calentador. Chimenea. Es la parte cilíndrica usada para transportar los gases de combustión a la atmósfera, y al mismo tiempo produce un tiro a los quemadores. La altura de la chimenea es determinada por el tiro requerido y demandas ecológicas (el quemar gas es relativamente limpio, ya que el combustible líquido produce humos). h umos). Las chimeneas pueden ser montadas sobre la parte superior del calentador o pueden montarse al piso con ductos grandes para dirigir los gases de combustión hacia ellas. En áreas densamente pobladas, a menudo algunos calentadores tienen ductos que llegan a

 

una chimenea común montada a piso la cual puede ser de 300 pies de altura o más. Con este diseño la chimenea es normalmente de concreto. Puertas de acceso. Son puertas que proporcionan la entrada al calentador para inspeccionar los tubos o hacer reparaciones. El acceso a las puertas debe mantenerse limpio. Mampara (Damper). Es un plato plano de acero localizado directamente arriba de la sección de convección, conectado a una un a flecha y una rueda de acero. Los cables cab les de control están a nivel de piso para disponer la operación y regularpueden el tiro ser del quemador por abertura o cierre de la mampara. Las mamparas conectadas para trabajar automáticamente. Conexión del manómetro de tiro. Normalmente son coples localizados justo debajo de la mampara y en la sección de radiación, cercano a los quemadores. Es un instrumento de presión diferencial, llamado manómetro de tiro, para esto es conectado a dos coples para medir el tiro del quemador. 1.4.8.- Transición de chimenea (Puente). Es la sección fabricada bajo la chimenea, efectuándose la transición de la forma rectangular del calentador calen tador a la chimenea cilíndrica. Es además usado bajo la sección de convección para reducir el área de flujo entre dos partes rectangulares. Estructura interna de un calentador a fuego directo. Conexión de vapor de apagado. Normalmente es un cople de dos pulgadas localizada en ambas secciones. El vapor es usado para extinguir sofocamiento) las flamas. Si la ruptura de un tubodel causa fuego, una válvula de(por detección es abierta para introducir el vapor dentro calentador. En los calentadores grandes existen muchas conexiones de este tipo. Anclaje de tubos. Es el punto del tubo donde se encuentra sujeto o anclado, se aplica principalmente a los calentadores horizontales. Anillos de soportes de tubos. El anillo que soporta los tubos en un calentador vertical. El montaje de estos anillos es en la parte superior. Sin embargo los tubos pueden ser soportados desde abajo. Frecuentemente los diseños de tuberías pueden tener los anillos de soporte de tubos localizados para adaptarse a la expansión de tubería, ayudando a aliviar los problemas de tensión o presión. Caja de cabezales. Sección al final de los tubos en la parte de radiación los cuales pueden girar 180°. Las puertas son móviles para la inspección y no deben ser obstruidos por tuberías. Guías de tubos. Situados directamente en los tubos para mantenerlos en el giro de estos (en forma ondulada) solo en los calentadores verticales. En los calentadores horizontales los soportes de los tubos también sirven como guías. Puertas de observación. Son pequeñas puertas abiertas por operadores para ver el tamaño y color de flama y el brillo del tubo. Las válvulas de control de los quemadores deberán ser localizadas cercas de estas puertas para poder regular el flujo del combustible mientras se observa la flama del quemador dichas puertas pueden ser localizadas en la pared del calentador y no deben ser obstruidas por tubería. Son comúnmente llamadas mirillas del calentador. 1.4.15.- Uniones de paso (Crossovers). La tubería que conecta a los tubos de convección con los tubos de radiación, pueden estar localizados dentro o fuera de la caja c aja del calentador. Las conexiones externas d deben eben ser aisladas. Dicha tubería de unión es normalmente (no siempre) proporcionada por el proveedor del calentador, aunque raramente proporciona el aislamiento.

 

Puertas de explosión. Diseñadas para dar y aliviar la presión en caso de una explosión interna., estas puertas deben de estar libres de tubería. Piso del quemador. Plato de acero del fondo de calentadores verticales y horizontales. Piloto de gas. Es una flama pequeña y constante que inicia el quemado del combustible. Esquema completo de un calentador a fuego directo. NECESIDAD DE PROTEGER LOS CALENTADORES A FUEGO DIRECTO. Debido a que estos calentadores son los equipos que más riesgo presentan en la industria es necesario efectuar una adecuada protección. Es necesario proteger al personal, al mismo calentador y al medio ambiente. El proteger al personal significa evitar perdidas y accidentes humanos. En este caso se podría presentar este riesgo debido a que se manejan temperaturas superiores a los 400°C, es mas, se corre cor re el riesgo de superar esta temperatura y así poner en riesgo la vida del personal de operación. Al mismo tiempo es necesario proteger al calentador debido d ebido a que si no se detectaran las altas temperaturas, se podrían dañar los tubos de dicho calentador y así tener un daño casi irreparable o muy costoso. También es necesario proteger al medio ambiente amb iente debido a que estos equipos son los que mas contaminación generan, además, se evita tener problemas con las auditorias ambientales que se efectúan cuidando que se tenga una combustión adecuada.