Ingenieria En Petroleo

INSTALACIONES DE GAS Y PETRÓLEO

INDICE

Pág.

INTRODUCCIÓN 3

ASPECTOS GENERALES 4

ORIGEN DE LOS HORNOS 4

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES: 5

Clasificación de hornos de acuerdo al arreglo de los tubos del serpentín 5

DISEÑO DE UN HORNO 6

Factores que intervienen en la transferencia de calor radiante 6

Receptor de calor 7

Superficie efectiva de transferencia de calor para varios tipos de tubos de calderas 7

Fuente de calor 9

Superficies envolventes 10

PARAMETROS IMPORTANTES EN LOS HORNOS 13

PLANILLA DE DATOS 13

Condiciones de diseño de proceso 13

Condiciones de entrada y salida del fluido frío 14

Condiciones de diseño de la combustión 14

Características del combustible 14

Datos de quemadores 15

Condiciones de diseño mecánico 15

PLANILLA DE CALCULOS: METODO DE DISEÑO: LOBO y EVANS 15

APLICACIÓN PRÁCTICA 19

Aporte del alumno Carrizo Oscar Francisco 32

Aporte del Alumna Yanina Bravo Moneva 39

INTRODUCCIÓN

En este trabajo se presentan algunos métodos empíricos y semi teóricos para el cálculo de las secciones radiantes de los hornos, datos para su uso y ejemplos de su aplicación. Se indican las limitaciones de estos métodos, suposiciones y simplificaciones realizadas para poder aplicar las ecuaciones teóricas en forma practica.

Se incluye una breve descripción de los parámetros para el diseño de un horno, para un eficiente funcionamiento del mismo.

ASPECTOS GENERALES

ORIGEN DE LOS HORNOS

Los primeros hornos empleados en la industria petrolera se inspiraron en las calderas cilíndricas horizontales, con una muy mala transmisión de calor, producían un fuerte depósito de coque por la descomposición del crudo, dañándose la porción del cilindro que estaba directamente expuesto a las llamas en el hogar, lo que limitaba su vida útil a solamente unas semanas.

Por lo que se opto la instalación de "tubos de humos" que se atravesaban al cuerpo cilíndrico en dirección de su eje, esto, mejoró notablemente su operación, incrementando a la vez su capacidad.

Estos Hornos eran de funcionamiento discontinuo, debiendo descargarse y limpiarse antes de recibir una nueva carga de crudo.

Luego para poder trabajar con crudos emulsificados con mucha agua, que producían abundante espuma, se utilizo el empleo de hornos tubulares, en los que el crudo circulaba por un serpentín calentado directamente por las llamas del hogar. El éxito obtenido condujo a instalaciones cada vez mayores, generándose así el Horno tubular característico de la industria actual.

Tanto en el diseño como en la operación de los Hornos, se tiene en cuenta el coque que se produce, este no sólo se dificulta el flujo y por lo tanto, la capacidad del equipo, sino también disminuye enormemente la transmisión del calor. La temperatura de los tubos aumenta, lo que rápidamente disminuye su resistencia.

Por esto se instalan termocupla de metal, que permiten medir la temperatura de la superficie exterior de los tubos, la cual no debe exceder nunca de ciertos parámetros o valores máximos que dependen de la presión de trabajo y de la naturaleza del metal de los tubos.

En cuanto al control de la combustión, los Hornos están provistos de quemadores con sus respectivos registros de aire, de un dámper para regular el tiraje dentro de este y de una cámara de combustión o caja de fuego, que es el espacio donde se produce la combustión.

Finalmente, una mejor comprensión de las leyes de la transmisión de calor y el hecho de que la mayor parte de la superficie de los tubos debían recibirlo por radiación y no por convección, condujo a los diseñadores a las formas actuales.

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES:

Los hornos son equipos industriales en los que se entrega el calor generado por la oxidación de un combustible a una carga de crudo que circula por dentro de unos tubos.

Se distinguen dos secciones de calentamiento, claramente diferenciadas, una sección de radiación y una sección de convección, según cual sea la forma de calentamiento predominante, como transición entre ambas, existe comúnmente una pantalla de radiación (Shield), constituida por unos pocos tubos colocados antes de la sección de convección, que reciben calor tanto por radiación como por convección.

En la sección de radiación, los tubos no se colocan nunca en el camino de las llamas, sino lateralmente, en las paredes, techo y/o piso de la cámara de combustión. El volumen de ésta no es de fundamental importancia en lo que se refiere al proceso mismo de la combustión, pero es necesario darles ciertas dimensiones mínimas para lograr una buena distribución de la energía radiante. Generalmente se usa una sola fila de tubos, a veces dos y a lo más tres, por el efecto de pantalla de las filas más próximas a los quemadores.

En la sección de convección, las filas de tubos más próximas a la cámara de combustión también absorben calor por radiación, especialmente la primera fila y por esta razón los tubos de esta fila (pantalla de radiación) son los más expuestos a percances.

Clasificación de hornos de acuerdo al arreglo de los tubos del serpentín

Esta distinción se fundamenta en la orientación de los tubos del serpentín de calentamiento en la sección de radiación:

 Horizontal



 Vertical

DISEÑO DE UN HORNO

Factores que intervienen en la transferencia de calor radiante

 Sumideros de calor.

 Fuentes de calor (gases)

 Superficies envolventes.

La ecuación general para la transferencia de calor puede representarse por

Cabe señalar que para poder aplicar esta ecuación de forma práctica se deben realizar simplificaciones y suposiciones. A continuación se vera debidamente cada una de estas.

Receptor de calor

El receptor usual de calor para los hornos industriales se compone de múltiples tubos dispuestos sobre las paredes, techo y piso del horno o localizados centralmente en la cámara de combustión. El caso más común es aquel en que los tubos lisos se arreglan en una hilera simple frente a una pared de refractario.

Al evaluar la superficie efectiva o “expuesta” de las hileras de tubos, se pueden hacer las siguientes suposiciones:

 La fuente de calor es un plano radiante paralelo a la hilera de tubos.

 Los efectos de las esquinas, se eliminan suponiendo que tanto el plano de los tubos y de la superficie radiante son infinitos.

 Se supone que todas las superficies son cuerpos negros.

Superficie efectiva de transferencia de calor para varios tipos de tubos de calderas

Parte de radiación de los gases calientes que incide directamente sobre los tubos es absorbida, mientras que otra parte no lo es. Si los tubos están frente a una pared de refractarios, la energía que pasa entre los tubos es re-irradiado hacia atrás y nuevamente una parte de esta energía es absorbida por los tubos, y una remanente otra vez pasa de largo. Esta situación se representa explicando el área del tubo como una superficie plana fría equivalente Acp, la misma es igual al número de tubos multiplicada por la longitud expuesta y por la distancia entre los centros de los tubos. Puesto que el banco de tubos no absorbe toda la energía radiada hacia la superficie plana fría, se debe aplicar un factor de eficiencia de absorción α, este ha sido desarrollado y publicado por Hottel en función del arreglo y del espaciamiento entre tubos.

La siguiente figura muestra los valores de α para los arreglos de tubos mas comúnmente usados en los hornos de proceso.

El producto de α Acp se denomina área del plano frío equivalente y representa el área de un plano que tiene la misma capacidad de absorción que el banco real de tubos.

En el grafico se puede observar que en el caso de doble hilera de tubos, la hilera de atrás recibe cerca de un cuarto del calor total transferido.

De los valores de α directo en la primera y segunda hilera, puede verse que un conjunto de tubos de más de dos hileras de profundidad tiene un valor de α total igual a 1.

Para bancos de convección cuyos tubos se radian directamente del horno Acp es en realidad el ancho por la longitud de la abertura.

Con el método de Mullikin , para tubos con escorias de cualquier tipo, la superficie efectiva es

Donde se tiene los siguientes factores (adimensionales):

Fc=factor de conductividad.

Fs =factor de escoria.

Fɛ=factor de emisividad.

Los valores prácticos de Fɛ, son 1 para tubos lisos y aleteados, 0.70 para placas

de metal ancladas en los tubos, y 0.33 para bloques de metal anclados en refractarios. El factor de escoria variará desde 0.6 a 0.9 o 1 para calderas bien operadas. Cuando los tubos están limpios, Fs es por supuesto, 1. De una recopilación de pruebas en calderas, el

factor de escoria parece que

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