05 - calentadores a fuego indirecto final im

MANUAL

CALENTADORES A FUEGO INDIRECTO

Fecha Emisin: ENE-10 Edo. Revisin: 1.0 Pgina: 1 de 34

Soluciones Integrales Que Dan Resultado!


MANUAL




INTRODUCCIN.

Los calentadores se usan en casi toda fase de la produccin de petrleo y sus derivados. Varan en tamao y complejidad, van de un simple calentador de agua, hasta un horno de crackeo en una refinera. Los calentadores pueden clasificarse de dos maneras:

1. Calentadores directos. 2. Calentadores indirectos.

El calentador a fuego directo es aquel cual el fluido a ser calentado fluye a travs de los tubos de un recipiente, y la combustin ocurre por fuera de los tubos. Los generadores de vapor son la forma comn de este tipo de calentadores.

El calentador a fuego indirecto es en el cual el lquido que est siendo calentado se encuentra fuera de la tubera, y el fuego se encuentra dentro de la tubera. Este tipo de calentador es ampliamente usado en el campo petrolfero en calentadores en lnea, equipos de-emulsificantes y calentadores de proceso. A veces se les conoce como calentadores piro tubulares. En este manual hablaremos sobre los calentadores a fuego indirecto. Ms an, como casi todas las aplicaciones usan gas como combustible, limitaremos nuestro estudio a estos. Los principios de operacin de los calentadores se aplicarn sin importar el tipo de combustible.

FIG. 1. CALENTADOR A FUEGO INDIRECTO UTILIZADO PARA CALENTAMIENTO DE

EMULSIONES DE CRUDO.

MANUAL




DESCRIPCIN. Un calentador a fuego indirecto tiene un tubo o series de tubos llamados pirotubulares con un quemador dentro de este, que est inmerso en el lquido que se va a calentar. Algunos ejemplos se muestran debajo y en la siguiente hoja. A. Pirotubo La forma ms comn de un pirotubo es aquella en forma de horquilla o de U. stos pueden ser montados en una brida al final del recipiente en el cual estn insertados, y pueden ser fcilmente retirados para repararse o reemplazarse.

Los calentadores ms grandes frecuentemente tienen pirotubos que consisten de un tubo de combustin con varios tubos de regreso como se muestra debajo. El quemador est localizado a la entrada del tubo de combustin y la pila de tubos se monta en la placa del colector de retorno, el rea de los tubos puede ser hasta 3 veces el de una simple tubera en U, lo que significa que el calentador puede emitir 3 veces ms calor que un tubo en U en el mismo volumen. Para decirlo de otra forma, un tubo - U tipo pirotubo tendra que ser 3 veces ms grande (en largo y/o dimetro) que un calentador de tubos apilados.

FIG. 2. PIROTUBO CON TUBO DE COMBUSTION Y TUBO DE RETORNO.

MANUAL




PIROTUBO FIG. 3. PIROTUBO EN PAR Y CONTROL DE COMBUSTIBLE

MANUAL




QUEMADOR. Si el recipiente que contiene los pirotubos, opera bajo presin, este debe ser lo suficientemente grueso para resistir la presin. En la mayora de las aplicaciones, la presin dentro del recipiente es cercana o igual a la presin atmosfrica, y se puede utilizar una tubera de pared delgada para el pirotubo. El pirotubo por lo regular tiene soportes para prevenir que toquen el fondo del recipiente. Entre ms tiempo permanece el tubo inmerso en el lquido, la temperatura del tubo ser aproximadamente igual a la del lquido, aunque la temperatura del gas de combustin dentro del tubo pueda estar por encima de 1650C (3000F). Si el tubo llegara a tocar el recipiente, se podra formar un punto caliente que podra deformar o fundir el tubo y el recipiente. Si el lquido que rodea el pirotubo es aceite, glicol o algn otro combustible liquido, el tubo debera estar hecho de acero inoxidable u otra aleacin para dar proteccin extra contra fallas. Otro dispositivo de proteccin es un forro que se inserta dentro del pirotubo a lo largo de la localizacion de la llama. Este forro es usualmente fabricado de un metal resistente al calor como acero inoxidable. El proposito es prevenir que la flama choque con la pared del tubo y cause sobrecalentamiento y falla. Si el fuego toca el recubrimiento, este gradualmente se deformara y tendr que ser remplazado, pero el pirotubo no se daara si el recubrimiento es remplazado a tiempo.

B. Quemador El quemador en un calentador a fuego indirecto, est diseado para producir una flama de patrn largo y estrecho. Este se encuentra centrado en el tubo. Los quemadores tpicos del campo petrolero se muestran en las siguientes pginas. Las partes y las funciones de un quemador son:

1. Orificio de combustible. El orificio es un agujero al final de la lnea de combustible. El agujero es taladrado con precisin de tal manera que una excesiva cantidad de combustible no pueda fluir hacia el quemador. La dimensin del agujero depender directamente de la velocidad del combustible permitido, as como tambin del valor calorfico del combustible. El propano por ejemplo, tiene un valor calorfico mucho ms alto que el gas natural usndose un orificio pequeo.

2. Cmara de mezclado. La

cmara de mezclado est diseada de tal manera que el combustible y el aire se mezclen completamente antes de la combustin. Entraremos en detalles a fondo ms adelante.

FIG. 4. PIROTUBO CON RECUBRIMIENTO

MANUAL




3. Punta del quemador. La punta del quemador es taladrada para que tenga agujeros que esten dimensionados y localizados de tal forma que la flama viajara en la parte media del pirotubo y no tocara las paredes.

4. Control primario de aire. Cerca

de 1/3 del aire utilizado en el quemado del combustible viene de la apertura inicial del aire. El aire es succionado hacia adentro del quemador a medida que la velocidad del gas combustible se incrementa cuando este fluye a travs del orificio. Los quemadores pequeos frecuentemente utilizan aire primario como su nico recurso de aire y no tienen un control secundario de aire.

5. Control secundario de aire. Este dispositivo provee cerca de 2/3 partes de aire requerido para la combustin.

C. Chimenea La chimenea es usualmente una pieza de tubera que se ajusta a lo largo de la salida del pirotubo. Su altura puede variar desde los 2 m hasta los 6 m (6 a 20 ft), dependiendo de la localizacin. D. Piloto del quemador. El piloto del quemador tiene las mismas partes que el quemador principal, pero es mucho ms pequeo. Este no tiene un control secundario de aire. Los pilotos de los quemadores en pequeos quemadores frecuentemente tienen una apertura fija de aire que no tiene ajuste.

FIG. 5. QUEMADOR CON UN CONTROL SIMPLE DE AIRE

MANUAL




SISTEMA DE CONTROL DE COMBUSTIBLE

E. Sistema de control de Combustible. La mayora de los quemadores tienen una vlvula de diafragma para regular el flujo de combustible hacia el quemador. La vlvula de control acta por un control de temperatura. El sistema tambin incluye un regulador reductor de presin en la lnea de entrada de combustible para bajar la presin al mximo para la cual el quemador fue diseado. La alta presin de combustible puede causar que el quemador se sobrecaliente y dae los pirotubos. El sistema de combustible tambin incluye una lnea con un regulador de presin que se ajusta para mantener el patrn de flama apropiado en el piloto del quemador. F. Accesorios.

1. Depurador de gas combustible. Un recipiente vertical es frecuentemente utilizado en pequeos calentadores. Este tiene un flotador interno que bloquea el flujo de gas cuando el lquido se aproxima a la parte superior del recipiente. El lquido es drenado

con una trampa. Los calentadores ms grandes podran tener un separador con controles convencionales de nivel para drenar el lquido; y un dispositivo de cierre por alto-nivel

2. Bobina de calentamiento en

el gas combustible. Cuando la condensacin es probable en la lnea de combustible, unos pocos metros (yardas) de tubera del combustible son instaladas en el lquido que rodea el pirotubo de tal forma que el combustible se calentara lo suficiente para vaporizar lquido que se encuentre en la lnea de gas combustible.

3. Sistema de ignicin de la

flama. Algunos calentadores grandes estn equipados con una bujia y una bobina de alto voltaje que encender el piloto de manera manual o automtica. El sistema usualmente opera en 120/240 volts, o pueden usarse bateras.

FIG. 6. SISTEMA DE CONTROL DEL COMBUSTIBLE.

MANUAL




4. Arrestador de flama. El

arrestador de flama mostrado en la siguiente pgina previene el regreso del fuego en el calentador. El fuego puede salirse del calentador en la parte final de los pirotubos por varias razones. Los casos ms peligrosos podran ser causados por la ignicin de un gas o un hidrocarburo liquido que fuga o escapa cerca del alentador. Si el gas que fuga tomara fuego, el fuego podra viajar hacia atrs hacia la fuente de la fuga y podra resultar en un fuego mayor o una explosin.

La celda arrestadora est hecha de una hoja corrugada y

delgada de aluminio que se encuentra insertada en una bobina en espiral. Est diseada para que si el gas fuera de la unidad pasara a travs de la bobina e ignitara dentro del quemador, la flama se enfriara hasta el punto que esta saldr como si intentara moverse desde adentro hacia afuera de la celda. El arrestador es bsicamente un intercambiador en el cual el aire a temperatura ambiente enfra un gas de combustin por debajo de su temperatura de ignicin. La figura en la pgina 9 muestra la funcin del arrestador de flama.

FIG. 7. ACCESORIOS DEL CALENTADOR.

MANUAL




FIG. 8. ARRESTADOR DE FLAMA

MANUAL




5. Arrestador de la chimenea. En algunos calentadores, la temperatura del gas combustible que deja la chimenea es lo suficientemente alta para incendiar el combustible que

pudo haberse fugado cerca de la chimenea. El arrestador de la chimenea es un arrestador de flama instalado en la chimenea.

FIG. 9. FUNCION DEL ARRESTADOR DE FLAMA

MANUAL




II. PRINCIPIOS DE OPERACIN EN CALENTADORES.

A. Combustin de gas.

El gas natural est compuesto de 85 a

90% metano C1, y el resto es metano, C2, y otros

hidrocarburos. Asumamos por un momento que el 100% es metano. El metano es un compuesto que consiste de una tomo de carbono y 4 de hidrogeno se muestra la molcula de metano a la izquierda. Cuando se quema gas, ocurre una reaccin qumica entre el oxigeno y el aire. La reaccin que se lleva a cabo cuando el metano se quema es:

Cuando la reaccin ocurre, el calor liberado: Cuando 1 metro cubico de gas se quema, 37 300 kJ de calor es producido. Cuando 1 pie cubico de gas se quema, se producen 1000 Btus de calor.

PRICIPIOS DE OPERACIN DE LOS CALENTADORES.

El oxigeno que se combina con el metano proviene del aire. El aire est compuesto de cerca del 20% de oxigeno y 80% nitrgeno. Para poder quemar 1 volumen de gas, 10 volmenes de aire deben estar presentes. (10 volmenes de aire contienen 2 volmenes de oxigeno). Si menos de 10 volmenes de aire estn presentes, el gas no se quemara completamente.

Cuando el gas y el aire se queman, el calor de la reaccin tiene que ir a algn lugar. Este calor son los productos de combustin CO2 y vapor- cerca de 1925C (3500F), si el gas y el aire son mezclados completamente en una relacin de 1 a 10. En otras palabras, cuando el gas y el aire a temperatura ambiente se queman, el calor de reaccin alcanza

Problema 1. Relacione cada trmino en la columna izquierda con la descripcin ms cercana en la columna derecha. ____ 1. Pirotubo a. Sin control de aire secundario ____ 2.Quemador. b. Preventivo del retroceso de la flama. ____ 3. Piloto del quemador c. Mezcla de aire y combustible. ____ 4. Arrestador de flama. d. previene que la flama toque el pirotubo. ____ 5. Recubrimiento e. Totalmente inmerso en el liquido.

MANUAL




en los productos de combustin temperaturas de 1925C (3500F). Si menos de 10 volmenes de aire estn presentes por cada volumen de combustible, algo de gas no se quemara. Esto desperdicia gas y tambin da como resultado bajas temperaturas de combustin. Si hay ms de 10 volmenes de aire el gas se quemara completamente, pero algo del calor de la reaccin ser utilizado para calentar el exceso de aire que estaba presente. Por ejemplo, si hay 1 volmenes de aire, la temperatura de los productos de combustin ser solamente 1775C (3225F). El exceso de aire absorbe cerca del 8% de calor. O para decirlo de otra forma, 8% de gas fue desperdiciado en calentar aire en exceso. Con la intencin de quemar sin ningn exceso de aire, el gas y el aire deben de ser completamente mezclados antes de que la combustin ocurra. Es casi imposible mezclar los dos haciendo que cada molcula de gas vaya rodeada de 10 molculas de aire. Algunas tendrn 9 partes y algunas otras tendrn 11. En consecuencia, es casi siempre necesario tener algo de exceso de aire presente para tener una combustin completa de todo el gas. De hecho, es usualmente necesario tener cerca del 20% de exceso de aire presente para asegurar que todo el gas se quemara. Es mejor tener exceso de aire y quemar todo el gas que tener poco aire y no quemar todo el gas. Ms calor ser emitido cuando todo el gas se queme; y de igual importancia el letal monxido de carbono se formara cuando se tiene poco aire. Cuando el volumen apropiado de gas y aire se mezcla en un quemador, una flama azul se mostrara. Podra tener partes amarillas o rojas, lo cual frecuentemente se conoce como colas de ardilla.

Una flama que es roja o amarilla es causa de una combustin incompleta. Podra deberse a insuficiente aire, o mezclado inapropiado de gas y aire antes de la ignicin. El procedimiento para ajustar el combustible y el aire se discute en el captulo 4.

B. Calor transferido. Un calentador a fuego indirecto es un simple intercambiador de calor en el cual el calor del gas combustible caliente es trasferido al lquido fuera del tubo. Los principios de trasferencia de calor se discuten en el manual P-7, intercambiadores de calor. La temperatura del gas de combustin dentro del tubo puede variar desde 1650C (3000F) en el quemador, hasta 482C (900F) a medida que el gas deja el pirotubo y entra a la chimenea. El intercambio de calor que se lleva a cabo en los intercambiadores se determina por la ecuacin: H=Coef. x Area x Temp. Dif. Donde: H = Calor transferido, KJ o Btu por hora. Coef. = Razn de trasferencia de calor desde el fluido caliente hacia el fluido frio. A = Superficie del intercambiador, rea, metros cuadrados (m2) o pies cuadrados (ft2). Temp. Dif. = Promedio de temperatura diferencial entre el gas caliente dentro del pirotubo y el lquido fuera del pirotubo. En los calentadores, el coeficiente y la diferencial de temperatura se encuentran combinados en un solo

MANUAL




trmino conocido como razn de flujo. El flujo es la cantidad de calor que pasa a travs de cada metro cuadrado (pie cuadrado) de superficie en el pirotubo en una hora. La ecuacin de transferencia de calor es: H = (rea)(Razn de flujo) = A x F H = Calor transferido kJ/hr (Btu/hr)

A = rea del pirotubo. Metros cuadrados o pies cuadrados. F = Razn de flujo. kJ/m2/hr (Btu/ft2/hr) La ecuacin de trasferencia de calor puede reacomodarse para calcular el rea como sigue: rea, A = H/razn de flujo = H/F

Razn de flujo y rea. La razn de flujo puede variar con el servicio del calentador. Una baja razn de flujo requiere pirotubos ms grandes que si se utiliza una razn de flujo grande. La razn de flujo en la mayora de los intercambiadores se encuentra entre 70 000 y 140 000 kJ/m2/hr (6000 y 12 000 Btu/ft2/hr) de rea. Razones tpicas se muestran en la tabla debajo. Mencionamos que la razn de flujo era la cantidad de calor por hora que se transfiere al lquido que rodea el

pirotubo a travs de cada metro cuadrado (pie cuadrado) o superficie de rea del pirotubo. Tambin mencionamos que la temperatura del pirotubo es casi la misma que la del liquido que lo rodea. Esto es, a medida que la razn de flujo aumenta, la temperatura del tubo tambin lo hace. A una razn de flujo de 70 000 kJ/m2 (6000 Btu/ft2), la temperatura del pirotubo se encuentra unos pocos grados por encima de la del liquido.

FIG. 10. EL PIROTUBO ES UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

MANUAL




A una razn de flujo de 140 000 kJ/m2 (12 000 Btu/ft2), la temperatura del tubo es 25C a 50C (45F a 95F) por encima de la del liquido. Consecuentemente, bajas razones de flujo se utilizan en soluciones de aminas o glicol donde una alta temperatura del tubo puede causar el deterioro o dao al lquido. Si el lquido

es agua, este no afectara adversamente por alta temperatura, y grandes razones de flujo se pueden utilizar. Si se utilizo un pirotubo de un calentador de glicol en una lnea de un calentador en un pozo petrolero, su razn de flujo podra ser dos veces ms. Un quemador ms grande podra ser obviamente necesario.

TRANSFERENCIA DE CALOR.

Ejemplo: Un pirotubo espirado en U en un rehervidor de amina tiene 508 mm (20 in) de dimetro y 10m (33 ft) de largo. Cul debe de ser el calor, si la razn o proporcin de flujo es 68 300 Kj/m2/hr (600 Btu/sq/ ft/hr? Unidades SI Unidades inglesas Ecuacin del rea de la superficie A = x Dimetro x longitud = 3.14 D x L

PROPORCIONES DEL FLUJO EN UN PIROTUBO SERVICIO DE

CALENTAMIENTO LIQUIDO FUERA DEL PIROTUBO

PROPORCIONES DE FLUJO Kj m2 /hr Btu/sq ft /hr

Rehervidor de glicol

Glicol 74 000 6 500

Rehervidor de amina

Amina 90 600 8 000

Calentador de solucin salina

Sal fundida 90 600 8 000

Calentador de aceite para

calentamiento,

Aceite para calentamiento

96 300 8 500

Tratador de emulsin

Emulsiones de crudo

136 000 12 000

Calentador de agua

Agua fresca 136 000 12 000

MANUAL




Dimetro 508 mm o 0.58 m 20 in =20/12 = 1.6 ft Longitude total 10 x 2 = 20 m 33 ft x 2 = 66 ft rea 3.14 x 0.58 x 20 3.14 x 1.67 x 66 =3.19 m2 = 346 sq ft Flujo 68 300 Kj/m2/hr 6 000 Btu/sq ft/hr Ecuacin de transferencia de calor H = rea x Flujo = 31.9 x 68 300 =346 x 600 = 2 178 770 kJ/hr =2 076 000 Btu/hr Ejemplo: El rehervidor de glicol que se muestra debajo est diseado para 1 050 000 kJ/hr (1 000 000 Btu/hr). La relacin de flujo es 79 600 kJ/m2 (7 000 Btu/sq ft) Que longitud de pirotubo es necesario, si el dimetro es 609.6 mm (24in).

Problema 2. Un calentador a fuego indirecto se instala en un tratador de emulsin. El calentador tubo-U tiene 406 mm (16 in) en el tubo. Y tiene 1.5 m (5 ft) de longitud. La razn de flujo es 113 000 kJ/m2/hr ( 10 000 Btu/sq ft/hr). a. Cul es el rea del pirotubo?____________________ B. Cul debe de ser el calor?______________________

MANUAL




Unidades SI Unidades inglesas

Calor del calentador H 1 050 000 kJ/hr 1 000 000 Btu/hr Relacin de flujo 79 600 kJ/m2/hr 7000 Btu/sq ft/hr Ecuacin para el rea. A = H / Relacin de flujo Sustituyendo en la ecuacin = 1 050 000 / 79 600 = 1 000 000/7000 = 13.19 m2 = 142.8 sq ft Dimetro del pirotubo 609.6 mm 24 in Ecuacin para rea de la tubera A = 3.14 x Dimetro x Longitud Reordenando y resolviendo para = 13.19 = 142.8 Longitud 3.14 x 0.6096 3.14 x 2 Longitud total del pirotubo = 6.89 m = 22.7 ft La longitud del tubo en U por la = 6.89 x 0.5 = 22.7 x 0.5 mitad y en total Longitud del tubo en U = 3.445 = 11.35 ft

MANUAL




FLUJO DE CALOR EN UN CALENTADOR INDIRECTO.

Mencionamos recientemente que la temperatura del pirotubo podra ser la misma que la temperatura del lquido que lo rodea, a pesar de que la temperatura dentro del tubo pudiera ser de 1650C (3000F) ms alta que la temperatura del lquido. La razn de que la temperatura del tubo sea casi la misma que la del liquido es porque el calor fluye dentro del liquido a mucho mayores velocidades que la velocidad de flujo del los gases de combustin. El lquido es mucho ms denso que el gas combustible, as que el calor fluye ms rpido en este.

Esto se puede ilustrar con una cazuela de aluminio parcialmente llena con agua la cual se calienta en la estufa. En tanto la cazuela contenga agua, esta no se fundir, sin importar que tan caliente este el quemador debajo. La temperatura de la cazuela ser casi la misma que del lado en donde el agua comienza a hervir. Sin embargo, tan pronto como toda el agua es evaporada de la cazuela, esta rpidamente se fundir. El calor viaja desde adentro del pirotubo hacia fuera del lquido en la siguiente forma:

Problema 3 Qu tan largo seria el pirotubo en el ejemplo de la pagina 15 si su dimetro fuera 508 mm (20 in)? ________________________________

FIG. 11. FLUJO DE CALOR EN UN CALENTADOR INDIRECTO

MANUAL




1. El calor se mueve dentro del

tubo hacia el pirotubo. Como el gas dentro del tubo no es muy denso, as que el calor no viaja rpidamente.

2. El calor se mueve en el pirotubo de dentro hacia fuera. El pirotubo est hecho de metal, el cual buen conductor del calor.

3. El calor en la pared del pirotubo se mueve en el lquido. Este no se mueve tan rpido en el lquido como se mueve a travs del pirotubo, pero se mueven ms rpido y lquido que en el gas dentro del pirotubo.

Como el calor se mueve rpido a travs del pirotubo, su temperatura ser casi la misma que la del lquido. Sin embargo, se forma una capa por la parte de afuera del pirotubo esta restringir flujo de calor a travs del pirotubo, y su temperatura se elevara. Una alta formacin de escamas usualmente dar como resultado la elevacin de la temperatura del pirotubo ocasionando que este se funda, y tenga que ser reemplazado. Las escamas en la parte de afuera del pirotubo dan como resultado un punto Caliente, el cual es visible durante la apertura de inspeccin. Si la escama cubre un rea significante del pirotubo, el consumo de combustible se

incrementara, y la temperatura en la chimenea a aumentara. Si se encuentra un hidrocarburo lquido presente en el gas combustible que entra al quemador, podra no quemarse completamente. El resultado neto es frecuentemente la formacin de coque en la pared interior del pirotubo. Una capa de coque en la pared del pirotubo acta como un aislamiento as que menos calor fluir desde el gas de combustin al lquido que se encuentra fuera del pirotubo. El efecto neto ser:

1. El lquido fuera del pirotubo no estar tan caliente como es normal.

2. La temperatura del gas de combustin en la chimenea a aumentara.

Una seria formacin de coque puede usualmente observarse como una brasa cuando se realiza una apertura para inspeccin visual. En algunas ocasiones se puede retirar aumentando el aire que entra al quemador, as de esta manera, se derretir. Sin embargo, en la mayora de los casos, es necesario apagar el quemador y raspar el coque formado en el pirotubo.

FIG.12. ESCAMA FUERA DEL PIROTUBO DETENDRA EL VIAJE DEL CALOR A TRAVES DEL LIQUIDO. EL TUBO SE PONDRA CALIENTE Y SE PODRIA ABLANDA.

MANUAL




III. APLICACIONES.

Los calentadores a fuego directo son generalmente utilizados en areas remotas donde no estn presentes el vapor u otros calores de proceso. El uso ms comn es en equipos de proceso de crudo y gas producidos en los pozos. Las siguientes ilustraciones muestran algunas aplicaciones ms comunes de los calentadores.

Una de las ventajas de los calentadores a fuego indirecto es que no requieren electricidad para su operacin. El sistema de apagado y de control usualmente opera con gas, que es producido en el lugar donde estos se localizan. Los dispositivos elctricos pueden operar con bateras si es necesario.

FIG. 13. TRATADORES TERMICOS DE PETROLEO CRUDO CON CALENTADORES A FUEGO INDIRECTO PARA ROMPER LA EMULSION AGUA-CRUDO.

MANUAL




FIG.14. APLICACIN DE UNA CALENTADOR A FUEGO DIRECTO

FIG. 15. CALENTADOR INDIRECTO EN UNA PLANTA DESHIDRATADORA CON GLICOL.

MANUAL




APLICACIN DE UN CALENTADOR A FUEGO DIRECTO

FIG. 16. CALENTADORES INDIRECTOS EN VAPORIZADORES DE PROPANO.

APLICACIN DE UN CALENTADOR A FUEGO DIRECTO

MANUAL




FIG. 17. CALENTADORES INDIRECTOS EN UNA LINEA DE FLUJO EN UN POZO DE GAS.

MANUAL




FIG. 18. CALENTADORES INDIRECTOS EN UNA INSTALACION DESHIDRATADORA Y ESTABILIZADORA DE

CONDENSADOS

MANUAL




IV. OPERACIN.

A. Procedimiento de arranque.

1. Llene el recipiente en el cual el

calentador se encuentra instalado de manera que el nivel de lquido se encuentre por encima de los pirotubos o revise el nivel de lquido en el calentador.

2. Cierre vlvulas de la lnea de combustible hacia el quemador principal y al piloto.

3. Abra la vlvula en la lnea de combustible hacia la alimentacin del regulador de presin.

4. Establezca la presin en el regulador de combustible de acuerdo a las instrucciones del fabricante. La presin normalmente es de 100 a 200 kPa (15 a 30 psi).

5. Abra la vlvula en la lnea del piloto y encienda este.

6. Ponga la temperatura u otro dispositivo de control en servicio, para regular la vlvula

de combustible. La vlvula de combustible debe estar abierta.

7. Lentamente abra la vlvula principal del quemador. Revise el patrn de la flama y ajuste el aire primario y secundario para obtener un patrn estable.

8. A medida que la temperatura del lquido que rodea los tubos se aproxima al punto de control, revise que el controlador de temperatura cierre la vlvula de combustible.

B. Apagado.

1. Cierre la vlvula principal en la

lnea de combustible en la alimentacin al regulador. Permita que el combustible en la lnea corra hacia debajo de la vlvula para quemarlo.

2. Cuando se presente fuego descontrolado fuera del quemador, cierre las vlvulas en la lnea de combustible hacia el quemador y el piloto.

CALENTADORES INDIRECTOS EN TRATADORAS ELECTROESTATICAS DE CRUDO.

MANUAL




OPERACIN.

C. Operacin de rutina.

1. Revise que la temperatura u otro controlador se encuentre regulando la vlvula de combustible dentro de rangos tolerables. La temperatura del lquido debera ser entre 3C (5F) del punto de ajuste; Si otra variable de proceso controla la razn de flujo; debe estar en 5% del punto de ajuste.

2. Revise el nivel de lquido fuera del pirotubo con el fin de cerciorarse que este est completamente inmerso.

3. Observe el patrn de la flama en el quemador y si es necesario ajuste el aire.

4. Opere los dispositivos de apagado a intervalos de 3 meses para comprobar que estos funcionan adecuadamente.

5. Si el calentador tiene un arrestador de flama, inspeccinelo visualmente en busca de taponamientos u obstrucciones.

6. Revise si existen fugas en el sistema de combustible.

7. Revise el gas que abandona la chimenea observando la apariencia del humo, lo que indicara una fuga en un pirotubo o presencia de hidrocarburo lquido en la lnea de combustible.

8. Inspeccione el interior del pirotubo a travs de la apertura para detectar algn punto caliente de lo cual es una indicacin la presencia de escamas en la salida del pirotubo.

9. Revise el extremo del quemador en el pirotubo para revisar algn goteo, lo cual indicara una fuga en el pirotubo.

10. Revise la temperatura de la chimenea para observar algn cambio de la observacin anterior. Un incremento en la temperatura puede ser causado por: formacin de fuego ms difcil en el calentador, se ha formado coque dentro del tubo, un tubo con fuga, un cambio en la mezcla combustible-aire en el quemador.

11. Revisar la presin del combustible en el piloto y en la lnea principal.

12. Revise si el lquido en el separador esta drenando.

D. control.

1. Control de temperatura.

El sistema de control de temperatura es usado para mantener una temperatura constante del lquido que rodea el pirotubo variando el flujo de combustible hacia el quemador. El sistema incluye dos dispositivos:

1. Un controlador de temperatura que mide cambios en la temperatura que rodea al pirotubo, y que manda seal a una.

2. Vlvula de control en la lnea de combustible para abrir o cerrar adicionando ms o menos calor con el fin de mantener constante la temperatura del lquido.

El sistema es frecuentemente operado de manera neumtica utilizando aire o

PROCEDIMIENTO DE ARRANQUE

MANUAL




gas como recurso. En reas remotas, donde no hay disponible aire, el gas natural es la fuente de poder. ste se encuentra retirado de la lnea del piloto de gas combustible la cual tiene una presin cerca de 100 kPa (15 psi). Cuando ocurre un cambio en la temperatura del lquido, el sensor de temperatura detecta el cambio y manda una seal neumatica a la vlvula de combustible para abrir o cerrar. Podra tomar varios minutos para que la temperatura del lquido regrese a la normalidad ya que la temperatura del volumen y entero del lquido ha cambiado. El controlador de temperatura tiene algunos mtodos para ajustar su sensibilidad de manera que la vlvula de control se acelera y se mueve ms que operando la abierta o cerrada. Con una baja banda proporcional el punto de referencia debe de ser 75% de esta manera reaccionar lentamente cambios de temperatura. Con una configuracin baja en la banda proporcional, la vlvula de control de combustible abrir ms de lo que lo hara con una configuracin alta. Como resultado ms calor se transferir al lquido que rodea el pirotubo. Esto probablemente resultar en el aumento excesivo de temperatura haciendo que la vlvula de combustible cierre. Esto puede ser evitado con una banda proporcional amplia, o menos sensibilidad en el controlador. Otro factor que afecta al sistema de combustible es la presin de este. Un regulador de presin en la lnea de combustible es colocado para mantener una presin constante de 100 a 200 kPa (15 a 30 psi) hacia la vlvula de control del combustible. La cada de presin del combustible en el regulador es ajustada la tensin del muelle en el regulador. Aumentar la tensin tambin aumentara la presin del combustible y viceversa.

El regulador debe ser ajustado de tal manera que la vlvula controladora de combustible se encuentre al 50% de apertura cuando el quemador este ardiendo a su normalidad. Si la presin del combustible es demasiada alta, la posicin normal de operacin en la vlvula de control ser mucho menor del 50%, y ser ms difcil mantener una temperatura constante del lquido que se encuentra alrededor del pirotubo. Si la presin del combustible es muy baja, el quemador podra no recibir suficiente combustible para mantener la temperatura del lquido alrededor del pirotubo. El ajuste ideal en el regulador de presin y el controlador de temperatura en el lquido son aquellos que permitan mantener la temperatura deseada en el lquido a la ms baja proporcin de combustible hacia el quemador. Esto se logra ajustando el controlador de temperatura y el regulador de presin de manera que el quemador arda en proporcin justa y constante con la vlvula de combustible abierta al 50%. El sistema neumatico de controlador de temperatura mostrado debajo usa gas como fuente de energa. 2. Flujo de aire hacia el quemador. El ajuste de aire hacia el quemador se realiza por tres razones: a. Para mantener una flama estable,

as no podr ocurrir que la flama salga con un aumento en la proporcin de gas, o con una rfaga de aire.

b. Centrar la flama en el pirotubo haciendo de esta forma que el fuego no toque la pared del tubo, causando con esto dao al tubo.

c. Economizar combustible. Un exceso de aire ms all del

MANUAL




necesario para quemar el combustible dar como resultado un desperdicio de combustible por calentar el aire en exceso. Una carencia de aire resultar en una combustin incompleta, con lo cual tambin se desperdicia combustible.

FIG. 19. SISTEMA EN CONTROL DE LA

TEMPERATURA EFECTOS DE LA PROPORCION AIRE/COMBUSTIBLE EN EL PATRON DE FLAMA. Como previamente mencionamos, el patrn de la flama en un pirotubo debe de ser una flama larga y estrecha que no toque el pirotubo. El patrn en la flama se establece ajustando las proporciones primarias y secundarias de aire. El aire primario suministra aire para la combustin durante la primera mitad del viaje de la flama dentro del pirotubo. El aire para la combustin en la ltima mitad de la flama proviene de los puertos del aire secundario. Establecer la proporcin de aire primario y secundario es un proceso de prueba y error. El patrn de flama variara de un quemador a otro, esto hace difcil tener un procedimiento que se aplique a todos los quemadores. Este procedimiento puede aplicarse a la mayora de los quemadores.

1. Si el quemador tiene un ajuste en el aire secundario, establzcalo a de apertura.

2. Ajuste la placa del aire primario para obtener una flama larga y estrecha que no sea mayor de 1cm (1/2 in) retirada de la punta del quemador. La primera mitad de la flama debe ser azul con unos pocos puntos amarillos.

3. Ajuste la placa del aire

secundario para sacar la mayor parte del color amarillo en la ltima mitad de la flama. Si es posible, analice el gas de chimenea a medida que el aire secundario es ajustado hasta que el aire de exceso sea de 15 a 20%. El ajuste apropiado de la placa en el aire secundario suele dejarse solo en 10 a 30% de abertura. Si hay exceso de aire presente, este usualmente proviene de los puertos de aire secundarios.

4. Repita los pasos 2 y 3 hasta

que se establezca un buen patrn de flama con 15 a 20% de aire en exceso.

5. parcialmente abra y cierre la

vlvula de combustible en el quemador varias veces para asegurarse que la flama se encuentra estable a proporciones de flujo bajas y altas. Precaucin: si hay alguna fuga de la flama en el que ambos el quemador y el piloto se daen, rpidamente cierre la vlvula principal de gas y permita al quemador por lo menos 10 minutos detenerse para arrancarlo nuevamente. Una fuga de

MANUAL




flama momentnea puede ocurrir con combustible en el quemador, y puede resultar en una explosin si el

quemador se volvi a encender.

Control de aire hacia el quemador Frecuentemente, cuando la placa de inspeccin se abra para observar el patrn de la flama, alguna escoria o suciedad puede desprenderse y entrar al pirotubo. Cuando esta alcance la flama se mostrara un color amarillo. Se observara una apariencia similar en la flama a cuando hay insuficiencia de aire. La arena tiene el mismo efecto. Cuanto usted revisa la flama, asegrese que el color amarillo no sea causado por alguna suciedad que entra al calentador. Establecer el patrn de flama en un calentador nuevo es ocasionalmente mas difcil porque el fabricante suministra al quemador un mal orifico o una mala punta al quemador. Es a veces necesario establecer al regulador de presin del combustible a una presin ms alta o baja de la que recomienda el fabricante. Adems las instalaciones nuevas frecuentemente tienen suciedad en la tubera del combustible que puede restringir el flujo de combustible en la tubera o en el quemador.

El punto ms importante a recordar en el ajuste del patrn de flama, o en realizar otros cambios en la forma de operar, es hacer una cosa a la vez, y darle tiempo para observar su efecto antes de realizar algo ms. Si realizas varios cambios al mismo tiempo, podras hacer el ajuste apropiado en algn punto y desajustar en algn punto otra variable. Entonces solo observaras los varios cambios realizados y no tendrs manera de determinar cules fueron los apropiados y cules no. La mayora de los quemadores que manejan flujos de 1 000 000 Kj/h (1 MMBtu/hr) o menores, no tienen un ajuste secundario de aire. Consecuentemente, solo la puerta primaria de aire requiere ajuste.

V. PROBLEMAS. La mayora de los problemas operativos que ocurren en un calentador de fuego indirecto incluyen fallas en accesorios y dispositivos de apagado. El calentador tiene solo dos partes principales- Un pirotubo y el quemador- y una falla en funcionamiento de ambos se puede encontrar rpido. Cada fabricante tiene diferentes sistemas de control y apagado, as que es difcil preparar un procedimiento de problemas que se aplique a todos los quemadores.

MANUAL




Como la mayora de los problemas estn asociados con equipos auxiliares, la mejor manera de resolver problemas operativos es la prevencin. Cada instrumento debe de ser revisado en su operacin mensualmente. Las lneas de aire para instrumentos deben ser purgadas frecuentemente. Los arrestadores de flama deben de ser retirados y limpiados a intervalos de seis meses; un separador se debe de encontrar

localizado en el sistema de combustible y debe mantenerse drenando lquido. El siguiente procedimiento para los problemas frecuentes en operacin con calentadores podra aplicarse a la mayora de los cambiadores. El procedimiento para encontrar problemas con instrumentos y accesorios no se incluye.

A. POCEDIMIENTO PARA PROBLEMAS CUANDO EL CALENTADOR NO SUMINISTRA FLUJO DE CALOR EN LA SALIDA. 1. Baja presin del combustible gas.

Revise el ajuste de la presin del regulador y aumente al punto de diseo.

2. Ajuste inapropiado de aire en el quemador

a. Verifique el patrn y el color de la flama; ajuste si es necesario. b. Revise la chimenea para verificar el exceso de aire. Corte o cierre el aire secundario si el exceso se encuentra arriba del 20%

3. Baja proporcin en flujo de gas

a. Compare el flujo con el diseo. Si el flujo se encuentra cerca o por encima del flujo de diseo, el calentador podra estar suministrando el flujo de calor de diseo, pero las necesidades del proceso han excedido los flujos de diseo. b. Si la proporcin de flujo se encuentra debajo del flujo de diseo, revise lo siguiente por acumulacin o suciedad: 1. La vlvula de control del combustible. 2. El orificio de combustible en el quemador. 3. Los orificios en la punta del quemador.

Relacione cada trmino de la izquierda con el de la derecha que se acerque ms a la descripcin. ___ 1. Aire primario en exceso al quemador. a. Combustin del aire en segunda mitad de la flama. ___ 2. Aire insuficiente hacia el quemador. b. Cerrar la vlvula de combustible ___ 3. Controlador de temperatura en lquido. c. La flama muy lejos de la punta del quemador. ___ 4. Aire secundario d. Regular el flujo de combustible al quemador. ___ 5. Apagado del quemador e. Flama amarilla.

MANUAL




4. El arrestador de flama se encuentra tapado y no permitir que el aire entre al quemador.

Inspeccione el arrestador y lmpielo.

5. El pirotubo se encuentra cubierto con carbn en el interior o tiene acumulacin de escoria por fuera.

a. revise la temperatura del gas combustible en la chimenea. Esta incrementara en la medida que el carbn o escamas aumenten. Una temperatura mayor de 650C (1200F) es indicativo usualmente de un pirotubo daado.

6. Cambio en el valor de calentamiento del combustible gas.

Es posible (pero poco comn) que el quemador fue diseado al igual que el aire establecido para la combustin para cierto valor de calentamiento de algn combustible. Si el valor de calentamiento cambia, un nuevo quemador ser necesario. Consulte al fabricante del quemador.

7. El quemador se encuentra tapado o daado.

Revise, repare o reemplace.

B. PROCEDIMIENTO PARA PROBLEMAS EN APAGADO DE FLAMA FRECUENTES 1. Un exceso de falta en aire primario Ajuste el aire primario y secundario 2. fluctuaciones en la presin del combustible

a. Observe la presin del combustible lnea abajo en el regulador. Si esta vara ms de 15 kPa (2 psi) repare el regulador. b. Observe la accin de control en la vlvula de combustible. Si el movimiento es abrupto, revise las siguiente causas: 1. Goteo o fuga en el diafragma. 2. el muelle del actuador se encuentra demasiado ajustado o muy suelto. 3. el controlador de temperatura se encuentra ajustado para tener accin instantnea en lugar de gradual estrangulamiento 4. La lnea de aire entre el controlador y la vlvula se encuentra tapada o goteando.

a. Si el lquido es agua, probablemente esta se evapore antes de que pueda ser detectada visualmente en el quemador o en el pirotubo. La tubera de combustible

MANUAL




3. El combustible contiene lquido. 3. El combustible contiene lquido.

tendr que ser aislada y direccionada en evidencia de agua. b. Si el lquido es hidrocarburo, humo negro aparecer en la chimenea durante la operacin del quemador o en el arranque despus del apagado. c. Revise el separador en el combustible para verificar que la unidad del drenado opere adecuadamente. d. Si el separador del combustible se encuentra distanciado del quemador, podra presentarse condensacin despus de la salida del separador. Sera beneficioso insertar pequeos tubos en el lquido que rodea el quemador- pirotubo con el fin de vaporizar el lquido que condensa en la lnea del combustible.

4. Rfagas de aire apaga la flama. ( el apagado de la flama es frecuente debido al viento

Asegrese que el apagado de la flama es debido al viento. Si as es, instale una pantalla protectora alrededor.

5. Falla en el dispositivo del apagado de la flama.

Revise el dispositivo. Reare o sustituya.

6. El quemador se encuentra tapado o daado.

Revise, repare o reemplace.

PROCEDIMIENTO PARA PROBLEMAS FRECUENTES EN FALLAS DEL PIROTUBO

1. El calentador opera por encima del flujo de diseo

a. Revise el flujo de combustible.

2. La flama toca la pared de pirotubo.

a. Visualmente revise el patrn de la flama. b. Ajuste el aire primario para centrar la flama en el pirotubo. c. El quemador podra estar inclinado en su soporte. Revselo y corrjalo. d. Los orificios al final del quemador podran estar parcialmente tapados o incorrectamente perforados haciendo que el fuego este directamente hacia el tubo. El quemador tiene que ser reemplazado. e. Acumulacin de carbn dentro del tubo puede causar puntos calientes. El carbn es resultado de poco aire o liquido en el combustible. Revise ambos. f. Instalar un forro al tubo.

Revise el tubo. Si hay presencia de

MANUAL




VI. DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD EN UN CALENTADOR.

Una amplia variedad de dispositivos en seguridad se encuentra disponible para calentadores indirectos. La seleccin depende directamente del peligro potencial de calentador .Por ejemplo, un calentador utilizado para elevar la temperatura de agua en una lnea de calentamiento podra probablemente no ser tan peligroso si el pirotubo quemara por fuera o existiera otra falla. Pocos dispositivos de seguridad serian requeridos. Por el contrario, un calentador en un rehervidor de glicol de una plataforma mr adentro podra hacer fallar la plataforma entera, debiendo tener aqu la mxima proteccin contra fallas los dispositivos de seguridad pueden operar mecnicamente o semi neumticamente. Adems los dispositivos semi neumticos pueden utilizar aire o gas como fuente de suministro. Es por esto, que es casi imposible mostrar todas las combinaciones que se encuentran disponibles. Los dispositivos tpicos de seguridad se enlistan en las pginas siguientes. A. Alta temperatura del lquido.

Un dispositivo sensor, mide la temperatura del lquido alrededor del pirotubo. El dispositivo esta casi siempre programado para disparar cuando la temperatura del lquido aumenta 6 a 10C (10 a 18 F) por encima de la temperatura normal de operacin. Por ejemplo. La temperatura normal en un rehervidor de glicol es 200C. El dispositivo para alta temperatura est programado para el disparo a 210 C. Si la temperatura del glicol sube a 210C, el dispositivo actuara, moviendo una vlvula de tres vas en la lnea de suministro de gas a instrumentos hacia el controlador de temperatura, el gas del instrumento de control es venteado al aire. Esto en contraste venteara el aire a presin desde el controlador hacia la vlvula de control del quemador. El piloto se mantendr encendido. Cuando la temperatura del glicol alrededor del pirotubo cae por debajo de los 210C, la vlvula de tres vas en la lnea de suministro de aire hacia el control de temperatura, regresara a su posicin normal y el instrumento de presin por aire restablecer la temperatura de control en el sistema haciendo que el combustible fluya hacia el quemador. B. Disparo por bajo nivel. El dispositivo sensor de nivel usualmente un flotador- se encuentra localizado cerca de la parte alta del pirotubo. Este disparara si el nivel cae

3. Corrosin y escorias en la salida del pirotubo causa un punto caliente.

sarro, retrelo y aplique un inhibidor liquido de corrosin o sarro.

4. el pirotubo se encuentra tocando los lados o el fondo del calentador.

Revise la coraza del calentador en busca de puntos calientes en donde el tubo se encuentre tocando, esta misma. Instale un soporte en el pirotubo para prevenir que este toque la coraza.

Fig. 20. DISPARO POR ALTA TEMPERATURA DEL LQUIDO

MANUAL




FIG. 22. DISPARO POR FLAMA.

hasta el punto que algn tubo no est cubierto con liquido el pirotubo comenzara a fundirse en cuestin de minutos si no este no se cubre con liquido completamente. Cuando el interruptor de nivel dispara por bajo nivel, este mueve una vlvula de tres vas en el instrumento de la lnea del suministro en gas a la posicin de venteo. En la posicin de venteo, el instrumento de la lnea de gas bloquea, y la presin por el lado de la salida de la vlvula de tres vas es venteado. Esto libera presin en el diafragma de la vlvula de cerrado rpido (shutdown) haciendo que la vlvula cierre, as la vlvula restringe y cierra el combustible hacia el quemador y el piloto, lo cual apaga el quemador. C. Disparo por flama. Un apagado de flama ocurre cuando ambos, el piloto y el quemador se pierden. Esta proteccin se encuentra en casi todos los calentadores, y la mayora de los proveedores tienen diferentes mtodos para detener el flujo de combustible al quemador y al piloto dependiendo el tipo de calentador. Un sistema de apagado de flama se muestra en la siguiente pgina. Si la luz del piloto se apaga, la varilla de la llama se enfriara y cerrara una vlvula en la lnea del

piloto, la cual es tambin un de suministro en la lnea de gas de instrumentacin. La presin del gas de instrumentacin hacia el controlador de temperatura caer hasta cero, y la presin en el diafragma de la vlvula

D. Disparo por alta temperatura de la chimenea. Este dispositivo es frecuentemente utilizado en un rehervidor de glicol, o en casos donde el lquido que rodea al pirotubo puede arder. El dispositivo sirve como un detector de fugas en el pirotubo.

Fig. 21. DISPARO POR BAJO NIVEL DE LQUIDO

FIG. 23. DISPARO POR ALTA TEMPERATURA EN LA CHIMENEA.

MANUAL




Cuando la temperatura en la chimenea alcanza el punto de disparo el interruptor de temperatura mover una vlvula de tres vas en la lnea del suministro de gas hacia el diafragma de la vlvula de disparo movindola a la posicin de venteo. La presin hacia el diafragma venteara hacia la atmosfera y la vlvula de disparo (shutdown), cerrara apagando el calentador. E. Apagado por alta/baja presin del combustible. Este dispositivo es utilizado frecuentemente y solo en calentadores muy grandes. Este lo protege contra fluctuaciones de la presin en el combustible, lo cual puede causar en el quemador un sobre calentamiento en alta presin, y posiblemente cause una explosin en el pirotubo a baja presin. Si la presin del combustible aumenta por encima o disminuye por debajo de la presin programada en el interruptor, una vlvula de tres vas en la lnea de aire hacia la vlvula de apagado o disparo

movindola a la posicin de venteo y ventea la presin del aire desde la vlvula de disparo, la cual cierra y apaga el calentador. Los dispositivos de seguridad son proporcionados para proteger equipos y personal. Desafortunadamente, siempre sufren por carencia de mantenimiento, as fallando en su funcin cuando son requeridos. O disparan demasiado antes, siendo retirados de servicio. La mayora de los incendios, que han ocurrido en calentadores no habran sucedido si los dispositivos de seguridad hubiesen estado trabajando en orden. Cada dispositivo debe de ser operador a intervalos de tres meses, y los dispositivos que fallen corregidos adecuadamente.

FIG. 24. DISPARO POR ALTA/BAJA PRESION DEL COMBUSTIBLE.

05 - calentadores a fuego indirecto final im

Documents