INTRODUCCION

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 de la combustión de combustibles líquidos y gaseosos, para elevar sus niveles de temperatura y modificar sus características químicas y físicas, para cumplir con las condiciones del proceso. Estos equipos son conocidos también como calentadores de proceso u hornos de proceso.El diseño de un calentador a fuego directo requiere de un amplio conocimiento y experiencia que involucran los 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 asegurar que todos los elementos esenciales han sido considerados.

Esquema.1.-CALENTADORES

2.-PROCESO DE CALENTAMIENTO DEL CRUDO

3.- TIPOS DE CALENTADORES:3.1.-Calentadores de tipo indirecto3.2.-Calentadores de fuego directo

4.-PARTES DE UN CALENTADOR4.1.-Pilotos4.2.-Quemadores4.3.-Cámara de Combustión4.4.-Chimenea4.5.-Regulador de tipo Damper4.6.-Serpentines4.7.-Tapas o Ventanas de Ventilación:4.8.- Mirillas/ Ventanas de Seguridad4.9.-Estructura Metálica4.10.-Línea de entrada y salida del Crudo

5.-VARIABLES A CONTROLAR EN EL PROCESO DE CALENTAMIENTO5.1.- Temperatura

5.2.- Presión5.3.- Flujo5.4.- Tiro5.5.- Relación gas combustible/aire6.-Características de los calentadores

6.1.-Calentadores CARCO de 46MM BTU/ HR.

6.2.-Calentadores LUMMUS de 24 MMBTU/ HR6.3.-Calentadores LUMMUS de 46 MMBTU/ HR7.-SISTEMAS DE PROTECCION Y SEÑALIZACION7.1.-Sistema de Detección de llama7.2.-Sistema de Detección de temperatura7.3.-Sistema de instrumentación de flujo de crudo7.4.-Sistema de control de gas combustible8.-EQUIPO DE SEGURIDAD EN CALENTADORES8.1.-Ventilación de seguridad o alivio y purgas8.2.-Alarmas de Protección9.-Operación del calentador (arranque/parada)9.1.-Procedimiento de Arranque9.2.-Procedimiento de Parada10.- Mantenimiento de los calentadores11.-VENTAJAS DEL CALENTAMIENTO12.-DESVENTAJAS DEL CALENTAMIENTO

CONCLUSIONANEXOSBIBLIOGRAFIA

DESARROLLO

1.-CALENTADORES:Equipo principal existente en las estaciones de flujo, que genera energía calorífica (BTU) para calentar las tuberías o serpentines por donde fluye petróleo, para elevar y/o mantener la temperatura deseada del mismo.2.-PROCESO DE CALENTAMIENTO DEL CRUDOEl objetivo del calentamiento del petróleo (pesado) a través del calentador o de una caldera es, disminuir su viscosidad y facilitar así su manipulación, evitando presiones excesivas en las líneas de la bomba. Este proceso ocurre en las Estaciones recolectoras ubicadas en tierra y los equipos básicos en el proceso son los calentadores y calderas.3.- TIPOS DE CALENTADORES:3.1.-Calentadores de tipo indirecto:En estos tipos de calentadores el proceso de transferencia de calor se efectúa mediante un baño de agua caliente, en el cual se encuentra sumergida la tubería que transporta la emulsión. Este tipo de calentadores disminuye el riesgo de explosión y son utilizados en instalaciones donde es posible recuperar calor, tales como el gas caliente de salida de las turbinas.3.2.-Calentadores de 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 de la combustión de combustibles líquidos y gaseosos, para elevar sus niveles de temperatura y modificar sus características químicas y físicas, para

cumplir con las condiciones del proceso.En la Industria Petrolera se usan cuatro tipos de calentadores a fuego directo las cuales son:• Calentadores de tipo tubular• Calentadores de fluido tipo camisa• Calentadores de volumen o tipo jug• Calentadores tipo caja de fuego interno o fogónLos más utilizados son los calentadores de fuego directo con cajas de fuego de tipo vertical.El diseño normal de un calentador tipo vertical cumple las siguientes funciones:1.- Des gasificado de la emulsión de entrada2.- Remoción de arenas, sedimentos y agua libre previo al calentamiento.3.- Lavado con agua y calentamiento de la emulsión.4.-Coalescencia y asentamiento de las gotas de agua.Las mismas funciones básicas son previstas en un calentador directo tipo horizontal. La alimentación es parcialmente desgasificada, luego es direccionada hacia la parte de abajo del equipo para la separación del agua libre y la arena. Después, la alimentación es calentada y sufre una última desgasificacion. Posteriormente, a través de un distribuidor pasa a un baño de agua para finalmente pasar a la sección de coalescencia.4.-PARTES DE UN CALENTADORLa estructura de un calentador la integran las siguientes partes:4.1.-Pilotos de encendido:Son unas boquillas colocadas al lado de cada quemador, cuya finalidad es mantener una llama permanente capaz de prender el quemador, cada vez que este se apague por acción de la válvula reguladora de temperatura, evitando así la acumulación del gas en el hogar. El suministro de gas a los pilotos se hace por una línea independiente, tomada antes de la válvula reguladora. Los números de piloto varían desde 9 hasta 21 pilotos en los diferentes calentadores instalados.4.2.-Quemadores de Gas:Generalmente están colocados en el piso del calentador y su función es producir la cantidad de calor necesario para calentar el crudo, preparando una mezcla combustible adecuada con el aire que entra por los registros y el gas suplido a cada uno y quemándola, con una llama corta y de color azul. El numero de quemadores es igual al numero de piloto por lo cual estos también varían desde 9 hasta 21, en los diferentes calentadores instalados.4.3.-Cámara de Combustión:Es una cámara o Caja la cual tiene un revestimiento refractario internamente, con el fin de evitar dispersión o pérdida de calor. El material aislante que reviste la cámara de combustión, puede ser de ladrillos refractarios, cartón de asbestos y cemento refractario.4.4.- Chimenea:Cuerpo Cilíndrico que esta situada en la parte mas alta del calentador hecho de acero y su función principal es conducir los humos y los vapores o gases que no son quemados en la combustión a una altura tal que no ocasione el menor riesgo de contaminar sus alrededores. Además, la chimenea por su tiro, coloca la cámara de combustión en

depresión, provocando de esta manera la entrada del aire necesario para la combustión a través de las aberturas de aire de los quemadores.4.5.-Regulador de Tiro (Damper):Es un componente del calentador situado en la chimenea, que sirve para regular el flujo de aire a través de los registros de cada quemador. Es una compuerta o plancha acoplada a un eje que puede rotar en una forma similar a una válvula mariposa. La función reguladora se realiza automáticamente para lograr una combustión completa.4.6.-Serpentines:Son tubos de una aleación de acero especial para soportar altas temperaturas, los más comúnmente usados son de tipo horizontal con llama externa a los tubos.4.7.-Tapas o Ventanas de Ventilación:Están colocadas en las partes laterales del calentador y como su nombre lo indica sirven para airear el calentador.4.8.-Mirillas/ Ventanas de Seguridad:Apertura lateral y en dirección a cada quemador y permiten observar la condición de la llama en cada quemador de los calentadores que se abre o se rompe cuando existe una alta presión dentro de los mismos para evitar que la estructura se deteriore4.9.-Estructura Metálica:Es la que soporta el serpentín y los quemadores. Sus paredes, techos y fondo son de plancha de acero con revestimiento refractario interno, para mejor aprovechamiento del calor.4.10.-Línea de entrada y salida del Crudo:Es la tubería unida al serpentín por donde entra y sale el crudo del calentador. La entrada del crudo al calentador es por la parte inferior ya que se considera que es la parte donde hay más calor y el intercambio de calor se hace más efectivo. La salida del petróleo es por la parte superior del calentador y la presión de entrada varia de acuerdo al flujo de producciones el cuerpo.5.-VARIABLES A CONTROLAR EN EL PROCESO DE CALENTAMIENTOLas variables a controlar son:5.1. Temperatura:La temperatura es una variable manejada comúnmente pero resulta difícil dar una definición exacta. Puede decirse, que la temperatura es una propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico. El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observación de que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición. En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes, el calor fluye del más caliente al más frío hasta que sus temperaturas sean idénticas y se alcance el equilibrio térmico5.2.- Presión:Es una variable que representa una indicación del comportamiento de un fluido (petróleo y agua, en caso de los calentadores) durante un lapso de tiempo, por lo que es muy importante el control sobre ella para evitar contratiempos que dañen el proceso en lo concerniente a la seguridad humana y de los equipos.5.3.- Flujo:

Se define como el movimiento de un fluido y en el caso de calentamiento. Debe ser controlado para un efectivo proceso. Este flujo se puede medir en unidades de masa, y el régimen de el, en unidades de masa por unidades de tiempo. En los calentadores el control de flujo va a estar dado por la capacidad de manejo y/o necesidad de la empresa.5.4.- Tiro:Es una diferencia de presiones entre el interior del calentador y el ambiente y es producida por la columna de gases calientes (de menor densidad que el aire frió) que sale por la chimenea del calentador. Esta diferencia de presiones es pequeña y se mide en pulgadas de agua.Es una variable de importancia desde el punto de vista operacional y de mantenimiento del calentador. Los quemadores requieren de un tiro mínimo para efectuar una buena combustión, y desde el punto de vista del mantenimiento se requiere mantener un ligero vacío en el interior de la cámara de combustión para que en caso de fuga, entre el aire frío al calentador en vez de que salgan los gases calientes hacia el exterior, los cuales pueden oxidar o corroer las partes metálicas del calentador disminuyendo así su vida útil.5.5.- Relación gas combustible/airePara asegurar una combustión completa, en la práctica se le suministra a los quemadores una cantidad de aire mayor que el teórico requerido. Esta cantidad adicional al teórico requerido se conoce como exceso del aire.El exceso de aire se regula con los registros de aire ubicados en cada quemador. Para determinar el porcentaje de exceso de aire se mide con un analizador el contenido de oxigeno en los gases de chimenea y con ese valor se busca en una grafica ya elaborada el exceso de aire.6.-Características de los calentadores6.1.-Calentadores CARCO de MM 46BTU/ HR.Tienen capacidad para manejar crudo con 30% de agua estos calentadores son de seis (6) pasos de tubos y están equipados con sección de radiación y conveccion. La eficiencia térmica de estos calentadores es de un 88.5% basado en el valor calorífico neto (LHV) del gas combustible y una perdida por calor por radiación de un 2%.El serpentín de calentamiento tiene una presión de diseño de 600 lpcm y esta formado por 84 tubos de diámetro exterior de 6.625” y 0.280” de espesor. La longitud total de estos tubos es 12 mts y la longitud efectiva es de 11.6 mts. Del total de tubos 24 de ellos son de superficie extendida y están ubicados en la sección de conveccion. El resto de los tubos no tiene superficie extendida y están distribuidos 42 de ellos en la sección de radiación y 18 de ellos en la sección de transición. La superficie extendida de los tubos de la sección de conveccion es del tipo aleta helicoidal; las aletas son de acero al carbono de 19 mm de alto de alto por 1.27 mm de espesor y están colocadas a razón de 2. 36 aletas por centímetro.Las superficies expuestas al calor son de 257.05 mts2 en la sección de radiación, 110.18 mts en la sección de transición y 1629.28 mt en la sección de conveccion.Las ratas de transferencia de calor son 9437 BTU/H-pie2, 5384 BTU/H- pie y 656 BTU/ H- pie2 en las secciones de radiación, de transición y de conveccion respectivamente.6.2.-Calentadores LUMMUS de 24 MMBTU/ HRLos calentadores de 24 MMBTU/ HR tiene dos pasos de tubos de 6” de diámetro. Estos

equipos solo tienen sección de radiación. La eficiencia técnica esta basada de estos calentadores de un 60% esta basada en el valor calorífico neto (LVH) del gas combustible y una perdida de calor por radiación de un 35%. El serpentín de calentamiento tiene una superficie de transferencia de calor de 196.039mts2 y esta formado por tubos horizontales de 6-5/8” de diámetro externo y 0.2800” de espesor, la longitud expuesta es de 9.30mts del total de los tubos, 28 de ellos están ubicados en las paredes laterales y 12 en el techo.6.3.-Calentadores LUMMUS de 46 MMBTU/ HREstos calentadores son de 04 pasos de 8” de diámetro. Estos equipos solo tienen sección de radiación. La eficiencia térmica es de un 62% asada en el valor calorífico neto del gas combustible y una perdida por radiación de un 2 %.El serpentín de calentamiento tiene una superficie expuesta al calor de 427.34mts2 y esta compuesto por 48 tubos horizontales de 8-5/8” de diámetro externo y 0.322” de espesor, dispuestos 24 de ellos en las paredes y los otros 24 en el techo, la longitud total de los tubos es de 13mts y la longitud expuesta es 12.95mts . La rata de transferencia de calor es 10420BTU/pie2/Hr.Estos calentadores están equipados con 10 quemadores a gas, de tiro natural montados horizontalmente 5 en la pared opuesta. Los pilotos de los quemadores tienen su propia varilla de ignición y se dispone de detectores UV para cada calentador, que chequean la llama de los pilotos.7.-SISTEMAS DE PROTECCION Y SEÑALIZACIONSon un conjunto de dispositivos que censan cada una de las variables del calentador, que emite una señal de alarma y disparo en l panel local y en la sala de control y actúan sobre este.De esta forma puede garantizarse un manejo seguro de los calentadores.7.1.-Sistema de Detección de llama:En los Calentadores LUMMUS al pulsar el botón de encendido de piloto se envía una señal eléctrica de 120 VAC, que activa en l controlador de llama el rele #1.El controlador de llama inmediatamente energiza el sistema de ignición de chispa; simultáneamente alimentando de gas al piloto. El controlador de llama tarda de 25 a 30 segundos energizados, para que se encienda el piloto, luego de este tiempo se desactiva, si el piloto no se enciende.Una vez encendido el piloto, el sensor “uv” detecta la llama y envía una señal eléctrica de 1.5-2mAmp que activa el controlador de llamas #2, el cual da un permisivo para encender el quemador.El quemador es encendido girando el selector en el sentido de las agujas del reloj , al girar el selector, se envía una señal eléctrica de 120vac, que abre la válvula solenoide que alimenta de gas al quemador, permitiendo que la llama del piloto lo encienda.Una vez encendido el piloto, el sensor “UV” detecta la llama y envía la señal eléctrica que actúa como permisivo para encender el quemador.Al pulsar el botón de encendido de los quemadores se inicia la secuencia que permite que la llama de cada piloto los encienda.

7.2.-Sistema de Detección de temperatura:En la línea de salida de crudo del calentador se encuentra el elemento de medición de la temperatura que puede ser: una Termocupla o termopar. Un elemento bimetalito o una RTD.El elemento de medición esta conectado a un transmisor de temperatura que recibe una señal eléctrica equivalente a la temperatura del crudo. El transmisor a su vez., envía una señal de 4-20mAmp, a la válvula automática que regula la entrada de gas a los quemadores.Adicionalmente se tiene alarma y paro por alta temperatura del crudo a la salida del calentador.7.3.-Sistema de instrumentación de flujo de crudo:El Sistema de instrumentación de flujo de crudo, comprende tan solo indicación de alarma, acción de disparo o parada de los calentadores.La acción de alarma/disparo se realiza por medio de interruptores de flujo ON/OFF, o a través de transmisor de flujo.Los interruptores detectan como señal la velocidad del crudo que fluye a través de la tubería. El interruptor de flujo envía la señal amplificada al dispositivo de alarma / disparo en el panel de control de los calentadores, que acciona tanto la alarma luminosa en sitio como la alarma luminosa/ sonora en la sala de control, a la vez envía, una señal eléctrica de 120 VAC que comanda la parada del calentador.Algunos calentadores poseen placas de orificio para medir flujo de crudo a la salida con un transmisor, que envía una señal eléctrica de 4-20mAmp, al dispositivo de alarma /disparo en el panel de control local, que a su vez envía otra señal de 120VAC al dispositivo de alarma/disparo en la sala de control que ordena la parada del controlador por bajo flujo de crudo.7.4.-Sistema de control de gas combustible:Este sistema controla la entrada de gas quealimenta a uno o varios calentadores. La presión puede ser controlada en forma remota o local.En forma local el controlador toma la señal de presión directamente en la línea y envía una señal neumática de control a la válvula reguladora la cual mantiene la presión de gas en un punto prefijado.En forma remota la señal de presión de la misma es enviada por un transmisor al controlador en sala de control.La señal desde el transmisor de presión al controlador, puede ser eléctrica de 4-20mAmp o neumática de 3-15lpcm.El controlador envía una señal correctiva, eléctrica o neumática a la válvula reguladora de presión.8.-EQUIPO DE SEGURIDAD EN CALENTADORES8.1.-Ventilación de seguridad o alivio y purgas:Algunos calentadores existentes en los diferentes patios de tanques y terminales presentan este tipo de equipo se seguridad, los cuales permiten airear el calentador y efectuar limpiezas de la línea de gas a los pilotos.8.2.-Alarmas de ProtecciónEs un sistema de detección de condiciones inseguras que permiten preservar la vida útil

de los calentadores. Estas alarmas por lo general se reflejan en un panel de control, mediante una luz o por medio de sirenas.Las condiciones inseguras por las que se accionan las alarmas son:• Baja presión gas a quemadores• Alta presión gas a quemadores• Alta temperatura de salida de crudo• Baja presión gas piloto• Muy alta temperatura salida del crudo• Alta temperatura en la chimenea• Humo en la chimenea• Bajo flujo de Crudo• Muy bajo flujo de Crudo• Piloto apagado. Perdida de aire instrumento• No hay voltaje 120 VAC. Falla alimentación 24 VDC.9.-Operación del calentador (arranque/parada)9.1.-Procedimiento de Arranque:• Cerciorarse que la cámara de combustión este libre deherramientas y objeto extraños y que las válvulas de gas combustible estén bien cerradas y no haya escapes.• Revisar que las puertas de acceso (tapas) estén cerradas.Abrir la mariposa del tiro de aire de la chimenea, hasta la mitad de su curso aproximadamente y seguidamente los registros de aire de cada quemador, por los menos 15min antes de prender el calentador. Esta operación mantendrá bien aireada la cámara de combustión, desalojando los residuos de gases (efectuar prueba de gas con el explosímetro)• Abrir las válvulas de entrada y salida de petróleo delcalentador y controlar los manómetros de entrada y salida para funcionamiento correcto.• Revisar el interior del calentador para comprobar que no haypérdidas de gas o petróleo. Si tiene dudas Con respecto al gas, nunca trate de prender los pilotos, haga una prueba de gas con el explosimetro.• Colocar el controlador de temperatura en posición manual,con 15% de apertura de la válvula automática, si existe automatización.• Desahogar la línea de gas combustible por la válvula de 2”,ubicada al final de la línea de cada calentador. También desahogar el filtro de gas, cerciorándose que el separador funcione bien (realizar prueba de gas).• Observar la presión de gas combustible en el manómetro. Siesta excede la máxima presión de trabajo permitida, llamar a la persona autorizada para ajustar el instrumento.• Encender todos los pilotos que correspondan con losquemadores (verificar visualmente la presión de llama).• Si todos los pilotos están bien prendidos, verificar visualmentela presencia llama. Abrir el gas de los quemadores principales, uno por uno y cuando la llama principal este establecida, graduar la entrada de cada quemador y también la válvula mariposa en la chimenea, hasta conseguir una llama azulada, lo que india una

buena combustión.• Asegurarse antes de dar por terminada la operación, que lallama de los quemadores no toque ningún tubo de la serpentina de petróleo. Cuando la llama toca un tubo, puede causar el sobrecalentamiento del tubo, formando carbón en el interior del mismo. Este a su vez causa una transmisión pobre del calor y disminución del aprovechamiento. En poco tiempo, el tubo se quemara, causando perdidas de producción y económicas, además del riesgo de un incendio.• Colocar el controlador de temperatura en posición automática.9.2.-Procedimiento de Parada:El encendido de un calentador causa la expansión de las partesestructurales y del serpentín. Al apagarlo, sucede exactamente lo contrario, las partes se contraen.Los pasos a seguir en el procedimiento de parada son los siguientes:• Al apagar un calentador, cerrar el regulador de laChimenea (damper), Las tapas de ventilación de los quemadores (registros), mirillas.• Evitar que el aire frío penetre al horno para que lassuperficies interiores se enfríen paulatinamente. Esto limita las contracciones bruscas de las paredes refractarias, tubos de serpentín, etc. Que conducen al agrietamiento de los tubos, reduciendo la vida útil del calentador.• Al parar un calentador, mantener circulando petróleo por elserpentín del Calentador por un tiempo prudencial, dependiendo naturalmente de la temperatura de operación y del tamaño del calentador. Se recomienda tres horas para calentadores con capacidad superior a 12x106 BTU y dos horas para los de menor capacidad.• Cerrar las válvulas manuales de gas a pilotos yquemadores.• Si es una emergencia, debido a la rotura de un tubo, cerrarla entrada de Petróleo y gas combustible inmediatamente y en lo posible desahogar la línea de petróleo, poniendo directa la producción a los tanques.10.- Mantenimiento de los calentadoresLas partículas sólidas, tales como arena, escama, productos de corrosión se depositaran en la parte inferior de estos equipos. Si estos sedimentos no son removidos puede causar los siguientes problemas:1.- Acumularse y ocupar un volumen importante en el recipiente y eventualmente bloquear la corriente de alimentación.2.-Bloquear la transferencia de calor, ocasionando finalmente el colapso del equipo del calentamiento.3.- Interferir en los controles de nivel, ánodos, válvulas, medidores y bombas.4.- Asimismo pueden incrementar el crecimiento bacteriano y la velocidad de corrosión.Para prevenir la deposición de estos sedimentos se pueden instalar “hidrojets” que operando a 30 psia por arriba de la presión de operación del calentador, removiendo los sedimentos para su posterior drenado por la parte inferior del recipiente. Otra alternativa es usar inhibidores de corrosión.11.-VENTAJAS DEL CALENTAMIENTO

• Reduce la viscosidad de la fase continua: un incremento en latemperatura de 100 F, baja la viscosidad de la emulsion por un factor de 2.• Incrementa el movimiento browniano y la colisión de lasgotas de agua para su coalescencia.• Incrementa la diferencia de densidad entre la salmuera y elcrudo.• Promueve una mejor distribución del desemulsionante.• Disuelve las parafinas cristalizadas que le dan estabilidad alas emulsiones.• Debilita la película de emulsionante que rodea a las gotas deagua.12.-DESVENTAJAS DEL CALENTAMIENTO:• Provoca la migración de los compuestos mas volátiles delcrudo hacia la fase del gas. Esta perdida de livianos ocasiona una disminución de volumen del crudo calentado y una disminución en su gravedad.• Incrementa los costos del combustible • Incrementa los riesgos en las instalaciones• Requieren mayor instrumentación y control• Causa depósitos de coke.

CONCLUSION

Resulto interesante la visita al patio de tanques, la cual pudimos corroborar la importancia de la materia, aun para el diseño de un calentador de fuego directo requiere de un amplio conocimiento de los problemas de transferencia de calor, combustión, fluidos.El crudo deshidratado caliente puede ser usado para precalentar la emulsión de entrada usando un intercambiador de calor. Los hornos de proceso, también llamados calentadores de fuego directo poseen cargas térmicas muy grandes.En un Calentador de fuego directo la emulsión viene en contacto directo con la caja de fuego o elemento de calentamiento. En general estos calentadores son usados para calentar emulsiones no corrosivas que están comparativamente bajo presión y cuando operan bajo propias condiciones, son el tipo mas eficiente de calentador, la eficiencia del calentador es determinada calculando cuanto gas es quemado para calentar la emulsión a la temperatura deseada.En los calentadores de fuego directo se presentan perdidas de energía por diversas causas y por ello es de vital importancia detectar puntos de optimización energética que coadyuven a la eficientizacion de la operación del calentador así como el consumo de combustible

* FUNDAMENTO TEÓRICODentro de la industria de Refinación y Petroquímica frecuentemente se requiere suministrar calor a algunas corrientes de proceso con diversos fines pudiéndose efectuar en equipos llamados “Calentadores a Fuego Directo” (CAFD) u “Hornos de proceso”.Son llamados CAFD por la razón de que parte del serpentín de calentamiento se encuentra en la zona donde se genera la flama por efecto de la combustión de aceite o gas combustible en los quemadores, y la energía desprendida se transfiere desde la flama y los gases calientes a la corriente del fluido de proceso.El fluido a calentar está contenido dentro de los tubos del serpentín colocado en el interior del CAFD.En los CAFD se presentan los mecanismos de transferencia de calor existentes como en la (Fig.1) y de acuerdo al mecanismo predominante que se lleva a cabo desde la flama y los gases de combustión a los tubos que contienen el fluido de proceso se denominan las secciones siendo éstas una de radiación y otra de convección, existiendo una intermedia entre ellas que se denomina como sección escudo.

* Clasificación de los calentadores a fuego directo.Esta clasificación se hace de acuerdo al servicio que proporciona el CAFD al fluido de proceso siendo la siguiente:A.- Calentadores.- Se denominan así a los que se usan solamente 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, supercalentadores de vapor, calentadores de gas, etc. (Figs.2 y 3).

B.- Calentadores de Cracking.- Son calentadores en los que se efectúa una descomposición térmica para obtener determinados productos o mejores compuestos para uso industrial. Por ejemplo: hornos de producción de olefinas, reductores de viscosidad, etc. (Fig.4).

C.- Reformadores u Hornos Vapor-Hidrocarburos.- Son hornos en las cuales se lleva a cabo una reacción química catalizada dentro del serpentín. Generalmente se diseñan los tubos como cámaras individuales de reacción con lechos de catalizador y que se calientan en la sección de reacción. Estos reformadores se usan para la producción de hidrógeno con los siguientes fines:a. Hidrógeno purob. Producción de LNG

c. Producción de amoniacod. Producción de metanol

* Tipos de calentadores.Aunque no existe un criterio uniformizado para designar a los diferentes tipos de CAFD éstos se pueden clasificar en 2 grandes grupos de acuerdo a su forma geométrica.a) Calentadores cilíndrico-vertical.

b) Calentadores rectangular-horizontal.

La colocación de los tubos puede ser como sigue:

La figura 5 muestra diagramas simplificados de 6 diferentes tipos de calentadores, los diagramas A y B son ejemplos de calentadores tipo caja de tubos horizontales, en los cuales los tubos son soportados por soportes de alta aleación desde las paredes laterales y en los arcos. Estos tipos pueden tener quemadores en el piso, en las paredes extremas o en las paredes laterales.

El tipo “C” es un horno cilíndrico vertical en el cual los tubos son soportados desde el techo al piso de la zona de radiación, por lo tanto requieren menos soportes que los tipo A y B. Este tipo de horno es con quemadores al piso y generalmente es más económico para fabricar.El tipo “D” es de tubos verticales es de tubos verticales tipo caja. Este tipo puede usarse con una sola fila de tubos o con doble fila alternada o en varias filas, con hileras de quemadores a ambas caras de los tubos.El tipo “E” es también un calentador tipo caja de tubos verticales pero de un tipo especial. Una unidad de doble celda radiante se muestra, pero este tipo es también formado por unidades de simple celda. Los tubos están en una sola fila en una celda, con quemadores en ambos lados para mejor distribución uniforme del calor alrededor del tubo. También los quemadores se distribuyen a lo largo de los tubos, siguiendo un patrón de calentamiento verticalmente para un control para un control máximo del perfil de flujo térmico. Estas características se desean en el control de la energía suministrada para los hornos reactores, pero es el tipo de diseño más caro al igual que para construirlo.El tipo “F” es un diseño tipo arco, especialmente adaptado para flujos de calentamiento bajo condiciones uniformes y con muy poca caída de presión desde el distribuidor de entrada hasta el de salida.

* LAS PARTES CONSTITUTIVAS DE UN CALENTADOR SON:

* Sección de radiación.El calentador tiene una sección de radiación. Dentro de ésta se encuentra parte del serpentín de proceso que queda expuesto directamente a las flamas pero sin tocarlas y por lo tanto predomina el mecanismo de transmisión de calor por radiación; no obstante, debido a que durante la combustión se generan gases, éstos tienden a ocupar el volumen presente ocasionando circulación y recirculación entre los tubos, presentándose entonces, pero en menor proporción, el mecanismo de transmisión de calor por convección. La sección de radiación tiene recubiertas sus paredes internamente con refractario-aislante con objeto de mantenerla a alta temperatura y evitar las fugas de calor hacia el exterior.En esta sección se genera la flama y se alcanzan las temperaturas más altas, por lo que es conveniente absorber en esta sección la mayor cantidad de calor, tomando en cuenta el área expuesta y material de los tubos para que esa absorción de calor resulte más económica. 

La función principal de esta sección es la de proveer el espacio suficiente para que se efectúe la combustión completa del combustible y contener al serpentín de proceso para lograr el calentamiento del fluido.

* Quemador:La función del quemador es la de efectuar el mezclado del combustible (gas natural, combustóleo, etc.) con el comburente (oxigeno del aire) y realizar su combustión completa.* Serpentín de fluido de proceso: El serpentín tiene como función la de conducir, a través del CAFD (calentador a fuego directo), el fluido de proceso que va a ser calentado.* Tubos escudo:La función de estos tubos es la de proteger al resto de los tubos de convección que generalmente son de superficie extendida evitándose se alcancen altas temperaturas en estos últimos. 

* Sección de convección:La sección de convección es una parte integral de un horno y su propósito es aprovechar el calor de los gases de combustión que abandonan la sección de radiación. El calor que se aprovecha se le adiciona al fluido de proceso que sufre un precalentamiento o es absorbido por otro servicio adicional en la zona de convección. Debido a que los gases de combustión al abandonar la zona de radiación han perdido gran cantidad de su contenido de energía, cuando entran a la zona de convección ha disminuido su temperatura; por lo que la zona de convección opera a temperaturas menores que la zona de radiación. Como en la sección de radiación, en la sección de convección, el calor es transmitido por radiación y por convección. Pero como los fenómenos de conducción y convección son afectados primordialmente por la diferencia de temperaturas y muy poco por el nivel térmico, en la sección de convección la conducción y convección son los mecanismos que contribuyen en mayor proporción a la transferencia de energía.Por lo anterior, los serpentines de la zona de convección en la mayoría de los hornos, son hechos de tubos aletados o birlados para mejorar la transmisión de calor por convección.Sopladores de Hollín:Su función es la de dirigir chorros de vapor hacia los tubos de superficie extendida, con la finalidad de eliminar el hollín depositado sobre estos. Los sopladores de hollín se encuentran localizados a distintas alturas en la zona de convección y son tubos con orificios que cruzan de lado a lado a la misma zona.* Compuerta o mampara:Sirve para regular, permitir el paso total o bloquear totalmente el flujo de gases de combustión o aire al conducirse a través de conductos.* Sección escudo.Es la sección inicial de la sección de convección y ve directamente la flama, algunas veces se coloca en la sección de radiación y entonces forma parte de ella.La transferencia de calor se efectúa por radiación y con gran influencia por convección ya que está en el paso de los gases calientes de la sección de radiación a la de convección.Generalmente se usan tubos desnudos colocados horizontalmente para esta sección.

* DISEÑO Y EVALUACIÓNEl diseño de un CAFD requiere de la combinación de varias relaciones de intercambio de calor y contenido calorífico de los gases de combustión para los flujos especificados. Esto debe hacerse para cada corriente y para cada sección del CAFD. En la mayoría de los casos se involucran factores que permiten la solución simultánea de las ecuaciones, sin embargo, en lugar de esto se puede seguir un procedimiento iterativo con aproximaciones sucesivas.La finalidad de presentar un método de diseño y evaluación es de acuerdo a lo siguiente:a) Efectuar estimaciones del tamaño del CAFD, consumo de combustible y recuperación de energía durante la parte de diseño.b) Predecir los efectos de los cambios en el flujo de carga, tipo de carga y variables de operación.c) Anticipar los efectos de modificaciones propuestas para un CAFD existente.

1.- Criterios de selección del tipo de calentador y colocación del serpentín de calentamiento de la sección de radiación.En la selección del tipo de calentador va implícita la colocación del serpentín de radiación; en otras palabras, forman un par de variables, dependientes entre si y de los requerimientos que deben cumplir para el buen funcionamiento del calentador.Las principales variables que determinan el tipo de un calentador y la colocación del serpentín son:a) Longitud de los tubos del serpentín.b) Requerimientos de calor por unidad de área.c) Características del fluido de proceso.d) Carga Térmica.e) Espacio para colocación del equipo

a) Longitud de los tubos del serpentín.En base a experiencias y para evitar problemas de mantenimiento se recomienda usar como máximo una longitud límite de tubos, siendo ésta de 80 pies cuando se colocan horizontalmente y de 60 pies cuando se colocan verticalmente, aunque se recomienda también se acerque la longitud a medidas estándares de tubería para evitar desperdicios o fabricación especial.Se debe tener especial cuidado cuando se coloquen verticalmente en un calentador cilíndrico, ya que siempre existen problemas para cambiar los tubos que quedan debajo de la sección de convección y con mayor razón cuando son de longitud cercana a la máxima recomendable.b) Requerimientos de calor por unidad de área.Dependiendo del calor por unidad de área (FLUX) requerido tendremos la colocación del serpentín, que puede ser:|   | Tubos cercanos a las paredes de refractario con quemadores viendo a otro lado, verticales u horizontales. |  |   | |1.- Para Fluxes moderados | |

  |   | |  |   |   |   |   |   |2.- Para Fluxes altos sin problemas de gradientes térmicos altos en los tubos y gradiente de dilatación alto. |   |   |   |   || Tubos verticales al centro con quemadores a ambos lados. || ||   |   |   |   ||   |   |   |   |3.- Para Fluxes altos con gradientes térmicos pequeños y gradientes de dilatación alto. | Tubos verticales al centro con quemadores en las paredes a ambos lados ó en el techo de tiro forzado || || ||   |   |   |   |

c) Características del fluido de proceso.De las características del fluido de proceso que son importantes para seleccionar el tipo de horno, tenemos los siguientes:1. Ensuciamiento.- El ensuciamiento lo representamos por un factor de ensuciamiento (fi) y es la resistencia al flujo de calor que presentan los fluidos al formar una película del fluido en la pared del tubo.

Si fi es menor de 0.001 1/BTU/hr °F pie2 se pueden usar tubos verticales sin problemas graves, si es de 0.001 a 0.004 se pueden usar también verticales pero con previsiones para limpieza. Cuando fi es menor de 0.05 se pueden usar tubos horizontales para todos los casos previniendo la limpieza de los mismos según el caso. Si fi es mayor de 0.05 se usará otro tipo de calentador llamado a fuego indirecto.2. Tendencia a la coquización.- Además del ensuciamiento en algunos casos existirá coquización, para lo cual se recomienda dejar las previsiones necesarias para decoquización y usar tubos verticales u horizontales, según lo que convenga más de acuerdo al punto b.

3. Incrustación.- La incrustación es causada por el contenido de sales minerales en el fluido y se recomienda usar tubos horizontales. Generalmente las características de incrustación se indican junto con el factor de ensuciamiento.

d) Carga Térmica.La carga térmica del horno nos determina las dimensiones del calentador y tomando en cuenta lo dicho en los puntos a, b y c se puede seguir el siguiente criterio:1) Menores de 30 MMBTU/hr- cilíndrico con tubos verticales, rectangular con tubos horizontales ó a fuego directo.2) Mayores de 30 MMBTU/hr- cilíndrico con tubos verticales para determinados casos y todos los demás rectangular con tubos horizontales y para casos especiales tubos verticales.

e) Espacio para colocación del equipo.Cuando se tiene poco espacio para colocar un horno, se opta por usar uno cilíndrico con tubos verticales siempre y cuando los problemas de mantenimiento que se prevengan sean mínimos. En caso contrario, no hay ningún problema para limitar el tipo de horno y será de acuerdo a lo mencionado en los puntos anteriores.

2.- Criterios de prediseño.Los criterios de prediseño son aquellos que no van incluidos en los métodos de cálculo clásicos (de diseño o evaluación) y que son básicos para el buen desarrollo de los mismos.A. Aire para la combustión.a) Aire teórico: es el aire estequiométrico para llevar a cabo la combustión del combustible en cuestión y la relación en peso aire/combustible se conoce con la fórmula de Dulong.

AT=0.115%C+0.345%H2+0.0432(%S-%O2)Donde:AT = Relación peso de aire teórico, lb aire/lb comb. ó Kg aire/Kg comb.%C = % peso de carbono en el combustible.%H2= % peso de hidrógeno en el combustible.% S = % peso de azufre en el combustible.%O2= % peso de Oxígeno en el combustible.Generalmente se conoce el poder calorífico de los combustibles, tanto superior (PCS) como inferior (PCI) ya que son necesarios para el consumo de combustible, y para simplificar los cálculos del aire teórico, se usan las siguientes fórmulas:Para combustibles hidrocarburos gaseosos:AT=1638.5PCI+155.0+15.0

Y para combustibles hidrocarburos líquidos:AT=0.00075 (PCS)Donde: PCL= Poder calorífico inferior del combustible; BTU/SCFPCS= Poder

calorífico superior del combustible; BTU/lb

b) Aire práctico: es el aire usado realmente para la combustión, el cual es superior al

teórico para asegurar una combustión completa.

Se encuentra con el exceso de aire suministrado y es:

Ap=AT=1.0+%EXC100

Donde:

Ap = Aire práctico: lb aire/lb comb. ó Kg aire/Kg comb.

%EXC = % peso de exceso de aire.

c) Exceso de aire: prácticamente se han determinado los excesos de aire adecuados

cuando se usan quemadores de tiro natural:

Para combustibles gaseosos = 20%

Para combustibles líquidos = 30%

Cuando se tiene una operación cuidadosa en el CAFD se pueden reducir los excesos de

aire, aumentando así la eficiencia del mismo ó cuando se tienen quemadores especiales o

de tiro forzado.

B. Pérdidas de calor por las paredes.

En los CAFD hay pérdidas de calor por las paredes del mismo, debido a que se diseñan

para que la temperatura exterior del cascarón sea 200º F máximo (De acuerdo al espesor

de refractario usado).

Los porcentajes de pérdidas que se toman de acuerdo a la práctica son los siguientes:

Donde:

QL = Calor liberado total; BTU/hr

C. Distribución de Calor absorbido.

El calor absorbido por la corriente de proceso se determina por:

QA=ηTP100*QL

Donde:

QA= Calor absorbido por la corriente de proceso, BTU/hr

TP = Eficiencia total del CAFD para el servicio de la corriente de proceso, % 

y QA= qR+qc

Donde:

qR= Calor absorbido en la sección de radiación por la corriente de proceso, Btu/hr.

qc= Calor absorbido en la sección de convección por la corriente de proceso,

Btu/hr.

En base a la experiencia se sabe que del total de calor transmitido en el CAFD

para la corriente de proceso, del 62 al 70%, se transmite en la sección de

radiación y el resto en la sección de convección, o sea: 

qR=0.62 a 0.7QA

Cuando se inician los cálculos se toma 0.7 con objeto de tener menor área en la

sección de radiación.

Este porcentaje depende de la geometría de la sección de radiación y de la

temperatura del fluido de proceso y del flux requerido.

D. Definición de rendimiento.

El rendimiento total del horno se define como el calor total absorbido dividido por

el calor total liberado, esto es:

ηT= QDQL*100

Donde:

ηT=Rendimiento total del horno, entanto por ciento.

QD= Calor total absorbido de diseño por el fluido de proceso y servicios

adicionales (BTU/hr).

QL= Calor total liberado por el combustible (BTU/hr) y

QD= qR+qC+qSA

Donde:

qSA=Calor absorbido por los servicios adicionales BTUhr

* CALENTADOR A FUEGO DIRECTO BA-401 Y BA-403

* DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO.

El equipo BA-401 funciona como calentador de alimentación al reactor de la

unidad Hidrodesulfuradora de Naftas No.2 (U-400) de Salina Cruz, Oaxaca. Fue

diseñado por el Instituto Mexicano del Petróleo y fabricado por la compañía Foster

Wheeler Mexicana S.A. Este calentador es de tipo caja con una sección de

radiación, la capacidad térmica total de diseño es de 44.50

MMBTU/H (11.21 MMcal/H), y el flujo de diseño máximo de 539,350 lb/H (244,865

Kg/H).

La carga vaporizada al 69.11% peso (en el caso de baja formación de ligeros)

continúa a través del calentador a fuego directo BA-401 donde recibe la carga

térmica necesaria para alcanzar la temperatura requerida en el reactor que va

desde 330 ºC con catalizador fresco, hasta 352 ºC al final de la corrida.

A la entrada del calentador BA-401, en cada cabezal de serpentines se tiene un

manómetro local y un sensor de temperatura con indicación en consola. Los

serpentines entran en primer término a la sección de convección y en seguida

pasan a la de radiación. A la salida de radiación cada serpentín cuenta con un

sensor de temperatura con indicación en consola y una alarma por alta

temperatura. Estos serpentines se conectan a un cabezal común de 16” ø, el cual

tiene indicación de presión (PI-417) y de temperatura (TI-400-11). Esta

instrumentación permitirá detectar anomalías en la operación de cada serpentín.

El control de temperatura del calentador BA-401 se realiza mediante el controlador

TRC-401 instalado en el cabezal común de salida. La señal de este instrumento es

dirigida a través del selector manual SS-401 hacia el controlador de flujo del

combustible que se esté utilizando. Estos controladores son FRC-449 y FRC-450

para gas combustible y combustóleo, respectivamente. La cantidad de

combustible suministrado se conoce por medio del FRC-449 para gas combustible

y FRC-450/FR-408

para combustóleo localizados en el sistema de control principal. Para el uso de

combustóleo se dispone de una línea de vapor de media presión que sirve como

vapor de atomización. La inyección de vapor se lleva a cabo controlando la

diferencial de presión entre la presión del combustóleo y la del vapor, mediante

PDIC-407.

El calentador BA-401 está protegido por la acción de baja presión en el suministro

de combustible a quemadores y pilotos, por lo cual se tienen instalados los

interruptores PSL- 403 A, PSL-403 B y PSL-406 que envían una señal de corte a

las válvulas actuadas por solenoide UV-403A, UV-403B y UV-406

respectivamente.

Para conocer las condiciones de operación del calentador se tiene instalada la

siguiente instrumentación: indicadores de temperatura de las zonas de radiación,

convección y la chimenea, un indicador de la presión del tiro, y en la chimenea una

toma de muestra de los gases de combustión.

* CALENTADOR A FUEGO DIRECTO BA-403

(Calentador Rehervidor de la Torre Desisohexanizadora Unidad

Hidrodesulfuradora de Naftas No 2.)

El equipo BA-403 funciona como calentador rehervidor de la Torre

Desisohexanizadora de la Unidad Hidrodesulfuradora de Natas No. 2 de Salina

Cruz, Oaxaca. Fue diseñado por el Instituto Mexicano del Petróleo y fabricado por

la compañía Foster Wheeler Mexicana S.A Este calentador es tipo cilíndrico con

una sección de radiación, la capacidad térmica total de diseño es de 20.50

MMBTU/H, y el flujo de diseño máximo de 302,379 lb/H.

La corriente que circula a través del calentador BA-403, se alimenta por medio de

las bombas GA-410 M/RT a razón de 26 377 BPD (21 368 BPD en caso de baja

formación de ligeros).

Antes de entrar la corriente de alimentación al rehervidor, se distribuye en dos

serpentines, regulándose el flujo de cada unos de ellos mediante controladores.

La corriente entra primeramente a la sección de convección y en seguida pasan a

la de radiación. En cada serpentín se tienen instalados manómetros indicadores

de presión y alarmas por bajo flujo. El incremento total de la temperatura a través

del calentador BA-403 es de 13 ºC. A la salida de radiación cada serpentín cuenta

con un indicador de temperatura con punto de consola y una alarma por alta

temperatura. A la salida del calentador los serpentines se conectan a un cabezal

común de 16”ø en el cual se tiene indicación de presión y de temperatura. 

La cantidad de combustible suministrado se conoce por medio del FRC-457 para

gas combustible y FRC-458/FR-419 para combustóleo, localizados en el sistema

de control principal.

Para el uso de combustóleo se dispone de una línea de vapor de media presión

para inyectarse como vapor de atomización a control de diferencial de presión

entre la presión del combustóleo y la del vapor, mediante PDIC-466. El calentador

BA-403 está protegido por la acción de baja presión en el suministro de

combustible a quemadores y pilotos, por lo cual se tienen instalados interruptores.

Este calentador tiene las mismas partes constitutivas que el BA-401.