85

octubre 03

ambiente, realizándose el calenta-miento de forma directa sobre elmaterial (inducción, pérdidas die-léctricas, resistencias) o de formaindirecta por transmisión de calorde otros elementos (resistenciaseléctricas, tubos radiantes eléctri-cos o de combustión, hornos de lla-mas, etc.) [1].

La clasificación de los diferen-tes tipos de hornos industriales sesuele hacer en función de la fuentede energía necesaria para llegar ala temperatura de trabajo [2] [3].Esta energía puede proceder de dosfuentes fundamentales: (i) gasescalientes, producidos en la com-bustión de combustibles sólidos,líquidos o gaseosos, que puedencalentar el material por contactodirecto o indirecto; o (ii) energíaeléctrica: arco voltaico, inducciónelectromagnética, alta frecuenciaen forma de microondas, resisten-cias eléctricas, y otras menos utili-zadas como el haz de electrones,plasma y láser.

Los hornos se utilizan en muydistintos campos de la industria[1], entre los que se podrían desta-car los siguientes: industria side-rúrgica (hornos altos, de fusión, detratamientos térmicos y otra seriede equipos auxiliares); industriadel aluminio (celdas de electrólisisígnea, hornos de fusión y manteni-miento); industria del cobre y susaleaciones (hornos de reducción ode fusión de chatarra); industria deautomoción; fundiciones (hornosde fusión y mantenimiento); indus-trias de productos manufacturados(incluye un amplio número de apli-caciones diferentes que van desdela fabricación de materiales dieléc-tricos hasta la fabricación de piezas

Existen una infinidad de diseñosde hornos industriales, dependien-do tanto de la industria, como delproceso llevado a cabo. Es por elloque sistematizar el diseño básico delos hornos, tanto desde el punto devista energético como geométrico,se antoja una vasta tarea. En estetrabajo se presentarán los factoresbásicos a tener en cuenta a la horade afrontar el diseño de un hornoindustrial, comentando los criteriosfundamentales para la elección delas principales variables del equipo.A su vez, se darán una serie de in-dicaciones, con su cita bibliográfi-ca, para la ampliación de cualquie-ra de los apartados que incluye eldiseño completo de un horno in-dustrial de proceso.

Los hornos industriales son losequipos o dispositivos utilizadosen la industria en los que se calien-tan piezas o elementos colocadosen su interior por encima de latemperatura ambiente. Las aplica-ciones son muy numerosas y pue-den abarcar desde fundición delmaterial hasta tratamiento térmicoo recubrimiento del mismo [1].

Aunque esta definición podríaresultar obvia, no lo es tanto en lapráctica, ya que es frecuente utili-zar otros términos tales como estu-fas (para hornos que operen a bajatemperatura), secaderos, bateríasde coque, arcas de recocer (indus-tria del vidrio) o incineradores. Porlo tanto, y para evitar ambigüeda-des, se denominan hornos a aque-llos equipos o instalaciones queoperan, en todo o en parte del pro-ceso, a temperatura superior a la

1. Introducción

Diseño de hornos industriales de proceso

F. G. Colina, I. Caballero y J. CostaDpto. de Ingeniería Química y Metalurgia

Universidad de Barcelona

En el presente artículo seanalizan los criterios de selecciónde un horno industrial según los

condicionamientos básicos quedeterminan su diseño: naturaleza

de la carga a utilizar, que puedeser sólida, líquida, gaseosa o

mixta, y objetivo delcalentamiento.

Se señalan los factoresfundamentales de diseño y, como

aplicación, se lleva a cabo eldesarrollo del diseño básico de

un ejemplo concreto constituidopor un horno rotatorio para el

tratamiento de minerales.Finalmente, se recomienda una

serie de referenciasbibliográficas para profundizaren los detalles de diseño de los

hornos industriales.

Diseño de Equipos

Ingeniería Químicawww.alcion.es

vada, se producen inquemados quepueden impurificar el producto obte-nido, por lo que sería necesario eluso de otro combustible.

Temperatura de trabajo delhorno. Es quizás, junto con lacomposición y características delmaterial utilizado, el parámetromás importante para el diseño delhorno, ya que determina la elec-ción del material de construccióndel mismo (revestimiento y carca-sa), así como el requerimientoenergético. Los hornos se puedendividir en tres tipos, según la tem-peratura T de trabajo: baja(<500ºC), media (500<T<1000ºC)y alta (T>1000ºC). Obviamente, amedida que aumenta la temperatu-ra de trabajo, los materiales reque-ridos para la construcción aumen-tan de precio, así como la mano deobra para el tratamiento de dichosmateriales.

Geometría del horno. Es elpunto más amplio y más ambiguode todo el análisis realizado, yaque existe una multitud de diseñosdiferentes, con geometrías quepueden ser radicalmente distintas(relación altura/anchura, forma decanal, forma del tambor o la cuba,etc.). En este punto influyen multi-tud de parámetros que dependen decada proceso en concreto: paráme-tros geométricos, disposición deaccesorios, dispositivo de giro, cir-cuitos de gases, etc.

Ciclo de trabajo. Una caracte-

mecánicas, por lo que se podrían in-cluir una infinidad de tipos de hor-nos diferentes); industria química(se incluye la industria petroquími-ca y la farmacéutica, por lo que co-mo ejemplos de hornos se puedencitar los de fabricación de aleación,los hornos de reformado de la in-dustria petroquímica o los hornosde esterilizado de productos medi-cinales); industria cerámica y delvidrio (hornos rotativos para la fa-bricación de clinker en la industriadel cemento, hornos túnel para lafabricación de piezas cerámicas,hornos de fusión de vidrio).

En todos los campos comenta-dos anteriormente, los hornos in-dustriales se utilizan fundamental-mente para llevar a cabo una seriede procedimientos que se enume-ran a continuación: sinterizado ycalcinación, fusión (metales, vi-drio, materiales cerámicos, goma oplásticos), extracción por fusión,calentamiento de piezas (para lami-nación, extrusión, forja o estampa-ción), tratamientos térmicos (reco-cido, temple, revenido, solubiliza-ción, envejecimiento), otros proce-sos para materiales no metálicos(vulcanización de gomas, trata-mientos de plásticos), recubrimien-tos (galvanización, esmaltado,etc.), secado, extracción de polvo,procedimientos químicos (desde lareducción de minerales, tostación,calcinación y una infinidad de pro-cesos que requieren una temperatu-ra relativamente elevada).

Existen dos condicionamientosbásicos que determinan la soluciónde diseño a determinar [4]. En pri-mer lugar, la naturaleza de la cargaa utilizar, que puede ser sólida(pulverulenta, granulada o confor-mada), líquida, gaseosa o mixta. Elprimero de los casos es el más ha-bitual, aunque, dependiendo del ti-po de sólido a utilizar, el diseñopuede ser completamente diferen-te. El segundo condicionamientobásico es el objeto del calenta-miento, es decir, el objetivo delproceso llevado a cabo: modifica-ción de las características físicas

2. Criterios deselección de un horno industrial

de la carga (secado, fusión, vapori-zación, fritado, variaciones estruc-turales, etc.) o modificación de lascaracterísticas físico-químicas dela carga (con participación del flui-do calefactor o no). Una vez clarosestos factores básicos, deben anali-zarse los parámetros a tener encuenta a la hora de afrontar el dise-ño del horno. Los más importantesson los siguientes: fuente de ener-gía, temperatura de trabajo del hor-no, geometría del horno, ciclo detrabajo, disposición de la carga,movimiento de la carga, carga delmaterial, extracción del materialuna vez procesado, circuito del gasde salida y accesorios.

Fuente de energía. Se debe ele-gir entre el calentamiento medianteun combustible (los gases creadospor la combustión del mismo) o me-diante energía eléctrica (resistencias,inducción, etc.), cosa que dependeráfundamentalmente de la necesidadde energía calorífica y de los reque-rimientos propios del proceso (de-pendiendo del material, éste podráestar en contacto o no con los gasesde combustión). La electricidad su-pone una fuente de energía más caraque el uso de combustibles, por loque se usará cuando el requerimien-to energético no sea demasiado im-portante. En el caso de los combusti-bles, existen sólidos (carbón), líqui-dos (aceites combustibles) o gaseo-sos (el gas natural es el más usado).En este caso, el carbón es el máseconómico, aunque, si la temperatu-ra de operación no es demasiado ele-

INGENIERIA QUIMICA

86

Figura 1. Horno rotatorio

para la producción

de clínker en la industria

del cemento

al requerimiento energético de lacarga, debe calcularse aplicando alsistema un balance de energía enlas coordenadas que proceda, eneste caso en coordenadas cilíndri-cas, una de las geometrías más uti-lizadas, sobre todo si el materialtiene que ser volteado:

∂T ∂T vθ ∂T ∂TρCp(––– +vr ––– + ––– ––– + vz –––) =

∂t ∂r r ∂θ ∂z

1 ∂ ∂T 1 ∂2T ∂2T= k (–– ––– (r –––) + –– –––– + ––––)r ∂r ∂r r 2 ∂θ 2 ∂z2

(1)

donde: T es la temperatura, t eltiempo, v la velocidad, ρ la densi-dad, Cp la capacidad calorífica y r(radio), θ (ángulo) y z (longitudinal)son las coordenadas cilíndricas.

En un segundo paso, al balancede energía se le deben aplicar lassimplificaciones que se considerenoportunas. En el caso de un hornorotatorio, sólo se considera varia-ción con el parámetro longitudinalz y además se supone el régimenestacionario de operación. Asimis-mo se deben estimar todos los pa-rámetros necesarios para la cuanti-ficación del intercambio de calorentre la carga y los gases proce-dentes de la combustión [6], talescomo los coeficientes de intercam-bio de calor (por conducción, porconvección y por radiación).

Una vez estimados los paráme-tros fundamentales se debe plantearun método de resolución del mode-lo matemático resultante, ya queun sistema con solución analíticaes improbable debido al gran nú-mero de variables que intervienenen el proceso. El modelo que partedel balance de energía tiene comoobjetivo el planteamiento de unperfil de temperaturas en funciónde la longitud del horno, cosa quepermite la estimación de la geome-tría del mismo, teniendo en cuentaque la temperatura final a alcanzares, en la mayoría de los casos, unaimposición del propio proceso. Eneste caso se ha elegido el métodode Jun que consiste en la elecciónde un intervalo de integración j(0,01 m) y en el hecho que todaslas ecuaciones diferenciales sepueden plantear de la forma:

rística fundamental en la industriade proceso es el régimen de traba-jo, que puede ser continuo o dis-continuo. Aunque pueden existirotras características que determi-nen el ciclo de trabajo, la escala deproducción es el factor fundamen-tal, ya que, si la capacidad es muyelevada, la rentabilidad del régi-men discontinuo es menor. Sin em-bargo, existen excepciones, ya quealgunos procesos requieren traba-jar en discontinuo independiente-mente de la escala de producción yotros no aconsejan una parada delas instalaciones debido a la difi-cultad de la posterior puesta enmarcha de la misma (aunque la ca-pacidad de producción no sea muyelevada). Es por ello que muchosprocesos de la industria se llevan acabo de forma semicontinua, queconsiste en la operación en conti-nuo (régimen estacionario) duranteun periodo de tiempo determinado(hasta que se fabrica la producciónrequerida) y luego se produce unaparada de las instalaciones.

Disposición de la carga en elhorno. Se puede introducir la car-ga directamente en el horno o encontenedores, ya sean éstos abier-tos o cerrados. Este punto depen-derá fundamentalmente de las ca-racterísticas del material usado.

Movimiento de la carga. Es po-sible operar con carga estacionariao móvil. En este último grupo exis-ten diferentes disposiciones, talescomo móvil en contracorriente oequicorriente con los gases (en elcaso de calentamiento por combus-tible) o incluso en la circulaciónpor gravedad.

Carga del material en el hor-no. Se realiza por vertido, en vago-netas, sobre rodillos, sobre conos,etc. Este punto, aparte de la natura-leza del material, está también re-lacionado con la geometría delhorno, así como con la escala delmismo.

Extracción del material unavez procesado. El material puedeextraerse del horno ya sea tirando,empujando, basculando, colando,bombeando, con vigas de apoyo,transportadores de cinta, tornillo sinfin, etc. Tal y como ocurre con los

dos apartados anteriores, este puntodepende fundamentalmente de lanaturaleza del material utilizado, asícomo de la escala del proceso y dela geometría del horno.

Circuitos del gas de salida.Dependiendo del combustible uti-lizado, éste tendrá una composi-ción concreta, por lo que en algu-nos casos será necesaria una recu-peración del gas resultante de lacombustión. Éste deberá conducir-se (normalmente mediante un ven-tilador para crear un gradiente depresión en el interior del horno) auna planta de tratamiento del gas.

Accesorios. Otro punto funda-mental (y directamente relaciona-do con el anterior) es el diseño ycolocación de los accesorios nece-sarios, que pueden ir desde los cie-rres de estanqueidad, el quemador(si se utiliza un combustible), lacolocación de las resistencias eléc-tricas, la situación del ventilador,la inclusión de palas interiores pa-ra voltear el material, etc.

De la simple relación de los pa-rámetros descritos se desprende ladificultad de elaborar una sistema-tización de la elección del tipo dehorno necesario y de su posteriordiseño. Es por ello que en el si-guiente apartado se darán las direc-trices fundamentales de diseño, ba-sando la explicación en un ejemploconcreto.

Debido a que las formas y tiposde hornos son demasiados para tra-tarlos en un estudio de las presen-tes características, se llevará a caboel desarrollo de un ejemplo concre-to, teniendo en cuenta que el plan-teamiento para otras situaciones essimilar. El ejemplo que se trataráes el de un horno rotatorio para eltratamiento de minerales. Para másinformación al respecto se reco-mienda consultar un trabajo previode estos autores [5].

En el diseño básico de un hornoindustrial, las variables más impor-tantes a calcular son el requeri-miento energético y los parámetrosgeométricos del horno. En cuanto

3. Diseño básico

Diseño de Equipos

87

octubre 03

[1] Astigarraga Urquiza, J. “Hornos Indus-triales de Resistencias: Teoría, Cálculo yAplicaciones” Mc Graw-Hill, Madrid (1994).

[2] Kirk, R.E. y Othmer, D.F. “Encyclopediaof Chemical Technology” 4ª Edición. JohnWiley & Sons. Nueva York, NY (1991).

[3] Trinkis, W. y Mawhinney, M.H. “Hor-nos industriales” Ediciones URMO Bilbao(1971).

[4] IDAE, DL “Manuales técnicos y de ins-trucción para conservación de la energía.Hornos industriales” IDAE, DL. Madrid(1987).

[5] Colina, F.G., Caballero, I. y Costa, J. “Di-seño básico de hornos rotatorios para el tra-miento de minerales” INGENIERÍA QUÍMI-CA, 392 107-111 Julio/Agosto (2002).

[6] Perry, J. ed. “Manual del Ingeniero Quí-mico” 6ª Edición (3ª en español) John Wi-ley and Sons, New York (1992).

[7] Duda, W.H. “Manual Tecnológico delCemento” 1ª Edición. Editores TécnicosAsociados, S.A., Barcelona (1977).

[8] Wuithier, P. “El Petroleo. Refino y trata-miento químico” Cepsa, Madrid (1971-1973).

[9] Ullmann, F. ed. “Ullmann’s Enciclope-dia of Industrial Chemistry”, 5ª Edición.VCH cop. Weinheim, Alemania (1993).

[10] Olsen, F.L. “The Kiln Book: materials,specifications & construction” Chilton(Pennsylvania) 2ª Edición (1983).

6. Bibliografía∂T––– = f (Tn, zn) (2)∂z

utilizando para predecir el re-sultado de la variable a calcular enel siguiente intervalo, la expresión:

jTn+1 = Tn + ––– ·

2

· [f (Zn+1, T’n+1) + f (Zn, Tn] (3)

en la que:

T ’n+1 = Tn + j · f (Zn, Tn) (4)

Para la resolución del modelo, separte de un extremo del horno don-de las temperaturas sean conocidas(por ejemplo, la de la llama del que-mador o la impuesta por el procesopara la carga) y se van calculandolas temperaturas en cada intervalohasta llegar a la temperatura del otroextremo del horno (por ejemplo, latemperatura ambiente o la de entra-da de las materias primas).

El presente artículo pretendedar una visión general de cómoafrontar el diseño de un horno in-dustrial de proceso. Sin embargo,cada uno de los apartados que se

4. Informacióncomplementaria

han comentado en los puntos ante-riores debe estudiarse en profundi-dad para asimilar todos los concep-tos necesarios en el diseño. Es porello que en este apartado se reco-mienda una serie de entradas bi-bliográficas que pueden servir allector para profundizar en cada unade las secciones que conforman eldiseño del horno.

Existe una multitud de tipos hor-nos, por lo que la bibliografía de ca-da uno de ellos es enorme: hornosrotatorios [7], hornos de la industriapetrolífera [8], etc. A su vez, la des-cripción de hornos industrialeseléctricos y que utilizan combusti-ble puede encontrarse en las dife-rentes enciclopedias técnicas espe-cializadas [2] [6] [9]. Para el estudiode la construcción minuciosa delhorno, montaje del refractario, dis-posición de las piezas, etc., se reco-mienda consultar la cita [10].

Debido al elevado número devariables que influyen en el diseñode un horno industrial de proceso,se requiere una mejora de los heu-rísticos actuales. El diseño de hor-nos industriales constituye una am-plia materia de estudio, sobre todopor el elevado número de aplica-ciones que tienen los hornos enmuy diferentes tipos de industrias.

5. Conclusión

INGENIERIA QUIMICA

88

Pedidos:

Teléfono: 914 402 923Fax: 914 402 931Internet: www.alcion.esCorreo: EDITORIAL ALCION

Medea, 428037 MADRID

PUEDE CONSULTAR EL INDICE EN INTERNET: www.alcion.es

LIBRO

España: 4% IVA incluido

¿Qué falló? Desastres en plantas con procesos químicos

Edición: 2001España: 28 €Resto de Europa: 46 €Resto del Mundo: 64 $Páginas: 399Referencia: 1559