INTRODUCCION

Los calentadores a fuego directo son equipos requeridos dentro de la industria de Refinacin y Petroqumica para suministrar grandes cantidades de energa a corrientes de proceso contenidas en serpentines tubulares a partir de la combustin de combustibles lquidos y gaseosos, para elevar sus niveles de temperatura y modificar sus caractersticas qumicas y fsicas, para cumplir con las condiciones del proceso. Estos equipos son conocidos tambin como calentadores de proceso u hornos de proceso.

El diseo de un calentador a fuego directo requiere de un amplio conocimiento y experiencia que involucran los problemas de transferencia de calor, combustin, flujo de fluidos, as como problemas mecnicos y estructurales, por lo que es importante especificar correctamente los calentadores y asegurar que todos los elementos esenciales han sido considerados.

1.-CALENTADORES:

Equipo principal existente en las estaciones de flujo, que genera energa calorfica (BTU) para calentar las tuberas o serpentines por donde fluye petrleo, para elevar y/o mantener la temperatura deseada del mismo.

2.-PROCESO DE CALENTAMIENTO DEL CRUDO

El objetivo del calentamiento del petrleo (pesado) a travs del calentador o de una caldera es, disminuir su viscosidad y facilitar as su manipulacin, evitando presiones excesivas en las lneas de la bomba. Este proceso ocurre en las Estaciones recolectoras ubicadas en tierra y los equipos bsicos 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 efecta mediante un bao de agua caliente, en el cual se encuentra sumergida la tubera que transporta la emulsin. Este tipo de calentadores disminuye el riesgo de explosin 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 Refinacin y Petroqumica para suministrar grandes cantidades de energa a corrientes de proceso contenidas en serpentines tubulares a partir de la combustin de combustibles lquidos y gaseosos, para elevar sus niveles de temperatura y modificar sus caractersticas qumicas y fsicas, 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

Calentadores tipo caja de fuego interno o fogn

Los ms utilizados son los calentadores de fuego directo con cajas de fuego de tipo vertical.

El diseo normal de un calentador tipo vertical cumple las siguientes funciones:

1.- Des gasificado de la emulsin de entrada

2.- Remocin de arenas, sedimentosy agua libre previo al calentamiento.

3.- Lavado con agua y calentamiento de la emulsin.

4.-Coalescencia y asentamiento de las gotas de agua.

Las mismas funciones bsicas son previstas en un calentador directo tipo horizontal. La alimentacin es parcialmente desgasificada, luego es direccionada hacia la parte de abajo del equipo para la separacin del agua libre y la arena. Despus, la alimentacin es calentada y sufre una ltima desgasificacion. Posteriormente, a travs de un distribuidor pasa a un bao de agua para finalmente pasar a la seccin de coalescencia.

4.-PARTES DE UN CALENTADOR

La 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 accin de la vlvula reguladora de temperatura, evitando as la acumulacin del gas en el hogar. El suministro de gas a los pilotos se hace por una lnea independiente, tomada antes de la vlvula reguladora. Los nmeros de piloto varan desde 9 hasta 21 pilotos en los diferentes calentadores instalados.

4.2.-Quemadores de Gas:

Generalmente estn colocados en el piso del calentador y su funcin 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 quemndola, con una llama corta y de color azul. El numero de quemadores es igual al numero de piloto por lo cual estos tambin varan desde 9 hasta 21, en los diferentes calentadores instalados.

4.3.-Cmara de Combustin:

Es una cmara o Caja la cual tiene un revestimiento refractario internamente, con el fin de evitar dispersin o prdida de calor. El material aislante que reviste la cmara de combustin, puede ser de ladrillos refractarios, cartn de asbestos y cemento refractario.

4.4.- Chimenea:

Cuerpo Cilndrico que esta situada en la parte mas alta del calentador hecho de acero y su funcin principal es conducir los humos y los vapores o gases que no son quemados en la combustin a una altura tal que no ocasione el menor riesgo de contaminar sus alrededores. Adems, la chimenea por su tiro, coloca la cmara de combustin en depresin, provocando de esta manera la entrada del aire necesario para la combustin a travs 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 travs de los registros de cada quemador. Es una compuerta o plancha acoplada a un eje que puede rotar en una forma similar a una vlvula mariposa. La funcin reguladora se realiza automticamente para lograr una combustin completa.

4.6.-Serpentines:

Son tubos de una aleacin de acero especial para soportar altas temperaturas, los ms comnmente usados son de tipo horizontal con llama externa a los tubos.

4.7.-Tapas o Ventanas de Ventilacin:

Estn 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 direccin a cada quemador y permiten observar la condicin de la llama en cada quemador de los calentadores que se abre o se rompe cuando existe una alta presin dentro de los mismos para evitar que la estructura se deteriore

4.9.-Estructura Metlica:

Es la que soporta el serpentn y los quemadores. Sus paredes, techos y fondo son de plancha de acero con revestimiento refractario interno, para mejor aprovechamiento del calor.

4.10.-Lnea de entrada y salida del Crudo:

Es la tubera unida al serpentn 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 ms calor y el intercambio de calor se hace ms efectivo. La salida del petrleo es por la parte superior del calentador y la presin de entrada varia de acuerdo al flujo de producciones el cuerpo.

5.-VARIABLES A CONTROLAR EN EL PROCESO DE CALENTAMIENTO

Las variables a controlar son:

5.1. Temperatura:

La temperatura es una variable manejada comnmente pero resulta difcil dar una definicin exacta. Puede decirse, que la temperatura es una propiedaddelossistemas que determina si estn en equilibrio trmico. El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observacin de que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusin o ebullicin. En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes, el calor fluye del ms caliente al ms fro hasta que sus temperaturas sean idnticas y se alcance el equilibrio trmico

5.2.- Presin:

Es una variable que representa una indicacin del comportamiento de un fluido (petrleo 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 daen 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 rgimen 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 fri) que sale por la chimenea del calentador. Esta diferencia de presiones es pequea 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 mnimo para efectuar una buena combustin, y desde el punto de vista del mantenimiento se requiere mantener un ligero vaco en el interior de la cmara de combustin para que en caso de fuga, entre el aire fro al calentador en vez de que salgan los gases calientes hacia el exterior, los cuales pueden oxidar o corroer las partes metlicas del calentador disminuyendo as su vida til.

5.5.- Relacin gas combustible/aire

Para asegurar una combustin completa, en la prctica se le suministra a los quemadores una cantidad de aire mayor que el terico requerido. Esta cantidad adicional al terico 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.-Caractersticas de los calentadores

6.1.-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 estn equipados con seccin de radiacin y conveccion. La eficiencia trmica de estos calentadores es de un 88.5% basado en el valor calorfico neto (LHV) del gas combustible y una perdida por calor por radiacin de un 2%.

El serpentn de calentamiento tiene una presin de diseo de 600 lpcm y esta formado por 84 tubos de dimetro 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 estn ubicados en la seccin de conveccion. El resto de los tubos no tiene superficie extendida y estn distribuidos 42 de ellos en la seccin de radiacin y 18 de ellos en la seccin de transicin. La superficie extendida de los tubos de la seccin 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 estn colocadas a razn de 2. 36 aletas por centmetro.

Las superficies expuestas al calor son de 257.05 mts2 en la seccin de radiacin, 110.18 mts en la seccin de transicin y 1629.28 mt en la seccin 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 radiacin, de transicin y de conveccion respectivamente.

6.2.-Calentadores LUMMUS de 24 MMBTU/ HR

Los calentadores de 24 MMBTU/ HR tiene dos pasos de tubos de 6 de dimetro. Estos equipos solo tienen seccin de radiacin. La eficiencia tcnica esta basada de estos calentadores de un 60% esta basada en el valor calorfico neto (LVH) del gas combustible y una perdida de calor por radiacin de un 35%. El serpentn de calentamiento tiene una superficie de transferencia de calor de 196.039mts2 y esta formado por tubos horizontales de 6-5/8 de dimetro externo y 0.2800 de espesor, la longitud expuesta es de 9.30mts del total de los tubos, 28 de ellos estn ubicados en las paredes laterales y 12 en el techo.

6.3.-Calentadores LUMMUS de 46 MMBTU/ HR

Estos calentadores son de 04 pasos de 8 de dimetro. Estos equipos solo tienen seccin de radiacin. La eficiencia trmica es de un 62% asada en el valor calorfico neto del gas combustible y una perdida por radiacin de un 2 %.El serpentn de calentamiento tiene una superficie expuesta al calor de 427.34mts2 y esta compuesto por 48 tubos horizontales de 8-5/8 de dimetro 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 estn 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 ignicin y se dispone de detectores UV para cada calentador, que chequean la llama de los pilotos.

7.-SISTEMAS DE PROTECCION Y SEALIZACION

Son un conjunto de dispositivos que censan cada una de las variables del calentador, que emite una seal de alarma y disparo en l panel local y en la sala de control y actan sobre este.De esta forma puede garantizarse un manejo seguro de los calentadores.

7.1.-Sistema de Deteccin de llama:

En los Calentadores LUMMUS al pulsar el botn de encendido de piloto se enva una seal elctrica de 120 VAC, que activa en l controlador de llama el rele #1.El controlador de llama inmediatamente energiza el sistema de ignicin de chispa; simultneamente 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 enva una seal elctrica 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 enva una seal elctrica de 120vac, que abre la vlvula 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 enva la seal elctrica que acta como permisivo para encender el quemador.Al pulsar el botn de encendido de los quemadores se inicia la secuencia que permite que la llama de cada piloto los encienda.

7.2.-Sistema de Deteccin de temperatura:

En la lnea de salida de crudo del calentador se encuentra el elemento de medicin de la temperatura que puede ser: una Termocupla o termopar. Un elemento bimetalito o una RTD.El elemento de medicin esta conectado a un transmisor de temperatura que recibe una seal elctrica equivalente a la temperatura del crudo. El transmisor a su vez., enva una seal de 4-20mAmp, a la vlvula automtica 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 instrumentacin de flujo de crudo:

El Sistema de instrumentacin de flujo de crudo, comprende tan solo indicacin de alarma, accin de disparo o parada de los calentadores.La accin de alarma/disparo se realiza por medio de interruptores de flujo ON/OFF, o a travs de transmisor de flujo.Los interruptores detectan como seal la velocidad del crudo que fluye a travs de la tubera. El interruptor de flujo enva la seal 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 enva, una seal elctrica 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 enva una seal elctrica de 4-20mAmp, al dispositivo de alarma /disparo en el panel de control local, que a su vez enva otra seal 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 que alimenta a uno o varios calentadores. La presin puede ser controlada en forma remota o local.En forma local el controlador toma la seal de presin directamente en la lnea y enva una seal neumtica de control a la vlvula reguladora la cual mantiene la presin de gas en un punto prefijado.

En forma remota la seal de presin de la misma es enviada por un transmisor al controlador en sala de control.

La seal desde el transmisor de presin al controlador, puede ser elctrica de 4-20mAmp o neumtica de 3-15lpcm.El controlador enva una seal correctiva, elctrica o neumtica a la vlvula reguladora de presin.

8.-EQUIPO DE SEGURIDAD EN CALENTADORES

8.1.-Ventilacin 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 lnea de gas a los pilotos.

8.2.-Alarmas de Proteccin

Es un sistema de deteccin de condiciones inseguras que permiten preservar la vida til 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 presin gas a quemadores

Alta presin gas a quemadores

Alta temperatura de salida de crudo

Baja presin 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 alimentacin 24 VDC.

9.-Operacin del calentador (arranque/parada)

9.1.-Procedimiento de Arranque:

Cerciorarse que la cmara de combustin este libre deherramientas y objeto extraos y que las vlvulas de gas combustible estn bien cerradas y no haya escapes.

Revisar que las puertas de acceso (tapas) estn 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 operacin mantendr bien aireada la cmara de combustin, desalojando los residuos de gases (efectuar prueba de gas con el explosmetro)

Abrir las vlvulas de entrada y salida de petrleo delcalentador y controlar los manmetros de entrada y salida para funcionamiento correcto.

Revisar el interior del calentador para comprobar que no hayprdidas de gas o petrleo. 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 posicin manual,con 15% de apertura de la vlvula automtica, si existe automatizacin.

Desahogar la lnea de gas combustible por la vlvula de 2,ubicada al final de la lnea de cada calentador. Tambin desahogar el filtro de gas, cerciorndose que el separador funcione bien (realizar prueba de gas).

Observar la presin de gas combustible en el manmetro. Siesta excede la mxima presin de trabajo permitida, llamar a la persona autorizada para ajustar el instrumento.

Encender todos los pilotos que correspondan con losquemadores (verificar visualmente la presin de llama).

Si todos los pilotos estn 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 tambin la vlvula mariposa en la chimenea, hasta conseguir una llama azulada, lo que india una buena combustin.

Asegurarse antes de dar por terminada la operacin, que lallama de los quemadores no toque ningn tubo de la serpentina de petrleo. Cuando la llama toca un tubo, puede causar el sobrecalentamiento del tubo, formando carbn en el interior del mismo. Este a su vez causa una transmisin pobre del calor y disminucin del aprovechamiento. En poco tiempo, el tubo se quemara, causando perdidas de produccin y econmicas, adems del riesgo de un incendio.

Colocar el controlador de temperatura en posicin automtica.

9.2.-Procedimiento de Parada:

El encendido de un calentador causa la expansin de las partesestructurales y del serpentn. 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 ventilacin de los quemadores (registros), mirillas.

Evitar que el aire fro penetre al horno para que lassuperficies interiores se enfren paulatinamente. Esto limita las contracciones bruscas de las paredes refractarias, tubos de serpentn, etc. Que conducen al agrietamiento de los tubos, reduciendo la vida til del calentador.

Al parar un calentador, mantener circulando petrleo por elserpentn del Calentador por un tiempo prudencial, dependiendo naturalmente de la temperatura de operacin y del tamao del calentador. Se recomienda tres horas para calentadores con capacidad superior a 12x106 BTU y dos horas para los de menor capacidad.

Cerrar las vlvulas manuales de gas a pilotos yquemadores.

Si es una emergencia, debido a la rotura de un tubo, cerrarla entrada de Petrleo y gas combustible inmediatamente y en lo posible desahogar la lnea de petrleo, poniendo directa la produccin a los tanques.

10.- Mantenimiento de los calentadores

Las partculas slidas, tales como arena, escama, productos de corrosin 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 alimentacin.

2.-Bloquear la transferencia de calor, ocasionando finalmente el colapso del equipo del calentamiento.

3.- Interferir en los controles de nivel, nodos, vlvulas, medidores y bombas.

4.- Asimismo pueden incrementar el crecimiento bacteriano y la velocidad de corrosin.

Para prevenir la deposicin de estos sedimentos se pueden instalar hidrojets que operando a 30 psia por arriba de la presin de operacin del calentador, removiendo los sedimentos para su posterior drenado por la parte inferior del recipiente. Otra alternativa es usar inhibidores de corrosin.

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 colisin de lasgotas de agua para su coalescencia.

Incrementa la diferencia de densidad entre la salmuera y elcrudo.

Promueve una mejor distribucin del desemulsionante.

Disuelve las parafinas cristalizadas que le dan estabilidad alas emulsiones.

Debilita la pelcula de emulsionante que rodea a las gotas deagua.

12.-DESVENTAJAS DEL CALENTAMIENTO:

Provoca la migracin de los compuestos mas voltiles delcrudo hacia la fase del gas. Esta perdida de livianos ocasiona una disminucin de volumen del crudo calentado y una disminucin en su gravedad.

Incrementa los costos del combustible Incrementa los riesgos en las instalaciones

Requieren mayor instrumentacin y control

Causa depsitos de coke.

CONCLUSION

Resulto interesante la visita al patio de tanques, la cual pudimos corroborar la importancia de la materia, aun para el diseo de un calentador de fuego directo requiere de un amplio conocimiento de los problemas de transferencia de calor, combustin, fluidos.

El crudo deshidratado caliente puede ser usado para precalentar la emulsin de entrada usando un intercambiador de calor. Los hornos de proceso, tambin llamados calentadores de fuego directo poseen cargas trmicas muy grandes.

En un Calentador de fuego directo la emulsin 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 estn comparativamente bajo presin 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 emulsin a la temperatura deseada.

En los calentadores de fuego directo se presentan perdidas de energa por diversas causas y por ello es de vital importancia detectar puntos de optimizacin energtica que coadyuven a la eficientizacion de la operacin del calentador as como el consumo de combustible