diseño de hornos de radiación

8/20/2019 Diseño de Hornos de Radiación

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HORNOS RADIANTES

(F ired heaters )

José Angel Sanchidrián

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas


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Aplicaciones en la industria delrefino del petróleo y petroquímica

Residuoatmosférico

Sistema devacío

Gasoil

de vacío

Aceiteslubricantes

Residuode vacío

Horno

C o l u m n a

d e v a c í o

Destilación a vacío DESTILACIÓN A VACÍOPara continuar destilando el residuo de la columnaatmosférica (o crudo reducido) a temperaturasmayores, se necesita presión reducida para evitar elcraking térmico. El proceso tiene lugar en una omás torres de destilación. Los principios de ladestilación a vacío son semejantes a los de ladestilación atmosférica, excepto que se necesitamcolumnas de mayor diámetro para tener

velocidades del vapor comparables a la baja presión, y los equipos son también similares. Losdiseños internos de algunas columnas de vacío sondiferentes de las atmosféricas, especialmente

porque aquéllas emplean rellenos aleatorios y bandejas deshumidificadoras (“demister pads”) enlugar de platos. Una torre típica de la primera fase

de destilación a vacío produce gasoil, aceitelubricante y residuo pesado para desasfaltado con

propano. Una segunta torre trabajando a presiónmás baja se alimenta de parte del residuoatmosférico y de parte del residuo de la primeratorre de vacío no utilizado para el desasfaltado. Lastorres de vacío se emplean para separar el producto

que se empleará para craking catalítico del residuoatmosférico.


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Aplicaciones en la industria delrefino del petróleo y petroquímica

Reformado catalítico

REFORMADO CATALÍTICOEl reformado catlítico es un

proceso importante para

convertir naftas de bajo octanajeen componentes de alto octanajede gasolinas llamadosreformado. El reformado es elresultado global de numerosasreacciones como el craquing,

polimerización,deshidrogenación eisomerización que tienen lugarsimultáneamente. Dependiendode las propiedades de la naftaque se alimenta (en particulardel contenido de parafinas,olefinas, naftenos y aromáticos)y de los catalizadores

empleadors, pueden obtenersereformados con altos contenidosen tolueno, benceno, xilenos yotros aromáticos aptos paramezclas de gasolinas y procesos

petroquímicos. Del reformadose separa hidrógeno, un

subproducto importante, parareciclado y uso en otros

procesos.

Nafta y fraccionesricas en naftenos

Reformado

Horno

F r a c c i o n a d

o r

Reactor

Horno Horno

Reactor Reactor

Hidrógeno

Hidrocarburosligeros

Separador


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Hornos de radiación

Chimenea

Damper (válvula

de mariposa)

Transición

Sección deconvecciónTubos con aletas

Tubos escudo

Sección

radiante

Tubos

radiantes

Puerta

PisoQuemadores

Cilíndrico


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Hornos de radiación

Chimenea

Damper

Transición

Sección de

convecciónTubos con aletas

Tubos escudo

Sección

radiante

Tubos

radiantes

Puerta

Quemadores

Sección

radiante

De caja doble


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Esquema de horno

Sección de convección


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Hornos verticales (I) Q


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Hornos verticales Q


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Hornos cilíndricos

Horno FCC en una refineríaaustraliana.

Rendimiento de diseño: hasta84%, dependiendo delcombustible.

Tubos de aleación, SCH 80 en

ambas zonas radiante yconvectiva.

Tiro natural.

Tipos de hornos


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Hornos cilíndricos

Tipos de hornos

Sección deconvección


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Hornos cilíndricos

Tipos de hornos


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Hornos verticales (II)

Tipos de hornos


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Hornos horizontales (I) 30


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Hornos horizontales (I) 30


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Hornos horizontales 30


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Hornos horizontales 30


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19


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Tubos


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Tubos

Tubos de choque(bridgewall) Transición de 8 a 10”


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Los tubos pueden llevar

superficies extendidas

Aletas anulares Tetones

Un viaje por el interior de los tubos (Inspección de tubos)


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Tubos

Los tubos de la sección radiante de unhorno vertical están en posiciónvertical. Los tubos pueden estar junto a

la pared refractaria en disposicióncircular o pueden estar expuestos a lallama por los dos lados, en disposiciónen cruz u octogonal.

Aceros al C

1¼ Cr ½ Mo2¼ Cr 1 Mo

5 Cr ½ Mo

9 Cr 1 Mo

18 Cr 8 Ni

16 Cr 12 Ni 2 Mo18 Cr 10 Ni Ti

18 Cr 10 Ni Ti

Materiales

Reglas generales para la elección detubos:

- El diámetro más económico sueleser 4”; diámetros menores omayores generalmenteincrementarán el coste.

- El número de pasos óptimo suele seruno o dos.

- Una vez definida la superficie de

tubos necesaria en la secciónradiante, el diámetro de los tubosdependerá de la pérdida de cargaasumible.

- El material de los tubos depende dela temperatura de éstos. Mejoresaleaciones (y más caras) puedencontribuir a reducir el espesor de la

pared (con lo que se ahorrarámaterial).


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Quemadores


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Quemadores


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Quemadores


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Sistema de precalentamiento de aire

El sistema de precalentamiento de airecalienta el aire que va alos quemadores. Dadoque utiliza calor de loshumos, hace que éstossalgan a menortemperatura y mejora asíel rendimiento del horno.Empleando

precalentamiento de airese consiguen a menudorendimientos por encima

del 90 %.


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Refractarios

API 560:Refractory Lining and Burner Brick Requirements

AES: Silicatos alcalino-térreos (fibras vítreas con min 18 % óxidos de alcalino-térreos;Compuestas de CaO, MgO, SiO2 y ZrO2)RCF: Fibras cerámicas refractarias (fibras vítreas de alúmina y sílice principalmente, en

relación normalmente 50:50)


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Montaje


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Disposiciones típicas de hornos

Aire sin precalentar Aire precalentado con

los gases de salida

Aire precalentado con una

fuente de calor externa

GASES DE

COMBUSTIÓN

AIRE

COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE

AIRE

GASES DE

COMBUSTIÓN

COMBUSTIBLE

AIRE

CALENTAMIENTO

EXTERNO

GASES DE

COMBUSTIÓN


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Función entalpía de los gases - temperatura


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Temperatura de llama

- Combustión.- Aire precalentado.- Vapor.

Calor introducido en el horno

Reducción de NOxy deshollinadores


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Balance energético horno

PCI

HAIREHVAPOR

QRAD

H(Tch)

QPQG

QCONV

Rendimiento:

Conducido a través de la pared y transferidoal medio por:- Radiación.- Convección natural.- Convección forzada (si hay viento).

Temperatura exterior del horno: 70 – 90 ºC.


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- Combustión.

- Aire precalentado.- Vapor.

Radiación: 70 %QCARGA : 80 - 90 %( DUTY )

QPERDIDAS:10 - 20 %

Convección: 30 %

Chimenea: 10-20 % QG

Paredes: 1,5-2,5 % QG

Balance energético

[Porcentajes aproximados]

QRAD

H(Tch)

QP

QG

QCONV


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Tch

H(Tch )

Tll

QG

QP=0,02QG

QRAD

QCONV

QCARGA

Tg

Balance energético

H(Tg )


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Balance energético zona radiante

PCI

HAIRE

HVAPOR

Q RAD

H(Tg)

Q P

Q G

Temperatura zona radiante, Tg:


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Algunas relaciones útiles


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Diseño

[W]

Caudal de combustible:

Duty:

Reparto inicial radiación - convección:


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Diseño sección radiación

Flujo de calor máximo:

Area de tubos:


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Número de tubos:Longitud y diámetro de tubos

Separación de tubos ≈ 2d

Separación pared - tubos ≈ 1,5d

Diámetro circunferencia de tubos

Diámetro horno


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Flujo másico máximo Número de pasos


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Ecuación de transferencia de calor:

Para tubos en círculo:

Para tubos radiados por dos lados (p. ej. situados en el centro de lacámara radiante), el área es el doble de la del plano.

ConvecciónRadiación


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α

Dos filas. Total

Una fila. Total

Dos filas. Total parala primera

Dos filas. Directa ala primera

Dos filas. Total parala segunda

Dos filas. Directa ala segunda


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Factor de radiación:

Emisividad efectiva del gas:

Emisividad del gas:

Funciones de: Tg, Pa, Pc, L

L: Longitud media del haz


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AR : Área de refractario expuesto

FRt: Factor de forma refractario-tubos


Emisividad efectiva del gas

AR,ef : Área efectiva de refractario expuesto:


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0


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Hornos tipo caja

Ratios dimensionales Longitud media del haz

1-1-1 a 1-1-3

1-2-1 a 1-2-4

2/3·Volumen1/3

1-1-4 a 1-1-∞ Dimension menor

1-2-5 a 1-2- ∞ 1,3·Dimension menor

1-3-3 a 1-∞-∞ 1,8·Dimension menor

[Las dimensiones de la caja longitud, anchura, altura en cualquier orden]Hornos cilíndricos verticales (altura H, diámetro D)

Altura/Diámetro < 2 (1/3·(H/D-1) + 2/3)·D

Altura/Diámetro >= 2 Diámetro

Longitud media del haz

Emisividad del gas:Funciones de: Tg, Pa, Pc, L

L: Longitud media del haz


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Emisividad del H2O, εa

(1 atm)

Emisividad del gas


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Emisividad del CO2 , εc

(1 atm)

Emisividad del gas


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Ca

Emisividad del gas


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Cc

Emisividad del gas


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∆ε

Emisividad del gas


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Diseño sección radiaciónMétodo de Lobo-Evans

Emisividad del gas

P=0,29067-0,0029654·EA+2,72×10-5·EA2-1,175×10-7·EA3

P: Presión parcial de CO2+H2O (atm)EA: Exceso de aire (%)

Presión parcial de CO2+H2O:

Presión parcial CO2+H2O×Longitud media del haz (atm×ft)


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Diseño sección radiaciónRelación Área efectivade refractario/Área

equivalente de tubos

F

Emisividad del gas

Factor de radiación

[Para εs=0,9]

Método de Lobo-Evans


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Factor de radiación

[Para εs=0,9]

Método de Lobo-Evans


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