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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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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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Diseño sección radiación
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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Diseño sección radiación
Flujo másico máximo Número de pasos
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Diseño sección radiación
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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Diseño sección radiación
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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Diseño sección radiación
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
Diseño sección radiación
Emisividad efectiva del gas
AR,ef : Área efectiva de refractario expuesto:
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Diseño sección radiación
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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Diseño sección radiación
Emisividad del H2O, εa
(1 atm)
Emisividad del gas
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Diseño sección radiación
Emisividad del CO2 , εc
(1 atm)
Emisividad del gas
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Diseño sección radiación
Ca
Emisividad del gas
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Diseño sección radiación
Cc
Emisividad del gas
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Diseño sección radiación
∆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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Diseño sección radiación
Factor de radiación
[Para εs=0,9]
Método de Lobo-Evans
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