Mdp 05-F-02 Consideraciones de Diseño

PDVSAMANUAL DE DISEO DE PROCESOTRANSFERENCIA DE CALORHORNOS

PDVSA N

MDP05F02

0

NOV.95

REV.

FECHA

APROB.

E1994

TITULO

CONSIDERACIONES DE DISEO

64DESCRIPCIONFECHA

PAG. REV.APROB.

APROB. APROB.FECHA

ESPECIALISTAS

MANUAL DE DISEO DE PROCESO

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TRANSFERENCIA DE CALORHORNOSCONSIDERACIONES DE DISEOIndice manual

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PDVSA MDP05F02REVISION

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Pgina 1Indice norma

Indice1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 SECCION DE RADIACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

4.14.24.3

Arreglo de la seccin de radiacin (Layout) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Cada de presin a travs del serpentn de radiacin . . . . . . . . . . . . . . . .Materiales y vida til de los tubos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41719

5 SECCION DE CONVECCION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

5.15.25.3

Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Superficie de la seccin de conveccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Arreglo de la seccin de conveccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

212225

6 CONSIDERACIONES DE DISEO DE LA CHIMENEA . . . . . . . . . .

30

6.16.26.3

Tipos de construccin y arreglo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dimetro de la chimenea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Revestimientos de la chimenea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

303132

7 MULTIPLES Y LINEAS DE TRANSFERENCIA . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

7.17.2

Mltiples (Manifolds) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Lneas de transferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3336

8 INSTRUMENTACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

8.18.28.38.48.5

Fluido del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Temperaturas del metal del tubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Gas de combustin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Sistema de tiro forzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Sistema de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3940404141

9 ESPECIFICACIONES MECANICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

9.19.29.3

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Guas de tubos y soportes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Refractario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

414243

10 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

11 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

Tabla 1Tabla 2Figura 1Figura 2

Condiciones de diseo para hornos de proceso . . . . . . . . . . . . 49Propiedades y tamaos de tubos de hornos ms comunes . . 51Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos verticalescilndricosy de cabina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos decabina con pared refractaria en el centro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53


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Figura 3Figura 4Figura 5Figura 6Figura 7Figura 8Figura 9FiguraFiguraFiguraFigura

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Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos verticales(contiene tubos de un lado y de dos lados de radiacin) . . . . . 54Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos verticales(contiene slo tubos de dos lados de radiacin) . . . . . . . . . . . . 55Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tubos anillados(Arbor or Wicket) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Temperatura de la pared divisoria (Tbw), para hornos con tuboshorizontales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Arreglo de los pasos en un hornos de cabina . . . . . . . . . . . . . . 58Longitudes aproximadas de los tubos para hornos con tubos horizontales .59Longitudes aproximadas de los tubos parahornos verticalescilndricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Arreglo tpico de hornos verticalescilndricos . . . . . . . . . . . . . . 61Arreglo tpico para hornos con tubos anillados . . . . . . . . . . . . . 62Arreglos del Ducto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Tamao tpico de lnea de transferencia vs presin . . . . . . . . . 64


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OBJETIVOPresentar informacin bsica que pueda usarse en la evaluacin de ofertas dehornos nuevos y/o modificaciones de hornos existentes. Esta informacin cubrecriterios de diseo que sean propietarios de PDVSA y sus filiales.Este documento no espera entregar suficiente informacin para hacer el diseocompleto de hornos de proceso, ya que esta funcin la cumplirn los suplidoresreconocidos de hornos, los cuales entregarn garantas de funcionamiento dedichos equipos.El tema Hornos, dentro del area de Transferencia de Calor, en el Manual deDiseo de Procesos (MDP), est cubierto por los siguientes documentos:PDVSAMDP

Descripcin de Documento

05F0105F02

Hornos: Principios Bsicos.Hornos: Consideraciones de diseo (Este documento).

05F03

Hornos: Quemadores.

05F04

Hornos: Sistemas de tiro forzado.

05F05

Hornos: Precalentadores de aire.

05F06

Hornos: Generadores de gas inerte.

05F07Hornos:Incineradores.Este documento, junto con los dems que cubren el tema de Hornos, dentro delManual de Diseo de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualizacin de laPrctica de Diseo HORNOS, presentada en la versin de Junio de 1986 delMDP (Seccin 8).

2

ALCANCESe entregar informacin acerca de la zona de conveccin, serpentn, zona deconveccin, chimenea y mltiples (Manifolds) de distribucin de flujo hacia ydesde el horno en cuestin.

3

REFERENCIASManual de Diseo de Proceso (versin 1986)S Vol VII y VIII, Seccin 12 InstrumentacinS Vol VIII, Seccin 14 Flujo de fludosS Vol VIII y IX, Seccin 15 Seguridad en el diseo de plantasManual de Ingeniera de DiseoS PDVSAMIDLTP2.7 Hornos de proceso: Requisicin, anlisis de ofertasy detalles de compra


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S PDVSAMIDB201PR Calentadores de fuego directoOtras ReferenciasS ASME Code, Section 1, Power BoilersS ANSI Standard B31.3, Petroleum Refinery PipingS Berman, H. L., Fired Heaters III: How combustion conditions influence designand operation, Chemical Engineering, agosto 14, 1978, pp 129140S Garg, A., Ghosh, H., Good heater specifications pay off, ChemicalEngineering, julio 18, 1988, pp 7780

4

SECCION DE RADIACION4.1

Arreglo de la seccin de radiacin (Layout)

4.1.1

Tamao de los tubos y nmero de pasosVelocidad msica, G Como se discuti en el documentoPDVSAMDP05F01,para desarrollar un coeficiente de pelculasatisfactorio, se debe mantener un flujo dentro de los tubos del horno adecuado,de tal forma que calor transferido de la pared de los tubos al fluido sea obtenidocon una diferencia de temperatura razonable a travs de la pelcula. En la Tabla1 se muestran velocidades msicas del fluido segn diseo para diferentesservicios. Debido a que la carga del horno, kg/s (lb/s) es determinada por losrequerimientosdel proceso, la seccin transversal interna del rea total del tuborequerida es determinada dividiendo la carga por la velocidad msica. Esta reade la seccin transversal determina el dimetro interno de los tubos y el nmerode pasos paralelos a travs de la seccin de radiacin y usualmente a travs dela seccin de conveccin:G+

Wp Ax

Ec. (1)

donde:

G

=

WpAx

===

Velocidad msica del fluido a travs deltuboCarga a travs del tuboNmero de pasos paralelosArea de la seccin transversal a travs deltubo

En unidadesSIkg/sm2

En unidadesinglesaslb/spie 2

kg/skg/sm2

lb/slb/hpie2


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Tamaos de tubos disponibles Siempre que sea posible, los dimetros de lostubos deben ser seleccionados del tamao de tubos nominales estndar (IPS), enel rango de 5 a 20 cm (2 a 8 pulg). En el documento PDVSAMDP(Pendiente)(Consultar MDP versin 1986, Seccin 14), se listan estos tamaos. Slo enocasiones especiales, cuando los parmetros de diseo as lo exijan, puedenusarse tamaos no estandarizados. En tales casos, se pueden obtener tamaoscomunes en incrementos de 0.32 cm (1/8 pulg) (o ms pequeos) de dimetroexterno, 12.7,15.24 y 19.368 cm (5.0, 6.0 y 7.625 pulg).La mayora de los hornos se disean para usar tubos de 10.2 a 20 cm (4 a 8 pulg).Estos tubos y sus espesores se presentan en la Tabla 2. En caso que la experienciano indique lo contrario, puede suponerse un espesor para la pared de los tuboscon aleacin de la seccin de radiacin de 0.724 cm (0.285 pulg) mnimo. Nteseque para el caso de acero al carbn, el espesor de la pared debe ser especificadosiguiendo el tamao estndar y en cambio para aleaciones se debe especificardependiendo del espesor de la pared mnimo requerido. La Tabla 2 muestra lostamaos estndar ms comunes para conveniencia del diseador.4.1.2

Tamao econmico de tubo y nmero de pasos1. Los tamaos de los tubos ms econmicos son los de 10.2, 12.7 y 15 cm(4, 5 y 6 pulg). En algunos casos, a fin de obtener las velocidades msicasrequeridas, se pueden usar tamaos ms pequeos, pero se debe evitar,en lo posible, ms de un paso.2. En servicios de fludos parcialmente o todo vaporizado, o de lquidos, ladificultad de obtener una distribucin uniforme del flujo aumenta con elnmero de pasos. Por lo tanto, se debe minimizar el nmero de pasos perosiendo consistente con la distribucin del horno. Esto tiende a favorecer laseleccin de tubos largos. El mismo nmero de tubos debe ser mantenidoen todas las partes del horno.3. En servicios purovapor, se obtiene una distribucin uniforme del fluido enpasos individuales con un diseo apropiado del mltiple de distribucin. Laseleccin del tamao del tubo y el nmero de pasos debe basarse en lasconsideraciones de arreglo del horno. En las secciones de radiacin yconveccin se pueden usar diferentes nmeros de pases y diferentestamaos de tubos, debido a que las salidas de la seccin de conveccinpueden ser combinadas y redistribuidas con las entradas de la seccin deradiacin.


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4.1.3

Densidad calrica radiante, rConsideraciones del proceso Como se discuti en el documentoPDVSAMDP05F01,la densidad calrica radiante permisible, desde lepunto de vista de consideraciones del proceso, es una funcin de varios factoreslos cuales incluyen geometra del horno, alimentacin, servicio y temperatura desalida del fluido. Las densidades calricas mximas son establecidas no slo porconsideraciones tericas, sino tambin por experiencia. La Tabla 1 lista lasdensidades calricas promedio para casi todos los servicios. Estas densidades,junto con otros criterios recomendados de diseo de hornos, asegurandensidades calricas adecuadas.Consideraciones mecnicas El uso de densidades calricas promediodeterminadas por las condiciones del proceso resultar en temperaturas de losgases de combustin saliendo de la seccin de radiacin del orden de los870982C (16001800F) (Temperatura de la pared divisoria, o bridgewalltemperature). A esta temperatura se puede esperar un buen servicio mecnicode los soportes de los tubos y del material refractario. En caso de que latemperatura exceda los 982C (1800F) se debe usar una densidad calricaradiante ms baja.

4.1.4

Superficie total de radiacinTemperatura de la pared divisoria, Tbw Es la temperatura de los gases decombustin saliendo de la seccin de radiacin. Debido a que los tubosprotectores miran la seccin de radiacin, estos absorben parte del calor deradiacin total que es transferido. Este calor de radiacin est incluido en el calorabsorbido por enfriamiento del gas de escape o temperaturas por debajo de latemperatura de la pared divisoria (Tbw).Esta temperatura (Tbw) es una funcin de la densidad calrica promedio,temperatura del metal del tubo, composicin del gas de escape y formadel horno.Estas variables estn representadas en las Figuras 1., 2., 3., 4., 5. y 6., para variostipos de diseos de hornos. La Tbw se muestra como una funcin de la densidadcalrica promedio y de la temperatura promedio del metal del tubo y est basada,para hornos de procesos, en tubos de radiacin sin coque.

4.1.5

Disposicin de la seccin de radiacinGeneral Segn lo mencionado anteriormente, la distribucin de la seccin deradiacin depende de un nmero de requerimientos.La distribucin de la seccin de radiacin debe estipular suficiente espacio parala colocacin de los quemadores y para instalar la superficie de transferencia decalor requerida. El espacio requerido entre quemadores y tubos determina elespacio mnimo de los tubos alrededor de los quemadores. En muchos hornos,este espacio es fijo por lo que el nmero requerido de tubos deben ser distribuidosen este espacio o se debe aadir ms tubos al nmero mnimo requerido.


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El tamao del tubo y el nmero de pasos son seleccionados para dar la velocidadmsica deseada. El nmero de pasos debe ser consistente con el tipo de horno,de tal forma que cada paso reciba la misma cantidad de calor. Mientras que loshornos verticalcilndricos pueden ser diseados para cualquier nmero de pasos,los hornos con cabina requieren por lo general un nmero uniforme de nmero depasos de tal forma que puedan ser distribuidos simtricamente en el horno.El siguiente criterio general de distribucin debe ser usado en todas lasconfiguraciones de hornos:1. El espacio entre el centro de los tubos de radiacin debe ser 2 veces eldimetro nominal, codos de curva cerrada en U (Short radius Ubend).2. Los tubos de radiacin adyacentes a la pared deben estar ubicados a unadistancia de 1.5 veces el dimetro nominal alejado de la pared.3. Los tubos de las esquinas en la seccin de radiacin deben ser ubicadasde tal manera de evitar zonas muertas ya que estos tubos reciben menoscalor que la cantidad promedio.EVITE TUBOS MUERTOS

2 x IPS1 1/2 x IPS

PREFERIBLE

A SER EVITADO

4. Para asegurar una visibilidad adecuada desde las puertas de observacinde la seccin de radiacin, el espacio entre tubos a estas puertas debe ser3 veces el dimetro nominal (Long radius Ubend).5. Se debe mantener compatibilidad entre la distribucin de tubera a laentrada y la recoleccin de tubera a la salida cuando se est colocando elarreglo de los tubos.Longitud de tubos La escogencia de la longitud del tubo tiene un gran efecto enel costo de cualquier calentador que est siendo diseado. Ms adelante sepresenta una gua para la seleccin econmica de las longitudes de los tubos dehornos con cabina y verticalcilndricos. Las longitudes dadas sonaproximaciones y pueden variar en casos individuales. Para hornos con tubosverticales, el nmero de tubos y su disposicin son desarrollados primero, una vezque se conozca la longitud del tubo.Las longitudes mximas para secciones de conveccin o para secciones deradiacin horizontales, deben ser limitadas a 30 m, (100 pie) debido a la dificultadde su manejo. Por otro lado, las longitudes mximas de tubos verticales deben ser

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limitadas a 15 m, (50 pie o ms pequeos) debido a la excesiva mala distribucindel calor de entrada en tubos largo.El nmero de tubos calculados debe ser ajustado de forma tal que se obtenga unacantidad igual por cada paso. Cada paso debe tener un nmero de tubosconsistente con el tipo de diseo de horno, al igual que con las entradas y salidas(por ejemplo, la entrada del tope y la salida del fondo de la seccin de radiacinrequieren un nmero impar de tubos por paso). En casos especiales se puede usarun nmero desigual de tubos por paso a fin de compensar la mala distribucin decalor a los pasos. Debido a que la cada de presin ser desigual en los pasos, sedebe tomar en cuenta para el control del flujo.Espacio libre entre quemadores A continuacin se listan los espacios libremnimos que deben mantenerse alrededor de los quemadores:

Distancias mnimas recomendadas entre quemadores y centro de los tubosCalor liberado dediseo por quemador

Distancia quemadorescentro de tubosGas

MWQuemadores0.591.171.762.342.933.52Quemadores1.472.934.405.867.33Quemadores4.405.867.338.7910.2611.72

MMBtu/hpiepulgde tiro natural22643063684010461250de tiro forzado5301032153420362538de alta intensidad1540204825410305035524056

Aceite

mm

piepulg

mm

7609201100122014001520

303640465056

92011001220140015201710

920970102011001120

36383104042

11001120117012201270

122014201470152015751710

4652545658510

140015751630171017301780

a.

El espacio libre para servicios de aceite combustible sirve de guapara servicios con combinaciones gas/aceite.

b.

No hay ajuste mnimo de espacio libre de quemador a quemador. Sedebe tomar por lo menos una pulgada (25.4 mm) entre quemadores


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adyacentes. Si se va a usar un Plenum Chamber para los ruidosproducidos de la combustin, se requiere aumentar el espacio paraasegurar una buena distribucin de aire alrededor de losquemadores.VerPDVSAMDP05F03,Hornos:Quemadores.c.

4.1.6

Tambin se debe dejar espacio libre entre quemadores y elrefractario, tubos, entrada a la chimenea, etc. en lnea con laexcentricidad del quemador. Proveer por lo menos 2 m por MW decalor mximo liberado (2 pies por MM BTU/h de calor mximoliberado) de los quemadores, ms 1.8 m (6 pies).

Hornos con tubos horizontales1. Nmero de pasos y distribucina.

En la Figura 7. se muestran las distribuciones tpicas de los pasos.Las combinaciones de estas distribuciones pueden usarse para msde cuatro pasos (Figuras 7.a y 7.D).

b.

Para servicios severos de coquizacin usar la Figura 7.C en vez dela Figura 7.A, ya que el arreglo en la Figura 7.C ofrece mejordistribucin de calor a cada paso que el arreglo en la Figura 7.A. Estodebido al uso de accesorios de enlace los cuales por ser muycostosos no deben ser usados si no es necesario

2. Longitud del tubo La Figura 8. puede ser usada como una gua paraescoger la longitud efectiva del tubo de radiacin en hornos de cabina contubos horizontales segn la Figura 7. Esta longitud aproximada puederequerir ajustes, basado en el nmero de tubos y pasos, espacio entrequemadores, etc. Para la mayora de las aplicaciones, la longitud actualusada puede ser 80100% de la longitud aproximada.3. Longitud del Horno La ubicacin de los codos de retorno afectar lalongitud actual de los tubos de radiacin y conveccin. Las distribucionesposibles se muestran a continuacin:(a)

(b)SECCION DE CONVECCION

SECCION RADIANTE

a.

El dibujo (a) es preferible, ya que la longitud efectiva de los tubos deconveccin es aproximadamente 0.91 m (3 pie) ms larga que la delos tubos de radiacin. Se debe proveer espacio libre para la


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expansin trmica entre los codos de retorno de la seccin deradiacin y la pared, pero esto slo afecta el diseo mecnicodetallado.b.

El dibujo (b) debe ser usado slo cuando se usan codos de retornocon tapones desmontables (colectores de tapones) o conaccesorios de enlace. En este caso los tubos de la seccin deradiacin y conveccin tienen la misma longitud efectiva.

c.

Los codos de retorno de la seccin de conveccin deben estarsiempre ubicados en los cabezales para evitar que los gases decombustin se desven al final de la seccin de conveccin.

4. Seccin de radiacin y arreglos de quemadoresa.

Suponga una fila sencilla de quemadores (para la Figura 7.D una filaen cada celda).

b.

Seleccione el espacio libre del quemador al tubo como fueestablecido previamente. Para la disposicin preliminar suponga unespacio centro a centro entre el quemador y el tubo de 1.3 m (51pulg) para tiro natural y 1.5 m (60 pulg) para tiro forzado.

c.

Dejar un espacio de 0.61 m (2 pie) entre la lnea central del tubo msbajo de la seccin de radiacin (tubos de la pared) y el piso.

d.

Espacio de los tubos (centro a centro) en dos dimetros nominales(2 veces el tamao IPS). La distancia mnima entre las paredesradiantes y la de los tubos ser de 1.5 veces su dimetro nominal(Ver PDVSAMIDB201PR).

e.

Las secciones de transicin entre las secciones de radiacin yconveccin deben ser asumidas a un ngulo de 45 (Hip Sections).

f.

Determine el nmero de quemadores requeridos, basado en elespacio libre mnimo establecido previamente. Determine si losquemadores pueden ser acomodados fsicamente en una filasencilla como los asumido. Si los quemadores no puede sercolocados en una fila sencilla:

(1) Para tiro natural, use una fila alternada (arreglo triangular)o filas dobles de quemadores y aumente el ancho de laseccin de radiacin.(2) Para tiro forzado, revise la disposicin adecuada.


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4.1.7

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Hornos verticalescilndricos1. General Muchos de estos hornos son diseados con tubos horizontalesen las secciones de conveccin. Los hornos no deben ser diseados conseccionesdeconveccinintegral(VerDocumentoPDVSAMDP05F01, Figura 1b).2. Nmero de pasos y distribucin Cualquier nmero de pasos puede serusado en hornos verticalescilndricos, debido a que la disposicin de laseccin de radiacin es siempre simtrica. Sin embargo, algunos nmerosde pasos (1, 2, 4 u 8) tiende a simplificar la salida de la tubera. Otrosarreglos pueden requerir un mltiple de distribucin (manifold) costoso,quizs no requerido, para recolectar las salidas del horno, por lo que debeevitarse su uso a menos que las consideraciones del proceso as lo exijan.3. Longitud de tubos de radiacin La Figura 9. se puede usar paradeterminar el rango aproximado de la longitud de los tubos de radiacin.Siendo consistente con el criterio utilizado anteriormente, la longitud de lostubos de radiacin debe ser usualmente lo ms larga posible. Para evitaruna mala distribucin longitudinal excesiva del calor de entrada, la longitudmxima del tubo normalmente debe estar entre 11 y 12 m (35 y 40 pie). Enningn caso se deben usar tubos que sean ms largos de 15 m (50 pie).4. Disposicin de la seccin de radiacina.

La circunferencia es determinada multiplicando el nmero de tubospor el espacio centro a centro del tubo.

b.

Los calentadores verticales cilndricos sern diseados con unarelacin recomendada de altura a dimetro entre 2 y 3, donde laaltura es la interna de la seccin de radiacin y el dimetro es el delcrculo de tubos (Ver PDVSAMIDB201PR).

c.

Los codos de retorno soldados estn ubicados normalmente dentrode la cmara de combustin y la altura total de la cmara debepermitir la expansin trmica del serpentn.

d.

El serpentn de radiacin puede estar soportado en el tope y guiadoen la base o soportado en la base y guiado en el tope. Con un mismonmero de tubos de radiacin por paso, la salida estar en el topede la seccin de radiacin (debido a que la entrada de la seccin deconveccin est en el tope). En este caso, el serpentn de radiacindebe ser fijado para eliminar el aumento vertical en la boca de salidadel horno. Recprocamente, con un nmero desigual de tubos deradiacin por paso, el serpentn debe normalmente ser soportadodel nivel del piso, debido a que la boquilla de salida (outlet nozzle)estn en la parte inferior del horno.


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Los diseos de la va de enlace conveccin a radiacin son menosdifciles con soportes de serpentn en el tope, debido a que esta vade enlace requiere muchos menos flexibilidad. Sin embargo, ambosarreglos son hechos rutinariamente con buenos resultados. Sedeben hacer consideraciones al arreglo del manifold de salida y a lalnea de transferencia, ya que estos son afectados por la ubicacinde los soportes y los tubos de salida.e.

La va de enlace (crossover) debe estar ubicada fuera del horno yno dentro del mismo. Esto permite mejor soporte y aumenta laflexibilidad, evitando problemas mecnicos potenciales. Adems,provee un espacio para instalar indicadores de temperatura entre lassecciones de radiacin y conveccin.

5. Disposicin de los quemadoresa.

Evitar el uso de dos quemadores en hornos verticalescilndricos. Eluso de dos quemadores produce un modelo de energa asimtrico,lo que puede resultar una operacin pobre.

b.

El uso de un slo quemador requiere que el horno sea parado cadavez que el quemador tenga que ser limpiado. Por lo tanto, espreferible usar tres quemadores pequeos que uno grande enhornos de servicio continuo.

c.

Los quemadores deben estar distribuidos en un crculo (burnercircle). Se debe evitar poner quemadores dentro de este circuloexcepto para un nmero pequeo de quemadores auxiliares (talcomo quemadores para eliminacin de desechos) los cuales debencolocarse en el centro.

6. Arreglo de la seccin de conveccin En adicin a la seccin generalsobre el diseo de la seccin de conveccin, los siguientes puntos seespecifican para el horno tipo cilndricovertical (Ver Fig. 10):a.

La caja de la seccin de conveccin est soportada por la armaduracilndrica de la seccin de radiacin y por los soportes de laestructura. Las cuatro esquinas internas de la seccin de conveccincon refractario deben ubicarse encima de la parte interna de la paredde la seccin de radiacin. Esto por lo tanto fija la longitud efectivade los tubos y el ancho de la seccin de conveccin, debido a quela combinacin de ambas es una funcin del dimetro de la seccinde radiacin.

b.

Los cabezales de la seccin de conveccin casi siempre estnextendidos ms all de la caja de radiacin.

c.

En casos muy raros donde los tubos de radiacin tienen tapones delimpieza (cleanout plugs), los tubos de conveccin (incluyendo loscabezales y las cajas colectoras) no pueden extenderse ms all deldimetro del tubo de radiacin, debido a que se debe permitir elacceso para la limpieza de los tubos de radiacin.


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7. Hornos con slo la seccin de radiacina.

Para este tipo de horno, no hay medios provistos para elenfriamiento de los gases de combustin que salen de la seccin deradiacin. La temperatura de la chimenea es la temperatura de lapared divisoria (bridgewall). La temperatura de la chimenea y laeficiencia dependen de la densidad calrica de radiacin que seescoja.

b.

La superficie de radiacin es obtenida directamente dividiendo elcalor absorbido del horno entre la densidad calrica.

c.

Todos los tubos verticales en hornos con slo la seccin deradiacin, casi siempre tienen igual nmero de tubos por paso, conel serpentn soportado en el fondo.

8. Hornos muy pequeos En el diseo de hornos muy pequeos esbastante difcil cumplir los criterios normales de diseo (carga calrica < 3MW (10 MM BTU/h). Se debe considerar lo siguiente:a.

Usualmente estos hornos poseen slo la seccin de radiacin. Sinembargo, una seccin de conveccin puede ser econmicaparticularmente si se usa solamente gas combustible.

b.

Consideraciones mayores que las normales deben ser tomadaspara las prdidas de calor por radiacin y por otras prdidas. Por loque se debe multiplicar el combustible neto por 1.03 para determinarel combustible total requerido.

c.

La altura mnima de la seccin de radiacin debe ser de 4.5 m (15pie).

d.

Se debe mantener una separacin mnima entre el quemador y eltubo.

e.

Se debe aumentar la separacin entre centroacentro de tubo(discutido anteriormente) y/o reducir la densidad calrica, tantocomo sea necesario. Debido a que las dimensiones del horno serndeterminadas utilizando el espacio libre mnimo del quemador, lareduccin de la densidad calrica tiene el beneficio adicional deaumentar la eficiencia del horno a un costo incrementalrelativamente bajo.

f.

Los serpentines helicoidales frecuentemente son usados en hornospequeos, en lugar de los serpentines comunes.

(1) Si el serpentn no requiere de codos de retorno, se reduceel costo del horno. La cada de presin a travs delserpentn tambin se reduce eliminando los codos deretorno. La cada de presin es aproximadamente 150%de la cada para un tubo recto de la misma longitud.


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(2) Se debe usar un mximo de dos pasos de tubos.9. Hornos multiservicio tipo verticalescilndricos La seccin deradiacin para hornos verticalescilndricos puede ser dividida en dos otres servicios separados pero compatibles.

4.1.8

a.

Se puede usar una pared de ladrillos refractarios para dividir laseccin de radiacin en zonas separadas. Aunque cada zona tienesus propios controles, el calor de entrada est influenciado de ciertomodo por las otras zonas. Debido a que la altura mxima de lasparedes internas es de por lo menos 7.6 m (25 pie), esto influirasustancialmente en hornos altos. Ver la discusin sobre hornos tipocabina con tubos anillados (Arbor or Wicket) para mayores detallesde la pared divisoria.

b.

Se pueden instalar tambin servicios separados en la misma seccinde radiacin, pero sin la pared interior. Sin embargo, este arreglopuede ser usado slo en casos especiales, debido a que no hayforma de variar el calor de entrada relativo a los servicios individualesuna vez que la cantidad de superficie en cada servicio haya sidoseleccionada.

HornostipocabinacontubosPDVSAMDP05F01, Figuras 4c y 4d)

anillados

(Ver

documento

1. General El arreglo mostrado en la Figura 4d del documentoPDVSAMDP05F01 es usado en hornos Powerformer, pero tambinpuede ser usado para otros servicios purovapor. Estos hornosusualmente son multiservicios, con cada zona de radiacin separada delas otras por medio de paredes de ladrillos instaladas a travs de la seccinde radiacin.El arreglo sencillo mostrado en la Figura 4c del documentoPDVSAMDP05F01 puede ser usado para dos diferentes servicios,uno en cada seccin de radiacin. En algunos casos, se coloca una paredde ladrillos para permitir una parada relativamente larga de cualquiera delas dos secciones. Zonas adicionales pueden ser ubicadas en la seccinde radiacin, uniendo la pared de ladrillos con otra pared. Sin embargo, conslo dos celdas, las paredes de ladrillos normalmente no son necesarias,debido a que los tubos adyacentes en las dos secciones pueden sercolocadas escalonadamente, separando cada zona de la zona adyacente.2. Arreglo tpico Un arreglo tpico de un horno tipo cabina con tubosanillados dobles (double hoop tube cabin furnace), se muestra en laFigura 13. Este arreglo presenta tres zonas de radiacin separadas.Ntese que las secciones verticales de tubos en las filas centrales estninstalados escalonadamente y estn conectados por codos estndardoblados en U. Estos tubos son considerados tubos expuestos al fuego porun solo lado, igual que si estuvieran apoyados por una pared refractaria.


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Los anillados tambin se consideran equivalente a tubos expuestos alfuego por un lado.Aunque la Figura 13. muestra las entradas y salidas de los tubos mltiplesparalelas a la seccin de conveccin, la prctica reciente es arreglar lostubos mltiples perpendicular a la seccin de conveccin. Esto con elpropsito de reducir la cada de presin eliminando las conexiones tipo Ty los tubos mltiples intermedios y simplificando la tubera entre el hornoy los reactores.3. Nmero de pasos, tamao de tubos y longitud Para la seleccin delnmero de pasos paralelos y el tamao de los tubos se requiere hacerconsideraciones especiales, ya que la longitud del tubo por paso tambindebe ser considerada (Ntese que todas las referencias son para la Figura13.).a.

Se deben considerar varias combinaciones de tamao de tubo ynmero de pasos. Debido a que cada tamao de tubo tienen unarelacin diferente de superficie de tubo a rea de flujo, cadacombinacin resultar en un requerimiento diferente de la longituddel tubo.

b.

La seleccin de la longitud del serpentn est limitada relativamente,si se compara con otros diseos.

(1)La altura mnima est basada en el espacio libre de losquemadores.(2)La altura mxima est basada en mantener unatransferencia del calor uniforme, adems de consideracionesmecnicas. La altura se debe limitar a la longitud de tubo rectode:a. 9 m (30 pie) para 13 cm (5 pulg) IPS y dimetro de tubo mslargo.b. 7.6 m (25 pie) para 10 cm (4 pulg) IPS y ms pequeos.

(3)El ancho de la celda entre tubos (B) est basado en elespacio libre mnimo quemadoresatubo. Sin embargo, elancho mnimo debe ser 3 m0 cm (10 pie0 pulg) centro detuboacentro de tubo.c.

Aunque se desea usar el mismo tamao de tubos en todas las zonas,esto no es necesario; y en la prctica frecuentemente se usan dostamaos de tubos.

d.

La longitud del serpentn puede ser aumentada por un factor de dosincrementando el nmero de pasos en series a travs de la zona.Esto se hace proviendo discos ciegos o guas deflectoras en lostubos mltiples (manifolds). Las zonas A y C son mostradas con unaserie de pasos, mientras que la zona B tiene dos series de pasos.


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De ser necesario se puede usar cualquier nmero de pasos enseries adicionales.

4. Longitud de la seccin de conveccin La seccin de conveccin seextiende a todo lo largo del horno a travs de todas las zonas de radiacin.La longitud de la seccin de conveccin es igual a la suma de las longitudesde todas las zonas de radiacin, ms el ancho de las paredes divisoriasinternas.5. Requerimiento calrico de la seccin de radiacin Como en otrosdiseos de hornos el requerimiento promedio de la seccin de radiacinpuede ser determinado de grficas de calor disponible, dada la cantidad decombustible neto y la temperatura de salida de los gases de la cmara decombustin (bridgewall temperature). Cada zona de radiacin tiene supropia temperatura de salida de gases (bridgewall temp.). La temperaturapromedio est basada en las corrientes de gases de combustincombinados saliendo de cada seccin de radiacin. El diseo de la seccinde conveccin est basada en esta temperatura promedio de salida de losgases.Para servicios que estn compuestos enteramente de servicio soloradiacin, la temperatura de salida (bridgewall) es una funcin de ladensidad calrica radiante y la temperatura del metal del tubo. El diseocompleto de estas zonas es directo. La temperatura (bridgewall) esdeterminada de la Figura 5. La transferencia de calor a travs del anillo hasido incluida en esta curva.Para servicios que combinan la transferencia por radiacin y porconveccin, el rendimiento por radiacin debe ser determinadosubstrayendo el otro, o sea todos los rendimientos por radiacin delrendimiento de radiacin promedio. Antes de determinar este rendimiento,se debe estimar el arreglo del horno (corregir posteriormente segn lorequerido) de tal manera de poder calcular en rendimiento de la zona deradiacin.Cada zona de radiacin contribuir al rendimiento total de la seccin deradiacin. Esta contribucin depender de la densidad calrica de laseccin de radiacin de cada zona y de la porcin de la seccin deconveccin ubicada sobre cada zona de radiacin.Las variaciones en los rendimientos relativos sobre la longitud deben serconsideradas en la seleccin de las densidades calricas para cada zonade radiacin. Por ejemplo, en el horno tpico Powerformer (Fig. 13), laszonas A y C son servicios de recalentamiento soloradiacin, mientras quela zona B y la seccin de conveccin son servicios de precalentamiento.Debido a esto, las zonas A y C contribuyen con una pequea cantidad degas de combustin fro a la seccin de conveccin durante operacincuando el calor suministrado a estos recalentadores es reducido, por lotanto la zona B debe quemar ms para complementar esta reduccin en el


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calor de conveccin. Por lo tanto, la zona B debe incrementarse en tamaopara evitar densidades calricas por radiacin altas durante los perodosen que las zonas A y C operan a bajo flujo.6. Arreglo del quemador Los quemadores deben ubicarse de tal forma dedar una distribucin de calor uniforme a los tubos, consistente con elespacio libre mnimo quemadorapared. Los quemadores deben serubicados de tal forma que la distancia quemadorapared seaaproximadamente la mitad de la distancia quemadoraquemador.El espacio adecuado para el quemador no siempre es disponible en hornosde tubos anillados, por lo que ocasionalmente se requiere espacio libreadicional. Para quemadores de tiro natural, esto se puede obtener a travsdel uso de doble fila de quemadores (Zona A). En otros hornos puede sernecesario proporcionar una longitud de celda mayor que el requerido.7. Paredes divisorias Las paredes de ladrillos refractarios dividen laszonas de radiacin. Estas paredes deben ser 70 cm (2 pie 3 pulg) deancho (3 ladrillos de 23 cm (9 pulg) con una construccin escalonada y unaaltura mxima de casi 7.6 m (25 pie).El arreglo de la seccin de radiacin debe proveer un espacio libre mnimode 1.5 veces el tamao del tubo (IPS) entre la pared interna y los tubosanillados adyacentes (igual que entre la pared externa y los tubos).

4.24.2.1

Cada de presin a travs del serpentn de radiacinGeneralidadesLa cada de presin a travs del serpentn de radiacin de un horno nuevo, lacalcula el vendedor del horno. Dicho clculo es complejo para servicios convaporizacin, ya que la cada de presin por unidad de longitud cambiacontinuamente con cambios en la relacin gas lquido.En general, luego que se ha establecido el nmero de tubos y la disposicin de losmismos en la seccin de radiacin, el serpentn se divide, para efectos de clculo,en un nmero de partes secuenciales para el clculo de cada de presin. Se usansecciones de longitud ms corta a la salida del serpentn, ya que aqu los cambiosen el volumen especfico son mayores que en otras partes del serpentn.Los clculos comienzan a la salida del serpentn, donde se conoce la presin ytemperatura: en este punto, se puede calcular la entalpa y composicin de las dosfases.Luego, se supone una presin a la entrada de la seccin para clculocorrespondiente a la salida. La entalpa absorbida en esta seccin (ya que seconoce la densidad de calor radiante, y sta se supone constante), se substrae dela entalpa a la salida, obtenindose una entalpa a la entrada de la seccin quese usa para obtener la temperatura y composicin a la presin asumida.


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Usando las condiciones de entrada y salida, y la longitud equivalente (tubera rectams aditamentos), se calcula la cada de presin de la seccin, debida a friccin,cambios en la energa cintica y cambios en el cabezal esttico.Si la cada de presin calculada no se aproxima lo suficiente a la cada de presinsupuesta por la presin de entrada, se supondr una nueva presin de entrada yse repetirn los clculos hasta que haya convergencia en esta seccin delserpentn. Luego, se continuar con este mismo procedimiento con las seccionesrestantes aguas arriba en el serpentn.Al especificar un horno nuevo, el ingeniero responsable debe especificar lamxima cada de presin permitida para el horno (seccin de radiacin y seccinde conveccin). Esta cada de presin se obtiene por experiencia con hornossimilares y, generalmente, debe entregarse para condiciones del horno limpio y delhorno sucio.Para hornos en servicio de vaporizacin, la cada de presin es relativamente alta,debido a las velocidades msicas requeridas y la vaporizacin del lquido:

Cadas de presin tpicas (Hornos vaporizando)

Tipo de horno

Unidad de crudoUnidad de vacoCoquificacin retardada

Horno limpio

kPa100014003505002400

psi1502005075350

Horno sucio

kPa1200170045070028003500

psi17525065100400500

Para hornos en servicio de puro vapor, las cadas de presin son bastantemenores. Por ejemplo, el horno precalentador en un reformador cataltico puedetener una cada de presin de 100 a 170 kPa (1525 psi), y el horno recalentadortan poco como 20 a 40 kPa (36 psi): la razn principal para estos valores tanbajos, es minimizar el cabezal del compresor de gas de reciclo.

En el caso que se requieran clculos detallados de cada de presin en el serpentnde radiacin, por parte de PDVSA y sus filiales, remitimos al lector a los manualesde los programas de simulacin de hornos FRNC5 (PSR) y FH0 (HTRI), que sonlos programas oficiales de uso para este tipo de labores.En el caso que los anteriores programas no estn disponible, puede usarse elprograma PRO II (SIMSCI), el cual tiene la instruccin PIPE, la cual permite hacerclculos rigurosos de cada de presin (Flujo multifsico monofsico), con unaabsorcin fija de calor, simulando as, ms menos, el serpertn de un horno. Esteenfoque no es tan preciso como el de los dos programas anteriormentemencionados. Remitimos al lector al correspondiente manual del programa PROII.


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4.2.2

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Factor de seguridad en la cada de presinPara compensar por variaciones inherentes a la alimentacin al horno anlisis delcrudo (anlisis del crudo, contenido de agua, etc.) e imprecisiones del mtodo declculo, es recomendable aadir un 10% a la cada de presin calculada por losmtodos presentados anteriormente cuando se estan fijando los requerimientosdel cabezal de la bomba de alimentacin al horno.

4.34.3.1

Materiales y vida til de los tubosMateriales de los tubosLas consideraciones preliminares son la resistencia requerida, resistencia a lacorrosin(oerosin)ylascaractersticasdeoxidacin(oreduccin).Conjuntamente con estas caractersticas estn el nivel detemperatura, la atmsfera del horno, y los constituyentes corrosivos del fluido delproceso o del combustible.Los materiales ms usados comnmente son acero al carbn, 1 1/4 Cr 1/2 Mo,2 1/4 Cr 1 Mo, 5 Cr 1/2 Mo, 18 Cr 8 Ni y 25 Cr 20 Ni. Tambin se utilizanotros materiales que incluyen C 1/2 Mo, 9 Cr 1 Mo y 12Cr.Los materiales del serpentn se seleccionarn para resistir el escamamiento(scaling) exterior y la corrosin en el interior. Para evitar el escamamientoexcesivo, la temperatura de la superficie exterior no debe exceder los siguientesniveles (Ver PDVSAMIDB201PR):

Temperatura

Material de los tubosAcero al Carbono1/2 Mo1 Cr 1/2 Mo2 1/4 Cr 1 Mo5 Cr 1/2 Mo9 Cr 1 Mo16/14/2 CrNiMo18/8 CrNi

C454565595635650705870850

F8501050110011751200130016001500 (1)

(1) Para los aceros tipo 18/8 CromoNquel tipo 304H/321H, se requerir ademsla prueba de Sensibilidad a la formacin de fase sigma, previa consulta con la filialde PDVSA o su representante.Especial atencin deber tomarse al emplear aceros del tipo C1/2 Mo en tubosdel serpentn, ms an cuando exista la posibilidad de que la temperatura deoperacin de piel de tubo se encuentre por debajo de las temperaturas sealadasen la curva de Nelson, ya que se ha reportado daos por ataque de hidrgeno paraeste tipo de material (Vase API Publicacin 94183); por esta razn,


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preferentemente se recomienda no usar aceros del tipo C1/2 Mo en cualquierdiseo de tubos para hornosPara hornos de procesos los siguientes materiales de tubo son los ms usados(basado en condiciones internas y externas):Condiciones internas Basado principalmente en corrosin por azufre.1. Alambique de Tubos (Unidades de crudo y vaco)a.

Acero al carbono (AC) es usado a temperaturas del metal del tubobajas, hasta que la corrosin se hace excesiva.

b.

5% Cr es usado para altas temperaturas. Este material es adecuadopara temperaturas del metal del tubo (TMT) hasta 565C (1050F).

c.

9% Cr 12% Cr es ocasionalmente requerido en casos muyespeciales, donde el crudo es extremadamente corrosivo o lascondiciones operacionales resultan en temperaturas del metal deltubo muy elevadas.

2. Rehervidores, Hydrofiners, etc. La tasa de corrosin puede ser muchomas elevada que en alambiques de tubos.a.

AC es usada para temperaturas bajas.

b.

5% Cr es usado para temperaturas moderadas (no hay aumento enla resistencia por corrosin sobre AC para servicios H2S/H2

c.

18 Cr 8 Ni es usado para temperaturas elevadas.

3. Termoreactores (Powerformers) La seleccin del tubo dependeprincipalmente de la resistencia al ataque de H2.d.

C 1/2 Mo es usado para temperaturas bajas.

e.

1 1/4 2 1/4 Cr es usado para altas temperaturas. 5 Cr es tambinusado si la oxidacin externa se hace limitante.

Oxidacin Externa Esta oxidacin juega un papel relativamente menor en laseleccin del tubo o en la tolerancia de corrosin, pero es el factor principalconcerniente en la ubicacin y seleccin de los materiales de toda la superficieextendida de la seccin de conveccin.4.3.2

Vida util del tuboEstudios realizados en el pasado han indicado que la vida econmica del tubo esde 4 a 5 aos. Esto est basado en comparaciones entre el costo de inversininicial y los costos de reemplazo. Este diseo debe ser consistente con losprogramas de paradas. Se deben tomar precauciones para proveer una vida tilms larga en los tubos de superficie extendida de la seccin de conveccin, debidoal costo elevado de esta superficie comparado al costo incremental de los tubosbase con mayor espesor.


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Debido al conservativismo inherente en el procedimiento del clculo de hornos,casi todos los tubos de los hornos tienen una vida til mayor que la vida til segnel diseo, a no ser de que sean mal operados. Por lo tanto, para muchasaplicaciones, el diseo de la vida til de los tubos de radiacin que sobrepasen los4 a 5 aos no se justifica. Como una manera prctica, los tubos raramente sonreemplazados cuando ellos alcanzan el fin de su vida til segn el diseo. Elreemplazo de los tubos es el resultado de uno de los siguientes puntos: Error del operador: un ejemplo es mantener la quema de combustible sinflujo en el serpentn. Problemas de esta naturaleza son imposibles detomarlos en cuenta durante el diseo. Pared del tubo muy fina: al punto de que debe ser reemplazado. Esto sepuede detectar con medidas o puede ser visible como un tubo deformadoo roto. El tiempo para que el tubo llegue a presentar fallas es una decisinde la refinera y est basado en la tasa actual de deterioro, la vida restantecalculada y las consecuencias que representan una falla de esta ndole. Porejemplo, la falla de un tubo es un termoreactor resultar probablemente enun incendio, requiriendo el reemplazo completo del tubo; mientras que unafalla en un tubo de un horno de una unidad de crudo vaco causarposiblemente humo por la chimenea y una parada no programada. Puntos calientes ocasionados por problemas operacionales (coque,choque de llama) pueden causar deformacin o rotura en los tubos.

5

SECCION DE CONVECCION5.1

AntecedentesLos gases de combustin salen de la seccin de radiacin del horno y pasan atravs de la seccin de conveccin antes de entrar a la chimenea. A temperaturasde los gases de combustin por debajo de 815980C (15001800F), latransferencia de calor por radiacin llega a ser antieconmica, y si adems serequiere recuperar ms calor de los gases de combustin, esto se lleva a cabo mseconmicamente por transferencia de calor por conveccin. Tpicamente, el 35 a40% del rendimiento total del horno se obtiene en las superficies extendidas de lassecciones de conveccin modernas.La seccin de conveccin debe disearse para transferir calor econmicamenteal fluido del proceso, y al mismo tiempo no impedir la salida del gas de combustindel horno. Debido a que el coeficiente de transferencia de calor de los gases decombustin en la superficie externa de los tubos es relativamente pobre, se debeusar superficie extendida para aumentar la transferencia de calor.


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5.25.2.1


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Superficie de la seccin de conveccinSeccin de proteccinLas primeras dos filas de la seccin de conveccin estn expuestas a radiacindesde la cmara de radiacin y se conocen como tubos de proteccin (shieldtubes), o tubos de choque. La transferencia de calor por radiacin a estas dos filasest incluida en el rendimiento total por radiacin del horno. Debido a que estostubos tambin reciben calor por conveccin, el rendimiento total es la suma de losrendimientos calricos por radiacin y conveccin. No se deben usar superficiesextendidas en los tubos de proteccin, debido a que el calor total y las densidadescalricas pueden ser excesivas, causando temperaturas altas en el metal del tuboy/o interferencia con vapor (vapor blanketing).Normalmente, se prefiere que los tubos de proteccin sean del mismo material quelos tubos de radiacin. Esto no aplica cuando el servicio de estos tubos seadiferente al servicio de radiacin, tal como los serpentines de generacin de vaporen el horno de proceso.

5.2.2

Seccin de tubos lisosAunque la superficie extendida debe ser usada lo ms posible en la seccin deconveccin despus de la seccin de proteccin, esto no es prctico para los tubosinstalados inmediatamente despus de los tubos de proteccin. Las temperaturasde los gases de combustin son an altas y puede causar altas densidadescalricas y temperaturas excesivas del metal del tubo. Por lo tanto, unas cuantasfilas de tubos lisos (bare tubes) usualmente son requeridos antes de poder usarsuperficies extendidas.

5.2.3

Superficies extendidasSeleccin del tipo de superficie extendida El tipo de superficie extendida a serusado est basado en el combustible que va a quemarse en el horno.1. La superficie extendida tipo espiga o perno (stud type) es el nico tipo quepuede ser usado si lo que se va a quemar son combustibles lquidospesados ( = 904 kg/m3 o mayor, 25API o menos). Ver Figura 1.2. La superficie extendida tipo aleta (fin type) debe ser usada solo cuando gascombustible o combustibles lquidos livianos van a ser quemados ( < 904kg/m3, por encima de 25API). Ver Figura 2.En hornos donde se van a quemar diferentes combustibles, el ms pesadodetermina la seleccin del tipo de superficie extendida. Fjese que en hornosdonde se va a quemar combustibles pesados en el futuro, se deben usar tubos consuperficie extendida espigada o apernada (studded tubes). La conversin de unhorno que fue diseado originalmente para quemar slo gas combustible, parapermitir la quema de combustible lquido pesado requerir una modificacin.


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5.2.4


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Tubos de superficie extendida tipo espiga o perno1. Aplicacin Las espigas o pernos cilndricos (cylindrical studs) estnsoldadas fuertemente al tubo en filas circulares o helicoidales. Superficiesapernadas de acero al carbn, 12.7 mm (0.5 pulg) de dimetro ydistanciados de las filas 15.9 mm (5/8 pulg) (63.0 filas por metro de tubo(19.2 filas por pie de tubo)) son estndar y deben especificarse. Otros tiposde superficie apernada, incluyendo dimetros de 6.4 y 9.5 mm (1/4 y 3/8pulg) y formas elpticas estn disponibles. Sin embargo, estas no puedenusarse debido a sus desventajas, tales como baja resistencia mecnica yescasa posibilidad de limpieza.2. Temperatura Las superficies tipo espiga o perno de acero al carbndeben ser limitadas hasta una temperatura mxima de 565C (1050F),basado en consideraciones de oxidacin. Las superficies tipo espiga operno de acero al carbn pueden ser aplicadas a cualquier material deltubo. No se requiere alivio de esfuerzos trmicos. Por lo general, no eseconmico utilizar aleaciones en estas superficies.3. Arreglos de los superficies tipo espiga o perno (Stud Arrangement) Pueden aplicarse en todo el dimetro del tubo, o en la mitad del fondo deltubo (el lado frente al flujo de gas de combustin). Sin embargo, tuboscompletamente cubiertos de superficies tipo espiga o perno generalmentese prefieren y deben usarse en el diseo, a menos que condicionesespeciales indiquen que puede usarse slo la mitad.Las siguientes consideraciones se aplican para la seleccin de la mitad delos tubos con superficie extendida tipo espiga o perno:a.

Los diseos de tubo con la mitad de la superficie tipo espiga o pernoincrementan el espacio libre vertical entre las filas de tubos. De sernecesario, estos espacios pueden ser usados para la limpieza de lostubos de la seccin de conveccin. Esta es una ventaja significativacuando se queman combustibles extremadamente sucios, tales comoresiduos venezolanos.

b.

Debido a que casi todo el calor transferido es desarrollado en la mitaddel fondo del tubo, la mitad de los tubos con superficie extendida tipoespiga o perno son 80% tan efectivas como todos los tubosrecubiertos de superficie extendida tipo espiga o perno y, bajo ciertascondiciones, puede ser econmicamente atractivos. Sin embargo,debido a que por lo menos 20% ms de filas de tubos con la mitad dela superficie extendida se requeriran, en comparacin con tuboscompletamente cubiertos, se puede necesitar una fila adicional desopladores de holln. Los ahorros realizados por usar tubos con lamitad de superficie extendida deben ser mayores que el costo de lossopladores aadidos.


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c.

La aplicacin de superficies extendidas tipo espiga o perno en slo unlado de un tubo requiere tcnicas especiales, ya que las tensionestrmicas por soldar en un solo lado del tubo pueden causardeformaciones al tubo. Por lo tanto, slo pueden ser realizados porfabricantes especialmente aprobados para la operacin de este tipode tubos.

d.

Si se usan tubos con aleaciones en las filas de tubos incremental (envez de tubos de acero al carbn), la economa debe favorecer a lostubos completamente con superficies extendidas para minimizar elnmero de tubos con aleaciones.

Si se escogen tubos con la mitad de la superficie extendida, laespecificacin del diseo debe incluirlo y adems debe proveersesuficiente espacio en la seccin de conveccin para permitir el uso de tuboscon la superficie completamente extendida.4. Longitud del perno (Stud) Estn disponibles en longitudes crecientesde 1.6 mm (1/16 pulg), empezando con 19.1 mm (3/4 pulg de largo) (pernosde 15.9 mm (5/8 pulg) pueden tambin obtenerse, pero deben ser cortadosy por lo tanto no son usados normalmente). La longitud mxima posibleest basada en las capacidades de fabricacin y depende del tamao deltubo, debido a que el dimetro externo del tubo y del perno est limitado a282.6 mm (111/8 pulg). La longitud mxima del perno debe ser limitadaa 50 mm (2 pulg), ya que la eficiencia decrece severamente conincrementos en la longitud.La seleccin de longitudes depende de la geometra de la seccin deconveccin y la velocidad msica del gas de combustin, como se discutems abajo. Los pernos cortos deben ser usados tan pronto como seaposible en la parte ms baja de la seccin de conveccin, por limitacionesde la punta del perno, temperaturas de pelcula y del tubo; y la longitud delperno debe ser aumentada a medida que la temperatura de los gases decombustin disminuye a travs de la seccin de conveccin.5. Pernos por fila El nmero de pernos por fila circunferencial depende deldimetro del tubo. Este nmero por fila debe estar limitado al valor mximolistado a continuacin:Nmero Mximo de Pernos por Fila Circunferencial

2.58

310

Dimetro externo de la tubera, pulg3.544.55 5.56 6 6.63 8.6312 12 14 1618 202228

100% tipo rosca(studded)50% tipo rosca46668810 1012(studded)* Para convertir los valores de los dimetros a mm, multiplique por 25.4

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5.2.5


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Arreglo de la seccin de conveccinAC1113 Cr18/8 Cr/Ni25/20 Cr/Ni

5.3.1

REVISION

Tubos con aletas1. Aplicacin Las aletas estn continuamente enrolladas alrededor deltubo en un espiral y tienen por lo menos dos vueltas por cm (5 vueltas porpulg). Las aletas deben ser soldadas continuamente al tubo por filetes(fillet) o soldadura de resistencia. Estas soldaduras son mucho msrecomendables que las de puntos intermitentes, debido a su mejortransferencia de calor y por su unin ms fuerte al tubo.2. Tipos de aletas Aletas continuas (Figura 2.A) son hechas para forzar uncorte en bandas continuas del metal alrededor del tubo. Estas sonpreferibles que las aletas dentadas (Figura 2.B), las cuales son construidasfijadas mediante soldadura intermitente, debido a sus mejores propiedadesde transferencia de calor y una unin al tubo ms resistente. Las aletascontinuas tienen una rigidez mecnica superior. Los procedimientos declculo dados en esta subseccin estn basados en aletas continuas.3. Disponibilidad Una variedad de aletas estn disponibles: Aletas con alturas desde 3.2 hasta 38.1 mm (1/8 hasta 1 1/2 pulg) Aletas con espesores desde 0.5 hasta 1.5 mm (0.02 a 0.06 pulg) Espacio entre aletas hasta 2.5 mm (10 aletas por pulg de tubo) No todas las combinaciones de estas variables son disponibles. Para undiseo econmico, las aletas deben basarse en lo siguiente: Altura de aletas de 12.7, 19.1 25.4 mm (1/2, 3/4 1 pulg) Espesor dealetas de 1.3 mm (0.05 pulg) Espacio entre aletas de 5,1 hasta 6,4 mm(4 5 aletas por pulg)4. Material Casi todos los materiales de las aletas pueden ser fijados acualquier material del tubo. Debido a que las aletas son mucho ms finasque los pernos, los materiales de las aletas deben ser seleccionados para0% de oxidacin a la temperatura mxima de la periferia (tip temperature).Mientras mayor sea esta temperatura, mayor ser el grado requerido de laaleta. Los siguientes materiales comnmente son los usados en aletas:Material de la Aleta

5.3

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PDVSA MDP05F02

Temperatura Mxima de la Periferiade la Aleta455 C (850 F)677 C (1250 F)790 C (1450 F)980 C (1800 F)

Consideraciones MecnicasEl espacio y arreglo de los tubos de seccin de conveccin estn basados en lasconsideraciones de procesos, tales como las velocidades msicas requeridas u


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ptimas del gas de combustin, flujo de transferencia de calor, etc. Sin embargo,las siguientes consideraciones mecnicas tambin limitan o influyen sobre elarreglo de la seccin de conveccin.Longitud La longitud efectiva de los tubos de la seccin de conveccin y de laseccin de proteccin dependen del tipo particular de horno que se estdiseando. En general, se debe usar la longitud mxima de la seccin deconveccin permitida por el diseo de la seccin de radiacin. Los codos deretorno de la seccin de la cmara de conveccin deben ubicarse en loscabezales. Por lo tanto, la longitud interna de la seccin de conveccin es lalongitud efectiva.Ancho Cada fila horizontal en la seccin de conveccin debe tener por lo menos4 tubos o el nmero de pasos en el horno, cualquiera que sea mayor (en hornosmuy pequeos, se pueden usar de 2 a 3 tubos por fila).Si la seccin de conveccin es suficientemente larga para requerir uno o mssoportes de tubos (tubesheets) intermedios, sta no debe ser ms ancha de 4.3m (14 pie), debido a las dificultades encontradas en el diseo y la fabricacin deestos tubos intermedios con longitudes mayores que sta. Secciones deconveccin cortas sin estos tubos intermedios pueden ser diseadas ms anchasque 4.3 m (14 pie).Nmero de pasos En servicios de vaporizacin, el nmero de pasos de tubosen la cmara de conveccin debe ser el mismo que en la seccin de radiacin,estando conectado cada paso con su propio conductor. En todos los servicios convapor, donde la distribucin puede hacerse por una divisin natural, un nmero depasos diferente puede ser usado en las secciones de radiacin y conveccin. Losflujos pueden ser combinados en la salida de la seccin de conveccin yredistribuirse en la entrada de la seccin de radiacin.Codos de retorno Donde sea posible, el arreglo y la distribucin de los tubosdeben permitir el uso de codos de radio largo en U de 180 estndar. Los codosde radio corto en U son usados en situaciones especiales.Para otros casos, donde se requieren espacios no estandarizados, la siguientetabulacin muestra los espacios mnimos de tubos para los tubos de la zona deconveccin, basado en el espacio libre requerido por fabricacin. Debido a que loscodos de retorno adquiridos para los espacios no estndar son todos segn comosean pedidos, cualquier espacio por encima del mnimo es obtenible.


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Tamao detuboNominal

EspaciamientoMnimoTamao deEstndarEspaciamientoTuboCentro aCentro aDimetroCentroCentroexternommpulgmmmmmm76.2502102102101.6803152152127.01004203203152.4125525425415063053052008406406* Para convertir las medidas a pulg, dividir entre 25.4

EspaciamientoEstndarCentro aCentromm152203254305

MnimoEspaciamientoCentro aCentromm127152191229

Si se requieren tapones en los cabezales para la limpieza mecnica, consulte elcatlogo del fabricante o los consultores de diseo de hornos para el espaciomnimo centroacentro, si es menor que el espacio estndar deseado.Arreglo y espaciamiento de los tubos (Ver Figura 3.) Aunque los tubos de laseccin de conveccin pueden ser situados en forma triangular o rectangular,siempre se usan formas de tringulos equilteros o issceles para las seccionesde conveccin de hornos. Coeficientes de transferencia de calor para tubos lisosen forma triangular han sido incluidos con las ecuaciones de transferencia de calordebido a que la forma triangular es ms comn para calderas.Los tubos frecuentemente estn distribuidos en forma de tringulo equiltero. Sinembargo, cuando el nmero de tubos por fila horizontal es igual al nmero depasos, los tubos pueden ser localizados en un modelo triangular issceles. Labase (el espacio tuboatubo en la fila horizontal) puede ser variada a fin deobtener la velocidad msica deseada de los gases de combustin.Cuando se usan tubos de superficie extendida en la seccin de conveccin, elespacio mnimo entre las aletas o la espiga o perno (studs) del horno sobre tubosadyacentes es 38.1 mm ( 1 1/2 pulgl). Este puede estar situado en cualquierdireccin y est basado en requerimientos mnimos para el diseo mecnico delos soportes de los tubos. Este requerimiento limita la longitud mxima de lasuperficie extendida que puede ser usada para un espacio tuboatubo dado.Un espacio mnimo de 19.1 mm (3/4 pulg) puede especificarse entre la aleta o laperiferia del perno y la pared lateral de la seccin de conveccin.Salientes (Cobelling) Las guas desviadoras deben ser especificadas por cadafila de la seccin de conveccin para prever desvos de los gases de escape dela seccin de conveccin. La Figura 3.D presenta un arreglo aproximado de estasplacas guas (Corbelling) y los tubos de la seccin de conveccin. el ancho mximonormal del saliente (Corbelling) es 152 mm (6 pulg). Este mismo tamao desaliente es usado a travs de la seccin de conveccin. Los salientes (Corbelling)


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reducen el rea abierta para el flujo de gases de combustin aumentando lavelocidad msica del gas de combustin y el flujo de transferencia de calor. Porlo tanto, estos salientes no deben colocarse en la fila de tubos de proteccin delfondo, ya que no se requiere aumento en la transferencia de calor de esta fila.Soporte de tubos La longitud mxima sin soporte para los tubos horizontalesdel horno es 35 veces el dimetro externo (excepto para tubos de vapor, los cualesrequieren ms soportes). Las secciones de conveccin ms largas que starequerirn lminas de tubos intermedias para reducir la longitud sin soporte.

Tamao de la TuberaNominalmmpulg100412551506

Longitud MximaSin Soporte,mpie3.9913.14.9416.25.9019.3

Limpieza de la seccin de conveccin El requerimiento para los sopladoresde holln y la proteccin por erosin localizada de las paredes refractarias de lacmara de conveccin tiene un efecto significativo en la inversin del horno. Elarreglo de la seccin de conveccin debe tomar en consideracin el arreglo ptimode los sopladores de holln, lminas de tubos y los tubos.

Se debe tomar en consideracin la extensin de la seccin de conveccin con elfin de minimizar el nmero requerido de sopladores de holln. Un mayor ancho dela seccin de conveccin permite el uso de ms superficie de tubos por fila, lo cualresulta en menos filas verticales a ser cubiertos por los sopladores de holln. Auncuando el total de nmero de tubos es aumentado (velocidad msica del gas decombustin y coeficiente de transferencia de calor ms bajas), la reduccin en lainversin de sopladores ser mayor que lo compensado por el aumento en elnmero de tubos. Sin embargo, reducir el nmero de sopladores de esta maneraes frecuentemente imposible. Por lo tanto, se debe usar las velocidades msicasconvencionales de los gases de combustin.5.3.2

Velocidad Msica de los Gases de Combustin1. Cuando la altura de las chimeneas estn basadas en los requerimientos deltiro, se recomiendan velocidades msicas mximas del flujo de gases decombustin (Ver la siguiente tabulacin). Para quemar combinaciones decombustible controla el combustible ms pesado.


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Combustible

Gas natural o combustible limpioCombustible lquido con bajocontenido de metales y gas cidoCombustible lquido con altocontenido de metales

Mxima Velocidad Msica delGas de CombustinRecomendada, Gckg/sm2lb/spie 22.5 a 3.00.5 a 0.62.0 a 2.50.4 a 0.51.5 a 2.0

0.3 a 0.4

Estas recomendaciones son para la parte de la seccin de conveccin conla velocidad msica ms alta (es decir, la superficie extendida ms larga).Las velocidades msicas en secciones de la seccin de conveccin contubos lisos o corta superficie extendida puede estar por debajo de losrangos recomendados.Estos rangos de mxima velocidad msica estn considerados en el diseoptimo de la seccin de conveccin y deben ser usados en la prctica. Bajociertas condiciones, como se discute abajo, se deben usar velocidadesmsicas ms altas. En otros casos, velocidades msicas ms bajas puedenser ventajosas, tal como minimizar el nmero de sopladores para hacer laseccin de conveccin ms amplia, como se ha discutido previamente. Sinembargo, el diseo de las velocidades msicas del gas de combustin pordebajo de 1.0 kg/sm2 (0,2 lb/spie2) deben ser evitadas, debido a lascaractersticas pobres del flujo de los gases de combustin.2. Si la velocidad msica de los gases de combustin calculada anteriormentees mayor que el rango recomendado para un combustible en particular, sedebe revisar el arreglo de la seccin de conveccin. Se deben aadir mstubos a cada fila de la seccin de conveccin o aumentar el espaciotuboatubo en la fila. En cualquier caso, el ancho de la seccin deconveccin tambin aumentar. Preferiblemente, se debe aumentar elnmero de tubos por fila. Sin embargo, el nmero total de tubos por filadebe ser un mltiplo del nmero de pasos, es decir, un horno con dos pasosdebe tener 4, 6 u 8 tubos por fila en la seccin de conveccin.Bajo ciertas condiciones, el nmero de tubos por fila puede desviarse deeste principio. Por ejemplo, un horno con cuatro pasos puede tener 6 tubospor fila (Figura 3.C). Un paso puede tener 2 tubos en una fila y un tubo enla prxima fila. El prximo paso tendr un tubo en la primera fila, despusdos tubos en la fila siguiente, etc. Sin embargo, se debe asegurar que elcalor de entrada total a cada paso sea igual. Ntese que este arreglorequiere la forma de un tringulo equiltero.Cuando el nmero de tubos de conveccin por fila es igual al nmero depasos, el espacio del tubo en la fila puede ser variado con el fin de obtenerla velocidad msica deseada. Este espacio debe ser usado para toda laseccin de conveccin.


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3. Cuando las alturas de las chimeneas dependen de consideraciones decontaminacin ms que los requerimientos de tiro, se aceptan velocidadesmsicas del gas de combustin mayores que las mostradas anteriormente.Sin embargo, en estos casos la cada de presin a travs de la seccin deconveccin nunca debe ser mayor que la mitad del tiro provisto por lachimenea.4. Los hornos equipados con ventiladores del tiro inducido pueden serdiseados con velocidades msicas del gas de combustin mayores. Sinembargo, se debe considerar la necesidad de tener que desviar alventilador durante cualquier interrupcin y enviar los gases de combustindirectamente a la chimenea. La velocidad ptima debe basarse en unestudio econmico del costo del ventilador (costo de inversin y deoperacin) contra ahorro de inversin de la seccin de conveccin. Engeneral, con ventiladores de tiro inducido, la velocidad msica ptima esde 3.4 a 4.4 kg/sm2 (0,7 a 0,9 lb/spie2).5. En las secciones de conveccin donde el flujo de gas de combustin esforzado por una presin positiva, la velocidad msica tambin debe ser msalta. Las calderas CO son ejemplos tpicos de esta situacin. Lasvelocidades msicas del gas de combustin en el rango de 3.9 a 5.9 kg/sm2(0.8 a 1.2 lb/spie2) deben ser consideradas. En estos casos la seccin deconveccin debe sellarse hermticamente para evitar fugas de gases decombustin calientes.

6

CONSIDERACIONES DE DISEO DE LA CHIMENEA6.1

Tipos de construccin y arregloLas chimeneas usadas en hornos de procesos frecuentemente estn fabricadasde acero o concreto. Chimeneas de ladrillos raramente son usadas, aunquemuchas de las chimeneas de concreto estn revestidas con ladrillos. Laschimeneas pueden ser colocadas en el piso al lado del horno (chimeneassoportadas por el suelo) o pueden ser montadas en el tope del horno (chimeneassoportadas por el horno).Chimeneas soportadas por el suelo Las chimeneas por debajo de una alturade 76 m (250 pie) son hechas de acero, las mayores de 76 m (250 pie) son deconcreto.Estas chimeneas son usadas por diferentes hornos. Si la altura de la chimeneaest basada en los requerimientos de tiro solamente, el sistema del horno con lacada de presin mayor determinar la altura de la chimenea.Si un horno est conectado a una chimenea comn y tiene que ser parado parareparacin, este horno debe estar provisto de compuertas o guillotinas en el ductopara asegurar la continua operacin de los otros hornos y de la chimenea.


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Ya que hay prdidas adicionales de presin entre la salida del horno y la entradade la chimenea, las que son soportadas por el piso deben ser ms altas que laschimeneas soportadas por los hornos, siempre y cuando la altura de la chimeneasea determinada por requerimientos de tiro solamente.Chimeneas soportadas por hornos Estas siempre son de acero. La alturamxima econmica para estas chimeneas es de 45 a 60 m (150 a 200 pie) porencima del piso. Para alturas mayores de 60 m (200 pie) se debe especificar unachimenea soportada por el piso.Salidas de las chimeneas Por cada 12.2 m (40 pie) de longitud de tubo de laseccin de conveccin se requiere una salida. Se pueden usar chimeneasmltiples soportadas por el horno, o las salidas pueden ser dirigidas a unachimenea comn la cual puede estar soportada por el piso o por el horno.

6.2

Dimetro de la chimeneaEl dimetro es una funcin de la cantidad de flujo de gas de combustin. Laschimeneas deben ser diseadas para una velocidad de 7.6 m/s (25 pie/s). Aunquelos detalles de la chimenea sean conocidos, para propsitos del diseo, eldimetro debe considerarse uniforme. La especificacin del diseo debeestablecer el dimetro interno requerido a la salida de la chimenea. Las siguientesconsideraciones pueden afectar el dimetro de la chimenea:Chimeneas soportadas por el horno Cuando los gases de combustin pasandirectamente a la chimenea, el dimetro no debe ser mayor que la anchura externa(alrededor de 300 mm (12 pulg) mayor que la anchura interna) de la seccin deconveccin. Cuando los gases de combustin entran a la chimenea provenientede los ductos (Figura 18a), la chimenea puede tener un dimetro un poco mayorque el ancho externo de la seccin de conveccin.Requerimientos de control de contaminacin Cuando se requieren altaschimeneas por consideraciones del control de contaminacin o por regulacioneslocales, velocidades del gas en la chimenea mayores que 7.6 m/s (25 pie/s)pueden ser econmicas, ya que de cualquier manera existe tiro extra paracompensar la cada de presin adicional. En ocasiones, altas velocidades puedenser requeridas por consideraciones de control de contaminacin. Cuando se usauna restriccin en la salida de la chimenea (plancha de estrangulacin o chokeplate) para obtener este incremento en la velocidad, la cada de presin a travsde esta plancha puede fijar la porcin del tope de la chimenea bajo presin internapositiva, si la velocidad a la salida est muy por encima de 7.6 m/s (25 pie/s). Estopuede causar daos a las chimeneas de concreto o ladrillos, por lo queposiblemente se requiera un revestimiento con acero. Cuando la velocidad desalida es menor o igual a 7.6 m/s (25 pie/s), la prdida a la salida es relativamentepequea, por lo que se puede ignorar el efecto de una plancha de estrangulacin.


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Velocidad mnima del gas de chimenea A velocidades menores que 4.6 m/s(15 pie/s) del gas en la chimenea, puede ocurrir inversin con aire fro en lachimenea y bajar por un lado de la misma. Esta recirculacin puede reducirseriamente el tiro disponible por lo que debe evitarse. En caso de que se opere elhorno a baja carga por largo tiempo, se deben considerar las siguientes medidas:1. Operar con alto exceso de aire Durante la operacin a baja carga, elporcentaje de exceso de aire puede ser aumentado tanto como seanecesario, para evitar recirculacin, en caso de llegar a ser un problema.Esta solucin es preferible para incrementar la velocidad del gas en lachimenea segn el diseo, y se recomienda particularmente en casosdonde la altura de la chimenea est basada en los requerimientos de tiro.En tales casos, el incremento de la velocidad del gas en la chimenearequerir aumentar la altura de la chimenea. Otra razn para aceptar unporcentaje de oxgeno mayor que el diseo durante la operacin a bajacarga, es cuando dificultades en el control y entradas de aire al horno, nopermiten en la prctica operar a bajo exceso de aire bajo estas condiciones.2. Aumento en la velocidad del gas en la chimenea A pesar de lasconsideraciones anteriores, se hace necesario por razones de procesos yoperabilidad del horno o economa de la planta, disear un horno y suchimenea para que operen con el porcentaje de exceso de aire del diseoa baja carga. Esto significa que la chimenea tiene que ser diseada parauna velocidad del gas en la chimenea de por lo menos 4.6 m/s (15 pie/s)para la menor carga esperada; y que a las condiciones de diseo lavelocidad del gas en la chimenea puede exceder 7.6 m/s (25 pie/s).3. Plancha de estrangulacin removible Se puede considerar una tapao plancha de estrangulacin removible, como un medio de aumentar lavelocidad del gas a la salida de la chimenea durante la operacin inicial abaja carga. La tapa puede ser removida cuando se le aumente la carga delhorno.

6.3

Revestimientos de la chimeneaTodas las chimeneas de acero al carbn requieren revestimiento para mantenerla temperatura de la armadura por debajo de 480C (900F). La armadura ocarcaza de acero debe tambin ser protegida si la temperatura es menor de 175C(350F).


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MULTIPLES Y LINEAS DE TRANSFERENCIA7.1

Mltiples (Manifolds)

7.1.1

GeneralidadesLos mltiples son utilizados para distribuir y recolectar fluidos de los diferentespasos de los hornos. Estos mltiples deben estar diseados para alcanzar unadistribucin uniforme del flujo en todos los pasos del horno. Una mala distribucindel flujo por los pasos del horno puede causar que algunos de ellos se queden sinflujo, resultando en sobrecalentamiento y quema de los tubos.Se debe proveer proteccin por bajo flujo (o flujo interrumpido) de acuerdo con eldocumento PDVSAMDP(Pendiente: consultar MDP versin 1986, Subseccin15E).

7.1.2

Servicios de vaporizacinLos mltiples de entrada no pueden proporcionar una distribucin del flujoadecuada en servicios de vaporizacin. Debido a que esta distribucin del fluidonunca ser perfecta, el paso con poco flujo absorbe la misma cantidad de calor,lo que resulta en una alta temperatura a la salida del serpentn, y aumento de lavaporizacin. Este incremento en la vaporizacin origina un flujo invertido en estepaso y causa mala distribucin del fluido, hasta que el sistema quede finalmentedesbalanceado. Bajo condiciones de poco flujo poca cada de presin, estasituacin puede originar rpidamente coquificacin en los pasos. An encondiciones mximas de operacin, este paso ms caliente coquifica mucho msrpido que los pasos fros y se convierte en una limitante para el proceso.La instrumentacin de control de flujo automtico instalado debe ser especificadopara servicios con formacin de coque (para temperaturas a la salida del serpentnpor encima de los 315C (600F)).Los indicadores de flujo y las vlvulas de globo (generalmente 1 a 2 tamaosmenores que el tamao de la lnea) deben ser especificados para servicios nocrticos y sin coque, tales como rehervidores, los cuales pueden tolerar cierta maladistribucin del flujo. Se debe asegurar buena operacin de los TR instalados alas salidas de los serpentines.Se deben revisar las condiciones de arranque para asegurar que las vlvulaspuedan controlar adecuadamente los bajos flujos y las altas cadas de presin quese encuentren en un momento dado.Las corrientes del proceso con una vaporizacin significativa a la entrada delhorno, no pueden ser reguladas adecuadamente con vlvulas de control de flujo.Por lo tanto, si no se puede tolerar mala distribucin del flujo en los pasos, se debeevitar vaporizacin aguas arriba de estas vlvulas de control.Muchos hornos han operado satisfactoriamente con un porcentaje de vapor dehasta 0.01 kg/kg (1% en peso) antes de las vlvulas de control, y este lmite debe


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ser utilizado en hornos destiladores y en hornos similares. Si se espera mayorvaporizacin, el sistema debe ser rediseado de tal forma que la vaporizacin nosea mayor de 0.01 kg/kg (1% en peso) en el punto donde el flujo es dividido ycontrolado. Por supuesto que este lmite no aplica en hornos con un slo paso.Algunos hornos pueden tolerar una mala distribucin del flujo relativamente altaentre pasos, y en estos casos, un grado de vaporizacin en la entrada del hornoes aceptable. Estos casos deben ser evaluados en una base individual,considerando la experiencia previa que se tiene con respecto al nivel detemperatura, tendencias de coquificacin, etc. Debido a que los controladores deflujo no son efectivos en estos casos, el arreglo de la tubera de entrada debeproveer la mejor divisin posible de los flujos. El arreglo debe ser simtrico, conlas divisiones de flujo acabadas por tramos en T de tuberas horizontales.7.1.3

Servicios de una sola faseLquido Hornos alimentados slo con lquido tienen requerimientos similaresque los servicios de vaporizacin, o sea que deben ser provistos de reguladorespara la distribucin del flujo pasoapaso. Una mala distribucin del flujo puedecausar que el fluido sea subalimentado en un paso y se evapore, ocasionando elmismo problema encontrado en servicios de vaporizacin. Sin embargo, esto noparece ser un problema muy severo en la mayora de los casos, y por lo tanto, aligual que en servicios de vaporizacin sin coquificacin, indicadores de flujo yvlvulas de globo en cada paso proveern adecuada distribucin del flujo. Se debeasegurar la buena operacin de los TR instalados a la salida.Vapor La distribucin adecuada del flujo en hornos con puro flujo de vapor norequiere vlvulas de control en los pasos individuales; en cambio se puede haceruna divisin natural mediante un apropiado diseo de los mltiples de entrada ysalida del horno.Los mltiples de entrada y salida deben ser dimensionados de tal forma que elcabezal dinmico en el mltiple, en el punto de mxima velocidad, no sea mayorque el 5% de la cada de presin de cada paso individual. Las siguientesecuaciones pueden ser usadas para determinar el dimetro interno del mltiple.2Ph + V2g

Ec. (2)


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donde:

PhVg

En unidadesSIm de fluidom/s9.81 m/s2

= Cabezal dinmico en el mltiple= Velocidad lineal del fluido= Aceleracin de la gravedad

En unidadesinglesaspie de fluidopie/s32.17 pie/s2

En otras unidades,

P h +

F 50 W2 D 4i

Ec. (2a)

donde:

PhWDiF50

=====

En unidadesSIkPakg/skg/m3mm8.1x10 8

Cabezal dinmico en el mltipleFlujo msicoDensidad del fluidoDimetro interno de mltipleFactor cuyo valor depende de lasunidades usadas

En unidadesinglesaspsilb/slb/pie 3pulg3.625

Si Pt es la cada de presin total a travs del serpentn, entonces paradimensionar el mltiple se usa:P h + 0.05 DP tD i + F 51

Ec. (3)

4

W2 DP t

Ec. (4)

donde:

DPtF51

= Cada de presin total a travs delserpentn= Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas

En unidadesSIkPa

En unidadesinglesaspsi

357

2.92

La tubera tpica de entrada y salida de un mltiple de un horno est ubicada enel centro o en una de las esquinas del mltiple, como se muestra a continuacin.Los mltiples de entrada y salida no necesitan ser simtricos. Si la entrada esten una esquina del mltiple se requiere uno mayor que si la entrada estuviera enel centro, ya que el flujo se hace el doble en el punto de mxima velocidad.


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Aunque no hay mucha diferencia del flujo entre los pasos, este procedimiento daruna distribucin satisfactoria para los requerimientos de procesos convencionales(por ejemplo, Powerf

Mdp 05-F-02 Consideraciones de Diseño

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