Calentador A Fuego Directo 5p4q1t

CALENTADOR A FUEGO DIRECTO. INTRODUCCIÓN. Dentro de este capítulo se hablara en general del funcionamiento de los calentadores, que para nuestra aplicación será un calentador del tipo a fuego directo, se describirán las partes principales que los conforman, su clasificación, algunas características de su construcción, su composición interna, así como también la necesidad de proteger a este tipo de equipos. Es de vital importancia para la gran mayoría de los procesos industriales el uso de una fuente de calor alterna, es por esto que en la industria de la refinación y la petroquímica frecuentemente se requiera suministrar calor a altas temperaturas a algunas corrientes de procesos para diversos fines, para ello son utilizados los equipos llamados calentadores. En los primeros tiempos el hombre tuvo necesidad de hacer uso de fuego directo en muchas ocasiones y con poco éxito, el mayor problema del fuego directo es la falta de control de la flama y la distribución del calor uniforme, un calentador a fuego directo se puede definir como un conjunto de dispositivos por medio de los cuales el calor liberado de la combustión que se realiza dentro de una cámara aislada, se transfiere a elevadas temperaturas a un fluido que se encuentra en el interior de un serpentín de tubos que comúnmente se coloca a lo largo de las paredes y techo de la cámara de combustión. Se denominan calentadores a los que solamente se usan para suministrar calor a la corriente de proceso, ya sea para calentarla o evaporar una parte o toda la carga sin que haya cambios químicos, por ejemplo: calentadores de carga al reactor, rehervidores de columnas de destilación, sobrecalentadores de vapor, calentadores a fuego directo, calentadores de gas, etc. Los calentadores a fuego directo de tipo convencional funcionan por medio de tiro natural, es decir, la elevación de los gases producto de la combustión contenidos en el calentador crean una presión menor a la atmosférica lo cual induce a que el aire penetre dentro de la cámara de combustión y se expulsen los gases producidos.

CLASIFICACIÓN DE LOS CALENTADORES A FUEGO DIRECTO POR EL ARREGLO DE LOR TUBOS DEL SERPENTÍN. Los calentadores a fuego directo, se pueden clasificar de acuerdo a su forma en horizontales y verticales esto debido a la orientación de los tubos del serpentín en la sección de radiación y los tipos son: A. B. C. D. E. F. G.

Cilíndrico vertical todo radiante. Ver figura A. Cilíndrico vertical de serpentín helicoidal. Ver figura B. Cilíndrico vertical con convección tipo cruzado. Ver figura C. Cilíndrico vertical con convección integral. Ver figura D. Tipo Árbol o Wicket. Ver figura E. De tubo vertical a doble fuego. Ver figura F. De cabina con tubos horizontales. Ver figura G.

H. I. J. K. L.

Con caja de doble celda y tubos horizontales. Ver figura H. De cabina con tubos horizontales y pared divisoria. Ver figura I. De caja con tubos horizontales y quemadores en las paredes. Ver figura J. Con sección de convección montada a un lado. Ver figura K. De tubo horizontal a doble fuego. Ver figura L.

Forma física de un calentador a fuego directo típico.

Figuras A, B y C.

Figuras D, E y F.

Figuras G, H e I.

Figuras J, K y L.

CATEGORÍA DE SERVICIO DE LOS CALENTADORES A FUEGO DIRECTO. La industria que requiere en sus procesos calentadores a fuego directo divide su aplicación en seis categorías de servicio general, las cuales son:  Rehervidores: En esta aplicación particular, la temperatura de salida de un rehervidor generalmente cae en el rango de los 204°C a 288°C (400°F a 550°F).  Calentador de carga a columnas fraccionadoras: Se refiere al servicio de un calentador de alimentación a una columna de destilación atmosférica, donde el aceite crudo entra al calentador como un líquido a 232°C (450°F) y sale cerca de los 371°C (700°F).  Calentador de carga a reactores: En este caso se trata del calentamiento de un componente individual, fase sencilla como el sobrecalentamiento de vapor en las secciones de reacción del proceso de elaboración de productos petroquímicos. En estos servicios, la temperatura de entrada del fluido típicamente es de 371°C (700°F) y su temperatura de salida de aproximadamente 815°C (1500°F).  Calor suministrado para medio de transferencia de calor: Muchas plantas suministran calor a s individuales, vía un medio de transferencia de calor intermedio. Para este servicio el empleo del calentador se utiliza para elevar la temperatura del medio recirculante, que es típicamente un aceite de calentamiento. Los fluidos que circulan a través del calentador en estos sistemas, casi siempre permanecen en fase líquida desde la entrada hasta la salida.  Calor suministrado a fluidos viscosos: Con frecuencia el aceite pesado debe ser bombeado desde un lugar a otro para su proceso. A bajas temperaturas el aceite puede tener una viscosidad demasiada alta para ceder al bombeo, por lo que es empleado un calentador para elevar la temperatura del aceite y así, facilitar su bombeo.  Calentadores a reactores: Calentadores reformadores de hidrocarburos (vapor), en los cuales los tubos de la cámara de la combustión funcionan individualmente como recipientes de reacción verticales llenos con catalizadores de níquel.

COMPONENTES DE LOS CALENTADORES A FUEGO DIRECTO. Las secciones y partes que integran un calentador a fuego directo son idénticas para ambos tipos, vertical y horizontal. A continuación se presenta una descripción de dichas secciones y partes.

Sección de convección. Es la sección de transferencia de calor directamente localizado debajo de la chimenea, utilizando el calor ascendente de los gases calientes de la combustión. En esta zona los tubos están en forma horizontal tanto para calentadores verticales como horizontales.

Sección de radiación. Es la mayor parte que utiliza el calor radiante de los quemadores. Aunque en algunos calentadores el calor de la flama de los quemadores se dirige hacia un muro cerámico el cual irradia calor a los tubos; normalmente los tubos reciben el calor directamente de los quemadores.

Material Refractario

Chimenea

Tubos Escudo

Sección de Convección

Tubos Radiantes ó Serpentín de Tubos

Sección de Radiación

Cámara de Combustión

Quemador

Compuerta

Piloto

Partes principales de un calentador a fuego directo.

Quemadores. Es la parte del calentador el cual quema el combustible gas o líquido, en ocasiones ambos, produciendo una flama de calor intenso. Los quemadores son normalmente instalados al piso de los calentadores. Sin embargo algunos calentadores horizontales pueden tener los quemadores montados lateralmente. El número y tamaño de quemadores son determinados por el proveedor de acuerdo al uso del calentador.

Chimenea. Es la parte cilíndrica usada para transportar los gases de combustión a la atmósfera, y al mismo tiempo produce un tiro a los quemadores. La altura de la chimenea es determinada por el tiro requerido y demandas ecológicas (el quemar gas es relativamente limpio, ya que el combustible líquido produce humos). Las chimeneas pueden ser montadas sobre la parte superior del calentador o pueden montarse al piso con ductos grandes para dirigir los gases de combustión hacia ellas. En áreas densamente pobladas, a menudo algunos calentadores tienen ductos que llegan a una chimenea común montada a piso la cual puede ser de 300 pies de altura o más. Con este diseño la chimenea es normalmente de concreto.

Puertas de . Son puertas que proporcionan la entrada al calentador para inspeccionar los tubos o hacer reparaciones. El a las puertas debe mantenerse limpio.

Mampara (Damper). Es un plato plano de acero localizado directamente arriba de la sección de convección, conectado a una flecha y una rueda de acero. Los cables de control están a nivel de piso para disponer la operación y regular el tiro del quemador por abertura o cierre de la mampara. Las mamparas pueden ser conectadas para trabajar automáticamente.

Conexión del manómetro de tiro. Normalmente son coples localizados justo debajo de la mampara y en la sección de radiación, cercano a los quemadores. Es un instrumento de presión diferencial, llamado manómetro de tiro, para esto es conectado a dos coples para medir el tiro del quemador. 1.4.8.- Transición de chimenea (Puente).

Es la sección fabricada bajo la chimenea, efectuándose la transición de la forma rectangular del calentador a la chimenea cilíndrica. Es además usado bajo la sección de convección para reducir el área de flujo entre dos partes rectangulares.

Estructura interna de un calentador a fuego directo.

Conexión de vapor de apagado. Normalmente es un cople de dos pulgadas localizada en ambas secciones. El vapor es usado para extinguir (por sofocamiento) las flamas. Si la ruptura de un tubo causa fuego, una válvula de detección es abierta para introducir el vapor dentro del calentador. En los calentadores grandes existen muchas conexiones de este tipo.

Anclaje de tubos.

Es el punto del tubo donde se encuentra sujeto o anclado, se aplica principalmente a los calentadores horizontales.

Anillos de soportes de tubos. El anillo que soporta los tubos en un calentador vertical. El montaje de estos anillos es en la parte superior. Sin embargo los tubos pueden ser soportados desde abajo. Frecuentemente los diseños de tuberías pueden tener los anillos de soporte de tubos localizados para adaptarse a la expansión de tubería, ayudando a aliviar los problemas de tensión o presión.

Caja de cabezales. Sección al final de los tubos en la parte de radiación los cuales pueden girar 180°. Las puertas son móviles para la inspección y no deben ser obstruidos por tuberías.

Guías de tubos. Situados directamente en los tubos para mantenerlos en el giro de estos (en forma ondulada) solo en los calentadores verticales. En los calentadores horizontales los soportes de los tubos también sirven como guías.

Puertas de observación. Son pequeñas puertas abiertas por operadores para ver el tamaño y color de flama y el brillo del tubo. Las válvulas de control de los quemadores deberán ser localizadas cercas de estas puertas para poder regular el flujo del combustible mientras se observa la flama del quemador dichas puertas pueden ser localizadas en la pared del calentador y no deben ser obstruidas por tubería. Son comúnmente llamadas mirillas del calentador. 1.4.15.- Uniones de paso (Crossovers). La tubería que conecta a los tubos de convección con los tubos de radiación, pueden estar localizados dentro o fuera de la caja del calentador. Las conexiones externas deben ser aisladas. Dicha tubería de unión es normalmente (no siempre) proporcionada por el proveedor del calentador, aunque raramente proporciona el aislamiento.

Puertas de explosión. Diseñadas para dar y aliviar la presión en caso de una explosión interna., estas puertas deben de estar libres de tubería.

Piso del quemador. Plato de acero del fondo de calentadores verticales y horizontales.

Piloto de gas. Es una flama pequeña y constante que inicia el quemado del combustible.

Esquema completo de un calentador a fuego directo.

NECESIDAD DE PROTEGER LOS CALENTADORES A FUEGO DIRECTO. Debido a que estos calentadores son los equipos que más riesgo presentan en la industria es necesario efectuar una adecuada protección. Es necesario proteger al personal, al mismo calentador y al medio ambiente. El proteger al personal significa evitar perdidas y accidentes humanos. En este caso se podría presentar este riesgo debido a que se manejan temperaturas superiores a los 400°C, es mas, se corre el riesgo de superar esta temperatura y así poner en riesgo la vida del personal de operación. Al mismo tiempo es necesario proteger al calentador debido a que si no se detectaran las altas temperaturas, se podrían dañar los tubos de dicho calentador y así tener un daño casi irreparable o muy costoso. También es necesario proteger al medio ambiente debido a que estos equipos son los que mas contaminación generan, además, se evita tener problemas con las auditorias ambientales que se efectúan cuidando que se tenga una combustión adecuada.