6.1 Descripción general
Se define un horno de proceso de hidrocarburos como un equipo construido con un cerramiento metálico revestido interiormente de una capa refractaria-aislante, dentro del cual se dispone un serpentín tubular por el que circula el producto a ser calentado y/o vaporizado e incluye una cantidad de elementos por medio de los cuales el calor que se libera del combustible pasa de la masa de gases
producidos al hidrocarburo que circula por el interior del serpentín, sin producir sobrecalentamientos indeseados en el producto o en los materiales del equipo.
La transferencia de calor se produce principalmente por radiación. En la mayoría de los casos aplicados a la industria se aprovecha el calor que la masa gaseosa tiene una vez que abandona el recinto de absorción por radiación mediante un banco de convección confinado en el mismo equipo. En esta sección de convección generalmente se inicia el calentamiento de la carga que se completa en la zona radiante. Se estima que aproximadamente el 70% de la energía es transferida al fluido en la sección radiante y el resto en la convección. Los tubos en la sección de convección frecuentemente tienen superficie extendida (aletas o pernos) para mejorar la eficiencia de la transferencia de calor por convección. Estas aletas son diseñadas para soportar elevadas temperaturas.
6.2 Hornos de proceso
Un horno es un equipo que transfiere calor a un producto que circula en el interior de tubos, para calentarlo o vaporizarlo total ó parcialmente, mediante el uso de quemadores
El procesamiento del petróleo crudo y sus productos requiere una fuente de calor :un horno. El horno produce la temperatura necesaria para promover un cambio químico (craqueo) o realizar la separación (destilación).
El horno es un equipo diseñado para quemar combustible de forma eficiente y transferir el calor de la combustión a los productos que están siendo calentados. Esta transferencia de calor puede ser llevada a cabo por conducción, convección o radiación.
El horno consiste en una caja con fuegos aislada, en la cual el combustible es quemado, y conductos que transportan los gases de la combustión hacia la chimenea. Los productos que están siendo calentados pasan varias veces por la caja en donde absorben el calor.
6.3 Componentes del horno
Plenum de aire: Recinto que entrega aire de combustión a los quemadores.
Registros de aire: Sistema que ajusta el flujo de aire caliente.
Chimenea: Sección del techo para evacuar gases.
Caja de humo: Recinto en el cuál el gas de combustión es colectado después del último serpentín de convección para transferir a la chimenea.
Mufla: Refractario de alta temperatura que rodea el quemador.
Damper: Aparato que obstruye la chimenea generando una resistencia variable, para regular el flujo de gas de combustión.
Pilotos: Pequeña llama encendida para encender el quemador primario.
Sopladores: Sistema para remover el hollín depositado sobre los tubos. convección para transferir a la chimenea
6.3.1 Partes del horno
Figura 15: Esquema de un horno industrial.
1. Puertas de acceso: Para ingresar durante los paros programados. 2. Arco: Parte superior de la zona radiante previo a la convección. 3. Caja de humos: Salida de la zona convectiva hacia la chimenea. 4. Pared central (bridgewall): Pared que divide el horno en secciones.
5. Quemadores: Dispositivos donde se produce la combustión. Aparato montados en la pared o en el piso que mezclan combustible con aire e inician el proceso de combustión.
6. Chapa envolvente (Carcaza): Protección externa de chapa del horno. 7. Zona convectiva: Lugar donde se aprovecha el calor de esta forma.
8. Corbel: Reborde saliente de la pared en la zona de convección que es utilizada para minimizar el bypass del gas de combustión en los extremos de una fila.
9. Crossover: Conexión externa al horno entre serpentines de la zona radiante y convectiva. Puede ser una conexión interna o externa. Y normalmente se refiere a las conexiones de la zona radiante.
10. Tubos: Elementos por donde circula el fluido de proceso.
11. Tubos aletados: Se utilizan para aprovechar el calor por conducción. 12. Codos/cabezales: Dispositivos para unir los tubos de un serpentín. 13. Caja de cabezales: Lugar donde se alojan los anteriores.
14. Zona radiante: Lugar donde se aprovecha el calor por radiación. Lugar que provee lugar para un completo quemado del combustible.
15. Tubos de choque: Primeras dos filas de la zona de convección (en la dirección del flujo del gas de combustión) que son expuestos a calor por radiación así como al calor de convección.
16. Mirillas: Puertas para observación periódica del interior.
17. Soportes de tubos: estructura que soportan los tubos para mantenerlos en su lugar.
18. Pared refractaria: Material para reflejar la radiación y calentar los tubos más que con las llamas. Las capas de refractarios limitan la pérdida de calor y protege las estructuras y operadores de las altas temperaturas. El refractario se usa también en la sección de convección, conductos, chimenea y caja de humos.
19. Haz convectivo: Paquete de tubos que aprovecha el calor por convección de los gases calientes. Suelen utilizarse tubos aletados para maximizar la transferencia de calor
20. Bases: Para sostener el horno.
21. Chimenea: Dispositivo para evacuar los gases de combustión a una altura segura. 22. Plataformas: Accesos a los distintos lugares del horno.
6.4 Transferencia de calor
Entendemos como transferencia de calor, en física, al proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción.
6.4.1 Zonas de transferencia de calor de un horno
Figura 17: Zonas de transferencia de calor de un horno.
6.5 Tipos de hornos
6.5.1 Transferencia de calor en los hornos de proceso
La transferencia de calor al producto que circula por los tubos de un horno de proceso, se hace de 3 maneras: radiación, convección y conducción. Atendiendo a cuál de los mecanismos sea preponderante, se puede dividir al horno en 2 secciones o zonas:
Zona radiante: es el área del horno donde el calor es transmitido fundamentalmente por radiación, debido a la luminosidad de las llamas y a la radiación de los productos calientes de la combustión. Sólo una pequeña parte del calor es transmitida por el movimiento de los gases (calor por convección)
Zona de convección: La corriente de gases producidos por la combustión asciende a través del horno, cediendo su calor al producto, primero en la zona radiante y luego en la zona convectiva. La cantidad de calor transferida en esta última, depende de la velocidad de los gases y de la superficie disponible para absorber calor. Sólo una pequeña parte del calor es transmitido por radiación, y se limita a las 2 filas inferiores de convección, las que “miran las llamas”. Estas son llamadas filas de choque.
En algunos hornos, en la zona convectiva, también se aprovecha el calor por conducción, agregando tubos con superficie extendida, esto es, pueden ser tubos aletados o con pernos. Generalmente estan ubicados desde la mitad hacia arriba en el haz convectivo. Estas aletas o pernos, absorben el calor de los gases de combustión y lo conducen al proceso.
6.5.2 Tiraje
Los términos tiraje, depresión, vacío ó presión negativa, son usados de manera equivalente para expresar que una presión es menor que la presión atmosférica.
En un horno el tiraje se produce como consecuencia de que los gases calientes dentro de él son más livianos que el aire frío ambiente. Esto resulta en una presión negativa (tiraje) dentro del calentador, produciendo el ingreso del aire de combustión.
Todos los hornos están diseñados para tener presión levemente negativa en todo su interior. El mayor tiraje se tiene en el piso, en tanto que el menor tiraje se tiene en el techo de la zona radiante, a la entrada a la zona de convección.
Según el tipo de tiraje los calentadores pueden clasificarse:
tiro natural: la chimenea tiene suficiente altura como para generar por si misma el tiraje necesario para evacuar los gases e ingresar el aire.
tiro inducido: cuando la altura de chimenea es insuficiente para producir el tiro natural, la evacuación de los gases debe ser realizada provocada por un ventilador de tiro inducido. El tiraje generado permite la entrada del aire necesario para la combustión.
tiro forzado: el aire es suministrado por un ventilador de forzado. La chimenea debe generar el tiraje necesario para evacuar los gases.
tiro balanceado: cuando se usan conjuntamente un ventilador de tiro inducido y un ventilador de tiro forzado, es un sistema de tiro balanceado.
Los hornos con sistemas de precalentamiento de aire son de tiro balanceado. Las calderas que trabajan con hogar presurizado, no requieren un ventilador de tiro inducido.
Figura 18: Diferentes tipos de hornos.
6.6 Caudal y temperatura de salida de producto por paso
Los caudales en hornos de paso múltiple deben estar lo más balanceados posible para no favorecer la formación de coque en un paso más que en otro, sobre todo si es un producto que genera fouling en el interior de los tubos (coke).
Las ventajas de balancear caudales y temperaturas son:
Reduce la probabilidad de coquización en el interior de los tubos.
Disminuye el consumo de combustible.
Temperaturas de hogar más parejas.
Minimiza el riesgo de caer por debajo del caudal mínimo en algunos pasos, cuando se reduce la carga total al horno.
Los caudales y temperaturas en cada paso deben estar balanceados para mantener la temperatura de salida con diferencias no mayores a 5 °C entre pasos.
Si se reduce demasiado el caudal a un paso con el fin de alcanzar la misma temperatura de salida que la de otros pasos, la velocidad de coquizacion en ese paso aumenta, por lo tanto es preferible mantener el caudal en ese paso un poco más alto
6.6.1 Efecto del bajo caudal
Cuando se disminuye excesivamente el caudal por debajo del mínimo especificado, el flujo no cubre totalmente las paredes del tubo, encontrándose zonas menos refrigeradas que otras.
En un tubo horizontal, la circulación dentro del tubo se produce como una especie de “oleaje“, con formación de espuma. Esta humedece la zona superior que se encuentra más caliente, formándose un coke blando, de menor dureza que el producido en el resto del tubo. Ejemplos de esto pueden encontarse en cualquier horno de tubos horizontales y más especiamente en aquellos con tubos en el piso. En estos casos, la falla se produce generalmente en la zona de mayor espesor de carbón.
En el caso de tubos verticales, la diferencia no es tan marcada ya que el producto escurre sobre las paredes en forma más pareja. Aún así, la falta de refrigeración suficiente, acelera la formación de carbón.
Otro parámetro importante es medir la presión a la entrada al horno y a la salida del mismo, una elevada diferencia de presión, daría indicios de la presencia de carbón dentro de los tubos.