2013
FUNCIONAMIENTO DE UN HORNO DE PIROLISIS E INTERCAMBIADORES DE CALOR El objetivo de este trabajo es
MARIA DEL ROSARIO AYALA ANESTOS - JUAN CARLOS TEMICH ESCRIBANO COMPLEJO PETROQUIMICO PAJARITOS 30/08/2013
Tabla de contenido INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ ....................................................................................................................... 3 CONCEPTOS ........................................................... .............................................................................................................................. ................................................................... 5 ............................... 7 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE ETILENO ................................
DIAGRAMA DE FLUJO DE LA PLANTA DE ETILENO ........................................................... 8 ........................................................................................................... 10 HORNOS DE PIRÓLISIS ............................................................................................................
DIAGRAMA DE HORNO DE PIROLISIS ................................................................................ 10 CONDICIONES DE DISEÑO DEL PROCESO DE PIRÓLISIS ...Error! Bookmark not defined. .................................................................................................... 11 TIEMPO DE RESIDENCIA ..................................................................................................... ..................................................................... ......... 11 TEMPERATUARA TEMPERATUARA DE SALIDA DE HORNOS ............................................................
ACCESORIOS DE LOS HORNOS DE PIRÓLISIS .................................................................. 12 SECCIONES CON LAS QUE CONSTA UN HORNO ........................................................... .......................................................... 18 SECCIÓN DE CONVECCIÓN ........................................................................................... 18 SECCIÓN DE RADIACIÓN ................................................................................................. ................................................................................................ 18 SECCIÓN DE GENERACIÓN DE VAPOR............................................................... ........................................................................ ......... 18 ........................................................................................................... 19 HORNOS DE PIROLISIS ............................................................................................................
DETERMINACÓN DE LA EFICIENCIA ENERGETICA DE UN HORNO DE PIRÓLISIS. ... 23 TRANSFERENCIA DE CALOR Y COMBUSTIÓN .............................................................. 23 ..................................................................................... .................... 25 DISEÑO DE HORNOS Y EQUIPOS.................................................................
MONITORIO DE COMPORTAMIENTO DE LOS FACTORES QUE AFECTAN LA EFICIENCIA ENERGÉTICA .................................................................................................. 26 CONTROL DEL EXCESO DE OXIGENO ....................................................................... 26 EL TIRO .............................................................. ............................................................................................................................... ................................................................. 26 TEMPERATURA TEMPERATURA DE LOS GASES EN LAS CHIMENEAS ................................................ ............................................... 27 PATRONES DE FLAMA .................................................................................................... 27 OBSERVACIONES DE MEJORA ............................................................................................ 28 ............................................................................................................ ...... 29 RECOMENDACIONES ......................................................................................................
INTRODUCCIÓN El complejo petroquímico petroquímic o pajaritos se encuentra ubicado en la carretera Coatzacoalcos-Villahermosa, km 7.5, Coatzacoalcos, Ver., cuenta con un área territorial de 99 hectáreas, propiedad de Petróleos Mexicanos. Iniciaron con las labores en las instalaciones del complejo el 18 de marzo de 1967. Este complejo cuenta con varias plantas de proceso químico entre las cuales están:
ETILENO II (capacidad de diseño de 185, 000 TON/ANUALES) CLORADOS III que produce:
- CLORURO DE VINILO: 405 ,000 TON/ANUALES. - ACIDO CLORHIDRICO: 238 000 TON/ANUALES. - ACIDO MURIATICO: 122,000 TON/ANUALES. - DICLOROETANO 786,000 TON/ANUALES.
PLANTA DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES
CRIOGENICA DE GAS (PGPB)
PLANTAS CANCELADAS:
ETILENO I, CLORADOS I, CLORADOS II, ACETALDEHIDO, OXIDO DE ETILENO, MTBINFRAESTRUCTURA MTBINFRAESTRUCTURA El complejo también cuenta con 2 laboratorios para análisis de las diferentes plantas:
Laboratorios Laboratorios Químicos Laboratorios de instrumentos
El complejo petroquímico pajaritos cuenta con un Departamento de inspección y Seguridad. Cuenta con tres edificios de oficinas y administrativas, administrati vas, también cuenta con diferentes talleres de mantenimiento mantenimien to naves, mecánicos y máquinas de herramientas, herramientas , taller de instrumentos de medición y control así como el taller de transporte patio y maniobras. y dentro de este complejo se manejan diferentes tipos de servicios auxiliares de gran importancia para el complejo. Tiene amplias área de servicios entre las cuales están: área de almacenamiento de productos, área de seguridad y contraincendios, área de movimiento de productos, áreas de servicio médico entre otras.
El complejo petroquímico pajaritos cuenta con la planta de etileno II, como se había hecho mención anteriormente, esta planta será nuestra ubicación dentro de este trabajo, en el proceso de la obtención de etileno, basándonos principalmente en los hornos de pirolisis donde se lleva a cabo la desintegración térmica del etano a etileno. Los hornos de pirolisis son utilizados en refinerías, plantas petroquímicas e industrias de fertilizantes. Principalmente, estos consisten de un serpentín expuesto a altas temperaturas, por donde circula una mezcla gaseosa. En estos hornos de pirolisis, el etileno (C 2H4) se genera por el craqueo (combustión a alta temperatura) del etano (C 2H6) cuya descomposición, puede representarse mediante la siguiente fórmula de reacción: C2H6 → C2H4 + H2
CONCEPTOS Convección: La convección es el modo de transferencia de energía
entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacente que está en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos. Entre más rápido es el movimiento de un fl uido, mayor es la transferencia de calor por convección.
Radiación: La radiación es la energía emitida por la materia en forma
de ondas electromagnéticas como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. A diferencia de la conducción y convección, la transferencia de calor por radiación no requiere la presencia de un medio interventor. De hecho, la transferencia de calor por radiación es la más rápida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuación en un vacío.
Vapor de dilución: Sirve para compensar la presión parcial de los
multicomponentes de la mezcla y asegurar la eficiente conversión y baja generación de impurezas en el producto de la pirolisis.
Temperatura: Es el nombre que se le da a la forma de medir la cantidad
de calor que desprende un cuerpo pudiéndose medir en grados Centígrados (° C), Fahrenheit (°F), Ranking (°R) y Kelvin (K) para temperaturas absolutas. Esta variable influye en las reacciones del proceso,, afectando la estabilidad de los hidrocarburos y descomponiéndolos en hidrógeno, metano, olefinas y aromáticos. Con la temperatura del proceso de pirolisis se determinan las condiciones límites de diseño que debe tener el material del horno.
Calor: es la capacidad de un cuerpo para absorber o desprender
energía, pudiéndose medir en kilocalorías, BTU, etc.
Craqueo: es la descomposición o rompimiento de una molécula por
efecto del calor y la temperatura, generando nuevos compuestos.
Coquificación: Es la formación de carbón en exceso generado por el
sometimiento de un hidrocarburo a muy altas temperaturas y altos tiempos de residencia.
Nivel de conservación: Es el sometimiento de un hidrocarburo a
temperaturas adecuadas para poder transformar el componente principal de carga en el producto deseado.
Transferencia de calor: Al poner en contacto un cuerpo caliente con
otro que esta frio, el calor pasa del que está caliente al que esta frio hasta que los cuerpos tengan la misma temperatura, es decir un cuerpo cede una cantidad de calor que absorbe el otro.
Descarbonizado: Procedimiento mediante el cual se le elimina el carbón
a los tubos de un horno después de una corrida normal, la eliminación se puede efectuar de dos formas, descarbonización de las dos formas es oxidando el carbón convirtiéndolo en CO y CO 2.
Presión: La presión favorece las reacciones de polimerización, por ello se
adiciona vapor de dilución para que las presiones parciales de los hidrocarburos sean bajas y la velocidad de reacción sea casi independiente de la presión y disminuya el tiempo de residencia.
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PARA LA OBTENCIÓN DE ETILENO ETILENO El etileno es uno de los principales bloques constructivos de la industria petroquímica. Entre algunas de sus aplicaciones se puede mencionar su uso como materia prima para obtener polietileno de baja densidad, dicloroetano, cloruro de vinilo, acetaldehído, óxido de etileno, etilbenceno, entre otros. El etileno se obtiene al mezclar etano con vapor de agua y ser calentado en hornos de pirolisis hasta una temperatura de 860°C., lo cual de deshidrogena, hasta obtener así el etileno. El etileno así obtenido es inmediatamente enfriado para detener las numerosas reacciones que acompañan la deshidrogenación. Posteriormente el producto de pirolisis es comprimido y enviado a una serie de equipos para obtener etileno de alta pureza mediante varias etapas de purificación y destilación. El etano no convertido es enviado otra vez a los hornos para que inicie nuevamente el proceso El Etileno, Complejo Petroquímico Pajaritos lo produce en su planta con un alto contenido de pureza (98%).
DIAGRAMA DE FLUJO DE LA PLANTA DE ETILENO FLUJO DE CARGA
La carga que llega a la planta de etileno II proviene de criogénica, pasa por un separador de líquidos y se mezcla con una corriente que se vaporiza previamente proveniente de FA-404 , contra el gas de carga y propileno refrigerante de la descarga de la compresora y este entra a control de presión donde se hace la precalentación de carga a hornos donde intercambia calor con una corriente de agua de apagado proveniente de la GA-101 S/T, sale a 70°C y 7.6 Kg/cm 2 para llegar a la zona donde se alimenta. Antes de entrar a los hornos se mezcla con una corriente de vapor d 19.0 Kg/cm2 y se disminuye a 4.0 Kg/cm 2. Vapor de dilución: sirve para compensar la presión parcial de los multicomponentes de la mezcla y asegurar la eficiente conversión y baja generación de impurezas en el producto de la pirolisis. La carga llega a la zona de convección y la carga alcanza 650°C absorbiendo calor, de allí pasa a la zona de radiación y es donde se lleva a cabo la desintegración térmica del etano a etileno lo que se conoce como craqueo a 850°C saliendo de los serpentines hacia unos tambores llamados cámara de apagado, donde la carga es enfriada a contacto directo contra vapor y condensado en forma esperada para alcanzar 620°C.
NOTA: 620°C es la temperatura ideal para minimizar la formación de impurezas indeseables. Posteriormente la carga e enviada un cambiador de transferencia donde se enfría hasta 315°C intercambiando calor contra agua utilizado para generación de vapor de 45 Kg/cm 2 que proviene de los domos generadores las corrientes de los diferentes calentadores se mezclan en una sola para continuar su enfriamiento hasta 43°C en la DA-101.
DESINTEGRACION TERMICA RESIDUAL Produce la polimerización y reacciones de coque y alquitrán indeseable, esta desintegración causa la perdida de etileno y subproductos importantes para esto se deberá tener una cámara de apagado carca de la salida del horno inmediatamente para minimizar la desintegración térmica residual no para enfriar las cargas que salen del horno inmediatamente para minimizar la desintegración térmica residual. Oxígeno
Causa corrosión excesiva y para evitarlo se inyecta: Conquor: Eliminación de oxigeno Existen otros reactivos químicos tales como: 1. 2. 3.
Solución fosfato di-sódico: Sirve para flocular los sólidos en suspensión los cuales son eliminados por medio de purga Nalco: Elimina la corrosión Merox : Sirve para inhibir el efecto catalítico de los tubos
Agua
El agua debe ser analizada periódicamente para la determinación de oxígeno disuelto y solidos totales, y con este último análisis se determinara la frecuencia con que se deberá purgar los domos de vapor.
HORNOS DE PIROISIS Los Hornos de Pirolisis son realmente reactores que convierten la carga (etano) en un producto de composición completamente diferente, que tienen como función llevar a cabo la reacción de desintegración térmica del etano, para obtener Etileno y demás productos. Los hornos se han diseñados de tal forma que pueden ser aislados por medio de la inserción de placas de sello en las chimeneas o tiros, de esta manera puede llevarse a cabo el mantenimiento interno de uno del par de hornos, mientras el otro permanece en operación. Las principales variables de operación en la desintegración térmica son: el tiempo de residencia y la temperatura de la salida del horno.
DIAGRAMA DE HORNO DE PIROLISIS
CONDICIONES DE DISEÑO DEL PROCESO DE PIROLISIS
Las variables de operación fundamentales en la operación de pirolisis son:
TIEMPO DE RESIDENCIA El Tiempo de Residencia es el tiempo en el cual se debe alcanzar la temperatura de rompimiento del hidrocarburo. Cuando el tiempo de residencia es muy alto, ocurren reacciones de condensación y se forman moléculas estables como aromáticos y productos líquidos como la gasolina de pirolisis. Los factores que afectan el tiempo de residencia son: 1. Gastos de alimentación. 2. Vapor de dilución. 3. Presión En general, tiempos de residencia largos, aumenta la producción de coque y alquitranes. Los estudios sobre las reacciones de pirolisis y de formación de coque muestran lo deseable que es mantener tiempos de residencia cortos para rendimientos adecuados tanto de etileno como de subproductos. Los hornos están diseñados para un tiempo de residencia de 0.6 segundos. Una mayor alimentación de etano y/o vapor de dilución que las de diseño disminuyen el tiempo de residencia, mientras que una presión de operación mayor a la de diseño aumenta el tiempo de residencia.
TEMPERATUARA DE SALIDA DE HORNOS La temperatura de salida es el punto de control para la regulación del fuego a los hornos de pirolisis.
Temperatura altas : aumenta la conversión de la carga o desaparición de la misma Conversión mayor: mayor producción de compuestos aromáticos y acetilénicos.
Más específicamente, un aumento en la temperatura de salida de los hornos, resulta en una mayor producción de etileno, pero en un menor rendimiento total por libra de etano alimentada. La producción de hidrógeno, metano, así como compuestos acetilénicos y aromáticos aumentan en proporción directa con la temperatura. La temperatura de salida es el punto de control para regulación del fuego a los hornos de pirolisis. Otra consideración importante para una operación eficiente de los hornos es el patrón de flama o fuego en la sección de radiación del horno. El tiempo de residencia depende de la temperatura en la sección de enlace comprendida entre la salida de la sección de convección y la entrada a la sección de radiación, así como del régimen de alimentación de calor para un flujo de material y una temperatura de salida dados. De aquí el patrón de flama o fuego se debe ajustar para que una alimentación específica nos dé un rendimiento óptimo. En la corriente de alimentación a los hornos de pirolisis se inyecta Azufre en forma de H2S con el fin de inhibir el efecto catalítico del níquel contenido en los tubos de los serpentines y así limitar la producción de monóxido de carbono y evitar en consecuencia la disminución del rendimiento de etileno.
ACCESORIOS DE LOS HORNOS DE PIRÓLISIS 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Quemadores. Chimeneas Refractarios Mampara Mirillas de inspección Internos de un calentador
Quemadores
Son dispositivos en los cuales se mezclan combustible y oxígeno para llevar a cabo la reacción de combustión, proporcionando la energía necesaria que será absorbida por el fluido de proceso, suelen estar colocados en la sección de radiación. Chimeneas
Esta sección colecta y disipa los gases de combustión además suministra el tiro suficiente para extraer los gases de combustión.
Refractario
Es parte de la estructura interna del calentador, conforma la pared o bóveda del equipo, comúnmente son ladrillos hechos de un material especial que refleja el calor no permitiendo que se disipe hacia la atmósfera. Mampara
Es un dispositivo que se encuentra comúnmente en la base de la chimenea, permite la salida de los gases de combustión según sea su posición, su forma es según sea la forma de la chimenea. Mirillas de inspección
Son compuertas pequeñas que se encuentran a lo largo del calentador, principalmente en la sección de radiación, y permiten observar las partes internas del calentador cuando se encuentra en operación.
Internos de un calentador
Los internos de un calentador a fuego directo son tubería y soportes para tubería. La tubería es el medio de transferencia de calor entre los gases de combustión y el fluido a calentar.
SECCION DE CONVECCION DEL CALENTADOR
Protección durante condiciones de emergencia. El problema de la disipación segura de la existencia de calor almacenado de un calentador de residencia de corto tiempo es importante porque hay una gran masa de refractario operando a niveles de alta temperatura. Son necesarias precauciones especiales porque los calentadores de tiempo corto de residencia normalmente usan un quemador que se opera con aire primario únicamente usando
Aspiración de aire con el gas combustible en operación normal. Este tipo de quemador no pasa un flujo grande de aire de enfriamiento al hogar cuando se cierra el combustible. Después de una parada de emergencia, la existencia térmica de un hogar de tiempo corto de residencia tenderá a sobrecalentarse en la sección de convección al disiparse gradualmente por la chimenea. Sin embargo, la sección de convección de un calentador de tiempo corto de residencia será segura si, en una situación de parada de emergencia, se mantiene un flujo de vapor a través del serpentín precalentador de agua para calderas. Si estos flujos se mantienen a niveles razonables la existencia térmica en el hogar se disipara con seguridad a través de los flujos de vapor y agua, que entonces sirven como medio de enfriamiento del horno. Dependiendo de la emergencia específica, procedimientos pueden ser recomendables:
los
siguientes
1. Cierre inmediatamente el combustible del encendido si se ha parado el flujo de carga. 2. Abra completamente las compuertas para aumentar el flujo de aire. 3. Retire la carga lentamente si se tiene disponible vapor de dilución, ya que la carga ayudara a absorber la existencia de calor. Trate de mantener la temperatura de salida del calentador. 4. Si se tiene que cerrar la carga de hidrocarburo antes de que la temperatura de salida del serpentín baje de 760º C (1400º F), incremente el flujo de vapor de dilución a la relación máxima posible. 5. Descargue el tambor de vapor a la atmósfera para quitar la presión en el serpentín de precalentamiento de agua para calderas. (Esto tendrá muy poco efecto sobre la capacidad total de calor del agua de calderas disponible). Siempre deberá haber bastante agua para calderas disponible para que dure por lo menos los primeros diez minutos, que es el periodo más crítico. 6. Cuando la temperatura del tornallamas del calentador (en el cruzamiento entre las secciones de convección y radiante del calentador) baja de 800° F se pueden suspender los flujos de vapor y de agua para calderas, si hay poca existencia. 7. admita aire a través de las puertas de observación según se requiera para enfriar el calentador con una relación no mayor de 55°C (100°F) por hora. Se deberán preparar procedimientos de emergencia detallados para cada planta.
INSTRUMENTACIÓN La instrumentación es un factor clave en la operación estable del horno. El mal funcionamiento de un solo instrumento podría causar la parada de un calentador. Los errores, particularmente en los registros de flujo o temperatura podrían dar por resultado condiciones diferentes de desintegración en cada serpentín y por lo tanto una descarbonización desigual que conduce a una parada prematura del calentador. Antes de arrancar, todos los instrumentos deberán verificarse para que actúen correctamente, conexiones correctas y leyendas correctas. Se deben verificar los diámetros de los orificios. Durante cada arranque después de que se obtienen los flujos normales, se deberán volver a poner a verificándolos los medidores de flujo de carga y de vapor de dilución. Antes del arranque inicial y durante cada periodo de parada de parada de un calentador se deberá ejecutar el mantenimiento de la instrumentación del calentador, incluyendo la recalibración de transmisores, revisando el contacto correcto con la pared de los termocoples que tienen alambres, etc. Solo “verificar a cero” Un
instrumento no es suficiente para mantener una norma alta de confiabilidad en el calentador, deberá implementarse un programa de verificación de instrumentos, preventivo. Durante una corrida normal del calentador, si el funcionamiento de los CRF’s de hidrocarburo o de
vapor o los medidores sin titubear. Los analizadores deben verificarse periódicamente con personal calificado para asegurarse de que están en buenas condiciones de trabajo. También se deben verificar los sistemas de muestreo, ya que son vitales para la operación de los analizadores. Revise la localización y los números de identificación de todos los termocoples, manómetros y medidores de tiro. Asegúrese de que estén de acuerdo con los diagramas del cuarto de control. Tenga la seguridad de que todos los pozos para termómetro están bien instalados y de acuerdo con el conjunto de dibujos de pozos para termómetros suministradores por HTD. Lo que es más, los pozos para termómetros deberán estar protegidos contra el calor radiante de
acuerdo con los dibujos de colocación de HTD. El espacio libre entre el pozo para termómetros y el hogar o arco o pared se provee para permitir el enfriamiento con aire del pozo que se extiende dentro del hogar. Estos espacios libres no deberán llenarse con lana aislante. Asegúrese de que todos los instrumentos de flujo para los distintos serpentines del calentador estén marcados con el número correcto de serpentín.
MANTENIMIENTO DE QUEMADORES Para mantener la capacidad de encendido total de los calentadores lista para cualquier cambio de operación de los quemadores necesario, es esencial que los quemadores se conserven en condiciones de limpieza. Se deberá dar alta prioridad a su mantenimiento y se recomienda que se establezca un programa de limpieza de quemadores. Si ocurren frecuentemente retrocesos de llama arriba de la presión mínima especificada, puede suponerse que estén tapados la punta del quemador o el orificio. Si el taponamiento ocurre en el Venturi o en la punta y se debe a coque o formación de polímeros en estas partes, algunas veces se puede remover fácilmente sin quitar el quemador.
QUEMADORES Y ACCESORIOS Revise cada quemador para ver que no haya obstrucción al flujo de combustible. Inspecciones las puntas del quemador visualmente para asegurarse de que los agujeros de combustible no estén tapado con materia extraña y límpielos si es necesario. Revise las líneas de combustible y las líneas de aire, si es pertinente, que no haya fugas, especialmente alrededor de las mangas flexibles. Revise tanto los controles de aire primario como secundario para que se muevan libremente. Revise las tuberías de los quemadores con el dibujo de tuberías de quemador HTD para asegurarse de que los manómetros, interruptores de presión, válvulas y otros accesorios estén correctamente localizados y conectados. Asegúrese de que las válvulas y otros instrumentos estén instalados de acuerdo con el flujo. Los manómetros deberán localizarse
corriente debajo de las válvulas de control de flujo o los reguladores de presión. Revise la rotación de la rueda de los ventiladores de aire cuando sea pertinente. Puertas de observación y acceso
Revise todas las puertas de observación y acceso y vea que se puedan abrir fácilmente y se cierren ajustándose. Todas las aberturas de acceso deberán estar cerradas con ladrillos refractarios aislantes colocados secos.
Plataformas y escaleras
Revise la accesibilidad de todos los instrumentos, válvulas quemadores, compuertas de chimeneas, accesorios de templado y permutadores de línea de transferencia. Tubos de la sección de convección
Revise las superficies exteriores de los tubos de la sección de convección y asegúrese de que se han removido la mezcla, astillas de ladrillo refractario y pedazos de metal. Revise los espárragos y/o aletas y avise a HTD de cualquier daño que se haya hecho durante la instalación. Chimeneas y compuestos de tiro
Inspeccione el interior de las chimeneas para que no se hayan dejado algunos materiales de construcción, tales como andomiajes, tablones, exceso de material de aislamiento, etc. Revise el interior del revestimiento para ver si hay señales de aislamiento suelto o regado que se pueda caer y obstruir las compuertas de tiro. Verifique el espacio libre de expansión entre la placa de la compuerta y el aislamiento. El espacio libre aceptable generalmente es de una pulgada todo alrededor de la placa de la compuerta. Revise el alineamiento de la flecha de la compuerta y opere manualmente la compuerta para ver si hay restricciones de movimiento
Verifique el indicador de la posición de la compuerta contra la posición real de la compuerta.
SECCIONES CON LAS QUE CONSTA UN HORNO SECCIÓN DE CONVECCIÓN En esta sección el calor restante de los gases de combustión es recuperado a un nivel de temperatura más bajo. Aquí los tubos están arreglados para generar turbulencias en los gases de combustión y obtener una buena transferencia por convección.
SECCIÓN DE RADIACIÓN Esta sección contiene tubos que remueven gran porción del calor contenido en los gases de combustión antes de pasar a la zona de convección. Por los niveles de temperatura que existen en esta cámara, mucho del calor es transferido por radiación.
SECCIÓN DE GENERACIÓN DE VAPOR
HORNOS DE PIROLISIS DISEÑO Aunque cuatro de los hornos estén agrupados en pares, cada uno puede ser decoquizado individualmente o parado para mantenimiento, ya sea externo o interno. Los hornos se han diseñado de tal forma que pueden ser aislados por medio de la inserción de placas de sello en las chimeneas o tiros, de esta manera puede llevarse a cabo el mantenimiento interno de uno del par de hornos mientras el otro permanece en operación. En la sección de convección, cada horno tiene serpentines separados para precalentamiento de agua tratada y para sobrecalentamiento de vapor.
CONVERSIÓN EN HORNOS DE PIRÓLISIS La unidad está diseñada para una conversión de etano de hasta 60%.
DECOQUIZADO El decoquizado se lleva a cabo simultáneamente en los cuatro serpentines de un horno. El procedimiento normal de decoquizado se lleva a cabo, primero por el uso de vapor de agua el cual tendrá una temperatura de salida de 1800°F (982.22°C)(teniendo cuidado de no exceder una temperatura de 1830°F(1000°C) en la pared de los tubos). Después se procederá el decoquizado de una mezcla de aire y vapor de agua tanto como sea necesario. (La temperatura de salida no deberá exceder de 1300°F (70.4°C). El decoquizado con vapor consumirá aproximadamente 16400 lbs/hr (7.44 tons/hr) de vapor de presión media (275 psig y 520°F) por horno.
CONTROL DE CONVERSIÓN Los controles de operación directos instalados en los calentadores SRT consisten de controles de flujo de carga y temperatura de salida. La temperatura de salida es la variable directa más importante para obtener la operación deseada. Sin embargo, el control fundamental del calentador es el nivel n de conversión. Por lo tanto, es importante periódicamente controlar la composición del efluente del calentador para determinar que el nivel de conversión se mantiene continuamente. El efluente del calentador de por lo menos un calentador se debe analizar cada día. El análisis del efluente del calentador también deberá hacerse cada vez que haya un cambio en la composición del material de carga del calentador.
ARRANQUE Y OPERACIÓN INICIAL Durante el primer arranque de la planta, los calentadores se deberán operar con baja conversión. Lista dará una operación estable de los calentadores y permitirá una atención cuidadosa para estabilizar y alinear la sección de recuperación de la planta. Se puede lograr ajustando la temperatura de salida del calentador 15° a 20°C debajo de la temperatura especificada para el nivel de conversión.
VAPOR DE DILUCIÓN El vapor de dilución se inyecta con la carga de hidrocarburos al calentador para controlar la presión parcial de los hidrocarburos reactivos.
Entre más baja sea la presión parcial de los hidrocarburos, más altos será el rendimiento de los componentes del producto deseable, y más lenta será la acumulación de coque en el calentador y en el pormutador de la línea de transferencia corriente abajo. La experiencia ha demostrado que la cantidad óptima de vapor de dilución depende de las propiedades del material de carga del calentador. La cantidad de carga está tabulada abajo como relaciones en peso de carga.
Tipo de material de carga Etano Propano Butano Nafta
Relación en peso de material de carga 0.3 0.3 0.4 0.5
Las mayores cantidades de vapor pueden dar por resultado una operación ligeramente mejor. Sin embargo, cuando se está operando en condiciones normales la mejoría es demasiada pequeña para justificar el costo del vapor adicional. También puede resultar una caída de presión aumentada.
LIMITACIONES DE TEMPERATURA En condiciones normales de operación la temperatura de proceso en la salida de la sección de convección no deberá exceder de 675°C (1250°F). Durante la descarbonización la temperatura máxima puede incrementarse a 730°C (1350°F). Estas temperaturas están basadas sobre no exceder una temperatura máxima del metal del tubo para la salida de la sección de convección de 815°C (1500°F) durante las condiciones de operación, y 870°C (1600°F) durante la descarbonización. La temperatura del metal exterior del tubo del serpentín radiante no deberá subirse arriba de 1040°C (1900°F). Si se llegara a alcanzar esta temperatura se deben dar pasos inmediatamente para reducirla.
PATRONES DE ENCENDIDO Se deben establecer patrones de encendido para reducir al mínimo el gradiente de temperatura entre la parte superior e inferior de cada pared de tubo así como entre la entrada y la salida del serpentín. Las temperaturas más uniformes llevan a temperaturas máximas más bajas, acumulación de coque más lenta y una mejor distribución del rendimiento. La diferencia entre la temperatura de arriba y debajo de un tubo no deberá exceder de 30°C (50°F). La temperatura del cruzamiento (salida de la sección de convección) deberá mantenerse tan cerca de la temperatura de cruzamiento de diseño como sea posible y cualesquiera que sea el nivel de conversión, puede que sea necesario variar el patrón de encendido del calentador para mantener la temperatura del cruzamiento en el valor deseado. El control de encendido puede obtenerse por el ajuste de las válvulas en los cabezales del gas combustible, para cambiar la relación del combustible a los quemadores en la zona de entrada y la zona de salida del serpentín radiante. Para evitar que se doblen los serpentines debido a calentamiento diferencial, se deberá mantener un encendido simétrico con la misma entrada de calor aproximadamente en cada del serpentín.
DESCOQUIFICACIÓN Los serpentines del calentador requieren descoquificarse cuando ocurra una de las siguientes condiciones: 1. Siempre que un calentador se pare por emergencias tales como falla de corriente, talla de vapor de dilución o falla de carga. 2. Cuando la temperatura del metal de la pared del tubo llega a 1040°C (1900°F). 3. Cuando hay incremento de 10 lb/pulg 2 (0.7 kg/cm2) en la presión de entrada o de salida del serpentín radiante. El incremento de la presión de entrada en el serpentín se debe al (taponamiento) a la acumulación de coque en el serpentín a taponamiento por coque suelto. 4. Siempre que aparezca puntas más calientes locales en la pared del tubo en el serpentín radiante. 5. Siempre que el atascamiento progresivo del cambiador de la línea de transferencia cause que su temperatura de salida
6. exceda las limitaciones de diseño especificadas para la tubería corriente abajo. La descoquificación se ejecuta en dos formas precisas para plantas cuyos materiales de carga son gases como etano o propano, la descarbonización usualmente se efectúa usando vapor seguido del uso de vapor-aire. Para plantas cuyos materiales de carga son líquidos, como nafta, la descarbonización generalmente se efectúa usando vapor y aire únicamente. La razón de dos métodos diferentes de descarbonización es el tipo de coque formado para calentadores que se alimentan principalmente de etano y propano, el coque formado es extremadamente duro y bastante resistente. Si se enfrían los tubos con este coque duro y resistente por dentro se pueden dañar. Porque los tubos se contraen y pueden someterse a esfuerzos excesivos. Es importante que la descarbonización se haga completamente. Si se dejan áreas de coque en los tubos, la corrida subsecuente puede que se tenga que terminar prematuramente debido a coque desprendido o por puntas más calientes en los tubos. Si el coque se hace muy grueso y luego se quiebra y desprende, puede taponear los serpentines del calentador o la entrada del permutador de la línea de transferencia.
DETERMINACÓN DE LA EFICIENCIA ENERGETICA DE UN HORNO DE PIRÓLISIS. Los calentadores sirven para transmitir calor esto se logra por el combustible que hay dentro de los quemadores, el combustible puede ser gas, combustóleo o una combinación de gas y combustóleo. En el caso del proceso que llevan a cabo los hornos se utiliza el gas ya que es más limpio y no daña los quemadores.
TRANSFERENCIA DE CALOR Y COMBUSTIÓN La transferencia de calor, se puede llevar a cabo mediante tres métodos los cuales son: Convección: La convección es el modo de transferencia de energía
entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacente que está en
movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento de fluidos. Radiación: La radiación es la energía emitida por la materia en forma
de ondas electromagnéticas como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. Conducción: La conducción se lleva a cabo mediante la transferencia
de una fuente de calor a un metal. Para llevar a cabo estos tipos de transferencia de calor debe haber una diferencia de temperatura. Entre mayor sea la diferencia mayor será la transferencia de calor. Un factor que afecta la transferencia de calor es el diseño de los hornos que están fuera del alcance La combustión es muy importante para diferentes tipos de proceso, en este caso la combustión se utiliza para generar calor dentro de un horno. La combustión se lleva a cabo mediante tres factores que deben ser fundamentales y en proporción:
combustible aire Fuente de ignición
Combustible
El combustible que se maneja puede ser gas, combustóleo o una mezcla de gas y combustóleo, en muchos casos es preferible usar el gas ya que es más limpio y se quema de manera más consistente que el combustóleo. Aire
Este será muy importante para llevar a cabo la combustión ya que este es el que provee el oxígeno, el cual reacciona con el combustible. Fuente de ignición
Esta proporciona la energía calorífica necesaria para iniciar la reacción de combustión. Mientras funciona el horno es necesario mantener la proporción de aire y combustible. Cuando esto se lleve a cabo de la forma directa se
tendrá una buena reacción de combustión y la cantidad máxima de calor sin que exista perdida de combustible. Por otro lado cuando no se lleva a cabo la reacción correcta es por la falta de oxígeno y esto provoca que no se queme todo el combustible, cuando esto sucede el combustible sin quemarse se puede acumular en el quemador, el cual provoca una disminución significativa de calor.
DISEÑO DE HORNOS Y EQUIPOS Los hornos están diseñados para controlar y manejar la carga que necesite el proceso. Este tipo de horno tienen forma similar a una casa también conocido como un calentador de tipo A o de cabina, las paredes internas de este tipo de calentador están cubiertos de un material que se reduce la perdida de calor y lo refleja a los tubos a este material se le llama recubrimiento refractario. Los quemadores se colocan en el piso y estas pueden estar colocadas en las paredes o a lo largo del horno. El aire que se necesita para la combustión entra a través de reguladores de aire, ubicados justo debajo de los quemadores. La parte que se encuentra justo arriba de los quemadores se conoce como hogar estas contienen las flamas en el horno y no permite la entrada de aire no deseado al área de combustión. Los tubos de radiación se localizan en el hogar del horno están en línea directa con los quemadores por lo que reciben casi todo su calor a través de la radiación. La sección de tubos que se encuentran arriba de los quemadores se le conoce como gasto de choque dichos tubos reciben tanto el calor radiante como el de convección. Arriba del banco de quemadores se encuentra la sección de convección a veces conocida como sección economizadora ya que existe el calor que de otra forma se perdería. En esta área los tubos se calientan mediante los gases calientes de la combustión antes de que salgan por la chimenea. El flujo del proceso pasa por los tubos y se calienta rápidamente, después sale del horno hacia a otro equipo de proceso. Por lo general los tubos del horno se dividen en pasos; si los flujos de los serpentines se equilibran de manera adecuada cada uno recibe la misma cantidad de flujo y absorbe la misma cantidad de calor. Después que el flujo del proceso circula por los serpentines se vuelve salida. Ya en el horno se encuentra la mampara, esta se ajusta para controlar el flujo de los gases calientes que entran al horno, al flujo ascendiente de gases calientes se le conoce como tiro del horno.
Hay una temperatura predicada de salida para el flujo del proceso y esta se utiliza para determinar la cantidad de combustible que va hacia los quemadores. El tiro del horno es importante ya que saca de la chimenea ya que saca de la chimenea los gases calientes de combustión e introduce aire fresco por los reguladores de los hornos. Los gases calientes ascendientes provocan que la presión dentro del calentador sea un poco menor que la presión de la atm. Esta presión menor es la que mantienen el tiro en el horno.
MONITORIO DE COMPORTAMIENTO DE LOS FACTORES QUE AFECTAN LA EFICIENCIA ENERGÉTICA Para el funcionamiento correcto de los hornos se debe realizar una inspección general de los hornos para revisar que todo esté en condiciones normales. A continuación se redactaran algunos factores que afectan la eficiencia energética en los hornos.
CONTROL DEL EXCESO DE OXIGENO Deberá haber suficiente oxígeno en el hogar para llevar a cabo una combustión completa, sin embargo, con demasiado oxigeno se desperdicia calor ya que el combustible se emplea para calentar el aire sobrante en el calentador. El exceso de oxigeno es el factor que más afecta a la eficiencia de operación en el horno. Los reguladores de aire son los principales controladores de aire en el horno, cuando este se encuentra encendido se deben ajustar los reguladores de aire para permitir la entrada de la cantidad de aire. Las mirillas se deben mantener cerradas para evitar el exceso de aire
EL TIRO Es otra variable que se debe inspeccionar y controlar, el tiro es controlado al ajustar la mampara para mantener una ligera presión negativa en el interior del horno, por lo general se toman medidas en tres partes del horno para revisar el tiro la señal de tiro es la presión negativa en cada una de estas partes
Rango de flujo a través de cada paso, por ejemplo debe mantenerse el balance para asegurar el calentamiento uniforme de cada serpentín para prevenir daños sobre calentamiento, por lo regulas las entradas y salidas de los serpentines están equipadas con instrumentos para medir temperatura, presión, y flujo que permiten al operador verificar la situación y mantener el equilibrio de los serpentines. Para cambiar la temperatura de salida aumente o disminuya la cantidad de combustible que va a los hornos, pero de igual manera deberá ajustar la cantidad de aire que va a los quemadores
TEMPERATURA DE LOS GASES EN LAS CHIMENEAS Es la temperatura de los gases de combustión a la salida de la última sección donde se absorbe calor en el calentador, comúnmente sección de convección. Indica la cantidad de calor que pierde en el calentador, aunque es preferible mantener baja esta temperatura no debe ser menor al punto de condensación de los gases de combustión esto se debe a que la condensación de estos gases provoca corrosión en la chimenea. El aumento de temperatura en los gases de la chimenea indica que existe un problema en los hornos tal como tubos con fugas. Aunque se deben supervisar las variables de operación, también, se debe supervisar cuando está en operación. El humo que proviene del horno indica una fuga en uno de los tubos otra señal es el humo que sale de las chimeneas, nunca se debe de abrir las mirillas de los hornos mientras esta en operación ya que se puede originar un incendio repentino, se deben tener encendidos los pilotos mientras los hornos están funcionando, si se apagan los pilotos se deben supervisase y repararse.
PATRONES DE FLAMA Los patrones de flama se deben supervisar ya que el color de esta, nos indica si los quemadores están trabajando de manera adecuada. La flama debe ser brillante y limpia sin ningún rastro de humo, la flama que
se quema de forma correcta es azul y compacta, mientras que una flama de combustóleo tiende a ser amarilla brillante, generalmente las flamas de gas son más limpias y más consistentes que las de combustóleo, las flamas no deben tocar los tubos a esto se le conoce como choque de llama y puede que cause una ruptura en los tubos, las flamas deben mantenerse lo más uniformemente posible en tamaño y longitud. Flama humeante
Esta es causada por insuficiente aire de combustión o insuficiente vapor atomizado, la flama debe reducirse la aumentar el aire primario, secundario o al incrementar el vapor atomizado Flama oxidante
Indica que se está utilizando vapor atomizado en exceso Flama con polvo rojizo con humo
Indica falta de aire para una combustión completa Lo que afecta que la flama se salga de los quemadores son las altas presiones
OBSERVACIONES DE MEJORA Para que los hornos tengan una eficiencia energética normal, se deberá identificar las características de diseño, las cuales pueden ser: la eficiencia, relación de calor, etc. Después que ya se hizo la identificación de las características, se tendrá que evaluar la eficiencia de los hornos según las características de diseño y operación actual a lo que se llamara evaluación energética cuantitativa. Se deberá emitir las recomendaciones de mejoramiento energético.(algunas recomendaciones se dan al final del trabajo). Inspección detallada del estado físico del calentador Inspección de factores operacionales (que afectan la eficiencia térmica)
Si se observan zonas oxidadas, pintura botada o deformidad en las paredes, es que en esas zonas existen fugas de energía y refractario dañado (observar), se tendrán que reparar de inmediato para no afectar el proceso. Se debe cuidar que las mirillas de observación se encuentren cerradas ya que al mantenerlas abiertas se infiltra aire frío bajando el rendimiento del horno. Un aspecto fundamental para el buen funcionamiento de un horno es la apertura de mampara. La óptima apertura de la mampara estará en función del exceso de aire en los gases de chimenea y del tiro en el horno. La instrumentación, como manómetros y válvulas, debe de estar en óptimas condiciones y los registros de aire en los quemadores no deben de estar obstruidos. Procurar que el horno opere de forma adecuada con las variables operativas como forma y tamaño de flama, superficies de toma de lecturas limpias, mirillas cerradas, entre otras.
RECOMENDACIONES 1. Ajustar y mantener el exceso de aire especificado por fabricante de quemadores. 2. Limpieza de internos de quemadores. 3. Reparar el refractario en zonas dañadas. 4. Ajustar el tiro a través del calentador. 5. Mantener las mirillas de inspección del calentador cerradas. 6. Implementar zona de transición entre la zona de convección y la chimenea. 7. Verificar que los quemadores no se encuentren bloqueados. 8. Limpiar los tubos en la zona de convección cuando salga de operación el calentador. 9. Solicitar partes de repuesto de cada componente al fabricante del equipo.
