1 OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE CALOR – INGENIERÍA QUÍMICA - 2016TEMA 9: HORNOS Ing. Qco. Velázquez, Juan Ernesto
2 CONTENIDOS BIBLIOGRAFÍA Combustibles. Condiciones de combustión.Descripción de los principales hornos industriales. Diseño térmico y operación de hornos. BIBLIOGRAFÍA Perry R. H. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook. 6th Mc Graw Hill. Kern D. Q. Procesos de transferencia de calor C.E.C.S.A. 1974
3 INTRODUCCIÓN COMBUSTIBLES SÓLIDOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOSCOMBUSTIBLES GASEOSOS RECURSOS ENERGÉTICOS COMBUSTIÓN CONVERSIÓN CALDERAS (BOILERS) HORNOS (FIRE HEATERS) UTILIZACIÓN
4 RECURSOS ENERGÉTICOS – COMBUSTIBLESCombustibles sólidos Carbón mineral (coal): Combustible más abundante en la tierra. Originado en los restos de biológicos de descomposición de plantas de hace millones de años durante prolongados períodos de clima tropical y abundantes lluvias, con subsecuente acción de calor, presión y otros fenómenos físicos metamórficos. El carbón mineral no es una sustancia uniforme y se clasifican por su grado metamórfico. Coke: Es el material sólido, celular e infusible remanente después de la carbonización de carbón mineral, brea, residuos de petróleo y otros materiales carbonáceos. Los mecanismos de su formación no están del todo identificados.
5 RECURSOS ENERGÉTICOS – COMBUSTIBLESCombustibles líquidos Petrolíferos: Los principales combustibles líquidos son hechos por destilación fraccionada de petróleo crudo. Las especificaciones de las diferentes fuentes pueden diferir en los límites de prueba de azufre, densidad, etc., pero se corresponden con las mismas categorías generales: tipo kerosén, destilado para quemadores con atomizador, y mezclas más viscosas y residuales para la industria pesada. No petrolíferos: Arenas bituminosas (tar sands): extraídas con agua caliente de minas a cielo abierto para recuperar el aceite pesado (bitumen). El aceite es procesado en fracciones de nafta, querosén, gasolina y gas. Esquisto bituminoso (Oil shale): piedra no porosa que contiene kerógeno orgánico. El crudo de aceite de esquisto bituminoso (shale oil) es extraído por pirólisis de la piedra minada o in situ por inyección de vapor.
6 RECURSOS ENERGÉTICOS – COMBUSTIBLESCombustibles gaseosos Gas natural: comúnmente atrapado entre el petróleo y una capa de roca impermeable. En condiciones de alta presión, se mezcla con el petróleo crudo. El metano es el principal componente, con un punto de ebullición de 119 K . Etano puede estar presente en cantidades de hasta 10 por ciento y propano de hasta 3 por ciento. También puede estar presentes butano, pentano, hexano, heptano, y octano. No hay una única composición que puede llamarse gas natural "típico". La mayor parte del gas natural está libre de compuestos de azufre; sin embargo tiofenos, mercaptanos y sulfuros orgánicos deben ser eliminados totalmente antes de ser transferidos a las tuberías comerciales.
7 RECURSOS ENERGÉTICOS – COMBUSTIBLESCombustibles gaseosos Gas licuado de petróleo (GLP o LPG): Constituido principalmente por propano, propileno, butano, butileno y isobutano (principalmente de la serie parafínica saturada). Es ampliamente utilizado para el servicio doméstico, suministrado en tanques o por tuberías. También se utiliza para aumentar las entregas de gas natural en los días pico y por algunas industrias como combustible de reserva. Otros gases: El Hidrógeno se utiliza como combustible en operaciones industriales de corte y soldadura. Se fabrica mediante: reformado de gas natural, como subproducto de craqueo térmico de hidrocarburos , y otros por la electrólisis del agua, en menor medio. Cuando se combinan electroquímicamente con oxígeno en pilas de combustible, sólo se producen agua, calor y electricidad.
8 RECURSOS ENERGÉTICOS REGIONALESCHIPS LEÑA BAGAZO BRIQUETAS PELLETS
9 RECURSOS ENERGÉTICOS
10 CONVERSIÓN Combustión de sólidos Suspensiones: para carbón pulverizadoFluidificaciones: Combustión de líquidos Combustión de líquidos Atomizers (atomizadores) Combustión de gases Gas Burners (quemadores de gas)
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13 UTILIZACIÓN Los hornos industriales sirven al sector manufacturero y se pueden dividir en dos grupos. Calderas: que son el grupo más grande y se utilizan únicamente para generar vapor Hornos: equipos utilizados para el calentamiento a alta temperatura.
14 Calderas (boilers) Son generadores de vapor diseñados para:producir vapor según los requisitos del proceso, para las necesidades del proceso junto con la generación de energía eléctrica, o únicamente para la generación de energía eléctrica. Las calderas han sido diseñadas para quemar una amplia gama de combustibles y operar a presiones de hasta 12.4 MPa (~124 kgf/cm2) y velocidades de vaporización que alcanzan kg/h. Las calderas pre-ensambladas de alta capacidad (package boilers) varían en capacidad de 1500 kg/h a ~ kg/h, con alcance de presiones de hasta 11,4 Mpa (~114 kgf/cm2) y 783 K (510 °C).
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17 Clasificación de hornosHorno industrial Fuente de calor Combustión Electricidad Función Sin cambio de fase Con derretimiento Ciclo de proceso Batch Continuo Aplicación de calor Directo Indirecto Atmósfera en horno Protectora Reactiva Rendimiento Eficiente Eficaz Ejemplo de proveedor:
18 HORNOS – BATCH OR CONTINUOUSPor lotes: Empleados principalmente para el tratamiento térmico de metales y el secado o calcinación de cerámicas. En escalas industriales, se emplean hornos rotatorios (rotary kilns), hearth furnaces, y hornos de cuba (shaft furnaces). Continuos: Empleados para el tratamiento térmico de metales y secado o calcinación de cerámicas. Principalmente para uso en grandes escalas. El material en proceso puede ser arrastrado a través del horno por medio de cadenas, cintas o rodillos, o puede ser empujado sobre vagones con rodillos.
19 HORNOS – Calentamiento directoDirect-firing (simple) es usado por su simplicidad y disponer de quemadores mejorados. El diseño overhead permite que los quemadores del techo sean colocados de tal manera que se proporcione una óptima distribución de temperatura en la cámara Underfiring ofrece la ventaja proteger la carga de la llama.
20 ALTO HORNO
21 HORNO DE CAL HORNO DE VIDRIO HORNO ELÉCTRICO HORNO DE PIRÓLISIS
22 HORNOS – Calentamiento indirectoLos equipos de combustión y calentamiento indirecto, transfieren calor a través de una pared metálica o refractaria separando la llama y los productos de combustión de la corriente de proceso. Algunos ejemplos son intercambiadores de calor, calderas de vapor, hornos de calentamiento por llama, mufflas y crisoles. Un Horno (Fired heater) es un intercambiador de calor en el que el fluido de proceso fluye dentro de tubos y se calienta por radiación procedente de una llama de combustión y por convección desde los gases calientes de esta. Éstos se clasifican entonces por función y diseño de serpentín.
23 (a) Cilíndrico de tubos verticales con sección de conversión de flujo cruzado(b) Cabina de tubos horizontales (c) Cilíndrico vertical, con bobina helicoidal
24 Cálculo y diseño de hornos para calentamiento indirectoFuente: Modeling and Simulation of Heat and Mass Flow by ASPEN HYSYS for Petroleum Refining Process in Field Application
25 Balance de Calor El calor necesario para un horno es el calor a suministrar al fluido calentado. Datos posibles: caudal másico, condiciones de presión y temperaturas de entrada condiciones de presión y temperatura deseadas condiciones físicas (líquidos, vapor, etc.) de entrada y/o salida Se necesita por tanto: calores sensibles y latentes del fluido, las composiciones, el calor de reacción (si se produce reacción química)
26 Eficiencia del horno La eficiencia de un horno es el porcentaje del calor liberado en la llama que es absorbido por el fluido calentado (70% al 95%). La fuente de la ineficiencia son: Las perdidas de calor en las paredes del horno (~2 %) Las perdidas en los gases producidos. La temperatura de salida de los gases ha de ser de 50 a 75 ºF (25 a 40 ºC) superior a la del fluido de entrada. Para combustibles gaseosos: 𝑇 𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 = −𝐸𝑓𝑓 9.25∙ 10 −5 ∙ 1+ 𝑒𝑥 𝑎𝑖𝑟 Para combustibles diesel: 𝑇 𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 = −𝐸𝑓𝑓 7.695∙ 10 −5 ∙ 1+ 𝑒𝑥 𝑎𝑖𝑟 Tstack = temperatura de entrada a chimenea (ºF) Eff = Eficiencia del horno ex air = Exceso de aire a los quemadores (%)
27 Dimensiones del tubo y del horno
28 Dimensiones del tubo y del horno
29 Variables del horno
30 Liberación de calor El calor liberado por los quemadores en un horno es el calor necesario para el proceso dividido por la eficiencia del horno. Depende del calor liberado por el poder calorífico neto (Net Heating Value) La cantidad de aire requerida para la combustión es un problema estequiométrico. Si no conocemos la composición del combustible, se utiliza entonces las relaciones aire-fuel: G0=14,4 para gasoil G0=17 para gas natural G0=16,5 para gas de refinería
31 Estimación de la sección radiante
32 Estimación de la sección radiante
33 Estimación de la sección radiante
34 Estimación de la sección radiante
35 Configuración de la zona de radiaciónRegla general para influencia de variables: El horno ha de adaptarse a la configuración de la planta donde se instale. Los tubos han de ser tan largo como sea razonable. El calor cedido por unidad de volumen ha de ser inferior a BTU/(h.ft3) para combustibles líquidos y BTU/(h.ft3) para combustibles gaseosos. Los tubos montados en la pared deben estar al menos a 4 in de la pared interior o 1,5 veces el diámetro mayor.
36 Solución de las ecuaciones de Lobo-EvansSon una aproximación teórica a las ecuaciones de Wilson- Lobo-Evans. El método considera los gases calientes en la cámara de combustión como un cuerpo radiante y los tubos como plano frío de absorción de radiación. El movimiento de los gases alrededor de los tubos se considera en los coeficientes de transmisión de calor por convección.
37 Factores que controlan la radiación de la llamaPresión parcial de CO2 y vapor de H2O (P) Longitud media de rayo radiante (L) 𝑃= − 𝑒𝑥 𝑎𝑖𝑟 +2.72∙ 10 −5 𝑒𝑥 𝑎𝑖𝑟 2 −1.175∙ 10 −7 𝑒𝑥 𝑎𝑖𝑟 3
38 Factores que controlan la radiación de la llamaÁrea refractaria (AR): Se define como el área total del horno menos el valor αAcp Emisividad del Gas: f(P, L, Tg), siendo Tg, la temperatura de equilibrio del gas en la sección radiante. Factor de intercambio (F y Fs): Fracción de calor disponible por la radiación de la llama que realmente se absorbe por la superficie fría de los tubos. 𝐹 𝑆 = 𝐹 1+0,111𝐹 Temperatura de la superficie metálica: La temperatura de la superficie exterior de la tubería depende la temperatura del fluido dentro del tubo, el coeficiente de película interno, la resistencia de la pared y el flujo de calor en la sección radiante.
39 Solución de las ecuaciones de la zona Radiante
40 Temperatura en la sección de convección
41 Temperatura en la sección de convección
42 Temperatura en la sección de convección
43 Configuración del banco de tubos de convección
44 Diseño de los tubos de convección
45 Dimensionado de la chimeneaLa altura de la chimenea depende normalmente de requisitos de contaminación atmosférica por dilución de humos. Debe tenerse en cuenta el TIRO (draft) de la chimenea cuando este es natural. El TIRO es la diferencia de presión entre la presión atmosférica y la presión de la chimenea a la misma temperatura. La presión en el interior del horno y chimenea ha de ser siempre inferior al exterior. En el borde de la chimenea la presión ha de ser mayor a la ambiente para favorecer la salida de gases. 𝐷=0,00179 𝑃 𝑎 𝑇 𝑎 − 𝑀 𝑇 𝑔 𝑧 2 − 𝑧 1 Tiro sin pérdidas por fricción:
46 Dimensionado de la chimenea
47 Dimensionado de la chimeneaLas pérdidas en el regulador de tiro abierto (open damper) de la chimenea se estiman en 0,05 in H2O.
48 Dimensionado de la chimenea
49 Operación del horno El horno no opera siempre en las condiciones de diseño. 1.- SI AUMENTA LA CARGA (CANTIDAD DE COMBUSTIBLE): Aumenta la temperatura de salida de gases (stack). Disminuye la eficiencia del horno. Aumentan los flujos de energía radiante, en tubos de choque y en zona de convección. Aumenta la temperatura en las aletas El porcentaje de energía transmitido en la sección radiante disminuye El porcentaje de energía transmitida en la sección de convección aumenta. 2.- SI AUMENTAMOS EL EXCESO DE AIRE EN EL HORNO: Implica una mayor carga a calentar con una disminución de la eficiencia del horno. La temperatura de los gases a la salida aumenta. La temperatura en área de radiación disminuye Disminuye la transmisión de calor en radiación.
50 ESTIMACIÓN DE COSTES Para construcción: Materiales e insumosMano de obra Servicios auxiliares Transportes Para compra: Valor cotizado Impuestos Infraestructura (obra civil, obra soporte, mano de obra, costos operativos en general) Transporte y descarga Para operación: Combustible y flete Mano de obra/jornales Insumos de mantenimiento Otros: Amortizaciones (en función de durabilidad) Financiamientos (cuotas e intereses)
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53 Presentación y cuestionario guía disponible en Aula VirtualConsultas por mail: