05 - Calentadores a Fuego Indirecto Final Im

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CALENTADORES A FUEGO INDIRECTO

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¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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INTRODUCCIÓN. Los calentadores se usan en casi toda fase de la producción de petróleo y sus derivados. Varían en tamaño y complejidad, van de un simple calentador de agua, hasta un horno de crackeo en una refinería. Los calentadores pueden clasificarse de dos maneras: 1. Calentadores directos. 2. Calentadores indirectos. El calentador a fuego directo es es aquel cual el fluido fluido a ser calentado fluye a través de los tubos de un recipiente, y la combustión ocurre por fuera de los tubos. Los generadores de vapor son la forma común de este tipo de calentadores.

El calentador a fuego indirecto es en el cual el líquido que está siendo calentado se encuentra fuera de la tubería, y el fuego se encuentra dentro de la tubería. Este tipo de calentador es ampliamente usado en el campo petrolífero en calentadores en línea, equipos de-emulsificantes y calentadores de proceso. A veces se les conoce como calentadores piro tubulares. En este manual hablaremos sobre los calentadores a fuego indirecto. Más aún, como casi todas las aplicaciones usan gas como combustible, limitaremos nuestro estudio a estos. Los principios de operación de los calentadores se aplicarán sin importar el tipo de combustible.

FIG. 1. CALENTADOR A FUEGO INDIRECTO UTILIZADO PARA CALENTAMIENTO DE EMULSIONES DE CRUDO. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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INTRODUCCIÓN. Los calentadores se usan en casi toda fase de la producción de petróleo y sus derivados. Varían en tamaño y complejidad, van de un simple calentador de agua, hasta un horno de crackeo en una refinería. Los calentadores pueden clasificarse de dos maneras: 1. Calentadores directos. 2. Calentadores indirectos. El calentador a fuego directo es es aquel cual el fluido fluido a ser calentado fluye a través de los tubos de un recipiente, y la combustión ocurre por fuera de los tubos. Los generadores de vapor son la forma común de este tipo de calentadores.

El calentador a fuego indirecto es en el cual el líquido que está siendo calentado se encuentra fuera de la tubería, y el fuego se encuentra dentro de la tubería. Este tipo de calentador es ampliamente usado en el campo petrolífero en calentadores en línea, equipos de-emulsificantes y calentadores de proceso. A veces se les conoce como calentadores piro tubulares. En este manual hablaremos sobre los calentadores a fuego indirecto. Más aún, como casi todas las aplicaciones usan gas como combustible, limitaremos nuestro estudio a estos. Los principios de operación de los calentadores se aplicarán sin importar el tipo de combustible.

FIG. 1. CALENTADOR A FUEGO INDIRECTO UTILIZADO PARA CALENTAMIENTO DE EMULSIONES DE CRUDO. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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DESCRIPCIÓN. Un calentador a fuego indirecto tiene un tubo o series de tubos llamados pirotubulares con un quemador dentro de este, que está inmerso en el líquido que se va a calentar. Algunos ejemplos se muestran debajo y en la siguiente hoja. A. Pi ro t u bo

La forma más común de un pirotubo es aquella en forma de horquilla o de U. Éstos pueden ser montados en una brida al final del recipiente en el cual están insertados, y pueden ser fácilmente retirados para repararse o reemplazarse.

Los calentadores más grandes frecuentemente tienen pirotubos que consisten de un tubo de combustión con varios tubos de regreso como se muestra debajo. El quemador está localizado a la entrada del tubo de combustión y la pila de tubos se monta en la placa del colector de retorno, el área de los tubos puede ser hasta 3 veces el de una simple tubería en U, lo que significa que el calentador puede emitir 3 veces más calor que un tubo en U en el mismo volumen. Para decirlo de otra forma, un tubo - U tipo pirotubo tendría que ser 3 veces más grande (en largo y/o diámetro) que un calentador de tubos apilados.

FIG. 2. PIROTUBO CON TUBO DE COMBUSTION Y TUBO DE RETORNO.


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PIROTUBO

FIG. 3. PIROTUBO EN PAR Y CONTROL DE COMBUSTIBLE ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!



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QUEMADOR. Si el recipiente que contiene los pirotubos, opera bajo presión, este debe ser lo suficientemente grueso para resistir la presión. En la mayoría de las aplicaciones, la presión dentro del recipiente es cercana o igual a la presión atmosférica, y se puede utilizar una tubería de pared delgada para el pirotubo. El pirotubo por lo regular tiene soportes para prevenir que toquen el fondo del recipiente. Entre más tiempo permanece el tubo inmerso en el líquido, la temperatura del tubo será aproximadamente igual a la del líquido, aunque la temperatura del gas de combustión dentro del tubo pueda estar por encima de 1650°C (3000°F). Si el tubo llegara a tocar el recipiente, se podría formar un punto caliente que podría deformar o fundir el tubo y el recipiente. Si el líquido que rodea el pirotubo es aceite, glicol o algún otro combustible liquido, el tubo debería estar hecho de acero inoxidable u otra aleación para dar protección extra contra fallas. Otro dispositivo de protección es un forro que se inserta dentro del pirotubo a lo largo de la localizacion de la llama. Este forro es usualmente fabricado de un metal resistente al calor como acero inoxidable. El proposito es prevenir que la flama choque con la pared del tubo y cause sobrecalentamiento y falla. Si el fuego toca el recubrimiento, este gradualmente se deformara y tendrá que ser remplazado, pero el pirotubo no se dañara si el recubrimiento es remplazado a tiempo.

B. Quemador

El quemador en un calentador a fuego indirecto, está diseñado para producir una flama de patrón largo y estrecho. Este se encuentra centrado en el tubo. Los quemadores típicos del campo petrolero se muestran en las siguientes páginas. Las partes y las funciones de un quemador son: 1. Orificio de combustible. El orificio es un agujero al final de la línea de combustible. El agujero es taladrado con precisión de tal manera que una excesiva cantidad de combustible no pueda fluir hacia el quemador. La dimensión del agujero dependerá directamente de la velocidad del combustible permitido, así como también del valor calorífico del combustible. El propano por ejemplo, tiene un valor calorífico mucho más alto que el gas natural usándose un orificio pequeño. 2. Cámara de mezclado. La cámara de mezclado está diseñada de tal manera que el combustible y el aire se mezclen completamente antes de la combustión. Entraremos en detalles a fondo más adelante.

FIG. 4. PIROTUBO CON RECUBRIMIENTO




3. Punta del quemador. La punta del quemador es taladrada para que tenga agujeros que esten dimensionados y localizados de tal forma que la flama viajara en la parte media del pirotubo y no tocara las paredes. 4. Control primario de aire. Cerca de 1/3 del aire utilizado en el quemado del combustible viene de la apertura inicial del aire. El aire es succionado hacia adentro del quemador a medida que la velocidad del gas combustible se incrementa cuando este fluye a través del orificio. Los quemadores pequeños frecuentemente utilizan aire primario como su único recurso de aire y no tienen un control secundario de aire.

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5. Control secundario de aire. Este dispositivo provee cerca de 2/3 partes de aire requerido para la combustión. C. Chimenea

La chimenea es usualmente una pieza de tubería que se ajusta a lo largo de la salida del pirotubo. Su altura puede variar desde los 2 m hasta los 6 m (6 a 20 ft), dependiendo de la localización. D. Piloto del quemador.

El piloto del quemador tiene las mismas partes que el quemador principal, pero es mucho más pequeño. Este no tiene un control secundario de aire. Los pilotos de los quemadores en pequeños quemadores frecuentemente tienen una apertura fija de aire que no tiene ajuste.

FIG. 5. QUEMADOR CON UN CONTROL SIMPLE DE AIRE ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!



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SISTEMA DE CONTROL DE COMBUSTIBLE E. Sistema de cont rol de Combust ible.

La mayoría de los quemadores tienen una válvula de diafragma para regular el flujo de combustible hacia el quemador. La válvula de control actúa por un control de temperatura. El sistema también incluye un regulador reductor de presión en la línea de entrada de combustible para bajar la presión al máximo para la cual el quemador fue diseñado. La alta presión de combustible puede causar que el quemador se sobrecaliente y dañe los pirotubos. El sistema de combustible también incluye una línea con un regulador de presión que se ajusta para mantener el patrón de flama apropiado en el piloto del quemador. F. Accesorios. Depurador de gas 1. combustible. Un recipiente vertical es frecuentemente utilizado en pequeños calentadores. Este tiene un flotador interno que bloquea el flujo de gas cuando el líquido se aproxima a la parte superior del recipiente. El líquido es drenado

con una trampa. Los calentadores más grandes podrían tener un separador con controles convencionales de nivel para drenar el líquido; y un dispositivo de cierre por altonivel 2. Bobina de calentamiento en el gas combustible. Cuando la condensación es probable en la línea de combustible, unos pocos metros (yardas) de tubería del combustible son instaladas en el líquido que rodea el pirotubo de tal forma que el combustible se calentara lo suficiente para vaporizar líquido que se encuentre en la línea de gas combustible. 3. Sistema de ignición de la flama. Algunos calentadores grandes están equipados con una bujia y una bobina de alto voltaje que encenderá el piloto de manera manual o automática. El sistema usualmente opera en 120/240 volts, o pueden usarse baterías. FIG. 6. SISTEMA DE CONTROL DEL COMBUSTIBLE.




4. Arrestado r de fl ama. El arrestador de flama mostrado en la siguiente página previene el regreso del fuego en el calentador. El fuego puede salirse del calentador en la parte final de los pirotubos por varias razones. Los casos más peligrosos podrían ser causados por la ignición de un gas o un hidrocarburo liquido que fuga o escapa cerca del alentador. Si el gas que fuga tomara fuego, el fuego podría viajar hacia atrás hacia la fuente de la fuga y podría resultar en un fuego mayor o una explosión.

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delgada de aluminio que se encuentra insertada en una bobina en espiral. Está diseñada para que si el gas fuera de la unidad pasara a través de la bobina e ignitara dentro del quemador, la flama se enfriara hasta el punto que esta saldrá como si intentara moverse desde adentro hacia afuera de la celda. El arrestador es básicamente un intercambiador en el cual el aire a temperatura ambiente enfría un gas de combustión por debajo de su temperatura de ignición. La figura en la página 9 muestra la función del arrestador de flama.

La celda arrestadora está hecha de una hoja corrugada y

FIG. 7. ACCESORIOS DEL CALENTADOR.


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FIG. 8. ARRESTADOR DE FLAMA




5. Arres tado r de la chimenea. En algunos calentadores, la temperatura del gas combustible que deja la chimenea es lo suficientemente alta para incendiar el combustible que

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pudo haberse fugado cerca de la chimenea. El arrestador de la chimenea es un arrestador de flama instalado en la chimenea.

FIG. 9. FUNCION DEL ARRESTADOR DE FLAMA


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Problema 1. Relacione cada término en la columna izquierda con la descripción más cercana en la columna derecha. ____ 1. Pirotubo ____ 2.Quemador. ____ 3. Piloto del quemador ____ 4. Arrestador de flama. ____ 5. Recubrimiento

a. Sin control de aire secundario b. Preventivo del retroceso de la flama. c. Mezcla de aire y combustible. d. previene que la flama toque el pirotubo. e. Totalmente inmerso en el liquido.

II. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN EN CAL ENTADORES. A. Com bus tión d e gas.

El gas natural está compuesto de 85 a

90% metano C1, y el resto es metano, C2, y otros

hidrocarburos. Asumamos por un momento que el 100% es metano. El metano es un compuesto que consiste de una átomo de carbono y 4 de hidrogeno se muestra la molécula de metano a la izquierda. Cuando se quema gas, ocurre una reacción química entre el oxigeno y el aire. La reacción que se lleva a cabo cuando el metano se quema es:

Cuando la reacción ocurre, el calor liberado: Cuando 1 metro cubico de gas se quema, 37 300 kJ de calor es producido. Cuando 1 pie cubico de gas se quema, se producen 1000 Btu´s de calor.

PRICIPIOS DE OPERACIÓN DE LOS CALENTADORES. El oxigeno que se combina con el metano proviene del aire. El aire está compuesto de cerca del 20% de oxigeno y 80% nitrógeno. Para poder quemar 1 volumen de gas, 10 volúmenes de aire deben estar presentes. (10 volúmenes de aire contienen 2 volúmenes de oxigeno). Si menos de 10 volúmenes de aire están presentes, el gas no se quemara completamente.

Cuando el gas y el aire se queman, el calor de la reacción tiene que ir a algún lugar. Este calor son los productos de combustión – CO2 y vapor- cerca de 1925°C (3500°F), si el gas y el aire son mezclados completamente en una relación de 1 a 10. En otras palabras, cuando el gas y el aire a temperatura ambiente se queman, el calor de reacción alcanza ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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en los productos de combustión temperaturas de 1925°C (3500°F). Si menos de 10 volúmenes de aire están presentes por cada volumen de combustible, algo de gas no se quemara. Esto desperdicia gas y también da como resultado bajas temperaturas de combustión. Si hay más de 10 volúmenes de aire el gas se quemara completamente, pero algo del calor de la reacción será utilizado para calentar el exceso de aire que estaba presente. Por ejemplo, si hay 1 volúmenes de aire, la temperatura de los productos de combustión será solamente 1775°C (3225°F). El exceso de aire absorbe cerca del 8% de calor. O para decirlo de otra forma, 8% de gas fue desperdiciado en calentar aire en exceso. Con la intención de quemar sin ningún exceso de aire, el gas y el aire deben de ser completamente mezclados antes de que la combustión ocurra. Es casi imposible mezclar los dos haciendo que cada molécula de gas vaya rodeada de 10 moléculas de aire. Algunas tendrán 9 partes y algunas otras tendrán 11. En consecuencia, es casi siempre necesario tener algo de exceso de aire presente para tener una combustión completa de todo el gas. De hecho, es usualmente necesario tener cerca del 20% de exceso de aire presente para asegurar que todo el gas se quemara. Es mejor tener exceso de aire y quemar todo el gas que tener poco aire y no quemar todo el gas. Más calor será emitido cuando todo el gas se queme; y de igual importancia el letal monóxido de carbono se formara cuando se tiene poco aire. Cuando el volumen apropiado de gas y aire se mezcla en un quemador, una flama azul se mostrara. Podría tener partes amarillas o rojas, lo cual frecuentemente se conoce como colas de ardilla.


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Una flama que es roja o amarilla es combustión causa de una incompleta. Podría deberse a insuficiente aire, o mezclado inapropiado de gas y aire antes de la ignición. El procedimiento para ajustar el combustible y el aire se discute en el capítulo 4. B. Calor transferido.

Un calentador a fuego indirecto es un simple intercambiador de calor en el cual el calor del gas combustible caliente es trasferido al líquido fuera del tubo. Los principios de trasferencia de calor se discuten en el manual P-7, intercambiadores de calor. La temperatura del gas de combustión dentro del tubo puede variar desde 1650°C (3000°F) en el quemador, hasta 482°C (900°F) a medida que el gas deja el pirotubo y entra a la chimenea. El intercambio de calor que se lleva a cabo en los intercambiadores se determina por la ecuación: H=Coef. x Area x Temp. Dif. Donde: H = Calor transferido, KJ o Btu por hora. Coef. = Razón de trasferencia de calor desde el fluido caliente hacia el fluido frio. A = Superficie del intercambiador, área, metros cuadrados (m2) o pies cuadrados (ft2). Temp. Dif. = Promedio de temperatura diferencial entre el gas caliente dentro del pirotubo y el líquido fuera del pirotubo. En los calentadores, el coeficiente y la diferencial de temperatura se encuentran combinados en un solo ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!



término conocido como razón de flujo. El flujo es la cantidad de calor que pasa a través de cada metro cuadrado (pie cuadrado) de superficie en el pirotubo en una hora. La ecuación de transferencia de calor es:

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A = Área del pirotubo. Metros cuadrados o pies cuadrados. F = Razón (Btu/ft2/hr)

de

flujo.

kJ/m2/hr

H = (Área)(Razón de flujo) = A x F

La ecuación de trasferencia de calor puede reacomodarse para calcular el área como sigue:

H = Calor transferido kJ/hr (Btu/hr)

Área, A = H/razón de flujo = H/F

FIG. 10. EL PIROTUBO ES UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

Razón de flujo y área. La razón de flujo puede variar con el servicio del calentador. Una baja razón de flujo requiere pirotubos más grandes que si se utiliza una razón de flujo grande. La razón de flujo en la mayoría de los intercambiadores se encuentra entre 70 000 y 140 000 kJ/m2/hr (6000 y 12 000 Btu/ft2/hr) de área. Razones típicas se muestran en la tabla debajo. Mencionamos que la razón de flujo era la cantidad de calor por hora que se transfiere al líquido que rodea el

pirotubo a través de cada metro cuadrado (pie cuadrado) o superficie de área del pirotubo. También mencionamos que la temperatura del pirotubo es casi la misma que la del liquido que lo rodea. Esto es, a medida que la razón de flujo aumenta, la temperatura del tubo también lo hace. A una razón de flujo de 70 000 kJ/m2 (6000 Btu/ft2), la temperatura del pirotubo se encuentra unos pocos grados por encima de la del liquido. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!



A una razón de flujo de 140 000 kJ/m2 (12 000 Btu/ft2), la temperatura del tubo es 25°C a 50°C (45°F a 95°F) por encima de la del liquido. Consecuentemente, bajas razones de flujo se utilizan en soluciones de aminas o glicol donde una alta temperatura del tubo puede causar el deterioro o daño al líquido. Si el líquido

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es agua, este no afectara adversamente por alta temperatura, y grandes razones de flujo se pueden utilizar. Si se utilizo un pirotubo de un calentador de glicol en una línea de un calentador en un pozo petrolero, su razón de flujo podría ser dos veces más. Un quemador más grande podría ser obviamente necesario.

PROPORCIONES DEL FLUJO EN UN PIROTUBO SERVICIO DE LIQUIDO FUERA PROPORCIONES DE FLUJO CALENTAMIENTO DEL PIROTUBO Kj m2 /hr Btu/sq ft /hr Rehervidor de Glicol 74 000 6 500 glicol Rehervidor de Amina 90 600 8 000 amina Calentador de Sal fundida 90 600 8 000 solución salina Calentador de Aceite para 96 300 8 500 aceite para calentamiento calentamiento, Tratador de Emulsiones de 136 000 12 000 emulsión crudo Calentador de Agua fresca 136 000 12 000 agua TRANSFERENCIA DE CALOR.

Ejemplo: Un pirotubo espirado en U en un rehervidor de amina tiene 508 mm (20 in) de diámetro y 10m (33 ft) de largo. ¿Cuál debe de ser el calor, si la razón o proporción de flujo es 68 300 Kj/m2/hr (600 Btu/sq/ ft/hr?

Unidades SI Ecuación del área de la superficie

A = π x Diámetro

Unidades inglesas x longitud = 3.14 D x L ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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Diámetro


508 mm o 0.58 m

20 in =20/12 = 1.6 ft

Longitude total

10 x 2 = 20 m

33 ft x 2 = 66 ft

Área

3.14 x 0.58 x 20

3.14 x 1.67 x 66

Flujo

=3.19 m2 68 300 Kj/m2/hr

= 346 sq ft 6 000 Btu/sq ft/hr

Ecuación de transferencia de calor

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H = Área x Flujo = 31.9 x 68 300 =346 x 600 = 2 178 770 kJ/hr =2 076 000 Btu/hr

Problema 2.

Un calentador a fuego indirecto se instala en un tratador de emulsión. El calentador tubo-U tiene 406 mm (16 in) en el tubo. Y tiene 1.5 m (5 ft) de longitud. La razón de flujo es 113 000 kJ/m2/hr ( 10 000 Btu/sq ft/hr). a. ¿Cuál es el área del pirotubo?____________________ B. ¿Cuál debe de ser el calor?______________________

Ejemplo: El rehervidor de glicol que se muestra debajo está diseñado para 1 050 000 kJ/hr (1 000 000 Btu/hr). La relación de flujo es 79 600 kJ/m2 (7 000 Btu/sq ft) ¿ Que longitud de pirotubo es necesario, si el diámetro es 609.6 mm (24in).




Unidades SI

Unidades inglesas

Calor del calentador H

1 050 000 kJ/hr

1 000 000 Btu/hr

Relación de flujo

79 600 kJ/m2/hr

7000 Btu/sq ft/hr

Ecuación para el área. Sustituyendo en la ecuación Diámetro del pirotubo Ecuación para área de la tubería

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A = H / Relación de flujo = 1 050 000 / 79 600 = 13.19 m2

= 1 000 000/7000 = 142.8 sq ft

609.6 mm

24 in

A = 3.14 x Diámetro x Longitud

Reordenando y resolviendo para Longitud

= 13.19 3.14 x 0.6096

=

142.8 3.14 x 2

Longitud total del pirotubo

= 6.89 m

= 22.7 ft

La longitud del tubo en U por la mitad y en total

= 6.89 x 0.5

= 22.7 x 0.5

Longitud del tubo en U

= 3.445

= 11.35 ft


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FLUJO DE CALOR EN UN CALENTADOR INDIRECTO . Problema 3 ¿Qué tan largo seria el pirotubo en el ejemplo de la pagina 15 si su diámetro fuera 508 mm (20 in)? ________________________________

Mencionamos recientemente que la temperatura del pirotubo podría ser la misma que la temperatura del líquido que lo rodea, a pesar de que la temperatura dentro del tubo pudiera ser de 1650°C (3000°F) más alta que la temperatura del líquido. La razón de que la temperatura del tubo sea casi la misma que la del liquido es porque el calor fluye dentro del liquido a mucho mayores velocidades que la velocidad de flujo del los gases de combustión. El líquido es mucho más denso que el gas combustible, así que el calor fluye más rápido en este.

Esto se puede ilustrar con una cazuela de aluminio parcialmente llena con agua la cual se calienta en la estufa. En tanto la cazuela contenga agua, esta no se fundirá, sin importar que tan caliente este el quemador debajo. La temperatura de la cazuela será casi la misma que del lado en donde el agua comienza a hervir. Sin embargo, tan pronto como toda el agua es evaporada de la cazuela, esta rápidamente se fundirá. El calor viaja desde adentro del pirotubo hacia fuera del líquido en la siguiente forma:

FIG. 11. FLUJO DE CALOR EN UN CALENTADOR INDIRECTO


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1. El calor se mueve dentro del tubo hacia el pirotubo. Como el gas dentro del tubo no es muy denso, así que el calor no viaja rápidamente. 2. El calor se mueve en el pirotubo de dentro hacia fuera. El pirotubo está hecho de metal, el cual buen conductor del calor. 3. El calor en la pared del pirotubo se mueve en el líquido. Este no se mueve tan rápido en el líquido como se mueve a través del pirotubo, pero se mueven más rápido y líquido que en el gas dentro del pirotubo. Como el calor se mueve rápido a través del pirotubo, su temperatura será casi la misma que la del líquido. Sin embargo, se forma una capa por la parte de afuera del pirotubo esta restringirá flujo de calor a través del pirotubo, y su temperatura se elevara. Una alta formación de escamas usualmente dará como resultado la elevación de la temperatura del pirotubo ocasionando que este se funda, y tenga que ser reemplazado. Las escamas en la parte de afuera del pirotubo dan como resultado un punto Caliente, el cual es visible durante la apertura de inspección. Si la escama cubre un área significante del pirotubo, el consumo de combustible se


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incrementara, y la temperatura en la chimenea a aumentara. Si se encuentra un hidrocarburo líquido presente en el gas combustible que entra al quemador, podría no quemarse completamente. El resultado neto es frecuentemente la formación de coque en la pared interior del pirotubo. Una capa de coque en la pared del pirotubo actúa como un aislamiento así que menos calor fluirá desde el gas de combustión al líquido que se encuentra fuera del pirotubo. El efecto neto será: 1. El líquido fuera del pirotubo no estará tan caliente como es normal. 2. La temperatura del gas de combustión en la chimenea a aumentara. Una seria formación de coque puede usualmente observarse como una brasa cuando se realiza una apertura para inspección visual. En algunas ocasiones se puede retirar aumentando el aire que entra al quemador, así de esta manera, se derretirá. Sin embargo, en la mayoría de los casos, es necesario apagar el quemador y raspar el coque formado en el pirotubo.

FIG.12. ESCAMA FUERA DEL PIROTUBO DETENDRA EL VIAJE DEL CALOR A TRAVES DEL LIQUIDO. EL TUBO SE PONDRA CALIENTE Y SE PODRIA ABLANDA.


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III. APLICACIONES. Los calentadores a fuego directo son generalmente utilizados en aéreas remotas donde no están presentes el vapor u otros calores de proceso. El uso más común es en equipos de proceso de crudo y gas producidos en los pozos. Las siguientes ilustraciones muestran algunas aplicaciones más comunes de los calentadores.

Una de las ventajas de los calentadores a fuego indirecto es que no requieren electricidad para su operación. El sistema de apagado y de control usualmente opera con gas, que es producido en el lugar donde estos se localizan. Los dispositivos eléctricos pueden operar con baterías si es necesario.

FIG. 13. TRATADORES TERMICOS DE PETROLEO CRUDO CON CALENTADORES A FUEGO INDIRECTO PARA ROMPER LA EMULSION AGUA-CRUDO.


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FIG.14. APLICACIÓN DE UNA CALENTADOR A FUEGO DIRECTO

FIG. 15. CALENTADOR INDIRECTO EN UNA PLANTA DESHIDRATADORA CON GLICOL. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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APLICACIÓN DE UN CALENTADOR A FUEGO DIRECTO

FIG. 16. CALENTADORES INDIRECTOS EN VAPORIZADORES DE PROPANO. APLICACIÓN DE UN CAL ENTADOR A FUEGO DIRECTO


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FIG. 17. CALENTADORES INDIRECTOS EN UNA LINEA DE FLUJO EN UN POZO DE GAS. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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FIG. 18. CALENTADORES INDIRECTOS EN UNA INSTALACION DESHIDRATADORA Y ESTABILIZADORA DE CONDENSADOS




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IV. OPERACIÓN. CALENTADORES INDIRECTOS EN TRATADORAS ELECTROESTATICAS DE CRUDO. A. Procedim iento d e arranque.

1. Llene el recipiente en el cual el calentador se encuentra instalado de manera que el nivel de líquido se encuentre por encima de los pirotubos o revise el nivel de líquido en el calentador. 2. Cierre válvulas de la línea de combustible hacia el quemador principal y al piloto. 3. Abra la válvula en la línea de combustible hacia la alimentación del regulador de presión. 4. Establezca la presión en el regulador de combustible de acuerdo a las instrucciones del fabricante. La presión normalmente es de 100 a 200 kPa (15 a 30 psi). 5. Abra la válvula en la línea del piloto y encienda este. 6. Ponga la temperatura u otro dispositivo de control en servicio, para regular la válvula

de combustible. La válvula de combustible debe estar abierta. 7. Lentamente abra la válvula principal del quemador. Revise el patrón de la flama y ajuste el aire primario y secundario para obtener un patrón estable. 8. A medida que la temperatura del líquido que rodea los tubos se aproxima al punto de control, revise que el controlador de temperatura cierre la válvula de combustible. B. Apagado.

1. Cierre la válvula principal en la línea de combustible en la alimentación al regulador. Permita que el combustible en la línea corra hacia debajo de la válvula para quemarlo. 2. Cuando se presente fuego descontrolado fuera del quemador, cierre las válvulas en la línea de combustible hacia el quemador y el piloto.


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OPERACIÓN. PROCEDIMIENTO DE ARRANQUE C. Operación de rutina. 9. Revise el extremo del quemador en el pirotubo para 1. Revise que la temperatura u revisar algún goteo, lo cual otro controlador se encuentre indicara una fuga en el pirotubo. regulando la válvula de 10. Revise la temperatura de la combustible dentro de rangos chimenea para observar algún tolerables. La temperatura del cambio de la observación líquido debería ser entre 3°C anterior. Un incremento en la (5°F) del punto de ajuste; Si temperatura puede ser causado otra variable de proceso por: formación de fuego más controla la razón de flujo; debe difícil en el calentador, se ha estar en 5% del punto de formado coque dentro del tubo, ajuste. un tubo con fuga, un cambio en 2. Revise el nivel de líquido fuera la mezcla combustible-aire en el del pirotubo con el fin de quemador. cerciorarse que este está 11. Revisar la presión del completamente inmerso. combustible en el piloto y en la 3. Observe el patrón de la flama línea principal. en el quemador y si es 12. Revise si el líquido en el necesario ajuste el aire. separador esta drenando. 4. Opere los dispositivos de D. control. apagado a intervalos de 3 meses para comprobar que 1. Contro l de temperatura. estos funcionan adecuadamente. 5. Si el calentador tiene un El sistema de control de temperatura arrestador de flama, es usado para mantener una inspecciónelo visualmente en temperatura constante del líquido que busca de taponamientos u rodea el pirotubo variando el flujo de obstrucciones. combustible hacia el quemador. El 6. Revise si existen fugas en el sistema incluye dos dispositivos: sistema de combustible. controlador de 1. Un 7. Revise el gas que abandona la temperatura que mide cambios chimenea observando la apariencia del humo, lo que en la temperatura que rodea al indicara una fuga en un pirotubo, y que manda señal a pirotubo o presencia de una. hidrocarburo líquido en la línea 2. Válvula de control en la línea de de combustible. combustible para abrir o cerrar 8. Inspeccione el interior del adicionando más o menos calor pirotubo a través de la apertura con el fin de mantener para detectar algún punto constante la temperatura del caliente de lo cual es una líquido. indicación la presencia de escamas en la salida del El sistema es frecuentemente operado pirotubo. de manera neumática utilizando aire o ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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gas como recurso. En áreas remotas, donde no hay disponible aire, el gas natural es la fuente de poder. Éste se encuentra retirado de la línea del piloto de gas combustible la cual tiene una presión cerca de 100 kPa (15 psi). Cuando ocurre un cambio en la temperatura del líquido, el sensor de temperatura detecta el cambio y manda una señal neumatica a la válvula de combustible para abrir o cerrar. Podría tomar varios minutos para que la temperatura del líquido regrese a la normalidad ya que la temperatura del volumen y entero del líquido ha cambiado. El controlador de temperatura tiene algunos métodos para ajustar su sensibilidad de manera que la válvula de control se acelera y se mueve más que operando la abierta o cerrada. Con una baja banda proporcional el punto de referencia debe de ser 75% de esta manera reaccionará lentamente cambios de temperatura. Con una configuración baja en la banda proporcional, la válvula de control de combustible abrirá más de lo que lo haría con una configuración alta. Como resultado más calor se transferirá al líquido que rodea el pirotubo. Esto probablemente resultará en el aumento excesivo de temperatura haciendo que la válvula de combustible cierre. Esto puede ser evitado con una banda proporcional amplia, o menos sensibilidad en el controlador. Otro factor que afecta al sistema de combustible es la presión de este. Un regulador de presión en la línea de combustible es colocado para mantener una presión constante de 100 a 200 kPa (15 a 30 psi) hacia la válvula de control del combustible. La caída de presión del combustible en el regulador es ajustada la tensión del muelle en el regulador. Aumentar la tensión también aumentara la presión del combustible y viceversa.


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El regulador debe ser ajustado de tal manera que la válvula controladora de combustible se encuentre al 50% de apertura cuando el quemador este ardiendo a su normalidad. Si la presión del combustible es demasiada alta, la posición normal de operación en la válvula de control será mucho menor del 50%, y será más difícil mantener una temperatura constante del líquido que se encuentra alrededor del pirotubo. Si la presión del combustible es muy baja, el quemador podría no recibir suficiente combustible para mantener la temperatura del líquido alrededor del pirotubo. El ajuste ideal en el regulador de presión y el controlador de temperatura en el líquido son aquellos que permitan mantener la temperatura deseada en el líquido a la más baja proporción de combustible hacia el quemador. Esto se logra ajustando el controlador de temperatura y el regulador de presión de manera que el quemador arda en proporción justa y constante con la válvula de combustible abierta al 50%. El sistema neumatico de controlador de temperatura mostrado debajo usa gas como fuente de energía. 2. Flujo de aire hacia el quemador.

El ajuste de aire hacia el quemador se realiza por tres razones: a. Para mantener una flama estable, así no podrá ocurrir que la flama salga con un aumento en la proporción de gas, o con una ráfaga de aire. b. Centrar la flama en el pirotubo haciendo de esta forma que el fuego no toque la pared del tubo, causando con esto daño al tubo. c. Economizar combustible. Un exceso de aire más allá del ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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necesario para quemar el combustible dará como resultado un desperdicio de combustible por calentar el aire en exceso. Una carencia de aire resultará en una combustión incompleta, con lo cual también se desperdicia combustible.

FIG. 19. SISTEMA EN CONTROL DE LA TEMPERATURA

EFECTOS DE LA PROPORCION AIRE/COMBUSTIBLE EN EL PATRON DE FLAMA. Como previamente mencionamos, el patrón de la flama en un pirotubo debe de ser una flama larga y estrecha que no toque el pirotubo. El patrón en la flama se establece ajustando las proporciones primarias y secundarias de aire. El aire primario suministra aire para la combustión durante la primera mitad del viaje de la flama dentro del pirotubo. El aire para la combustión en la última mitad de la flama proviene de los puertos del aire secundario. Establecer la proporción de aire primario y secundario es un proceso de prueba y error. El patrón de flama variara de un quemador a otro, esto hace difícil tener un procedimiento que se aplique a todos los quemadores. Este procedimiento puede aplicarse a la mayoría de los quemadores.


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1. Si el quemador tiene un ajuste en el aire secundario, establézcalo a ½ de apertura. 2. Ajuste la placa del aire primario para obtener una flama larga y estrecha que no sea mayor de 1cm (1/2 in) retirada de la punta del quemador. La primera mitad de la flama debe ser azul con unos pocos puntos amarillos. 3. Ajuste la placa del aire secundario para sacar la mayor parte del color amarillo en la última mitad de la flama. Si es posible, analice el gas de chimenea a medida que el aire secundario es ajustado hasta que el aire de exceso sea de 15 a 20%. El ajuste apropiado de la placa en el aire secundario suele dejarse solo en 10 a 30% de abertura. Si hay exceso de aire presente, este usualmente proviene de los puertos de aire secundarios. 4. Repita los pasos 2 y 3 hasta que se establezca un buen patrón de flama con 15 a 20% de aire en exceso. 5. parcialmente abra y cierre la válvula de combustible en el quemador varias veces para asegurarse que la flama se encuentra estable a proporciones de flujo bajas y altas. Precaución: si hay alguna fuga de la flama en el que ambos el quemador y el piloto se dañen, rápidamente cierre la válvula principal de gas y permita al quemador por lo menos 10 minutos detenerse para arrancarlo nuevamente. Una fuga de ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!



flama momentánea puede ocurrir con combustible en el quemador, y puede resultar en una explosión si el

quemador encender.

se

volvió

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a

Control de aire hacia el quemador

Frecuentemente, cuando la placa de inspección se abra para observar el patrón de la flama, alguna escoria o suciedad puede desprenderse y entrar al pirotubo. Cuando esta alcance la flama se mostrara un color amarillo. Se observara una apariencia similar en la flama a cuando hay insuficiencia de aire. La arena tiene el mismo efecto. Cuanto usted revisa la flama, asegúrese que el color amarillo no sea causado por alguna suciedad que entra al calentador. Establecer el patrón de flama en un calentador nuevo es ocasionalmente mas difícil porque el fabricante suministra al quemador un mal orifico o una mala punta al quemador. Es a veces necesario establecer al regulador de presión del combustible a una presión más alta o baja de la que recomienda el fabricante. Además las instalaciones nuevas frecuentemente tienen suciedad en la tubería del combustible que puede restringir el flujo de combustible en la tubería o en el quemador.

El punto más importante a recordar en el ajuste del patrón de flama, o en realizar otros cambios en la forma de operar, es hacer una cosa a la vez, y darle tiempo para observar su efecto antes de realizar algo más. Si realizas varios cambios al mismo tiempo, podrías hacer el ajuste apropiado en algún punto y desajustar en algún punto otra variable. Entonces solo observaras los varios cambios realizados y no tendrás manera de determinar cuáles fueron los apropiados y cuáles no. La mayoría de los quemadores que manejan flujos de 1 000 000 Kj/h (1 MMBtu/hr) o menores, no tienen un ajuste secundario de aire. Consecuentemente, solo la puerta primaria de aire requiere ajuste. V. PROBLEMAS.

La mayoría de los problemas operativos que ocurren en un calentador de fuego indirecto incluyen fallas en accesorios y dispositivos de apagado. El calentador tiene solo dos partes principales- Un pirotubo y el quemadory una falla en funcionamiento de ambos se puede encontrar rápido. Cada fabricante tiene diferentes sistemas de control y apagado, así que es difícil preparar un procedimiento de problemas que se aplique a todos los quemadores. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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Como la mayoría de los problemas están asociados con equipos auxiliares, la mejor manera de resolver problemas operativos es la prevención. Cada instrumento debe de ser revisado en su operación mensualmente. Las líneas de aire para instrumentos deben ser purgadas frecuentemente. Los arrestadores de flama deben de ser retirados y limpiados a intervalos de seis meses; un separador se debe de encontrar


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localizado en el sistema de combustible y debe mantenerse drenando líquido. El siguiente procedimiento para los problemas frecuentes en operación con calentadores podría aplicarse a la mayoría de los cambiadores. El procedimiento para encontrar problemas con instrumentos y accesorios no se incluye.

Relacione cada término de la izquierda con el de la derecha que se acerque más a la descripción. ___ 1. Aire primario en exceso al quemador. de la flama. ___ 2. Aire insuficiente hacia el quemador. ___ 3. Controlador de temperatura en líquido. quemador. ___ 4. Aire secundario quemador.

a. Combustión del aire en segunda mitad b. Cerrar la válvula de combustible c. La flama muy lejos de la punta del d. Regular el flujo de combustible al

A. POCEDIMIENTO PARA PROBLEMAS CUANDO EL CALENTADOR NO SUMINISTRA FLUJO DE CALOR EN LA SALIDA. Revise el ajuste de la presión del 1. Baja presión del combustible gas. regulador y aumente al punto de diseño. a. Verifique el patrón y el color de la 2. Ajuste inapropiado de aire en el flama; ajuste si es necesario. quemador b. Revise la chimenea para verificar el exceso de aire. Corte o cierre el aire secundario si el exceso se encuentra arriba del 20% a. Compare el flujo con el diseño. Si el flujo se encuentra cerca o por encima del flujo de diseño, el calentador podría estar suministrando el flujo de calor de diseño, pero las necesidades del proceso han excedido los flujos de diseño. 3. Baja proporción en flujo de gas b. Si la proporción de flujo se encuentra debajo del flujo de diseño, revise lo siguiente por acumulación o suciedad: 1. La válvula de control del combustible. 2. El orificio de combustible en el quemador. 3. Los orificios en la punta del quemador. ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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4. El arrestador de flama se encuentra tapado y no permitirá que el aire entre al quemador. 5. El pirotubo se encuentra cubierto con carbón en el interior o tiene acumulación de escoria por fuera.


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Inspeccione el arrestador y límpielo. a. revise la temperatura del gas combustible en la chimenea. Esta incrementara en la medida que el carbón o escamas aumenten. Una temperatura mayor de 650°C (1200°F) es indicativo usualmente de un pirotubo dañado.

Es posible (pero poco común) que el 6. Cambio en el valor de calentamiento quemador fue diseñado al igual que el del combustible gas. aire establecido para la combustión para cierto valor de calentamiento de algún combustible. Si el valor de calentamiento cambia, un nuevo quemador será necesario. Consulte al fabricante del quemador. 7. El quemador se encuentra tapado o Revise, repare o reemplace. dañado. B. PROCEDIMIENTO PARA PROBLEMAS EN APAGADO DE FLAMA FRECUENTES 1. Un exceso de falta en aire primario Ajuste el aire primario y secundario a. Observe la presión del combustible línea abajo en el regulador. Si esta varía más de 15 kPa (2 psi) repare el regulador. b. Observe la acción de control en la válvula de combustible. Si el movimiento es abrupto, revise las siguiente causas: 2. fluctuaciones en la presión del combustible 1. Goteo o fuga en el diafragma. 2. el muelle del actuador se encuentra demasiado ajustado o muy suelto. 3. el controlador de temperatura se encuentra ajustado para tener acción instantánea en lugar de gradual estrangulamiento 4. La línea de aire entre el controlador y la válvula se encuentra tapada o goteando. a. Si el líquido es agua, probablemente esta se evapore antes de que pueda ser detectada visualmente en el quemador o en el pirotubo. La tubería de combustible ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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3. El combustible contiene líquido.

tendrá que ser aislada y direccionada en evidencia de agua. b. Si el líquido es hidrocarburo, humo negro aparecerá en la chimenea durante la operación del quemador o en el arranque después del apagado. c. Revise el separador en el combustible para verificar que la unidad del drenado opere adecuadamente. d. Si el separador del combustible se encuentra distanciado del quemador, 3. El combustible contiene líquido. podría presentarse condensación después de la salida del separador. Sería beneficioso insertar pequeños tubos en el líquido que rodea el quemador- pirotubo con el fin de vaporizar el líquido que condensa en la línea del combustible. 4. Ráfagas de aire apaga la flama. ( el Asegúrese que el apagado de la flama apagado de la flama es frecuente debido es debido al viento. Si así es, instale al viento una pantalla protectora alrededor. 5. Falla en el dispositivo del apagado de Revise el dispositivo. Reare o sustituya. la flama. 6. El quemador se encuentra tapado o Revise, repare o reemplace. dañado. PROCEDIMIENTO PARA PROBLEMAS FRECUENTES EN FALLAS DEL PIROTUBO 1. El calentador opera por encima del a. Revise el flujo de combustible. flujo de diseño a. Visualmente revise el patrón de la flama. b. Ajuste el aire primario para centrar la flama en el pirotubo. c. El quemador podría estar inclinado en su soporte. Revíselo y corríjalo. 2. La flama toca la pared de pirotubo. d. Los orificios al final del quemador podrían estar parcialmente tapados o incorrectamente perforados haciendo que el fuego este directamente hacia el tubo. El quemador tiene que ser reemplazado. e. Acumulación de carbón dentro del tubo puede causar puntos calientes. El carbón es resultado de poco aire o liquido en el combustible. Revise ambos. f. Instalar un forro al tubo. Revise el tubo. Si hay presencia de ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

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3. Corrosión y escorias en la salida del sarro, retírelo y aplique un inhibidor pirotubo causa un punto caliente. liquido de corrosión o sarro. Revise la coraza del calentador en 4. el pirotubo se encuentra tocando los busca de puntos calientes en donde el lados o el fondo del calentador. tubo se encuentre tocando, esta misma. Instale un soporte en el pirotubo para prevenir que este toque la coraza.

VI. DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD EN UN CALENTADOR. Una amplia variedad de dispositivos en seguridad se encuentra disponible para calentadores indirectos. La selección depende directamente del peligro potencial de calentador .Por ejemplo, un calentador utilizado para elevar la temperatura de agua en una línea de calentamiento podría probablemente no ser tan peligroso si el pirotubo quemara por fuera o existiera otra falla. Pocos dispositivos de seguridad serian requeridos. Por el contrario, un calentador en un rehervidor de glicol de una plataforma már adentro podría hacer fallar la plataforma entera, debiendo tener aquí la máxima protección contra fallas los dispositivos de seguridad pueden operar mecánicamente o semi neumáticamente. Además los dispositivos semi neumáticos pueden utilizar aire o gas como fuente de suministro. Es por esto, que es casi imposible mostrar todas las combinaciones que se encuentran disponibles. Los dispositivos típicos de seguridad se enlistan en las páginas siguientes. A. Alta tem peratu ra d el líquido.

Un dispositivo sensor, mide la temperatura del líquido alrededor del pirotubo. El dispositivo esta casi siempre programado para disparar cuando la temperatura del líquido aumenta 6 a 10°C (10 a 18 °F) por encima de la temperatura normal de operación. Por ejemplo. La temperatura normal en un rehervidor de glicol es 200°C. El dispositivo para alta temperatura está programado para el disparo a 210 °C. Si la temperatura del glicol sube a 210°C, el dispositivo actuara, moviendo una válvula de tres vías en la línea de suministro de gas a instrumentos hacia el controlador de temperatura, el gas del instrumento de control es venteado al aire. Esto en contraste venteara el aire a presión desde el controlador hacia la válvula de control del quemador. El piloto se mantendrá encendido. Cuando la temperatura del glicol alrededor del pirotubo cae por debajo de los 210°C, la válvula de tres vías en la línea de suministro de aire hacia el control de temperatura, regresara a su posición normal y el instrumento de presión por aire restablecerá la temperatura de control en el sistema haciendo que el combustible fluya hacia el quemador. B. Disparo por bajo nivel.

El dispositivo sensor de nivel – usualmente un flotador- se encuentra localizado cerca de la parte alta del pirotubo. Este disparara si el nivel cae ¡Soluciones Integrales Que Dan Resultado!

Fi . 20. DISPARO POR ALTA TEMPERATURA DEL LÍQUIDO

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hasta el punto que algún tubo no esté cubierto con liquido el pirotubo comenzara a fundirse en cuestión de minutos si no este no se cubre con liquido completamente. Cuando el interruptor de nivel dispara por bajo nivel, este mueve una válvula de tres vías en el instrumento de la línea del suministro en gas a la posición de venteo. En la posición de venteo, el instrumento de la línea de gas bloquea, y la presión por el lado de la salida de la válvula de tres vías es venteado. Esto libera presión en el diafragma de la válvula de cerrado rápido (shutdown) haciendo que la válvula cierre, así la válvula restringe y cierra el combustible hacia el quemador y el piloto, lo cual apaga el quemador.


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piloto, la cual es también un de suministro en la línea de gas de instrumentación. La presión del gas de instrumentación hacia el controlador de temperatura caerá hasta cero, y la presión en el diafragma de la válvula

FIG. 22. DISPARO POR FLAMA.

D. Disparo por alta temperatura de la ch imenea.

Este dispositivo es frecuentemente utilizado en un rehervidor de glicol, o en casos donde el líquido que rodea al pirotubo puede arder. El dispositivo sirve como un detector de fugas en el pirotubo.

Fig. 21. DISPARO POR BAJO NIVEL DE LÍQUIDO

C. Disparo por f lama.

Un apagado de flama ocurre cuando ambos, el piloto y el quemador se pierden. Esta protección se encuentra en casi todos los calentadores, y la mayoría de los proveedores tienen diferentes métodos para detener el flujo de combustible al quemador y al piloto dependiendo el tipo de calentador. Un sistema de apagado de flama se muestra en la siguiente página. Si la luz del piloto se apaga, la varilla de la llama se enfriara y cerrara una válvula en la línea del

FIG. 23. DISPARO POR ALTA TEMPERATURA EN LA CHIMENEA.


05 - Calentadores a Fuego Indirecto Final Im

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