Nombre: Michel Salomón Pizarro Ramírez Curso: 5/2 ingeniería En Petróleo.
REFINACIÓN TEMA: EQUIPOS EMPLEADOS EN PROCESOS DE REFINACIÓN. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ESPECÍFICOS
Conocer los equipos necesarios que se utilizan, en los procesos de la Refinación. Obte Obtene nerr cono conoci cimi mien ento toss gene genera rale less de los los equi equipo poss tale taless como como Intercambiadores de Calor, Hornos, Enfriadores por Aire, equipos de fuego y Generadores de Vapor, empleadas en procesos de refino. •
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INTRODUCCIÓN Cada refinería presenta presenta al observador un conjunto conjunto de recipientes recipientes,, unidos por una extensa red de tuberías, que funcionan bajo condiciones específicas (relaciones P V-T) de entrada y salida de la carga, según las característica característicass de cada proceso y sus equipos auxiliares.
Tecnología Los recipientes o vasos, generalmente de forma cilíndrica, se asemejan a grandes y altas torres que a distancia dan la impresión de una silueta de rascacielos. El diseño, la fabricación y, finalmente, la erección en sitio de estos recipientes, se hace hacen n toma tomando ndo muy muy en cuen cuenta ta norm normas as,, espe especi cififica cacio cione ness y proce procedim dimie ient ntos os técnicos que a través de los años han sido probados y aceptados por la industria petr petrol olera era,, util utiliz izan ando do sus sus prop propio ioss recu recurso rsoss y/o y/o cola colabo bora ració ción n de empre empresa sa de servicios especializados, laboratorios, talleres, universidades y asociaciones de profesionales petroleros y afines.
Metalurgia Como a la refinación corresponde procesar crudos y gases de características muy especiales, que a veces son de cierta corrosividad y también el empleo de subst substan anci cias as quím químic icas as corro corrosi sivas vas,, los los meta metale less que que se usan usan para para fabri fabrica carr los los equipos necesarios tienen que responder a normas de metalurgia específicas que garanticen durabilidad y buen funcionamiento. El alto contenido de azufre, la presencia de sulfuro de hidrógeno, sal, la humedad, ácidos utilizados en los procesos, atacan todo el equipo de refinación, el equipo auxiliar y la red de tuberías. De allí que la corrosión sea combatida constantemente mediante la util utiliz izac ació ión n de equi equipo poss hech hechos os de meta metale less resi resist sten ente tess y la prác práctitica ca de un mantenimiento preventivo eficaz. Los aceros que se usan para fabricar equipos de refinación representan un extenso surtido de aleaciones de níquel y hierro, cromo y níquel, molibdeno; aleaciones de cobre, manganeso, vanadio, silicón y otras.
Por tanto, la necesidad de emplear aleaciones especiales para fabricar los equipos significa precios más altos que se justifican por el funcionamiento y la durabilidad más eficientes y prolongadas. OPERACIONES OPERACIONES AUXILIARES AUXILIARES DE LAS REFINERÍAS REFINERÍAS Entre las operaciones auxiliares que sirven de soporte a los procesos de la refinería, están las que proporcionan calor y refrigeración de proceso, el alivio de presiones, el control de emisiones a la atmósfera, la recogida y tratamiento de las aguas residuales, el suministro de servicios básicos (energía, vapor, aire y gases para la planta), y el bombeo, almacenamiento, tratamiento y refrigeración del agua de proceso. GENERACIÓN DE VAPOR El vapor se produce por medio de operaciones con calentadores y calderas en centrales generadoras generadoras de vapor y en diversas unidades de proceso, proceso, utilizando utilizando calor producido producido por gas de chimenea u otras fuentes. Ente los sistemas de generación de vapor están los siguientes: • Calentadores (hornos), con sus quemadores y un sistema de aire de combustión ; • Sistemas de tiro o de presión para extraer del horno el gas de chimenea, sopladores de hollín, y sistemas de aire comprimido que sellan las aberturas para impedir que escape el gas de chimenea; • Calderas, formadas por varios tubos que transportan la mezcla de agua y vapor a través del del horn horno o prop propic icia iand ndo o la máxi máxima ma tran transf sfer eren enci cia a térm térmic ica a (est (estos os tubo tuboss pasa pasan n entr entre e colectores de distribución de vapor situados en la parte superior de la caldera y colectores de agua situados en el fondo de la misma). • Colectores de vapor que recogen éste y lo envían al sobrecalentador antes de que entre en el sistema de distribución de vapor. En la generación de vapor, la operación con mayor potencial de riesgo es la puesta en marcha del calentador. Cabe la posibilidad de que se forme una mezcla inflamable de gas y aire por pérdida de la llama en uno o más quemadores durante el encendido. Para cada tipo de unidad se requieren procedimientos de arranque específicos, como purga antes del encendido y procedimientos de urgencia en caso de fallo de encendido o pérdida de la llama del quemador. Si disminuye el caudal de agua de caldera y se secan las calderas, los tubos se sobrecalientan y se averían. El exceso de agua pasa al sistema de distribución de vapor y daña las turbinas. Las calderas deben tener sistemas de purga continua o intermitente para extraer el agua de los colectores de vapor y limitar la formación de incrustaciones en los álabes de la turbina y en los tubos del sobrecalentador. Se han de tomar precauciones para no calentar en exceso el sobrecalentador durante el arranque y la parada. Deberán proveerse fuentes de combustible alternativas por si se
perdiese el suministro de gas combustible debido a una parada o una emergencia de la unidad de la refinería.
Combustible para los calentadores En los calentadores se utiliza cualquier combustible o combinación de combustibles, como gas de refinería, gas natural, fuel y carbón en polvo. El gas de descarga de la refinería se recoge de las unidades de proceso y se combina con gas natural y GPL en un colector de compensación de gas combustible. Dicho colector proporciona una presión constante en el sistema, combustible con un contenido energético en Kcal/h bastante estable y separación automática de los líquidos en suspensión en el gas, al tiempo que previene el arrastre de grandes cúmulos de condensado al sistema de distribución. Normalmente, el fuel es una mezcla de petróleo crudo de refinería y residuos de destilación directa y de craqueo, mezclados con otros productos. El sistema de fuel suministra combustible a los calentadores y generadores de vapor de las unidades de proceso a las temperaturas y presiones necesarias. El fuel se calienta hasta la temperatura de bombeo, se aspira a través de un tamiz de malla gruesa, se bombea a un calentador de temperatura controlada y después se hace pasar por un tamiz de malla fina antes de quemarlo. Antes de quemar el gas combustible se extraen de él los líquidos utilizando deshidratadores previstos en las unidades de proceso. En uno de los procedimientos de generación de calor a partir de las unidades de proceso, calderas de monóxido de carbono (CO) recuperan el calor de las unidades de craqueo catalítico quemando totalmente el monóxido de carbono contenido en el gas de chimenea. En otros procesos, unidades de recuperación de calor residual utilizan el calor del gas de chimenea para producir vapor.
Distribución del vapor Normalmente, el vapor se genera en calentadores y calderas combinados en una sola unidad. El vapor sale de las calderas a la máxima presión requerida por las unidades de proceso o el grupo electrógeno. A continuación, la presión del vapor se reduce en turbinas que accionan bombas y compresores de proceso. Cuando el vapor de la refinería se emplea también para accionar generadores de turbina de vapor para producir electricidad , el vapor debe producirse a una presión muy superior de la que se requiere para el vapor de proceso. El sistema de distribución de vapor se compone de válvulas, tuberías y conexiones adecuados para la presión del vapor que se transporta. La mayor parte del vapor que se utiliza en la refinería se transforma en agua por condensación en los intercambiadores de calor y se reutiliza como agua de caldera o se descarga al sistema de tratamiento de aguas residuales.
Agua de caldera procedente de vapor El suministro de agua de caldera es una parte importante de la generación de vapor. El peso del agua que entra en el sistema de generación de vapor debe ser siempre igual al del vapor que sale de ella. El agua utilizada para generar vapor ha de estar libre de contaminantes, como minerales e impurezas disueltas que dañan el sistema o afectan a la
operación. Los materiales en suspensión (limo, materias cloacales y petróleo), que forman lodos e incrustaciones, se extraen del agua por coagulación o filtración. Los gases disueltos, en especial el dióxido de carbono y el oxígeno, que provocan corrosión de las calderas, se eliminan mediante desaireación y tratamiento. Los minerales disueltos, como sales metálicas, calcio y carbonatos, que producen incrustaciones y corrosión, y depósitos en los álabes de las turbinas, se tratan con cal o ceniza de sosa para extraerlos del agua por precipitación. Dependiendo de sus características, el agua bruta de caldera se trata por clarificación, decantación, filtración, intercambio iónico, desaireación o tratamiento interno. También debe tratarse el agua de refrigeración recirculada, para eliminar hidrocarburos y otros contaminantes.
CALENTADORES, INTERCAMBIADORES DE CALOR PROCESO
Y ENFRIADORES
DE
Los calentadores e intercambiadores de calor de proceso precalientan las cargas de las torres de destilación y de los procesos de la refinería hasta las temperaturas de reacción. La mayor parte del calor suministrado a las unidades de proceso proviene de los calentadores caldeados situados en los precalentadores de crudo y de unidades de reforma, calentadores de coquificador y rehervidores de columna grande, alimentados con gas de refinería o gas natural, destilado y aceites residuales. Los calentadores suelen estar diseñados para operaciones de proceso específicas, y la mayoría son cilíndricos y verticales o en forma de cajón. Los intercambiadores utilizan como fuente de calor vapor o hidrocarburo caliente, transferido desde alguna otra sección del proceso. También se extrae calor de algunos procesos por medio de intercambiadores de aire y agua, haces de tubos con aletas refrigerados por ventilador, enfriadores de gas y de líquido y condensadores superiores, o transfiriendo el calor a otros sistemas. El sistema básico de refrigeración por compresión mecánica de vapor está diseñado para dar servicio a una o más unidades de proceso, y comprende evaporador, compresor, condensador, elementos de control y tuberías. Los refrigerantes normalmente utilizados son el agua, una mezcla de alcohol y agua o diversas disoluciones de glicol. Para reducir el riesgo de explosiones al encender hornos calentadores se requiere un medio que permita un tiro o una purga de vapor adecuados. Cada tipo de unidad requiere unos procedimientos específicos de arranque y de emergencia. Si el fuego llega a los haces de tubos con aletas refrigerados por ventiladores, puede producirse una avería por exceso de calor. Si se produce un escape de producto inflamable de un intercambiador de calor o de un enfriador a causa de una fuga, hay peligro de incendio. Antes de desmontar un cabezal o de colocar tapones hay que asegurarse de que la presión de los tubos del calentador se ha anulado por completo. Debe considerarse la provisión de un dispositivo de descarga de presión en los sistemas de tuberías de los intercambiadores de calor por si se bloqueasen estando llenos de líquido. Si fallan los elementos de control, pueden producirse variaciones de presión y temperatura en uno u otro lado del intercambiador. Si fallan los tubos de éste y la presión de proceso es mayor que la del calentador, es posible que entre producto en el calentador con las lógicas
consecuencias corriente abajo. Si la presión es menor, la corriente del calentador podría entrar en la de fluido de proceso. Si se produce una pérdida de circulación en enfriadores de líquido o de gas, el aumento de temperatura del producto podría afectar a las operaciones corriente abajo y sería necesaria una descarga de presión. Dependiendo del combustible, de la operación del proceso y del diseño de la unidad, existe riesgo de exposición a ácido sulfhídrico, monóxido de carbono, hidrocarburos, lodos de agua de caldera de vapor y productos químicos de tratamiento del agua. Debe evitarse el contacto de la piel con la descarga de la caldera, que puede contener compuestos fenólicos. Existe riesgo de exposición a calor radiante, vapor sobrecalentado e hidrocarburos calientes.
Sistemas de descarga de presión y de llama Entre los controles técnicos incorporados a los procesos están la reducción de las concentraciones de vapores inflamables mediante ventilación, dilución e inertización. Se recurre a la presurización para mantener las salas de control a una presión superior a la atmosférica, a fin de reducir la posibilidad de entrada de vapores. Se utilizan sistemas de descarga de presión para controlar los vapores y líquidos liberados por dispositivos limitadores de presión y por las purgas. La descarga de presión es una operación automática y prevista, que se produce cuando la presión de la operación alcanza un nivel predeterminado. Por purga se entiende la descarga intencionada de material; es el caso de las purgas de arranque de unidades de proceso, purgas de hornos paradas y emergencias. La despresurización de vapores es la extracción rápida de los vapores de recipientes de presión en caso de emergencia. Para ello se utiliza un disco de ruptura, cuya presión suele ser más alta que la de la válvula de descarga.
VÁLVULAS DE SEGURIDAD Las válvulas de seguridad, utilizadas para controlar presiones de aire, vapor, gas e hidrocarburos en fase de vapor y en fase líquida, abren en función del aumento proporcional de presión por encima de la presión normal de trabajo. Diseñadas principalmente para liberar grandes volúmenes de vapor, suelen abrir instantáneamente a su máxima capacidad. La sobrepresión necesaria para abrir las válvulas de descarga de líquido, en la que no se requiere la descarga de grandes volúmenes, aumenta a medida que la válvula abre debido a la creciente resistencia del muelle. Cuando se requiere mayor estanqueidad y descargas de mayor volumen, se utilizan válvulas de seguridad pilotadas, con una capacidad hasta seis veces mayor que la de las válvulas de seguridad normales. Generalmente, los líquidos no volátiles se bombean a sistemas de separación y recuperación de aceite y agua, y los volátiles se envían a unidades que trabajan a menor presión.
OPERACIONES CON TURBINAS Y COMPRESORES DE GAS Y DE AIRE COMPRESORES DE AIRE Y DE GAS Los sistemas de extracción, ventilación y abastecimiento de aire de las refinerías están diseñados para capturar o diluir los gases, humos, polvos y vapores que contaminan los
espacios de trabajo o la atmósfera exterior. Los contaminantes capturados se recuperan, si es posible, o se conducen a sistemas de evacuación después de limpiarlos o incinerarlos. Entre los sistemas de abastecimiento de aire se incluyen: compresores, enfriadores, calderines, deshumidificadores, elementos de control y tuberías de distribución. También se emplean soplantes para suministrar aire a determinados procesos. Se utiliza aire comprimido de la planta para el funcionamiento de herramientas neumáticas, regeneración de catalizadores, calentadores de proceso, descoquización con vapor y aire, oxidación de agua amarga, desmercaptanización de gasolinas, soplado de asfalto y otras aplicaciones. También se provee aire comprimido de instrumentación para utilizarlo en instrumentos y controles neumáticos, motores neumáticos y conexiones de purga, y gas de planta (por ejemplo, nitrógeno) para la inertización de recipientes y otros usos. Para la producción de gas y aire comprimidos se utilizan compresores alternativos y centrífugos. Los compresores de aire deben ubicarse de manera que la aspiración no absorba vapores inflamables o gases corrosivos. Existe riesgo de incendio si se produce una fuga en los compresores de gas. Se necesitan colectores de separación para evitar que penetren oleadas de líquido en estos compresores. Si los gases están contaminados con materiales sólidos, deberán utilizarse tamices. La avería de los controles de los compresores automáticos afecta a los procesos. Si existe la posibilidad de que la presión máxima supere la presión de diseño de un compresor o equipo de proceso, deberán montarse dispositivos de descarga de presión. Es necesario cubrir con protecciones adecuadas las piezas móviles expuestas de los compresores. Los edificios donde estén instalados los compresores deberán tener la correspondiente clasificación eléctrica, y medios para su adecuada ventilación. Cuando se utilice aire de planta como complemento del aire de instrumentación, las interconexiones deberán estar antes del sistema de deshumidificación del aire de instrumentación para prevenir la contaminación de los instrumentos con humedad. Tal vez sean necesarias fuentes alternativas para el aire de instrumentación (por ejemplo, nitrógeno), por si se producen cortes de energía o averías de compresores. Se adoptarán medidas de seguridad que garanticen que el gas, el aire de planta y el aire de instrumentación no puedan utilizarse como fuente de aire para respiración o para la presurización de sistemas de agua potable.
TURBINAS Generalmente, las turbinas son impulsadas por gas o vapor y se utilizan para accionar bombas, compresores, soplantes y otros equipos de proceso de las refinerías. El vapor entra en las turbinas a altas temperaturas y presiones, se expande y es guiado por álabes fijos para impulsar los álabes giratorios. Las turbinas de vapor utilizadas en sistemas de escape que trabajan al vacío necesitan una válvula de seguridad en el lado de descarga con fines de protección y para mantener el vapor en caso de fallo del vacío. Si existe la posibilidad de que la presión máxima en
funcionamiento supere la presión de diseño, las turbinas de vapor necesitan dispositivos de descarga de presión. Debe considerarse el empleo de reguladores de velocidad y moderadores de sobrevelocidad en las turbinas.
BOMBAS, TUBERÍAS Y VÁLVULAS Para impulsar los hidrocarburos, el agua de proceso, el agua para extinción de incendios y las aguas residuales a través de la refinería, se utilizan bombas centrífugas y volumétricas (de movimiento alternativo). Las bombas son accionadas por motores eléctricos, turbinas de vapor o motores de combustión interna. Los hidrocarburos, el vapor, el agua y otros productos se distribuyen por las instalaciones a través de sistemas de tuberías de fluidos básicos y de proceso. Los sistemas están dimensionados y construidos con materiales que dependen del tipo de servicio, presión, temperatura y naturaleza de los productos. Las tuberías tienen conexiones de purga, drenaje y toma de muestras, así como dispositivos de corte y obturación. En función de su cometido se utilizan diferentes tipos de válvulas: de compuerta, de bypass, esféricas y de bola, obturadoras, de bloqueo y de purga, y de retención, y pueden accionarse manual o automáticamente. Las válvulas y la instrumentación que requieren mantenimiento u otras intervenciones, han de ser accesibles desde el suelo o desde una plataforma de trabajo. Pueden utilizarse válvulas telecontroladas, válvulas contra incendios y válvulas de incomunicación para limitar la pérdida de producto en las tuberías de aspiración de las bombas en caso de fuga o incendio. Como protección contra escapes las conexiones activas de purga y drenaje se dotan de una doble válvula de bloqueo o de una válvula de bloqueo y un tapón o una brida ciega. Dependiendo del producto y el tipo de servicio, se necesitan medidas para evitar el reflujo desde el conducto de descarga. Es posible adoptar medidas preventivas para evitar la rotura de las tuberías por dilatación, movimiento y cambios de temperatura. Si las bombas funcionan con flujo reducido o sin flujo pueden calentarse en exceso y romperse. La avería de los controles automáticos de las bombas puede provocar desviaciones de la presión y la temperatura de proceso. Si las bombas quedan expuestas a presiones excesivas deben preverse dispositivos de alivio de presión en las tuberías de descarga.
Servicios básicos Water . Dependiendo de la localización y de los recursos comunes, las refinerías utilizan la
red pública de abastecimiento de agua para sus necesidades de agua potable y de proceso, o bien han de bombear y tratar su propia agua potable. El tratamiento requiere varias operaciones, desde desalinización hasta filtrado, cloración y análisis. Aguas cloacales. Asimismo, dependiendo de la disponibilidad de plantas depuradoras
externas comunes o privadas, las refinerías tienen que encargarse de la obtención de permisos, recogida, depuración y descarga de sus aguas cloacales.
Energía eléctrica. Las refinerías reciben electricidad de fuentes externas o producen su
propia energía eléctrica, utilizando grupos electrógenos accionados por turbinas de vapor o motores de combustión interna. Las distintas zonas se clasifican en función del tipo de protección eléctrica necesaria para evitar la inflamación de vapores a causa de una chispa o confinar una explosión dentro del equipo eléctrico. Las subcentrales eléctricas, situadas normalmente en zonas no clasificadas, lejos de las fuentes de vapores de hidrocarburos inflamables o del agua rociada en las torres de refrigeración, contienen transformadores, disyuntores e interruptores de circuitos de alimentación. Las subcentrales suministran energía a estaciones de distribución situadas en las zonas de las unidades de proceso. Las estaciones de distribución pueden estar ubicadas en zonas clasificadas siempre que cumplan los requisitos de clasificación eléctrica. Normalmente, utilizan un transformador lleno de líquido provisto de un seccionador lleno de aceite o de desconexión al aire. Deberán adoptarse las precauciones de seguridad eléctrica normales, es decir, pisar en seco, letreros de aviso de “alta tensión” y cubiertas anticontacto, como protección contra la electrocución. Los empleados deberán conocer perfectamente los procedimientos de trabajo correctos en relación con la seguridad eléctrica en la refinería. Se utilizarán medios de bloqueo, etiquetas de advertencia y otras prácticas seguras de trabajo para evitar la conexión imprevista de equipos eléctricos de alta tensión mientras se trabaja en los mismos. .
EQUIPOS: VALVULA DE ALIVIO: Los dispositivos de alivio de presión más usados en refinerías y plantas químicas son: válvulas de alivio de seguridad tipo convencional, válvulas de alivio de presión del tipo de fuelle balanceado y válvulas de alivio de presión operada por piloto. Válvulas de alivio de seguridad tipo convencional El dispositivo de alivio de presión usado en la mayoría de los equipos de refinerías y plantas químicas es del tipo de válvula de seguridad cargada por resorte, guiada por el tope, de alto levantamiento y de modelo de boquilla. El resorte es usualmente externo y empotrado en un bonete para su protección contra el clima. La cámara del bonete se ventea a través de un pasaje interno a la salida de la válvula. Operación general: La acción de la válvula a medida que sube la presión desde su valor inicial de operación normal (asumiendo que no existe contrapresión) se describe a continuación. 1. A una presión por debajo de la presión de ajuste (típicamente 93% a 98% de la presión de ajuste dependiendo del mantenimiento de la válvula y su condición) puede ocurrir un ligero escape de presión como una sudoración entre el asiento de la válvula y el disco.
Esto se debe al progresivo decremento de la fuerza neta de cierre que actúa sobre el disco (presión del resorte menos la presión interna). 2. A medida que sube la presión operacional, aumenta la fuerza resultante sobre el disco de la válvula, oponiéndose a la fuerza ejercida por el resorte, hasta que, al alcanzar la presión de ajuste (ajustada normalmente igual al valor de la presión de diseño del recipiente), las fuerzas sobre el disco se balancean y el disco comienza a levantarse, aliviando la presión interna del equipo, manteniendo una presión normal. 3. Subsiguiente a una reducción de la presión del recipiente, el disco retorna a su posición bajo acción del resorte, pero se re–asienta a una presión menor que la presión de ajuste en una cantidad denominada “presión diferencial de purga” que es 4% a 8% de la presión de ajuste. La “diferencia de presión depurga” puede ajustarse dentro de ciertos límites por varios medios recomendados por el suplidor o fabricante de la válvula, para proveer una “presión diferencial de purga” más larga o más corta.
INTERCAMBIADORES DE CALOR: La función básica de los intercambiadores es la transferencia de energía térmica entre dos o mas fluidos a diferente temperatura. El calor fluye, como resultado del gradiente de temperatura, desde el fluido caliente hacia el frío a través de una pared de separación, la cual se le denomina superficie o área de transferencia de calor. Es decir, no existe fuente de energía térmica en un intercambiador de calor. Por otro lado, si los fluidos son inmiscibles, el área física de transferencia de calor puede ser eliminada, y la interface formada entre los fluidos puede servir como área de transferencia de calor. La transmisión de calor se lleva a cabo mediante los mecanismos de conducción y de convección. En resumen, las funciones típicas de un intercambiador de calor en los procesos industriales son las siguientes: 1. Recuperación de calor: la corriente fría recupera parte del calor contenido en la corriente caliente. Es decir, calentamiento y enfriamiento de las corrientes involucradas, las cuales fluyen simultáneamente a ambos lados del área de transferencia de calor.
2. Evaporación: una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de fase líquida a vapor. 3. Condensación: una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de fase vapor a fase líquida. Los intercambiadores de calor son realmente muy útiles en la industria. Son parte esencial de dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico. En los procesos reactivos siempre se involucran grandes cantidades de calor, haciendo necesario calentar o enfriar los componentes. El calor retirado en los enfriadores, por ejemplo, es utilizado para precalentar otros componentes del proceso que requieren estar a temperaturas elevadas. Los factores que se deben considerar en la elección de un intercambiador de calor son: - Temperatura a la que se trabaja. - Estado del fluido (vapor o líquido). - Presión a la que se someten los fluidos. - Pérdidas de presión en los intercambiadores. - Caudal del fluido (vol/s). - Acción corrosiva del fluido tratado. - Posibilidad del sistema de ensuciarse, que supone pérdida de calor. - Tamaño posible de la instalación.
Intercambiadores del tipo tubo y carcaza Este es el tipo de intercambiador que se utiliza comúnmente en las refinerías. No es caro, es fácil de limpiar y relativamente fácil de construir en diferentes tamaños y puede ser diseñado para presiones desde moderadas a altas, sin que varíe sustancialmente el costo. Mecánicamente resistente para soportar las tensiones a la cual es sometido durante la etapa de fabricación, el envío, montaje e instalación en sitio; y los esfuerzos externos e internos en las condiciones normales de operación, debido a los cambios en temperatura y presión. Fácil de mantener y reparar (aquellas partes sujetas a fallas frecuentes, tubos y empacaduras, son fáciles de reemplazar). Adicionalmente, la disponibilidad de buenos procedimientos de diseño, de experticia y de facilidades de fabricación, asegura el diseño y construcción exitosa de este tipo de intercambiadores, convirtiéndoles en la primera opción a seleccionarse para un proceso de transferencia de calor.
El intercambiador de tubo y carcaza consiste de un haz de tubos paralelos encerrados en un estuche cilíndrico llamado carcaza.
Enfriadores de Aire.
Los enfriadores de aire consisten de uno o más ventiladores de flujo axial, velocidades relativamente bajas y diámetros grandes, que forzan o inducen al aire a fluir a través de un banco de tubos, generalmente con aletas. La configuración básica de una unidad es un banco de tubos aleteados montado sobre una estructura de acero con una cámara de pleno y un anillo vénturi, un motor y otros accesorios como persianas, guarda ventilador, alambrado e interruptores de vibración. La selección entre enfriadores de aire o intercambiadores convencionales de tubos y carcaza, depende del balance económico, el cual debe considerar en la inversión inicial, los costos de las facilidades requeridas dentro y fuera del área, para la instalación de los equipos y los costos de operación de los mismos. En general, los enfriadores de aire resultan especialmente atractivos en aquéllas localidades donde el agua escasea o requieren un tratamiento costoso como una torre de enfriamiento, donde las leyes de contaminación ambiental establezcan requisitos estrictos para los efluentes de agua, donde la expansión de los sistemas de agua de enfriamiento sea necesaria, o donde la naturaleza del medio enfriante cause taponamientos frecuentes o problemas de corrosión. En resumen, estas unidades requieren una inversión inicial mas alta que los enfriadores de agua pero los costos de operación y mantenimiento son menores. Estos equipos se utilizan con frecuencia en combinación con enfriadores de agua, cuando se requiere remover una gran cantidad de calor. En este caso los enfriadores de aire remueven primero la mayor parte del calor y el enfriamiento final se consigue con los de agua. También pueden utilizarse como enfriadores de emergencia en caso de requerirse un bombeo rápido de una corriente de proceso. Estas unidades aún con el ventilador apagado, son capaces de remover por convección natural entre 15 y 35% del calor de diseño, dependiendo del rango de temperatura de la corriente de proceso entrando al enfriador.
GENERADORES DE VAPOR:
CALDERA: Las calderas son equipos que convierten el agua líquida en vapor, transfiriendo el calor liberado en un proceso de combustión al agua. Las calderas reciben agua de alimentación, la cual es constituida por una proporción variable de agua condensada y agua de reposición. Cuando el agua se evapora, las impurezas que contiene se concentran progresivamente en el agua líquida que permanece en la caldera. Para controlar la concentración de estas sustancias, parte del agua de la caldera se purga y es reemplazada por agua de alimentación con un menor contenido de impurezas. TIPOS:
PIROTUBULARES COMPACTAS VERTICALES SIN TUBOS ACUOTUBULARES COMBINADAS (Acuotubulares y Pirotubulares) CALDERAS QUE USAN COMBUSTIBLE SOLIDO
PIROTUBULARES: En este tipo de calderas, los gases calientes de la combustión pasan a través de una serie de tubos que están sumergidos en el agua de la caldera donde los gases al transferir calor al agua producen vapor. No de pasos: 2, 3 y 4 Pasos. 1.
2. ACUOTUBULARES: A diferencia de las anteriores, en este tipo de calderas el agua pasa a través de los tubos y los gases de la combustión se encuentran fuera, al transferir estos gases calor al agua la evaporan y se produce vapor. 3.
CONVINADAS O HIDRICAS: Es una combinación de acuotubular y pirotubular, El agua se alimenta a la parte pirotubular e internamente se concecta con los tubos acuotubulares. La parte acuotubular tiene tres domos, dos inferiores y una superior. La llama está en la parte acuotubular y los pases calientes pasan a los tubos pirotubulares
HORNOS INDUSTRIALES. Cuando se necesita un servicio de calefacción a alta temperatura, o que proporcione un alto flujo de calor, es habitual acudir a los hornos. Un horno es un dispositivo en el que se puede alcanzar temperaturas mucho más elevadas que con un intercambiador de calor de carcasa y tubos, por ejemplo. El mismo debe mantener dicha temperatura durante el tiempo que dure el proceso, por lo cual requiere de materiales especiales que no permitan pérdidas significativas de calor hacia el entorno (materiales refractarios que soportan altas temperaturas y son aislantes). Algunos hornos utilizan resistencias eléctricas para generar calor aunque los más comunes calientan mediante la producción de llama (combustión). Existen diferentes diseños de hornos, en función de las necesidades caloríficas, del tipo de combustible y de la manera de introducir el aire para la combustión. En algunas ocasiones, el horno también desempeña la función de un reactor (al proporcionar el calor de reacción necesario). A pesar de esta aparente diversidad, los hornos de proceso guardan una serie de características en común. En el recinto u hogar del mismo, el mecanismo principal de transferencia de energía es la radiación, desde el seno de la llama hacia los tubos colocados en las paredes. También se suele aprovechar la entalpia de los humos de combustión en una cámara posterior a la cámara de combustión, donde el mecanismo principal de transferencia de calor es el de convección. Todos los procesos de combustión trabajan con un exceso de aire u oxigeno para asegurar que la combustión sea completa. Una combustión incompleta, además de generar gases altamente contaminantes, malgasta el combustible y aumenta los costos de operación y mantenimiento del equipo. Para asegurar una combustión completa normalmente se emplea un exceso de aire entre el 5 y el 20%, dependiendo del combustible, del diseño de los quemadores y del horno. Al reducir el exceso de aire, la temperatura teórica de llama (temperatura que se alcanza cuando la combustión se realiza sin perdidas ni ganancias de calor) aumenta. Como consecuencia de ello, disminuyen las perdidas y aumenta la eficiencia térmica del horno, manteniendo por supuesto el calor aportado al proceso. Otra manera de aumentar la temperatura teórica de llama es precalentando al aire antes de inyectarlo a los quemadores; de nuevo, las pérdidas de energía son menores. Aunque una mayor temperatura teórica de llama disminuye las pérdidas (y por lo tanto, el consumo de combustible), puede dar lugar a la formación de óxidos de nitrógeno, cuya emisión está muy restringida por la legislación medioambiental.
Horno de Procesos (Convencional).
Estos hornos proveen calor, el cual es usado en los equipos aguas abajo del horno. Ejemplos típicos son hornos de columnas de destilación, precalentadores de reactores (hidrotratamiento y termoreactores) y rehervidores. Los sistemas de calentamiento indirecto, tales como sistemas de aceite caliente o sistemas “Dowtherm”, también usan hornos de procesos.
Hornos de Pirólisis Este tipo de hornos proveen calor para que una reacción química se lleve a cabo dentro de los tubos del horno. Los de craqueo térmico con vapor y los reformadores con vapor son los dos principales ejemplos. Muchas de las consideraciones y problemas en el diseño y operación de estos hornos son similares a los de los hornos convencionales. Sin embargo, estos hornos de pirólisis operan normalmente a altas temperaturas y tienen muchas consideraciones especiales. Algunos hornos, tales como los utilizados en las plantas reductoras de viscosidad y de craqueo térmico, son considerados hornos de procesos, aun cuando existen reacciones químicas dentro de los tubos. Sus temperaturas son bajas, comparadas con las temperaturas de los hornos de pirólisis; y aparte de los cálculos de craqueo, el diseño de este tipo de hornos es muy similar al diseño de hornos de procesos.
Hornos de combustión: Los hornos de llama se basan en la reacción de combustión que se lleva a cabo en los quemadores. Estas reacciones son exotérmicas por lo que al quemar el combustible se genera el calor que se transmite al material a calentar. Los combustibles que se usan en la industria pueden ser líquidos, sólidos o gaseosos. Los gases combustibles son, por lo general, subproductos de la destilación y procesamiento de crudo. El gas de refinería contiene en su mayor parte hidrocarburos saturados como el metano, etano y demás; también contiene olefinas (etileno, propileno, otros) y el resto es hidrogeno molecular. Es bastante común encontrar hornos donde el gas combustible es el gas natural, compuesto principalmente por metano, aunque su poder calorífico es inferior al gas de refinería. Los combustibles líquidos (fuel oil), residuos de la destilación atmosférica o al vacio, son empleados en refinerías de petróleo preparados adecuadamente con un producto agregado (generalmente, diesel). Su poder calorífico es similar al del gas combustible, aunque requieren una buena atomización para mejorar el contacto con el aire. La llama producida es mucho más sucia que la de los combustibles gaseosos y requieren de mayor exceso de aire. Los combustibles sólidos no son muy utilizados en la actualidad, pues el rendimiento típico de la combustión no supera el 65%.
COMPRESORES: Un compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores, reduciendo el volumen especifico del mismo durante su paso a través del compresor.
Reciprocante Tradicionalmente los compresores reciprocantes constituían el grupo de compresores más empleados en la industria. Estas son unidades de desplazamiento positivo que emplean cilindros para comprimir el aire. Muchos ya tienen entre 30 y 40 años y continúan operando satisfactoriamente. Su mayor ventaja radica en que poseen una mayor eficiencia a cargas altas y parciales, en especial aquellos de dos etapas. Sin embargo, el interés por estos equipos a decaído, principalmente debido a los requerimientos de mantenimiento, costos de instalación y ruido. Aun así, unidades de este tipo poseen la mayor eficiencia siempre y cuando reciban el mantenimiento adecuado. A pesar de esto, su rendimiento suele deteriorarse rápidamente con el tiempo debido al desgaste que sufren los cilindros, pistones y anillos. El desgaste y deterioro de las válvulas también contribuye a reducir suficiencia.
Compresor Rotativos: Se denominan compresores rotatorios a aquellos grupos que producen aire comprimido por un sistema rotatorio y continuo, es decir, que empujan el aire desde la aspiración hacia la salida, comprimiéndolo.
Compresores Centrífugos. Los compresores centrífugos son máquinas dinámicas que utilizan impulsores de alta velocidad para impartirle energía cinética al aire que luego es convertida en energía potencial en forma de altas presiones en las distintas etapas del compresor. El equipo es enfriado en cada etapa por medio de intercoolers, lo cual permite mejorar su eficiencia. Estas unidades son casi siempre enfriadas por agua.
BOMBAS. Los tipos y estilos de construcción de bombas usadas en servicios de bombeo en refinerías, plantas químicas y de servicios se resumen y describen en las. Los valores reportados para los distintos parámetros de funcionamiento son de naturaleza típica y descriptiva y no son suficientemente precisos para propósitos de tomas de decisión. Las bombas dinámicas ––centrífugas y axiales–– operan desarrollando una velocidad de líquido alta y convirtiendo la velocidad en presión en un pasaje de difusión de flujo. Tienden a tener una eficiencia menor que las bombas de desplazamiento positivo, pero operan a una velocidad relativamente alta para permitir un caudal de flujo alto en relación con el tamaño físico de la bomba. Las bombas dinámicas tienden a tener requerimientos mucho menores de mantenimiento que las bombas de desplazamiento positivo. Las bombas de desplazamiento positivo operan forzando a un volumen fijo de líquido a ir desde la zona de presión de entrada de la bomba hacia la zona de descarga. Esto se lleva a cabo intermitentemente en el caso de las bombas reciprocantes y continuamente, en el caso de las bombas rotativas de tornillo y engranaje. Las bombas de desplazamiento positivo operan a una velocidad rotativa menor que las bombas dinámicas y tienden a ser físicamente más grandes que las bombas dinámicas de igual capacidad.
BOMBAS CENTRIFUGAS Generación de Presión Las bombas centrífugas comprenden una clase muy amplia de bombas en las que la generación de presión se logra con la conversión del cabezal de velocidad en cabezal estático. El movimiento rotativo de uno o más impulsores comunica
energía al fluido en la forma de un incremento de velocidad que se convierte en cabezal estático útil en la sección de difusión del cuerpo. No hay válvulas en las bombas de tipo centrífugo; el flujo es uniforme y libre de pulsaciones de baja frecuencia.
BOMBAS DE FLUJO AXIAL Las bombas de flujo axial se aplican para caudales muy altos, y bajos cabezales en servicios con agua y substancias químicas. Algunos servicios típicos con agua son: irrigación, control de inundación, bombas/turbinas para bombeo a almacenaje en plantas de generación de potencia, y bombas de circulación para condensadores barométricos, etc. Algunos servicios típicos de plantas químicas son el de circulación para el reactor de propileno, y los servicios de circulación asociados con evaporadores y cristalizadores en la producción de sulfato de amonio, ácido fosfórico, potasio, soda cáustica y productos de azúcar.
BOMBAS RECIPROCANTES
Las bombas de tipo reciprocante son especificadas con poca frecuencia en los diseños nuevos. Se prefiere el uso de bombas centrífugas y deberían usarse excepto en las pocas situaciones donde sea necesario otro tipo. Circunstancias especiales que pueden favorecer las bombas reciprocantes incluyen las siguientes: 1. Fluidos de alta viscosidad. 2. Capacidades relativamente bajas (de 0.2 a 1.3 dm 3/s (3 a 20 gpm)) a cabezales altos. 3. Servicios intermitentes, como bombeo externo o separador de lodo y residuo, donde se debe manejar un rango de fluidos, los costos de equipos son favorables, y hay disponible un NPSH suficiente. 4. Servicio de lodo y suspensiones. 5. Servicios de bombeo simple con un rango amplio de presiones de descarga o caudales de flujo. Las bombas reciprocantes producen un flujo pulsante, desarrollan una presión de parada alta, tienen una capacidad constante cuando son accionados por un motor, y están sujetas a atrapar vapor a condiciones de NPSH bajas. Las fugas a través del empaque deben ser consideradas, ya que los sellos de tipo mecánico no son aplicables a rodillos o símbolos. Ver MDP–02–P–10 para métodos de reducción de la pulsación del flujo.
10 BOMBAS ROTATIVAS Las bombas rotativas, como clase, normalmente se refieren a las bombas de desplazamiento positivo con elementos de bombeo rotativos tales como engranajes, tornillos, álabes y lóbulos. Sólo los tipos de engranaje y de tornillo se usan en un número significativo de servicios de refinería. Todas las bombas rotativas tienen estrechos espacios entre las partes móviles, lo cual posiblemente produciría la obstrucción del movimiento de las partes enservicios de altas temperaturas o desgaste cuando se requieren aleaciones por corrosión. Las bombas rotativas para aplicaciones de refinería están disponibles en rangos de 0.06 a 315 dm3/s (1 a 5000 gpm) y para presiones diferenciales de hasta 21000 kPa (3000 psi). Normalmente están limitadas a servicios con fluidos demasiado
viscosos para ser manejados económicamente por bombas centrífugas o de otro tipo, tales como aceites combustibles pesados, lubricantes, grasas y asfalto. Las bombas rotativas que manejan líquidos por debajo de 21 mm 2/s (100 SSU) pueden tener un desgaste excesivo y fugas internas. Este desgaste, debido a las propiedades lubricantes inadecuadas del líquido, es particularmente serio en aquellos diseños que tienen cojinetes internos, engranajes de cebado internos, o donde un elemento interno acciona otros elementos de bombeo. Las bombas rotativas no son aptas para manejar fluidos con cantidades apreciables de sólidos duros o abrasivos. Cuerpos con camisas de vapor están disponibles para servicios de alta viscosidad, tales como el de asfalto. Las bombas rotativas se usan en los dispensadores de gasolina, bombas de descarga de camiones (incluyendo GLP), etc., donde el requerimiento de factor de servicio es bajo, el diferencial de presión es bajo, se requiere auto–cebado ocasionalmente, y el mantenimiento usualmente consiste en la sustitución rápida de la bomba. BOMBAS CENTRÍFUGAS: La bomba es una maquina que absorbe energía mecánica que puede provenir de un motor eléctrico, térmico, etc., y la transporta en energía que la transfiere a un fluido como energía hidráulica la cual permite que el fluido pueda ser transportado de un lugar a otro, a un mismo nivel y/o a diferentes niveles y/o a diferentes velocidades.
ANEXO:
ECONOMIZADORES El economizador, es básicamente un intercambiador de calor gases-agua, diseñado teniendo en cuenta las particularidades de su trabajo con gases de combustión y aplicando la tecnología de las superficies extendidas. El economizador, instalado en una caldera, consigue aprovechar el calor residual de los gases de combustión, traspasándolo al agua de alimentación de la caldera, con lo que se consigue reducir el consumo de combustible y mejorar el rendimiento de manera considerable. Consta de dos circuitos:
Circuito De Agua : Consiste en un haz de tubos unidos por codos de acero soldados a los tubos. Se completa el circuito con dos colectores laterales, uno para la entrada y reparto del agua y el otro para la salida de la misma. Circuito de gases : Dispuesto en contracorriente del circuito del agua está formado por una carcasa en chapa de acero y perfiles laminados, diseñada para una presión interior de los gases de 500 mm.c.a.
SOBRECALENTADORES DE VAPOR El sobrecalentador de vapor, es básicamente un intercambiador de calor gases-vapor, diseñado teniendo en cuenta las particularidades de su trabajo con gases de combustión. El objetivo es conseguir un vapor a alta temperatura que no sufra problemas de condensación en su camino desde la caldera hasta el proceso. Consta de dos circuitos:
Circuito De Vapor : Consiste en un haz de tubos unidos por codos de acero soldados a los tubos. Se completa el circuito con dos colectores laterales, uno para la entrada y reparto del agua y el otro para la salida de la misma. Los tubos son de acero sin soldadura, así como las curvas de unión haz tubular.
Circuito de gases : Dispuesto en contracorriente del circuito de vapor está formado por una carcasa en chapa de acero y perfiles laminados, diseñada para una presión interior de los gases de 500 mm.c.a.
DESGASIFICADORES TÉRMICOS El desgasificador térmico, consta de dos grupos. En el superior se realiza la desgasificación y en el inferior se almacena el agua desgasificada. El cuerpo superior o desgasificador propiamente dicho, está construido en Acero inox AISI-304. Consta de dos zonas de desgasificación y un dispositivo para purga de incondensables. El agua a desgasificar “Condensados, agua tratada y retorno de condensados” se introduce en la cabeza desgasificadora por la parte superior, a través de una boquilla pulverizadora, que atomiza el agua en el seno de la cabeza desgasificadora. El agua alcanza rápidamente la temperatura de servicio, y es realizada la primera desgasificación, donde la mayor parte de oxigeno ha sido eliminada. A continuación el agua pasa a la segunda zona de desgasificación, cámara de mezcla. Esta cámara que es de acero inox AISI-304, consta de dos cuerpos concéntricos. El interior está perforado para permitir el paso del vapor, que en ascensión hacia la cabeza desgasificadora, se pone en contacto por segunda vez con el agua desgasificadora, que baja a contracorriente. Esta agua sufre así un lavado enérgico por este vapor que burbujea a su través, y reduce aun más el contenido en gases incondesables. Finalmente el agua desgasificada en su camino descendente pasa al deposito de almacenamiento.
INTERCAMBIADORES GASES/AGUA Los intercambiadores de calor de la serie CGA. Están especialmente construidos para aplicaciones donde se desee recuperar el calor contenido en los gases de escape de motores alternativos funcionando tanto a Gas como a Gasóleo, soportando elevadas temperaturas así como flujo pulsante de gases. Por su diseño permiten instalarse en posición horizontal o vertical. Construido en sistema Pirotubular con circulación forzada en tubos y a contracorriente cruzada en el cuerpo. Formado por un paquete multitubular recto, de tubos lisos sobre placas soporte, dentro de la virola cilíndrica dotada de deflectores segmentados en diseño especial y compensador de dilatación en el cuerpo, preparado en conjunto para flujo de gases pulsantes.
