FACULTAD DE QUIMICA - 132.248.9.195
Transcript of FACULTAD DE QUIMICA - 132.248.9.195
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Do UNIVERSIDAD NACIONAL ¢‘AUTONOMA DE MEXICO
FACULTAD DE QUIMICA
“NGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR
UN CALENTADOR A FUEGO DIRECTO
ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA”
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QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO QUIMICSO
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TESIS CON es FALLA DE ORIGEN a
UNAM – Dirección General de Bibliotecas
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Jurado asignado:
Presidente Prof. MARTINEZ MONTES JORGE TRINIDAD.
Vocal Prof. ARNAUD HUERTA RAMON.
Secretario Prof. ORTIZ RAMIREZ JOSE ANTONIO.
ter. suplente Prof. LOPEZ MARTINEZ JOSE LUIS.
2da. suplente Prof. RODRIGUEZ RIVERA FERNANDO DE JESUS
Sitio donde se desarrollé el tema
Oficina Central del Sector Energético de ja Comisién Nacional para el Ahorro
de Energia CONAE
Asesor del tema
1.Q. JOSE ANTONIO ORTIZ RAMIREZ
Supervisor técnico C0 Lo
M. en C. DAVID GUTIERREZ CRUZ
Sustentante
JOSE ALBERTO MANZANO LIRA
DEDICO ESTA TESIS A:
Dios gracias por absolutamente todo, gracias por bendecirme
tanto
Mis Padres Luis Manzano G. y Sara Lira G., sin ustedes todo esto
no seria posible, Dios los bendiga siempre, fos amo.
Mi Hermana Johana, mi Tia Ma. Luisa, mi Abuelita Guadalupe™,
han sido aliento a mi vida toda mi vida, siempre estaran en mi
corazon
Todos mis Tios, Tias, Primos y Primas, por parte de mi papa y
mama, son una gran familia, gracias por creer en mi.
Mis Amigos Miguel, Victor, Luis, siempre fueron los peores en todo
pero los mejores cuates, Bety, Aritzai, Juan, Dimas, Patricia,
Sergio, Enrique, Oswaldo, Armando, gracias por su amistad,
Pedro, Laura, Marcos, lvonne nunca los olvidare, Pedro Albarran
donde quiera que estes, Imelda Ramirez !a mejor “Dofia" que he
conocido, Dios la bendiga, y a todos aquellos amigos que no los
menciono pero cuando los recuerdo me hacen sentir bien.
Nayeli, todo lo que me inspiras, no cabria en una dedicatoria, ni en
4x 10 dedicatorias, ni en una tesis, ni en 1x 107° tesis, pero todo
eso st se puede resumir en dos palabras, te amo.
CONAE. por ser la institucién que me dio la oportunidad de realizar
el presente trabajo
Los Ingenieros David Gutiérrez, Eduardo Valdivieso, Angeles
Petia, Francisco Mendoza, José T. Lugo, por su apoyo y consejos
muy significativos en mi vida profesional.
Mr Asesor J. Antonio Ortiz, su paciencia y sencillez permitieron
llegar a buen fin fa presente tesis
La UNAM por ser la mejor institucion educativa que ha existido.
México, por ser mi tierra y mi patria.
“No temas por que yo estoy contigo, no desmayes porque
yo soy tu Dios que te esfuerzo, siempre te ayudare,
siempre te sustentaré con la diestra de mi justicia.”
Isaias 41:10
“ONTENIDO Y OBJETIVO
CONTENIDO
OBJETIVOS
INTRODUCCION
GENERALIDADES
ESTRATEGIAS PARA EL DERARROLLO DEL DIAGNOSTICO
DIAGNOSTICO ENERGETICO
EVALUACION ECONOMICA
RECOMENDACIONES
ANEXO |
ANEXO Hl
ANEXO III
CUESTIONARIOS
iq
17
45
80
89
103
110
125
136
FESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR + FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA” REVISON
COUTENIDO ¥ OBJETIVO
Objetivos:
Ofrecer un procedimiento de facil aplicacion para
evaluar cuantitativa y cualitativamente la energia
que se disipa en estos equipos.
Evaluar su eficiencia térmica.
identificar los potenciales de ahorro energético y
definir medidas por aplicar las que podran ser
evaluadas técnica y econémicamente.
TESS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA * REVISON
DUCCION =
INTRODUCCION
NIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 1
GO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
uTRODUCCION _
Introduccion.
Uno de los equipos principales en instalaciones industnales de procesamiento y
transformacion de petroquimicos fiquidos y gaseosos, son los calentadores a
fuego directo, equipos que tlenen como funcién principal suministrar ta energia
térmica requerida por los procesos, entre otros.
Fraccionar los cortes de hidrocarburos en destilacién atmosférica y de vacio
Vaporizar fa alimentaci6n en reactores. Proporcionar los requerimientos térmicos en columnas de fraccionamiento.
Calentar algun ffuido térmico +7
La funcién fundamental de un calentador, es suministrar una cantidad especifica
de calor a niveles elevados de temperatura al fluido que va a ser calentado, es por
&$0 que consumen grandes cantidades de energia en forma de combustible. En
un calentador a fuego directo el calor liberado de la combustion que se realiza
dentro de una camara aisiada, se transfiere a elevadas temperaturas a un fluido
que se encuentra en el interior de un serpentin de tubos que comunmente se colocan a lo largo de las paredes y techo de la camara de combustion
Como concepto general, la eficiencia térmica es definida como la razon entre el calor absorbido por la corriente de proceso y el calor tiberado por el combustible.
En los calentadores a fuego directo se presentan pérdidas de energia, por diversas causas, y por ello es de vital importancia detectar puntos de optimizacion energatica que coadyuven a la eficientizacion de fa operacion del calentador asi como el consumo de energia (combustible), apoyandose para ello en un analisis energetico, el cual, generalmente, derivara recomendaciones que implicaran un ahorro energético econdmico, ademas de disminuir la contaminacién ambiental.
La ingenieria conceptual (que es la ingenieria que se pretende desarrollar en esta tesis), se podria definir como la ingenieria prototipo que pudiera modificar un equipo ya existente o mostrar alternativas para su mejor funcionamento, asi
como si es que se requiere, trazar las bases para desarroiiar una Ingenieria mas
profunda” en el disefio de un calentador. Por hacer un simil, un pintor establece
un bosquejo preliminar para desarrollar su obra de arte, no empieza con los
colores y la sombras, la ingenieria conceptual pretende lo mismo, hacer un
bosquejo del sistema para después profundizar en los detalles.
El presente trabajo abarca los siguientes aspectos:
En las generalidades se menciona en forma global las caracteristicas principales
de fos calentadores a fuego directo asi como su clasificacion
IIGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 2
4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
IN TRODUCCION =
En el apartado de estrategias para ef diagndstico se describe todo el procedimiento para la recopilacién de informacién que sera de utilidad para la evaluacion cuantitativa y cualitativa del equipo
fn el apartado de diagndéstico energético se describe el procedimiento para tealizar el balance energético junto con la cuantificacién de la eficiencia, estos parametros seran base en Ja deteccién de puntos de oportunidad para el ahorro energético adicionalmente se efecttia un ejemplo de un caso tipico en la industria
En el apartado de evaluacién econdémica se describe el procedimiento para cuantificar econdmicamente las medidas de ahorro que sean de inversion efectuando un ejemplo que es la continuacién del apartado de diagndstico
energético
En el apartado de recomendaciones se dan los principales puntos a considerar en ta operacion de un calentador a fuego directo
En el esquema No. 1 se muestra la secuencia propuesta a seguir para la obtencién de un diagndéstico energético en un calentador a fuego directo, este esquema es el esqueleto de la presente tesis.
ENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 3
« FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
GEMERALIDADES. a
GENERALIDADES
iS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 4
4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA
DADES
SECUENCIA GENERAL PARA EVALUACION ENFRGETICA
¥.
DATOS DE DISENO > FORMATOS (1 DISENO) <
|
¥ —— - FOR »u"PO DE [| —-»! DATOS DE CAMPO S| ORMATOS
INSPECCION FORMATOS VISUAL <
¥
EVALUACION ANALITICA (ESTADO FISICO ACTUAL
(1 OPERACION) DELCFD)
5 NCIAS DE IDENTIFICAGION DE OPERACION RECOMENDACIONES >| FORMATOS
MANUAL AJUSTES a) OPERACIONALES lg DE EXCESO DE AIRE" b) MANTO |
v EVALUACION TECNICO- ECONOMICA DE LAS RECOMENDACIONES
PLAN DE ACCION
REPORTE
Esquema No. 1
NERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 5
UEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
EVALUACION VISUAL
Gene
i Ca
La
Su
4-
2-
3-
bh wow
RALIDADES -
ralidades
tegoria de servicio de los calentadores
industria que requiere en sus procesos calentadores a fuego directo divide
aplicacion en seis (6) categorias de servicio general, los cuales son:
Rehervidor.
En esta aplicacién particular, la temperatura de salida de un rehervidor
generalmente cae en el rango de los 204 a 288°C (400 a 550°F),
Calentador de carga a columnas fraccionadoras
Se refiere al servicio de un calentador de alimentacién a una columna de destilacién atmosférica, donde el aceite crudo entra al calentador como un liquido a 232°C (450°F) y sale cerca de los 371°C (700°F)
Calentador de carga a reactores
En este caso se trata del calentamiento de un componente individual, fase sencilla como et sobrecalentamiento de vapor en las secciones de reaccién del proceso de elaboracién de productos petroquimicos En estos servicios,
la temperatura de entrada del fluido tipicamente es de 371°C (700°F) y su temperatura de salida de aproximadamente 815°C (1500°F).
Calor suministrado para medio de transferencia de calor
Muchas plantas suministran calor a usuarios individuales, via un medio de transferencia de calor intermedio. Para este servicio el empleo del calentador se utiliza para elevar la temperatura del medio recirculante, que
es tipicamente un aceite de calentamiento, (Dowtherm, Termino!, Molten
Salt, etc ).
Los fluidos que circulan a través del calentador en estos sistemas, casi siempre permanecen en fase liquida desde Ja entrada hasta la salida.
Calor suministrado a fluidos viscosos
Con frecuencia el aceite pesado debe ser bombeado desde un lugar a otro para su proceso. A bajas temperaturas el aceite puede tener una viscosidad demasiada alta para ceder al bombeo, por lo que es empleado un calentador para elevar la temperatura del aceite y asi, facilitar su bombeo
IS iNGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 6
“A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
SENERALIDADES
6 - Calentadores reactores
Calentadores reformadores de hidrocarburos - vapor, en los cuales los
tubos de la camara de la combustion funcionan individualmente como recipientes de reaccion verticales llenos con catalizadores de niquel. En reformadores que producen hidrégeno, las temperaturas de salida del fluido varian de 788 a 899°C (1450 a 1650°F)
il Clasificacian de calentadores de acuerdo al arreglo de los tubos del serpentin
Los calentadores a fuego directo se pueden clasificar de acuerdo a su forma, en horizontales y verticales esto debido a la orientacién del serpentin en la seccién de radiacion
a
b) c) qd) e) f} g) h)}
i)
) k)
)
Wl
Cilindrico — vertical, todo radiante Cilindrico ~— vertical, serpentin helicoidal Cilindrico — vertical. con convecci6n (flujo cruzado) Cilindrico — vertical con conveccién integral Arbor o wicket
Tubos verticales con doble fuego Cabina con tubos horizontales Caja de doble celda con tubos horizontales Cabina con tubos horizontales y pared divisoria
De caja con tubos horizontales y quemadores en las paredes Caja con tubos horizontales y quemadores en las paredes,
con seccién de conveccién montada a un lado. De tubo horizontal, de doble fuego.
En las figuras No 1, 2, 3 y 4 se muestran los tipos de calentadores a tos cuales
nos refermos en los puntos anteriores, asi como sus principales caracteristicas
Componentes de los calentadores.
Las secciones y partes que integran un calentador a fuego directo son idénticas para ambos tipos, vertical y horizontal, en la figura 5 se indican las partes constitutivas de un calentador tipo caja con serpentin horizontal, mientras que en la figura 6 se indican las partes para un calentador vertical con seccion de conveccién
TESIS “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 7
& FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
ERALIDADES
conunuacion se presenta una descripcidn de dichas secciones y partes
Seccion de conveccién- £s la seccién de transferencia de calor directamente
Seccion de radiacién -
Quemadores -
Polea de
Reemplazamiento -
Polea de pintores.~
Chimenea -
localizado debajo de fa chimenea, utilizando el calor ascendente de los gases calientes de ja combustion En esta zona los tubos estan en forma horizontal tanto para calentadores verticales como horizontates.
Es la mayor parte que utiliza el calor radiante de los quemadores Aunque en algunos calentadores el calor
de la flama de los quemadores se dirige hacia un muro
ceramico el cual irradia calor a tos tubos, normaimente los tubos reciben el calor directamente de los
quemadores
Es la parte del calentador el cual quema el combustible
gas 0 liquide, en ocasiones ambos, produciendo una flama de calor intenso Los quemadores son
normalmente instalados al piso de los calentadores. Sin embargo algunos calentadores horizontales pueden
tener los quemadores montados lateralmente. E] numero y tamafio de quemadores son determinados por el proveedor de acuerdo al uso del calentador
Solo para calentadores verticales. Es un anitlo colocado
arriba de fa chimenea utilizado para reemplazar los tubos. Actualmente distintas companias utilizan equipo movil para el reemplazo de los tubos. Pocos calentadores tienen esta polea.
Es un anillo cercano a la parte superior de la chimenea con una extension de cable de acero estirado a nivel de piso el cual es utilizado cuando se pina Ja chimenea
Es la parte cilindrica usada para transportar los gases de combustidn a Ja atmésfera, y al mismo tiempo produce un tiro a los quemadores. La altura de fa chimenea es determinada por el tiro requerida y demandas ecolégicas (el quemar gas es relativamente limpio, ya que el combustible liquido produce humos) Las chimeneas pueden ser montadas sobre !a parte superior del
calentador o pueden montarse al piso con ductos
grandes para dirigir los gases de combustion hacia ellas En areas densamente pobladas, a menudo algunos calentadores tienen ductos que llegan a una chimenea comtn montada a piso la cual puede ser de 300 pies de
NIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINANo 8
© DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
‘sampae (damper)
CONP KON del
prinometro de tire -
Conexion vapor de apagado -
Transicion chimenea
(puente} -
Puertas de acceso -
Anillos de soportes
de tubos -
Caja de cabezales -
altura o mas Con este disefio la chimenea es normalmente de concreto.
Es un plato plano de acero Jocalizado directamente arriba de la seccién de conveccién, conectado a una
flecha y una rueda de acero Los cables de control estan a nivel de piso para disponer Ja operacién y regular el tiro del quemador por abertura o cierre de la mampara
Las mamparas pueden ser conectadas para trabajar automaticamente
Normalmente son coples localizados justo debajo de la mampara y en la seccién de radiacién, cercano a los quemadores Es un instrumento de diferencial de
presion, llamado manémetro de tiro, para esto es
conectado a dos copies para medir e! tro del quemador.
Normaimente es un cople de 2 pulgadas localizada en ambas secciones El vapor es usado para extinguir (por sofocamiento) las flamas Si la ruptura de un tubo causa fuego, una valvula de deteccioén es abierta para introducir ef vapor dentro del calentador En fos calentadores grandes existen muchas conexiones de este tipo.
Es la seccion fabricada bajo la chimenea, efectuandose la transicion de Ja forma rectangular del calentador a la chimenea cilindrica. Es ademas usado bajo la seccién
de conveccién para reducir el area de flujo entre dos partes rectangulares.
Son puertas que proporcionan la entrada al calentador
para inspeccionar fos tubos o hacer reparaciones El
acceso a las puertas debe mantenerse limpio
El anillo que soporta los tubos en un calentador vertical. La figura 6 muestra estos anillos en la parte superior Sin
embargo los tubos pueden ser soportados desde abajo Frecuentemente los disefios de tuberias pueden tener los anillos de soporte de tubos localizados para adaptarse a la expansion de tuberia, ayudando a aliviar los problemas de tension o presion.
Seccion al final de los tubos en la parte de radiacién los cuales pueden girar 180°. Las puertas son moviles para
MERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 9
£ GO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
SLNERALIDADES
Guias de ttbos -
Anclaje de tubos -
Puertas de observacion.-
Piso del quemador.-
Piloto de gas.-
Umones de paso (crossovers) -
Puertas de explosi6n -
1a inspecciOn y no deben ser obstruidos por tuberias.
Situados directamente en fos tubos para mantenerlos en
el giro de estos (en forma ondulada) solo en los
calentadores verticales En los calentadores horizontales
los soportes de los tubos también sirven como guias
Es ef punto def tubo donde se encuentra sujeto o
anclado, se aplica principaimente a los calentadores
horizoniales.
Son pequefias puertas abiertas por operadores para ver
el tamario y color de flama y el brillo del tubo Las
valvulas de control de los quemadores deberan ser
localizadas cercas de estas puertas para poder regular
el flujo del combustible mientras se observa la flama del
quemador dichas puertas pueden ser localizadas en la
pared del calentader y no deben ser obstruidas por
tuberia. Son comtinmente llamadas mirillas del
calentador.
Plato de acero del fondo de calentadores verticales y
horizontales.
Es una flama pequefia y constante que inicia el
quemado del combustible.
La tuberia que conecta a los tubos de conveccién con
los tubos de radiacién, pueden estar localizados dentro o
fuera de la caja del calentador. Las conexiones externas
deben ser aisiadas. Dicha tuberia de union es
normaimente (no siempre) proporcionada por el
proveedor del caientador, aunque raramente
proporciona el aislamiento.
Disefiadas para dar y aliviar la presion en caso de una
explosién interna Deben de estar libres de tuberia.
“INGENTERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 10
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA*
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Pilote de
seuunidad
FIGURA No. 5
Anillo de polea pasa 1eemplazo de tubos
_Anillo de potea de pintores 1
Ps Chimenea auto sopoitada
Mampaia
Canesidn del manometro de tro . Soporte de flecha de fa mampata
Tiansician de chimenea Rueda de la mampata —_—
Paneles Puerta de acceso
\apor de apagado Pp“ Seccidn de convecei6n
Dien bars —_— Transicién
Puerta de acceso Anilos de soporte de tubos
Vocits de caja de cabezales Plataforma cucular
tba de aeeto entero
Guias de tubo de aleacién
Espacio para quemador
© onc\ion del manometro de tio Vapor de apagado
PTT
mee Caja de cabezales a
Pucitas de abservacion ¥
pucitay de aeceso a piso . Puettas de caja de cabezai
Plares de concreto ~~
Calentador vertical
FIGURA No. 6 16
RATEGIAS PARA EL. DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO _
ESTRATEGIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
TESIS “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 17
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA “
EGIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO _
DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO ENERGETICO
I.- Objetivo
Eyaluar la eficiencia energética y detectar potenciales de ahorro de energia
en los calentadores a fuego directo.
tl.- Alcance
El estudio se enfocara al calculo de la eficiencia energética del calentador
mediante el balance de materia y energia, de acuerdo a lo indicado por el
estandar API-560 (American Petroleum Institute) apéndice G “Calculo de fa
eficiencia térmica en calentadores a fuego directo de proceso”, las
actividades que se realicen para cubrir el objetivo, deben presentarse con la
amplitud y profundidad necesarias para obtener una vision global del uso
energético del equipo auditado, asi como su posibilidad de eficientarlo y
optimizarlo.
La finalidad de un diagnéstico energético de calentadores a fuego directo
comprende:
« Evaluar las condiciones actuales de operacidn del equipo.
« Establecer su potencial de ahorro energético en funcién de sus caracteristicas
de diseno.
* Determinacién de puntos de ahorro energético y proponer alternativas para
reducir pérdidas sin modificar el equipo. .
* Recomendar modificaciones técnicas y economicamente viables que permitan
incrementar su eficiencia energética de operacion
I.- Analisis energético del calentador a fuego directo,
Para poder hacer una evaluacién energética lo mas real posible def calentador a
fuego directo es necesario contar con informacion cuando esta operando
(condiciones actuales) y como fue disefiado (condiciones de disefio), esto con la
finalidad de poder comparar y verificar que comportamiento sigue en condiciones
de operacién y si es necesario reajustar la operatividad del equipo, incluso
cambiar o adicionar partes del equipo para mejorar su rendimiento.
En este apartado se efectuaran los anéalisis energéticos correspondientes al
disefo original y de operacién actual, de acuerdo a lo siguiente’
S INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTAQOR PAGINA No 18
i‘ FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA “
tAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO _
A) Conocimiento y analisis de los datos generales del equipo
Medianie ef empleo del formato 1, que se encuentra en el anexo Il, sera posible
conocer los datos generales del equipo en consideracion, entre otros puntos
tenemos
Capacidad de procesamiento actual
Tipo de calentador:
Servicio del calentador:
Servicio(s) de la(s) seccién(es) de
conveccion.
Combustible empleado:
El parametro sera indicativo de si el equipo
en estudio esta siendo forzado al limite de su capacidad o bien, opera por debajo de
su condicion de disefo.
A partir de ésta descripcidn, se conocera si es un horno cilindrico vertical, horizontal,
tipo “caja”, con una, dos o mas celdas;
caracteristicas del (los) banco(s) de
conveccion; focalizaci6n y numero de
quemadores.
Este concepto identifica la funcidn del
equipo en el esquema del proceso del cual
es parte. Es decir, horno reformador, calentador de primaria, calentador de
etileno, horno reactor de viscosidad, rehervidor de torre fracionadora, etc., (estos
se describen en el punto de generalidades).
El describir este concepto indica si dicha(s)
seccién(es) se utiliza(n), ademas del precalentamiento de la corriente de proceso, pafa algunos de Jos siguientes
propésitos’ calentamiento y saturacién de agua, vaporizacion parcial o total de agua,
sobrecalentamiento de vapor, integraci6n
energética con alguna otra corriente de
proceso, etc
En este apartado es necesario indicar el tipo de combustible empleado, liquido o gas; a parti de esta informacién se puede
evaluar la eficiencia y la capacidad energética del calentador, dicha evaluacion
es distinta para cada tipo de combustible
TF SIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTAOOR PAGINA No 19 4, FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
Pg Como puede apreciarse, el conocimiento previo en gabinete de la informacion
descrita en el parrafo anterior, permitira tener una vision inmediata y suficiente del
equipo proximo a evaluar
BAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
En et formato 3 "A" del anexo Il se tabulan las variables a considerar para el
diagnostico energético (fluido de proceso y gases de chimenea), en et formato 3
B se complementa la informacion concerniente a las caracteristicas fisicas y
quimicas de las corrientes involucradas en el formate 3 “C”, se muestran los
requerimientos de medicion in-situ al momento de hacer el levantamiento
(verficacion de existencia, operatividad y suficiencia de la instrumentacién) y en el
formato 3. ‘D' se resume la informacién minima necesaria para determinar Sa
efictencia en un calentador a fuego directo.
Dado que la siguiente etapa del desarrollo consiste en la recopilacién de informacion detallada del equipo, dicha fase sera mucho mas redituable y efectiva
por e| hecho de conocer e inferir de antemano, la funcion y caracteristicas
operacionales del equipo en cuestion.
B) Recopilacién de informacién detallada de disefio y operacional del
calentador
Esta actividad de campo consiste en lo siguiente:
B 1) Recopilacién de documentos de disefio.
La documentacién basica y fundamental para el desarrollo del estudio y analisis
energético es fa siguiente:
« Hoja de datos del calentador en el formato API (American Petroleum Institute).
Necesariamente tiene que ser la generada o proporcionada por el proveedor
de! equipo (en el anexo | se presenta un ejemplo de la misma).
» Dibujo o plano del arreglo general del calentador. También es un documento
suministrado por el proveedor del equipo.
+ Diagrama de tuberia e instrumentacién def equipo. Documento elaborade
durante el desarrollo de la ingenieria.
* Curva de liberacién de calor del modelo de quemador instalado Informacion
procedente del fabricante de dicho equipo. Documento proporcionado por el
proveedor.
+ Diagrama de flujo del proceso del cual el calentador es parte.
En el formato 2 del anexo Il, se muestra dicha informacion basica requerida para
la evaluacién energeética.
SIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 20
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA “
EGInS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO —<——
B 2, Recopilacién de datos operacionales.
Es importante si se tiene, contar con la siguiente instrumentacion portatil
previamente calibrada. para el levantamiento de datos operacionales:
+ Termometro de superficie e infrarrojo
+ Analzador de gases de combustion (Orssat, MOT-1500, entre otros)
+ IMandometro de tiro
Para el apoyo de esta tarea se cuenta con los formatos 3 A,B,C y D que se
encuentran en el anexo II, con el propdsito de tener una vision inmediata y
suficiente del calentador a evaluar.
Para efectuar la evaluacién energética del calentador en el sitio de trabajo, se
requiere obtener y determinar la siguiente informacion, efectuando las mediciones
necesarias con el fin de corroborar estos datos con los de Ia bitacora de la planta
del equipo auditado.
Nota: Debera hacer mediciones durante el periodo de inspeccién del calentador,
asi como recopilar informacion de un periodo de operacion a carga maxima y
normal, que sea representativo del comportamiento del calentador.
B.2.1.. Proceso de combustion (Disefio/Actual):
1)- 2).- 3). 4).-
5) - 6) - 1).
8)- 9) -
10).-
11).-
Tipo de combustible. Flujo de combustible. Poder calorifico (alto y bajo).
Composicién def combustible, caracteristicas del
combustible durante el periodo analizado Temperatura de gases de combustién.
Composicién de gases de combustion.
Presién de los gases de combustion en diferentes
puntas {tiro). Relacién combustible / aire.
Exceso de aire empleado o % de oxigeno. Si se cuenta con precalentamiento de aire: 10.1. Temperatura de entrada y saiida del aire. 10 2. Temperatura de entrada y salida de los gases
de combusti6n. Temperaturas de pared en diferentes puntos del
calentador (termografia).
B.2.2.- Corriente de proceso (Disefio/Actual):
1) -
Flujo
NGEMIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 21
js FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
o =GIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
2) - Composicién.
3}- Propiedades fisicas 34- Densidad / densidad relativa
3.2.-_ Viscosidad
3.3.- Calor especifico 6 entalpias
3.4... Calor iatente de vaporizacién
3.5- Porciento de vaporizacion
{entrada / salida)
3.6.- Conductividad térmica
37- Peso molecular
4)- Temperatura de entrada y salida
5)- Presion de entrada / salida.
6)- Maxima caida de presion disponible / calculada
(por simulacién).
B.2.3.-. Calentador a fuego directo (Disefio/Actual):
1) - Tipo de calentador.
2)- Tipo de tiro.
3) - Carga térmica de disefio y operacion (normal y
maxima). 4).- Porciento de sobredisefio
5).- Eficiencia de operacion (la eficiencia térmica debera
determinarse con el poder calorifico bajo e indicar
con que porciento de exceso de aire se determind),
compararla contra Ja de disefio
6) - Numero de quemadores instalados.
7) - Tipo de quemadores instalados.
8) - Arreglo y localizacion de los quemadores.
9).- Calor liberado por cada quemador
Si el calentador emplea combustible liquido:
40) - Numero de sopladores de hollin instalados.
11) - Tipo de soptadores de hollin instalados.
12).- Periodo de operacién de {os sopladores.
13).- Tipo de vapor utilizado en los sopladores
14).- Tipo de refractario.
44.1) Maternal del refractario
44.2) Tipo de recubrimiento del refractario.
NGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 22
> FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
LSTRATEGIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
INFORMACION ADICIONAL
15).-
Pg Zona de radiacion:
151.- Arregio de los tubos
15 2.- Numero de pasos. 153.- Numero de tubos
15 4.- Material de los tubos 155.- Diametro exterior de los tubos
156.- Espesor de tubos. 15.7.- Longitud efectiva de tubos 158.- Carga térmica de disefo y de operacién.
159- Presion de gases de combustidn de
operacion y de disefio a la entrada y salida
del calentador.
16).- Zona de conveccién:
16.1.- Tipo de tubos empleados.
46.2... Tipo de superficie extendida.
163.- Altura pernos. 16.4... Diametro pernos
16 5.- Distribucién de pernos. 16.6.- Camas futuras.
16.7... Numero de pasos
16.8.- Arreglo de los tubos 16.9.- Ndmero de tubos por hilera,
16.10.- Numero de hileras. 16 11.- Espesor de tuberia 16 12.- Diametro de los tubos. 16.13 - Espacio disponible para los tubos.
16 14.- Espacio requerido para los tubos
16 15.- Numero de tubos. 16 16 - Longitud efectiva de tubos.
16 17 - Matertal de los tubos. 16 18 - Carga térmica de disefio y de operacién
{normal y maxima).
17)... Chimenea:
17.1.- Tipo 17 2.- Cantidad
17 3.-- Diametro interno.
WIGE NIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 23
& FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA’
C TRATEGIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO o
17.4.- Altura 417.5- Material
18).- Quemadores (ver anexo Il)
18 1.- Tipo.
18.2... Marca / modelo (Disefio y actual).
18.3.- Cantidad
48.4 - Calor liberado por quemador (Disefio y
Normal)
185.- Materiales de construccion
19).- Si existe equipo auxiliar para generar vapor 3
recalentar:
19.1- Temperatura de entrada del agua o vapor
192.- Presién de entrada del agua 0 vapor.
19 3,.- Composicion del agua 0 vapor.
19.4.- Tipo de vapor generado.
49.5- Temperatura del vapor generada.
196.- Presién del vapor generado.
197.- Temperatura de entrada y salida de los
gases de combustion en el recuperador de
calor.
20).- Aislamiento externo.
20.1.- Tipo y espesor.
20.2... Estado actual del ais!amiento de las lineas
y del equipo).
20 3.- Material del aislamiento
21.- Dimensiones generates del calentador (Arreglo
general del equipo.
22.- Diagrama de tuberias e instrumentacién del
calentador.
23,.- Analisis termografico.
Evaluacion de puntos calientes en las paredes del calentador. importante para
localizar los posibles dafios en el refractario, asi como para determinar puntos
de aseguramiento de calidad.
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No: 24
>» FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ”
CSTRATEGIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO oO
C) Preparacion de las mediciones
Se sugiere que previamente a la prueba en que realizaran las mediciones,
se mantenga la carga de! horno (entrada del fluido de proceso, combustible a
quemadores, entrada de aire primario, damper) durante 1 hora a condiciones
normales de operacion, a fin de que se estabilice el calentador. A partir de los 30
minutos, de que esta se haya logrado, se procedera a iniciar la prueba. Los
parametros se consideran estables cuando la variacion entre una toma y otra no
salgan de los limites establecides en la siguiente tabla*
DATOS LIMITES Composiciones +1%
Temperaturas + 10°F Presiones + 5%
Flujos y relaciones de flujos + 5%
Poder calorifico + 5%
Se pueden hacer dos lecturas después de Ja verificacién de estabilidad del
sistema, et levantamiento sera cada dos horas; por la que el tiempo tatal de
muestreo sera de cinco horas y media
’ La yariacion en porcentaje entre un dato y otro se puede hacer segun la
siguiente formula’
Valor minimo OO - ‘) x 100 = porciento de variacién
Valor maximo
Los valores minimo y maximo deben estar en las mismas unidades.
“TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 25
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
GlaS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO oY C 4, lista de mediciones y lugares donde se va a efectuar
MEDICION Medio ambiente
- Temperatura ambiental bulbo
seco - Temperatura de bulbo
humedo.
- Presion barométrica.
Gases de chimenea
-Analisis de gases.
-Temperatura de gases.
Flujo de proceso
-Flujo
-Presién
-Temperatura
Combustible
-Fiujo
-Temperatura
Aire
-Temperatura
Superficie
-Temperatura de superficie
LUGAR
Area donde se encuentra el calentador a fuego directo
Toma de lecturas antes de la
seccion de conveccién.
Medidores ocalizados en el
serpentin de alimentacién, el cual
entra por la seccién de conveccién , y en el serpentin de
salida, seccidn de radiacién
(pueden existir varios serpentines
de alimentacion y salida, cada uno
con medidores independientes)
En el tanque de dia, a la descarga de la bomba de combustible o en
la caseta de suministro
Temperatura del aire parte baja de
la seccién de radiacién, en el
ducto de aire o a la salida del
precalentador de aire (si existe).
En toda la superficie del
calentador (seccién de conveccion
y radiacién).
:GENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 26
+ FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA '
w AS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
© 2) Instrumentos de medici6n.
a) Temperatura
Termémetro de bulbo - Se basan en la dilatacion de un liquido, que por lo
regular es mercurio o alcohol, que se encuentra en un depdosito de vidrio llamado
bulbo, al dilatarse el liquido sube por un tubo de vidrio generalmente graduado en
grados centigrados o fahrenheit (°C 0 °F)
Termometros de resistencia - Se basan en la propiedad fisica de los metales para modificar el valor de su resistencia eléctrica con la temperatura La
temperatura se mide en funcion a los cambios del valor de la resistencia.
Termopares - El funcionamiento de los termopares se basa en el principio
fisico de que si se unen dos alambres de metales diferentes y el punto de union
se calienta o se enfria, aparece una diferencia de voltaje entre los dos extremos
no catentados o enfriados (efecto seebeck) La magnitud de la diferencia de voltae que resulta del efecto Seebeck es bastante pequefia (del orden de rmlvoltios). La diferencia de voltaje es directamente proporcional a la diferencia
de temperatura que existe entre la union caliente y los extremos frios
Las combinaciones de metales mas empleadas para fabricar los termopares
son las siguientes hierro y constatan, cromel y alumen {aleacién de niquel y
cromo, y de aluminto y niquel respectivamente), y platino y platino-redio.
Termometros digitales: Existen en el mercado sondas de resistencia o
termopares que se conectan a dispositivos digitales que con precision y facilidad
registran la temperatura en diferentes condiciones.
b) Presién
Para medir la presidn en liquidos 0 en vapor, se usaran mandmetros, por lo regular de tubo de Bourdon, que es un tubo en forma de media herradura
cerrado en un extremo y en el otro conectado a la fuente de presién que se va a medir . la que hace que la herradura se abra o se cierre dependiendo de una
mayor o menor presion. El movimiento se transmite por medio de un mecanismo
de relojeria a una aguja sobre una caratula graduada, donde se lee la presion
manometrica.
Presion barométrica: Esta es la preston atmosférica del lugar y puede ser
determinada conociendo la elevacién sobre el nivel del mar del lugar o medirla con
un barometro de columna de mercurio, m de columna de agua o en algunas
ocasiones en otras unidades de presi6n (kg/cm? o Ib/in’)
IGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 27
», FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
S
oO “Rai PGIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
cy Flujo
Se puede medir utilizando una placa de orificio, venturl o tubo pitot La
‘aida de presién de los fluidos al pasar por estos dispositivos es proporcional al audal que circule por la tuberia Si mediante un mandmetro se registra la caida
4% preston podra determinarse Ja magnitud del flujo
iedidores ultrasonicos de flujos El principio de medicién de estos equipos -:s el efecto Doppler, basado en la propiedad de que las frecuencias de las ondas
conoras de un foco emisor varlan con la velocidad relativa respecto al observador
Fn estos equipos se emite una sefial ultrasonica en el seno del fiquido que sera
refieyada por las particulas suspendidas o por las burbujas que se desplazan con
sx fluido cuyo caudal se desea medir.
d; Combustion
Analizador de gases de combustién Orsat: Se basa en el cambio de
volumen que sufren ciertos compuestos al absorber el CO, CO, y O, contenido en
oS gases de combustion. Consta de una bureta , tres tubos de absorcién, una
a de nivel, tubos de conexidn de vidrio y mangueras. Usa potasa caustica nue absorbe el CO,, acido pirogalico para absorber el O,, y una disolucién de cloruro cuproso en amoniaco para absorber al CO La medicion de estos gases se
efectua como una funcion del cambio de volumen de estos liquidos.
Analizador electronico de gases de combustién: Este tipo de instrumentos,
muten conocer la composicién de CO, CO,, O,, NO, y SO, mediante el uso de celdas electroquimicas, las cuales varian su_ resistividad al absorber los
componentes de los gases de combustion (CO, CO,, O,, NO, y SO,) La mayorta
estan programados para calcular la eficiencia de combustién Adicionalmente,
proporcionan la temperatura ambiente y la temperatura de gases de combustion y
en algunos casos vienen equipados con una bomba de succién y filtros para determmar la mancha de inquemados (cuando se trata de combustibles liquidos)
por el metodo Bacharach. Una de sus principales caracteristicas, es que la
mayoria de ellos se autocalibran y permiten la comunicacién directa con una computadora personal (los analizadores que cumplen con estas caracteristicas
son el MOT-1500 y el BACHARACH Mod, 300, para mas detalles ver anexo de
comparacion) Hay que compararlo periédicamente con un Orsat o con gases
patron
‘NIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 28
O DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
oy AS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
C 2; Toma de mediciones
a) ledicion de condiciones del medio ambiente”
Temperatura de bulbo seco corresponde a la temperatura normal del
ambiente y es medida por un termémetro de bulbo o cualquier otro tipo.
Temperatura de bulbo htimedo’ corresponde a la temperatura medida por
un termometro similar al de bulbo seco pero con una mecha o algodén mojado en
la pane sensible por donde se hace circular aire del ambiente.
Humedad selativa: se determina con la temperatura de bulbo seco y
humedo usando tablas psicométricas o con un psicometro.
Presion barométrica: Se determina con un barémetro, barémetro aneroide
o conociendo fa elevacion del fugar
Férmula aproximada para determinar la presion barométrica de un lugar
conociendo su elevacion sobre el nivel del mar, valida entre 500 y 4000 m
P = 10.33 - ((h-500)/1000)
Donde P Presién barométrica en metros de columna de agua
h_ €levacion del lugar en metros
b) Analisis de gases.
Por medio del analizador de gases de combustién Orsat 0 analizador
electronico de gases de combustién, se deberan tomar muestras a diferentes
penetraciones del ducto de escape de gases.
Temperatura de gases por medio de un termémetro o termopar en el
mismo orificto donde se tomé la muestra de gases. Es recomendable que también
se realice la medicién a diferentes penetraciones del ducto, con el objeto de
obtener fa temperatura promedio de los gases. En el caso de utilizar un analizador
de gases electrénico, este ya incluye !a sonda de temperatura junto con la de
gases
RIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 29
© DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
IAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO ——<—<_-_
c) Caracteristicas del combustible
A partir de un anahsis del combustible se puede determinar caracteristicas
del combustible tales como poder calorifico alto y bajo, composicion, densidad,
ascosidad entre las mas importantes
Temperatura de combustible Se puede obtener directamente del tanque
1e dia o del cabezal de alimentacion al calentador si cuenta con medidor de
‘erperatura
Presion de combustible En el cabezal de alimentacién de combustible se
tgcaliza un indicador controlador de presién, en el se puede leer la presion de
aimentacian def combustible al calentador (ver formato 3 C, anexo I!)
Flujo de! combustible en el cabezal de alimentacion de combustible al
nlentador se locahza un indicador de flujo del cual se puede medir el flujo del
combustible (ver formato 3 C. anexo Il)
d) Flujo presin y temperatura del fluido de proceso:
Condiciones de entrada def fluido de proceso’ en el serpentin de entrada
fuudo de proceso (seccién de conveccién) se localizan un medidor de
eratura y uno de presién, asi como un medidor controlador de flujo; de estos
: pueden tomar las lecturas correspondientes (ver formato 3 C, anexo Ii).
Condiciones de salida del fluido de proceso: en el serpentin de salida del
fhado de proceso (seccién de radiacién) se localizan un tmedidor controlador de
temperatura y un medidor de presiOn, del cual se tomaran Jas lecturas respectivas
iver formato 3 C. anexo I!), en el serpentin de salida no es necesario medir el flujo
de fluido de proceso.
e) Temperatura de superficie
Con un termémetro de superficie se sugiere levantar de una a tres
lecturas en la superficie del calentador por cada metro cuadrado, sacando un
promedio el cual representara la temperatura por metro cuadrado, siendo anotada
en el diagrama de temperaturas anexo, representativo de la superficie del
calentador.
TESIS. INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 30
4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA"
oO
FGIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
\V.- Elaboracién de balances de materia y energia.
identificar y cuantificar fas diferentes corrientes que entran y salen del
calentador determinando la energia contenida en cada una.
f-ste analisis energético del calentador debera considerar también el balance de
rnateria de las correntes
Energia entrante
- Enla carga de proceso - Aportada por el combustible (debe compararse la calculada
por flujo actual de combustible, con la obtenida por el flujo
de diseno)
Energia saliente
- En la carga de proceso.
- En los gases de chimenea
- Pérdidas en paredes
V.- Calculos
Se reahzaran los calculos de la eficiencia del horno, con base a un programa
computacional proporcionado en la metodologia o por simuladores que tenga el
consultor especializado
Vi.- Diagndéstico de la instalacion.
A partir de los datos obtenidos en la inspeccién del equipo, las mediciones en
campo y ios balances de materia y energia se determinara el estado actual del
calentador y/o equipes complementarios, indicando la razon de fas desviaciones
en su eficiencia respecto al disefio. (Es necesario indicar los resultados mediante
diagramas de Sankey).
iS WNGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 31
\ FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
“GiAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO _
4
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PERDIDAS EH GASES DE PEROIDAS » IRAVES cov austion 0€ PAREDES
PHICHENCTS
FIGURA No. 7 DIAGRAMA DE SANKEY
lambren sera necesario indicar en forma esquematica las condiciones de
uperacion actuales del calentador, las de disefio y las alternativas propuestas
&n el informe del diagnéstico es importante deseribir las acciones y/o
imodificaciones que se tendrian que realizar para eficientar la operacién del
calentador y poder aicanzar las condiciones de disefio originales, asi como el
analsis tecnico-economico de las principales medidas recomendadas
Vil.- Definicién de medidas de ahorro energético operacionales
En este punto se debera marcar las acciones operacionales correctivas que
contleven ai funcionamiento eficiente y a la reduccion del consumo de energia en
«| calentador
Se deberan clasificar las medidas con base al beneficio energetico. Esto debera ir
acompariado de un plan de accion de acuerdo a la prionidad de las acciones tanto
operativas como modificaciones con inversi6n.
VHI.- Definicién de medidas de ahorro energético con
inversion.
En este apartado se definira las modificaciones con inversion que se deberan
hacer a los equipos para eficientar su operacion.
Para cada tipo de medida propuesta, es necesario hacer un analisis economico,
que incluya informacion suficiente para la toma de decisiones. Se deberan
presentar diferentes alternativas a seguir debidamente documentadas
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTACOR PAGINA No 32
+ FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO —
\X.- Factibilidad técnico-econdémica de las propuestas con
inversion,
las recomendaciones que requieran inversion deberan acompafiarse de un
unalisis econdmico respectivo para justificarse.
us
TESIS HIGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No
4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
INSPECCION VISUAL
Oo AS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
L DESCRIPCION DE LA ACTIVIDAD REALIZADA
1.- OBJETIVO
1 onjetivo de fa inspeccién visual es recabar informacion sobre el estado fisico
actual ios calentadores a fuego directo y sus equipos perifénicos estableciendo
‘os clementos para determinar la eficiencia térmica y dictaminar las medidas de
ahorro de energia operacionales o de inversion segun el caso.
2-ALCANCE
Na
N
27-
28-
eecion visual se cubriran los siguientes aspectos para los calentadores:
vatos generales de los calentadores
©stado actual del sistema de aislamiento de lineas y equipo.
Estado actual del refractario
Nurnero y funcionamiento de mamparas
Estado de los registros de control de entrada de aire a los quemadores
Condiciones de la combustion,
Estado actual del serpentin de la seccion de radiacion.
Estado actual del serpentin de la seccién de conveccion
29. Verificacién de existencia, funcionamiento y suficiencia de la
2 10-
instrumentacion instalada en el equipo
Verificacion de equipo auxiliar para el aprovechamiento de energia
TESIS 34 INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
1: STRATEGIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
ll. RESULTADOS DE LA ACTIVIDAD
4.. DATOS GENERALES DE LOS CALENTADORES {ver formato 1 Anexo Il).
2. ESTADO ACTUAL DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO DE LINEAS Y
EQUIPOS (cuestionario No. 1 y 2).
3.. ESTADO ACTUAL DEL REFRACTARIO DE LOS CALENTADORES (cuestionario No. 1 y 2).
* SECCION DE CONVECCION
» SECCION DE RADIACION
© CHIMENEA
4.- NUMERO Y FUNCIONAMIENTO DE MAMPARAS (ver cuestionario No. 1).
5.. ESTADO DE LOS REGISTROS DE CONTROL DE ENTRADA DE AIRE A
LOS QUEMADORES (ver cuestionario No. 1).
6.- CONDICIONES DE LA COMBUSTION (ver cuestionario No. 1).
7.. ESTADO DE LOS TUBOS DE LA SECCION DE RADIACION (ver
cuestionario No. 1 y 2).
8.- ESTADO DE LOS TUBOS DE LA SECCION DE CONVECCION (ver
cuestionario No. 1 y 2).
9.- VERIFICACION DE EXISTENCIA, FUNCIONAMIENTO Y SUFICIENCIA DE LA INSTRUMENTACION INSTALADA EN EL EQUIPO (ver formato 3 C Anexo nN).
JESIS “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 35
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
oY > JTRS 1EGIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
40.- VERIFICACION DE EQUIPO AUXILIAR PARA EL APROVECHAMIENTO
DE ENERGIA.
\ continuacion se presenta un formato base para el apoyo de la realizacion de esta
ectiv dad.
EQUIPO OBSERVACIONES
[Equipo para la medicion
‘peniddica y sistematica de
exceso de aire
‘Banco de generacién de vapor para recuperar parte
‘del calor de los gases de
-combustién
‘Sistema de precalentamiento
‘de aire Para el desarrollo de estas actividades se proporcionan los cuestionarios
No. 1 y 2 para la inspeccién visual del equipo en estudio, asi como formatos
para el levantamiento de datos de temperatura y presion.
Con la informacion recabada en los cuestionarios No. 1 y 2, y con los datos
obtenidos al Henar los formatos que se localizan en el anexo Ii, procedemos
al llenado de la tabla No. 1, asi mismo de fas figuras 2 y 3 los cuales
representan los perfiles de temperatura y presién, que muestran las
condiciones de operacion actual def calentador.
TABLA No. 1
Presiones y Temperaturas de Operacion a través del calentador (gases de
combustion) en el periodo del estudio.
PUNTO DE TOMA DE PRESION TEMPERATURA
LECTURAS {mm H20] [°F]
1 CHIMENEA SALIDA’
2 ANTES DE MAMPARA
3 BASE DE CONVECCION
4
QUEMADORES "coro referencia
TESIS “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 36
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA “
4S PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO = _
Figura No. 8
Indicacién de puntos de medicién (ver anexo II formato 3 C)
~ECCION DE CONVECCION
3 ~ 2 S~ PUENTE
Jo :
J | Jo
SECCION DE RADIACION J |
| |
J |
oo i © |
Tess INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 37
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA “
e 14S PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
Figura No. 9
Perfil de presiones de tiro para el calentador.
CONTROL DE TIRO
Oo e x oe
Cr TTT tf T 1 war 01 76 § 25 Pam 2885
TROD OE AGUA
ESIS 1;GENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 38
AFUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METOCOLOGIA “
o HTRSTEGIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
Figura No. 10
Perfil de temperatura para el calentador.
CONTROL DE TEMPERATURA
oo ee
Tero. reece
TEMPERATURA EN 'F
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 39
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
eo
~
a
ae
LADO NORTE
14S PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO e
Figura No. 11
4) LAS ACOTACIONES SE REPRESENTAN EN METROS
2)-LOS NUMEROS DENTRO DE LOS CUADROS.
REPRESENTAN A LAS TEMPERATURAS DE PARED,
EXPRESADOS EN °C
A 4 | ' (6) (7) @) ) Go}
4 4 |
(1) (2) 3 4 5 7 Y (3) (4) (5) J
(33} (34} {35} (36) (37) (38) (39) (40}
(25)|__ (26) (27) (28) (29) g3o)| en] 2)
(17) (18) (19} (20) (2%) {22} (23) (24}
| (10) (1) (12) (13) ia] is) | 48)
a (2) (3) 4) (5) (6) 7 @)
TESIS “IMGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 40
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
o Figura No. 12
-GIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
LADO SUR 4) -LAS ACOTACIONES SE REPRESENTAN EN METROS.
2) -LOS NUMEROS DENTRO DE LOS CUADROS:
REPRESENTAN A LAS TEMPERATURAS DE PARED,
EXPRESADOS EN °C
(6) 7) (8) (9) (10)
4
t
4
a) @} 3) . (4) ely nn ol
(33) (34) (35) (36) (37) (38) (39) (40)
(25) (26) (27) (28) (29) (30) (34) (32)
an (48) (19) (20) (21) (22) (23) (24)
(9) {10) {t1) (12) (43) (14) (15) (18)
(1) {2) {3) (4) (5) {6) (7) (8) EE nall
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINANo 41
i. FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ”
oY PARA EL DESARROLLO DEL DiIAGNOSTICO -——_—
Figura No. 13
4] -LAS ACOTACIONES SE REPRESENTAN EN METROS
2)-LOS NUMEROS DENTRO DE LOS CUADROS
REPRESENTAN A LAS TEMPERATURAS DE PARED,
EXPRESADOS EN °C
TAPA LATERAL SECCION DE
CONVEGCION LADO ESTE
ip- ALIMENTACION DE CORR. DE PROCESO
oc (3) | 4)
af
A (4) (2) he
—_ > ~—- >
. ss
TAPA LATERAL SECCION DE CONVECCION
LADO OESTE
VIGA No. 1 y 2.. LADO SUR, LADO NORTE 1), SALIDA CROSS-OVER
o* STE EEE t
: i ! (3) 4 | : | ay @) G3) (4)
t
L ~~ ee 1) (2) |
~~ eed —
TE Sd ENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 42
#& FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
o S PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO ——_-
Figura No. 14
TECHO DE LA SECCION DE RADIACION LADO ESTE
(SALIDA DE FLUIDO DL PROC TSO)
~~ — >t —_
— oo
TECHO DE LA SECCION DE RADIACION LADO OESTE LADO RADIAGION (CROSS-OVER) —_ oO.
~~ >t ~
Co
~~ —
1} -LAS ACOTACIONES SE REPRESENTAN EN METROS.
2) 108 NUMEROS DENTRO DE LOS CUADROS,
REPRESENTAN A LAS TEMPERATURAS DE PARED,
EXPRESADOS EN °C
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 43 “FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA “
2 GIAS PARA EL DESARROLLO DEL DIAGNOSTICO
o Figura No, 15
TAPA DE LA SECCION DE RADIACION LADO ESTE
(EN FRADA DE FLUIDO DE PROCESO)
Oo
TAPA DE LA SECCION DE RADIACION
(LADO OESTE CROSS-OVER)
TESIS -INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
PAGINA No 44
P§GNOSTICO ENERGETICO -
DIAGNOSTICO ENERGETICO
TESIS “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No. 45
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
ie
“7 SCO ENERGETICO
Calculo de la eficiencia
sntinuacion se describe en forma resumida el procedimiento para el calculo de
Jiciencia la cual involucra las variables obtenidas en el desarrollo det diagnéstico
sara la evaluacién energética, asi como constantes y propiedades de las
-orentes involucradas en la operacion del calentacor.
También se describe la manera de emplear el programa para Ja obtencién de
encia Este calculo termina con un diagrama de Sankey (figura No, 7 de la
-oc:on estrategias para el desarrollo del diagnostico energético), el cual describe
nce de energia dei calentador y proporciona la informacion térmica de las
sones del calentador.
acion mas representativa para este calculo es la siguiente
y= Qp Qc
_ Qc - Qi Y= ac
Dond
eficiencia térmica del calentador u
Op = Calor total absorbido por la corniente de proceso
Oy = Calor total perdido en gases de combustion y por paredes
Oc — = Calor total cedido por el combustible
PAGINA No 46
“S INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
A TUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
7
Calor absorbido por et fluido de proceso y
generacion de vapor
Catcr liberado por el
cembustible.
Precalentamiento de
ave y gases de combustion
Perd das a través de
pareces
Gases de combustion salida de a8
ICO ENERGETICO
COMBUSTIBLE
- Composici6n fraccién volumen
Temperatura a
alimentacion calentador (°F)
Fluo (f8 std / hr)
25 °C, 1 atm
Presion a alimentacion
catentador (atm ) Ambientales
a ~ Temperatura (°F).
- % Humedad relativa.
ni - Temperatura (°F).
= % Oz
= Analisis en base seca 0
hameda.
Gases de chimenea
en
la del
@
la
del
% Pérdidas por paredes
LiauICO
tt
a rT)
mL -Fluyo (ft® std. / hr) @
* Presi6n a
Relacién C/H
HHV Btu/lb comb
Composicién.
Temperatura a la
alimentacion (°F)
°API
25 °C, 1 atm 6 fiujo
en (lb/hr)
la
alimentacion del
calentador (atm ).
Medio de atomizaci6n
= Temp °F alimentado
= Relacién de atomizacién
1
(% efictencia actual)
x
Disefio vs. Operacion Sankey
ESQUEMA 2
TESIS “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
PAGINA No 47
CO ENERGETICO 7 og Evaluacion energética en calentadores a fuego directo
( Método analitico caso comb. liquido )
El esquema No. 2 se describe en forma de bloques el procedimiento para evaluar
ul balance energético y la determinacion de la eficiencia de manera analitica
dapendiendo del tipo de combustible a emplear (liquido o gas)
tara combustibles liquidos, el procedimiento es como sigue
+ - La informacion basica para Ja evaluacion se da en el formato 3 “D” del
anexo Il
2- Contando con el analisis del combustible (HHV, composicién, relacion
H/C. gravedad especifica ), se obtiene el por ciento en peso de H2yC.
3- Se calcula el LHV.
4 - Con el por ciento de H2 y C se calcula el aire requerido para combustion
multiplicando estos datos por los valores correspondientes de aire
requendo
5- Se calcula el didxido de carbono, agua y nitrégeno formado
multiphcando el por ciento de Hz y C con los valores correspondientes de
formacion de diéxido de carbono, agua y nitrégeno.
&- Con la medicion de fa temperatura del aire se obtiene la presiOn de
yapor
7 -Con la medicién de humedad retativa y el calculo de presion de vapor se
obtiene la humedad del aire.
8.- Con el calculo de humedad del aire y ei aire requerido para combustion
se calcula fa humedad por libra de combustible.
9.- Con el calculo de humedad por libra de combustible y el calculo de agua
formada se calculan las libras de agua por libra de combustible.
10 - A partir de la medicién de! por ciento de oxigeno y libras de medio de
atomizacién por libra de combustible y el catculo de libras de agua por libra
de combustible, se calculan las libras de exceso de aire por libra de
combustible (correccién por exceso de aire) y se obtiene el por ciento de
exceso de aire
11 ~ Se realiza el calculo para correccién de las libras de agua por libra de
combustible.
iS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 4S
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ”
o EIGHOS TCO ENERGETICO
12 - A partir de la obtencién de dioxide de carbono y nitrogeno formados, el
calculo de hbras de exceso de aire por libra de combustible y la correcci6n para bras de agua por libra de combustible se calcula las pérdidas por
chimenea (Qs). se requiere ademas la temperatura de chimenea
i3- Con Jos valores obtenidos del aire requerido para la combustidn y de humedad por libra de combustible se calculan las libras de aire humedo por
ubra de combustible
14- Con las libras de aire himedo por libra de combustible se calcula la
entalpia del aire (Ha).
15- Con el dato de temperatura del combustible se calcula la entalpia del
combustible (Hf).
i8- Con el dato de temperatura del medio de atomizacion se calcula la entalpia del medio de atomizacion (Hm)
‘7 - A partir de los datos de termografia, area superficial del calentador y velocidad del viento se obtienen las pérdidas por radiacion (Qr).
“8 - Con los valores de Qs, Qr, Ha, Hf, Hm y LHV se evalua la eficiencia de} calentador y se obtiene el balance energético.
“TES!S “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 49
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
wh STICO ENERGETICO - @
aluacion energética en calentadores a fuego directo
(Método analitico caso comb. gas )
Para combustibles gaseosos (ver esquema No. 2), ef procedimiento es como
sigue
+. La evaluacién basica para !a evaluacién se da en el formato 3 "D” del
anexo Il
2 - Contando con el analisis del combustible (composicion del comb ), se
abtiene el valor de LHV
3- Con el por ciento en peso del combustible gas se calcula el aire
requendo para combustion multiplicando estos datos por los valores
correspondientes de aire requerido.
Se calcula el didxido de carbono, agua y nitrégeno formado
multipicando el por clento en peso de gas combustible con los valores
correspondientes de formacion de didxido de carbono, agua y nitréogeno
5 Con la medicién de la temperatura del aire se obtiene la presion de
yapor
S - Con la medicion de humedad relativa y el caiculo de presién de vapor se
obtiene fa humedad del aire.
7 - Con el calculo de humedad del aire y ef aire requerido para combustion
se calcula la humedad por libra de combustible.
8 - Con el calculo de humedad por libra de combustible y el calculo de agua
formada se calculan las libras de agua por libra de combustible.
9 - A partir de la medicién del por ciento de oxigeno y el calcuto de libras de
agua por libra de combustible, se calculan las libras de exceso de aire por
libra de combustible (correccién por exceso de aire) y se obtiene el por
ciento de exceso de aire.
10 - Se realiza ef calculo para correcci6n de las libras de agua por libra de
combustible.
141 -A partir de la obtencion de didxido de carbono y nitrageno formacos, el
calculo de libras de exceso de aire por libra de combustible y !a correccién
para libras de agua por libra de combustible se calcula las pérdidas por
chimenea (Qs), se requiere ademas la temperatura de chimenea.
SIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 50
/ FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
ICO ENERGETICO —
+2- Con los valores obtenidos del aire requerido para la combustién y de
humedad por libra de combustible se calculan las fibras de aire hmedo por
libra de combustible
13 - Con las tibras de aire htimedo por kbra de combustible se calcula la
entalpia del aire (Ha).
14 - Con ej dato de temperatura del combustible se calcula la entalpia de!
combustibte (Hf)
A partir de los datos de termografia, area superficial del calentador y
velocidad del viento se obtienen las pérdidas por radiacién (Qr)
46 - Con los valores de Qs, Qr, Ha, Hf, Hm y LHV se evaltia la eficiencia del
calentador y se obtiene el balance energético.
TESis “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 41 4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
HOSTICO ENERGETICO Cale
1 calculo de fa eficiencia térmica de un calentador a fuego directo, se define
como”
_QABS. x 100 QLIB.
1 calor absorbido por el fluido de proceso en un calentador a fuego directo se
puede definir como’
QABS.=QL!B.-QPERD. GC)
Donde
QABS = Calor absorbido por el fluido de proceso (Btu/h)
OLIB = Calor liberado por el combustible (Btu/h)
QPERD =Calor total perdido en el equipo (Btu/h)
EI Calor liberado por el combustible (QLIB.) se puede definir como:
QLIB.= (LHV+HA+HF+HM) x flujo de comb. @)
Donde Flujo de comb =Es el flujo de combustible (Ib/h), reportado en el formato 3 "A" y
Db”.
LHV= Poder calorifico bajo del combustible (Btu/Ib. comb.).
HA=Calor sensible del aire a la entrada del calentador (Btu/lb comb.).
HF=Calor sensible del combustible a la entrada del calentador (Btu/lb. comb.).
HM=Calor sensible del medio de atomizacion a la entrada del calentador (Btu/lb.
comb.).
E1 LHV del combustible se puede calcular para dos casos:
LHV=HHV-(9537.3)x “H2 @) 100
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 32
A FUEGO DIRECTO ESTASLECIENDO UNA METODOLOGIA *
Combustible liquido:
NOSTICO ENERGETICO oY
Donde
HH\V= Poder calorifico alto del combustible (Btu/lb comb ), determinado
experimentalmente por un calorimetro, reportado en la bitacora operacional
y en el formato 3 “B" y “D".
Y, H2=Por ciento de H2 en el combustible obtenido a partir de la ecuacion.
° 100 - % de impurezas H2=-
" relacion C/H + 1 G)
Donde
4 de impurezas= Porciento en peso de componentes en el combustible tales
como’ sodio, azufre. cenizas_ vapor de agua etc., se determina
el porcentaje en un analisis del combustible. se reporta en el
formato 3B” y ‘D”.
Relacion C/H=Es la relacion entre el peso del carbono y el peso del hidrogeno en
un hidrocarburo, se determina por un analisis de combustible, se
reporta en el formato 3 “B” y “D”
Combustible gas:
LHV=<(% en volumen comp. i x Calor de combustién del comp. f) C)
Donde %. en vol comp. i=Porciento en volumen de un componente del combustible,
determinado por andalisis del combustible, reportado en el
formato 3 ""B” y "D”.
Calor de comb = Calor liberado por el componente i al reaccionar con el O02
durante la combustién; reportado en tablas de propiedades
termodinamicas para varios componentes.
EI Calor sensible del aire (HA) a la entrada del calentador se puede calcular a
partir de.
HA=CP AIRE x (TT - 60)x[(Ib. Aire humedo/lb, comb.)+(Ib.
Exceso de aire/lb. comb.)]
TESIS -INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 53
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA*
“ns SNOSTICO ENERGETICO Oo
Donde
CP AIRE=Capacidad calorifica del aire (Btu/lb. comb °F), se obtiene a partir de
tablas termodinamicas. (el valor empleado es de 0.24)
1T=Temperatura del aire (°F) antes de entrar al calentador, se reporta en el
formato 3 B’y'D
‘bp Aire numedodly. comb =Son fas libras de aire, incluyendo humedad, requeridas
para quemar el combustible, se calculan a partir de ja
siguiente ecuacién:
4- Humedad en aire
Lb. Aire hamedo/ib, Comb.= —Aire ___requerido C)
Donde Aire requerido=Son fas libras de aire estequiométricas para la combustion, se
obtienen a partir de la siguiente ecuacion:
Aire requerido = X[% peso componente i x cantidad de aire
estequeométrico requerida por el componente i]
Humedad en aire=Es la humedad contenida en una libra de aire y se calcula a partir de la siguiente ecuacidn:
_.. P.devapor(H20) Humedad rel. 18 Humedad en aire 14.69 100 28.85
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 54
4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
SNOSTICO ENERGETICO oO
Donde
P de vapor (H2O)=Presion de vapor del agua (psia), calculada a partir de la temperatura del aire a Ja entrada del calentador (TT).
ttumedad relativa= Humedad del medio ambiente reportada en porcentaye,
evaluada experimentaimente en el lugar donde se encuentre el equipo, se reporta en ef formato 3 “B” y "D"
ib Exceso de aire/lb comb.= Son las libras de exceso de aire necesarios para la combustion por libra de combustible y se calcula a partir de la siguiente ecuacién
20.95-% O2 [ ( 1.6028x ——-—-———-__ +1
Lb. Exceso de aire/lb. comb.=
{ N2formado , CO2formado , H20 formado (28.85x% O2) 28 44 18 )
ib. Agua ]
Ib. Aire requerido )
Donde
“£ O2 = Por ciento de oxigeno del analisis de los gases de chimenea, se reporta en
el formato 3 “B” y‘'D”. N> y CO> formades= Son las libras formadas de estos componentes por libra de
combustible, se obtienen a partir de la siguiente ecuaci6n’
N2 o CO2 requerido = 2[% peso componente i x cantidad de N2 o
CO2 estequeométrico requerida por el
componente i]
TESIS “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 55
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA “
3NOSTICO ENERGETICO iw
H20 formada(ref a ec. 10)= Son fas libras de agua formada por libra de
combustible, se obtiene a partir de la siguiente
ecuacion
Lb. de H2O/lb. de comb.=
Agua formadalib. comb. + Ib. de humedad/Ib. Comb. +
relacion de atomizacion.
Donde
Agua formada/ib. comb.=Son las libras de agua formada por libra de combustible,
se obtienen de la siguiente ecuacion
estequiométrico formado por el
H20 formado = >[% peso componente i x cantidad de H20
componente i] Cs)
Lb. de humedad /lb comb.= Son las libras de agua por libra de combustible que
entran at equipo por medio del aire, se obtienen de la
siguiente ecuacion
Lb. de humedadilb. de comb.=
Lb. Aire humedo/lb. comb.(ec. 7) - aire requerido(ec. 8)
TESIS “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 36
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
OSTICO ENERGETICO
Relacién de atomizacion= Es la cantidad en libras de vapor de agua por libra de
combustible para atomizarlo, este valor es comunmente
utilizado para combustibles liquidos, se reporta en el
formato 3"B" y “D”.
£1 Calor sensible del combustible (HF) a la entrada del calentador se puede
calcular a partir de
HE=CP COMB. x (TF - 60) Cs)
Donde
CPCOMB =Capacidad calorifica del combustible (Btu/Ib comb. °F), se obtiene a
partir de tablas termodinamicas. utilizando variables como presién de
entrada y composicién del combustible, reportadas en los formatos 3
By ‘D".
TF=Temperatura del combustible (°F) antes de entrar al calentador, se reporta en
los formatos 3A” y‘D
(-1 Calor sensible del medio de atomizacién (HM) a la entrada del calentador se
puede calcular a partir de:
HM=(H del medio de atom. @ TM - 1087.7) x relacién de atomizacién.
Donde’
H del medio de atom. @ TM=Es Ia entalpia del medio de atomizacion a la
temperatura de entrada del medio al equipo (TM
reportada en los formatos 3 “B" y "D’), la cual se
obtiene de tablas de vapor
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 57
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
o
Relacion de atomuzacion= Es la cantidad en fibras de vapor de agua por libra de
combustible para atomizario, este valor es comunmente .
utilizado para combustibles liquidos, se reporta en el
formato 3 ‘B’ y ‘D”
ii GHOSTICO ENERGETICO
1 Calor total perdido en ef equipo (QPERD ) se puede definir como
QPERD.=QR.+QS. @)
Donde
OR = Calor perdido a traves de paredes del calentador (Btu/h).
OS = Calor perdido por los gases de chimenea (Btu/h)
(vara caicular el calor perdido por los gases de chimenea (Qs) se sigue la siguiente
ecuacion
QS=* (Ib. de componente formado i x H del componente i @ TCHIM.)
Donde: Lb De componente formado i= Son las libras de los componentes formados
estequiométricamente en la combustion que salen
por la chimenea.
H del componente 1 @ TCHIM =Es la entalpia del componente i formado de la
combustion, a la temperatura de salida de los
gases de chimenea, reportada en los formato 3 “B”
y"D".
TESS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 38
‘FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
iq
OS ICO ENERGETICO
Para caicular el calor perdido por las paredes del equipo (QR) se sigue la siguiente
ecuacioy
QR= (QPR+ QPC)xA Ce)
s el area superficial del calentador (ft?), se reporta en el diagrama de
nperatura de pared lor perdido por radiacion (Btu/h ft?)
alor perdido por conveccién (Btush ft”)
PF
OPC
t } calor perdido por radiacion (QPR) se calcula por la siguiente ecuacion
QPR =o x ex [(Tsup. + 460) - (Tamb. + 460)*]
Donde
«: =Constante de Stefan-Boltzman = (0.173 x 10° Btush ft? °R‘) =Emisividad.
Tsup = Temperatura de pared superficial (°F), reportada en el diagrama de
temperaturas de pared (ver “Desarrollo del Diagnéstico’).
Tamb =Temperatura ambiente (°F), reportada en el formato 3 “B" y “D”
E! calor perdido por conveccién forzada (QPC) se calcula por la siguiente
ecuacion:
QPC = 0.296 x (Tsup. - Tamb. )'”° x fV ()
TP SIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 59
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
TICO ENERGETICO _
Donde
Tsup = Temperatura de pared superficial (°F), reportada en el diagrama de
temperaturas de pared.
Tamb = Temperatura ambiente (°F), reportada en el formato 3“B"y“D”.
: /=factor de correccién por viento, el cual se calcula con Ja siguiente ecuacion:
fV=[V + 69/69] x 0.5
Lords
= Es ia velocidad det viento (ft/mm.), la cual se estima en el lugar donde se
encuentra el equipo instalado, y se reporta en e! formato 3 "B" y “D"
TESIS “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 60
‘A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
ie
{OSTICO ENERGETICO
DIAGNOSTICO ENERGETICO EN UN CALENTADOR A FUEGO
DIRECTO.
Se tiene el siguiente caso tipico de evaluacion de un calentador a fuego directo del
cual se recabé la siguiente informacion
41 Descripcion de la actividad.
1 1 Objetivo.
El objetivo de esta parte del informe, es presentar la documentacion de
campo que se utilizé como base para la realizacion del diagnéstico
energético del calentador.
42 Alcance
La informacién recopilada en campo abarcé lo siguiente:
421 Datos del proceso de combustién. 422 Datos de la cornente de proceso. 423 Datos del calentador a fuego directo
2 Resultados de fa actividad.
La informacion sobre condiciones de operacién se indican a continuacion
21 Tipo de combustible.
El combustible empleado es gas residual seco. Sus propiedades y
poder calorifico dependen de su composicion. La tabla No. 1, describe
su composicion TABLA No. 1
CARACTERISTICAS DEL COMBUSTIBLE EMPLEADO EN EL CALENTADOR.
COMPOSICION (% EN MOL.)
C1 C2 C2= c3 C3= | ic4 nc4 H2 N2
29.3 1.87 | 1.28 [0.317] 0.06 | 0.016 | 0.023 66.73 441
TESIS “-INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 61
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
22 Flujo de combustible.
OSTICO ENERGETICO e
La siguiente tabla muestra los consumos de gas combustible, asi como
las temperaturas la zona de radiacion y conveccién dei horno BA-X
datos obtenidos de la informacién proporcionada por el Centro de
Trabajo
TABLA No, 2
CONDICIONES DE OPERACION DEL CALENTADOR BA-X DE ACUERDO A
INFORMACION PROPORCIONADA POR EL CENTTRO DE TRABAJO.
; Promedio mensual
FECHA | FLUJO DE GAS| TEMPERATURA | TEMPERATUR | TEMPERATURA | COMBUSTIBLE} GASES DE A ZONA DE ZONA DE i M3/HR CHIMENEA | CONVECCION| RADIACION | °C °C °c
— 1 : 7501.5 294.0 722.0 913.5
2 ! 7331.3 291.6 710.5 907.0
“3 : 7696.5 307.3 745.0 926.5
4! 7639.5 306.7 737.8 919.8
5 7835.5 307.8 733.5 915.5
[PROMEDIO | 7600.86 | 301.5 729.8 | 916.5
23 Tipo de influente .
Del anaisis cromatrografico proporcionado por ef centro de trabajo se
tiene la composicién det infivente promedio det calentador BA-X ef cual
se muestra en la tabla No. 3
INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
PAGINA No 62
io) STICO ENERGETICO o
CARACTERISTICAS DEL INFLUENTE OBTENIDO TABLA No 3
EN EL CALENTADOR BA - X.
“001
_ COMPOSICION _(% EN MOL.) €O2 | METANO | ETILENO | ETANO [PROPILENO| PROPANO
198 6.081 954 0.24 3.59
24 Composicion de gases de chimenea
Los resultados de la composicion de los gases de chimenea se
presentan en fa siguiente tabla.
TABLA No. 4
COMPOSICION DE LOS GASES DE CHIMENEA
Componente % vol
Oxigeno 3.6
Biéxido de Carbono 64
Nitrogeno 90.0
» NOx (ppm)} 42
Aire en % de exceso 18
TABLA No. 5 CAPACIDAD DE DISENO
ZONA ZONA VAPOR
: RADIACION | CONVECCION (BFW) TALIMENTACION Lb/H 42 980 42980 50570
TEMPERATURA 1250 240 306
‘ENTRADA °F 'PRESION ENTRADA 50 2 85.2 767
PSIA
TEMPERATURA °F 1565 1250 509
SALIDA
PRESION SALIDA PSIA 30 50.2 740
CAIDA DE PRESION 20.2 35 27
PSI
CALOR ABSORBIDO 45.67 30.53 146
MMBTU/H
£318 “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 63
4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
*IOSTICO ENERGETICO ie
TABLA No. 6 CAPACIDAD ACTUAL
~ ZONA ZONA VAPOR RADIACION |CONVECCION| (BFW}
“ALIMMENTACION Lb/H 45908 45908 55115 TEMPERATURA 7022 220 306 ENTRADA ‘F
ENTRADA 46 787 683
PERATURA °F 1526 4022 494
PRESION SALIDA PSIA 33.7 46 35s | CAIDA OE PRESION 123 327 26
61 89 7241 26.51
TABLA No. 7 CAPACIDAD ACTUAL
~ CORRIENTE DISENO OPERACION ACT LB/H LB/H
- ALIM. HORNO 42980 45908
VAP. DILUCION 9918 42763
L FLUIDO PROC. 33062 33145
FES,
INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
# EUEGO DIRECTO ESTASLECIENDO UNA METODOLOGIA *
PAGINA No 64
UIsGHOSTICO ENERGETICO _———
Zonas Calientes y temperaturas de pared en la cubierta del calentador.
Los mapeos de temperatura mostrados en las siguientes cuatro paginas, de una
forma indirecta, reflejan el estado fisico y hermeticidad -naturaleza y volumen de
fracturas- del refractario del equipo
Una revision somera manifiesta inmediatamente un deterioro importante en dicho
componente.
Figura No. 16
TEMPERATURAS DE PARED °C
(LADO ESTE)
TESIS “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 65
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
it GHOSTICO ENERGETICO
Figura No. 17
TEMPERATURAS DE
PARED °C
(LADO GESTE)
TESIS “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
PAGINA No. 66
MMA GHOSTICO ENERGETICO oe
Figura No. 18
TEMPERATURAS DE PARED LADO NORTE °C
* Puntos calientes detectados por andalisis termografico
FESIS -INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 67
4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
ie
ISTICO ENERGETICO
Figura No. 19
TEMPERATURAS DE PARED
LADO SUR °C
* Puntos calientes detectados por analisis termografico.
ENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 68
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
DIAGNOSTICO ENERGETICO og
FIGURA No. 20
PERFIL DE TEMPERATURAS DE GASES DE COMBUSTION
(CONDICIONES ACTUALES DE OPERACION)
CHEMPERSIURAS EN?C)
A > Temp Flama
924
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 69
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
o
En este apartado se describira el diagnéstico energético que preliminarmente se
delermind en el calentador a fuego directo a partir de la evaluacion energética
cuantitativa en sitio, asi como la evaluacion energética cualitativa (inspeccion
YOSTICO ENERGETICO Ole
Diagnostico energético.
wisual}
Alcance.
* Elaboracién del balance total de energia de! calentador a fuego directo
BA-X con apoyo de la herramienta computacional incluida en fla
METODOLOGIA
+ Elaboracion del diagndéstico energético con resultados de fa evaluacion
energética cuantitativa y cualitativa (inspeccion visual) del equipo BA-X.
Balance total de energia
En la figura No. 2, y tabla No 8 se muestra el contenido energético de
cada una de las corrientes de entrada y salida del calentador bajo
condiciones actuales de operacién, en fa figura No 3 se muestra la
distnibucién energética (diagrama de Sankey) de disefio del calentador
La eficiencia energética evatuada, es del orden de 82.73% Las pérdidas
por radiacién considerando ef estado fisico actual del calentador, se
evaluaron en un 4%
. Figura no. 21
BALANCE ENERGETICO EN EL CALENTADOR A LAS CONDICIONES ACTUALES DE SERVICIO
£S1S INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 70
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
OIAGNOSTICO ENERGETICO
E} contenido entalpico de cada una de las corrientes bajo las condiciones de
operacion actual, se detalla a continuaci6n.
TABLA No. 8
RESULTADOS BALANCE DE ENERGIA.
y DESCRIPCION ENTALPIA ENTALPIA ACTUAL DISENO
oe (MM Blu/hr) (MM Btu/hr)
. " Calor Absorbide por el fluido de proceso 100 84 908
. ©aior Linerado por e! Combusuble 421 85 403 77
—_ erdigas 2 traves de paredes 487 311
4 ses de Combustion a la salida de chimenea (incluye 416 22 986
ceso de aire)
Figura no. 22 DIAGRAMA DE SANKEY A CONDICIONES DE DISENO
(MMBTU/h, %)
PERDIDAS EN CHIMENES
POR GASES CALIENTES 21877C 986 8 6%
=
= oe 4TO DE AIRE
COMBUSTION 3.0 oo4 es PERDIDAS A TRAVELS
DE PAREOES 344 30%
ENERGIALAP POR EL COMBUS
103,72 2
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 7}
A FSUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
STICO ENERGETICO ~
Diagnostico energético del calentador a las condiciones actuales de
operacion.
£1 dlagnostico energético del calentador comprende la realizacton de
Ura evaluacion energética cuanttativa y una cualitativa {visual), ambas
staran resultados de tos cuales se podra diagnosticar el estado energético
ealentador Se hizo una evaluacién energética analitica en campo con el
vantamiento de datos (levantamiento realizado con el apoyo de formatos
-exos) mediante el uso de la herramienta computacional, esto permitiraé conocer
estaclo energetico del equipo asi como !a eficiencia térmica actual, con este
‘s” situ se ha podido detectar puntos de oportunidad para ahorro
7 oO
VALUACION ENERGETICA CUANTITATIVA
Ep la figura No. 4, el diagrama de Sankey representa la distnbucion energética del
calentador BA-X para las condiciones actuales de operacion encontrando que
La temperatura de chimenea detectada en Ja evaluacion fue de 301°C. mientras
la temperatura de chimenea por disefio para este equipo es de 218 7°C,
ta. un incremento de 82.3°C en relacion a su disefio
a encia térmica actual calculada mediante el empleo de fa herramienta
“ombutacional, es de 82 73%. que comparada con la eficiencia térmica por disefio
@ 875° se apreciar un diferencia 477% para poder alcanzar la eficiencia
omendada por diseno
a
ENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 72
GO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
LAAGHOSTICO ENERGETICO oO
Figura no. 23
DIAGRAMA DE SANKEY A CONDICIONES ACTUALES DE SERVICIO
(MMBtu/h, %)
PERDIDAS EN CHIMENEA ‘ POR GASES CALIENTES 304 °C
16 22 a3 Bae
THY
PERDIDAS A TRAVES DE PAREDES
487
ENERGIA APORTADA: POR EL COMBUSTIBL
121.85 100%
La sigtuente tabla resume los conceptos principales obtenidos al ser aplicada la
herrarnenta computacional de calculo, con informacién actual de operacion
TABLA No. 9 RESUMEN
___ GONCEPTO VALOR | ‘% EXCESO DE AIRE 18.1 _ EFICIENCIA TERMICA 8273
B) EVALUACION ENERGETICA CUALITATIVA
A continuacién se mencionan algunos de los principales aspectos que contribuyen
a la baja eficiencia del calentador.
1) Existencia, operabilidad y suficiencia en la instrumentacion del calentador a
fuego directo.
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 73
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
LINGHOSTICO ENERGETICO
ee A INSTRUMENTO
jindicacion de temperatura de entrada yy salida del fhudo de "proceso
a Indicada:r de temperatura de gases
de combasnon a fa chimenea
puntos del calentador
“Anehzador contmua de O2 en gases
* de combusuion
oe ‘Medidor del flujo de = gas
combustible
Viedicion‘cuantificacion tho de
carga de etano al calentadot.
“Sfedicion‘cuantificacion flujo de tagua (BFW) a la zona de
conveccion. eonveccione ‘Nfedicion P’F para eficrentar “balance térmico en seccién de {recuperacion de energia
EXISTENCIA ¥ OPERATIVIDAD
Cuenta con monttoieo de temperatina a la
salida de cada uno de tos cuatlo serpentines
que envian la seal al DCS también se ene
monitoreo remolo en el paso de conveccién
aradiacion en cada uno de los pasos
(Para Ta entiada del Murdo de proceso. se
cuenta con indicacién en cada uno de los
seipentines 3 la seal va al DCS A Ia salida
se cuenta con indicacion focal (despues de
Jos geneiadores de vapol)-
Se cuenta con un sensor de temperatura en
la base de la chimenea: la sefial es enviada
jal DCS (F1-100-86). de hecho es posible
Jobtener e! perfil de temperatura compicto de
jos vases de combustion Vei fig 4A Se cuenta con varios mdicadoies locales Tos |
cuales permiten medir ef io en Ja seccion
de iadiacién asi come antes y despues de ta seccion de conveccion_ Ver fig. 4 B Se cuenta con el imstiumento La seal sc
ene en el culate de contiol y el monitoico
es continua Su localizacion actual no es ta
mas conveniente (salida = seccion de
conseccidn) lo adecuado seria tenetlo en [a
zona del aico {entrada a conveccion}
Se cuenta con un elemento de medicion de
flujo que envia la sefial al DCS (FR-1SD
Si se cuenta 3 es suficiente.
Si se cuenta 4 es suficiente
pt Si se trene
2) inspeccién visual del estado fisico dei calentador:
, se detectaron multiples puntos calientes y zonas oxidadas a lo largo de la
pared del calentador.
3) Inspeccion visual del estado operacional del calentador.
- Este calentador cuenta con 128 quemadores y todos estan encendidos.
TFSI. INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 74
A@ FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA “
o De tos resultados obtenidos hasta el momento con fa informacién proporcionada
por ef centro de trabajo, se ha detectado lo siguiente:
LLAGNOSTICO ENERGETICO
VI.- Medidas de ahorro de energia.
Considerando que el horno acaba de entrar de mantenimiento, los resultados
obtenidos en sitio, muestran un equipo con un nivel de eftciencia regular, siendo
esto comprobado al tener la informacion de disefio y el tevantamiento de ia
snspeccion visual como recomendacién se consideran las siguientes medidas.
Vil- BENEFICIOS
Con base a las medidas recomendadas anteriormente y de acuerdo a los
resultados mostrados en el analisis energético se tiene:
La tabla No 10 muestra fos ahorros que se obtendrian, al aplicar las medidas
anienormente mencionadas, mismas que serviran para alcanzar la eficiencta
termica de diseno TABLA No. 10
‘Perdida de energia actual (3.47 MMBtu/h Ahorro en energia 3.47_ MMBtu/h Poder calorifico del gas/453 Btu/ft° (promedio)
Ahorro en gas 7671 ft'/h (66.3 MM PCS
anuales)
$994,120.00 anuales
Equivalente
Comentarios y observaciones.
A continuacién se presenta la comparacién de requerimientos de energia
(MMBTU/H) caso disefio contra los de operacién actual, evaluados a partir del
perfil de temperatura en el calentador:
TABLA No. 11 f ZONA DE ZONA DE BFW TOTAL | RADIACION CONVECCION [DISENO "MMBTUIA 45 67 3053 146 908
ACTUAL (MMBTUIA 6189 124i 2651 700 81
PAGINA No" 75 TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
OY SHOS TICO ENERGETICO
@ Cor paracion de fos gastos en LB/H caso disefio contra operacién actual.
% DE AUMENTO
DISENO OPERACION ACT UBIH BIH RESPECTO A DISENO
ALIA HORNO 42980 45908 110
VAP DILUCION 9918 12763 280
FLUIDO PROC. : 33052 33445 025
ny analisis de la informacién incluida, en las figuras precedentes,
aborar conclusiones inmediatas
conviene recordar que el calentador opera actualmente con 17 5% de
vapor de agua Esto es, la relacién vapor de agua/hidrocarburos, es
o yor al disefo establecido por disefio.
_ccunstancia operativa comentada en el parrafo anterior, aunada al deterioro
sic del material refractario -evidenciable cuando se analizan el mapeo de
raturas de pared y el aspecto fisico en algunas areas de la cublerta-, se
1 en los hechos descritos a continuacion.
+ Actualmente el equipo requiere una liberacion de calor 17 4% mayor a
2 de disefo para compensar el porciento de exceso de vapor de agua
entada con fa corriente de proceso Evidentemente, la mayor liberacion
calor en el hogar de! equipo, propicia que las pérdidas energéticas via jos
ses Ge combustion en chimenea, sé incrementen en un 64.5% (9 86
taliBtu/hr a condiciones de disefio contra 16.22 MMBtu/hr en circunstancias
aciuales)
* Por otro fado, la cantidad de oxigeno medida en los gases de
chimenea —3 6% mol en base seca-, aunque determinacién puntual, permite
afimar que en promedio el calentador esta operando actuaimente con un
418% de aire en exceso. Como es sabido, dicho porcentaje es ligeramente
mayor que el rango normal que debe manejarse usualmente de acuerdo al
servicio -en promedio 15% para el quemado de gas natural-.
« Finalmente, las pérdidas de calor por radiacion y conveccién a través
de paredes, también son contribuyentes sensibles en la reduccion de
eficiencia La estimacién de dichas pérdidas oscila en el orden de 4% que es
un promedio elevado Se ha incluido un esquema en el que se visualiza el
valor evaluado mediante un programa que determina las pérdidas de pared
segun las ecuaciones mostradas en el capitulo “Diagndéstico Energético”.
El estado fisico y operacional actual del calentador, obliga a reparar en diversos
aspectos que deberan ser atendidos a la brevedad por el personal responsable del
centro operativo.
5'5 INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 76
FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
ICO ENERGETICO @
CONTROL DE TEMPERATURA DEL EFLUENTE DEL CALENTADOR.
Los comentarios del personal de planta en relacion al control de dicha variable se
resumen a que por etapas o lapsos, dicha actividad se vuelve complicada y que
por ende demanda atencién particular.
Segun !o apreciado durante la visita de inspeccion, las causas estimadas a
relacionadas pudieran ser:
+ Calidad en el patron permanente de flama por mala operacion o ajuste
en algunos quemadores Posiblemente esto tenga relacion con la
aparentemente deficiente distribucion de presién en subcabezales y/o
ramales que alimentan el gas combustible a quemadores
+ Iregularndades en boquillas de quemadores (erosion, obstruccion
parcial otras}
Por el aspecto fisico constatado, es posible que todos los factores en su conjunto
contuouyan a dicha circunstancia operativa
+ gintesis lo recomendable es gue se revisen a detalle los distintos aspectos
comentados
PERFIL DE TIRO EN EL CALENTADOR
*, reserva de ser confirmado con el personal de planta, se presume la posibilidad
in que los valores de presi6n -tiro- leidas en campo, no son del todo confiabies. La
razén de tal presuncién tiene sustento en los siguientes hechos
Son incuestionables las fugas en multiples puntos y zonas —mirillas, escotillas
y demas aberturas de inspeccién-, del calentador. Inclusive, no son descartables
areas a !o largo de Ia trayectoria de los gases de combustion con presion positiva.
Esto ultmo es inferible por la presencia de manchas de humo/hollin en algunas
partes del cuerpo de! calentador. En un momento dado , esto se sale del ambito
de percepcion del personal de operacién si se tienen problemas de obstruccién en
las conextones de las tomas de tiro.
Evidentemente esto también debera ser revisado por el personal de planta
IRREGULAR DISTRIBUCION DE FLUJO DE GASES DE COMBUSTION A LO
LARGO DE SU TRAYECTORIA DESDE EL HOGAR HASTA LA CHIMENEA
Alribuirle al incierto perfil de tiro, conjugado con la naturaleza y magnitud de las
diversas fugas comentadas lineas arriba.
Para asegurar la conversion requerida, se incrementa la liberacion de calor no
uniforme, favoreciendo la coquizacién, también seguramente no uniforme.
‘TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No. 77
ATUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
GNOSTICO ENERGETICO
HEDIDAS DE AHORRO DE ENERGIA
Las siguientes medidas de ahorro de energia consideradas como de nula o
ininima inversion, tlenen también incidencia en los aspectos operativos, de
mantenimiento y de incremento en la vida ttl del calentador
Es importante subrayar. que aunque dichas medidas sean de impacto moderado
en el incremento de la eficiencia y en la disminucién del consumo del combustible,
estas permutiran mejorar las condiciones actuales de operacion Las medidas de
ahorro de energia son las siguientes”
Moniorear y/o ajustar continuamente el tiro en el puente y en el piso del
calentador de acuerdo con fos valores recomendados por los tecndlogos
de equipos de combustién Un nivel de flujo de aire de combustion
adecuado. se logra cuando se mantiene una presién negativa de 25 mm
de columna de agua —0 1° H20- en el arco del calentador. La regulacion
externa de la posicién de la mampara debera efectuarse de acuerdo al procedimiento incorporado en el anexo técnico I] del informe final
Reducir el exceso de aire a 15% como maximo El porcentaje preciso lo
dara el monitoreo permanente de oxigeno en los gases de combustién,
tal como fue sefalado lineas arriba Es importante considerar que se lleve a cabo la verificacton detallada en su totalidad del estado fisico del refractario, considerando esta como una buena practica de ingenieria. La deteccién de temperaturas mas alla de las recomendadas —en promedio 50 a 60 °C arriba de la del ambiente-,
Inducen a pensar en incipientes grietas y eventualmente en rupturas,
caida y dafio mayor
{FSIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 78
“s FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
CALCULO DE PERDIDAS POR PAREDES APLICANDO PROGRAMA DE
EVALUACION.
11 & lado este =
_fado oeste= i266870.35 [8m | a
Hit
nf
El calor aue se plerde por las paredes del cafentador se puede ver en el esquema anterior se evaluaron 4 57 MMBtu/h, si el calor aportado por el combustible es de 421 85 MMBiu/h el valor que se obtiene por pérdidas en las paredes expresado en porcentaje es de 3.75%, sin embargo la toma de temperaturas no se hizo totalmente a la zona de conveccién, por lo que se puede estimar en 4% como
redondeo
TESIS NO BEBE oli DE LA BIBLIOTECA
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 79
jEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
inc UACION ECONOMICA
EVALUACION ECONOMICA
FESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 80
2 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA*
» best UACION ECONOMICA —
EVALUACION ECONOMICA
(vespues de que se ha hecho y analizado el comportamiento térmico y operacional
un calentador a fuego directo, queda por realizar un andlisis economico Este
anahsig consiste en cuantificar el ahorro que se tendria si se aplicaran
; rmeramente medidas operacionales, es decir que se efictentara la operacion del
antador aplicando correcciones a las variables controlables del equipo (tal como
contrel de tito exceso de arre, etc ), o de mversién, que consisten en invertir cierto
-apilal (orincipalmente en equipo de control) para mejorar la eficiencia y
cicnannento del equipo, en este ultimo punto se hace un andlisis adicional para
car si el ahorro logrado al aplicar medidas con inversién puede financiar las
unplementaciones hechas recuperando el desembolso a corto o mediano plazo
resto depende de la inversion hecha, por ejemplo si fuera un revamp del
calentador lo que se requiriera el tiempo de recuperacion de la inversién seria
saptable a mediano plazo. si fuera la instalacién de un control de mampara
uco el tempo de recuperacion de Ja inversion seria aceptable a corto
‘
ante secuencia muestra como se podria estimar el ahorro, tanto de
manera energética como econdémica.
+. Se cuantifica el consumo energético de operacion realizado al quemar
nbustble esto se hace por medio del flujo del combustible cuando el calentador
cperando y el poder calorifico del combustible (segtin su composicin).
Fiujo de combustible (M/T) x Poder Calorifico ([M*L2/T2]/M)
Flujo de combustible (L3/T) x Poder Calosifico (M/[T2*L})
rsie consumo energético se obtiene en unidades energéticas (como Btu, Kcal,
<tc ) por unidad de tiempo ([M*L2/T2j/7).
? - Apartr de la temperatura de chimenea, exceso de aire y pérdidas por radiacién
previamente obtenides se evaltia en porcentaje el ahorro que se obtendria en
combustible bajo los siguientes criterios:
| Por cada 15% de exceso de aire dismmuido comparado contra el de
disefio, se ahorra un 1% de combustible, el porcentaje se puede expresar
en la siguiente formula. (exceso de aire operacional — exceso de aire
disefio / 15)
11 Por cada 35 °C de temperatura disminuida comparada contra la de disefo,
se ahorra un 1% de combustible, el porcentaje se puede expresar en la
siguiente formula: (temperatura de chimenea operacional — temperatura de
chimenea de disefio / 35).
ENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 81
4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
ZION ECONOMICA a
_E! ahorro que se tendra en combustible por disminuir las perdidas en
paredes (pérdidas por radiacién) sera proporcional a la cantidad de
energia dismmuida, solo que esa energia disminuida se expresara en
cantidad de combustible, es decir si yo ahorro por egemplo t MMBtu/h al
mejorar las condiciones del refractario del calentador esa sera !a cantidad
de combustible que ahorro si la transformo a flujo con el poder catorifico
de! mismo combustible que estoy utilizando. Este ultimo punto estara en
funcién de que dicho ahorro no se pierda por chimenea, es decir que la
temperatura de los gases de combustion que se desalojan se mantenga o
se aproxime a la de disefio
4- & la eficiencia y def balance energético del calentador en operacion
oreviamente calculada (ver secuencia de calculo en ei capitulo diagndéstico
energetico o aplicacién de programa de evaluacién de eficiencia energética) se le
aumentan los puntos porcentuales que se calculan mediante los incisos l. y I] del
punto anterior, con esta nueva eficiencia y manteniendo la cantidad de energia
aprovechada por el proceso (es decir la energia que el fluido de proceso absorbe)
se calcula la cantidad de energia que se libera del combustible, esto con la
siguiente formula’ (energia absorbida por el fluido de proceso / nueva eficiencta
caiculada) esta energia calculada se puede transformar en flujo de combustible a
patti del poder calorifico del mismo, este flujo sera menor que el flo de
nperacién que se tenga en el calentador si el exceso de aire y la temperatura de
chimenea de operacion son mayores que el exceso de aire y temperatura de
chimenea de diseho.
4- Haciendo la diferencia entre el flujo de combustible de operacidn y el flujo de
combustible obtenido en el punto anterior se obtiene el ahorro de combustible por
unidad de tlempo, este ahorro se puede transformar en dinero por unidad de
tiempo sabiendo el precio del combustible empleado segtn la siguiente formula:
(fujo de comb de operacién-flujo de comb. de ahorro)*precio de combustible.
5 - El ahorro de combustible también se puede transformar en ahorro de energia
multiplicando el ahorro de combustible por su poder calorifico, obteniendo un flujo
cde energia que se ahorra por unidad de tiempo.
Con el ahorro de energia y las recomendaciones de inversién que se hayan
emitido 0 considerado (por ejemplo, comprar medidores de tiro 0 controles
automaticos de mampara, cambiar refractario, etc.) se puede evaluar la factibilidad
de dicha inversian mediante el siguiente analisis.
Vator presente neto (VPN): Valor monetario que resulta de la diferencia entre la
suma de los flujos descontados y la inversién inicial, se calcula con la formula:
VPN = inversion-[)_ FNE/(1+i)"]~VS/U+i)" ‘) n=l
GENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 82
« FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
iON ECONOMICA og
inversion Es ta cantidad monetaria que se requiere para la implementaci6n de las recomendaciones para eficientar el calentador
beak
Donde
“NE (Flujo descontado). Son los flujos netos de efectivo que se tienen por
cancepto de ganancia {en este caso ahorro) durante un periodo de tempo »comunmente un ano).
n Perodo de tempo
“S {Valor de salvamento): Es el valor fiscal gue tendra e} activo al finalizar el tempo de vida util del mismo.
1 lasa de interés: puede ser la tasa minima aceptable (TMAR*) o la tasa interna
ae retorno (TIR)
Tasa minima aceptable (TMAR’*): Es la tasa minima de ganancias o rendimiento de una inversion considerando la inflacion y un indice de riesgo, se calcula a partir
de la siguiente ecuacion
T\ELIR = INDICE _INFLACIONARIO + INDICE_ DE _ RIESGO @)
Tasa interna de retorno (TIR): Es Ja tasa que hace al VPN=0 o iguala los flujos descontados con la inversi6n inicial.
Sea como ejempio el calentador analizado en ta seccién del diagnéstico energetico (caso tipico).
Como recomendaciones con Inversion para el equipo BA-X se resumen la siguiente tabla.
TABLA No. 12
CONCEPTO UNIDADES | COSTO UNITARIO | COSTO TOTAL _ Dlis. (PESOS) scenors Dils. (PESOS) vernon
Contro! automatico de mampara 1 10,500 (110,250) 10,500 (110,250)
Analizador de gases | “continuo 4 7,000 (73,500) i 7,000 (73,500)
Quemadores (opcional} 128 7,060 896,000 (9.408 MM} “NOTA EL TIPO DE CAMBIO CONSIDERADO ES DE 10 5 PESOSIDOLAR
£1! ahorro estimado para el equipo BA-X se resume en la siguiente tabla.
ESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 83
+s FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
1ON ECONOMICA res)
TABLA No. 13 AHORRO EN CALENTADOR BA-X
~__CONCEPTO PARAMETRO |
Ahorro de energia___ 3.47 MMBtu/h |
Poder calorifico ! 453 Btu/ft 4
Ahorro en gas ‘ 7671 ft/h |
i 66.27 MPCS/afo |
Ahorro en dinero : $ 994,050 pesos/afio
i | $ 99,405 dils/afio
S* analizaran dos casos en los que Se considera
a, Caso No 1. Solo se consideran los dos prirneros conceptos de la tabla No 12
(control automatico de mampara y medidor continuo de gases de combustion),
tomando en cuenta la inflacién
by) Caso No. 2 Se cansideran los tres conceptos de Ja tabla No 12 (se incluyen
quemadores}, tomando en cuenta la inflacion.
CASO No. 1
Sca la yida Util de los dos primeros conceptos de la tabla No 12 igual a dos
anos con una inflacion anualizada de 17% los ingresos por ahorro obtenidos
seran ios reportados en Ja tabla No. 14°
Tabla No 14
INGRESOS POR AHORRO Ano :Ahorro en gas iPrecio del gas {Ahorro pesos
'MMPC/aho | $ipie cubico | MMPesos/afio
re 166.27 1001575 1043 2 166.27 0 01837 1217 2077 66.27 0.02155 1.428 |
400 | 66.27 0.02522 1671 5 66.27 0.02950 1954 J
La depreciaciacion y amortizacion a través de cada periodo se muestra en la Tabla
No. 15
IGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No S84
#. FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
EVALUATION ECONOMICA
Tabla No. 15 :
_____ DEPRECIACION Y AMORTIZACION UNLEPTO INVERSION | TASADE | ]
INICIAL °-«DEPRECIACION | ANO | ANO } ANO | ANO | ANO | VS ANO ANUAL (%) 1 2 3 4 5 |
ve $710 150 "50% 7955 125 | $55 125 . 1
: : i i
£73 4500 “50% 1835 750 | 336,750 "
. . i | — $9 408 000 10% i |
. ! |
7 TOTAL |591.875 | ST 875 “|
i balance de efectivo o estado de ahorro se muestra en la Tabla No 16.
Tabla No. 16
__ ESTADO DE AHORRO
CONCEPTO ANOS
4 2 i 3 4 5
1043 7221 1 7428 7671 1955
{
see Pe po — — |
0.091875 + 0091875 | i
7135 : 7313 i Bebe 8
1
ta TAMAR considerada para este caso es la siguiente; con una inflacion de 17% y
un indice de resgo del 10% se tiene:
TAMAR = 17% + 10% =27%
Llevando el valor presente neto a 0 y despejando la ecuacién 1 se tlene la
siguiente ecuacion:
183,750=[1,135,627/(I+i) +1313056/(1+1)"| @)
Resolviendo fa ecuacion anterior para | se obtiene la TIR que para este caso es
de. TIR=617 6%
ERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No
EGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
85
IOM ECONOMICA ——
Como se observa la TIR es mucho mayor que la TMAR’, dado que la TIR es la
tasa minima de rendimiento y la TMAR* es la tasa minima aceptable entonces una
MR mayor que una TMAR™ indicara que el proyecto es costeable y se puede llevar
a cabo
El Lempo de recuperacién de la inversion se estima graficando el negativo del
yator presente neto a través del tiempo o los periodos considerados, para este
caso se puede observar en la grafica No 1 que el tiempo de recuperacion de la
inversion esta entre 0 2 y 0.3 afios
GRAFICA No 1 (caso No. 1)
VPN vs. tiempo’
CASO No. 2
Para este caso la inflacién e ingresos por ahorro (tabla No. 14) se considera tgua!
que en el caso No. 1, teniendo una vida util del tercer concepto (quemadores)
igual a cinco ajios. En la tabla No. 17 se indica la depreciacién de los conceptos
considerados en un periodo de cinco afios
INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 86
‘4, FUEGO DIRECTO ESTASLECIENDO UNA METODOLOGIA
UNCERTO
Cl balance de efectivo o estado de ahorro se muestra en la Tabla No 16
UATION ECONOMICA
Tabla No 15 . DEPRECIACION Y AMORTIZACION
INVERSION | TASA DE | ee eee | __ it INICIAL = | DEPRECIACION; =ANO | asio | ANO i ato | ANtO | vs ano |
i __ANUAL (%) 1 , 2 | 3 | 4 65 i 5 150% S55 SESS 1
150% $36,750 i S750 —— | | 1 4 10% $940,800 1S940,800 | 5940600 3040800 | $940,800 [$4 7M |
| ! $949 600 [5040800 | 8040,800° FSa 7M | — TOTAL | 51 032M | $1 032MM
CONCEPTO
Tabla No. 16 ae ESTADO DE AHORRO
ANOS 7 1 2 | 3 4 5
1.043 7221 1.428 1674 1955
7.032 1032 | 0.9408 0 9408 5 6408
2.075 2 253 i 2 3688 2.6118 7 5958 |
La TAMAR considerada para este caso es la siguiente; con una inflacién de 17% y
un indice de riesgo del 10% se tiene:
TAMAR = 17% + 10% =27%
Llevando ej valor presente neto a 0 y despejando Ja ecuacién 1 se tiene la
siguiente ecuacion
say 750 =]?
de
© Resolviendo la ecuacién anterior para i se obtiene la TIR que para este caso es
MIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
= UEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
PAGINA No 87
O00 (1-4 i)-+2,253,000/(1+)° +2.368,800/ (144) +2,611.800/(1+2)' +7,595.800/(1 +1) |
1 AALUACION ECONOMICA
TIR=17 61%
Como se observa la TIR es menor que la TMAR* en 10 puntos porcentuales, una
TR menor que una TMAR* indicara que el proyecto no es costeable y no se
puede Wevar a cabo. En este caso implementar nuevos quemadores no es
costeabie con el puro ahorro de combustible al aplicar solo medidas
operacionales, como disminuir el exceso de aire; para aplicar esta opcién se
deben de implementar otras medidas adicionales si es que se quiere mejorar el
funcionamiento del calentador, tales como un sistema de precalentamiento de aire
TMAR?’ NOTA La TMAR considerada en este ejemplo fue estimada, con fin de ejemplificar el caso, a partir de una inflacén del 17% (inflacién estimada por el Banco de México a principios de 1999 para el nsmo afio) y
ua factor de siesgo de 10%, sin embargo se debe considerar las TMAR evaluadas por las instituciones bancaias para ta aprobacién de credits @ proyectos A continuacién se muestran fas TMAR y jos Celes a 28 dias de 1998 y 1999 emitidas por el Banco de Mexico
28 dias
Prom 1998 8S 48
Enero 99 13,
Febrero 99 ‘4 Marzo 99 87 234
Abril 99 54 0 29
Mayo 99 22 49 89
GENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
#& FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
PAGINA No 88
ie
NDACIONES
RECOMENDACIONES
SiS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 89
» FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
DACIONES RECOMENDACIONES
DIAGNOSTICO Y PROBLEMAS EN LOS CALENTADORES A FUEGO
DIRECTO Y QUEMADORES, ASI COMO SUS POSIBLES SOLUCIONES.
PROBLEMA:
Flamas pulsantes
INDICACION DEL PROBLEMA:
Se escucha un ruldo estruendoso. se observan flamas excentricas y flamas
quemando hacia el exterior del calentador
+ EFECTO EN LA OPERACION:
Dafos al refractario del interior del calentador y destruccion de los
quemadores
SOLUCION:
1- Reducir el suministro de gas hasta que el calentador tenga el suficiente aire de combustion para quemar el gas.
2 - incrementar el tiro del calentador abriendo el damper de la chimenea
3- Incrementar la liberacién de calor del quemador de acuerdo al tro disponible del calentador o para la liberacion de calor requerida.
+ PROBLEMA:
Flamas incidiendo en los tubos.
+ INDICACION DEL PROBLEMA:
En el hogar det calentador se observa que las flamas inciden en los tubos.
+ EFECTO EN LA OPERACION:
1 - Se crean puntos calientes en los tubos 2.- Los tubos tienden a fallar debido a la coquizacién de tos tubos.
* SOLUCION:
NGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 9()
4 +UEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
“EC OMENDACIONES ow
“4 - Limptar el quernador
2 - Asegurarse que exista el aire adecuado para la completa combustian
3 - Revisar el barrenado de las boquillas de una posible erosién.
4 - Revisar que estén alineados correctamente, el quemador, las boquillas
de gas y aceite.
5 - Revisar la presién diferencial del vapor
6 - Revisar la distribuci6n de aire.
+ PROBLEMA:
Retroceso de flama en mezcladores.
INDICACION DEL PROBLEMA:
Se observa flama en el interior del mezclador y un sobrecalentamiento en el exterior del cuerpo del mezclador.
EFECTO EN LA OPERACION:
MDafos a jas partes del quemador y quizas se restrinja la capacidad del
calentador.
SOLUCION:
4 - Incrementar la presion de gas en el quemador.
2.- Cambiar la boquilla de gas.
3 - Limpiar el quemador.
« PROBLEMA:
Patrones de flama trregulares
+ INDICACION DEL PROBLEMA:
En el quemador 7 - Un lado de Ia flama es largo y el otro es corto en el calentador 2 - Algunos quemadores tienen flama larga y otros corta
IGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 9}
EGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
DACIONES
+ EFECTO EN LA OPERACION:
1 - Puntos calientes en el calentador
2 - Operacion ineficiente.
« SOLUCION:
1 - Limpiar las boquillas de gas 0 aceite.
2 - Ajustar todos los registros a una misma apertura.
3 - Ajustar el tiro del calentador para asegurarse que exista flujo de aire de
combustion a traves del quemador
4- Revisar la alineacién en el quemador de boquillas de gas/aceite.
PROBLEMA:
Escurnmiento de aceite
INDICACION DEL PROBLEMA:
Escurrimento de aceite del quemador y formacion de charcos de acerte por
debajo del quemador
+ EFECTO EN LA OPERACION:
1 - Operacion riesgosa.
2 - Cornbustion y operacién ineficiente
3. - Formacién de coque en la garganta del quemador (regent tile).
* SOLUCION:
1 - Ajustar la temperatura de aceite hasta alcanzar una viscosidad de 200
ssu o menor en el quemador.
2 - Ajustar la boquilla de aceite en la garganta del quemador a su posicion
correcta
3 - Ajustar la presion diferencial de vapor
4.- Limpiar el cafién de aceite.
5.- Reemplazar fa boquilla de aceite si sus puertos se encuentran corroidos
« PROBLEMA:
Flamas largas y humeantes
« INDICACION DEL PROBLEMA:
7P5!S INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 92
# FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
ie
En el interior del hogar del calentador se observan flamas largas, sucias y humeantes que se dirigen a la zona de convecci6n
* EFECTO EN LA OPERACION:
1 - Combusti6n ineficiente 2? - No se consigue la temperatura de sahda del producto. 4 - Depésitos de hollin en las superficies de fos tubos. 4 - Formacion de coque en la garganta del quemador.
+ SOLUCION:
- Ajustar fa presion de vapor - Limpiar el cafién de aceite - Ajustar el tiro del calentador - Ajustar la boquilla de aceite en !a garganta del quemador - Reemplazar la boquilla de aceite si sus puertos se encuentran corroidos - Revisar fa distribucion de aire. O
opwon a
PROBLEMA:
Fiamas inclinadas
INDICACION DEL PROBLEMA:
Las flamas se apoyan a un lado del calentador.
EFECTO EN LA OPERACION:
Puntos calientes en los tubos
SOLUCION:
1 - Revisar el flujo de los gases en el calentador. 2 - Instalar una mampara para deshacer los efectos del flujo de gases
3- Limpiar las boquillas de gas 4.- Revisar la alineacién de las boquillas de gas o aceite
5 - Revisar fa distribucion de aire
« PROBLEMA:
El quemador no puede encenderse
“INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 93
+ f UEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
iq
IDACIONES
« INDICACION DEL PROBLEMA:
El operador no puede encender el quemador.
+ EFECTO EN LA OPERACION:
Falla al intentar arrancar la unidad.
+ SOLUCION:
1 - Reponer los pilotos para poder ignitar el quemador
2 - Asegurarse que exista flujo de gas o aceite al quemador.
3 - Cerrar los registros de arre.
4 - Ajustar la boquilla de gas (0 aceite) a su posicion correcta.
* PROBLEMA:
Altas preston de gas
* INDICACION DEL PROBLEMA:
la presién de gas registrada en ia linea de alimentacién es tan grande que
inevitablemente se libera calor.
+ EFECTO EN LA OPERACION:
1 - Patrones de flama irregular.
2.- Puntos cafientes. 3. Falla al tratar de conseguir la correcta temperatura de salida del
producto.
« SOLUCION:
1.- Limpiar los orificlos de gas en el quemador 2.- Limpiar las boquillas de gas.
3- Ajustar el tiro a nivel del quemador para una adecuada liberacién de
calor
* PROBLEMA:
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 94
2s FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA~
o
emperatura de la chimenea muy elevada
INDICACION DEL PROBLEMA:
1a temperatura de la chimenea continua incrementandose por arriba de la temperatura de disenio.
EFECTO EN LA OPERAGION:
i - Dismmuye ia efictencia del calentador 2 - Elevados consumos de gas y costos de operacion.
SOLUCION:
- Ajustar el exceso de oxigeno. - Ajustar e) tiro del catentador - Limpiar la zona de conveccién. - Soptar el hollin de los tubos. B
G
as
PROBLEMA:
Sobrecalentamiento de la zona de conveccioén
INDICACION DEL PROBLEMA:
1 - El refractarto cae del techo. 2 - El acero estructural se deforma y abre
3 - Los tubos de la zona de convecci6n se empiezan a caer.
EFECTO EN LA OPERACION:
La unidad se apaga debido al sobrecalentamiento
SOLUCION:
1- Abrir el damper de la chimenea para incrementar ligeramente el tiro de una presiOn positiva a una presion negativa de 0.05” c.a. 2.- Si el damper esta abierto, disminuya la liberacién de calor hasta eliminar
fa preston positiva en fa zona de conveccion.
PROBLEMA:
Rudo como el motor de un barco, cuando se esta quemando aceite
ESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 95
+. FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA “
BECO
ie
NOACIONES
INDICACION DEL PROBLEMA:
E! operador escucha en el quemador un ruido como de un motor de barco
EFECTO EN LA OPERACION:
1 - Flama inestable. 2 - Perdida de la flama.
SOLUCION:
7 - Revisar gue no existan fugas de vapor en la valvula del bypass o que la salvula se encuentre abierta. 2 - Revisar si el aceite contiene agua 3 - Incrementar la presion del aceite combustible. 4- Stes posible, incrementar ef punto de ebullicién inicial (ibp) del aceite si no, cambiar el cafion de aceite concéntrico a uno de tubos duales
PROBLEMA:
La flama se desprende del quemador.
INDICACION DEL PROBLEMA:
La flama se esta quemando mas alla de la boquilla del quemador
EFECTO EN LA OPERACION:
Operacidn potencialmente riesgoza
SOLUCION:
1.- Corregir la alineacién de la boquilla de gas o aceite. 2 - Revisar el estabilizador de flama 3 - Ajustar la puerta de aire primario
PROBLEMA:
Perdida de la flama del piloto.
INDICACION DEL PROBLEMA:
El piloto no puede ser encendido o no se podra mantener encendido.
NIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 96
EGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ~
EFECTO EN LA OPERACION: *
Operaci6n potenctalmente riesgoza
+ SOLUCION:
7 - Ajustar el tiro dei calentador 2 - Ajustar la puerta de aire primario en el mezclador del piloto 3 - Revisar la presién de gas a piloto y ajustarla de ser necesario 4 - Revisar la estabilidad de la flama 5 - Consuitar con el fabricante del quemador por una posible resistencia del piloto al viento
* PROBLEMA:
Flamas pulsantes y ‘retroceso de flama” en el quemador
+ INDICACION DEL PROBLEMA:
1 - Presencia de combustidn en los puertos de quemado del quemador y en la camara de mezcla de aire y combustible 2- £1! mezclador esta caliente y algunas veces se observa que esta al rojo resplandeciente.
+ EFECTO EN LA OPERACION:
Condiciones de flamas inestables e irregular patron de calentamiento en el calentador algunas partes del quemador estan expuestas a_ aitas
temperaturas para las cuales no esta disefiada
» SOLUCION:
1 - Quizas exista una baja de presién de combustible en los quemadores dependiendo de las recomendaciones det fabricante de los quemadores
quizas se tengan que reducir el tamafio de la esprea_ si Jas condiciones de
operacién lo permiten, se pondrian apagar algunos quemadores e€ incrementar fa liberacién de calor en los restantes. 2 - El tiro a nivel de los quemadores quizas sea demasiado bajo; revisar el damper de ja chimenea e incrementar el tiro abriendo el damper lo mas
posible
» PROBLEMA:
&NIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 97
* FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
NDACIONES =
Altos niveles de NOx.
* INDICACION DEL PROBLEMA:
Altos niveles de nox. son medidas en la chimenea
+ EFECTO EN LA OPERACION:
La unidad esta violando los limites permitidos por las normas ecolagicas
existentes
* SOLUCION:
4 - Revisar la posicion de los registros de aire secundario y terciario. 2 - Revisar los niveles de oxigeno y de NOx.
Checar que el registro de aire terciario se encuentra abierto
Revisar que exista flujo de gas a las boquillas primarias de gas y alas
boauillas de gas por etapas.
5 - Consultar con el fabricante de! quemador.
ENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 98
» FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
NE COMENDACIONES =
EL TIRO Y SU CONTROL
+ Definicién e importancia
Se define como tiro, a la energia de presion requerida para hacer circular al
aire y los gases de combustion a través de un equipo
Se le llama tiro efectivo a la energia neta de presién que se ttene en un punto
determinado ya habiendo considerado las pérdidas.
El control de tiro es muy importante, porque facilita Ja regulacion del exceso
de are e incrementa ja seguridad del personal y el uso eficiente de la
encigia
+ Tiro natural
El tiro natural producido por una chimenea es igual a la diferencia en peso de una columna de aire frio del exterior y una columna de gases calientes en la chimenea Sia este valor de tiro, restamos las pérdidas debidas a fricciones
internas y las pérdidas debidas a la aceleracién de los gases, es posible conocer la presion interna en diferentes puntos del calentador.
Las variaciones meteorolégicas, las condiciones de funcionamiento de la
camara de combustién y la altura de la chimenea tienen una marcada
influencia sobre el valor del tiro creado por una chimenea determinada
INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 99
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
PROCEDIMIENTO PROPUESTO PARA REDUCIR EL EXCESO DE
AIRE Y CONTROLAR EL TIRO NATURAL DEL CALENTADOR
Cuando los calentadores queman gas deben manejar como maximo 20% de
caceso de aire y con combustéleo 30%, debe controlarse el tiro en el puente del
calentador entre -1 27 a -2 54 mm H,0 (- 0 05 a -0.1 pulgadas de agua) valor de
diseno con objeto de mantener ligeramente el] hogar del calentador a presién
negatva y no causar excesivo alargamiento de las flamas {tro en los
qjuemadores debe de ser de -6 10 mm H2O 6 -0 20 pulgadas de agua, valor de
diseno: y entradas de aire parasito a través de ranuras, especialmente en la
seccion de conveccién Para to anterior es necesario contar con la instrumentacion
sara medi el tiro (con conexiones localizadas en el piso del calentador, en el
puente del calentador y en Ia salida de la zona de conveccién), asi como contar
con una total funcionalidad del regulador de tiro (Damper) y también debe haberse
trazado el perfil de tiro del calentador en cuestion (presion en cada uno de los
puntos sefalados).
Considerando que el calentador esté en operacién se deben seguir los pasos
generales siguientes’
i Comprobar en los indicadores de tro, que éste es excesivo en todo el
calentador (anotar el perfil de tiro existente).
2 Comprobar que el regulador de tiro (DAMPER) localizado en la chimenea esta
muy abierto (mas abierto del 75%).
3 Comprobar que el exceso de aire existente para la operacidn del calentador es
mayor que el recomendado de acuerdo al tipo de combustible, conectando el
anahzador de gases en la toma de muestra de la salida de zona de radiacion y
juego en fa salida de zona de conveccién (verificar infutraciones).
4 Abrir totalmente los registros de aire primario y secundarios de los quemadores
(O HASTA EL PUNTO EN QUE SEA POSIBLE ABRIRLOS, EVITANDO
QUE LA FLAMA SE DESPRENDA DE LA BOQUILLA DEL QUEMADOR).
5 Verificar el exceso de aire (si se abrieron los registros debe aumentar el valor
de exceso).
6 Medir la variacién provocada en el perfil de tiro inicial.
; “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No. 100
4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA “
?
a
ENDACIONES = — 7 Cerrar ligeramente la mampara reguladora de tro de la chimenea y comprobar
que hubo variacion en el perfil de tiro del calentador (al cerrar un poco el regulador se debe observar que el vacio en todo el calentador disminuye)
fdedir el exceso de aire del calentador y dado que se ha cerrado ligeramente el regulador de tiro, éste debe haber disminuido
NOTA: €ncaso de no registrar disminucion en el exceso de aire, verificar que se esté efectuando correctamente el analisis de gases de combustion, también es posible que el regulador de tiro practicamente no se haya cerrado (punto 7) por lo que se recomienda se tome experiencia para que Jos intervalos en los que se vaya cerrando sean adecuados; ya que el objetivo sera obtener el puente del calentador - 1.27 a - 2.54 mm H;0 (- 0.05 a - 0.1
pulgadas de agua) de tiro y aproximadamente obtener ei perfil calculado a través del equipo.
& En caso de haber disminuido sensiblemente el exceso de aire de acuerdo al punto 8 repetir desde el paso 6 hasta el 8, para alcanzar los valores de tiro buscados, asi como el exceso de aire recomendado, asimismo verificar el efecto de éste en las condiciones del fluido de proceso, ya que en caso de efectuar correctamente ef ajuste del horno, fo mas probable es que la temperatura de salida del fluido se incremente y por lo tanto se debe disminuir el gasto de combustible para ajustar esta ultima; ademas, debe disminuir la altura de fas flamas como consecuencia de la disminucién del efecto de! tiro
i0 Cuando se efectiie el ajuste de! calentador, lo primero que se lograra ajustar es el perfil de tiro del equipo y en este instante el exceso de aire debera ser ligeramente mayor que el valor recomendado, siendo entonces necesario que el ajuste de éste no se efecttie por medio del regulador de tiro, sino que, el exceso de aire debera ajustarse por medio de fos registros de aire primario y secundario de los quemadores los cuales haran el ajuste fino del aire y en caso que sea necesario se movera el regulador de firo para conservar ef perfil de tiro del calentador.
1 - Una vez ajustado el tiro det calentador y del exceso de aire, verificar al menos dos veces al dia el exceso de aire y el tiro para mantener las condiciones optmas de operacién del calentador. Cuando haya variaciones de carga al calentador repetir este procedimiento para continuar manteniendo ef calentador
bajo estas condiciones.
HERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 10t
+ FUEGO DIRECTO ESTABLECIENOO UNA METODOLOGIA *
{ { &
+ Diagrama
o
de bloques general para ajustes de tiro y
exceso de aire en un horno de tiro natural.
- procedimento describe las etapas minimas para realizar e! ajuste
de tro y exceso de alre Sin embargo pueden presentarse problemas
llegar a un ajuste combinado de ambas vanables por lo que a
+ se presenta un diagrama esquematico a bloques de forma general
iones a tomar cuando se presenten estos problemas de ajuste
DIAGRAMA DE BLOQUES
CLRRAR
f DAMPIR t
TRE TORNAR AL INICIO
on
CERRAR RV CISEROS
DL MRT
CERRAR
REGISTROS DE
AIRE
ABRIR
REGISTROS DE
AIRE
ABRIR
DAMPER
VERIFICAR O; CORRECTA
ABRIR REGISTROS 7 DE AIRE
BUENA OPERACION
CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 102
DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
ie
ANEKO |
SiS ot GE TERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 103
2 f UEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
HOJAS AP! DEL CALENTADOR
[O7k EF EATOS DE CAL,
APROBHDO Ho REO, UNIDAD. FABRICANTE TPS,
FFIOSPGR 215:
WBTO ADF CA BTU He
AR tery
Sg EG)
REDE Y [128 DE DESTILACION O VINCULOS OF COMPOSICION
CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALI SOE RECTO ESTABLEC:
ADOR PAGINA No 104 OO UNA METODOLGGIA™ REVISON
{04
APROBO
Tens ieAcO Li
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TADOR- ESOR DE TBERIA DE PARED.
ODE Searenon 274 DCEO SEND ELAST CO a
DIS!
RESTRICCIONES DE RUDD Ss
OCURRENCIA DEL VIENTO.
RADIANTE
CCION DE CONVECCION
PAGINA No 108 REVISON
APROBO
O NTEFVED!
TEN PERATURA CARA CALIENTE 71 DISERO,
TERIAL MATERIAL
TEMPERATURA CrRé CALIENTE °F} DISENO
TEMPERATURA CARA CALIENTE (°F) DISERO.
WA 1
CALCULADO
CALCULADO
CALCULADO
‘PAGINA No 107, REVISON
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nag RAL
#PROBO,
CARA CAIENTEN
WPERATURD E
LOCAUZACION TAMARO BISAGRAS O CERROJOS.
BAGINA No 108 REvisOn
(03
CALESTADORES
REVISO APROBO,
NUMERO:
MODELO,
Ba TERIAL TAR UN CALERTADOR, PAGINA No 109,
WETODCLOGIA~ REVISON
{69
AMEXO It - —
TESIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 110
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
Formato No 1
. I INFORMACION GENERAL DEL CALENTADOR (
NOTH DET A PLANTA _ _ Shp HTC ACION DEL CALENTADOR © APACTDAD DE PROCESAMIENTO DE DISENG weed
«IO DEL CALENTADOR: fA ENTADOR VAPORIZADOR REACTOR vei aa?
FARA EERSHCA DE DISEXO MMBTU'HR
woul ( G ENTADOR — CILENDRICO VERTICAL C 5
CABINA C 5
NUMERO DE CELDAS C )
#& ENEADOR
apa
‘“ONEERO DE OL EMADORES
JON
SERS HCI tS) DE LA SLCCION DE CONVECCION:
¢ APES TAMIENTO DE AGUA
4 GENERATION DE VAPOR DE AGLA
# SOBRECALLNTADOR DE VAPOR AGUA
* KEHER\IDOR (SOLO VAPORIZACION)
® SOBREC ALENTAMIENTO
LYN
XN
LAY OK
e OTRO
COMBE STIBLE (8) EMPLEADO (S) GAS C LIQUIDO C
C LIQ. Y GAS
{t) INFORMACION REQUERIDA PREVIA A LA VISITA A CAMPO
We
‘GENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINANo II!
£GO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
Formato No 2 .
INFORMACION TECNICA DE DISENO
PLANES
“IDEN TILIC ACION
SERA 1O.
i INLORMACION DE PROCESO:
1 \ireglo general del calentador.
Diagiama de flujo de proceso (incluya el calentador).
Diagiama de tuberia e instrumentacion.
Plane estructural,
Hoja de datos del calentador (hojas API), o informacion especifica STU TC"
<1 Absorcién de calor (Duty), MMBTU/hr.
*.2 Calor liberado por el combustible (calculado),(LHV) 0
. MMBTU/hr
4.3 Densidad de flujo radiante maxima permitida BTU/hrFT?
3.4 Densidad de flujo conveccién maxima BTU/rET*
3.8 Tipo de combustible a usar _
3 6 Porciento de exceso de aire especificado por disefio
5 7 Porciento de eficiencia garantizada (LHV)
8 Perdidas por radiacion (% del calor liberado)
(LEV)
9 Temp de gases de combustion (salida sec. de radiacién)
t we
tee
nh aA
5.10 Temp. de gases de combustion (salida sec. de conveccién)
5.1] Temp. de gases de combustidén (salida del calentador)
5.12 Presion en el piso del calentador (quemadores)
5.13 Presién en el puente
5 14 Presion combustible requerida en quemadores Psig.
Hi. INFORMACION DE QUEMADORES. |. Curva de liberacién de calor.
Grafica de flujo de calor vs. Presién.
NOUN CF) Informacion 1equenda en Sugar de Ja eficiencia
MIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 112 “FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDG UNA METODOLOGIA “
Formato No 3”A”
HOJA DE DATOS PARA LA EVALUACION ENERGETICA DE C.F.D. IN-SITU “?
IDENTILICACION:
SERVICIO
i; ADO DE PROCESO IDENTIFICACION 1ER. 2DA. 3ERA INSTRUMENTO
HORA. HPO DE HLIpO” PETG ) HEMP PNERADA( )
HEMP SALIDA ( )
HEMP SALIDA
CONN FOCION ( )
TEMP SABIDA EN.
SERPINEINNo Jy) [TT
SERPEMIEN No.2¢00)) TLS
"SE RPENTINNo 3(00) FTE
,SERPENTIN No 4(0) [THe
ERPENTIN No. () [TI-
SOE Cb LA RECOPILACION DE ESTA INFORMACION DEBE REALIZARSE DURANTE UN
PERIODO DE OPERACION DEL CALENTADOR, TOMANDO DIFERENTES LECTURAS DE LAS
SIGLIENTES \ SRIABLES A DIFERENTES LAPSOS DE TIEMPO.
TES'S INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 113
* FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA~
Formato No 3”A”
iq
(CONTINUACION)
LADO DE GASES DE. | IDENTIFICACION 1ER. 2DA. 3ERA ‘COMBUSTION: INSTRUMENTO
HORA _ __
cap visa TI-
Hl | SEA DORE Sa J
VEN PUENTE Te VJONY
SADESCIONG: )
ATLA ZONA TI-
ONL ECCION CANTES PAMEAPAR ADE )
PRESION EN PISO Pl- Sat p MEADORE SI } _
HRESION LN PL ENTE Pl- NALHDS ZONA RADIACION
maps NEED ZONA DE! py. Cry CION
UN ESMEAMPARAC 3
SION DESPUES Pie MAP ARA ( _
FO ONGENO Al- STE ONMIDA ZONA DE
‘ Nie _
ZONA DE IDENTIFICACION IER, 2DA. SERA CONVECCION INSTRUMENTO
(SERVICIO
: NDIENTE):
. HOR a
PO DE FLUIDO™
AL I10¢ ) Fic -
| FLSIP ENTRADA ( Tle
Tsp SALIDA) TIC:
PRISION ENT ¢ } Pr
PRISIONSAL (0) Pre ~~ -
CELMPERATORA DE [TE PSOBRECALENT (Cy
SOTA TAS CARYCTERISTICAS Y PROPIEDADES DEL FLUIDO DE PROCESO SE DEBERAN
DE RECOPILAR EN EL FORMATO No.3"B".
INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
PAGINA No I14
Formato No 3”A”
(CONTINUACION)
WENTIFICACION | JER. 2DA. 3KERA |
; | _INSTRUMENTO "
HORA i pita 4 HC - I
PESMP TD SIRADAG ) Tre i!
INERADA AGPL- | . _ |
PAGINA No IIS
INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA”
EAN
1.B
IhA
IEB
Formato No 3”B”
o INFORMACION ADICIONAL PARA LA EVALLACION
ENERGETICA DE C.F. Db
|.ADO PROCESO:
COMPOSICION DEL FLUIDO DE PROCESO:
DIE DUENTE: COMPOSICION (% MOL)
PROPIEDADES FISICAS DEL FLUIDO DE PROCESO
Capacidad calorifiea : BTU/LB °F Calor Fatente de vaporizacién BTU/LB
Parciento de Vaporizacién
Peso Molecular
i.ADO ZONA DE CONVECCION (SERN ICIO INDEPENDIENTE DEL DE PROCESO):
‘TIPO DE FLUIDO
COMPOSICION DEL FLUIDO:
COMPOSICION (% MOL)
COMPONENTE :
| | | | i | i |
NIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METOOGLOGIA *
PAGINA No 116
oO ILC | PROPIEDADES FISICAS DEL FLUIDO DE LA ZONA DE CONVECCION:
BTU/LBOF BTU/LB
Capacidad calorif € alot latente de vapor
Porciento de Vaporizacion
Peso Vielecular
Wl. COMBUSTIBLE:
HLA HPO
HILB. \ ALOR DE CALENTAMIENTO LIV: HAY:
H.C. GRAVEDAD ESPECIFICA A 15°C 0 CAPT
HILD. Liat mo: PRESION DEL VAPOR DE ATOMOZACION RELACION C/H
HL. Gas: PESO MOLECULAR
RELACION C/H
TILE. COMPOSICION DEL FLUIDO:
COMPOSICION (% MOL)
iV. GASES DE COMBUSTION:
1\_]. TEMPERATURA DE LOS GASES DE COMBUSTION:
[V.2. PORCIENTO DE OXIGENO EN LOS GASES DE COMB.:
iV.3. PORCIENTO DE BIOXIDO DE CARBONO EN LOS GASES DE COMB.:
NIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No [17
FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
a
Vv. CONDICIONES CLIMATOLOGICAS:
VLA. PEMPERATURA AMBIENTE DEL AIRE (_—)
VB. \LTITUD SOBRE ELNIVEL DELMAR ( )
VLC. VELOCIDAD DE VIENTOS REINANTES ( ) _
VLD. It MIEDAD RELATIVA ()
Vi. INFORMACION DE SERVICIOS:
VILA. COSTO DE COMBUSTIBLE (3)
VILLB. COSTO DEL VAPOR DE AGUA A LA PRESION DE GENERACION EN LA SECCION DE CONVECCION ( PsIG)®
(VAPOR GENERADO EN LA ZONA DE CONVECCION COMPARADO CONTRA EL
DL EA PLANTA)
rESIS ‘INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 118
A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDC UNA METODOLOGIA “
FORMATO No. 3C
\ ERIFICACION DE EXISTENCIA, OPERATIVIDAD Y SUFICIENCIA DE
LA INSTRUMENTACION EN C. F. D.
ee ao ~ a _ 1 PEASE 1
Wot ILC ACION
Mae
~~ INSTRUMENTO | Texistencia | OBSERVACIONES ‘|
mperatura de entrada y | 4 {
30 ce proceso . 4Sl NO |
emperatura del fluido de j
ida de zona conveccién |, sl NO on i
“|
2 presion de entrada y || i proceso i H S| NO
atura de gases de | 1 ovferentes puntos del } Is) NO i
i a en diferentes puntos i St NO
| ¢ coni.suo de O, en gases de sl NO
on
1 det fiujo de combustible sl NO
iiec.cor de flujo de carga de S| NO almentacion
idedidor de fiyo del agua (BFW) a la SI NO zona de conveccion
‘Indicadores de temperatura del agua de ‘enwada y salida de fa zona de sl NO
;cenveccion
‘Indicadores de presion de! agua a fa sl NO entrada y salida de la zona de
conyeccion
NOLAL INDICAR EN OBSERVACIONES SI EL INSTRUMENTO ESTA OPERANDO
ADECU \DAMENTE. $1 DEBE REALIZARSE AJUSTES. REQUIERE DE CALIBRACION, DAR
NEAT EENIMIENTO PARA HABILITARLO O SUSTITUIRLO
HERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No. 119
=GO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA“*
NOTA 2
“2 \LIMENTACION -, Dk PROCESO 2
em rescence vcewe®
debs cevescoreseasane®
SOULS Er ato tetai de
wembastibie al
casa de s hano
SUE N 2-1 fuyo total de carga
alhorne. kn caso de
ver por seepentin,
precisarlo
_ALOOR BESS | 7 ~ COMBUSTOLEO’ -
REQUERIDA PARA-UN.< a CONTROL ENERGETICO Y —
CIRCUITO GENERACION /
SOBRECALENTAMIENTO
DE VAPOR
UN CALENT,
ETC NOTA. : GINA No 120
COMBUSTIBLE
> >
Claves del diagrama del calentador a fuego directo
| 1
;TI: indicadon de temperatura |
‘TIC: Indicador controlador de temperatura
re Indicador de presion |
[PIC: Indicador controlador de presion i
‘FIC: Indicador controlador de flujo
FQE Totalizador indicador de flujo |
iDG: Mandmetro de turo ! SC: Toma de muestra | |Ab Analizador de oxigeno |
| HS: Selector manual '
|
NIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
UEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
PAGINA No 12
o Claves de los instrumentos del diagrama del calentador a fuego directo
Ti-1 indicador de temperatura a tablero de Ia caja de radiacién de los gases de combusti6n
Tl~-2 indicador de temperatura a tablero de la caja de radiacion de los gases
de combustién
Th-3 Indicador de temperatura a tablero de la caja de radiacion de los gases de combustion. (puente)
Ti-4 — Indicador de temperatura a tablero de la caja de radiacion de los gases de combustion ala salida del primer banco de convencién.
Ti-5 — Indicador de temperatura a tablero de la caja de radiacién de los gases de combustion a fa salida del segundo banco de convencién.
Tl-6 indicador de temperatura de entrada de alimentacién del economizador
cen caso cde existir)
Ti-7 . indicador de temperatura de satida del economizador (en caso de
existir)
Th-8 Indicador de temperatura de alimentacion de carga al calentador
Tl-9 — Indicador de temperatura lado proceso paso de convencidén a radiacion
TIC —1 Indicador controlador de temperatura de salida lado proceso.
DG~1- Mandmetro de tiro base caja de radiacion
DG-2 Mandmetro de tiro salida de radiacién (puente).
DG—3 Mandmetro de tiro salida de conveccién
DG-—4- Mandmetro de tiro salida a la atmdsfera después de la mampara
SC—1 Toma de muestra en la salida de radiacion (puente).
SC-—2 Toma de muestra de la salida de conveccion.
Al,-—1 Analizador de oxigeno en gases de combustidn en el puente
i£SIS INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 122 A FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDC UNA METODOLOGIA “
o FIC —1. Indicador controlador de flujo agua — vapor al economizador (Si existe)
FIC — 2. indicador controlador de flujo de alimentacion de corriente de proceso al
calentador
FQI-1 Totalizador indicador de flujo de combustible.
PIC -1 Indicador controlador de presién de combustible a quemadores.
Pl-4 Indicador de presién de alimentacion de corniente de proceso al
calentador
PI-2 indicador de presion lado proceso paso de conveccion a radiacion
PI-3 Indicador de presion salida de la corriente de proceso del calentador
HS—1 Selector manual del tipo de combustible empleado gas 0 tiquido
NIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 123
UEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
TESIS IH¥GENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 124
rs F JEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
OL! QUEMADORES
ANEXO Ill
GENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 125
4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA
SIN
“HL4O0 I QUEMADORES —
1 Fundamentos de combustién
Combustién Es una reaccion quimica entre un combustible y oxigeno que produce luz y calor
La preduccion de calor, es por supuesto, el punto de interés. Esta reaccion en la mndustra es empleada en calentadores a fuego directo para el calentamiento de faudos por medio de los productos de combustion.
{a mavoria de los combustibles contienen carbone, hidrégeno y en algunas orasiones azufre Cada uno de estos componentes, cuando se combinan con e! oxigeno producen respechvamente didxido de carbono, vapor de agua y oxidos de azufre mas calor
4 C + O2 o_o CO2 + CALOR
2H, + O20 ————_-——___> 2H20 + CALOR
proximadamente 21% en volumen del aire es oxigeno, esta es ta fuente mas comun de oxigeno en ja reaccion de combustion. Sin embargo, en algunos casos
emplean otras fuentes de oxigeno Un ejemplo es el gas de descarga de las fbinas de gas. dicho gas contiene normalmente de 14 a 16% de oxigeno en
volumen adecuado para sostener la reaccién de combustion
Para gue la reaccién pueda llevarse a cabo debe alcanzarse la mezcla adecuada
de combusuble aire y se debe mantener la temperatura minima de ignici6n.
Una de las funciones del quemador es mantener la adecuada proporcién de combustible y oxigeno de la mezcia. Se requiere una cierta cantidad de oxigeno para cada porcién de carbono o hidrégeno del combustible. Si la proporcién de combustible - aire requerida varia drasticamente la reacciOn puede no llevarse acabo o efectuarse de manera incompleta.
La ignici6n de la mezcla se logra usualmente adicionando una fuente externa de calor (chispa, flama) hasta que Ja reaccién genere suficiente calor para mantenerse encendida sin necesidad de la fuente externa de calor.
Para el adecuado disefio de un quemador es fundamental considerar tres aspectos importantes: turbulencia, temperatura y tiempo, que definen la velocidad de la reaccion Para que la combustion se lleve a acabo adecuadamente, debe
“SGEMIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 126
F UEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA °
XO Ml QUEMADORES ~
este suficiente turbulencia para lograr la adecuada mezcla; existen dos fuentes
de turbulencia, la caida de presion det aire a través del quemador y la energia del
combustible La temperatura a la cual se lleva acabo la reacci6n de combustion es
importante mientras mas alta sea la temperatura en la zona de combustion la
reaccion se fleva acabo con mayor rapidez. El tlempo que se requiere para que se
lleve acabo la combustion es dependiente de la temperatura y la turbulencia En
general, a mayor turbulencia menor es el tiempo que se requiere para que se
cfectue la reaccién De igual manera, a mayor temperatura menor el tiempo de
reaccion
i: general los productos de combustion son didxido de carbono, vapor de agua,
oxigeno, nitrégeno y pequehas cantidades de componentes tales como el
monoxido de carbono, hidrocarburos no quemados, oxidos de nitrogeno y oxidos
de azufre
a Ei aitrageno esta presente debido a que Ja fuente normal de oxigeno es el aire.
u El ovigeno esta presente porque tiprcamente, las untdades se operan con
ceso de aire. es decir se introduce en Ja reaccién una cantidad de oxigeno (aire)
mayor al requerido por la reaccidn, esto se hace por multiples razonas entre ellas, las leyes de la quimica establecen que si se pretende que una reaccion se fleve a
cabo en un tlempo razonable , debe existir un exceso de uno de los componentes
en la reaccién Debido a que normalmente un exceso de combustible no es tolerable se alimenta un exceso de aire. Otra razon es que e/ combustible varia continuamente de composicién, al tener un exceso de aire se asegura que se
tendra suficiente oxigeno en ja reaccion, por otro lado los guemadores no son mezcladores perfectos y requieren por esto exceso de aire.
c La presencia de oxidos de azufre se debe a Ja presencia de azufre en los
combustibles El azufre se oxida a didxidos y tridxidos de azufre,
aproximadamente el 95% del azufre se convierte en dioxidos, el 5% restante se
convierte en tridxidos. Los tridxidos de azufre son productos indeseables ya que si
estan presente en los gases de combustion atin en pequefias cantidades,
aumentan en forma drastica la temperatura de rocio de los gases. Esto significa
que la condensacién se produce a una temperatura mas elevada provocando
problemas severos de corrosion y de lluvia acida.
d Se producen 6xidos de nitrégeno durante la reaccién de combustion Estos se
producen por la oxidacién del nitrogeno en el aire y de los componentes
nitrogenados de los combustibles. Se sospecha que los Oxidos de nitrogeno
destruyen la capa de ozone de la alta atmésfera que nos protege del rayo del sol
y es precursor del ozono a nivel de piso, por lo que es un producto indeseable de
la combustion La presencia de este componente esta influenciada por el diseho y
la operacion del equipo.
i SIS “INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 127
‘4s FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA ’
eg > Componentes tales como hidrocarburos no quemados y mondéxido de carbono
=stian presentes en los gases de combustion debido a una reaccién incompleta. La presencia de estos componentes estan influenciados por el disefio y la operacién del equipo
sHEXO oll QUEMADORES
ta operacion adecuada de un calentador depende en forma importante del diseno
y aperacién adecuada del quemador. A continuacién se discutiran los factores que influencia ef disefio de los quemadores
2 Factores que influencian el disefio de los quemadores
2 i Confiquracidén de} horno y localizacién de los tubos ta localzacion de fos quemadores en piso, pared o techo del horno esta definida bor fos requerimientos del proceso, la determinacién de donde se requiere -oncentrado el calor y donde debe ser evitado.
2 2 Combustibles disponibles
22.1 Solo gas
Cuando se requiere quemar solo gas existen dos tipos de quemadores
Premezcia En este tipo de quemadores parte del aire de combustidn es mezclado con el combustible antes de llegar a la boquilla del quemador.
SECONDARY AIR
Mezcla en la boquilla: En este tipo de quemadores todo el combustible pasa a través del quemador sin ser combinado con el aire hasta llegar a la boquilla.
=5I§ INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 128 & TLEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA '
xO 1 QUEMADORES ~
Gas
2 2 2 Solo combustible liquido
Para poder quemar un combustible liquido se requiere fraccionar, “atomizar", en
equenas gotas que permiten quemar con efectividad Esto se hace normalmente
alumentando vapor a alta presion. Sin embargo, existen otros métodos tales como
alimentacion de aire de alta presion o atomizacion mecanica, esta ultima se ve
umitada si el combustible contiene sélidos ya que fos orificios de estas boquillas
son normalmente muy pequefhas.
2 23 Gas y combustible liquide
Cuando se tienen este requerimiento se incluyen en el disefio un quemador de
mezcla en ta boquilla y un quernador liquido.
ENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 129
= GO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
CUEMADORES —
2 3 Liberacién de calor
ste queda definido por el disefiador de acuerdo a al carga térmica requerida por ei horno y la eficiencia del mismo.
? 4 Caracteristicas de la corriente de proceso
tas cornentes de proceso que contienen componentes inestables que se
“yescomponen con el calor requeriran de condiciones de disefio especial.
2 5 Condiciones de tiro
La caica de presién del aire a través del quemador debe coordinarse con el tiro
asp a través del horno. Si el quemador no se selecciona para ai tiro real del
HOMO no operara adecuadamente. Como mencionamos con anterioridad una ‘+ las fuentes de energia de mezcla es la caida de presién del aire a través del
vor pero dicha caida debe darse en ja garganta del mismo. Si el quemador 44: selecciona muy grande se requiere cerrar la compuerta de aire provocando que a caica de presion sea en la compuerta, en este caso la energia de mezcla se ve “;smminuida y la operacién del quemador es pobre.
25 Albtud
“4 grances altitudes se deben hacer consideraciones especiales debido al cambio de densidad de! aire Normalmente para altitudes menores a 100 pies no se
nacer COmrecciones
eratura del aire La temperatura del aire asi como la altitud afectan la densidad del aire, esto debe
ser tomado en cuenta para la adecuada seleccién del quemador.
itendase por turndown la relacion de fiberacién de calor maxima a minima. Este
debera ser definida para que el barrenado de las boquillas cubra las necesidades ‘le proceso.
2 9 Emisiones En la actualidad existe una norma ecolégica que limita las emisiones de fuentes fyas NOM-085-ECOL-1994. Las emisiones a cumplir definiran el tipo de
guemadores que deberan ser seleccionados
QUEMADORES DE BAJAS EMISIONES DE NOx
Antecedentes
HERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 130
# JEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
{| QUEMADORES _
Las emisiones de NOx se regulan debido a Jos efectos adversos que tienen sobre
ia salud y el medio ambiente. Como se mencioné con anterionidad, los NOx juegan un papel muy importante en la formacién de Ja lluvia acida, en la formacién de ozono en fas capas bajas de la atmésfera y se sospecha que algunos tipos de
4«dos de nittégeno toman parte en e} deterioro de la capa de ozono en la alta
atmosfera
Se han identificado dos mecanismos a través de los cuales se generan dichos
GOS
NO» Termico
Este mecanismo de produccidn es una fuente principal de NOx provenientes de la combusuén La produccion de NOx por este mecanismo puede ir desde unas suantas partes por millon hasta varios miles dependiendo de las condiciones El “scuema de reaccion es el siguiente.
O + Ne _o oS NO +N
N + O2 oo NO +O
N + OH ———> NO +H
isie mecanismo de produccién de NOx se inicia con atomos de O y éstos
prevalecen en las zonas de alta temperatura de fa flama por lo que el NOx térmico se produce con mayor rapidez en las zonas de flama con temperatura pico. Dé necho ja produccién de los NOx térmicos. se incrementan exponencialmente con
ja temperatura de la flama y el método para controlarlos es principalmente controlando la temperatura pico de la flama
PROMPT NOx
El’ PROMPT” NOx es una forma indirecta de oxidar Nz y las emisiones generadas por este mecanismo son mucho menores que las generadas por e| mecanismo térmico. Sin embargo a medida que se han ido disminuyendo las emisiones de NOx férmico la contrbucién de este se vuelve mas importante. El PROMPT NOx se produce principalmente en fas zonas de la flama ricas en combustible Se forma por medio de una secuencia de reacciones que se inician con radicales
hidrocarburos y Nz Estos radicales se forman durante la combustién de cualquier hidrocarburo. Las reacciones tipicas son
No + CH => HON + N
No + C ———>+ CN +N
IGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINANo 131
» FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA
#NEXO HT QUEMADORES
E! HCN y CN formados en estas reacciones se pueden convertir a NCO, NH, y
después aN Finalmente el N puede reaccionar para formar NO
NOx producido por el combustible.
Aigunos combustibles tales como los aceites contienen moléculas con enlace
organico con el nitrégeno. E] combustoleo contiene en México de 02 a 0 43% de
nitrogeno en liga organica; incluso algunos gases de refineria contienen algunos
compuestos tales como NHs, HCN y arrastre de aminas generadoras de NOx
f meada que tos combustibles pesados se calientan en la flama se
siescomponen, y dependiendo de la naturaleza de los enlaces quimicos , el
nitrogeno tipicamente es fiberado en forma de HCN o NH, compuestos que
finalmente derivan en la formacién de NOx.
Los factores mas importantes que determinan la cantidad de oxidos de nitrogeno
preducidos por el tipo de combustible quemado son: el contenido de nitrogeno en
ga organica en el combustible y la estequeometria en la zona de la flama donde
s@ libera el nitroageno Aunque generalmente no se puede hacer nada para afectar
«i nivel de nitrégeno en el combustible, si es posible optimizar la estequeometria
é la flama :
Se nan desarroliado dos tecnologias que permiten la reduccion de NOx.
Quemadores por etapas de aire
El quemador por etapas de aire marca John Zink es la mejor tecnologia existente
en la actualidad cuando se requiere quemar en combinacién una combustible
nquida y un gas. El quemador esta disefiado para inyectar el aire de combustion
en etapas generando dos zonas de combustion ; la primaria donde se fleva a cabo
una reaccion subestequeomeétrica que limita la formacién de éxidos de nitrogeno
por el contenido de N en el combustible, y por otro lado la zona de combustion
secundaria que mezcla los productos de combustién provenientes de la zona
primarta con aire terciaria o en etapa Esto disminuye la temperatura pico de la
flama limitado fa formacién de éxidos de nitrogeno “térmicos”
ENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICLENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 132
» FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
mtiEXO WE QUEMADORES _
coxaicioxes, SUB-ESTEQUIO2ETRICAS
DE LA ZOKA PRIMATIA UeCRENENTA LA CANTIDAD. OF AGENTES REDUCTORES
2, CO EL AIRE DE LA SEGUNDA ETAPA SE AEICLA COX Los GASES OF ConsusTiCN DE LA ZONA PRITARIA, ESYO REOUCE LA TenPreaTeza GE LA ELAMA OUE LimiTA LA PRODUCCION ———— pExe Pa
Quemadores por etapas de combustible
fn este tipo de quemador, se mezcla una porcién del combustible y todo el aire de
combustion en la zona primaria de combustion. Se logra una combustion muy
rapida en esta atmésfera de alto exceso de aire El exceso de aire tan alto reduce
considerablemente la temperatura pico de la flama de la zona primaria. Debido a
la reduccién en la temperatura pico de la flama, la produccion de NOx en Ia zona pmmaria se reduce considerablemente E] combustible restante es alimentado a través de varias boquillas perimetrales que por su velocidad de operacién
arrastran a los productos de la zona primaria de combustion a la secundaria Al entrar jos productos de la reaccién a la segunda etapa reducen la temperatura de la combustion y reducen la presion parcial del oxigeno en la reaccion retardando la
formacion de oxidos de nitrogeno
Este quemador es mas efectivo en la reduccién de NOx sin ernbargo, hasta ahora
solo es aplicable a gases combustibles, no maneja combustibles liquidos.
ZONA CE COMBUSTION SECUNDARIA
J ZONA PRIMARIA PICA FOMBUSTIBLE
COMBUSTIBLE SECUNDARID
ee AIRE DE conBustion
Laut t108 O€ coueron 0
n TENCrSTIGLE SEL MMARID COMGUSTIBIE PRuARIEL
Bou WERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 133
}: FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA~
"i QUEMADORES o A continuacién se muestra una tabla comparativa que compara las emisiones de un guemador por etapas de aire, por etapas de combustible y estandar
PPM
NOxCORREGIDAS
A 3%
02 (BASE
SECA)
1807
a A Oo + t
” to oO +
a 5° ° } +
80+
60+
40+
207
(Exceso de Aire - 10%) (Combustible - Gas Natural)
QUEMADOR ESTANDAR
POR ETAPAS DE AIRE
POR ETAPAS DE COMBUSTIBLE
rl 1 - t
100. 200 300 400 500 600
TEMPERATURA DEL AIRE DE COMBUSTION (°F)
MIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 134
EGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
Ghi QUEMABORES
«
5 INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 135
“FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA
CUESTIONARIOS
CUESTIONARIO No. 1
INSPECCION VISUAL DE C.F.D.
(EVALUACION ENERGETICA CUALITATIVA)
PLANTA
IDEN TIEIG SCION,
SERNICIO
INSTRUCCCIONES _ Enla columna de respuesta tachar fa opcion correcta stesla se siguiere si el espacio esta en blanco escnby la respuesta segtin sea ef caso En la columna de observaciones, desenibu las caractersticas adicronales que pudieran existir
PRE
RISPUESTA OBSERVACIONLS. ‘|
‘9 ACTUAL DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO 4S Y EQUIPO
7 7 Tivcnas condiciones condiciones se encuentra el aislamiento de Paco deterioradas.
nirada, salida e intermedias del fluido de Muy detersoradas
|
L
Dilieren entre elas y sar temperatura en cada serpentin de fa salida | Cin ta del control de
jemp
{| Buenas condiciones.
, aislamiento de tuberta paso seccién de | Poco detertoradas eceren a radiacion {Muy detecuradas
oa Buenas condiciones , evsar aislamiento de tubena ala entrada del Poco deteriorade
lentador y equipo Muy detunorado
+1 cquapo o tuberia a la entrada del ealentadar no esta « astada fa temp requerida st la salida del calentador no
t ESTADO ACTUAL DEL REFRACTARIO EN EL CALENTADOR (EXTERNAMENTE)
iy SECCION DE CONVECCION Estado Zonas Granites ia Oxidadas. Pequenas iDETECCION DE PUNTOS CALIENTES EN LA ZONA) | Cantidad
Pocas _. Muchas
Laco norte
. Lado “sur
7 Laco esle
. “Lado oeste
. Fp cno
- _—S
ve MHERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 136
GO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA '
CUESTIONARIOS
CUESTIONARIO No. 1
(continuacion)
Revisar el estado de la pintura, ef grado de
oxidacion de zona,
{corroborar con temperatura de pared}.
Grado te detertore Buenos candiiones
Povo deturiorade Muy deterrorado
Existe en la pared deformidad
Existe agnetamiente o cisuras
1D CCION DE RADIACION Tied Zonas Ca
DETECCION DE PUNTOS CALIENTES EN LA ZONA) | ¢ anndudl i Pocas i Muchas
: j
i
1 Carvaln te deterioro + Buenas candiciones
10n de Zona 1 Poco deteriorade
‘corrocorar con temperatura de pared). * Muy detertorada
+ Enisie en la pared deformidad !
- 1s/e agnetamento o cisuras ‘ *, NEA Tstade Zonas Grandes
- see Oxidaday Pequefias CCION DE PUNTOS CALIENTES EN LA ZONA) !
{Cantidad Pocas
an Muchas
Evtremos
~ Grado de deterioro ry Revisar el estado de la pintura, el grado de Buenas condiciones
oxidacion de zona, Poco deteriorado
(corroporar con temperatura de pared) Muy deteriorado
7 €xste en la pared deformidad
- Existe agnetamiento o cisuras
fy ESTADO ACTUAL DEL REFRACTARIO EN EL
_CALENTADOR (INTERNAMENTE)
: Deteccion de puntos calientes en el refractario Grado de deieriaro |
Paco deteriorado Moy deteriorada, _|
- — Identificar st existe choque de flama sobre el
refractano o fuerte radiacion (refractario
incandescente). sobre el
+ €xiste frecuente desprendimento de refractario
(mantenmmientos de reparacion hacen por afio)
NGEWNIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR PAGINA No 137
ING
4 FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA~
“ GESTIONARIOS
CUESTIONARIO No. 1
(continuacién)
rr tlumero : - Operabihndad T Manual Automatics
i Range Total de ‘ operacion (grades)
i TE Grados de apertura { operauinnal
, Estado del mandmetro de tira | Bucn estado i (No habilitwe
7 Posicion ‘
i a + nue condiciones se encuentra jos quemadores ;) ™P
Lovidades Obstrndes
* Linpios.
aciones de paredes o piso de quemacores.
{ Oxidados:
* Obstridos
r : ones de los regisiros : ee ee
‘ Prmario. .
|
‘ Secundanio :
= ' cna dela flama ; dregulor :
» Demaviada Mergadas
} Checan con
iuhes refractano
Color de la flama
- Combustion
« Enxiste flama separada de boquillas
¢ — €xisle flama en el interior de del mezclador.
vi ESTADO DE MIRILLAS DE INSPECCION.
; ; Grado de detervoro vit ZONA DE RADIACION Buenas contheiones
: Poco deterierado Muy deteriarado
7 Cuantas minillas estan ablertas.
- idenhficar sitas minllas estan flameadas
INGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
# FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METCDOLOGIA
PAGINA No 138
CUESTIONARIOS
CUESTIONARIO No. |
(continuacion)
ZONA DE CONVECCION.
~ Guanias minilas estan abiertas
entficar si las minilas estan flameadas
DO BE TUBOS
@ coloracion roja en paredes de tubos
Colorac.cn roja en anclas y soportes.
¥
T Grade de deteriorar | Buenas vondicianes "Paco duteriorade {Muy deteriurdde
L
Gide de dctenora Buens condiciones
* Poca detenieradae *Atus deterrorado.
GENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
+ FUEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA *
PAGINA No 139
CUESTIONARIO No. 2
INSPECCION VISUAL DE C.F. D.
EVALUACION ENERGETICA CUALITATIVA
fcuestionario aplicado sélo si ef calentador se encuentra fuera de servicio)
MENEN
HAN EHO ACEON
PRY GCTO
Eo '2 columna de respuesta tachar la opcion correcla si esia se sugiere, si el espacio esla en
c'arco escrioi fa respuesta segun sea el caso INSTRUCCCIONES
cla cotumna de opservaciones descvibir las caracteristicas adicionales que pudieran exislr
OBSERVACIONI § | ! RISPULST A
CTU+L DEL REFRACTARIO EN EL i EL ENTADOR
© CONVECCION
! DE PUNTOS CALIENTES
Buenas condiciones,
Poco deterioradas Muy deteioradas
ro (desorendido) : |
_ l
| ! ‘aro iagnetado) :
&E* ~ ON DE RADIACION
CION DE PUNTOS CALIENTES
Grado de detero1o.
Buenas condiciones Poco detentoradas Muy detenoradas
fractario (desprendido).
~ Refractanio (agnetado).
Grado de detenore:
Buenas condivianes.
Poco deterioradas, Muy detenoradas
- Existe desprendimento de refractario
~ €xiste erosion en ia mampara
ENNERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA
PAGINANo 140)
2
7 [ i
~~]
Tamprs . condiciones se encuentran Jas boquillas 1 Ostdadas
| Obstrundas
> Ancias y trantes deformados, arados de los tubos
ZONA DE CONVECCION.
, Tubes deformados
- aAncigs y tirantes deformadas,
separados de fos tubos ntan acumulacion de refractario
NGENIERIA CONCEPTUAL PARA EFICIENTAR UN CALENTADOR
“+ GEGO DIRECTO ESTABLECIENDO UNA METODOLOGIA * PAGINA No 14]
ANEXO CARACTERISTICAS DEL ANALIZADOR DE GASES MOT-1500 Y
BACHARACH Med. 300.
_MOT-1500 BACHARACH Mod. 300
"YO 6a 209% % O, VOL 0.1a235%
, 02a199ppm. co 0a3700ppm
Poo Qa i000ppm NOx 0a 1899 ppm '
| 0a 2000ppm so, 0ai1999p pm
| -20 a 1000 °C Temp gases hasta 1093 °C
CARACTERISTICAS ADICIONALES
7 MOT-1500 BACHARACH Mod. 300
uniia dé combustion (ver nota)
« ftracion ae NOx en combustién (ver nota)
‘ urtracion de CO, en combustion (ver nota)
ic.u No especificado
nivagas 28 65x 18x 9cm
Tsnsicn de aimentacion: 220 V/ 50 Hz
125 V/ 50 Hz.
- Disponibiidad de bateria.
1o0 memonas
LILDICIONES INDIRECTAS
indice Bacharach (7 a 9 EB).
Vorciento de peridas fyas (0a 9 %)
‘uta Estos desplegados se basan en el tipo de
bustible seleccionado en el mismo aparato; este ne § tipos de combustibie disponibles.
~ Eficiencia de combustidn (1 a 99 9 %)
{ver nota).
- Pérdidas por chimenea (1 a 99 9 %) (ver
nota)
- Porciento CO, (1 a 20 %) (ver nota).
- Exceso de aire (1 a 250 %) (ver nota)
- Peso 6.8 Kg
-Medidas 45 7 x 35.6 x 20 3.cm.
120 VAC 240 VAC
- Tensién de alimentacién’
- Disponibilidad de bateria
Nota Estos desplegados se basan en el
tipo de combustible seleccionado en el
mismo aparato. este contiene 14 tipos de
combustible disponibles
ID
t- .astrumento se autocalibra a partir de un aire | Para este modelo se requiere un diametro
hure de sarticulas tales como CO. CO, NOx|minimo de 3/8” (95 mm), la medicién
idebe ser antes del damper £! aparato requiere calibracién, las
|strucciones para hacer dicha calibracion ise encuentran en el manual de usuario
ldel aparato.
143
w
oO
BIBLIOGRAFIA
American Petroleum Institute, Publication 560, first edition, 1995
_ American Petroleum Institute, Publication 535, first edition, 1995
American Petroleum Institute. Publication 533, first edition, 1995
Evaluacién de Proyectos, Gabriel Baca Urbina, 2da_ Edicidn,
1990
Chemical Engeeniers Handbook Perry, John H., McGraw-Hill,
Procesos de transferencia de calor, Donald Q. Kern, CECSA,
1981
Applied process design for chemical and petrochemical plants
Gulf Publishing Company, Ernest E Ludwing, 1964
Better burner specifications, Hydrocarbon Procesing, August
1989
Optimize fired heater operations to save money, Hydrocarbon
Procesing, June 1997.
10.How to boost the performance of fired heaters, chemical
engineering, November 1989.
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