INTRODUCCIONLos calentadores a fuego directo son equipos requeridos dentro de la industria de Refinación y Petroquímica para suministrar grandes cantidades de energía a corrientes de proceso contenidas en serpentines tubulares a partir de la combustión de combustibles líquidos y gaseosos, para elevar sus niveles de temperatura y modificar sus características químicas y físicas, para cumplir con las condiciones del proceso. Estos equipos son conocidos también como calentadores de proceso u hornos de proceso. El diseño de un calentador a fuego directo requiere de un amplio conocimiento y experiencia que involucran los problemas de transferencia de calor, combustión, flujo de fluidos, así como problemas mecánicos y estructurales, por lo que es importante especificar correctamente los calentadores y asegurar que todos los elementos esenciales han sido considerados. 1.-CALENTADORES: Equipo principal existente en las estaciones de flujo, que genera energía calorífica (BTU) para calentar las tuberías o serpentines por donde fluye petróleo, para elevar y/o mantener la temperatura deseada del mismo. 2.-PROCESO DE CALENTAMIENTO DEL CRUDO El objetivo del calentamiento del petróleo (pesado) a través del calentador o de una caldera es, disminuir su viscosidad y facilitar así su manipulación, evitando presiones excesivas en las líneas de la bomba. Este proceso ocurre en las Estaciones recolectoras ubicadas en tierra y los equipos básicos en el proceso son los calentadores y calderas. 3.- TIPOS DE CALENTADORES: 3.1.-Calentadores de tipo indirecto: En estos tipos de calentadores el proceso de transferencia de calor se efectúa mediante un baño de agua caliente, en el cual se encuentra sumergida la tubería que transporta la emulsión. Este tipo de calentadores disminuye el riesgo de explosión y son utilizados en instalaciones donde es posible recuperar calor, tales como el gas caliente de salida de las turbinas. 3.2.-Calentadores de fuego directo: Son equipos requeridos dentro de la industria de Refinación y Petroquímica para suministrar grandes cantidades de energía a corrientes de proceso contenidas en serpentines tubulares a partir de la combustión de combustibles líquidos y gaseosos, para elevar sus niveles de temperatura y modificar sus características químicas y físicas, para cumplir con las condiciones del proceso. En la Industria Petrolera se usan cuatro tipos de calentadores a fuego directo las cuales son: • Calentadores de tipo tubular • Calentadores de fluido tipo camisa • Calentadores de volumen • Calentadores tipo caja de fuego interno o fogón . la alimentación es calentada y sufre una última desgasificacion.Lavado con agua y calentamiento de la emulsión. 4. Posteriormente..-Coalescencia y asentamiento de las gotas de agua. El diseño normal de un calentador tipo vertical cumple las siguientes funciones: 1..Los más utilizados son los calentadores de fuego directo con cajas de fuego de tipo vertical.Remoción de arenas. Después. a través de un distribuidor pasa a un baño de agua para finalmente pasar a la sección de coalescencia.Des gasificado de la emulsión de entrada 2. Las mismas funciones básicas son previstas en un calentador directo tipo horizontal. sedimentosy agua libre previo al calentamiento. 3. . luego es direccionada hacia la parte de abajo del equipo para la separación del agua libre y la arena. La alimentación es parcialmente desgasificada. preparando una mezcla combustible adecuada con el aire que entra por los registros y el gas suplido a cada uno y quemándola. 4. tomada antes de la válvula reguladora. en los diferentes calentadores instalados.4. con una llama corta y de color azul. El suministro de gas a los pilotos se hace por una línea independiente. cada vez que este se apague por acción de la válvula reguladora de temperatura. cuya finalidad es mantener una llama permanente capaz de prender el quemador. evitando así la acumulación del gas en el hogar.-Quemadores de Gas: Generalmente están colocados en el piso del calentador y su función es producir la cantidad de calor necesario para calentar el crudo. . Los números de piloto varían desde 9 hasta 21 pilotos en los diferentes calentadores instalados.2.1.-Pilotos de encendido: Son unas boquillas colocadas al lado de cada quemador.-PARTES DE UN CALENTADOR La estructura de un calentador la integran las siguientes partes: 4. El numero de quemadores es igual al numero de piloto por lo cual estos también varían desde 9 hasta 21. . que sirve para regular el flujo de aire a través de los registros de cada quemador. La función reguladora se realiza automáticamente para lograr una combustión completa. El material aislante que reviste la cámara de combustión. coloca la cámara de combustión en depresión. Además.-Cámara de Combustión: Es una cámara o Caja la cual tiene un revestimiento refractario internamente. 4. . la chimenea por su tiro. con el fin de evitar dispersión o pérdida de calor. Es una compuerta o plancha acoplada a un eje que puede rotar en una forma similar a una válvula mariposa. puede ser de ladrillos refractarios.4.Chimenea: Cuerpo Cilíndrico que esta situada en la parte mas alta del calentador hecho de acero y su función principal es conducir los humos y los vapores o gases que no son quemados en la combustión a una altura tal que no ocasione el menor riesgo de contaminar sus alrededores.4. cartón de asbestos y cemento refractario.-Regulador de Tiro (Damper): Es un componente del calentador situado en la chimenea.5. 4. provocando de esta manera la entrada del aire necesario para la combustión a través de las aberturas de aire de los quemadores.3. 4.8.-Tapas o Ventanas de Ventilación: Están colocadas en las partes laterales del calentador y como su nombre lo indica sirven para airear el calentador.9.-Mirillas/ Ventanas de Seguridad: Apertura lateral y en dirección a cada quemador y permiten observar la condición de la llama en cada quemador de los calentadores que se abre o se rompe cuando existe una alta presión dentro de los mismos para evitar que la estructura se deteriore 4.4.-Estructura Metálica: Es la que soporta el serpentín y los quemadores. los más comúnmente usados son de tipo horizontal con llama externa a los tubos. techos y fondo son de plancha de acero con revestimiento refractario interno.-Serpentines: Son tubos de una aleación de acero especial para soportar altas temperaturas.6. para mejor aprovechamiento del calor. Sus paredes. 4. .7. -Línea de entrada y salida del Crudo: Es la tubería unida al serpentín por donde entra y sale el crudo del calentador. La salida del petróleo es por la parte superior del calentador y la presión de entrada varia de acuerdo al flujo de producciones el cuerpo.1.10. que la temperatura es una propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico. La entrada del crudo al calentador es por la parte inferior ya que se considera que es la parte donde hay más calor y el intercambio de calor se hace más efectivo. el calor fluye del más caliente al más frío hasta que sus temperaturas sean idénticas y se alcance el equilibrio térmico . El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observación de que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición. Temperatura: La temperatura es una variable manejada comúnmente pero resulta difícil dar una definición exacta. Puede decirse. 5.-VARIABLES A CONTROLAR EN EL PROCESO DE CALENTAMIENTO Las variables a controlar son: 5.4. En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes. Esta diferencia de presiones es pequeña y se mide en pulgadas de agua. Es una variable de importancia desde el punto de vista operacional y de mantenimiento del calentador.2. entre el aire frío al calentador en vez de que salgan los . Los quemadores requieren de un tiro mínimo para efectuar una buena combustión. en caso de los calentadores) durante un lapso de tiempo.5. Debe ser controlado para un efectivo proceso.Presión: Es una variable que representa una indicación del comportamiento de un fluido (petróleo y agua. En los calentadores el control de flujo va a estar dado por la capacidad de manejo y/o necesidad de la empresa..Flujo: Se define como el movimiento de un fluido y en el caso de calentamiento.3. y el régimen de el.Tiro: Es una diferencia de presiones entre el interior del calentador y el ambiente y es producida por la columna de gases calientes (de menor densidad que el aire frió) que sale por la chimenea del calentador. y desde el punto de vista del mantenimiento se requiere mantener un ligero vacío en el interior de la cámara de combustión para que en caso de fuga...4. Este flujo se puede medir en unidades de masa. 5. por lo que es muy importante el control sobre ella para evitar contratiempos que dañen el proceso en lo concerniente a la seguridad humana y de los equipos. en unidades de masa por unidades de tiempo. 5. Del total de tubos 24 de ellos son de superficie extendida y están ubicados en la sección de conveccion.1. Esta cantidad adicional al teórico requerido se conoce como exceso del aire. Para determinar el porcentaje de exceso de aire se mide con un analizador el contenido de oxigeno en los gases de chimenea y con ese valor se busca en una grafica ya elaborada el exceso de aire.6 mts. El exceso de aire se regula con los registros de aire ubicados en cada quemador.625” y 0.5.Relación gas combustible/aire Para asegurar una combustión completa.5% basado en el valor calorífico neto (LHV) del gas combustible y una perdida por calor por radiación de un 2%.. El resto de los tubos no tiene superficie extendida y están .-Características de los calentadores 6. los cuales pueden oxidar o corroer las partes metálicas del calentador disminuyendo así su vida útil.-Calentadores CARCO de MM 46BTU/ HR. La longitud total de estos tubos es 12 mts y la longitud efectiva es de 11. El serpentín de calentamiento tiene una presión de diseño de 600 lpcm y esta formado por 84 tubos de diámetro exterior de 6. La eficiencia térmica de estos calentadores es de un 88. en la práctica se le suministra a los quemadores una cantidad de aire mayor que el teórico requerido. 6. Tienen capacidad para manejar crudo con 30% de agua estos calentadores son de seis (6) pasos de tubos y están equipados con sección de radiación y conveccion.gases calientes hacia el exterior. 5.280” de espesor. El serpentín de calentamiento tiene una superficie de transferencia de calor de 196. 28 de ellos están ubicados en las paredes laterales y 12 en el techo. Estos equipos solo tienen sección de radiación.distribuidos 42 de ellos en la sección de radiación y 18 de ellos en la sección de transición.039mts2 y esta formado por tubos horizontales de 6-5/8” de diámetro externo y 0. Las superficies expuestas al calor son de 257.pie y 656 BTU/ H.18 mts en la sección de transición y 1629. 6.2800” de espesor.3. La eficiencia técnica esta basada de estos calentadores de un 60% esta basada en el valor calorífico neto (LVH) del gas combustible y una perdida de calor por radiación de un 35%.-Calentadores LUMMUS de 24 MMBTU/ HR Los calentadores de 24 MMBTU/ HR tiene dos pasos de tubos de 6” de diámetro.28 mt en la sección de conveccion.27 mm de espesor y están colocadas a razón de 2. Las ratas de transferencia de calor son 9437 BTU/H-pie2. 36 aletas por centímetro. El serpentín de calentamiento tiene una superficie expuesta al calor de 427.30mts del total de los tubos. las aletas son de acero al carbono de 19 mm de alto de alto por 1. de transición y de conveccion respectivamente. 5384 BTU/H.-Calentadores LUMMUS de 46 MMBTU/ HR Estos calentadores son de 04 pasos de 8” de diámetro.34mts2 y esta compuesto por 48 tubos horizontales de 8-5/8” de diámetro .pie2 en las secciones de radiación. 110.2.05 mts2 en la sección de radiación. 6. la longitud expuesta es de 9. La superficie extendida de los tubos de la sección de conveccion es del tipo aleta helicoidal. La eficiencia térmica es de un 62% asada en el valor calorífico neto del gas combustible y una perdida por radiación de un 2 %. Estos equipos solo tienen sección de radiación. Una vez encendido el piloto. la longitud total de los tubos es de 13mts y la longitud expuesta es 12. el sensor “uv” detecta la llama y envía una señal eléctrica de 1.-SISTEMAS DE PROTECCION Y SEÑALIZACION Son un conjunto de dispositivos que censan cada una de las variables del calentador. de tiro natural montados horizontalmente 5 en la pared opuesta.-Sistema de Detección de llama: En los Calentadores LUMMUS al pulsar el botón de encendido de piloto se envía una señal eléctrica de 120 VAC. Estos calentadores están equipados con 10 quemadores a gas. simultáneamente alimentando de gas al piloto.322” de espesor. 7.95mts . que activa en l controlador de llama el rele #1.1. dispuestos 24 de ellos en las paredes y los otros 24 en el techo. El controlador de llama tarda de 25 a 30 segundos energizados. el cual da un permisivo para encender el quemador. que chequean la llama de los pilotos. . luego de este tiempo se desactiva. De esta forma puede garantizarse un manejo seguro de los calentadores. La rata de transferencia de calor es 10420BTU/pie2/Hr. que emite una señal de alarma y disparo en l panel local y en la sala de control y actúan sobre este. El controlador de llama inmediatamente energiza el sistema de ignición de chispa.5-2mAmp que activa el controlador de llamas #2. 7. si el piloto no se enciende.externo y 0. para que se encienda el piloto. Los pilotos de los quemadores tienen su propia varilla de ignición y se dispone de detectores UV para cada calentador. 2. Una vez encendido el piloto. comprende tan solo indicación de alarma.-Sistema de Detección de temperatura: En la línea de salida de crudo del calentador se encuentra el elemento de medición de la temperatura que puede ser: una Termocupla o termopar. a la válvula automática que regula la entrada de gas a los quemadores. Adicionalmente se tiene alarma y paro por alta temperatura del crudo a la salida del calentador.3. 7. acción de disparo o parada de los calentadores. al girar el selector.El quemador es encendido girando el selector en el sentido de las agujas del reloj . La acción de alarma/disparo se realiza por medio de interruptores de flujo ON/OFF.-Sistema de instrumentación de flujo de crudo: El Sistema de instrumentación de flujo de crudo. el sensor “UV” detecta la llama y envía la señal eléctrica que actúa como permisivo para encender el quemador. Al pulsar el botón de encendido de los quemadores se inicia la secuencia que permite que la llama de cada piloto los encienda. se envía una señal eléctrica de 120vac. o a través de transmisor de flujo. permitiendo que la llama del piloto lo encienda. envía una señal de 4-20mAmp. que abre la válvula solenoide que alimenta de gas al quemador. Un elemento bimetalito o una RTD. 7. El transmisor a su vez. El elemento de medición esta conectado a un transmisor de temperatura que recibe una señal eléctrica equivalente a la temperatura del crudo. .. que envía una señal eléctrica de 4-20mAmp. puede ser eléctrica de 420mAmp o neumática de 3-15lpcm. La señal desde el transmisor de presión al controlador. Algunos calentadores poseen placas de orificio para medir flujo de crudo a la salida con un transmisor. eléctrica o neumática a la válvula reguladora de presión. En forma remota la señal de presión de la misma es enviada por un transmisor al controlador en sala de control.Los interruptores detectan como señal la velocidad del crudo que fluye a través de la tubería. En forma local el controlador toma la señal de presión directamente en la línea y envía una señal neumática de control a la válvula reguladora la cual mantiene la presión de gas en un punto prefijado. una señal eléctrica de 120 VAC que comanda la parada del calentador.4. a la vez envía. . El controlador envía una señal correctiva. que acciona tanto la alarma luminosa en sitio como la alarma luminosa/ sonora en la sala de control. La presión puede ser controlada en forma remota o local. que a su vez envía otra señal de 120VAC al dispositivo de alarma/disparo en la sala de control que ordena la parada del controlador por bajo flujo de crudo.-Sistema de control de gas combustible: Este sistema controla la entrada de gas que alimenta a uno o varios calentadores. El interruptor de flujo envía la señal amplificada al dispositivo de alarma / disparo en el panel de control de los calentadores. 7. al dispositivo de alarma /disparo en el panel de control local. -Ventilación de seguridad o alivio y purgas: Algunos calentadores existentes en los diferentes patios de tanques y terminales presentan este tipo de equipo se seguridad.8. los cuales permiten airear el calentador y efectuar limpiezas de la línea de gas a los pilotos.-EQUIPO DE SEGURIDAD EN CALENTADORES 8.1.-Alarmas de Protección Es un sistema de detección de condiciones inseguras que permiten preservar la vida útil de los calentadores. mediante una luz o por medio Las condiciones inseguras por las que se accionan las alarmas son: • Baja presión gas a quemadores • Alta presión gas a quemadores • Alta temperatura de salida de crudo • Baja presión gas piloto • Muy alta temperatura salida del crudo • Alta temperatura en la chimenea • Humo en la chimenea de sirenas.2. 8. . Estas alarmas por lo general se reflejan en un panel de control. -Procedimiento de Arranque: • Cerciorarse que la cámara de combustión este libre de herramientas y objeto extraños y que las válvulas de gas combustible estén bien cerradas y no haya escapes. Esta operación mantendrá bien aireada la cámara de combustión. Falla alimentación 24 VDC. por los menos 15min antes de prender el calentador. hasta la mitad de su curso aproximadamente y seguidamente los registros de aire de cada quemador. . • Revisar que las puertas de acceso (tapas) estén cerradas. desalojando los residuos de gases (efectuar prueba de gas con el explosímetro) • Abrir las válvulas de entrada y salida de petróleo del calentador y controlar los manómetros de entrada y salida para funcionamiento correcto.• Bajo flujo de Crudo • Muy bajo flujo de Crudo • Piloto apagado.-Operación del calentador (arranque/parada) 9. Abrir la mariposa del tiro de aire de la chimenea.1. Perdida de aire instrumento • No hay voltaje 120 VAC. 9. • Encender todos los pilotos que correspondan con los quemadores (verificar visualmente la presión de llama). Si esta excede la máxima presión de trabajo permitida. Si tiene dudas Con respecto al gas. • Observar la presión de gas combustible en el manómetro. • Asegurarse antes de dar por terminada la operación. llamar a la persona autorizada para ajustar el instrumento. • Colocar el controlador de temperatura en posición manual. graduar la entrada de cada quemador y también la válvula mariposa en la chimenea. uno por uno y cuando la llama principal este establecida. • Si todos los pilotos están bien prendidos. la . haga una prueba de gas con el explosimetro. • Desahogar la línea de gas combustible por la válvula de 2”. También desahogar el filtro de gas. hasta conseguir una llama azulada. nunca trate de prender los pilotos. cerciorándose que el separador funcione bien (realizar prueba de gas). Abrir el gas de los quemadores principales. ubicada al final de la línea de cada calentador. con 15% de apertura de la válvula automática. lo que india una buena combustión. que llama de los quemadores no toque ningún tubo de la serpentina de petróleo. si existe automatización.• Revisar el interior del calentador para comprobar que no hay pérdidas de gas o petróleo. verificar visualmente la presencia llama. las partes se contraen. causando perdidas de producción y económicas. además del riesgo de un incendio. Las tapas de ventilación de los quemadores (registros). formando carbón en el interior del mismo. sucede exactamente lo contrario. el tubo se quemara. En poco tiempo. • Evitar que el aire frío penetre al horno para que las superficies interiores se enfríen paulatinamente. Este a su vez causa una transmisión pobre del calor y disminución del aprovechamiento. tubos de serpentín. Esto limita las contracciones bruscas de las paredes refractarias.-Procedimiento de Parada: El encendido de un calentador causa la expansión de las partes estructurales y del serpentín. Al apagarlo. cerrar el regulador de la Chimenea (damper). etc. mirillas. mantener circulando petróleo por el serpentín del Calentador por un tiempo prudencial.Cuando la llama toca un tubo.2. 9. • Al parar un calentador. reduciendo la vida útil del calentador. Que conducen al agrietamiento de los tubos. Los pasos a seguir en el procedimiento de parada son los siguientes: • Al apagar un calentador. Se recomienda tres . dependiendo naturalmente de la temperatura de operación y del tamaño del calentador. puede causar el sobrecalentamiento del tubo. • Colocar el controlador de temperatura en posición automática. . medidores y bombas. 3. Si estos sedimentos no son removidos puede causar los siguientes problemas: 1. 2. 10. cerrar la entrada de Petróleo y gas combustible inmediatamente y en lo posible desahogar la línea de petróleo. ánodos... • Cerrar las válvulas manuales de gas a pilotos y quemadores. 4.Acumularse y ocupar un volumen importante en el recipiente y eventualmente bloquear la corriente de alimentación. • Si es una emergencia.-Bloquear la transferencia de calor.. escama.Mantenimiento de los calentadores Las partículas sólidas.Interferir en los controles de nivel. poniendo directa la producción a los tanques. válvulas. tales como arena. productos de corrosión se depositaran en la parte inferior de estos equipos. ocasionando finalmente el colapso del equipo del calentamiento. debido a la rotura de un tubo.horas para calentadores con capacidad superior a 12x106 BTU y dos horas para los de menor capacidad.Asimismo pueden incrementar el crecimiento bacteriano y la velocidad de corrosión. . baja la viscosidad de la emulsion por un factor de 2. Otra alternativa es usar inhibidores de corrosión. • Promueve una mejor distribución del desemulsionante.Para prevenir la deposición de estos sedimentos se pueden instalar “hidrojets” que operando a 30 psia por arriba de la presión de operación del calentador. • Incrementa la diferencia de densidad entre la salmuera y el estabilidad a crudo.-VENTAJAS DEL CALENTAMIENTO • Reduce la viscosidad de la fase continua: un incremento en la temperatura de 100 F. removiendo los sedimentos para su posterior drenado por la parte inferior del recipiente. 11. • Incrementa el movimiento browniano y la colisión de las gotas de agua para su coalescencia. • Debilita agua. • Disuelve las parafinas cristalizadas que emulsionante que le dan las emulsiones. la película de rodea a las gotas de . .-DESVENTAJAS DEL CALENTAMIENTO: • Provoca la migración de los compuestos mas volátiles del crudo hacia la fase del gas. • Incrementa los costos del combustible • Incrementa los riesgos en las instalaciones • Requieren mayor instrumentación y control • Causa depósitos de coke. Esta perdida de livianos ocasiona una disminución de volumen del crudo calentado y una disminución en su gravedad.12. aun para el diseño de un calentador de fuego directo requiere de un amplio conocimiento de los problemas de transferencia de calor. fluidos. también llamados calentadores de fuego directo poseen cargas térmicas muy grandes. Los hornos de proceso. la cual pudimos corroborar la importancia de la materia. combustión. son el tipo mas eficiente de calentador. En general estos calentadores son usados para calentar emulsiones no corrosivas que están comparativamente bajo presión y cuando operan bajo propias condiciones. En los calentadores de fuego directo se presentan perdidas de energía por diversas causas y por ello es de vital importancia detectar puntos de optimización energética que coadyuven a la eficientizacion de la operación del calentador así como el consumo de combustible . El crudo deshidratado caliente puede ser usado para precalentar la emulsión de entrada usando un intercambiador de calor. la eficiencia del calentador es determinada calculando cuanto gas es quemado para calentar la emulsión a la temperatura deseada. En un Calentador de fuego directo la emulsión viene en contacto directo con la caja de fuego o elemento de calentamiento.CONCLUSION Resulto interesante la visita al patio de tanques.