Tuberías para Hornos de proceso petroquímico

Generalidades sobre materiales en tuberías para Hornos de proceso petroquímico

13 noviembre 2015

En la mayoría de las instalaciones petroquímicas, la aportación de calor para el proceso se consigue mediante un horno de combustión o de calentamiento directo (horno tubular) en el que las calorías producidas por la combustión se transmiten por radiación, conducción y convección al fluido a calentar, dicho fluido circula por un serpentín tubular (un haz de tubos). Las tuberías para Hornos de proceso petroquímico son, junto con los generadores de vapor, las fuentes de calor que se utilizan en las plantas químicas y petroquímicas para realizar los procesos que en ellas se llevan a cabo.

Desde el punto de vista constructivo los hornos de proceso petroquímico, se dividen en

  • Horizontales: Tipo Box y Tipo Cabin, o Catedral
  • Cilíndricos o verticales.

En esencia el arreglo de tuberías para Hornos de proceso petroquímico consiste en una serie de serpentines (“coils”) independientes entre si, a través de los cuales se hacen circular el fluido que se desea calentar (por ejemplo petróleo crudo) estos serpentines están dentro de una envoltura metálica de gran tamaño de forma diversa, prismática, o cilíndrica; cuyas paredes y techo, particularmente las de la cámara de combustión se protegen contra los efectos de la temperatura mediante recubrimiento, refractario y aislante que, por otra parte, tiene por objeto reducir las perdidas caloríficas al exterior estando  protegidas de la intemperie por una chapa metálica.  El fondo de la zona de combustión constituye el suelo del horno y está así mismo recubierto de una capa de productos refractarios y aislantes; normalmente se encuentra situado a una altura suficiente para permitir el paso de los operarios por debajo ( 2,0 m. sobre el PA del pavimento).

La envoltura metálica del horno debe ser lo suficientemente fuerte para resistir las acciones del viento y soportar el conjunto del haz de tuberías para Hornos de proceso petroquímico. El peso del ladrillo refractario y el aislamiento y debido a que la cámara de combustión está a una presión inferior a la atmosférica debido al tiro de la chimenea, esta envoltura debe ser lo suficiente estanca para evitar entradas parásitas de aire, que tendría un efecto perjudicial en el rendimiento del horno. La envoltura se complementa con un esqueleto de estructura metálica exterior en la que se apoyan las tapas atornilladas o soldadas sobre dicho esqueleto, que confiere resistencia estructural a la carcaza del horno.

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Las paredes verticales, (suelo en los hornos verticales) están provistas de orificios en los que se colocan los quemadores (“burners”) un cierto número de mirillas permite observar la combustión, la forma de las llamas y la estabilidad de los tubos; en las paredes también están colocadas las puertas de acceso al interior del horno; estas puertas y mirillas deben estar herméticamente cerradas (Horno en servicio).

Los serpentines reciben el calor emitido por las llamas de los quemadores (“Burners”) y el conjunto de ladrillo refractario + aislamiento, impide el paso al exterior, a través de las paredes del horno, del calor producido en su interior.

El flujo de fluido a través de los serpentinos deben ser lo más homogéneo posible, por ello un horno tiene cuatro serpentines la tubería que conduce el fluido que debe ser calentado, se bifurcará en cuatro ramales y cada uno de ellos se conectara con la tobera de entrada de un serpentín de tuberías para Hornos de proceso petroquímico; las salidas de los serpentines tendrán una disposición semejante; estos serpentines están sujetos a las estructuras metálicas del horno, tienen un recorrido considerable y largo por el interior del horno, su forma es tal, que todos ofrecen, la misma resistencia paso de un fluido, es decir, tienen el mismo número de codos y la misma longitud de tramos rectos.

Los humos producidos por la combustión salen a través de una chimenea montada en  vertical, y en su caso, pasando previamente por el precalentado del aire, la citada chimenea tiene forma cilíndrica y puede estar situada directamente sobre la parte superior del horno o sobre una fundación separada.

El conducto que conduce los humos a la base de la chimenea se llama canal de humos. Esta chimenea cumple una doble misión; por un lado descarga los humos a una altura suficiente para su rápida disipación en la atmósfera y por otro lado produce un tiro en el interior del horno.

El mencionado “tiro”, tiene su origen en el vacío que crean los gases de la combustión, cuando por estar muy calientes ascienden hacia el exterior a través de la chimenea. este vacío coloca la cámara de combustión en depresión, provocando de esta manera la entrada del aire necesario para la combustión a través de las ventanas que hay en la proximidad de los quemadores, cuya mayor o menor apertura se puede regular manualmente.

Al margen de esta regulación, la chimenea del horno esta dotada en su base, de una mariposa de gases ( registro) que permite regular el tiro y la salida de humos a la atmósfera. este registro se construye en un acero resistente al calor.

La naturaleza del metal utilizado en la fabricación de las tuberías para Hornos de proceso petroquímico y de los accesorios utilizados en los serpentines, depende de la temperatura y de la naturaleza, más o menos, corrosiva del fluido a calentar. El metal debe tener en caliente, características mecánicas  suficientes a la temperatura de trabajo. El diseño de las tuberías para Hornos de proceso petroquímico se efectúa con arreglo al código ASME sec. VIII.

En el caso de un fluido no corrosivo, y a temperaturas relativamente poco elevadas 400 ºC, se utilizan los tubos y accesorios de acero al carbono o, hasta 450 º de acero al carbono con la adición de 0,5% de molibdeno, que mejora la resistencia mecánica en caliente. Por encima de los 450 ºC, se utilizan los aceros llamados refractarios, es decir, que tienen elevadas propiedades mecánicas en caliente, a la vez que una buena resistencia a la oxidación, como los aceros al cromo molibdeno:

  • 1,25% de Cr y 0,50% de Mo
  • 2,25% de Cr y 0,50% de Mo
  • 5,0% de Cr y 0,50% de Mo; este acero presenta muy buena resistencia a la oxidación en presencia de humos sulfurosos hasta los 700/750 º

A una temperatura más alta, des decir hasta los 870 ºC, se emplean aceros inoxidables ( 18% de Cr., 8% de Ni, con, o sin, molibdeno), a menudo estabilizados para evitar el tratamiento termino posterior a la soldadura.

Por encima de 870ºC es necesario utilizar aceros todavía más aleados ( 25% Cr, 12% Ni, o 25% Cr, 20% Ni) o metales que no contiene hierro como el Incoen (aleación de níquel y cromo). No es raro que un haz tubular se forme con tubos de diversas calidades, aumentando su aleación hacia el extremo del circuito donde la temperatura es más elevada.

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