Alambique de topping Consiste en un horno calefactor de crudo para vaporizar parcialmente la carga y que la misma

ingrese a la columna de fraccionamiento en las condiciones especificadas para lograr los productos de cabeza y cola con las composiciones requeridas.

1- Clculo de t lineal Considerando que a lo largo de la lnea de transporte hasta la torre hay prdidas de calor por las condiciones atmosfricas y de aislacin

t lineal de transferencia= f( L , Vfro , % vaporizacin, tipo de producto) L = longitud del cao Vfro = velocidad lq. t = T sc T zv Refiner`s 128

2- Servicio de alambique( cantidad de calor suministrado al crudo) (BTU/ h) El horno que estamos calculando sirve para calentar un hidrocarburo complejo, este es una mezcla y por ello no tiene un punto de ebullicin definido, sino que tiene una curva de destilacin (ASTM). Es por ello que los valores que se obtienen son aproximados, y al determinarlos se cometen errores que en cierta forma se compensan por exceso o por defecto y dan valores que para el clculo que nosotros debemos realizar, son tiles.

Qsa= Ql + Qg = Mci Cpci tci + Cli Mi

Cli = f (Tsc , API ) (RN - 43 ) Calores especficos de petrleos lquidos

Cpci= f (tc/2 , API ) (RN - 40 ) Calores latentes de petrleos Ql = calor sensible que se debe entregar al producto Qg = calor latente de vaporizacin

Tabla n 40 del RN

Tabla n 43 del RN

3- Tipo de horno Definimos el tipo de horno y el combustible a utilizar segn las caractersticas del proceso que tenemos.Tenemos diferentes tipos de hornos para petrleo

Conveccin Conveccin superior

Muy baja capacidad Baja capacidad Barato Tubos cortos Chimenea corta Chimenea corta Poca transferencia de calor Pobre distribucin del calor

Circular Single upfire Amplia capacidad Muy baja capacidad Caro Mediano costo Estructura elevada Chimenea corta Exelente distribucin de la radiacin Chimenea muy corta

A-frame Baja conveccin Buena capacidad Mediana capacidad Chimenea corta Chimenea alta Buena distribucin del calor Est estandarizado Poco intercambio de calor Posee pared puente, choca la llama

Conveccin central Circular radiante Capacidad extremadamente alta Buena capacidad Techo caro Muy bajo costo Buena distribucin radiante Baja eficiencia Chimenea muy alta Chimenea corta

Double upfired Straight up (recto)

Mediana y gran capacidad Mediana capacidad Mediano costo Bajo costo Buena eficiencia Simple Chimenea corta Chimenea corta Buena distribucin del calor

Con respecto a los combustibles y sus caractersticas, en NR- 105 aparecen las tablas para combustibles gaseosos y lquidos. Tambin en Torreguitar Weiss Combustin y Generacin de Vapor aparecen las ecuaciones ms comunes de combustin

4- Cantidad total de calor

Qt = Qsa / prdidas (radiacin, conveccin)

Prdidas por radiacin: Surgen de un anlisis tcnico-econmico ( se tiene en cuenta el costo del aislante y el costo del combustible necesario para equilibrar las prdidas de calor). Deben estar entre un 3% y un 5% del Qt. 3% en la zona de radiacin Normalmente son del 4% 1% en la zona de conveccin

Prdidas por conveccin: son las prdidas producidas por los gases de escape que salen calientes por la chimenea, por ello estas prdidas dependen de la temperatura a la que salen los gases. Representan las mayores prdidas. Por ello debemos tratar de que la Tsg sea lo ms baja posible. Pero esta temperatura debe ser lo suficientemente alta para que no se produzca

condensacin en los tubos que entran con el producto fro. Es decir, que la temperatura en la superficie de los tubos sea superior a la temperatura de roco del cido sulfrico. Esta temperatura de roco est relacionada con el % de azufre que contiene el combustible, a mayor % de azufre, mayor ser la temperatura a la que deben salir los gases por la chimenea, teniendo por consecuencia ms prdidas.

A medida que los combustibles son de menor calidad aumenta el % de azufre. La determinacin de la Tsg se logra mediante un anlisis tcnico-econmico.

Si el t entre la Tsg y Tec es grande el rea es chica y el es bajo bajo costo

Si el t es grande el rea es grande y el es alto alto costo

En la prctica se usa un t = Tsg Tec = 250 F y 400F Estos valores dan un rendimiento aceptable con un rea econmica.

Una vez obtenida la Tsg , ingresando a la tabla 107 del Refiner`s y con el valor del exceso de aire (estimado segn el tipo de combustible), obtenemos las prdidas de calor por conveccin. % prdidas por conveccin = f( Tsg, exceso de aire, tipo de comb) RN 107

Tabla n 107 de RN

5- Clculo de la zona de radiacin: %R = f( tipo de combustible, exceso de aire, q De / c ) RN-112 donde: q = densidad de absorcin de calor radiante ( valor experimental ), cantidad de calor que pasa por unidad de tiempo y superficie a travs de la pared del tubo en la zona de radiacin. De = dimetro exterior de los tubos usados en la zona, se calcula en funcin de la prdida de carga y del caudal de pasaje. c = distancia de centro a centro de los tubos, depende del tipo de cabezal que empalma los tubos y de la cantidad de tubos. Los tubos deben servir de proteccin a la pared

del horno (refractarios), que es cara. La radiacin no debe llegar directamente a la pared para evitar daos y prdidas por radiacin. Hay dos tipos de cabezales para la unin de la caera en las zonas de radiacin y conveccin: Tipo U bend Tipo Box

Prdida de carga Prdida de carga Mayor espacio Menor espacio

%R = porcentaje de calor por radiacin Nuestro problema es calcular el rea radiada, que va a ser el rea proyectada. Ap = De Le N Ap = Qr / q Qr = Qt . %R

Pero el % de radiacin es funcin del tipo de combustible (determinado anteriormente), del exeso de aire (det. para el comb.), de q y De/c (desconocidos)

Obtencin de q El valor de q lo obtenemos de la tabla 111 del RN, donde est tabulado para diversos tipos de servicio (en base a la experiencia) , de donde adems obtenemos una velocidad recomendada. Para nuestro caso ingresamos para un servicio de topping a 600F y obtenemos: q = 31.000 a 47.000 Btu / h ft

2

v = 2 a 5 ft / sec

Clculo del De

Una vez que adoptamos una velocidad, relacionando esta con el caudal volumtrico obtenemos el Di, y con el Di y el espesor obtenemos el De de los tubos.

QVol = M / ( caudal msico )

A = M / . vel QVol = A. Vel Reemp. encuentro Di

A = . Di2 / 4

De = Di + 2t

t = f( De, P, T, tipo de acero ) RN-116

Adoptamos un c c = f(De, tipo de cabezal, n de serie) RN 109

Calculamos q.De/c Con este valor q.De/c y el exeso de aire entramos en la tabla n 112 (para gas y fuel oil) y obtenemos el %R. Ahora podemos calcular el rea proyectada y con sta el n de tubos N. Ap = Qr / q y N = Ap / Le . De

Tabla n 112 de RN

6- Clculo de la zona de conveccin: Todo lo que no se intercambi en la zona de radiacin se intercambia en la zona de conveccin. Qc = Qt . %C Qc = Qt ( Qr + Pr + Pc ) Calor a entregar al crudo en la zona de conveccin.

Ac = __Qc__

U .tml (1) Qc : es dato, ya que lo hemos calculado

tml : podemos obtenerlo ya que podemos conocer las temperaturas que intervienen en el proceso.

U : es funcin principalmente de la velocidad a la que los gases atraviesan la zona de conveccin. A mayor velocidad de los gases, mayor es U, y mejor es la trasferencia de calor, pero no podemos trabajar con velocidades muy altas porque las prdidas de carga seran muy grandes. Por experiencia sabemos que en este tipo de equipos los valores aceptables de U estn entre 7 y 10 ( Btu / h .sup proy . F ). A partir de un valor apropiado de U ( por ej. U =8 ), y del De y de la temp. media de los gases Tmg; podemos obtener una velocidad de los gases vg para comenzar el clculo. U = f( De, Tmg, vg) RN-119

Calculo de Tmg Tmg = Teg + Tsg 2 Tsg : ya la fijamos ( 300F mayor que la Tep)

Teg : se calcula en funcin del tipo de combustible y del exeso de aire (mediante tablas o grficos)

Determinacin del De Adoptamos el mismo dimetro que para la zona de radiacin (ya determinado).

Determinacin de la vg Entrando a la tabla 119 del RN con el U adoptado, con la Tmg y con el De adoptado, obtenemos la vg . Este valor de vg nos sirve para calcular el rea de pasaje de los gases, a partir de conocer el volmen de los gases que atraviesan la chimenea. Este volmen podemos calcularlo con la ley de los gases ideales aplicada a la mezcla de los humos que obtenemos el la zona de conveccin, ya que conocemos el combustible, el exeso de aire y tambin la cantidad de agua que se va a producir por la combustin.

vg = _____Vg________

seccin de pasaje Vg = n R T P

n = ncomb + naire + nvap de agua = mcomb /PMcomb + maire / PMaire + m vap de agua / PM vap de agua

mcomb = Qt/ lts . h maire = mcomb . 14 . 1,5 m vap de agua = maire . 0,3 Zona o ea de pasaje Ap = Vg / vg (seccin provisoria) Ancho provisorio = Ap / Le Con sta rea obtenemos una aproximacin de la disposicin de los tubos, luego calculamos el Nt y el Le. Disponemos los tubos de manera que cumplan con las especificaciones de dist. entre centros. dist. a las paredes, etc. , y sta va a ser el rea verdadera de pasaje. Con el rea verdadera calculamos la velocidad real ( vg real ) vg real = Vg / A verdadera

Con sta vg real ingresamos nuevamente en la tabla 119 del RN y comprobamos que el U que nos da es similar al que habamos adoptado.

En caso de no ser as debemos disponer los tubos de manera que el rea que nos d sea propicia para obtener un U aproximado al propuesto.

Tabla n 119 del RN

Clculo de tml Para ste clculo utilizamos las siguientes temp: Tec : es dato del problema Tsg : la determinamos anteriormente ( 300F mayor que Tep) Teg : la obtenemos de tablas en funcin del combustible y del exeso de aire. Tscc : nosotros conocemos (dato) la Tscr , pero no la Tscc , para calcularla se usa una regla de 3 simple. Conocemos el Qt = Qr + Qc y el Qc, entonces podemos conocer la Tscc Qt Tscr Qc Tscc = ? Calculamos una temp media de la carga, con la cual entramos nuevamente a la tabla 40 del RN y obtenemos un Cpc Tmc = (Tsc + Tec) / 2 Cpc = f( Tmc, API ) RN 40 As obtenemos el Cp que comparamos con el que habamos obtenido anteriormente.

Qc = tverdadero / Cpc . mc (2)

tverdadero = Tsc Tec

tml = __t2 - t1__

ln (t2 / t1) (3)

t2 = Teg Tsc

t1 = Tsg Tec Ahora reemplazamos los valores obtenidos en la ecuacin (1) y calculamos el rea de conveccin.

Ac = Qc / U . tml Area de conveccin

Ac = . De . Le . Nc Nc = Ac / . De . Le

7- Quemadores Conviene colocar muchos quemadores chicos, y no uno slo grande porque as se facilita el mantenimiento de los mismos sin tener que para el horno, adems de permitir una mejor regulacin de la temperatura. Adems, en caso de que falle uno de los quemadores podemos seguir trabajando sin tener que parar la produccin.