mdp_05_f_05

PDVSA N° TITULO

REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB.

APROB. FECHAAPROB.FECHA

TRANSFERENCIA DE CALOR

� PDVSA, 1983

MDP–05–F–05 PRECALENTADORES DE AIRE

HORNOS

DIC.950 43

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

ESPECIALISTAS

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TRANSFERENCIA DE CALORHORNOS

PRECALENTADORES DE AIREDIC.950

PDVSA MDP–05–F–05

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Indice

1 OBJETIVO 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 ALCANCE 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 REFERENCIAS 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 ANTECEDENTES 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 TIPOS DE EQUIPOS 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Precalentadores de aire regenerativos rotativos 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Precalentadores de aire tubulares 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Precalentadores de aire de fluido circulante 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 USOS DEL PRECALENTADOR 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Consideraciones de los equipos 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Costo y justificación económica 12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 CONSIDERACIONES DE DISEÑO 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Sistema global 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Precalentador de aire 18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Soplado de hollín/lavado con agua 20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Ducto 21. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 Sistema de tiro forzado 22. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Sistema de tiro inducido 22. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7 Reguladores de tiro de gas de combustión 23. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8 Piezas de repuesto 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8 INSTRUMENTACION 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 SISTEMA DE SEGURIDAD 25. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10 PROBLEMA TIPO 27. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11 NOMENCLATURA 29. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12 APENDICE 30. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 1. Consideraciones de seguridad en el diseño de sistema de

precalentamiento de aire en fluidos de proceso 31. . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 2. Especificaciones típicas de un precalentador de aire 33. . . . . . . . . . . Tabla 3. Especificaciones típicas del regulador de tiro 35. . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 1. Instalación típica del precalentador de aire 36. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2. Precalentador de aire del tipo regenerativo Ljungstrom 37. . . . . . . . . Figura 3. Dimensiones aproximadas del precalentador Ljungstrom 38. . . . . . .

http://www.intevep.pdv.com/santp

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/indice_mdp.htm

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/hornos/indice_hornos.htm

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Figura 4. Arreglo del precalentador de aire “DEKA” a prueba de corrosión 39. Figura 5. Sistema de precalentamiento de aire de fluido circulante 40. . . . . . . Figura 6. Esquema de un sistema de precalentador de aire

del tipo regenerativo 41. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 7. Arreglos del ducto de aire precalentado 42. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 8. Balance de material para un sistema de precalentamiento

típico 43. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .




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1 OBJETIVOPresentar información básica que pueda usarse en la evaluación de ofertasprecalentadores de aire nuevos para hornos de proceso. Esta información cubrecriterios de diseño que sean propietarios de PDVSA y sus filiales.El tema “Hornos”, dentro del area de “Transferencia de Calor”, en el Manual deDiseño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientes documentos:

PDVSA–MDP– Descripción de Documento

05–F–01 Hornos: Principios Básicos.

05–F–02 Hornos: Consideraciones de diseño.

05–F–03 Hornos: Quemadores.

05–F–04 Hornos: Sistemas de tiro forzado.

05–F–05 Hornos: Precalentadores de aire (Este documento).

05–F–06 Hornos: Generadores de gas inerte.

05–F–07 Hornos:Incineradores.

Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Hornos”, dentro delManual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualización de laPráctica de Diseño “HORNOS”, presentada en la versión de Junio de 1986 delMDP (Sección 8).

2 ALCANCEEste documento cubre los procedimientos necesarios para la selección, diseño yespecificación de un sistema de precalentamiento de aire. También se incluyenexcepciones a otros documentos, tales como el PDVSA–MDP–05–F–04,

Sistemas de tiro forzado, las cuales son necesarias cuando se incorpora en eldiseño del horno de proceso, un precalentador de aire.

3 REFERENCIASManual de Diseño de Proceso (versión 1986)� Vol VII y VIII, Sección 12 “Instrumentación”� Vol VIII y IX, Sección 15 “Seguridad en el diseño de plantas”

Manual de Ingeniería de Diseño� PDVSA–MID–B–201–PR “Hornos de fuego directo”� PDVSA–MID–GB–205 “Ventiladores centrífugos”

� PDVSA–MID–K–337: “Furnace instrumentation”

� PDVSA–MID–L–TP–2.7 “Hornos de proceso: Requisición, análisis de ofertasy detalles de compra”

� PDVSA–MID–SN–252: “Control de ruidos en equipos”




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Manual de Ingeniería de Riesgo

� PDVSA–IR–P–01 “Sistema de paradas de emergencia, bloqueo,despresurizacion y venteo de equipos y plantas”

4 ANTECEDENTESMotivado al énfasis creciente sobre conservación de energía en los últimos años,el interés por instalar equipos de precalentadores de aire de combustión hacrecido. Este método de recuperar calor de desecho es uno de los dos métodosprincipales para optimizar la eficiencia térmica de equipos de combustión. El otrométodo es el de calderas de recuperación de calor de desecho.

El consumo de combustible puede disminuir marcadamente mediante elprecalentamiento del aire de combustión. En el precalentador, se transfiere calorde los gases de combustión ó de chimenea, al aire para la combustión, reduciendola temperatura de salida de los gases de chimenea, y elevando la eficienciatérmica de todo el sistema del horno. Con sistemas de precalentamiento de aire,la temperatura de salida de los gases de chimenea está entre 163 °C (325 °F) y177 °C (350 °F), y los niveles de eficiencia térmica pueden alcanzar de 90 a un 92%(basados en el poder calórico inferior del combustible).

Cuando se quema gas con un contenido muy bajo de azufre, la temperatura desalida de los gases de chimenea puede ser tan baja como 121 °C (250 °F): en talessistemas, la eficiencia térmica alcanzable ya no se mide por la diferencia detemperaturas entre los gases de combustión y los fluídos entrando al sistema. Latemperatura de los gases de combustión saliendo del precalentador, la cualdetermina la eficiencia, debería ser lo más baja posible, sin producir corrosión delos elementos del precalentador, debido a la condensación de materialescorrosivos por la baja temperatura.

El costo de un sistema de precalentamiento de aire debe justificarse por losahorros en consumo de combustible. Además, mientras más alta sea latemperatura del aire de combustión, aumentará el nivel de NOx en los gases decombustión y, si se viola alguna regulación ambiental tratando de maximizar laeficiencia térmica, deberá añadirse algún tipo de control del contenido de NOx. Elvendedor del horno deberá considerar el costo adicional de tal control de emisiónde NOx, al evaluar económicamente el uso o no de un precalentador.

Además del precalentador de aire, el sistema de precalentamiento de aire consistede ventiladores de tiro forzado e inducido, ductos para el gas de combustión y elaire, cierre hermético, reguladores de tiro y controles especiales de seguridad einstrumentación. En la Figura 1. se presenta una ilustración de la instalación deun precalentador de aire.




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5 TIPOS DE EQUIPOSLos precalentadores de aire disponibles actualmente incluye tres tipos básicos:

1. Rotativo/regenerativo, tal como el de Ljungstrom, Lugat y Rothemuhle.

2. Tubular, tal como el DEKA, Stierle, Air Industries, etc.

3. De fluido circulante.

Todos estos equipos tienen ventajas/desventajas en instalaciones específicas.Los precalentadores de aire del tipo regenerativo y tubular tienen una historia deaplicación larga de la cual se ha obtenido experiencia muy valiosa. El sistema defluido circulante ofrece experiencia de operación limitada y por lo tanto requierede detalles del diseño mucho más precisos si va a ser utilizado. A continuación,se suministra una descripción de cada tipo de equipo y una lista de las principalesventajas/desventajas. Las comparaciones entre los precalentadores de aire deltipo regenerativo y tubular excluyen el uso de una sección de tubo de vidrio debidoa que este equipo puede ser aplicado separadamente a cualquier tipo deprecalentador de aire para la recuperación de calor de baja temperatura. También,se incluye una discusión del diseño del tubo de vidrio de la DEKA en la Subsecciónde “Precalentadores de Aire DEKA”.

5.1 Precalentadores de aire regenerativos rotativosEste precalentador de aire consiste de elementos metálicos que son enfriados ycalentados alternadamente. El tipo más común de este tipo de precalentador esel Ljungstrom, el cual se muestra en la Figura 2. Los elementos metálicos estáncontenidos en un cilindro subdividido que rota dentro de la envoltura. Los gasescalientes producto de la combustión fluyen a través de un lado de este cilindro ycalienta los elementos, mientras que el aire a ser calentado fluye a través del otrolado. El cilindro gira y se transfiere calor desde los elementos calientes al aire frío.

Los deflectores que subdividen el cilindro, al igual que los sellos entre el cilindroy la envoltura, limitan la cantidad de fugas del lado del aire al lado del gas decombustión. Esto se debe a que el aire está a una presión mayor que el gas decombustión, por lo que la fuga siempre es al lado de los gases. Esta fuga que esgeneralmente del 10–20% del flujo total, debe ser tomada en cuenta en el diseñodel sistema de precalentamiento.

Otros tipos de precalentadores regenerativos son los suplidos por Lugat yRothemuhle. El diseño de Lugat es idéntico al de la Ljungstrom con la excepciónde que éste utiliza superficies de transferencia de calor y sellos del aire/gas decombustión del tipo de la Rothemuhle. El diseño Rothemuhle es diferente al de losdos anteriores, ya que las cubiertas de aire de entrada y salida giran mientras quelas superificies calientes permanecen estacionarias.

El precalentador de aire se instala normalmente en la plataforma, adyacente alcalentador. Aire del medio ambiente es forzado a través del calentador por medio




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de un ventilador de tiro forzado y es llevado por los ductos desde el precalentadora los quemadores del horno. Los gases de combustión calientes son llevados pormedio de ductos desde el tope de la sección de convección al precalentador. Unventilador de tiro inducido saca estos gases de combustión a través de la secciónde convección, ductos y el precalentador, y los descargan en la chimenea. En estecaso, se requiere un aumento en el área trazada por encima del calentadorconvencional debido al precalentador de aire, ventiladores y ductos. Ver la Figura3. para las dimensiones típicas del precalentador Ljungstrom.

Los precalentadores del tipo regenerativo se usan mucho en hornos de cargascalóricas muy grandes, y cuando se usan combustibles muy sucios, los cualesproducen muchas incrustaciones o depósitos.

Precalentador de aire Ljungstrom – La Figura 2. es una ilustración descriptivade una unidad típica instalada horizontalmente. Este precalentador de aire puedeser suplido con tres materiales, dependiendo de la temperatura del gas decombustión y la posición dentro del precalentador; en el extremo caliente se utilizanormalmente acero dulce; las secciones intermedias pueden ser de acero “Corteno acero esmaltado”; las secciones frías son normalmente de acero esmaltado. Lainstalación puede ser horizontal o vertical. Las principales ventajas de esteprecalentador son:

1. Costo inicial relativamente bajo en comparación con los otros tipos.

2. Tamaño compacto, no requiere mucha área y el peso es relativamenteliviano por lo que no requiere de fundación especial.

3. Fácil mantenimiento.

4. Aceptable para servicios con combustibles de alto azufre.

5. Puede ser limpiado por un solo soplador de hollín en el extremo frío. Paracasos donde se espera ensuciamiento fuerte se puede instalar sopladoresde hollín en ambos extremos tanto en el caliente como en el frío.

6. Pueden ser instalados para flujo horizontal de gas de combustión y aire, loque facilita el arreglo del ducto en muchas aplicaciones.

7. Los daños por corrosión del elemento no contribuyen con las fugas.

8. El ensuciamiento no afecta significativamente a la transferencia de calor.

9. Se tiene alta experiencia internacional.

Las principales desventajas de este precalentador son:

1. Altas fugas de aire de hasta 10–20%, las cuales aumentan con el tiempode operación debido a la degradación de los sellos.

2. Para las unidades diseñadas, existe un ∆P del aire y del gas de combustiónrelativamente alto que contribuye a aumentar los costos operacionales delventilador.




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3. Generalmente, los daños por corrosión son más altos que enprecalentadores de aire del tipo tubular de hierro fundido.

4. Más propenso a ensuciamiento con depósitos fríos y pegostosos queimponen limitaciones por caída de presión y aumento de la corrosión.

5. Las unidades horizontales no pueden ser lavada con agua efectivamentey están sujetas a corrosión severa donde se colecta el agua de lavado enla parte más baja de la envoltura y los sellos.

6. Contiene partes móviles.

7. Diseños estándar limitados a una temperatura máxima de entrada de gasde combustión de 510°C (950°F) con diseños especiales disponibles paratemperatura de hasta 675°C (1250°F).

Este tipo de precalentador de aire es preferible para las aplicaciones de la refineríaen comparación con los tipos tubulares de acero o hierro fundido, debido a su bajocosto, tamaño compacto y generalmente alta eficiencia térmica. Además, el tipode precalentador de aire regenerativo/rotativo no sufre pérdidas significativas detransferencia de calor debido a recolección moderada de depósitos, ya que losmismos depósitos son los transmisores de calor entre el aire y el gas decombustión. En adición los daños por corrosión de la superficie de transferenciade calor no afecta las fugas, ya que la superficie no forma obstáculo entre el gasde combustión y el aire.

Estas ventajas son anuladas por los costos altos de operación de calentadores deaire tipo rotativo causados por altas fugas de aire y alta tendencia deensuciamiento, lo cual resulta en un aumento de la caída de presión del lado delgas de combustión. Por supuesto que la alta tendencia de ensuciamiento yreducción en limpieza también contribuye a mayores tasas de corrosión pordepósitos.

Adicionalmente, aunque las partes móviles de los precalentadores de aire del tiporotativo experimentan pocas fallas, esto necesariamente reduce el factor deconfiabilidad.

Finalmente, aun cuando la mayoría de las aplicaciones de precalentamiento deaire no requieren la utilización de temperaturas del gas de combustión mayoresde 510°C (950°F), ciertas aplicaciones han sido descartadas en el pasado debidoa esta limitación. En precalentadores de aire del tipo regenerativo/rotativopropuestos para estas condiciones, es necesario suministrar un diseño especialdel material y de los sellos, los cuales pueden incrementar significativamente elcosto del precalentador de aire.




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5.2 Precalentadores de aire tubulares

El precalentador de aire tubular normalmente consiste de un intercambiador decalor rectangular. En casi todos los diseños, el aire a ser precalentado es forzadoa través de los tubos, mientras los gases calientes producto de la combustiónpasan por fuera de los tubos. Los tubos generalmente tienen aletas para mejorarla transferencia de calor; algunos diseños utilizan tubos lisos o tubos de acero conaletas y otros utilizan tubos de hierro fundido con aletas. Para temperaturas delgas de combustión muy bajas en presencia de gases de combustión altamentecorrosivos, algunos vendedores ofrecen tubos de vidrio. Los precalentadores deaire son instalados típicamente cerca de la plataforma al lado del calentador comose ilustra en la Figura 1.

La principal ventaja del diseño de este tipo de precalentador siempre ha sido laausencia de fugas y por lo tanto, una máxima recuperación de calor del gas decombustión. Sin embargo, este precalentador también ha afrontado problemas dealta corrosión del metal de los tubos si se reduce la temperatura muy por debajodel punto de rocío. Por otro lado, las unidades regenerativas/rotativas mantienenuna temperatura mínima del metal más alta que los precalentadores tubulares acondiciones iguales de temperatura de salida, debido al ciclo continuo entre el gasde combustión y el aire. Esto fuerza normalmente la selección de una temperaturade salida de los gases mayor para los precalentadores tubulares sin tubos de vidrioy compensa los beneficios de eficiencia, los cuales pudieran ser reclamadosdebido a la ausencia de fugas.

Los precalentadores de aire tubulares pueden soportarse en la plataforma omontarse por encima de la sección de convección del calentador. Cuando sesoporta en la plataforma, los ductos y ventiladores son similares a aquellosutilizados por el precalentador de aire regenerativo.

En el caso de los precalentadores de aire tubulares montados en el calentador, losgases de combustión pasan directamente del calentador a través delprecalentador a la chimenea. En muchos casos, el ventilador de tiro inducido eseliminado. Sin embargo, se requiere el ducto para trasladar el aire frío desde elventilador de tiro forzado hasta el precalentador y otro para el aire caliente deretorno a los quemadores. En algunos casos, el ventilador de tiro forzado puedeser montado en el tope del horno para eliminar los ductos largos desde elventilador al precalentador. Normalmente, esto no es recomendado desde elpunto de vista de mantenimiento y operación debido a la falta de fácil acceso.

Existen numerosos diseños comerciales técnicamente aceptables deprecalentadores de aire tubulares. Como una ilustración de este tipo deprecalentador, a continuación se describe el precalentador de aire DEKA.




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Precalentador de aire DEKA – Este tipo de precalentador, dependiendo de laaplicación, consistirá de uno, dos o tres tipos diferentes de secciones de tubos, dosconstruidas con hierro fundido y una con tubos de vidrio. Unos tubos de hierrofundido se fabrican con aletas en las superficies tanto interna como externa y estostubos se aplican en la zona caliente de los gases de combustión para obtener unamáxima recuperación de calor. En la zona de temperatura intermedia de los gasesde combustión, los tubos de hierro fundido se fabrican con aletas en la superficieexterna (en contacto con los gases) y de esta manera se trata de mantener unatemperatura del metal tan alta como sea posible.

El tercer tipo de tubo de la sección consiste en tubos de vidrio de borosilicatos yse emplean cuando la temperatura del extremo frío es muy baja. En la Figura 4.se presentan todas las combinaciones de las instalaciones de estos tres tipos deprecalentadores. A través de una aplicación apropiada de cada tipo de tubo de lasección, se puede mantener la temperatura del metal en o por encima de su puntode rocío. La sección de tubos de vidrio opera sin problemas de corrosión pordebajo del punto de rocío, por lo que puede ser utilizada para alcanzar altaseficiencias térmicas.

Los diseños de tubos de vidrio del pasado han dado un funcionamiento pocoseguro debido primeramente a problemas de esfuerzo y restricciones del extremodel tubo, los cuales impiden la expansión térmica resultando un sobrepeso yrompimiento. Este problema ha sido superado en el diseño patentado de la DEKA(y “Air Industries”), debido a que los tubos sobresalen a través de la lámina sinrestringir el extremo del tubo y son soportadas dentro de una empacadura de sellode teflón, sin problema de expansión térmica diferencial o ciclo térmico. El teflóntambién cubre la superficie del tubo expuesta a los gases de combustión paraevitar la corrosión en la lámina de tubos.

La sección de tubos de vidrio está disponible para ser utilizada en conjunto con otrotipo de precalentador que ya esté en servicio. La única limitación operacional dediseño del tubo de vidrio es que la temperatura diferencial entre los tubos de vidrioy el agua de lavado no debe exceder los 100°C (180°F) con el fin de evitar fallasdel vidrio por choque térmico.

Las ventajas del precalentador tubular DEKA pueden ser resumidas como sigue:

1. No hay fugas de aire.

2. El diseño del tubo de vidrio es aceptable.

3. Las secciones de hierro fundido pueden limpiarse con sopladores de hollín,lavado con agua y dejando caer pequeñas bolas de acero o perdigones através del banco de tubos.

4. Menor tendencia a ensuciamiento debido a mayores espacios libres entrela superficie extendida.

5. Incorpora en el diseño flexibilidad dimensional.




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6. No tiene partes móviles.

7. Fácil mantenimiento.

8. Puede tolerar altas temperaturas de entrada del gas de combustión sincambios en el diseño.

Las principales desventajas de este tipo de precalentador incluye lo siguiente:

1. Más costosos que el tipo de precalentadores regenerativos.

2. Construcción voluminosa la cual requiere generalmente mayor espacio.

3. El ensuciamiento disminuye la transferencia de calor.

5.3 Precalentadores de aire de fluido circulanteEste tipo de precalentador puede ser de dos formas:

1. Del tipo de fluido intermedio donde el fluido de transferencia de calor escirculado entre el ducto de los gases de combustión y el ducto del aire decombustión de tal forma que toma calor de los gases de combustión y lodescarga al aire de combustión.

2. Proceso de recuperación de calor de desecho utilizando una corriente delproceso, la cual puede ceder calor para precalentar el aire de combustiónen un intercambiador adecuado. Con este sistema no se reducesignificativamente la temperatura de la chimenea y por lo tanto se puederecuperar calor adicional de los gases de combustión, por ejemploinstalando una caldera para este calor de desecho.

Un sistema típico de recuperación de calor de desecho del tipo de fluido intermediose muestra esquemáticamente en la Figura 5. Este sistema es similar a unprecalentador de aire tubular, excepto que el fluido intermedio es calentado conlos tubos y no con el aire de combustión. El fluido es circulado al ducto de airedonde se utiliza otro intercambiador de calor para suministrar calor al aire decombustión.

Las principales ventajas de este tipo de precalentador de aire son:

1. Son más adaptables potencialmente a situaciones difíciles deestructuración.

2. Pueden ser usadas para mayor económica del transporte de calor dedesecho en distancias largas reemplazando el ducto por tubería.

3. Provee fácil separación del calor de desecho recuperado para calentar elaire de combustión para hornos diferentes de los que se obtuvo el calor dedesecho.

Las principales desventajas del sistema de fluido circulante en adición a lasexperimentadas por otros tipos de precalantadores de aire tubulares son:




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1. Peligro potencial de incendio si ocurre rotura de tubos del lado aire y/o dellado de gases de combustión. El riesgo de peligro de incendio por roturade tubo en la sección de convección aumenta con el uso de combustiblesque contienen azufre. Sin embargo, una sección de convección decompensación reduce el peligro de incendio en los tubos de proceso.

2. Requiere una bomba de circulación que adiciona una fuente potencial deproblemas, que posiblemente no fue considerada en la etapa de diseño delhorno.

3. Requiere largo tiempo de arranque y fuerza–hombre adicional paraestablecer la circulación en todos los pasos paralelos.

4. Experiencia relativamente baja.

5. Limitado a la temperatura del aire precalentado de aproximadamente345°C (653°F) debido a problemas de degradación del combustible.

6. Los tubos con aletas comúnmente suplidos con estos sistemas no puedenser limpiados efectivamente por los sopladores de hollín. Los tubos sinrevestir generalmente no son usados debido al costo, lo que hace a estetipo de diseño menos competitivo.

Debido al problema potencial de seguridad con los precalentadores de aire de estetipo, y debido a la falta de experiencia que se tiene con este tipo de diseño, se hadesarrollado una lista de consideraciones las cuales deben ser incorporadas enlas aplicaciones de este equipo. Estas consideraciones están resumidas en laTabla 1 e involucra las siguientes áreas:

1. Minimización de fugas potenciales que puedan ocurrir.

2. Tipo aceptable de fluidos circulantes.

3. Procedimientos de operación.

4. Equipo de seguridad e instrumentación.

5. Suposiciones básicas para los cálculos relacionados con las fugas detubos.

La lista de consideraciones de diseño fue primeramente desarrollada para el casode recuperación de calor de desecho de una corriente del proceso. Por lo tanto,puede que no sea enteramente aplicable a casos de fluidos intermedios,especialmente en el caso que se necesite instalar un analizador de vapores dehidrocarburos en la corriente de aire de combustión.

6 USOS DEL PRECALENTADOR

6.1 Consideraciones de los equiposHornos – Generalmente es necesario hacer un estudio económico para cadacaso a fin de determinar el retorno de la inversión incremental del precalentador.




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Sin embargo, los precalentadores de aire deben considerarse en situaciones quellenen todas o la mayoría de las siguientes condiciones:

1. La temperatura del gas en la chimenea para un horno sin precalentador deaire debe ser mayor que 290°C (550°F) (es decir, la temperatura de entradaal serpentín es 345°C (650°F)).

2. El costo de combustible es mayor de $1.9/GJ (2$/MMBTU) (relativo a (1979US o a los costos de construcción europeos) (Criterio a ser corroborado porlos grupos de Evaluación Tecnico–Económica ó equivalente de la filialcorrespondiente).

3. El calor absorbido por el horno es mayor que 30 MW (100 MMBTU/h) (o unacarga térmica (Duty) combinada de 45 MW (150 MMBTU/h) para un grupode calentadores).

4. Se debe usar un sistema de tiro forzado, independientemente de que seinstala o no un precalentador.

5. El retorno sobre la inversión incremental es de 20% o más, antes deimpuestos. (Criterio a ser corroborado por los grupos de EvaluaciónTecnico–Económica ó equivalente de la filial correspondiente).

Debido a que cada una de esta condiciones afecta los ahorros potenciales decombustible y/o la inversión, un retorno satisfactorio en base a la inversión esposible aún si aparece un factor antieconómico. Por ejemplo, un precalentador deaire puede ser económicamente justificado para un horno pequeño si el costo decombustible es demasiado alto.

Calderas – Los precalentadores de aire normalmente no han sido usados encalderas en refinerías y en plantas químicas debido a otros medios derecuperación de calor, tales como economizadores que son generalmente máseconómicos. Sin embargo, se debe investigar la economía con la utilización de unprecalentador de aire además del economizador debido a los aumentos en elprecio del combustible.

6.2 Costo y justificación económicaEl costo incremental de un horno con precalentador de aire en comparación conlos hornos convencionales normalmente se justifica por el ahorro en combustibleobtenido por medio de la reducción de la temperatura del gas de la chimenea.

Ahorros de combustible – Para un horno sin precalentador de aire la temperaturadel gas de la chimenea (y la eficiencia y quema de combustible) se determinaadicionando la temperatura de aproximación económica a la temperatura deentrada del serpentín. Para un horno con precalentador de aire, la temperatura delgas de combustión a la salida del precalentador (no corregida por fugas) es usadapara determinar la cantidad de calor recuperado. La temperatura de salida del gasde combustión debe ser la temperatura más baja, como lo desarrollado bajo lasConsideraciones de Diseño.




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6.2.1 Inversión

1. Precalentador – Los costos aproximados para precalentadores de airedeben ser obtenidos de los vendedores. Cuando el tamaño específico delprecalentador es determinado después que el diseño del horno, los costospueden ser confirmados con el vendedor.

2. Hornos – La adición de un precalentador de aire, transfiere calor de lasección de convección a la sección de radiación, lo cual tiende a reducir loscostos de inversión del horno. Además, el sistema normalmente estádiseñado para una cantidad máxima de precalentamiento. De esta manera,el gas de combustión que sale de la sección de convección está a sumáxima temperatura, lo cual resulta en una temperatura aproximadamentealta en la sección de convección. Esto además reduce la inversión delhorno. El problema del ejemplo dado en este documento ilustra elcomportamiento relativo de las secciones de radiación y convección de loshornos con o sin precalentadores.

3. Sistema de tiro forzado – Muchos hornos tendrán sistemas de tiroforzado, dependiendo de si se usa o no aire precalentado. En estos casos,sólo los costos aplicables al sistema de precalentamiento del aire seincluyen en la justificación. Esto comprende lo siguiente:

a. Un ventilador de tiro forzado de mayor capacidad, debido a la caídade presión adicional del precalentador (y fugas a través de losprecalentadores del tipo regenerativo).

b. Ducto adicional el cual debe ser más largo debido al gran volumen deaire de alta temperatura. Este ducto también debe ser diseñadomecánicamente para esta alta temperatura.

c. Los quemadores normalmente son más costosos que los usadoscuando el aire es frío, debido a que se requieren materiales de másalta calidad.

4. Sistema de tiro inducido – El sistema de tiro inducido generalmente esrequerido como un resultado directo de usar precalentadores de aire. Amenos que se requiera que la chimenea esté soportada al piso como es elcaso de los hornos convencionales (por ejemplo, para reducir lacontaminación), el costo adicional de la chimenea en comparación con lachimenea soportada al horno debe también ser incluida.

7 CONSIDERACIONES DE DISEÑOLa mayoría de las consideraciones de diseño de un precalentador de aire estánrelacionadas con los efectos que su inclusión produce en el sistema del horno deproceso a comprar modificar. A continuación se discute más profundamente esetema.




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7.1 Sistema globalProtección contra la corrosión por temperatura fría – La temperatura del gasde combustión a la salida del precalentador (no corregida por fugas de aire frío enel caso de precalentadores regenerativos) determinará la eficiencia total delsistema. Esta temperatura debe ser tan baja como sea posible sin riesgossignificativos de corrosión en los elementos del precalentador de aire por bajatemperatura.

La temperatura del gas de combustión a la salida del precalentador estaráinfluenciada por la temperatura del aire a la entrada y el porcentaje máximo dequema de combustible del horno. En general, si tanto la temperatura de aire a laentrada como la cantidad de combustible que se quema son bajos, esto resultaráen una temperatura baja del gas de combustión a la salida. A fin de unificar loscálculos se asume una temperatura de entrada del aire de 15°C (60°F), sinembargo, esta temperatura puede que no sea representativa en climas más fríos.Además, algunos equipos (tales como termoreactores) operan a alta capacidadpor períodos largos, lo que puede resultar en temperaturas del gas de combustióna la salida menores que el diseño.

Los métodos que pueden utilizarse para aumentar la temperatura del extremo fríodel metal y que tomen en cuenta las variaciones de la temperatura del medioambiente y la cantidad de combustible que se quema, incluyen lo siguiente:

1. Usar un calentador vapor/aire para precalentar el aire frío antes delprecalentador gas de combustión/aire.

2. Un desvío de aire frío que limite la temperatura mínima del gas decombustión del precalentador de aire.

3. Un desvío de aire caliente que regrese al lado frío para aumentar latemperatura a la entrada del precalentador de la misma forma que elcalentador vapor/aire.

El desvío de aire frío (Punto 2) es un lineamiento unificado en todos los tipos deinstalaciones de precalentadores de aire. Sin embargo, la adición de los Puntos1 y/o 3 para aumentar la temperatura del metal en precalentadores tubulares,puede requerir gastos injustificados y/o complicaciones por lo que debe serevaluado dependiendo de la aplicación del precalentador de aire.

En adición a la corrosión del calentador de aire, se debe considerar la corrosiónaguas abajo del ducto, ventilador de tiro inducido y chimeneas. La temperaturamínima del gas de combustión a la salida de la chimenea debe estar en o porencima del punto de rocío. El establecer la temperatura del gas de combustión ala salida de la chimenea permite calcular la temperatura mínima a la salida delprecalentador (corregida por fugas, de estar presentes), tomando en cuenta laspérdidas de calor en el ducto y la chimenea. En las instalaciones donde el arreglono está bien definido durante las etapas de diseño, se sugiere que la temperatura




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del gas combustible a la salida del precalentador sea estimada en unos 28°C(50°F) por encima de la temperatura del punto de rocío medido. En casos dondemás de un equipo descarga a una chimenea común, la chimenea y el ducto decada equipo deben evaluarse separadamente, basándose en condicionesindividuales de la temperatura del gas de combustión. En tales casos es posiblebajar la temperatura del gas de combustión de un horno en particular al punto derocío si la temperatura de la mezcla en la chimenea está por encima al punto derocío.

El ducto aguas abajo del precalentador de aire preferiblemente debe tener,externamente, material aislante con un mínimo de 50 mm (2 pulg) de lana mineralo estar internamente revestido con un mínimo de 50 mm (2 pulg) de refractariofundido para mantener las temperaturas de la superficie interna cerca de latemperatura del gas de combustión. De igual forma, el ventilador de tiro inducidodebe estar aislado externamente con un mínimo de 50 mm (2 pulg) de lanamineral.

La protección de la chimenea depende del tipo de chimenea y del tipo de hornoal cual está conectada. Los siguientes puntos suministran lineamientos, pero sedeben desarrollar recomendaciones específicas en cada caso, consultando conlos grupos de apoyo correspondientes:

� Las chimeneas de acero o ductos de acero que aceptan gas de combustión deun solo horno o en combinaciones con calderas y otros hornos, deben estar:

– Internamente aislada con un mínimo de 50 mm (2 pulg) de por lo menos 960kg/m3 (60 lb/pie3) de refractario fundido para asegurar protección contraincendio por rotura del tubo del calentador.

� Las chimeneas de ladrillos que aceptan gas de combustión de hornos y/ocalderas.

– Generalmente requiere revestimiento con ladrillo ácido.

� Las chimeneas de acero y/o los conductos de acero que aceptan gas decombustión de calderas solamente, deben estar:

– Aisladas externamente con un mínimo de 50 mm (2 pulg) de lana mineral oalternadamente revestida en la parte interna con un mínimo de 50 mm (2pulg) de 960 kg/m3 (60 lb/pie3) de refractario fundido.

Temperatura de salida en precalentador del tipo regenerativo – En elprecalentador regenerativo, las elementos extremos fríos se mueven entre latemperatura del gas de combustión a la salida y la temperatura del aire a laentrada. La temperatura mínima recomendada está basada en el promedio deestas dos temperaturas y en la cantidad de azufre en el combustible de acuerdocon la siguiente tabla:




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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Azufre en el combustibleg/kg

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Temp. del extremoFrío recomendado,(no corregida)

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Temp. resultante del gas decombustión a la salida(corregida) basado en 15°C(60°F) Temp. del aire

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁ

°C ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°F ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°C ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°FÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

5 (0.5 % en peso)ÁÁÁÁÁÁÁÁ

70ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

160ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

125(70x2–15=125)ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

260ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

10 (1% en peso)ÁÁÁÁÁÁÁÁ



175ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

350ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

15 (1.5% en peso)ÁÁÁÁÁÁÁÁ



185ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

370ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ20 (2 en peso

ÁÁÁÁÁÁÁÁ105

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ225

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ200

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ390ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ25 (2.5% en peso)ÁÁÁÁÁÁÁÁ110

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ235

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ210

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ410

Basado en estas temperaturas recomendadas (no corregidas por fugas) seesperan obtener los diseños del precalentador que requieran sólo unmantenimiento mínimo, principalmente limitada a los elementos extremos fríos.Debido a que la esmaltadura de estos elementos es relativamente económica, serecomienda esta protección para reducir aun más el mantenimiento. También serecomienda la protección adicional de los extremos calientes en su especificación.

Las temperaturas extremos frías promedio del precalentador tan bajas como 80°C(175°F) (por ejemplo, temperatura de salida gas de combustión = 145°C (290°F)),pueden ser especificadas para obtener mayor eficiencia del horno cuando se usancombustibles que contienen 10 g/kg (1% en peso) de azufre o más. Sin embargo,se necesitan materiales resistentes a la corrosión en el precalentador, por lo quese requiere mayor mantenimiento.

Temperatura de salida en precalentadores del tipo tubular – En el diseño deun precalentador de aire es importante eliminar la corrosión con el fin de prevenirparadas no programadas y el mantenimiento intensivo. A diferencia delprecalentador de aire regenerativo, la corrosión en el precalentador de aire tubularpuede ser muy severa, ya que la falla de un tubo provee fuga de aire intolerableo causa un incendio en el caso de diseños de fluidos circulantes. Si se desea quela operación con las superficies de transferencia de calor esté en o por debajo delpunto de rocío del gas de combustión, el único equipo recomendado es unasección de extremo frío con tubo de vidrio ofrecida por la DEKA.

Temperatura de salida de la sección de convección – El sistema debe ser diseñadopara la cantidad máxima de precalentamiento de aire, ya que el costo debido alincremento del sistema de precalentamiento es relativamente pequeño. Además,los costos del calentador se minimizan debido a la alta temperatura deaproximación en la sección de convección. Como la temperatura del gas decombustión a la salida de la sección de combustión está relativamente alta, elespesor del refractario en la cámara y en el ducto debe ser aumentado conrespecto al espesor utilizado normalmente sin recuperación de calor aguas abajocon el fin de mantener la conservación de calor.




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Generalmente, los precalentadores de aire tubular no están limitados por altastemperaturas de entrada del gas de combustión. Sin embargo, en la mayoría delos casos, es deseable limitar las temperaturas del aire precalentado a 540°C máx.(1000°F), lo cual es equivalente a una temperatura del gas de combustión deaproximadamente 705°C (1300°F) (asumiendo una temperatura del gas decombustión a la salida de 205°C (400°F)).

Para los precalentadores regenerativos, la temperatura máxima del gas decombustión saliendo de la sección de convección (entrando al precalentador)debe normalmente ser entre 480 y 510°C (900 y 950°F). La temperatura resultantedel aire precalentado a los quemadores es de 345 a 370°C (650 a 700°F)(asumiendo una temperatura del gas de combustión a la salida de 205°C (400°F)).Estos niveles de temperatura permiten el uso de materiales convencionales en elprecalentador. Para aplicaciones especiales, el precalentador regenerativo puedeser diseñado para temperaturas de entrada del gas de combustión tan alta como675°C (1250°F), si los materiales, los diseños de sellos, etc. son los adecuados.

Requerimiento total de combustible – Debido al equipo adicional en el sistemade precalentamiento de aire, las pérdidas totales por radiación serán mayores queen calentadores convencionales. Para hornos con más de 30 MW (100 MMBTU/h)de calor absorbido utilice:

Fg = 1.015 Fn (diseños nuevos)

Fg = 1.025 Fn (diseños renovados)

donde:

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

En unidadesSI

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

En unidadesinglesas


FgÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Combustible total requeridoÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

kg/sÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

lb/hÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

FnÁÁÁÁ


Combustible neto requeridoÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


lb/h

Condiciones de diseño/alternativas – El sistema también debe ser diseñadopara operar a temperatura ambiente con el precalentador y el ventilador de tiroforzado desviados. El horno debe ser diseñado basado en condiciones normalesde operación con el aire precalentado y verificando para el caso del aire atemperatura ambiente a 100% de capacidad calórica con todos los quemadoresen operación. No es recomendable que el sistema de tiro forzado sea especificadobasado en estas condiciones de operación. Sin embargo, en situaciones dondela capacidad del horno este restringida bajo condiciones operacionales, esto sedebe enfatizar en las especificaciones de diseño y en los procedimientos deoperación.




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Efectos en el diseño del horno

El calor disponible del combustible que se quema (y la temperatura de losproductos de combustión) se aumenta por la entalpía del aire precalentado. Deesta manera, el uso del aire precalentado aumenta directamente el calor deradiación del horno en una cantidad igual al aire precalentado.

Para propósitos de diseño, las mismas relaciones de transferencia de calor de lasección de radiación son usadas en aplicaciones de precalentamiento de aire aligual que en diseños con aire a temperatura ambiente. Por lo tanto, se pueden usarlas mismas curvas de temperatura de pared divisoria/densidad calórica deradiación (para hornos de proceso, Figuras 1 a 5 en PDVSA–MDP–05–F–02).Excepto por lo modificado en este documento, todos los otros criterios de diseñodel horno usados en diseños convencionales no cambian.

El comportamiento de la sección de convección reducida en hornos conaplicaciones de precalentamiento de aire debe hacer posible el ajuste delcomportamiento en no más de ocho filas de tubos de convección y, por lo tanto,eliminar la necesidad de una segunda fila de sopladores de hollín normalmenterequerida en hornos convencionales. En el problema del ejemplo se ilustran lostamaños relativos de las secciones de radiación y convección del horno con o sinprecalentador de aire.

7.2 Precalentador de aireDimensiones básicas para hornos – En vista de que el diseñador del horno debetomar en cuenta las condiciones operacionales del precalentador de aire, eltamaño del precalentador debe ser aproximadamente establecido durante laetapa de diseño del calentador.

La mayoría de los precalentadores de aire son unidades patentadas, construidasen tamaños uniformes y deben ser evaluadas por el vendedor, dependiendo de lascondiciones específicas de diseño. La siguiente información es requerida por elvendedor para seleccionar el tamaño del precalentador y establecer lascondiciones operacionales del mismo:

1. Temperatura del gas de combustión deseada saliendo del precalentador(no corregida). Una vez que esta temperatura haya sido determinada, lasotras condiciones listadas más adelante pueden ser determinadasfácilmente.

2. Temperatura y flujo del gas de combustión a la entrada del precalentador.

3. Flujo de aire requerido en los quemadores (por ejemplo, abandonando elprecalentador).

4. Temperatura ambiente del aire para el diseño térmico (generalmente 15°C(60°F)).




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5. Caída de presión diferencial aproximada a través del precalentador (paraprecalentadores de aire del tipo regenerativo). Esta es usada paradeterminar fugas en el precalentador y es igual a la presión del aire a lasalida del precalentador (presión máxima del quemador más pérdidas enel ducto), más el tiro requerido por el gas de combustión a la entrada delprecalentador (generalmente del orden de 0.4 kPa (1.5 pulg de H2O)).

Generalmente, las condiciones del precalentador son muy parecidas a lasdeseadas, por lo que se requieren pocos cálculos para obtener lasespecificaciones de diseño. Frecuentemente, algunos precalentadores de unfabricante en particular se adaptan a los requerimientos, cada uno con algunapequeña diferencia en comparación con las condiciones de operación. Eldiseñador del horno debe escoger el precalentador más apropiado tomando encuenta el tamaño del precalentador (costo), caída de presión, temperatura, etc.

En todo caso, se recomienda que la especificación de diseño del precalentador deaire sea abierta en cuanto al tipo, con el fin de permitir licitaciones competitivaspara este equipo. En la Tabla 2 se presenta una especificación típica general. Siel tipo de precalentador de aire debe ser definido en la etapa de diseño, el tamañodel precalentador seleccionado debe especificarse en el diseño junto con lasprincipales condiciones operacionales.

Algunas condiciones operacionales dependen directamente del diseño del horno,mientras que otras dependen del precalentador y deben ser indicadas comoaproximaciones. Esta última incluye las temperaturas del aire y del gas decombustión saliendo del precalentador, fugas y caída de presión. En vista de queel vendedor del precalentador normalmente ofrece su equipo como unsub–suplidor al vendedor del horno, esos datos deben ser confirmados por elvendedor del precalentador a través del vendedor del horno. Por lo tanto, laespecificación del diseño debe incluir: “El vendedor del horno debe incluir unconjunto de datos completos del funcionamiento del precalentador y unagarantía del funcionamiento en la propuesta”.

Dimensiones básicas para la reconstrucción de hornos – En las instalacionesreconstruidas es muy difícil escoger las condiciones correctas basándose en laeconomía del proyecto y las dimensiones del precalentador de aire. En muchoscasos, la temperatura del gas de combustión en la chimenea, el exceso de oxígenoy el flujo de gas de combustión varía considerablemente con respecto a lascondiciones del diseño original debido al ensuciamiento de la sección deconvección, condiciones modificadas del proceso, altas fugas de aire, etc.

Para asegurarse que la instalación de un precalentador de aire (u otro tipo derecuperación de calor) es la alternativa más económica, se hace necesariaverificar una medición alta de la temperatura de la chimenea. Esto se hacecomprobando las lecturas con TI temporales y simulando en el computador alhorno para compararla con los datos de campo. Se debe cuestionar seriamente




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las altas temperaturas medidas en las chimenea si la simulación del computadorestá en desacuerdo con los valores medidos. En tal caso, se puede incrementarla efectividad del soplado de hollín y/o reducir el exceso de O2 con el fin derecuperar un porcentaje grande del calor potencial absorbido por el precalentadorde aire sin inversión adicional. Para efectos de simulación del horno, estándisponibles los programas FH–0 del HTRI, y FRNC–5 de PFR.

Cuando se han verificado los datos de campo y el proyecto se justifica, esnecesario definir una condición normal de operación y una condición mínima ymáxima de operación. La condición máxima de operación debe ser consistentecon los límites del diseño actual, tales como flujo de calor máximo y, generalmente,no se espera un incremento en la capacidad de la unidad como un resultado deañadir facilidades para precalentador de aire. En muchos casos, el tamaño delprecalentador de aire, al igual que los auxiliares, tales como quemadores,ventiladores de tiro inducido y forzado están basados bajo las condicionesmáximas de operación. Sin embargo, si la condición normal de operación essignificativamente menor que la máxima y esta última pudiera ocurrir con pocafrecuencia, es preferible diseñar para la condición de máxima operación, peroconstruir con suficiente flexibilidad, tal como especificar dos motores de velocidadvariable para los ventiladores. La condición mínima de operación es importantepara definir las temperaturas mínimas esperadas del gas de combustión a la salidadel precalentador de aire y la necesidad de instalar desvíos del aire o del gas decombustión o reducción en la superficie de transferencia de calor delprecalentador.

Es importante obtener licitaciones competitivas para instalaciones enreconstrucción al igual que en instalaciones nuevas a fin de obtener el costo másbajo posible.

7.3 Soplado de hollín/lavado con agua

En todos los casos donde se quema aceite combustible, el precalentador debe serequipado con sopladores y facilidades de lavado con agua. Estas facilidades noson requeridas normalmente en instalaciones que queman gas combustible. Losprecalentadores tipo regenerativo están equipados con sopladores especialesprovistos por el fabricante. Las facilidades de lavado con agua también sonprovistas por el fabricante y pueden consistir de una combinaciónsopladores/agua de lavado y/o una boquilla múltiple para rociar aguapermanentemente instalada en el ducto inmediatamente aguas arriba y/o lasección aguas abajo del precalentador de aire. Las facilidades de soplado y lavadocon agua en los precalentadores tubulares es similar a las utilizadas en la secciónde convección de un horno.




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Los requerimientos de soplado con vapor para los precalentadores de aireregenerativos varían entre los fabricantes, pero típicamente estos requerimientosson de 0.25 kg/s (2000 lb/h) por soplador y una presión de 1800 kPa (250 psig).Los precalentadores de aire tubulares están típicamente equipados consopladores retractables requeriendo 1.25 kg/s (10000 lb/h) y 1800 kPa (250 psig)de vapor. Los requerimientos de lavado con agua dependen del tamaño delprecalentador de aire y pueden variar desde 2.5 dm3/s (40 gal/min) para unprecalentador dimensionado para un calentador de 15 MW (50 MMBTU/h) hasta25 dm3/s (400 gal/min) para un calentador de 90 MW (300 MMBTU/h).

El lavado del precalentador de aire debe ser utilizado con el precalentadordesviado para minimizar los efectos de choque térmico en el precalentador, ductoetc. El drenaje del agua de lavado normalmente puede ser enviado al sistema detanquillas de la refinería. Si este sistema no puede tolerar material ácido o si lasregulaciones ambientales locales requieren la neutralización del ácido, se deberealizar un tratamiento de esta agua de lavado.

7.4 DuctoEl ducto debe ser provisto para ambas corrientes, el gas de combustión y el aire.Un esquema típico del ducto se muestra en la Figura 6. Para el diseño de esteducto se debe considerar lo siguiente:

1. El ducto debe ser dimensionado para una velocidad del gas de 15 m/s (50pie/s).

2. Paletas deflectoras deben ser usadas en todos los ductos de seccióntransversal rectangular (excepto en el ducto de salida de los quemadores)incluyendo la entrada a la chimenea.

3. Se debe proveer un ducto de desvío alrededor del lado del aire delprecalentador. Además de su uso al desviar completamente elprecalentador, este ducto se utiliza para controlar la temperatura del gas decombustión a la salida minimizando corrosión en el precalentador causadapor condensación en el lado del gas de combustión a bajas cargas o a bajastemperaturas del aire. (También se puede instalar un serpentín de vapor ala entrada del precalentador para evitar la temperatura baja del aire).

4. Se debe proveer de un ducto de desvío para la chimenea del gas decombustión. Este es usado para desviar el precalentador y el ventilador detiro inducido.

5. Se deben especificar reguladores de tiro en el ducto como lo discutido enuna de las secciones anteriores.

6. Las especificaciones de diseño deben requerir que el precalentador y losventiladores sean protegidas de expansión térmica del ducto por inclusiónde juntas de expansión.




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7. Como lo indicado en la Figura 7., el ducto de distribución de tiro forzadodebe estar ubicado por encima del piso de acuerdo con una de lasconfiguraciones presentadas. Ductos subterráneos de aire caliente sonaceptables pero son mucho más costosos y sólo son requeridos parasatisfacer arreglos poco usuales. Otros tipos de ductos subterráneos noson aceptables debido a su estructura y seguridad.

7.5 Sistema de tiro forzadoEl sistema de tiro forzado y los ventiladores son especificados en la misma maneraque los hornos, usando aire a temperatura ambiente, tal y como lo indica eldocumento PDVSA–MDP–05–F–04, con los siguientes puntos adicionales:

1. La caída de presión del precalentador de aire debe incluirse en el sistemade caída de presión.

2. Las fugas del precalentador de aire, si las hay, deben ser sumadas al airerequerido en los quemadores para determinar el flujo normal de aire delventilador.

3. Se debe especificar una condición alterna del ventilador que cubra laoperación del horno con el precalentador desviado. Esta condición requiereun aumento en el flujo de aire a baja presión.

7.6 Sistema de tiro inducidoPresión de operación – El horno opera como un sistema de tiro balanceado. Eltope de la sección de radiación siempre debe ser mantenido a una presiónligeramente negativa. Una presión positiva causará fugas de los gases calientesa través de aberturas de la cubierta del horno ocasionando daños a la estructuradel mismo.

El tiro requerido a la entrada del precalentador incluye lo siguiente:

1. Tiro en el tope de la sección de radiación del horno (normalmente 0.025 kPa(0.1 pulg de agua).

2. Caída de presión de la sección de convección.3. Caída de presión del ducto.4. Efecto “reverso” de la chimenea en el ducto descendente de la sección de

convección al precalentador.Ventilador de tiro inducido – El ventilador de tiro inducido debe suplir el tirorequerido a la entrada del precalentador, más la caída de presión delprecalentador, menos el tiro disponible en la chimenea. El flujo normal en elventilador es igual al flujo de gas de combustión a través del precalentador, máslas fugas del precalentador.

La información requerida del ventilador de tiro inducido en la especificación dediseño es la misma que la requerida por el ventilador de tiro forzado con lassiguientes consideraciones adicionales:




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1. Los cojinetes del ventilador deben ser enfriados con agua.

2. El ventilador debe ser aislado externamente para protección del personaly de las condiciones del tiempo frías.

3. El diseño mecánico y la capacidad del ventilador debe estar basada en unatemperatura de 10°C (50°F) por encima de la temperatura de salida delprecalentador (incluyendo fugas del precalentador).

4. El punto nominal (rated point) del ventilador debe ser 125% del flujo normaly 150% del incremento en la presión normal. (Los ventiladores de tiroforzado usan 115/115%).

7.7 Reguladores de tiro de gas de combustión

Estas compuertas son un recurso constante de importancia cuando lascondiciones operacionales requieren de disparos rápidos.

Esta compuerta está garantizada para suministrar fugas menores de 1% y operanlibremente aun en ambientes sucios. El cierre hermético es provisto a través deluso de un listón de cierre a lo largo de las extremidades de las aletas. Estos sellosson fabricados de acero inoxidable y se parecen a un resorte metálico de láminaflexible el cual se ajusta a las irregularidades de su superficie apareada cuandoestá en la posición cerrada. Los cojinetes están aislados totalmente de la corrientede gas de combustión, y son del tipo no lubricante construidos con materialesresistentes a la corrosión.

En instalaciones reconstruidas, si se instala una nueva chimenea y la chimeneaexistente es mantenida para la operación a aire ambiente, el aislamiento de estaúltima chimenea debe estar acompañada por la instalación de una compuerta enel punto donde el gas de combustión es desviado a los precalentadores de aire.Las compuertas instaladas en el tope de la chimenea descontinuada atrapa gasde combustión estancado, el cual es bajo en temperatura por pérdidas de calor yproduce daños severos y rápidos de corrosión debido al ácido sulfúrico.

La experiencia ha demostrado que el deterioro de las chimeneas ciegas en estaforma es mucho más severa que las chimeneas abiertas a la atmósfera con muypoco o sin ningún flujo de gas de combustión.

En la Tabla 3 se muestra una especificación típica de una compuerta. Nótese quealgunas compuertas son abiertas automáticamente. Otras compuertas sonusadas sólo para aislamiento, por lo que pueden ser del tipo guillotina. En la Figura6. se muestran las posiciones de la compuerta para un sistema típico deprecalentamiento de aire.




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7.8 Piezas de repuestoEl precalentador de aire no debe tener otro de repuesto, ya que el horno esgeneralmente diseñado para operar a máxima capacidad a condiciones de aire atemperatura ambiente con el precalentador desviado. Por supuesto que laeficiencia se reduce grandemente durante este período.

Como se discutió en el documento PDVSA–MDP–05–F–04, el ventilador de tiroforzado tampoco debe tener otro ventilador de repuesto. En unidades críticas, sepueden considerar dos ventiladores de 50% para aumentar la confiabilidad. Porotro lado el ventilador de tiro inducido tampoco debe tener otro ventilador derepuesto, ya que el gas de combustión puede ser desviado directamente a lachimenea.

8 INSTRUMENTACIONLa siguiente instrumentación debe ser provista en los sistemas deprecalentamiento de aire. Esta instrumentación es adicional en comparación a larequerida en un horno convencional de tiro forzado y por lo general se muestra enla Especificación de Diseño del diagrama de flujo. Además, la instrumentacióndebe mostrarse en la Especificación de Diseño de la sección del horno, en eldiagrama del sistema de precalentamiento de tal forma que puedan ser ubicadosadecuadamente. En la Figura 6. se muestra un dibujo esquemático de un sistematípico de precalentamiento de aire con la adecuada instrumentación.

Lado aire (sistema de tiro forzado)

Indicadores de temperatura – A la salida del precalentador, aguas abajo del ductode desvío de aire para medir la temperatura de la mezcla.

Indicadores manométricos de tiro – En cada lado del precalentador y en el ductode distribución de los quemadores.

Lado gas de combustión (sistema de tiro inducido)

Indicadores de temperatura/alarmas

1. A la entrada y salida del precalentador.

2. Alarma por alta temperatura a la entrada del precalentador, para indicartemperaturas excesivas del gas de combustión que pueden dañar elsistema de precalentamiento de aire.

3. Alarma por baja temperatura a la salida del precalentador, para indicarproblemas de corrosión en el extremo frío.




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Indicadores manométricos de tiro

1. A la entrada y salida del precalentador.

2. A la salida del ventilador de tiro inducido.

3. Aguas arriba y aguas abajo del ducto de desvío del gas de combustión.

9 SISTEMA DE SEGURIDADLos siguientes puntos son requeridos para proteger el horno y el sistema deprecalentamiento de aire.

Sistema de combustible

Indicadores de presión, disparos y alarmas (Ver PDVSA–IR–P–01).

Lado aire (sistema de tiro forzado)

Se requiere de un disparo por baja presión diferencial (PdLCO) u otro dispositivopara indicar pérdidas de flujo de aire de combustión (Ver PDVSA–MID–K–337). Enlos hornos con quemadores de tiro natural, el horno puede mantenerse en servicioutilizando un regulador automático en el ducto de aire accionado por el PdLCO.Si esta compuerta falla (no abre) se debe disparar la unidad.

Lado gas de combustión (sistema de tiro inducido)

Se requiere una alarma por alta temperatura (THA) a la entrada del ventilador detiro inducido para protección del mismo (y el del precalentador). Esto indicará fallasdel precalentador (no rotativo) o combustión retardada en el precalentador.También se debe proveer de un disparo por alta temperatura (THCO) a la entradadel precalentador para evitar daños al sistema de precalentamiento de airecausados por temperaturas excesivas del gas de combustión. El THCOpreferiblemente debe abrir el regulador de desvío a la chimenea oalternativamente disparar el horno.

Cámara de combustión del horno

Se necesita una alarma por alta presión (PHA) para indicar la presión excesiva enla cámara de combustión del horno. Esto puede ser causado por un inadecuadotiro inducido debido a un escaso control, excesiva caída de presión delprecalentador, fallas en el ventilador de tiro inducido. También se debe instalar undisparo por alta presión (PHCO) (Ver PDVSA–MID–K–337), para aliviar lapresión excesiva en la cámara del horno. La presión máxima en la cámara decombustión del horno está limitada a 1.25 kPa (5 pulg de agua).




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Para servicios críticos y en otras aplicaciones se pueden considerar lascompuertas de alivio de presión, o sea donde no de deseen presiones excesivasde la cámara del horno. Estas compuertas deben ser ubicadas en la sección deradiación o en el ducto por encima de la sección de convección. El ducto de desvíoa la chimenea no es una manera aceptable para aliviar presión debido a laposibilidad de que se tranque la compuerta en posición cerrada. Sin embargo,cuando se utilizan dos ductos separados con sus respectivas compuertas esposible aliviar presión, por lo que las compuertas de alivio son requeridas en vistade que el diseño de la doble contingencia de dos compuertas en la chimenea haceque la falla simultánea sea conservativa.

El área requerida para las compuertas de alivio de presión se determina utilizandola Ec.(1), la cual está basada en una caída de presión a través de la compuertaigual a 1.25 kPa (5 pulg de agua) y un cabezal de velocidad de 2.8.

A �Wf Tg � F18�

F53

Ec. (1)

donde:

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

En unidadesSI

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

En unidadesinglesas


A ÁÁÁÁ


Area de la compuerta de alivio depresión


m2 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pie2

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁWf

ÁÁÁÁ=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁFlujo de gas de combustión

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁkg/s

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁlb/sÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Tg


=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Temperatura del gas de combustiónen la puerta de alivio. Paracompuertas de alivio ubicadas en lasección de radiación, utilice latemperatura de la pared divisoria(Bridgewall temp.). Para compuertasubicadas encima de la sección deconvección, use la temperatura desalida de la sección de convección

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°CÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°F


F53 ÁÁÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Factor cuyo valor depende de launidades usadas


546 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

150




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10 PROBLEMA TIPODado: Calor total absorbido Qa = 58.62 MW (200 MMBTU/h)

Caso I: Horno sin precalentador de aire. Temperatura de lachimenea Ts = 370°C (700°F)Caso II: Igual que el caso I, pero con Ts = 510°C (950°F)Caso III: Horno con precalentador de aire. Temperatura a lasalida de la sección de convección = 510°C (950°F). Temperaturaa la salida del precalentador (no corregida) = 195°C (390°F) (paraun combustible que contiene 20 g/kg de azufre (2% en peso deazufre)).

Encontrar: Para cada caso:Calor consumido y eficiencia del horno Rendimiento térmico entrela sección de radiación y la sección de convección

Solución: Este problema ilustra lo siguiente:1. Los ahorros típicos de combustibles obtenidos por utilizar un precalentador

de aire: Diseño del horno basado en una temperatura típica de la chimenea(370°C (700°F)) contra un sistema con precalentamiento de aire(temperatura de la chimenea = 195°C (390°F)).

2. Determinación del calor total de radiación para un horno que contiene unprecalentador de aire.

3. Comparación de los tamaños relativos de las secciones de radiación yconvección para hornos con o sin precalentadores de aire.

4. Condiciones típicas de operación para un horno con el precalentadordesviado.

Para facilitar la comparación, los cálculos para los primeros tres casos semuestran lado a lado en forma tabular en la próxima página.




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Solución al Problema EjemploÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Eficiencia del Horno ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Caso I ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Caso II ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Caso IIIÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Horno diseñado sinprecalentador de aire

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Horno diseñado conprecalentador de aire


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Prec. enoperac.


Precalent.desviadoÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁTemp. de la chimenea, Ts, °CÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ370

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ510


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ554 (1)


Temp. salida sección convección, °CÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ



510ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁTemp. salida precalent., (no corregido), °CÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


195 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁExceso de aire, % ÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁ20 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

20 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

20 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

50ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Calor disponible en la chimenea HAsMJ/kg(2)


34.2 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

31.3 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

37.7 (@195 °C)


28.1





ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁComb. Neto Fn, kg/s = 59.62MW(Qa)/ HAsÁÁÁÁÁ1.74 ÁÁÁÁÁÁ1.90 ÁÁÁÁÁ1.58 ÁÁÁÁÁ2.12ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁCom. total Fg, kg/s =1.05 x FnÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ1.83

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ2.0


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ2.23ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


= 1.015 x Fn (para horno con elprecalentador en operación)




1.60ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


PCI (LHV) de comb. con 950 kg/m3 MJ/kg(2)


41.1 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ



41.1


Calor consumido, Qf , MW= Fg x PCI ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

75.2 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

82.0 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


91.7

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁEficiencia del horno, %Qa/Qf x 100 ÁÁÁÁÁ79.3 ÁÁÁÁÁÁ72.7 ÁÁÁÁÁ90.6 ÁÁÁÁÁ65.0ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁRend. sección radiación/convección




ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Calor disponible en la chimenea a laTemp. pared divisoria, Tbw, °C HAbw,MJ/kg

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

22.9ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

22.9ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

22.9ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

19.4


Calor radiado de la combustión delcombustible= Fn x HAbw, MW





41.2

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Calor transferido en el precal., Qph:

HA 195 °C = 37.7 MJ/kgHA 510 °C = 31.3 MJ/kg

6.4 MJ/kg

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁQph, MW = 6,4 MJ/kg x Fn =ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ10.1


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁQtr, MW =


39.8ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

43.5ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

46.7ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

41.2ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Rend. por rad., %Qtr/Qax 100 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ





Rend. por convec.= 100–% Rend. por rad.ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ









ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁGas de combustión y aire ÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ



ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁkg gas de comb./kg de comb., FG(4) = ÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁ17.6 ÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁ17.6 ÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁ17.6 ÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁ21.8


Gas de comb. = Fg x FG, kg/s = ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ




48.6

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁAire de comb. = gas de comb.–Fg, kg/s = ÁÁÁÁÁ30.4 ÁÁÁÁÁÁ33.2 ÁÁÁÁÁ26.6 ÁÁÁÁÁ46.4




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NOTAS:

1. Basado en condiciones operacionales calculadas para diseño de horno con precalentador, pero sindesvío del mismo.

2. Ver Figura 15 del documento PDVSA–MDP 05–F–01.3. Ver Figura 8. para el balance de materia.

4. Ver Figuras 22A/B del documento PDVSA–MDP 05–F–01.

11 NOMENCLATURA




En unidadesSI

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

En unidadesinglesasÁÁÁÁÁ


AÁÁÁÁÁÁ


Area de la compuerta de alivio depresión


m2ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pie2


WfÁÁÁÁ


Flujo de gas de combustión ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

kg/s ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

lb/sÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

TgÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Temperatura del gas de combustiónen la puerta de alivio. Paracompuertas de alivio ubicadas en lasección de radiación, utilice latemperatura de la pared divisoria(Bridgewall temp.). Para compuertasubicadas encima de la sección deconvección, use la temperatura desalida de la sección de convección

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°C ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°F

FACTORES QUE DEPENDEN DE LAS UNIDADES USADAS


F53 ÁÁÁÁÁÁ


Factor cuyo valor depende de launidades usadas


546 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

150




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12 APENDICETabla 1. Consideraciones de seguridad en el diseño de sistema de

precalentamiento de aire en fluidos de procesoTabla 2. Especificaciones típicas de un precalentador de aireTabla 3. Especificaciones típicas del regulador de tiroFigura 1. Instalación típica del precalentador de aireFigura 2. Precalentador de aire del tipo regenerativo LjungstromFigura 3. Dimensiones aproximadas del precalentador LjungstromFigura 4. Arreglo del precalentador de aire “DEKA” a prueba de corrosiónFigura 5. Sistema de precalentamiento de aire de fluido circulanteFigura 6. Esquema de un sistema de precalentador de aire del tipo

regenerativoFigura 7. Arreglos del ducto de aire precalentadoFigura 8. Balance de material para un sistema de precalentamiento típico




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TABLA 1. CONSIDERACIONES DE SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE SISTEMA DEPRECALENTAMIENTO DE AIRE EN FLUIDOS DE PROCESO

A. Fugas

1. Diseñe los intercambiadores con los cabezales soldados fuera del ducto de aire.

2. Diseñe los intercambiadores para posibles presiones máximas y temperaturas segúnel procedimiento único para este servicio.

3. Ubique los tubos cabezales fuera del ducto.

4. Análisis de presión en cada parada.

5. Sin aislamiento interno en el ducto.

6. Mantener la presión de operación del lado del combustible tan baja como sea posibleen la práctica.

7. Poner pendiente en el ducto del fondo para permitir el drenaje a un estanque.

8. Proporcionar un muro de separación con colector alrededor del intercambiador en elducto.

B. Minimización del Potencial de Fugas

1. Restringir los tubos a un máximo de 25 mm (1 pulg) de tubería sin costura extrapesados.

2. Minimizar la retención de combustible en el haz de tubos y también en la tuberíaexterna por medio de válvulas de cierre hermético y de desvío.

3. Proveer actuación rápida a las válvulas de cierre activadas por 20% LEL en el ducto.

C. Selección del Combustible

1. No se deben usar combustibles con H2 o contaminados con H2. Se deben evitar loscortes livianos y las naftas.

2. La temperatura del combustible a la entrada no debe exceder su temperatura deauto–ignición.

3. No utilice combustibles corrosivos o aplique el patrón permisible de corrosión.

D. Procedimiento

1. No ponga el precalentador de aire con aceite caliente en servicio hasta que el horno ocaldera estén en línea. (No se aplica a sistemas de recuperación de calor de gases decombustión).

2. Sople frecuentemente el ducto de drenaje.

E. Seguridad

1. Instalar un analizador de vapor en la corriente de aire. Ajustar la alarma del analizadora 10% LEL y disparar el combustible a 20% LEL (se debe tener mucho cuidado en laselección de este instrumento).

2. Instalar compuertas en ducto de venteo a un sitio seguro.




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Tabla 1 (Cont.)

3. Instalar válvulas de alivio térmico en el lado del combustible.

4. Instalar cierre hermético con ajuste manual en el combustible al precalentadoriniciado por:

+ Pérdida de flujo de aire + Indicación de 20% LEL

+ Extinción de la llama

+ Pérdida de carga al horno

+ Cualquier otra emergencia que paralize el horno

5. Calcular % de vaporización a la temperatura de entrada al horno según la Sección Fcon el fin de determinar si ocurriera una mezcla explosiva cuando haya una ruptura detubos.

F. Suposiciones Básicas para los Cálculos

1. Asuma ruptura de tubo con flujo de combustible a través de ambas puntas del tuboroto por fuga de combustible.

2. Suponga que no hay neblina.

3. Calcule el porcentaje de vaporización a la temperatura de entrada del combustiblecon un flujo normal de aire.

4. Si automáticamente resulta fuga en una mezcla explosiva (por ejemplo, por encimadel LEL) rechaze el diseño.

Por lo mencionado anteriormente, se deben considerar precalentadorescombustible/aire como casos especiales, los cuales requieren una revisióndetallada de arranques/paradas y condiciones anormales de operación. El ComitéOperacional de Seguridad de la Planta debe consultar con anticipación en lasetapas formativas del desarrollo del diseño de todas las propuestas deconservación, y revisar los proyectos en las diferentes etapas. En caso de quecualquiera de los afiliados encuentren un nuevo problema o desee asistencia sepuede consultar a los miembros de la sección de seguridad y protección contraincendio.




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TABLA 2. ESPECIFICACIONES TIPICAS DE UN PRECALENTADOR DE AIRE

1. Se debe instalar un precalentador de aire rotatorio/regenerativo o tubular. En el casode un precalentador del tipo Ljungstrom, el precalentador de aire que está siendofabricado localmente debe ser diseñado según la Corporación de Precalentadores deAire CE (CE Air Preheater Corporation), USA.

2. El precalentador debe ser diseñado para las siguientes condiciones (El vendedor debeproporcionar los datos para la lista dada a continuación):


ÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

En unidadesSI

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

En unidadesinglesas

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Lado Gas de Combustión (Tiro Inducido) ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁTemp. del banco de convección ÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁ510°C ÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁ950°F


Flujo del banco de convección ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

28.3 kg/s ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

224500 lb/hÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Tiro requerido de entrada del precal. ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

0.37 kPa ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

1.5 pulg de aguaÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁTemp. aprox. del precal. (no corregida) ÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁ195°C ÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁ383°F


Temp. aprox. del precal. (incluyendo fugas)ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°C ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

°FÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Flujo aprox. del precal. (incluyendo fugas)ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


lb/hÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Caída de presión aprox. a través del precal.ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

kPaÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pulg de aguaÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ



ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁLado Aire (Tiro Forzado)



ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁTemp. ambiente para el diseño térmicoÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ15°C

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ60°FÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁTemp. ambiente mín./máx.ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ–29/41°C

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ–20/106°FÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁFlujo de aire al quemadorÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ26,7 kg/s

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ211800 lb/hÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁPresión requerida en el quemadorÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ2.5 kPa

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ10 pulg de aguaÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ



ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁTemp. aprox. en el quemadorÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ°C

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ°FÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁFlujo aprox. al precal. (incluyendo fugas)ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁkg/s

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁlb/hÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁCaída de presión a través del precal.ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁkPa

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁpulg de agua

3. Las temperaturas aproximadas, flujos y caídas de presión son dependientes deldiseño y fugas del precalentador de aire. Estas figuras deben ser confirmadas por elvendedor del precalentador de aire e incorporarlo en las dimensiones de losventiladores. El vendedor del precalentador debe incluir un conjunto completo dedatos del funcionamiento del equipo y la garantía en la propuesta.

4. Los materiales del precalentador deben ser adecuados para combustibles líquidos ygaseosos que contengan 20 g/kg (2% en peso) de azufre. La propuesta debe tomar encuenta las temperaturas mínimas de los materiales de construcción.




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Tabla 2 (Cont.)

5. El precalentador debe estar provisto de facilidades de lavado con agua y desopladores de hollín para limpieza sobre líneas.

6. También se deben instalar compuertas de acceso para el mantenimiento e inspeccióndel precalentador.

Algunos requerimientos adicionales para precalentadores de aire del tiporotatorio/regenerativo:

7. Los elementos calientes deben ser “Corten” y los elementos fríos esmaltados. (Estosmateriales son los mínimos considerados, se pueden requerir materiales de mayorcalidad para servicios con temperaturas muy altas.)

8. Los elementos fríos deben estar en cestas para facilitar su remoción lateral.

9. El precalentador debe operar con motor eléctrico. También se debe instalar el motoreléctrico auxiliar con embrague automático y solenoide.

10. Se deben instalar puertas de vidrio y luces de observación en la entrada del aire frío.




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TABLA 3. ESPECIFICACIONES TIPICAS DEL REGULADFOR DE TIRO

Instalar compuertas herméticas en ductos de acuerdo al siguiente procedimiento:

1. La entrada a cada quemador es operada manualmente y diseñada para cerrarherméticamente.

2. El ducto de desvío del lado aire del precalentador (Metroflex o igual) es operadoneumáticamente para controlar la temperatura del gas de combustión a la salida y asíminimizar corrosión por condensación en el lado del gas de combustión por bajo flujo opor bajas temperaturas del aire ambiente. Esta compuerta también puede ser utilizadapara desviar completamente el precalentador.

3. El ducto de desvío del gas de combustión a la chimenea (Metroflex o igual es operadoneumáticamente. La compuerta debe abrir automáticamente en caso de cualquierfalla del ventilador de tiro inducido o del precalentador de aire.

4. Se requieren reguladores adicionales operados manualmente a la entrada y salida dellado aire y discos ciegos a la entrada del gas de combustión según lo requerido paraaislar el precalentador durante el mantenimiento.

5. Se requieren reguladores adicionales operados neumáticamente para controlar el airede combustión a hornos individuales unidos a un sistema común.

6. Se deben instalar sellos externos en los ejes del regulador para minimizar fugas.

NOTA:

Los puntos 4 y 5 deben ser incluidos sólo si son requeridos.




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Fig 1. INSTALACION TIPICA DEL PRECALENTADOR DE AIRE




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Fig 2. PRECALENTADOR DE AIRE DEL TIPO REGENERATIVO LJUNGSTROM




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Fig 3. DIMENSIONES APROXIMADAS DEL PRECALENTADOR LJUNGSTROM




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Fig 4. ARREGLO DEL PRECALENTADOR DE AIRE “DEKA” A PRUEBA DECORROSION




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Fig 5. SISTEMA DE PRECALENTAMIENTO DE AIRE DE FLUIDO CIRCULANTE




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Fig 6. ESQUEMA DE UN SISTEMA DE PRECALENTADOR DE AIRE DEL TIPOREGENERATIVO




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Fig 7. ARREGLOS DEL DUCTO DE AIRE PRECALENTADO




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Fig 8. BALANCE DE MATERIAL PARA UN SISTEMA DE PRECALENTAMIENTO TIPICO




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