Para responder a lo anterior, existe un plan de desarrollo inserto en la política de propiedad y crecimiento de la empresa, entendiendo como tal, "el establecimiento de los caminos para concretar la opción de crecimiento con rentabilidad", dando viabilidad al siguiente objetivo definido por la Gerencia de Petrox S.A.
Comprar, vender, importar hidrocarburos y en especial, petróleo crudo y sus derivados, además de refinarlos, comercializarlos, transformarlos y prestar servicios para su transporte y almacenamiento.
ABASTECIMIENTO DE MATERIA PRIMA
Petrox recibe directamente desde Argentina, a través del Oleoducto Estenssoro-Pedrals, cerca del 78% del crudo que procesa. Esto le permite contar con una fuente segura y económicamente más conveniente de petróleo. El 22% restante de esta materia prima llega a la refinería por barco, a través del Terminal Marítimo de San Vicente – Talcahuano (VIII Región).
Tabla N°1 "Abastecimiento de Materia Prima".
PAÍS | ABASTECIMIENTO (%) |
Argentina (Neuquén) | 78 |
Ecuador | 10 |
Venezuela | 7 |
Otros | 5 |
PROCESO DE REFINACIÓN
El petróleo crudo no es utilizable por sí mismo. El proceso de valorización es producto del refino, de donde resultan, por centenares, los productos acabados y las materias químicas más diversas. Esta función está destinada a las refinerías, industria petrolífera, bisagra que articula la actividad petrolera propiamente tal de exploración y producción, con la actividad de almacenamiento, venta y distribución.
El petróleo crudo llega a las refinerías y es almacenado en grandes estanques para regular uniformemente la cantidad que ha de ser tratada, según las capacidades de las instalaciones y las necesidades del mercado.
El principio básico que se emplea en la refinación del petróleo crudo es la destilación, es decir, calentar el petróleo en una caldera y hacerlo pasar hirviendo por altas torres, donde la temperatura en las partes superiores se mantiene más baja que en el fondo.
Este proceso de refinación es continuo, es decir, el petróleo se bombea permanentemente a la caldera, y los productos son ininterrumpidamente extraídos de las torres. Esto se repite en varias plantas de refinería, para conseguir los productos requeridos de los crudos que se dispone. Otras plantas se usan para el tratamiento químico de los productos, para quitarles el color y el olor no deseados y la producción de aceites lubricantes.
Fig.1 "Esquema del Proceso" Consideremos la mezcla de hidrocarburos que componen el petróleo crudo y podremos deducir que, por regla general, mientras más liviano sea, es más volátil y, por tanto, más bajo su punto de ebullición. Esta es la razón por la que el grupo de hidrocarburos de la gasolina hierve a menor temperatura que el gasoil, y así sucesivamente. Son estas diferencias las que facilitan la selección de los diferentes grupo o fracciones.
Los vapores escapan en forma de burbujas a través de las válvulas en los platos o bandejas situadas a distintas alturas en las torres, mientras que el líquido, más frío, cae continuamente desde la parte superior. Los vapores pasan a través de los platos por medio de orificios guarnecidos de cilindros abiertos, cubiertos por "casquetes de burbujeo", cuya forma es la de una cubierta invertida y cuyos bordes no tocan el piso, obligando a los vapores a pasar burbujeando a través del líquido que se acumula sobre cada plato en los distintos pisos.
Una condensación y redestilación progresiva ocurren en cada piso o "bandeja", como son llamados. La gasolina sale en forma de vapor de la parte superior de la torre, El kerosene es retirado de una bandeja más abajo y el petróleo diesel, mucho más abajo. Estas fracciones son enfriadas y almacenadas en pequeños estanques especiales. El petróleo que no ha podido elaborarse fluye de la base de la torre en forma de residuo negro. Así, en la torre de fraccionamiento, tiene lugar el primer paso de la separación de los hidrocarburos contenidos en el petróleo crudo; luego sigue una cantidad de operaciones de purificación de las sustancias obtenidas y separación de otras nuevas.
Existen otras plantas de proceso que cumplen funciones complementarias a la destilación primaria y que permiten un mejor aprovechamiento de los residuos e hidrocarburos primarios que se destilan en esta primera etapa. En la Figura 1. Se muestra un esquema del proceso de refinación del petróleo.
Planta de Topping o Destilación Atmosférica:
En la torre de Topping de la unidad de destilación atmosférica tiene lugar, mediante vaporización flash y fraccionario, la separación del petróleo crudo en gasolina, nafta, kerosene, diesel, gas oíl virgen y crudo reducido.
Unidad de vacío:
Su función es preparar una carga de alimentación adecuada para la unidad de cracking catalítico, mediante el fraccionamiento del crudo reducido al vacío para evitar la coquifilación de estos productos.
Planta de cracking catalítico:
El proceso de craking catalítico fluidizado convierte hidrocarburos pesados en productos más livianos de mayor valor. En este caso, se efectúa un rompimiento de las moléculas de cadena larga, que constituyen el gasoil de vacío en presencia de un catalizador, a altas temperaturas, pero a presión un poco superior a la atmosférica.
Planta de reformación catalítica:
Es un proceso destinado a convertir naftas de bajo octanaje en gasolinas o reformatos de alto número de octanos.
Planta de recuperación de livianos y tratamiento:
Está diseñada para recuperar el propano y el butano de diferentes secciones de la refinería. Los productos de esta planta son gasolina, estabilizada de craking, propano, butano y gas de refinería que se quema en los hornos.
Planta de alquilación:
En técnica petrolera, alquilación es la combinación química entre una isoparafina (isobutano) y una olefina (butileno) para formar hidrocarburos isómeros (isooctano) que destilan en el rango de la gasolina que, por su alto número de octano, sirven como base para preparar gasolina de diferentes octanajes.
Planta de visbreaking:
La función de esta unidad es reducir la viscosidad del pitch proveniente de la torre de vacío, con el objeto de agregarle menos diesel para producir petróleos combustibles. La reducción de viscosidad se obtiene mediante un cracking térmico moderado del pitch (brea, alquitrán).
Planta de etileno:
Partiendo de subproductos gaseosos de la refinería, etano, propano, butano, gas, gasolina natural y petróleo crudo, se prepara industrialmente el etileno, que constituyen una materia básica en la fabricación de gran número de productos petroquímicos de interés industrial.
Productos Derivados Del Petróleo.
Actualmente, ENAP suministra al mercado los siguientes productos:
ESTRUCTURA ORGANICA DE PETROX S.A.
CAPITULO II
Descripcion general de los equipos
HORNOS.
Los hornos son equipos industriales en los que se entrega el calor generado por la oxidación de un combustible a una carga de crudo que circula por dentro de unos tubos de una manera similar a una caldera.
Los primeros hornos empleados en la industria petrolera se inspiraron en las calderas cilíndricas horizontales de destilación de alcohol y licores, que se calentaban por las llamas de un hogar, con una muy mala transmisión de calor, y que producían un fuerte depósito de Coque por la descomposición del crudo, dañándose por el recalentamiento de la porción del cilindro que estaba directamente expuesto a las llamas en el hogar, lo que limitaba su vida útil a solamente unas semanas.
La instalación de "tubos de humos" que se atravesaban al cuerpo cilíndrico en dirección de su eje, como en ciertos tipos de calderas, mejoró notablemente su operación, incrementando a la vez su capacidad.
Estos Hornos eran de funcionamiento discontinuo, debiendo descargarse y limpiarse antes de recibir una nueva carga de crudo. La operación continua, indispensable en las grandes refinerías, sólo era posible haciendo trabajar una batería de alambiques en serie, de modo que cada uno calentara el liquido traspasado del anterior, en una diferencia de temperatura relativamente pequeña. El trabajo en gran escala, por este sistema, requería entonces de grandes instalaciones, que ocupaban mucho espacio y que eran de difícil control.
La elaboración de crudos emulsificados con mucho agua, que producían abundante espuma, llevó a intentar en pequeña escala el empleo de hornos tubulares, en los que el crudo circulaba por un serpentín calentado directamente por las llamas del hogar. El éxito obtenido condujo a instalaciones cada vez mayores, generándose así el Horno tubular característico de la industria actual.
Aceleró este cambio la introducción de los procesos de Cracking térmico, que exigió el uso de equipos que pudieran resistir mayores presiones y altas temperaturas que las utilizadas hasta entonces. La respuesta lógica del problema la constituyeron los Hornos tubulares con la consiguiente reducción de espacio y de personal y la facilidad de control inherente a su empleo.
Cuando se construyeron los primeros Hornos de este tipo, no se apreciaba el importante papel que en ellos desempeñaba la transferencia de calor por convección, de modo que sólo se aprovechaba el calor transmitido por radiación. Con el nuevo diseño, los tubos próximos a las llamas absorbían calor tan rápidamente que se producían grandes cantidades de Coque que los obstruían parcial o completamente, en cambio los tubos ubicados lejos de los quemadores absorbían tan poco calor que su aprovechamiento era muy malo.
Una costosa experiencia demostró que la eliminación de los primeros tubos muy calientes no hacía más que agravar la situación porque se recalentaban los siguientes. Finalmente, una mejor comprensión de las leyes de la transmisión de calor y el hecho de que la mayor parte de la superficie de los tubos debían recibirlo por radiación y no por convección, condujo a los diseñadores a las formas actuales.
En un Horno se distinguen dos secciones de calentamiento, claramente diferenciadas, una sección de radiación y una sección de convección, según cual sea la forma de calentamiento predominante, como transición entre ambas, existe comúnmente una pantalla de radiación (Shield), constituida por unos pocos tubos colocados antes de la sección de convección, que reciben calor tanto por radiación como por convección.
En la sección de radiación, los tubos no se colocan nunca en el camino de las llamas, sino lateralmente, en las paredes, techo y/o piso de la cámara de combustión. El volumen de ésta no es de fundamental importancia en lo que se refiere al proceso mismo de la combustión, pero es necesario darles ciertas dimensiones mínimas para lograr una buena distribución de la energía radiante. Generalmente se usa una sola fila de tubos, a veces dos y a lo más tres, por el efecto de pantalla de las filas más próximas a los quemadores.
En la sección de convección, las filas de tubos más próximas a la cámara de combustión también absorben calor por radiación, especialmente la primera fila y por esta razón los tubos de esta fila (pantalla de radiación) son los más expuestos a percances.
Para efectuar y controlar la combustión, los Hornos están provistos de quemadores con sus respectivos registros de aire, de un dámper para regular el tiraje dentro del Horno y de una cámara de combustión o caja de fuego, que es el espacio donde se produce la combustión. Para que haya una adecuada circulación de aire, los Hornos deben ser herméticos, permitiendo la entrada de aire sólo a través de los registros especialmente diseñados para este objeto. La hermeticidad la da la estructura del Horno, formada por las vigas que le confieren la resistencia mecánica necesaria para su rigidez y por planchas de acero soldadas entre sí que unen estas vigas. La superficie o manto normalmente se denomina casing.
Protege el casing del calor proveniente desde el interior, una cubierta de material aislante adosada a él con la ayuda de pequeñas mallas o clips de acero inoxidable. Esta cubierta aislante no debe permitir el paso de gases de combustión hacia el casing, por lo que no debe tener grietas y no debe estar separada o desprendida de él.
Una capa de pintura de aluminio, aplicada sobre una capa de pintura antióxido protege el casing del medio ambiente. Esta pintura soporta hasta 250ºC.
Las partes más calientes del casing están recubiertas con una pintura de aluminio con silicona, que soporta hasta 500ºC.
Tanto en el diseño como en la operación de los Hornos, se tiene siempre presente la tendencia del crudo, o de sus productos, a descomponerse formando coque que se deposita en las paredes interiores de los tubos.
Al formarse coque no sólo se dificulta el flujo y por lo tanto, la capacidad del equipo, sino también disminuye enormemente la transmisión del calor, por lo aislante del coque. La temperatura de los tubos aumenta, lo que rápidamente disminuye su resistencia. Por esto se instalan termocuplas de metal, que permiten medir la temperatura de la superficie exterior de los tubos, la cual no debe exceder nunca de ciertos parámetros o valores máximos que dependen de la presión de trabajo y de la naturaleza del metal de los tubos.
Los Hornos modernos se pueden dividir, de acuerdo a su empleo, en tres clases:
A) Hornos en los cuales sólo se desea calentar el material con el objeto de destilarlo, sin que se pretenda producir su descomposición o cracking. En ellos, el efecto destructivo del tiempo de calentamiento, tan importante en el cracking, se trata de reducir al mínimo compatible con la temperatura que es necesario alcanzar. Ejemplo de este tipo de Horno es el de crudo.
B) Aquellos en que, además del calentamiento, se desean una descomposición química de los productos por un elevado nivel térmico. Este tipo se diseña para dar el máximo efecto "temperatura – tiempo" a las altas temperaturas de operación en unidades de cracking de destilados livianos, en las que no se utiliza una cámara de reacción. Se construye de modo que se obtenga una sección de reacción en el Horno mismo, donde se produce muy poco o ningún aumento de temperatura.
C) Los Hornos en que se desea obtener sólo una descomposición parcial del producto, efectuándose el resto en una cámara de reacción, generalmente no calentada exteriormente. Estos Hornos son de diseño y construcción más difíciles, porque se tratan en ellos productos que muchas veces son extraordinariamente sensibles a las variaciones de las condiciones en que se efectúa el cracking. Se construyen para un efecto "temperatura – tiempo" que permita una temperatura de salida que asegure el funcionamiento efectivo de las cámaras de reacción, sin una descomposición excesiva en el Horno y el consiguiente deposito de coque en los tubos.
Fig. Nº2 "Hornos de Petrox". Cualquiera que sea el tipo de Horno empleado, se trata siempre de lograr la máxima absorción de calor compatible con el servicio que se pretende lograr. Desde este punto de vista, entre el gas y el fuel oíl como combustible, es preferible emplear el primero tanto como sea posible, porque las llamas de fuel oíl irradian muy intensamente y tienden, por lo tanto, a causar recalentamientos locales.
TORRES DE REFINACION.
El Proceso de Destilación.
La destilación es un proceso que se usa para separar una mezcla de líquidos en sus componentes individuales. Aunque las mezclas pueden ser de más de dos componentes, en este caso nos referiremos únicamente a la mezcla de dos componentes.
Para hacer una separación por destilación, es fundamental que los componentes de las mezclas tengan puntos de ebullición diferentes. Entre más grande la diferencia entre los puntos de ebullición, más puro los productos de la destilación.
La figura Nº3, es un diagrama de la temperatura y composición para mezclas de benceno y tolueno. La línea inferior se llama línea del liquido. Es una gráfica de la temperatura a la cual hierven varias mezclas de benceno y tolueno. Hay que notar en la línea que el tolueno puro hierve a 110,4ºC y el benceno puro a 80ºC. Las mezclas de benceno y tolueno hierven a temperaturas intermedias entre estos dos puntos. El punto de ebullición varía según la composición y aumenta cuando el porcentaje de tolueno es mayor en la mezcla.
La línea superior se llama línea de vapor y es una gráfica de las temperaturas mínimas en que la mezcla de tolueno y benceno pueden permanecer como vapor. Si una composición en estado gaseoso se enfría a una temperatura más baja que su punto correspondiente en la línea de vapor, la mezcla comienza a condensarse. Los puntos de condensación del tolueno y el benceno puros son los mismos puntos de ebullición. Pero los puntos de condensación para las mezclas de ambos están también situados entre los puntos de condensación del benceno y tolueno puro y aumentan en valor con el aumento de porcentaje de tolueno en el vapor. Se debe notar que la temperatura en la cual cualquier mezcla hierve es más baja que la temperatura a la cual principia a condensarse.
Cuando una mezcla de benceno y tolueno hierve, el vapor que se forma tiene una composición diferente (porcentaje de ambos) que la mezcla que lo formó. El vapor que se forma siempre tiene una concentración más alta del componente más volátil (benceno) que el liquido que está hirviendo.
Una mezcla de 30% de benceno y 70% de tolueno representada por "X", figura Nº3, hierve a 98,4ºC. Esto se determina trazando una línea vertical desde X para interceptar la línea del liquido (A) y luego trazando una línea horizontal a la escala de la temperatura hasta obtener la intersección "T". El vapor que sale inicialmente de este liquido cuando empieza a hervir tendrá una composición de 51% de benceno y 49% de tolueno, representada por el punto X1. Esta composición se determina continuando la línea horizontal desde T hasta A hasta interceptar la línea de vapor en A1 y luego verticalmente a X1. El vapor entonces, es mucho más rico en el componente más volátil, benceno, que en el liquido.
Si el liquido de composición X1 se calienta hasta 92ºC, comienza a hervir. El punto de ebullición se determina trazando una línea vertical de X1 a la línea de liquido, al punto "B" y luego horizontalmente a la escala de temperatura T1. El vapor que sale inicialmente de este liquido cuando comience a hervir tendrá una composición de 72% de benceno y 28% de tolueno. Esto se determina continuando la línea horizontal de T1 a B, hasta B1 en la línea de vapor y luego verticalmente hasta X2.
Repitiendo este proceso se llega al punto en que el resultado es benceno puro. En cada caso, solamente una porción pequeña del vapor producido se saca hacia el paso siguiente, pues como el vapor que sale inicialmente es rico en benceno, deja un liquido que es rico en tolueno que a su vez produce un vapor más rico en tolueno que el vapor inicial. Si todo el liquido se evapora, el vapor tendrá la composición original del liquido.
La figura Nº4 es una serie de calderines con conexiones para el liquido y el vapor. Supongamos que el calderín "A" contiene una mezcla de tolueno y benceno de composición "X" en la figura Nº3; el calderín "B", un liquido de composición X1; el calderín "C" un liquido de composición X2; etc. Si el calderín A se calienta y el liquido hierve a una temperatura "T", el vapor que va al calderín B tendrá la misma composición que el liquido en B. El vapor que entra al calderín B se mezcla con el liquido y se produce un intercambio de calor, produciendo un vapor de composición X2. Este vapor se mezcla con el liquido de la misma composición en el calderín C y es más rico en benceno que el vapor que entra al calderín B.
El liquido en B se seguiría enriqueciendo en tolueno sucesivamente, si no fuera porque el liquido con alto porcentaje de benceno le está entrando continuamente de calderín C. El liquido en el calderín B se mantiene a una composición constante, como en los otros calderines. Con suficientes calderines conectados en serie es posible obtener benceno puro en el calderín más alto y tolueno puro en el calderín más bajo. Esta es la manera en la cual están construidas las Torres de destilación.
Funcionamiento de una Torre Refinadora.
La torre de refinación o destilación, es un tubo vertical que contiene una serie de platos o bandejas cuyo propósito es mezclar el liquido y el vapor de una manera similar a la descrita con los calderines.
La figura Nº5 y Nº5.1, muestra las partes esenciales de una Torre de destilación. La alimentación entra continuamente sobre una de las bandejas intermedias, llamada bandeja o plato de alimentación. El vapor que sale por la cúspide de la columna se condensa totalmente, desviándose una parte como reflujo y la otra se extrae continuamente como producto destilado. También, de modo continuo, sale del fondo del hervidor una fracción empobrecida en el componente volátil y rica en el componente de baja volatilidad. Las bandejas retienen una cantidad determinada de liquido. Continuamente llega a cada uno una corriente de liquido procedente del superior y otra de vapor que viene del inferior. Al mezclarse el vapor con el liquido éste hierve, con formación de un liquido y vapor en equilibrio. El vapor asciende a la bandeja superior y el liquido desciende a la inferior.
A lo largo de la columna hay una variación continua de la concentración de la mezcla. El vapor se concentra en el componente más volátil a medida que asciende y el liquido se concentra en el menos volátil al descender.
Los vapores que salen por la parte superior de la Torre de refinación se condensan y luego pasan a una bomba que se llama la bomba de reflujo. El líquido en la descarga de la bomba se divide en dos flujos, uno que es el destilado, el cual se remueve continuamente de la Torre y el otro que se llama el reflujo y que retorna de nuevo al extremo superior de la Torre. La cantidad de reflujo dividida por la cantidad de destilado por unidad de tiempo, se llama comúnmente "la relación de reflujo".
Toda separación por destilación tiene una relación de reflujo mínima por debajo de la cual es imposible refinar los componentes de la mezcla, aunque la Torre tenga un número muy grande de bandejas.
Un aumento en la relación de reflujo resulta en un aumento en la cantidad de vapor que se usa en el hervidor, agua en el condensador y diámetro de la Torre para obtener la misma cantidad de producto.
La disminución de la relación de reflujo resulta en un aumento en el numero de bandejas para efectuar la separación, o sea en una Torre mucho más alta y mas costosa. Estas dos condiciones se balancean y se obtiene lo que se llama "reflujo óptimo", con el cual el costo de la producción del producto requerido es mínimo. Esto fija el numero de bandejas en la Torre y la relación de reflujo a la que hay que operarla. Unas bandejas o platos extras en la Torre se agregan para asegurar una buena separación y para compensar por cambios bruscos en la operación de la Torre.
Fig. Nº5 "componentes generales de una Torre Atmosférica"
Fig. Nº5.1 "componentes generales de una Torre al Vacío"
Tipos de Torres de Refinación.
Hay dos tipos de Torres de refinación que se usan en la industria, la Torre de relleno y la Torre de bandejas o platos. La primera es la más simple de las dos y no corresponde a las Torres analizadas.
A) Torres de Relleno.
La Torre de relleno es meramente un cilindro hueco que se llena con unas piezas de tamaños uniformes que se llaman empaque. El tipo de empaque más común es el anillo de Raschig que es un cilindro hueco de paredes delgadas que se hace generalmente de porcelana.
El líquido sale por el fondo de la Torre y pasa al hervidor donde es calentado y evaporado. Los vapores del hervidor entran a la Torre debajo del espacio lleno de empaque y sube por entre el empaque hacia la parte superior de la Torre.
El líquido que se va a separar entra a la Torre por un lado en la parte alta de ésta, cayendo dentro de un distribuidor, el distribuidor tiene una cantidad de tubos huecos cortados en sesgo.
Este tipo de Torres, tiene como ventajas, que es muy simple de construir y su costo inicial es bajo. Se pueden fabricar de material que resisten la corrosión así que se pueden utilizar para separar mezclas corrosivas. Es ideal para el trabajo en laboratorios y de plantas pilotos.
Sin embargo, posee desventajas como si se aumenta el diámetro y la altura de la torre, su eficiencia disminuye. Por esta razón no se usan para refinar grandes cantidades de líquidos. El máximo diámetro de estas Torres es de 30 pulgadas.
B) Torre de Bandejas.
La construcción de una Torre de bandejas típica se muestra en la figura Nº6.
Los varios tipos de Torres de bandejas difieren principalmente en el tipo de bandeja o plato que se usa dentro de ellas. Las Torres con "copa de destilación" son las más comunes en la industria. Cuando están bien diseñadas trabajan bien, son eficientes y tienen la ventaja de que se pueden operar en un rango bastante amplio de capacidad.
Otro tipo de Torre que tiene platos menos complicados que los de copas de destilación son la de "platos perforados". Estos platos son hechos de una lamina de acero cortada para encajar dentro de la Torre y perforados de una cierta manera con huecos hasta de ½ pulgada de diámetro. Su funcionamiento es inconstante cuando se reduce el flujo de vapor por los huecos, por debajo de cierta cantidad. Si el flujo se reduce todavía más, el resultado es que una gran proporción del reflujo pasa derecho por los huecos y el plato pierde su efectividad. Esta es su principal desventaja.
Las Torres de platos perforados, sin embargo, tienen varias ventajas. Son más baratas de construir que las Torres de copas de destilación y son más eficientes que éstas bajo condiciones similares de operación con la misma distancia entre platos. La Torre de platos perforados es especialmente efectiva en los casos que hay que manejar altos volúmenes de líquido (alta relación de reflujo), pues no tienen las copas de destilación que ofrecen resistencia al flujo cruzado del liquido en el plato que resulta en una acumulación de líquido en la bandeja. Se usa mucho cuando se requiere una baja retención de líquido en la Torre, una baja resistencia al flujo de vapor por las bandejas y una alta eficiencia, tal como en la destilación bajo vacío. Estas características hacen la Torre de platos perforados ideal para manejar líquidos que tienen la tendencia a descomponerse cuando están expuestos al calor por largo tiempo.
Este tipo de Torres se pueden construir para que funcionen satisfactoriamente en los tamaños grandes donde las Torres de relleno son muy ineficientes.
Otro tipo de bandeja que son popular es la de válvulas de balastro, la cual se muestra en la figura Nº7. Sus ventajas principales son:
i) Una eficiencia máxima a baja carga, lo que resulta en una mínima cantidad de material fuera de grado producido durante el arranque de la Torre.
ii) Alta eficiencia cuando funciona a una carga máxima cerca del punto de inundación.
iii) Alta eficiencia a cargas medianas.
iv) La combinación de baja perdida de presión a través de ellas y u alta eficiencia en los sistemas de vacío resulta en una perdida de presión muy baja en estas Torres.
v) Debido a su diseño, la parte movible no se adhiere fácilmente a la parte estacionaria y por lo tanto no hay problema de que se peguen y se queden cerradas. Por esto son recomendadas en usos donde el líquido que está siendo destilado no es muy limpio.
Fig. Nº7 "Bandeja o Plato de Destilación con Válvulas Tipo Ballastro, Represa y Bajante"
CAPITULO III
COMPONENTES DE LOS HORNOS.
A) CASING.
También llamado manto o superficie exterior del Horno, está constituido por planchas de acero al carbono, por lo general ASTM A-238 de ¼" (6,35 mm) de espesor y están protegidas del medio ambiente por capas de pintura de aluminio con silicona, sin aplicación de antióxido, que soporta hasta 500ºC. También son componentes del Casing las mirillas de observación y puertas de inspección que facilitan la entrada del personal al interior del Horno.
B) GUIAS Y SOPORTES.
Las guías y soportes, varían su diseño y material de fabricación, dependiendo éstos del tipo del Horno y al medio a que están expuestos durante su operación. Estos por lo general van unidos al Casing. Su función principal es evitar desplazamientos laterales por vibraciones producidas por el paso del crudo a través del interior de los tubos. Tienen un largo de 380 mm y un diámetro de 40mm. Son de acero refractario A297 Gr HT. Sus propiedades mecánicas son:
Tracción = 70.000 psi mínimo.
Pto. Fluencia = 40.000 psi mínimo.
Alargamiento = 10 % en 2".
Dureza = 180 BHN hasta 200 BHN con tratamiento.
C) CAPA AISLANTE Y REFRACTARIOS.
Los hornos están recubiertos en su parte interior por una capa aislante, que tiene como función evitar la pérdida de calor hacia el ambiente, y proteger el casing tanto de la alta temperatura como de la corrosión que generan los gases de combustión al enfriarse.
En general, la aislación de un Horno está constituida por una capa de pasta antiácido adherida al casing, una capa de lana mineral y sobre ésta, una pared de ladrillos de arcilla. Estos ladrillos van sujetos al casing por medio de ganchos y están unidos entre sí por una pasta de mortero aislante especial, que a su vez se utiliza en una capa superficial que cubre la pared de ladrillos. En la zona de los techos y de las chimeneas, las capas son remplazadas por concreto refractario o por concreto aislante, que va adosados al casing por un sistema diferente de soportación.
La humedad que permanece aún después de fraguado el Horno, es eliminada subiendo lentamente la temperatura, evitando que se endurezca solo la parte superficial de la pared más cercana a la fuente de calor, lo que impediría el paso de vapores a través de ella, presionando el ladrillo o el concreto que, al romperse, desprenderse o agrietarse, permitiría el paso de los gases de combustión, produciendo calentamiento locales en el casing. En la actualidad, la pared de ladrillos aislante está siendo reemplazada por seis capas de lana cerámica de diferente densidad, que soportan temperaturas hasta de 3200ºF (1760ºC) y que están sujetas al casing mediante clips metálicos, cuyas temperaturas de trabajo oscilan entre 2000º y 2600ºF (1093º y 1427ºC).
Este sistema permite una mayor temperatura de trabajo y su instalación es más simple y rápida.
En cuanto a los pisos de los Hornos, están además recubiertos por una capa de ladrillos refractarios y de este mismo material son los conos de radiación de los quemadores.
En la zona de convección existen algunas corridas de ladrillo sobresalientes de la pared, que sirven para guiar el paso de los gases de combustión.
D) TUBOS.
Los tubos de los Hornos son fabricados de acero al carbono o de aleaciones de acero con cromo o molibdeno. En las secciones de convección se utilizan de preferencia los primeros, pero en las secciones de radiación son de aceros especiales, dado que el acero al carbono no resiste temperaturas próximas al rojo vivo (600ºC) si que se produzca una reducción de su resistencia. Por otra parte, los aceros especiales son resistentes a la corrosión, especialmente los aceros al cromo que, con la adición de un pequeño porcentaje de molibdeno, pueden soportar temperaturas muy altas sin pérdidas de sus propiedades mecánicas.
Los tubos son los portadores de la carga al horno, la que viene de otras fuentes de calor que han aumentado su temperatura hasta cierto punto, para salir desde el Horno a la temperatura requerida.
Los tubos de la zona de radiación absorben calor como rayos de energía, pasando en línea directa desde la llama; en la pantalla o techo de radiación reciben calor por radiación y por convección, en tanto que en la zona de convección absorben calor, en su mayor parte, de los gases de combustión calientes que fluyen desde la caja de fuego hacia la chimenea.
La resistencia mecánica del metal de los tubos se reduce violentamente al exponer a los tubos a temperaturas extraordinariamente altas. De ahí que se fijen temperaturas máximas de metales en las operación de los Hornos y que sea de tanta importancia el control de las llamas de los quemadores para evitar calentamientos locales por choque de aquellas en los tubos. Estas altas temperaturas, junto con afectar al material de los tubos, producen la formación de coque en su interior impidiendo una eficiente transmisión de calor, con la consecuente pérdida de carga en el flujo y una mayor temperatura en el hogar, dada la condición aislante del coque.
Los tubos en los Hornos horizontales están conectados en los extremos por medio de codos de retorno de 180º soldados y desmontables, denominados cabezales, los cuales posibilitan su inspección; estos se han ido modificando en sus diseños, siendo de cabezales no desmontables, soldados a los tubos en los extremos, al igual que en los Hornos verticales.
En aquellos Hornos que poseen zona de convección, los tubos de esta zona están provistos de aletas, con el fin de conseguir una superficie mayor de absorción de calor. Aplicada adecuadamente, esta superficie aumenta en forma considerable la transferencia de calor y es muy conveniente si la metalurgia de la aleta es la adecuada para el nivel de temperatura que debe soportar.
Se estima que el espaciamiento ideal entre aletas es una distancia igual a la altura de éstas, adoptando una configuración tal que posibilite un fácil acceso del gas caliente a su superficie. Este mejoramiento de la transferencia de calor se debe además a otro factor, asociado más bien a la radiación que a la convección. Los extremos esteriores de las aletas entregan su calor al tubo por conducción, lo que requiere que la parte de la aleta más distante del tubo esté a una temperatura mayor que la superficie a la cual está unida. En esta condición se produce radiación desde el extremo de la aleta a la superficie del tubo en considerable cantidad, a pesar de la diferencia de temperatura relativamente pequeña. Si las aletas están más espaciadas, hay menos potencial de radiación porque el área para la recepción de la energía radiante está restringida por el efecto de la sombra originada por las aletas.
Tabla Nº2 "Dimensionamiento de los Tubos"
El excesivo espaciamiento entre aletas impide, por otra parte, que éstas cumplan plenamente su objetivo. Al estar demasiado espaciadas tienden a formar sus propias áreas de turbulencia que estimulan el entrampamiento del material mineral aislante proveniente del quemado del combustible. Por el contrario, cuando están demasiado juntas no se produce esta deposición de sólidos entre ellas porque se origina una restricción del flujo de gases calientes a través de los espacios que separan una de otra, pero no absorben la cantidad de calor de diseño y en consecuencia, no constituyen una adecuada fuente de recuperación de calor de los gases.
E) TERMOCUPLAS.
Las termocuplas van soldadas a las paredes de los tubos, para poder controlar la temperatura del metal de los tubos, evitando que se exceda la temperatura máxima permisible. La termocupla esta constituida por dos alambres de diferente metal, unidos en un extremo. Debido a las diferencias de temperatura, un material se carga positivamente y el otro negativamente, generándose de este modo un voltaje. Este varía de acuerdo con las variaciones de temperatura de la junta, por lo cual un aumento en el voltaje es indicación de un aumento de temperatura del metal del tubo; estos aumentos son captados y almacenados por un computador, siendo de vital importancia esta información, para así poder detectar cualquier aumento de temperatura superior a lo normal.
F) QUEMADORES.
Un quemador es un dispositivo construido en metal refractario que acepta cantidades especificas de aire y combustible, mezclándolos en la forma más homogénea posible, para permitir el quemado de este combustible mediante procesos químicos exotérmicos estables.
El quemador es la principal fuente de energía para establecer condiciones satisfactorias del movimiento de los gases en un Horno. Además de suministrar energía inercial para este movimiento, el quemador debe también ser capaz de entregar una satisfactoria difusión del calor a los gases, sin dañar los tubos o las áreas de transferencia de calor. Su función es dar calor al producto que fluye por los tubos, en forma uniforme, a fin de obtener un perfil estable de temperatura. Debe poseer capacidad para dispersar el calor a la atmósfera gaseosa del Horno; es la capacidad relativa para dispersar este calor, lo que decide el uso de un determinado quemador para un Horno específico. Ningún elemento en el diseño básico del Horno es más importante que la elección de quemadores adecuados para el servicio que se va a realizar con el combustible disponible.
Con respecto a la ubicación de los quemadores, es posible que en la mayoría de los casos, es más económico instalar quemadores laterales, porque no es necesario incurrir en gastos para levantar el Horno con el fin de proporcionar más espacio. Sin embargo, cuando los quemadores están en la pared, la primera reducción de costo se obtiene a expensas de un menor rendimiento. Con iguales condiciones limitantes, la combustión en un Horno es de un 25% más activa con quemadores en el piso. esto se debe a:
Mejor uso de volumen de combustión.
Mejor distribución de calor.
Mejor control del calor y una combustión más uniforme en todas las áreas de los tubos.
Por otra parte, en cualquier sistema de combustión, la operación será más eficiente cuando se usa una cantidad relativamente grande de quemadores pequeños, en lugar de lo contrario. La capacidad de los quemadores para dispersar el calor a la atmósfera del Horno, será proporcional a la cantidad de quemadores utilizados.
La combustión se produce cuando el combustible es mezclado con el aire y es encendido. Las partes de admisión de aire en el quemador pueden ser; un registro de aire para el aire secundario, una puerta controlable que lo provee de aire primario o medios regulables para la entrada de aire terciario.
En la industria del petróleo se usan principalmente dos tipos de quemadores, estos son:
Quemadores de Fuel Gas.
Quemadores combinados de Fuel Oíl y Fuel Gas.
En la actualidad, se ha incorporado como mejora en los combustibles para los quemadores, casi en un 100 por ciento, el gas natural, con buenos resultados en los deterioros de estos mismos. Todos los quemadores disponen de un piloto de Fuel gas, que tiene por función mantener una llama constante a la salida del combustible del quemador para que, ante un eventual corte de combustible, pueda ser reencendido inmediatamente y no se acumule aquel en la cámara de combustión, produciendo una mezcla explosiva en ella. Los quemadores se encienden una vez que ha sido encendido su piloto.
COMPONENTES DE LAS TORRES.
A) EL EVAPORADOR.
La función del evaporador es evaporar el líquido que se quiere destilar y de esta manera suministrar vapor y calor al fondo de la torre, los cuales se necesitan para efectuar la separación. El evaporador puede estar en el fondo de la torre o puede ser un equipo diferente de la torre, el cual está conectado a la parte baja de la torre por medio de una línea para líquido y una línea para vapores.
Este último arreglo es el más común en la industria. Al evaporador se le llama calderín en una torre de destilación continua.
B) LA TORRE.
La torre es el equipo en el cual se separan los componentes de la mezcla de líquidos. Las torres pueden ser de dos tipos: de bandejas y de relleno. La torre de bandejas tiene una serie de platos, colocados uno sobre otro a iguales distancias. La torre de relleno está llena de unas piezas pequeñas de metal, de cerámica o de plástico que se llaman empaque. Dentro de la torre siempre existe una diferencia de temperatura entre la parte alta y la parte baja, ésta última siendo la más caliente. Por ésta razón, los vapores menos volátiles se condensan al subir por la torre y retornan de nuevo al fondo de la torre mientras que los vapores más volátiles (los que ebullen a la temperatura más baja) suben por la torre y salen por la parte alta por la línea de vapor.
Las substancias más volátiles que salen por lo alto de la torre se llaman los "topes de destilación", o el "material ligero" y las substancias menos volátiles que ebullen a una temperatura más alta de la torre se les llaman "fondos".
C) EL CONDENSADOR Y EL ACUMULADOR.
El condensador es la tercera pieza en la torre de destilación. Su función es enfriar y condensar los vapores que salen de la parte alta de la torre. El líquido luego fluye al "acumulador de reflujo" que es un tanque donde se colecta el condensado para luego alimentarlo a la bomba de reflujo. Esta divide el condensado en dos partes, una que retorna a la parte alta de la torre para que baje por dentro de ésta y condense las substancias menos volátiles y la otra que es el producto, al que se le llama "destilado".
D) COLECTOR O BANDEJAS CHIMENEAS.
Es un colector que utiliza toda la sección de la torre y que permite el paso del vapor que asciende, mediante elevadores o raiser. Se utilizan cuando se desea contaminación mínima en el producto de fondo.
Comparadas con downcomer trapout, las bandejas chimenea proveen tiempo de residencia adicional y una mejor separación de líquido / vapor y eliminan el problema de goteo de los arreglos con downcomer trapout.
E) MANHOLES.
La entrada hacia el interior de una torre de destilación es vía Manhole. Estos son colocados en la columna, en forma tal, que cada uno sirve de 10 a 20 bandejas. Los diámetros recomendables de Manhole varían entre 16 a 24 plg.
Cada vez que sea posible, deben orientarse en la misma dirección todos los Manhole. También es preferible que todos los Manhole enfrenten el sistema de acceso principal hacia la columna. Los Manhole alineados ocuparán un segmento del total de la circunferencia de la torre, el cual no debe ser ocupado por ninguna corrida de cañerías.
CAPITULO IV
Condiciones causantes de deterioro o falla
ASPECTOS GENERALES
Prácticamente todos los equipos de una refinería sufren deterioro como resultado de las condiciones a que se ven expuestos.
Bajo condiciones normales este deterioro es usual, pero no siempre gradual. Esto generalmente ocurre como perdida de metal y ocasionalmente como cambios estructurales o químicos en el metal que resultan sin perdida de material. Cuando el equipo está sometido a condiciones anormales el deterioro puede ser mucho más rápido. Las condiciones anormales pueden resultar de operaciones mal efectuadas, causadas por ejemplo, por fallas de instrumentos, agua en lugares que están normalmente secos y puede ser el resultado de incendios, terremotos o vientos muy fuertes.
Los equipos nuevos y materiales comprados para ser usados en una refinería son generalmente de acuerdo a especificaciones. Estas especificaciones tienen en cuenta las condiciones a las cuales los equipos operarán y son normalmente basadas en códigos y estándares aceptados y reconocidos.
Los equipos nuevos también son fabricados por la propia refinería o contratistas. El diseño y fabricación de esos equipos están, como regla, también basados en códigos y estándares ya aceptados.
Siendo la primera función de cualquier inspector, asegurarse que el equipo está libre para operar, es de la mayor importancia reconocer y estudiar las causa de las fallas. Los materiales nuevos y equipos comprados o fabricados en la refinería deben ser inspeccionados para determinar si cumplen o no con las (estándares) especificaciones y si no lo están deben ser rechazados o aceptados según criterio del inspector. Los equipos en operación deben también ser inspeccionados periódicamente para establecer una medida proporcional del desgaste del metal, ya que esa variación determinará la frecuencia de las inspecciones y la predicción de la vida útil del equipo. Cuando el deterioro no va acompañado por pérdida del metal, ésta frecuentemente se muestra como una grieta difícil de reparar con soldadura. En estos casos un examen metalúrgico se requiere para determinar la causa exacta. Para desarrollar un plan de inspección para equipos que operan a elevadas temperaturas (generalmente en el rango de 750º-1000ºF (400º – 540ºC), dependiendo de las condiciones de operación y aleación), debe ser considerado lo siguiente para evaluar la vida útil restante:
a. Deformación por desprendimiento y ruptura por tensión. b. El crecimiento de la fisura por el desprendimiento. c. El efecto del hidrógeno en el desprendimiento. d. La interacción del desprendimiento y la fatiga. e. Los posibles efectos metalúrgicos, incluso una reducción en la ductilidad.
Contaminantes en los fluidos manejados en los equipos de presión, como el azufre, el cloro, el ácido sulfúrico, hidrógeno, carbono, cianuros, ácidos, agua, u otras especies corrosivas pueden reaccionar con los metales y causar la corrosión. Son comunes, fluctuaciones de tensión significativas o cambios de ellas en las partes de los equipos, particularmente en los puntos de alta tensión secundaria. Si las tensiones son altas y los cambios de estas son frecuentes, puede ocurrir la falla de partes debido a la fatiga. Las fallas por fatiga en los equipos de presión también pueden ocurrir debido a las temperaturas cíclicas y los cambios de presión. En situaciones dónde se sueldan metales con coeficientes térmicos de expansión diferentes, pueden ambos resultar ser susceptibles a la fatiga térmica y algunas veces las grietas se inician cuando el equipo está parado y a temperatura ambiente. En algunas operaciones se presentan múltiples condiciones causantes de deterioro, como la corrosión y la erosión. Cuando esto ocurre, la pérdida del espesor del metal es bastante más elevada que comparándolas en forma separada corrosión y erosión, en general la pérdida de metal tiene su tiempo. Puntuales informes de dichas pérdidas (desgastes) son muy relevantes para los cálculos de la vida útil de los equipos. La perdida de metal, por otra parte, no siempre es constante, pero está en función de ciertas variables como sal y sulfuro que contiene el petróleo crudo y las temperaturas de operación. Es esencial, por lo tanto, que el inspector esté siempre atento día a día de la operación de los equipos y así, él mantener sus informes a intervalos frecuentes.
Cuando un equipo es sometido a temperaturas más altas de las que fue diseñado, a menudo ocurren distorsiones y debido a que los metales se hace blandos a altas temperaturas, esas distorsiones pueden resultar en una falla en particular en los puntos de concentración de esfuerzos. Si la temperatura llega a ser excesiva, también pueden ocurrir en los metales cambios químicos y estructurales y llegar a ser un equipo debilitado. Dichos cambios a menudo ocurren como resultado de un incendio y cualquier equipo que ha sido expuesto al fuego debe considerarse debilitado.
A temperatura de congelamiento, el agua y algunos químicos manejados en los equipos pueden congelarse, causando roturas en cañerías y estanques. Este incidente es muy común en refinerías del norte de USA y Canadá. Presiones excesivas rara vez contribuyen a la falla de un equipo bajo condiciones normales, porque casi siempre están protegidos por válvulas de seguridad. Fallas bajo estas condiciones pueden, por supuesto, ocurrir ante la presencia de una perdida excesiva de metal o grietas y ranuras que originan debilitamientos no detectados.
La mayoría de las fallas en los equipos por sobre presión ha sido por excesivas temperaturas del metal, llevadas a condiciones anormales. Incendios por ejemplo, en estos casos, aunque tengan válvula de seguridad, el metal puede llegar a ser tan débil que la falla ocurre a presiones bajo la abertura de la válvula de seguridad. La sobrecarga de los equipos es un problema de inspección poco frecuente.
CORROSIÓN
Es la destrucción o alteración gradual de un metal o aleación y de sus propiedades mecánicas causado por un ataque químico directo o por una reacción electroquímica.
Tipo, grado y velocidad de la corrosión dependen de las características de los fluidos cargados en los equipos. En este caso, es "crudo" que se hace circular por los serpentines de los hornos para calentarlo y enviarlo posteriormente a las torres de destilación.
Un porcentaje de la carga está formado por los ya denominados contaminantes, azufre, cloro, material sólido, etc. La cantidad de estos ácidos presentes determinan el grado y tipo de corrosión que tendrán los metales.
Es particularmente notoria la corrosión por el interior de los tubos en las partes en que se unen los tubos con los fittings. Esta corrosión es llamada "corrosión galvánica". Este tipo de ataque ocurre cuando dos metales distintos están en contacto en presencia de un medio electrolítico. La tendencia de los metales a corroerse dependerá de sus diferencias de potencial, que es la fuerza que impulsa la reacción de corrosión. Además, mientras mayor sea la conductividad del medio, mayor será la corrosión.
El mayor desgaste de los metales en este tipo de zonas se debe también a la erosión producida por la discontinuidad de pared en estos sectores. (la pared no es lisa).
Otros tipos de corrosión son las llamadas "corrosión por agrietamiento" y "corrosión por fatiga".
La corrosión por agrietamiento se define como el agrietamiento o fisura del material bajo los efectos combinados de los esfuerzos (estáticos), a los cuales están sometidos los elementos, y de la corrosión. Este tipo de corrosión no se percibe a simple vista.
En la corrosión por fatiga, el material se agrieta bajo la acción combinada de la corrosión y de los esfuerzos cíclicos.
Por otro lado, los combustibles quemados en los hornos para calentar la carga, son una mezcla de fuel oil y fuel gas. Cuando este combustible tiene un alto contenido de azufre, uno de los productos de combustión formados y depositados en las superficies exteriores de los tubos y en la pared interior del casing, es el sulfato de azufre. El sulfato es inofensivo durante los periodos de operación, pero cuando estos depósitos se dejan enfriar éste se torna altamente higroscópico y absorbe humedad del ambiente, produciéndose ácido sulfúrico que ataca todo metal con el cual toma contacto.
Esto es particularmente grave en las paredes de las cubiertas metálicas interiores de los equipos, las cuales se encuentran mas frías que el resto del equipo, depositándose el H2SO4 provocando graves daños por corrosión. Esta corrosión es altamente localizada, por puntos (pitting). Este tipo de corrosión es muy destructivo ya que con una mínima perdida de material se pueden producir agujeros por los cuales se producirán escapes o infiltraciones de productos no deseados. Favorece este tipo de ataque, lugares en donde se puede depositar y acumular el ácido (hendiduras, recovecos, etc.). La única manera segura de detectar éste tipo de corrosión es mediante inspección visual y con radiografías, e incluso para asegurarse, las superficies inspeccionadas deben estar limpias.
Cuando el combustible tiene un alto contenido de vanadio, los metales con temperaturas en el rango de 1200ºF – 1400ºF, están expuestos a un rápido ataque del pentóxido de vanadio (V2O5). El V2O5 se deposita sobre las superficies de metal caliente y causa fundiciones y derretimientos. Después que cierta cantidad se ha acumulado, esta se cae y el ciclo vuelve a comenzar.
Los daños provocados por V2O5 pueden resumirse en el siguiente listado:
Grave daño metalúrgico cuando aumenta la temperatura.
Daño del refractario, en los hornos, por formación de una capa de eutécticos en la superficie que, con la temperatura critica, puede destruirlo.
Como el V2O5 es el catalizador principal para la conversión del anhídrido sulfuroso, SO2, en anhídrido sulfúrico, SO3, aumenta en gran medida la presión parcial del SO3 en los gases del horno, acelerando la corrosión por el azufre.
A través del análisis químico, independiente de su sofisticación, no se puede predecir cuantitativamente el grado de corrosión sin relacionarlos con los rangos de corrosión obtenidos en la refinería misma y la experiencia de los operadores. Con estos parámetros se podrían anticipar valores de corrosión. También los metales sufren de "corrosión intergranular". En esta corrosión, el ataque se concentra en los bordes de los limites de grano, extendiéndose a través de ellos hasta inutilizar el material afectado, sin que haya una corrosión general apreciable.
Los materiales más frecuentemente afectados son los aceros inoxidables austeníticos, las aleaciones de alto contenido de níquel y aleaciones de aluminio. En el caso de los aceros inoxidables austeníticos, parte del cromo se combina con el carbono para formar carburo de cromo, el cual es precipitado en los bordes de grano cuando la aleación se calienta o se enfría en el rango de 427ºC a 818ºC. La velocidad y grado de formación del carburo de cromo están en función del tiempo, temperatura y contenido de carbono.
Corrosión Tipo Herrumbre
La velocidad del flujo a través de los serpentines del horno o si se producen choques o golpes de fluido debido a los cambios de dirección, pueden causar erosión en los tubos y fittings, produciéndose lo que se denomina herrumbre. Este aumento excesivo en la velocidad puede ocurrir cuando la carga del horno es excesiva.
Actualmente, no existe un monitoreo de velocidades en los serpentines. El fluido debe tener una velocidad tal que el régimen sea turbulento para lograr una optima transferencia de calor y evitar las coquificaciones. A medida que el fluido se va calentando en su paso a través del horno, se van desprendiendo vapores por su ebullición. Este cambio de estado aumenta significativamente el volumen de la sustancia que escurre, con el consiguiente aumento en la rapidez del flujo. La velocidad de entrada varia entre 0.9 y 2 m/s, y la de salida llega a 20 m/s.
Los tubos también sufren erosión por su superficie exterior. Esta es producida por un choque directo de las llamas sobre los tubos y también por el roce mecánico entre los tubos y los soportes de estos. Este roce se debe a las constantes variaciones en las dilataciones de los tubos debido a las variaciones de temperaturas.
La erosión provocada por la humedad ambiental en los ladrillos y concretos ubicados en el exterior del horno pueden provocar que a la larga la humedad atmosférica ingrese al horno provocando agrietamientos, desmoronamientos, etc., en los refractarios y aislación interna, además que aumenta la formación de ácido sulfúrico, sobre todo cuando el horno se encuentra detenido por alguna razón.
Corrosión Bajo El Aislamiento
Las inspecciones exteriores de los sistemas de tuberías aislados deben incluir una revisión de la totalidad del conjunto como sistema de aislamiento por condiciones que podrían llevar a la corrosión bajo el aislamiento (CUI) y por los continuos signos de CUI (Corrosión Under Insulation). Los orígenes de la humedad pueden abarcar la lluvia, filtraciones de agua, condensación, e inundación de los sistemas. Las formas más comunes de CUI están localizadas en la corrosión de aceros al carbono y en la corrosión de cloruro que genera tensión agrietando los aceros inoxidables austeníticos. Aquí se proporcionan las pautas identificando las potenciales áreas de CUI para la inspección. La magnitud de un programa de inspección del CUI puede variar, dependiendo de las situaciones climáticas locales, las zonas marítimas pueden requerir un programa muy activo; considerando que las zonas mediterráneas son más secas y frescas, estas pueden no necesitar un programa muy extenso.
Sistemas de Tuberías Aislados Susceptible a CUI.
Ciertas áreas y tipos de sistemas de tuberías son potencialmente más susceptibles a CUI, incluyendo lo siguiente: a. El Área expuesta a la llovizna del overspray de las torres de refrigeración. b. El Área expuesta a la emisión de escapes de vapores. c. El Área expuesta a la inundación de los sistemas. d. Las Áreas sujetas a los derramamientos del proceso, ingreso de humedad y los vapores o gases ácidos. e. Los sistemas de tubería de acero al Carbono, incluyendo aquéllas aisladas para protección del personal, operando entre 25ºF-250ºF (-4ºC~120ºC). CUI es particularmente agresivo donde se operan a estas temperaturas que causan la condensación frecuente y continua o reevaporación de la humedad atmosférica. f. Los sistemas de tubería de acero al Carbono que normalmente operan en servicio sobre los 250ºF (120ºC) pero están en el servicio intermitentemente. g. Perfiles y uniones que sobresalen de las tuberías aisladas y operan a una temperatura diferente que la temperatura de operación de la línea activa. h. Los sistemas de tuberías de aceros inoxidables austeníticos que operan entre 150ºF-400ºF (65ºC – 204ºC). (Estos sistemas son susceptibles a las grietas de corrosión de cloruro por tensión.) i. Sistemas de tuberías Vibrantes que tienen la tendencia de provocar daño al encamisado de aislamiento proporcionando un camino al ingreso del agua. j. Los sistemas de tuberías del trazado de vapor que puedan experimentar goteras en el trazado, especialmente en las uniones de tubos bajo el aislamiento. k. Los sistemas de tuberías con deterioró en el revestimiento y/o envolturas. – Situaciones Comunes en los Sistemas de Tuberías Susceptibles a CUI. Las áreas de los sistemas de tuberías nombrados en el ítem anterior, pueden tener situaciones específicas dentro de ellos, que lo hacen más susceptible a CUI, incluyendo los siguientes: a. Toda las penetraciones o brechas en los sistemas de encamisado de aislamiento, como: 1. Perfiles (las aberturas, desagües, y otros artículos similares). 2. Soporte de la cañería y otros apoyos. 3. Las válvulas y uniones (superficie con aislamiento irregular). 4. Apernado del pedestal de la cañería. 5. Trazado de vapor que entuba las penetraciones. b. La terminación del aislamiento en los flanges y otros componentes de las cañerías. c. Dañó o perdida del encamisado de aislamiento. d. Las junta del encamisado de aislamiento localizado en la superficie horizontal de la cañería o sobreponer inadecuadamente el selló del encamisado de aislamiento. e. La Terminación del aislamiento en una cañería vertical. f. El calafateo se ha endurecido, se ha separado, o se ha perdido. g. Protuberancias o manchas en el sistema del encamisado de aislamiento o bandas perdidas. (las protuberancias pueden indicar el aumento del efecto de la corrosión.) h. Los puntos bajos en los sistemas de cañerías que tienen una abertura conocida en el sistema de aislamiento, incluyendo los puntos bajos en largos tramos de cañería sin apoyo. i. Flanges de acero con baja aleación de carbono, pernos, y otros componentes bajo el material aislante en los sistemas de cañerías de alta aleación. Zonas dónde se ha tenido que remover los tapones de aislamiento para permitir las dimensiones de espesor de cañería, la cañería aislada debe recibir una atención particular. Estos tapones deben reemplazarse rápidamente y deben ser sellados. Algunos tipos de tapones desmontables están comercialmente disponibles, que permiten la inspección e identificación de puntos de inspección para las referencias futuras.
Falla Por Fatiga De Corrosión
Fatiga por corrosión es el término que se usa para describir el fenómeno de agrietaduras, incluyendo la iniciación y propagación, en materiales bajo las acciones combinadas de fluctuaciones, como fuerzas cíclicas en un ambiente corrosivo. Es reconocido que los daños de fatiga por corrosión, dependen principalmente de la interacción entre cargas metalúrgicas y los parámetros ambientales. Un ambiente agresivo usualmente tiene un efecto nocivo en la vida de los materiales, produciendo daños en ciclos de pocas fuerzas, que los que podrían necesitarse en un ambiente inerte.
Es importante tener presente que la fatiga por corrosión involucra la acción de combinar las fuerzas cíclicas con las reacciones que se producirán durante estos espacios de tiempo, por ejemplo, en superficies de metal desnudos expuestos en un área con fatiga. La fatiga por corrosión no se ve necesariamente comprometida, si las fuerzas cíclicas y las expuestas en ambientes corrosivos son continuas o alternas. En los procesos microscópicos es donde se aprecia el inicio de grietas por fatiga, generada por la presencia de una substancia química agresiva la que produce el crecimiento de las grietas. Aun no se conoce por qué ocurre, pero los datos macroscópicos demuestran estos efectos.
En la fatiga por corrosión la magnitud de la carga cíclica y el número de veces que es aplicada no son solamente los únicos parámetros de carga crítica. El tiempo que depende del efecto del medio son también de gran importancia.
Las grietas de fatiga por corrosión son siempre iniciadas en la superficie, a menos que bajo la superficie se encuentren defectos que actúan como puntos de concentración de fuerzas que facilitan la iniciación de grietas en la superficie. Las características de la superficie varia según la aleación y el ambiente específico. En aceros al carbono las grietas a menudo originan perforaciones hemisféricas que presentan gran cantidad de corrosión. Las grietas son transgranulares y pueden exhibir una pequeña cantidad de grietas similares a un ramaje.
La ayuda del medioambiente en el crecimiento de grietas por fatiga en los metales, es un fenómeno complejo y es influenciada por cargas metalúrgicas y variables ambientales. En una aleación dada, además de los efectos mencionados, la proporción o razón del crecimiento de la grieta pueden cambiar en gran magnitud con las variaciones de los parámetros de carga, tales como carga estática, rangos de intensidad y la forma y frecuencia de la onda de carga.
La vida útil de un equipo o estructura es a menudo determinada por el número de ciclos de carga que se requieren para que la grieta crezca a un tamaño crítico para que ocurra la fractura.
En ambientes no agresivos, la frecuencia cíclica generalmente tiene poco efecto en los comportamientos de la fatiga. Por otro lado, en ambientes agresivos, la carga por fatiga es fuertemente dependiente de la frecuencia. Al observar una dependencia de fatiga por esfuerzos o fatiga de vida por la frecuencia, esta es a menudo considerada como un mecanismo de falla.
El tratamiento térmico que altera la microestructura y la distribución de aleaciones y elementos con impurezas, puede influenciar significativamente el comportamiento de la fatiga por corrosión. Algunas veces el origen de la grieta es relacionado más a una microestructura heterogénea que a una distribución de tensión.
OXIDACIÓN Y DESCASCARAMIENTO
La oxidación y el descascaramiento a los cuales nos referimos ocurren por el exterior de los tubos y puede ser una condición localizada o estar a lo largo de todos los tubos del horno. La oxidación y el descascaramiento es el resultado de un sobrecalentamiento del horno (junto con la suciedad de los tubos debido a los productos de combustión y la presencia de oxígeno), que lleva a un aumento de temperatura de metales a niveles tales que la oxidación ocurre.
El oxido forma una capa o cascara protectora de hematita y magnetita muy dura sobre el tubo y lo protege impidiendo que la oxidación continúe. Variaciones en la temperatura del metal provocan deformaciones del material y hacen que esta cascara se rompa y se desprenda produciéndose un descascaramiento del tubo dejando nuevamente una superficie limpia a la vista en la cual comienza nuevamente el proceso de oxidación. Este descascaramiento continuo produce una disminución del espesor de pared de los tubos.
Ciertos elementos de aleación (Cr, Si, Al), aumentan la resistencia a la oxidación hasta aproximadamente 600ºC y de ahí, a mayores temperaturas se necesitara una aleación con mayor porcentaje de Cr para resistir mejor la oxidación. Los daños producidos por la oxidación exterior de la carcaza del horno, se deben principalmente a las condiciones climáticas y de los gases industriales presentes en el ambiente. En un ambiente húmedo, la oxidación de la superficie es mayor, sobre todo si se encuentra sin pintar.
DEFORMACIONES EN TUBOS
Los tubos se deforman debido a una disminución en su resistencia estructural causado por una desigual temperatura de metales a lo largo del tubo. Los hundimientos y abolladuras se localizan de preferencia a la altura de los soportes.
Esta disminución de la resistencia de los metales por las altas temperaturas y esfuerzos por largos periodos de tiempo pueden causar en los tubos, deformaciones localizadas o creep. La falla por creep puede prevenirse usando valores de esfuerzos basados en las propiedades de los metales a altas temperaturas. El creep se produce cuando hay sobrecalentamiento localizado, aumentando la temperatura del metal sobre un área especifica, en la cual el tubo no puede resistir los esfuerzos por estar sometido a presión.
CAMBIOS MICROESTRUCTURALES
Aceros expuestos a altas temperaturas y cargados por largos periodos de tiempo sufren cambios metalúrgicos. Estos cambios pueden producir efectos tales como carburización, descarburización, crecimientos de granos y agrietamientos por los esfuerzos.
Todos estos fenómenos llevan a una reducción general de las propiedades mecánicas (resistencia al esfuerzo, ductilidad, etc.) que podrían eventualmente llevar a una falla total del material. Algunos materiales, tales como acero con 5% Cr y 0,5% Mo con fósforo y otros elementos sobre 0,015%, pueden ser afectados por endurecimiento por precipitación después de un largo período de tiempo expuestos a altas temperaturas del horno. El resultado son microfisuras por pérdida de ductilidad y capacidad de deformación elástica (el material se fragiliza). Además la presencia de tensiones debido a las variaciones de temperatura junto con la fragilización del material, ayudan al crecimiento de las microfisuras originando grietas macroscópicas que se transforman en roturas. Todo esto sucede cuando los elementos antes nombrados (Cr, Mo, etc.), se precipitan a los limites de grano después de más o menos un año expuestos a temperaturas de 300ºC – 600ºC. Para temperaturas de aproximadamente 150ºC ya se puede encontrar un débil agrietamiento del metal.
La precipitación de carburo se produce en los límites de grano que impiden la fluencia de los granos entre sí, luego, se producen grietas intercristalinas.
El fenómeno de carburización no es muy importante en los hornos de Topping y vacío debido a que los rangos de temperaturas en los que trabajan no son muy altos.
COQUE, CONDICIONES DEL FUEGO Y VELOCIDAD DE LA CARGA.
Algunos tipos de "cargas" tienen la tendencia a descomponerse y producir depósitos de coque o sales en las paredes interiores.
Estos depósitos, aunque no son causa directa del deterioro, pueden tener una gran influencia en la temperatura del metal y pueden por lo tanto, causar deterioro secundario.
La remoción de estos depósitos puede causar erosión. Al formarse coque, no solo se dificulta el flujo y la capacidad del equipo, sino que también disminuye la transmisión de calor, por la condición relativamente aislante del coque, y considerando que se controla una temperatura de salida en cada serpentín (coil), se obtiene una disminución de la eficiencia. Esto se traduce en un aumento del calor aportado al horno y de las temperaturas de metal en las caras expuestas a la radiación. Al aumentar la temperatura de metales, la resistencia de ellos disminuye.
Las temperaturas no deben exceder de ciertos valores máximos que dependen de la presión de trabajo y de la naturaleza del metal de los tubos.
Si la velocidad del fluido por los tubos es muy baja, se puede producir recalentamientos locales y formación de coque.
La temperatura del metal de los tubos puede variar a lo largo de estos y de un tubo a otro dependiendo de la ubicación del tubo dentro del horno.
Una de las causas de esto son las condiciones inadecuadas de fuego del horno, es decir, mal control de la forma y tamaño de las llamas.
Si el control es malo, las llamas podrían estar chocando en los tubos directamente lo cual provoca recalentamientos localizados (con la consiguiente formación de coque), y una rápida oxidación junto con cambios metalúrgicos (microestructurales) y erosión. Cuando debido a las malas condiciones de fuego parte del combustible no se quema en el horno, este puede sufrir su ignición en la chimenea o en el hogar, provocando explosiones las cuales dañan gravemente la mampostería y aislación la cual debe ser inspeccionada a la brevedad.
En hornos cuya carga es superior a 2500 m³, como es el caso de los hornos de Topping y Vacío, el flujo se divide en varios serpentines paralelos para mantener las pérdidas de carga en niveles aceptables. Esta división tiene el inconveniente que si la resistencia al escurrimiento en un ramal es mayor que en otro, la velocidad será menor en aquél. Si la velocidad llega a ser muy baja, se puede producir recalentamientos locales y formación de coque, lo cual aumenta la resistencia al escurrimiento por ese ramal haciendo que la velocidad sea menor agravándose así el problema.
CREEP, SUCIEDAD DEL COMBUSTIBLE Y MALA ATOMIZACIÓN.
El creep o termofluencia, como se explico, es un fenómeno por el cual se produce deformación inelástica en función del tiempo, para tensiones constantes aplicadas en materiales que se encuentran a determinadas temperaturas.
Los tubos y fittings de los serpentines sufren daño por creep dado que por ellos circula el crudo a altas temperaturas y presiones. El creep en los tubos, para cada tipo de material, comienza a ocurrir a determinada temperatura (para cierta presión de operación).
El creep es la causa de la ruptura de tubos después de un largo período de operación. Una presión excesiva puede causar un rápido creep del metal resultando en pandeos, agrietamientos y roturas.
Los pasadores de los soportes de los serpentines se pandean debido al creep al estar sometido a altas temperaturas y a tensión constante.
Las materias minerales que son típicas de los aceites residuales utilizados como combustibles de los hornos, son inherentes de los hidrocarburos. Que no es posible extraerlos a través del desalado del crudo, procedimiento utilizado en la refinería para la eliminación del sodio, calcio, magnesio y sales de hierro, presentes en la soluciones salinas emulsificadas existentes. Al quemar todos estos elementos es lógico que los quemadores se ensucien. A pesar de que se llevan registros de la "suciedad" del combustible en la forma de un porcentaje, este varía tanto en el tiempo, que no se puede predecir el grado de ensuciamiento de los quemadores a través de ese numero.
La mala atomización se produce cuando no son correctos los porcentajes de vapor y combustibles, o cuando el vapor de atomización no tiene la presión y temperaturas necesarias para atomizar el combustible. Esta es una falla del operador del horno y es muy ocasional pero, cuando sucede, ensucia de tal forma el quemador, que este debe ser retirado y limpiado. La mezcla quemada en los hornos, contiene vapor y combustible (fuel oil y fuel gas), los cuales son atomizados al interior del hogar.
ATAQUE POR HIDROGENO.
Es un mecanismo de daño asociado a los aceros al carbono y de baja aleación cuando están expuestos en ambientes con hidrógeno a temperaturas del orden de 220ºC. Con el hidrógeno a mayores presiones y temperaturas aumenta la factibilidad que el hidrógeno atómico penetre en la estructura del metal reaccionando con el carburo de fierro y otros, dando como resultado metano según la siguiente reacción.
2H2+Fe3C?CH4+3Fea A temperaturas sobre los 220ºC comienza la descarburización, desapareciendo la perlita, el hidrógeno ataca al Fe3C (libre + perlita) y a temperaturas menores de 220ºC sólo ataca el Fe3C de la perlita.
El gas metano resultante no se disuelve en el fierro por el contrario, nuclea como burbuja cerca de los carburos, luego en la medida que aumenta la presión interna, se forman huecos y grietas. Los defectos generados reducen la resistencia y ductilidad de los aceros. El ataque por hidrógeno es básicamente una reacción por descarburización, que degrada las propiedades del material a las temperaturas de operación.
El ataque por hidrógeno en los aceros al carbono puede llegar al fisuramiento, en cambio en los aceros aleados con carburos estables de Cromo, Vanadio, Niobio y Molibdeno la susceptibilidad al fisuramiento es menor. El acero 2¼Cr-1Mo sufre descarburización cuando está expuesto a altas temperaturas y presiones de hidrógeno, pero es menos factible que sé fisure.
El ataque por hidrógeno puede ser superficial o en el interior, provocando en ambos casos descarburización. La superficie descarburada se caracteriza por un contenido de carbono menor que debiera ser más dúctil pero, sin embargo, es débil y blando.
La susceptibilidad al ataque por hidrógeno en los aceros ferríticos puede ser estimada con las "curvas de Nelson", las cuales indican la región de temperatura y presión en la cual un acero específico puede sufrir el ataque.
Fig. Nº8 "Curva de Nelson para materiales de Cr-Mo"
La figura Nº8 muestra la curva de Nelson donde se indica los límites de operación para distintos materiales de Cr-Mo.
La línea continua (___) corresponde al límite del ataque por hidrógeno, la línea segmentada (—–) indica el límite de descarburización; (este último fenómeno puede ser importante en piezas que soportan fatiga por cuanto, la descarburización reduce la resistencia a la fatiga, dependiendo de la magnitud de los ciclos).
El daño en los aceros es precedido por un período llamado tiempo de incubación, durante el cual los cambios en las propiedades no son detectados con los ensayos rutinarios. Durante la "incubación" la presión del material aumenta en la cavidad sobrepasando las fuerzas de tensión superficial opuestas, de tal forma que la cavidad puede exceder el tamaño de núcleo crítico y hacerse estable.
Después del tiempo de incubación, la densidad de las burbujas crece rápidamente con el tiempo llegando a la saturación y por ende a la generación de las fisuras.
Los factores que afectan al ataque por hidrógeno se clasifican como:
Variables del medio ambiente (presión, temperatura y esfuerzos).
Variables del material (contenido de aleantes, impurezas, tratamientos térmicos, tamaño de grano, trabajado en frío).
La reacción formada de metano dada por la ecuación general 2H2+C?CH4 es exotérmica, donde la presión de equilibrio del metano crece con la presión de hidrógeno y con la temperatura.
Los esfuerzos causan el deslizamiento de los límites de granos que producen lugares como concentración de esfuerzos que favorecen la nucleación de burbujas de metano.
La presencia de carburos estables de aleantes y microaleantes aumenta la resistencia del acero frente al ataque por hidrógeno que se explica por las siguientes razones.
Disminuye la actividad del carbono a formar metano.
Mayor resistencia de la matriz por presencia de carburos, luego impide el crecimiento de las burbujas de metano.
Se reduce el deslizamiento de límites de grano y por ende se reducen los lugares favorables a la nucleación de las burbujas de metano.
El efecto del tratamiento térmico sobre la susceptibilidad al ataque por hidrógeno se puede resumir en:
La estructura de normalizado y revenido resiste mejor que la estructura de temple y revenido siempre que la temperatura de austenización sea inferior a 1000ºC, lo cual se atribuye al menor tamaño de grano y mejor distribución y naturaleza de los carburos.
Tratamientos térmicos prolongados de postsoldadura favorecen la precipitación y formación de carburos más estables.
La presencia de menores concentraciones de impurezas favorece la resistencia al ataque por hidrógeno puesto que se reducen los lugares de nucleación de defectos, grietas y burbujas de metano.
Daños Generales Por Ataque De Hidrógeno.
El daño por hidrógeno se presenta en todos los equipos fabricados en base a aleaciones ferrosas de microestructura ferrítica pues es la ferrita el microconstituyente más sensible al hidrógeno.
La presencia de hidrógeno en los aceros afecta la resistencia máxima, la ductilidad y la tenacidad. En la figura Nº9 se muestra la variación de las propiedades mecánicas de aceros diferentes, cuando están expuestos a temperaturas y presión de hidrógeno de 30 Mpa durante 360 horas. (15 días) El daño por hidrógeno incluye diferentes fenómenos donde se puede mencionar: La fragilidad, el ataque y el ampollamiento por hidrógeno.
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