Seção de convecção em aquecedores a fogo: projeto, eficiência e manutenção

Depois de três anos em uma unidade de coqueamento retardado, a temperatura de saída dos gases de combustão de um aquecedor acionado passou de 180 °C para 246 °C. Os queimadores foram sintonizados e os tubos radiantes surpreendentes em bom estado, mas o consumo de gás combustível aumentou quase quatro por cento. O problema foi encontrado onde os operadores costumam olhar por último: a seção de convecção. Os tubos com aletas eram cobertos com uma camada dura de sal e cinzas, e um revestimento danificado atrás do feixe permitia que o gás quente da combustão desviasse completamente dos tubos.

A seção de convecção normalmente fornece 25 a 35 por cento do trabalho total do processo de um aquecedor acionado. Quando o seu desempenho diminui, a eficiência cai, os custos de combustível aumentam e a próxima recuperação torna-se mais urgente. Este artigo explica que uma seção de convecção faz, como é projetada, para controlar a eficiência do aquecedor e para verificar antes de comprar um novo pacote.

O que a secção de convecção faz em um aquecedor a fogo

Em um aquecedor cilíndrico vertical, a seção de convecção fica diretamente acima da seção atual. Em um aquecedor tipo cabine, ele fica em uma extremidade da caixa radiante. Ambos os layouts passam o gás de combustão quente através de um banco de tubos horizontais, e o fluido do processo dentro dessas tubos absorve o calor através da parede do tubo. Como o gás de combustão que entra na seção de convecção já está muito abaixo da temperatura da chama, o modo dominante de transferência de calor muda de radiação para convecção forçada.

Superfícies intercaladas são normalmente usadas para compensar o menor coeficiente de transferência de calor no lado do gás. A tabela abaixo compara as condições de trabalho nas duas garrafas de um aquecedor típico de refinaria.

Comparação das condições típicas de operação nas radiantes e de convecção de um aquecedor acionado por refinaria.
Parâmetro	Seção radiante	Seção de convecção
Temperatura dos gases de combustão	950–1100 °C na zona de chama	Entrada de 650–800 °C; Saída de 150–250 °C
Modo de transferência de calor dominante	Radiação térmica	Convecção com alguma radiação
Superfície típica do tubo	Tubo novo e liso	Com barbatanas, cravados ou nus
Participação não deve total	60–70 por cento	25–35 por cento
Principal risco operacional	Superaquecimento e fluência	Incrustação e corrosão a frio

Como a seção de convecção recupera o calor

O coeficiente de transferência de calor do lado do gás para um tubo na seção de convecção é baixo, aproximadamente 15 a 30 W/(m²·K), enquanto o coeficiente do lado do processo é geralmente várias vezes maior, especialmente quando o fluido está fervendo. A resistência limite é, portanto, quase sempre no lado dos gases de combustão do tubo.

Tubos com aletas e pinos resolvem esse problema multiplicando a área externa. Aletas serrilhadas com uma densidade de 4 a 5 aletas por polegada, ou cerca de 157 a 197 aletas por metro, aumentam a superfície externa em cinco a dez vezes em relação a um tubo no mesmo diâmetro. O gráfico abaixo mostra um perfil típico de temperatura dos gases de combustão através de uma seção de convecção de três passagens.

Figura 1. Redução típica da temperatura dos gases de combustão numa secção de convecção de três passagens.

A passagem mais quente, mais próxima da seção radiante, controla o fluxo do processo que necessita de temperatura mais alta. As passagens de resfriamento recuperam calor para serviços de baixa temperatura, como geração de vapor, superaquecimento de vapor de diluição e pré-aquecimento de alimentação. Este arranjo em contracorrente mantém uma diferença útil de temperatura em cada passagem.

Projeto da Seção de Convecção: Queda de Pressão, Velocidade e Materiais

A API 560 fornece uma estrutura de projeto usada para a maioria dos aquecedores acionados em refinarias e serviços petroquímicos. Uma seção de convecção não pode ser dimensionada isoladamente: a profundidade do feixe, a geometria da aleta e o calado necessário devem ser resolvidos em conjunto, porque cada um afeta os outros.

As verificações críticas são a queda da pressão do gás de combustão, a velocidade do gás, a temperatura do metal do tubo e o material das aletas. Um aquecedor típico mantém a queda de pressão da seção de convecção entre 3 e 10 mbar, ou 30 a 100 mm H₂O. Um pacote mais profundo recupera mais calor, mas exige mais capacidade de ventilação de pilha ou de tiragem provocada. A velocidade do gás na taxa de disparo mais baixa deve permanecer acima de cerca de 4,5 m/s para evitar o assentamento de cinzas, e abaixo de 15 a 20 m/s para evitar erosão e vibração causada pelo fluxo. A temperatura do metal do tubo na extremidade fria deve permanecer acima do ponto de orvalho do ácido sulfúrico quando o enxofre estiver presente; Caso contrário, as fileiras inferiores e a carcaça corroerão rapidamente. O material das aletas segue a temperatura local do gás: aletas de liga na extremidade quente, aletas de aço carbono na extremidade fria e, às vezes, tubos onde a erosão ou o acesso para limpeza são críticos.

Uma lista de verificação prática de engenharia é semelhante a esta:

Confirme o fluxo de massa dos gases de combustão, a composição e o teor de enxofre.
Selecione o layout do tubo e o passo para a velocidade alvo e a queda de pressão.
Calcule a eficiência da aleta e escolha o tipo de aleta, a densidade e o material passo a passo.
Verifique a temperatura do metal do tubo em relação ao ponto de orvalho ácido e aos limites de oxidação.
Fornece faixas de acesso, portas para sopradores de fuligem e painéis de inspeção removíveis.

Por que a seção de convecção controla a eficiência do aquecedor

A regra geral no projeto de aquecedores acionados é que uma redução de 22 °C na temperatura de saída dos gases de combustão adicional cerca de um ponto percentual de eficiência. Baixar a saída de 250 °C para 170 °C vale, portanto, cerca de 3,5%. Num aquecedor de 100 MW, são 3,5 MW de combustível, uma poupança significativa ao longo de um ano de funcionamento contínuo.

Superfícies intercaladas tornam possível uma temperatura de saída tão baixa sem um grande gabinete, como mostra os gráficos de barras abaixo.

Figura 2. Área externa típica de um tubo com diâmetro externo de 114 mm com superfícies de aletas nuas, cravejadas e serrilhadas.

Os tubos com aletas aumentam a área de superfície, mas também ao longo do caminho do gás e aumentam a queda de pressão. A escolha entre tubos simples, desejados e aletados em cada passagem é uma compensação econômica entre área de superfície, tiragem, acesso para limpeza e tolerância à corrosão.

Incrustação, limpeza e corrosão a frio

A incrustação é o problema operacional mais persistente da seção de convecção. Os depósitos atuam como uma camada de isolamento, de modo que a temperatura de saída dos gases de combustão aumenta e o processo recebe menos calor. Ao mesmo tempo, uma camada de depósito reduz a área de fluxo aberto e aumenta a perda de calado. Em casos graves, o aquecedor não consegue atingir a taxa de disparo projetada.

As principais causas de incrustações na seção de convecção são mostradas abaixo. A qualidade do combustível, o desempenho do queimador e a transferência do processo significativo, e a distribuição variada de unidade para unidade.

Depósitos de sal/cinzas (35%)
Coque/depósitos de carbono (30%)
Produtos de corrosão (25%)
Outros depósitos (10%)

Figura 3. Distribuição típica de causas de incrustação em garrafas de convecção.

O controle de incrustações começa com o ajuste da combustão e o gerenciamento de combustível, mas ainda é necessária uma limpeza regular. A tabela abaixo resume os métodos mais comumente usados em plantas em operação.

Métodos típicos de limpeza de garrafas por convecção e sua aplicação.
Método de limpeza	Mais adequado para	Frequência típica
Soprador de fuligem a vapor online	Cinzas, folhas ou depósitos de sal	Semanal a mensal
Soprador de fuligem com ar de alta pressão	Fuligem de combustíveis líquidos ou sólidos	Ciclo diário ou contínuo
Hidrojateamento offline	Depósitos duros e espessos	Cada reviravolta
Limpeza química	Depósitos especializados, como sais ou coque	Conforme necessário

Seções de Convecção em Aplicações de Refino e Petroquímica

Cada aquecedor acionado em uma refinaria ou instalação petroquímica possui uma seção de convecção, mas cada serviço exige um projeto diferente. Em um aquecedor de destilação de petróleo bruto e a vácuo, a seção de convecção pré-aquece o petróleo bruto e às vezes aumenta o vapor. Em um forno de craqueamento de etileno, ele normalmente contém uma serpentina de pré-aquecimento de alimentação de hidrocarbonetos, serpentinas de superaquecimento de vapor de diluição e um banco de vapor de alta pressão. Nos reformadores de hidrogênio e DRI, a seção de convecção determina o consumo geral de energia da unidade, recuperando calor para vapor e pré-aquecimento da alimentação.

Para serviços unitários brutos, a escolha do tipo de aleta e a decisão de incluir serpentinas de vapor dominam a discussão de engenharia. Um fornecedor com experiência nessas compensações pode reduzir o risco do projeto e melhorar o resultado operacional.

Fired Heater for Atmospheric and Vacuum Distillation

Aquecedor a Fogo para Destilação Atmosférica e a Vácuo Este aquecimento aborda as compensações do tipo aleta e da serpentina de vapor no serviço de petróleo bruto, proporcionando aquecimento multizona uniforme e alta eficiência térmica para suportar a separação estável de ADU/VDU e, ao mesmo tempo, reduzir o risco operacional. Ver Produto →

Os aquecedores petroquímicos acrescentam outra camada de complexidade porque várias bobinas devem compartilhar o mesmo caminho dos gases de combustão. Os princípios por trás seleção de aquecedores acionados e aplicações de engenharia na indústria petroquímica Explique como os operadores equilibram as temperaturas das bobinas, as demandas de vapor e a economia dos fornos nesses serviços.

Os fornos de craqueamento de etileno são o exemplo mais exigente. Suas garrafas de convecção lidam com gás craqueado, vapor de diluição e bobinas de geração de vapor em um arranjo compacto, e a seleção da liga é orientada por temperaturas operacionais diversas.

Forno de craqueamento de etileno para pirólise Dadas as diversas demandas de ligas nas garrafas de convecção de etileno, o controle preciso de temperatura deste forno e o projeto inovador/convecção otimizado ajudaram a manter a consistência de fissuração e o rendimento sob operação contínua em alta temperatura. Ver Produto →

O que verificar ao comprar uma seção de convecção

Esteja você substituindo um conjunto danificado ou adicionando capacidade de geração de vapor, conforme as mesmas verificações se aplicadas.

Confirme se o novo pacote corresponde ao fluxo de massa de gás de combustão existente e à extração disponível na seção atual.
Revisar a base do código do projeto: API 560 para o aquecedor, ASME B31.3 para a atração lateral do tubo e a projeção do local do cliente.
Avalie o plano de qualidade da solda em torno da conexão aleta ao tubo e das juntas do tubo ao coletor, uma vez que esses são os locais de falha mais comuns.
Verifique o isolamento e o sistema de revestimento quanto à temperatura esperada de entrada de gás, incluindo proteção contra erosão no local onde o gás entra no feixe.
Confirme a capacidade do fabricante: qualificações de procedimentos de soldagem, testes hidrostáticos, controle dimensional e inspeção de terceiros.

A maioria dos frascos de convecção são entregues como módulos fabricados em fábrica, incluindo tubos, coletores, isolamento e revestimento. Esta abordagem reduz o tempo de montagem no local e melhora a qualidade da solda, porque o trabalho pesado de montagem é realizado sob condições controladas. Quando o módulo é colocado no lugar, as conexões com a seção atual e a pilha do aquecedor existente devem ser instaladas na expansão térmica e permanecer estanques aos gases.

Shop-Fabricated Convection Section Module

Módulo de Seção de Convecção Fabricado em Loja Esta seção de convecção modular foi construída para fabricação controlada em escritório e fácil elevação do local, com ligas protetoras e design personalizável para acomodação a expansão térmica e manter as conexões estanques a gases durante a instalação. Ver Produto →

A logística é igualmente importante. Um módulo de seção de convecção grande é uma carga pesada e com excesso de largura, portanto, a rota de transporte, o método de elevação e o plano de transporte do local requerem o mesmo escrutínio que o projeto térmico. Um fabricante que consegue gerenciar tanto a fabricação quanto o transporte pesado reduz o risco de atrasos no cronograma. Para uma avaliação ou cotação específica do projeto, você pode entre em contato com a equipe de engenharia da Tuopu com a folha de dados do seu aquecedor.

Perguntas frequentes sobre frascos de convecção

Por que os tubos de seção de convecção possuem aletas?

As aletas multiplicam a área externa de transferência de calor por cinco a dez vezes, o que compensa o baixo coeficiente de transferência de calor no lado dos gases de combustão. Sem nenhuma exceção, a seção de convecção precisaria ser várias vezes maior para recuperar a mesma quantidade de calor.

Qual é a temperatura normal dos gases de combustão na saída da seção de convecção?

Para um aquecedor eficiente e bem conservado, a temperatura de saída é normalmente de 150 a 200 °C. Quando o combustível tem alto teor de enxofre, a saída é mantida acima do ponto de orvalho ácido, geralmente em torno de 250 a 300 °C, ou a extremidade fria é feita de material resistente à corrosão.

Quanta eficiência é perdida quando uma seção de convecção fica suja?

A incrustação aumenta a temperatura de saída dos gases de combustão. Como cada aumento de temperatura de 22 °C custa cerca de um ponto percentual de eficiência, um aumento de 50 °C reduz a eficiência em cerca de 2,3%, o que se reflete diretamente no consumo adicional de combustível.

Uma seção de convecção pode ser recuperada sem tocar na seção atual?

Sim. Os aquecedores existentes geralmente possuem um novo módulo de seção de convecção, mantendo a caixa radiante, os queimadores e a pilha. Esta é uma rota de renovação comum, desde que a estrutura e as fundações tenham vida restante suficiente e a queda de pressão do novo conjunto se ajuste ao calado disponível.