Desenho e Projeto de Tubulação Industrial Nível II Módulo IV Aula 02
Introdução As fornalhas são um dos equipamentos principais em um processo complexo como em uma refinaria e recebem também o nome de aquecedores. Uma fornalha pode elevar a temperatura de um gás ou de um hidrocarboneto a fim de obter as necessidades específicas de um processo e nos processos de pirólise e fornalhas de reformação (reformer furnaces) se provoca uma mudança física ou química do produto em trabalho. Usa-se principalmente em uma configuração circular ou em forma de caixa e suas variações. As fornalhas são equipamentos extensamente usados nas refinarias de petróleo. As refinarias de petróleo processam o óleo cru extraído, que como tal não tem grande valor, refinando-o e produzindo diversos produtos tais como, entre outros, gasolina, nafta, óleo diesel, asfalto e GLP (gás liquefeito de petróleo). As instalações das refinarias são muito grandes e complexas e são compostas por muitas unidades de processos entrelaçadas por extensas e complexas redes de tubulações. As fornalhas são o passo preparatório para o processo como vemos no diagrama simples mostrado na Figura 1.1. Figura 1.1 Temos nessa figura uma fornalha que recebe o óleo cru que é aquecido a altas temperaturas acima de 400 C por meio da queima de óleo ou gás e o petróleo ou óleo é aquecido e entra nas torres de destilação fracionada onde são separados seus diversos componentes. 1
Nesta apostila damos algumas informações sobre este equipamento, mas a ênfase será na disposição da tubulação ao redor destas unidades. 1. Terminologia Antes de iniciar nosso estudo é interessante conhecermos os termos técnicos que serão usados, o que fazemos a seguir. Vamos ver primeiramente os termos técnicos das partes que compõem uma fornalha: Secção radiante: é onde são instalados filas de tubos horizontais ou verticais. Por esses tubos passam os produtos a serem aquecidos. Queimadores: são os componentes onde se queimam gás ou óleo e estão localizados na secção radiante. Secção de convecção: esta secção está localizada acima ou na corrente abaixo da secção radiante e nela estão alojados os tubos horizontais que são aquecidos pelos gases quentes da chaminé. Chaminé: ela está normalmente localizada encima da secção de convecção e conduz os gases para a atmosfera. Isolamento: é um revestimento aplicado nas tubulações e nas superfícies da fornalha para evitar a perda de calor. Agora vamos ver alguns termos técnicos que vamos usar em nosso estudo. Vapor de descarga: o vapor de descarga é usado para a limpeza ou remoção de produtos dos tubos no caso de incêndio. Sistema de descarga: é um sistema instalado na tubulação para conduzir para longe os resíduos dos tubos para disposição dos mesmos. Tubos de descarga: são dutos que coletam gases da caixa de saída da fornalha para levá-los à chaminé. Queimadores: produzem a queima de ar e combustíveis na seção radiante da fornalha e os mais comuns são ar/gás, ar/óleo, e óleo com a ajuda de equipamento para atomização. Portas de limpeza: são acessos providos para a entrada do pessoal de manutenção na área da fornalha. Seção de convecção: Neste compartimento estão filas de tubos horizontais localizados após a seção radiante e são usados para aquecimento adicional da unidade. Tubulação cruzada: é a tubulação que liga a seção radiante e a de convecção. Damper: ou registro de tiragem é um dispositivo localizado no duto ou na chaminé para controlar a tiragem na fornalha. Decoking: ou remoção de coque é a remoção do coque formado nos tubos da fornalha que é removido aplicando jatos de vapor e ar nos tubos. 2
Medidor de tiragem: é um instrumento usado para medir a pressão na fornalha. Portas de explosão: são portas instaladas na fornalha e projetadas especificamente para proteger a estrutura da fornalha no caso de explosão. Cabeçote ou barrilete: um tubo que liga dois ou mais tubos para conduzir o fluido. Caixas de cabeçote: devido que muitos tubos são ligados por meio de curvas U e, por isso, sua inspeção se torna difícil e existe a possibilidade de fugas, os barriletes são fechados em caixas instaladas para facilitar a inspeção e manutenção de feixes de tubos. Também são instalados tubos para lançar vapor para apagar chamas em caso de fogo. Portas de espia: são pequenas portas providas na parede ou no fundo da fornalha na seção radiante para permitir a inspeção visual dos queimadores. Rabicho flexível: ou pigtail (no inglês) são pequenas tubulações flexíveis para unir os tubos radiantes aos cabeçotes. Secção radiante: é o compartimento principal da fornalha. Refratário: são tijolos feitos de materiais isolantes e capazes de suportar altas temperaturas. Sopradores de fuligem: são dispositivos mecânicos que limpam o exterior dos tubos de convecção por meio de sopro de ar a fim de livrá-los de deposições que aumentam as perdas de calor. Chaminé: é o local de saída dos gases para a atmosfera ou para tubulação secundária para fins de preaquecer os gases. Sua altura é normalmente projetada para tiragem natural. Vapor de extinção: é vapor injetado nas câmaras de combustão para apagar o fogo. 2. Componentes de uma fornalha e operação básica Na Figura 3.1 são mostrados os componentes básicos principais de uma fornalha. 3
Figura 3.1 Estas seções são como indicado na figura: Secção radiante: onde estão alojados os tubos horizontais e verticais que conduzem o produto a ser trabalhado. Queimadores: são os componentes onde se dá a queima dos combustíveis, óleo ou gás, e estão localizados na secção radiante. Secção de convecção: está localizada acima ou após a secção radiante. Chaminé: normalmente está localizada acima da secção de convecção e descarrega os gases queimados para a atmosfera. Isolamento: ele reveste as paredes das secções radiante e de convecção A operação da fornalha se inicia com a queima do combustível que é injetado nos queimadores localizados na fornalha. O combustível é aceso por meio de uma linha piloto de gás e o ar de combustão é alimentado e regulado por meio de uma tubulação de ar e registros de controle de ar. Para uma operação correta dentro da fornalha deve ser mantido um fluxo de ar regulado. Conforme a combustão prossegue a temperatura aumenta e o gás quente sobe e a chaminé começa a agir com uma pressão negativa dentro da seção radiante e de convecção. A pressão deve ser mantida a aproximadamente 9 mm de coluna de água negativos no registro de ar do queimador e de 5 mm negativos de coluna de água na porta da fornalha, menos 12 mm na secção radiante e menos 18 mm na base da chaminé. A 4
manutenção destes valores deve assegurar um fluxo de ar adequado na área dos queimadores. Note que para estes valores são indicativos e devem ser mantidos os valores indicados pelos fabricantes da fornalha, sendo indicados aqui para fins didáticos somente. As portas de espia são instaladas ao redor das paredes radiantes para permitir aos operadores ver e inspecionar os queimadores enquanto estão fazendo os ajustes do fluxo de combustível. O produto a ser trabalhado entra nos tubos da secção radiante e é aquecido á temperatura máxima de operação e depois sai da fornalha. Na secção de convecção entra vapor que aproveita o calor dos gases quentes e é aquecido atingindo a temperatura de superaquecimento pela ação dos gases quentes. Um registro de tiragem é usado para controlar a tiragem na fornalha e está localizado na base da chaminé. Este registro regula a pressão dentro da fornalha e a altura da chaminé é determinada pela tiragem desejada que pode ser ajustada pelo registro. Pela descrição do processo você vê que existem muitas variáveis envolvidas neste processo inclusive da disposição ou organização da tubulação de processo. Existem muitas variações de construção das fornalhas. Por exemplo, os queimadores podem estar localizados nas paredes laterais, na parte superior da secção radiante ou em ambas as posições, o isolamento térmico pode ser formado por tijolos refratários, fibras de cerâmica ou lã mineral, o produto sendo trabalhado pode entrar na secção de tubos de convecção e sair dessa secção e por meio de uma tubulação de cruzamento ir para a secção de radiação. Também pode existir uma única chaminé para diversas fornalhas. 3. Tipos de fornalhas Vamos a seguir ver os tipos mais usuais de fornalhas: de caixão, de pirólise e a reformadora ou de reformação. Vamos começar nossa descrição pela fornalha de caixão. 3.1. Fornalha de caixão Vemos na Figura 4.1 este tipo de fornalha. 5
Figura 4.1 A secção de convecção está sempre localizada após a secção de radiação e a passagem de gás pode ser para cima ou para baixo. As filas de queimadores estão localizadas na secção de radiação e é a fonte primária de calor para o produto. 3.2. Fornalha circular Na Figura 4.2 vemos uma fornalha circular e estão indicados aí os componentes principais. Este tipo de fornalha é geralmente empregado nas instalações menores como aquecedores de partida ou reboilers que são reaquecedores. Figura 4.2 As conexões de entrada e de saída estão localizadas usualmente na secção de radiação em sua parte inferior ou superior dependendo do produto sendo aquecido. 6
3.3. Fornalha de pirólise O processo de pirólise também chamado de cracking é o processo de transformação de petróleo em derivados por meio de pressão e calor. Na Figura 4.3 vemos uma fornalha de pirólise típica. Os tubos que recebem o produto a ser tratado são colocados no centro da secção radiante, pois seu tempo de residência é curto. Por tempo de residência entendemos o tempo que o produto permanece em tratamento na fornalha. Figura 4.3 Para este tratamento necessitamos de alta taxa de transferência de calor e uma distribuição de calor uniforme nos tubos. Também está instalado um sistema de recuperação de calor que recupera o calor dos gases de exaustão produzindo vapor para fazer a eliminação do coque nas paredes internas dos tubos do processo. 3.4. Fornalha de reformação ou reformadora Na Figura 4.4 está mostrada uma fornalha chamada de fornalha de reformação. 7
Figura 4.4 Nesta fornalha um produto pré aquecido flui através de um catalisador instalado em tubos que está normalmente no centro da secção radiante. Esta fornalha pode ser constituída de um único ou múltiplos compartimentos e os queimadores são instalados no teto, no piso ou na parede. Pode também ser instalado um sistema de recuperação de calor que está normalmente instalado na secção de convecção. 4. Tubulação nas fornalhas Este curso é dedicado ao projeto de tubulação e vimos até agora os diversos tipos de fornalhas usadas principalmente na indústria petrolífera. Vamos agora ver as tubulações envolvidas com este equipamento. Na Figura 5.1 vemos um esquema simplificado de uma instalação de fornalha onde temos alguns elementos indicados, tais como, aquecedores, recuperação de calor, serpentinas de radiação, etc. 8
Figura 5.1 A seguir vamos estudar alguns pontos de interesse das tubulações envolvidas nestas instalações para as fornalhas cilíndricas e de caixão. 4.1. Tubulação para fornalha cilíndrica Antes de tudo devemos chamar a atenção para o fato de que os desenhos apresentados são ilustrativos para o curso e representam os equipamentos de forma simplificada para estudo. Na Figura 5.2 está mostrada uma fornalha cilíndrica vista por sua parte superior e a tubulação de entrada do produto na secção de convecção. Está indicado o espaço para retirada dos tubos para inspeção e as plataformas de operação. A tubulação de vapor para os sopradores de fuligem também está mostrada. 9
Figura 5.2 Note que as tubulações são mostradas em uma única linha ou de forma unifilar, pois os tubos são relativamente finos em relação às dimensões da fornalha. Esta é uma forma típica de apresentação dos tubos nos desenhos. Note que as tubulações são instaladas próximas ao corpo da fornalha para deixar o máximo possível de espaço na plataforma para os operadores. Na Figura 5.3 apresentamos a tubulação na parte superior dessa fornalha em elevação. 10
Figura 5.3 Vemos nessa figura uma plataforma situada na parte superior que é utilizada para retirar amostras dos gases emitidos para fins de análise das emissões da chaminé. Na Figura 5.4 vemos uma vista em planta da parte inferior da fornalha circular 11
Figura 5.4 E na Figura 5.5 uma vista lateral da parte inferior dessa torre. Figura 5.5 12
Assim você tem agora uma visão geral das tubulações envolvidas na instalação da uma fornalha. Lembramos que estes desenhos são meramente ilustrativos para fins de ilustração do curso. 13