Estrutura e Componentes de Fornos Tubulares

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FORNOS
Capítulo 13
1
FORNOS
03/2015
Capítulo 13
13.1. Conceito
13.2. Estrutura
13.3. Componentes
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13.3. Componentes
13.4. Balanço de Energia
13.5. Considerações sobre a Operação
13.1. Conceito
Forno tubular sujeito a chama:
“Equipamento constituído por uma caixametálica, sustentada por uma estrutura de vigas ecolunas metálicas, revestida internamente de
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colunas metálicas, revestida internamente dematerial refratário, no interior da qual é efetuada aqueima de um ou mais combustíveis (na câmara decombustão) com a finalidade de aquecer, vaporizar,promover reação química ou craquear um fluidocontido em serpentinas tubulares cheias ou não decatalisador, atendendo às condições de processo ecombustão pré-estabelecidas” (ABNT-TB-358)
Aplicações:
- Elevada carga térmica
13.1. Conceito
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- Alta temperatura
- Fluxo térmico elevado
13.2. Estrutura
5
Zona de convecção
13.2. Estrutura
Chaminé
6
Zona de radiação
convecção
13.2. Estrutura
7
Fonte:
Morales-Fuentes et al, 2012
13.2. Estrutura
8Fonte:http://www.htri.net/articles/xfh
13.2. Estrutura
9
Fonte:
Tucker and Ward, 2012
Zona de radiação:
A zona de radiação é composta por tuboslocalizados no interior da câmara de combustão.
13.2. Estrutura
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Nesta região, a maior parte da taxa detransferência de calor (~90%) ocorre através daradiação térmica proveniente da chama e dos gasesde combustão aquecidos a alta temperatura.
Os gases saem da zona de radiaçãousualmente entre 700 ºC e 900 ºC (“bridgewalltemperature”).
Zona de convecção:
A zona de convecção é formada por tubos querecuperam parte da energia dos gases oriundos dazona de radiação. Neste caso, a principal forma de
13.2. Estrutura
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zona de radiação. Neste caso, a principal forma detransferência de calor corresponde à convecção.
Para evitar a formação de condensadocorrosivo, se o combustível contém enxofre, a T dazona de convecção é mantida > 150 ºC/170 ºC.Para combustíveis isentos de enxofre, a Tsaída pode ser menor.
Múltiplos passes:
13.2. Estrutura
12
Fonte:
Mussati et al, 2009
Múltiplos passes:
13.2. Estrutura
13
Fonte:
Parnian, 2012
Múltiplos passes:
13.2. Estrutura
14
Fonte:
Parnian, 2012
Zona de radiação:
- 10 queimadores
13.2.1. Exemplo
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- 10 queimadores
- 2 filas de tubos
Fonte:
Aguiar et al, 2008
Zona de convecção:
- 4 passes
13.2.1. Exemplo
16
- 4 passes
- 10 filas
- 8 tubos/fila
- 80 tubos
Fonte:
Aguiar et al, 2008
13.2.2. Tipos de fornos
17
Fonte:
Aguiar et al, 2008Forno cilíndrico com convecção cruzada
13.2.2. Tipos de fornos
18
Forno cilíndrico com convecção cruzada
Fonte: http://www.heatflux.com/casestudies/combinedfeedheater/
13.2.2. Tipos de fornos
19
Fonte:
Aguiar et al, 2008Forno tipo cabine
13.2.2. Tipos de fornos
20
Forno tipo cabineFonte:
http://www.heatflux.com/
13.2.2. Tipos de fornos
21
Fonte:
Aguiar et al, 2008Forno tipo caixa com queima dupla
13.2.2. Tipos de fornos
22
Fonte:
Aguiar et al, 2008Forno tipo caixa com queima horizontal
13.2.2. Tipos de fornos
23
Fonte:
Aguiar et al, 2008Forno com câmara dupla
13.2.2. Tipos de fornos
24
Forno com câmara duplaFonte:
http://www.accessscience.com/search.aspx?rootID=792890
13.3. Componentes
-Estrutura metálica
- Carcaça
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- Superfície de troca térmica
- Refratário
- Queimadores
- Chaminé
13.3.1. Estrutura metálica
A estrutura metálica é formada por umconjunto de vigas e colunas responsável por
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conjunto de vigas e colunas responsável porposicionar e sustentar os demais componentes doforno.
13.3.2. Carcaça
A carcaça corresponde ao conjunto dechapas metálicas com 5 ou 6 mm de espessura,
27
chapas metálicas com 5 ou 6 mm de espessura,fixadas junto à estrutura metálica para delimitar ointerior do forno.
13.3.2. Carcaça
28Fonte:http://www.petronemirates.com/heatgal2.htm
13.3.2. Carcaça
29Fonte:http://www.betabuzau.ro/en/products/fired-heaters.html
13.3.2. Carcaça
30Fonte:http://www.petronemirates.com/heatgal1.htm
13.3.2. Carcaça
31Fonte:http://www.expresstechtulsa.com/eitcanada/products/fire_heaters
13.3.3. Superfície de troca térmica - Radiação
A superfície de troca térmica no interior dazona de radiação é formada por um conjunto detubos verticais ou horizontais, interconectados
32
tubos verticais ou horizontais, interconectadosatravés de curvas ou cabeçotes (serpentina) .
13.3.3. Superfície de troca térmica - Radiação
Usualmente, entre 50% e 70% da taxa totalde transferência de calor no forno ocorre na zonade radiação, onde o fluxo térmico na superfície da
33
de radiação, onde o fluxo térmico na superfície daserpentina varia entre 20 kW/m2 a 40 kW/m2 paraa maioria das aplicações (sendo 30 kW/m2 umvalor típico).
Os tubos no interior da zona de radiação nãosão aletados, possuindo diâmetro entre 2 in a 8 in(razão de passo típica igual a 2).
13.3.3. Superfície de troca térmica - Radiação
34
(razão de passo típica igual a 2).
O comprimento máximo dos tubos é 12 mpara tubos verticais e 24 m para tubos horizontais.
Em fornos cilíndricos, a razão entre ocomprimento dos tubos e o diâmetro da
13.3.3. Superfície de troca térmica - Radiação
35
comprimento dos tubos e o diâmetro dacircunferência definida pela serpentina varia entre1,6 e 2,6.
13.3.3. Superfície de troca térmica - Radiação
36Fonte:http://www.enviropro.cc/heaterrevamps.html
13.3.3. Superfície de troca térmica - Radiação
37Fonte:http://www.petronemirates.com/heatgal2.htm
13.3.3. Superfície de troca térmica - Radiação
38Fonte:http://www.petronemirates.com/heatgal1.htm
13.3.3. Superfície de troca térmica - Radiação
39Fonte:http://www.betabuzau.ro/en/products/fired-heaters.html
13.3.3. Superfície de troca térmica - Radiação
40
Fonte:
http://www.petronemirates.com/servheaters.htm
13.3.3. Superfície de troca térmica - Radiação
41Fonte:http://www.petronemirates.com/heatgal2.htm
A superfície de troca térmica no interior dazona de convecção é formada por um conjunto de
13.3.4. Superfície de troca térmica - Convecção
42
zona de convecção é formada por um conjunto detubos horizontais interconectados (serpentinas),dotados de aletas helicoidais ou pinos.
Tubos aletados estão associados a uma maiorárea de transferência de calor por unidade decomprimento, porém não são recomendados paraserviços “sujos”.
13.3.4. Superfície de troca térmica - Convecção
43
serviços “sujos”.
Nestes casos, alternativamente, pinos sãousualmente utilizados quando a superfície de trocatérmica está submetida a um ambiente corrosivoou quando, devido à deposição intensa, torna-senecessário a utilização de técnicas de limpeza maisagressivas.
A faixa típica de coeficiente global detransferência de calor na zona convecção vai de 20
13.3.4. Superfície de troca térmica - Convecção
44
transferência de calor na zona convecção vai de 20W/m2K a 50 W/m2K.
Uma vez que os primeiros tubos da zona deconvecção recebem uma quantidade significativade calor por radiação, as primeiras duas ou três
13.3.4. Superfície de troca térmica - Convecção
45
de calor por radiação, as primeiras duas ou trêsfilas da zona de convecção não são aletadas (shieldtubes ou shock tubes).
A interligação entre a zona de convecção eradiação é denominada de crossover, sendo asvezes localizada externamente ao forno.
13.3.4. Superfície de troca térmica - Convecção
46
vezes localizada externamente ao forno.
13.3.4. Superfície de troca térmica - Convecção
47
Fonte:
http://www.lpspa.it/lang/en/42-welded-finned-tubes
13.3.4. Superfície de troca térmica - Convecção
48
Fonte:
http://www.lpspa.it/lang/en/43-steel-studded-tubes13.3.4. Superfície de troca térmica - Convecção
49
Fonte:
http://www.petronemirates.com/heatgal1.htm
13.3.4. Superfície de troca térmica - Convecção
50Fonte:http://www.petronemirates.com/heatgal2.htm
O interior do forno é coberto por umacamada de refratário que protege a estruturametálica do forno e reduz a perda de calor.
13.3.5. Refratário
51
metálica do forno e reduz a perda de calor.
Um refratário é um material capaz desuportar altas temperaturas sem perder suaspropriedades. Exemplos: Alumina e cimentorefratário, etc.
13.3.5. Refratário
52
Fonte:
http://www.cmtainternational.com/services.htm
13.3.5. Refratário
53
Fonte:
http://www.fosbel.com/Industries/Steel/High_Emissivity_Refractory_Coatings.aspx
13.3.5. Refratário
54
Fonte:
http://www.lpspa.it/lang/en/40
Uma vez que os refratários não são bonsisolantes térmicos, associados a estes é tambémsobreposta uma camada de isolamento para
13.3.6. Isolamento
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sobreposta uma camada de isolamento parareduzir a perda de calor para o ambiente.
Esta perda usualmente varia entre 1% a 3%do calor liberado na combustão.
Os queimadores são dispositivos quepossibilitam a mistura entre o ar e o combustível
13.3.7. Queimadores
56
de forma a manter a combustão de formasustentada.
13.3.7. Queimadores
57
Fonte:
http://www.heatflux.com/
13.3.7. Queimadores
58
Fonte:
http://www.red-bag.com/jcms/design-guides/351-bn-dg-c01g-plant-layout-fired-heaters.html
13.3.7. Queimadores
59Fonte:http://www.newworldencyclopedia.org/entry/furnace
Duto responsável por liberar os gases decombustão para o ambiente. Pode estar localizadosobre a zona de convecção ou ao nível do piso.
13.3.8. Chaminé
60
sobre a zona de convecção ou ao nível do piso.
13.3.8. Chaminé
61
Fonte:
http://www.petronemirates.com/heatgal1.htm
13.3.9. Visão geral
62
Fonte:
Morales-Fuentes et al., 2013
13.3.9. Visão geral
63
Fonte:
http://www.sigmathermal.com/direct-fired-heaters
13.3.9. Visão geral
64
Fonte:
http://dacworldwide.com/product/detail/155
13.3.9. Visão geral
65
Fonte:
https://www.flickr.com/photos/44768056@N05/
13.3.9. Visão geral
66
Fonte:
https://www.flickr.com/photos/44768056@N05/
13.3.9. Visão geral
67
Fonte:
https://www.flickr.com/photos/44768056@N05/
13.3.9. Visão geral
68
Fonte:
http://www.newworldencyclopedia.org/entry/furnace
13.3.9. Visão geral
69
Fonte:
http://www.red-bag.com/jcms/design-guides/351-bn-dg-c01g-plant-layout-fired-heaters.html
13.3.9. Visão geral
70
Fonte:
http://www.red-bag.com/jcms/design-guides/351-bn-dg-c01g-plant-layout-fired-heaters.html
13.3.9. Visão geral
71Fonte: http://www.ittki.it/pdf/I.T.T.PRESENTATION-FEB.11.pdf
13.3.9. Visão geral
72Fonte: http://www.ittki.it/pdf/I.T.T.PRESENTATION-FEB.11.pdf
13.3.9. Visão geral
73
Fonte:
http://www.newworldencyclopedia.org/entry/furnace
13.3.9. Visão geral
74
Fonte:
http://www.newworldencyclopedia.org/entry/furnace
13.3.9. Visão geral
75Fonte: http://chemengservices.com/furnace-coil-fouling.html
Equação:
fuelaircomb HHH  
13.4. Balanço de Energia
76
stackwallconvrad QQQQ 

A energia liberada no interior de um fornoocorre através da queima de um combustível.
13.4.1. Combustível
77
O combustível de um forno pode ser:
- Sólido (e.g. carvão)
- Líquido (e.g. óleo combustível)
- Gasoso (e.g. gás natural)
Poder calorífico:
Calor liberado na combustão completa deuma unidade de massa ou quantidade de matéria
13.4.1. Combustível
78
uma unidade de massa ou quantidade de matériade um combustível na condição de referência.
Unidades: kcal/kg, kJ/kg, kJ/kmol
Poder calorífico inferior (PCI ou LHV):
Toda a água formada permanece como vapor.
13.4.1. Combustível
79
Poder calorífico superior (PCS ou HHV):Toda a água formada é condensada.
Observação: Deve-se estar atento ao estado dereferência adotado, em geral, 25 ºC ou 60 ºF
Temperatura adiabática de chama:Temperatura alcançada pelos produtos dacombustão considerando que todo o calor liberadoseja absorvido pelos mesmos.
13.4.1. Combustível
80
seja absorvido pelos mesmos.
Temperatura de chaminé:Temperatura na qual a corrente de gás decombustão deixa a zona de convecção
Para que ocorram as reações de combustão,é necessária a presença de O2.
Em geral nos fornos, utiliza-se ar como fontede oxigênio.
13.4.2. Ar
81
de oxigênio.
Observação:
Ar
Composição molar: 79 % N2 e 21 % O2
Massa molar média: 29 kg/kmol
Oxigênio teórico ou estequiométrico:
Quantidade mínima necessária de oxigêniopara a queima completa de um combustível.
13.4.2. Ar
82
para a queima completa de um combustível.
Ar teórico:
Quantidade de ar correspondente aooxigênio teórico.
Excesso de ar:
Quantidade de ar adicional em relação ao arteórico (indicada em %).
13.4.2. Ar
83
teórico (indicada em %).
Valores típicos:
- Combustíveis gasosos: 10%
- Combustíveis líquidos: 15% a 20%
- Combustíveis sólidos: 20% ou mais
Alimentação do ar:
- Tiragem natural
13.4.2. Ar
84
- Tiragem natural
- Tiragem forçada
- Tiragem induzida Tiragem balanceada
Gás de combustão ou gás de chaminé (flue gas):
Corrente de gás efluente da combustão (em
13.4.3. Gás de combustão
85
Corrente de gás efluente da combustão (emgeral, CO2, H2O, N2 e O2), sua composição pode serinformada em base úmida ou seca.
Eficiência do forno
13.4.4. Eficiência
86
= Calor Absorvido / Calor Fornecido
Em algumas aplicações, o conceito deeficiência da zona de radiação também pode serimportante:
13.4.4. Eficiência
87
Eficiência
= Calor absorvido na zona de radiação/ CalorFornecido
Problemas operacionais em fornos:
 Vazões baixas ou queda de vazão temporária dacorrente de processo são causas comuns de
13.5. Considerações sobre a Operação
88
corrente de processo são causas comuns derupturas de tubos de fornos.
 A interrupção da queima ou o acúmulo devapores de combustível durante as paradas podemcausar explosões.