1

2

DISEÑO, CALCULO Y CONSTRUCCION DE UN HORNO PILOTO PARA

TRATAMIENTOS TERMICOS A BASE DE GAS LICUADO DE PETROLEO EN

LA UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

WILLIAM ALEXANDER CARRILLO IBAÑEZ

JOSE LUIS RAMIREZ OSPINA

LEONEL RINCON CANCINO

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERIA

PLAN DE ESTUDIOS DE INGENIERIA MECANICA

SAN JOSE DE CUCUTA

2001

3

DISEÑO, CALCULO Y CONSTRUCCION DE UN HORNO PILOTO PARA

TRATAMIENTOS TERMICOS A BASE DE GAS LICUADO DE PETROLEO EN

LA UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

WILLIAM ALEXANDER CARRILLO IBAÑEZ

JOSE LUIS RAMIREZ OSPINA

LEONEL RINCON CANCINO

Proyecto de Grado para optar al tìtulo deIngeniero Mecànico

DirectorBERNARDO ALBERTO GARZÒN

Ingeniero Metalúrgico

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERIA

PLAN DE ESTUDIOS DE INGENIERIA MECANICA

SAN JOSE DE CUCUTA

2001

4

5

A LA MEMORIA DE:

PEDRO JESÚS ROJAS GUALDRONIngeniero metalúrgico

“La muerte, siendo un hecho universal, es a la vez tan personal, que de ellapuede decirse que es el momento en que espiritualmente se condensa la vida

humana”

q.e.p.d

6

DEDICATORIA

A ti madre, porque si me ahorcaran en la más altamontaña, sé ¡oh! madre, que hasta allí me seguiría tuamor. Sí en el más profundo mar me ahogara, sé, ¡oh!madre mía, que hasta mí llegarían tus lagrimas. Sí memaldijeren en cuerpo y alma, ¡oh! madre mía, sé quetus oraciones invalidarían la maldición.

Al Todopoderoso porque en mis dificultades me haayudado, en mis desaciertos me ha iluminado, en missoledades me ha acompañado, en mis enfermedades meha fortalecido y en mis horas difíciles me ha consolado.

A mi padre porque a pesar de nuestras diferencias,siempre se ha preocupado por educarme.

A mis hermanos que los quiero mucho, siempre estarécon ustedes para tenderles una mano.

A Gladys mi novia, que por tu sencillez y tu amorincondicional me robaste el corazón.

A todos mis amigos, en especial a Leonel por esa granamistad que siempre me ha brindado.

WILLIAM

7

DEDICATORIA

A Dios, puesto que la meta que he alcanzado es una pruebafehaciente de su existencia, infinidad y grandeza.

A mi madre, ejemplo viviente, gracias al Todopoderoso, deperseverancia, trascendencia, dedicación, tenacidad, resignación,amor y superación, amalgama de sentimientos que representanen ella la mayor razón de mi existencia.

A mis hermanos, Costanza, Rosario y Cesar, por su apoyoincondicional.

A mis sobrinos, Leonardo y Alberto porque a pesar de suscortas edades me han sabido entender y apoyar.

A mi abuela Asención.

A mi tía Lucía, mi tío Ricardo y Tenilson, ejemplos deperseverancia.

A mis dos compañeros de tesis, William y Jose Luis, por sucomprensión, apoyo y tolerancia, no sólo en el desarrollo delproyecto sino en todos los aspectos.

A todas aquellas personas que de una u otra forma han sido oson parte de mi vida, brindándole estabilidad a mi ser.

LEONEL

8

DEDICATORIA

A Dios, por no apartarme de este destino.

A mi Madre, por su apoyo firme eincondicional.

A mi Padre, por su voz de aliento.

A mi Abuela, para cumplirle su sueño.

A mi Esposa e hija, por ser la luz queinspira y guia mi destino, la fuerza quenecesito y la paz que poseo.

Al Ing. Pedro Rojas, por ser el motorprincipal en la realización de este proyecto.

A mis compañeros de tesis, por laperseverancia y tenacidad que nos terminouniendo para alcanzar esta meta tansufrida y subvalorada por la Universidad.

9

José Luis

AGRADECIMIENTOS

Fue un reto muy grande la realización de este proyecto por ser multidisciplinario, integral yde investigación; gracias a Dios nos encontramos con personas que de una u otra forma nosbrindaron su apoyo y amistad, dando lo mejor de sí, sin ningún tipo de recelo profesional ysin intereses económicos.

Ing. Ciro Alfonso Carrillo Moreno, Termotasajero S.A E.S.PIng. Alvaro Omaña, Termotasajero S.A E.S.PIng. Hugo Quintero, Termotasajero S.A E.S.PIng. Hernán García, Termotasajero S.A E.S.PIng. Juan Jaimes, Termotasajero S.A E.S.PIng. Luis Carrillo, Termotasajero S.A E.S.PAl Departamento de Control y Regulación, Termotasajero S.A E.S.PAl Departamento de Mantenimiento, Termotasajero S.A E.S.PMiguel Dávila, Fundiciones DávilaMartín Gelvez, Tejar MargresIng. Victor Hugo Prada, CINSA S.AIng. Fulvio Buitrago, CINSA S.AIng. Edgar Espinosa, Instrumentos y Controles Ltda.Ing. Ottoniel Caceres, SENATec. David Martínez, UFPSIng. Jorge Granados, UFPSIng. Pedro Perez Amaya, UFPSIng. Alberto Garzón, UFPSIng. Jorge Salazar, UFPSIng. Alberto Falla Arias, UFPSIng. Pedro Pablo Torres, UFPSIng. Carlos Arturo Chacón, UFPSIng. Emilio Vera, UFPSLic. Teresa Tenjo, UFPSIng. Martín Mendoza, Gas RosarioOmar y Chucho, Laboratorio de Resistencias UFPSDon Jorge, Conductor camioneta UFPSDon Roberto, Taller de Mantenimiento UFPSDoña Anselma, Laboratorio de Carbones UFPS

10

Doña Betty y Doña Janeth, Facultad de Ingenierías UFPSJulio Cesar Mantilla, ElectricistaJuan de Dios, Instructor SENABeto, Planta de Coquización UFPSIng. Oswaldo Chernistky, LINDBERG ARGENTINA S.AIng. Jorge Guerra, RUBCAR-BORGI ARGENTINAIng. Fernando Rivero, COMBUSTIÓN INTEGRAL CHILEIng. Jorge Sánchez, GASTEC SRL PERUIng. Nicholas LaGamba, PIRONYCS.INC ESTADOS UNIDOSIng. Oscar Farías, Universidad de Concepción CHILEIng. Carlos Román, Universidad Católica de ChileIng. Alvaro Restrepo, ERECOSIng. Jorge Sánchez, FRIE UFPSLic. Nidia Rincón, UFPSGerson Perez, Victor Patiño, Freddy CarrilloNancy Barajas y Mónica Berroterán, por su apoyo incondicional.

Pedimos disculpas a todas aquellas personas que no se hayan mencionado y lesagradecemos de la forma más sincera por el éxito del proyecto.

WILLIAM, JOSE LUIS Y LEONEL

11

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

1. HORNOS INDUSTRIALES CON SISTEMAS DE COMBUSTIÓN A GLP

1.1 CLASIFICACION DE LOS HORNOS

1.1.1 Hornos estáticos

1.1.1.1 Hornos estáticos de baja temperatura.

1.1.1.2 Hornos estáticos de media temperatura.

1.1.1.3 Hornos estáticos de alta temperatura.

1.1.2 Hornos continuos

1.2 METODO PRACTICO DE RESOLUCIÓN

1.2.1 Sistemas radiantes

1.2.2 Sistemas Convectivos

1.2.3 Sistemas de impacto y llamas envolventes

1.2.4 Sistemas de calentamiento por aire

1.3 DEFINICION DE VARIABLES PARA EL HORNO PILOTO DETRATAMIENTOS TERMICOS

1.3.1 Parámetros de diseño

2. MATERIALES REFRACTARIOS

2.1 CLASIFICACION DE LOS MATERIALES REFRACTARIOS

2.1.1 Según el contenido de su principal componente

pág.

1

3

3

3

4

4

5

5

6

7

7

8

9

9

9

12

12

12

12

2.1.2 Según el carácter químico

2.1.2.1 Refractarios Básicos

2.1.2.2 Refractarios Ácidos

2.1.2.3 Refractarios Neutros

2.2 GRUPOS MAS IMPORTANTES DE LADRILLOS REFRACTARIOS

2.2.1 Briquetas de Sílice

2.2.2 Refractarios Sílico – Aluminosos

2.2.3 Ladrillos Aluminosos

2.3 PROCESAMIENTO DE LOS PRODUCTOS REFRACTARIOS

2.4 PROPIEDADES

2.4.1 Refractariedad

2.4.2 Resistencia mecánica en frío

2.4.3 Resistencia al choque térmico

2.4.4 Resistencia a la escoria

2.5 ENSAYOS DE LABORATORIO PARA LA FABRICACIÓN DEPROBETAS REFRACTARIAS

2.5.1 Materia prima

2.5.2 Preparación mecánica de materias primas para la elaboración demateriales refractarios

2.5.2.1 Primer procedimiento

2.5.2.2 Segundo procedimiento

2.5.2.3 Tercer procedimiento

2.5.3 Determinación de las propiedades de las probetas refractarias

2.5.3.1 Determinación del Cono pirométrico equivalente (NTC 706)

pag.

13

13

13

13

14

14

15

16

17

20

21

21

21

22

23

23

23

23

24

26

27

28

13

2.5.3.2 Determinación de la dilatación y contracción térmica

2.5.3.3 Determinación de la resistencia al choque térmico (NTC 1432)

2.5.3.4 Determinación de la condición térmica

3. RECINTO, PERDIDAS DE CALOR, BALANCE TERMICO DEL HORNO

3.1 INTRODUCCION

3.2 MATERIALES REFRACTARIOS Y AISLANTES

3.2.1 Generalidades

3.3 PERDIDAS DE CALOR EN EL HORNO

3.3.1 Pérdidas de calor por las paredes del horno

3.3.1.1 Determinación del coeficiente de convección interior

3.3.1.2 Transferencia de calor por radiación a través de los gases en el hogar

3.3.1.3 Determinación de las propiedades totales de los productos de combustióndel GLP en las condiciones de operación del horno

3.3.2 Pérdidas de calor por el calor almacenado en el revestimiento

3.3.3 Pérdidas de calor por puentes térmicos

3.4 CALOR ABSORBIDO POR LA CARGA DEL HORNO

3.5 BALANCE TÉRMICO DE HORNO

4. COMBUSTION

4.1 INTRODUCCION

4.2 DEFINICION

4.3 CONSERVACION DE LA MASA Y ESPECIES ATOMICAS

4.4 ESTEQUIOMETRIA DE LA REACCION DEL GLP

4.4.1 Composición del aire atmosférico

4.4.2 Combustión estequiométrica

pag.

28

29

30

35

35

35

35

36

37

38

40

40

44

45

46

47

50

50

51

51

52

52

53

14

4.4.3 Combustión completa y aire en exceso

4.4.4 Razón Aire – Combustible (AC)

4.4.5 Resistencia de la mezcla

4.5 ANALISIS TERMODINÁMICO DEL PROCESO DE COMBUSTIÓNDEL GLP EN EL HORNO

4.5.1 Limitaciones de los análisis estequiométricos

4.5.2 Análisis según la primera ley del proceso de combustión del GLP

4.5.2.1 Análisis de la primera ley de sistemas reactivos

4.5.2.1.1 Sistemas de flujo permanente

4.5.3 Calor generado por 1 Kmol de GLP en las condiciones de operación

4.5.4 Temperatura de llama adiabática en el proceso de operación del horno

4.5.5 Análisis según la segunda ley del proceso de combustión en el horno

4.5.5.1 Cambio de entropía de sistemas reactivos aplicado al proceso de combustión

5. QUEMADORES

5.1 INTRODUCCION

5.2 GENERALIDADES DE LA COMBUSTIÓN INDUSTRIAL

5.2.1 Requisitos básicos de la combustión industrial

5.2.1.1 Campo de regulación

5.2.1.2 Estabilidad de operación

5.2.1.3 Forma y dimensiones de la llama

5.2.1.4 Espacio necesario para la combustión

5.2.1.5 Sistemas de protección y automatismos

5.3 LLAMAS, CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES

5.3.1 Condiciones límites para que se produzca la llama

pag.

54

56

57

58

58

59

59

59

61

64

65

65

69

69

69

70

70

70

71

71

71

72

73

15

5.3.2 Tipos de llama

5.3.3 Llamas premezcladas

5.3.4 Llamas de difusión

5.4 QUEMADORES DE GAS

5.4.1 Clasificación de los quemadores de gas

5.4.1.1 Quemadores con llamas de difusión.

5.4.1.2 Quemadores de premezclado parcial

5.4.1.3 Quemadores con premezclado total

5.5 DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LOS QUEMADORES

5.5.1 Generalidades

5.5.2 Mecánica de fluidos aplicada a instalaciones de combustión

5.5.3 Quemadores atmosféricos (Venturi)

5.5.3.1 Inyectores

5.5.3.2 Importancia del inyector para la combustión

5.5.3.3 Cámara y tubo de mezcla

5.5.3.4 Longitud del tubo de mezcla

5.5.4 Dimensionamiento de los quemadores del horno

6. TRATAMIENTOS TERMICOS

6.1 DEFINICION

6.1.1 Calentamiento del metal

6.1.2 Tiempo de permanencia

6.1.3 Velocidad de calentamiento

6.1.4 Velocidad de enfriamiento

6.2 TEMPLE DEL ACERO

pag.

74

75

75

76

78

78

79

80

81

81

82

83

84

85

86

86

87

89

89

90

90

91

92

95

16

6.2.1 Tipos de temple

6.2.1.1 Temple normal o martensítico

6.2.1.2 Temple escalonado

6.2.1.3 Martempering

6.2.1.4 Austempering

6.2.2 Calentamiento

6.2.3 Temperatura de austenización

6.2.4 Tiempo de sostenimiento

6.2.5 Modos de enfriamiento

6.3 REVENIDO

6.3.1 Calentamiento hasta la temperatura

6.3.2 Tiempo de permanencia

6.4 RECOCIDO

6.4.1 Recocido de ablandamiento

6.4.2 Recocido isotérmico

6.4.3 Recocido para eliminar tensiones

6.4.4 Recocido de recristalización

6.5 NORMALIZADO

6.5.1 Procedimiento

7. INSTRUMENTOS DE CONTROL Y MEDIDA

7.1 VALVULA REDUCTORA DE PRESION

7.2 VALVULAS SOLENOIDES

7.3 SISTEMAS DE MEDICION Y CONTROL DE TEMPERATURA

7.3.1 Termocupla

pag.

96

96

97

98

99

100

102

103

105

106

107

108

108

109

111

112

112

113

115

118

119

120

122

122

17

7.3.2 Indicador de temperatura

7.4 SISTEMAS DE IGNICION Y DETECCION DE LLAMA EN LOSQUEMADORES

7.4.1 Sistema de ignición

7.4.2 Sistema de detección de llama

7.4.2.1 Detectores de ionización - rectificación

7.5 SISTEMA DE PURGA

7.6 VALVULA DE CONTROL

7.7 PROGRAMADOR

8. MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA

8.1 DETALLES DE FABRICACION

8.2 PUESTA EN MARCHA

9. CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

ANEXOS

pag.

123

124

124

125

125

128

129

131

133

133

135

136

138

139