Gestión eficiente del coque en hornos industriales: Estrategias de Decoking y Spalling

Introducción

Los hornos industriales son equipos clave en la industria de la refinación del petróleo, diseñados para proporcionar calor controlado a fluidos o gases y facilitar diversas reacciones químicas y procesos de separación. La función principal de un horno industrial es transformar el petróleo crudo en fracciones más ligeras y valiosas, como la gasolina, el diésel y productos petroquímicos. Para lograr una operación eficiente, el horno industrial está compuesto por varios elementos fundamentales. La optimización de estos componentes es esencial para garantizar su máximo rendimiento. Entre los elementos clave se encuentran:

1. Cámara de combustión: Es el corazón del horno, donde se quema el combustible (generalmente gas natural, aceite o una combinación de ambos) para generar calor. La temperatura en esta cámara puede alcanzar niveles extremadamente altos, dependiendo del proceso requerido. El diseño de la cámara está optimizado para distribuir el calor uniformemente y evitar puntos calientes que puedan dañar los equipos.
2. Tuberías internas (coil): Dentro del horno, los fluidos o gases que se desean calentar circulan a través de una serie de tuberías o bobinas que están en contacto directo con el calor generado en la cámara de combustión. Las bobinas están diseñadas para soportar altas presiones y temperaturas, y son significativos fundamentales para transferir el calor al fluido de manera eficiente.
3. Quemadores: Son los dispositivos responsables de la combustión del combustible en la cámara. Los quemadores están diseñados para mezclar el combustible y el aire de manera precisa, optimizando la combustión y maximizando la eficiencia energética.
4. Aislamiento térmico: El revestimiento interno del horno está compuesto por materiales aislantes que evitan que el calor se escape de la cámara de combustión. Esto no solo mejora la eficiencia térmica del horno, sino que también protege las estructuras externas del horno de los daños por calor.
5. Chimenea o escape de gases: Después de que se produce la combustión, los gases residuales son expulsados a través de una chimenea. Es fundamental contar con un sistema de escape bien diseñado para eliminar de manera segura los gases calientes y subproductos de la combustión.

El propósito de este artículo es analizar los factores que contribuyen a la formación de coque, un subproducto que impacta negativamente en la eficiencia y la seguridad operativa de los hornos industriales y otros activos clave en la refinación de petróleo. La acumulación de coque reduce la capacidad de transferencia de calor en los hornos, aumenta los costos operativos y el riesgo de fallos en los equipos.

A continuación, exploraremos en detalle los equipos más afectados por la formación de coque, así como las estrategias avanzadas de mantenimiento, como el decoking y el spalling, que son esenciales para mantener una operación eficiente.

Activos industriales propensos a la formación de coque 

En la industria de la refinación, los hornos industriales son los activos más susceptibles a la formación de coque debido a las altas temperaturas necesarias para procesar crudos pesados. A continuación se detallan algunos de los activos clave que enfrentan este desafío:

1. Hornos de vacío: Son utilizados para destilar crudos pesados y residuos, operando a altas temperaturas para separar fracciones más ligeras. Las altas temperaturas y el tiempo prolongado de contacto con los hidrocarburos pesados promueven la formación de coque en las paredes internas de los tubos.
2. Hornos de visbreakers: Estos hornos están diseñados para reducir la viscosidad del crudo, pero al hacerlo, también incrementan el riesgo de formación de coque debido a las temperaturas elevadas de salida de la bobina (COT – Coil Outlet Temperature). En estos sistemas, las temperaturas típicas oscilan entre los 750°F y los 800°F.
3. Hornos de cracking y coquización retardada: Los hidrocarburos pesados en los hornos son descompuestos en productos más ligeros. Sin embargo, las altas temperaturas necesarias para lograr esta descomposición generan grandes cantidades de coque, que deben ser eliminadas regularmente para evitar la obstrucción de los tubos.
4. Hornos de alto vacío: Usados para destilar crudos pesados bajo condiciones de vacío, son propensos a la formación de coque debido a los compuestos pesados en el crudo. A pesar de operar a menores temperaturas, la acumulación de coque en los tubos es común, lo que afecta la eficiencia del horno y requiere decoking frecuente para mantener un rendimiento óptimo.
5. Líneas de transferencia: Durante el proceso de transporte del crudo y los subproductos a través de la planta, los hornos, y las líneas de transferencia de productos calientes acumulan coque, reduciendo la eficiencia o incluso bloquear el flujo.

La identificación de estos activos es importante, ya que permite focalizar las estrategias de mantenimiento para minimizar la formación de coque y mejorar la eficiencia operativa. A continuación, se explican algunos términos técnicos importantes que ayudarán a comprender mejor las técnicas de eliminación de coque.

Definición de términos técnicos relacionados con el coque 

• CCR (Conradson Carbon Residue): El CCR es un indicador del contenido de carbono residual en una alimentación de crudo. A mayor porcentaje de CCR, mayor es la probabilidad de que el crudo forme coque en los hornos.
• COT (Coil Outlet Temperature): La temperatura de salida de la bobina se refiere a la temperatura a la que el fluido sale del tubo del horno. A medida que se forma el coque, el COT tiende a aumentar debido a la pérdida de eficiencia térmica.
• Spalling (Decapado térmico o delaminado térmico): Es un proceso mediante el cual se aplica calor o cambios bruscos de temperatura para provocar la expansión y contracción térmica de los tubos, lo que permite que el coque se desprenda de las superficies internas.
• Decoking: Es el proceso de limpieza de los tubos de un horno para eliminar la acumulación de coque. Puede realizarse de forma mecánica o térmica (spalling), y es esencial para mantener la eficiencia operativa del horno.
• Coil (bobina o serpentin): Es el conjunto de tuberías que transfiere calor al fluido o gas para procesos de calentamiento y reacciones químicas.
• El pigging: Es una técnica de limpieza que utiliza dispositivos llamados “pigs” o “cochinos” para remover depósitos de coque de las tuberías internas. Además, los pigs inteligentes recopilan datos sobre la corrosión, desgaste y posibles obstrucciones en los tubos.

El proceso de Decoking: Técnicas y estrategias 

El decoking es un proceso esencial para eliminar el coque acumulado en los hornos industriales y otros activos clave. Existen varias técnicas de decoking, que pueden dividirse en dos grandes categorías: decoking mecánico y térmico.

• Decoking mecánico: En este método, se utilizan herramientas especializadas como los pigs inteligentes, que se insertan en los tubos para raspar el coque de las paredes internas. Los pigs inteligentes no solo limpian los tubos, sino que también recopilan datos sobre la condición interna del sistema, lo que permite identificar áreas donde la acumulación de coque es más severa y puede haber daños en el equipo.
• Spalling térmico: Esta técnica utiliza cambios bruscos de temperatura para eliminar el coque. El proceso comienza con una reducción controlada de la temperatura del horno, seguida de la inyección de vapor o agua a alta presión. La expansión y contracción térmica que se genera durante este proceso provoca que el coque se desprenda de las superficies internas de los tubos.

Descubre cómo el decoking mecánico mejora la eficiencia de los hornos industriales en este video cortesía de CR3 Group:

Comprender éstas técnicas es vital, ya que su correcta implementación asegura la prolongación de la vida útil de los equipos y evita daños costosos. Además, varios factores influyen en la eficacia de estos métodos, como se detallará a continuación.

Factores clave que afectan la formación y eliminación del coque en hornos industriales

1. Temperatura: El control de esta variable es fundamental; la temperatura en los tubos juega un papel significativo en la formación y eliminación del coque. A medida que el coque se acumula, la temperatura de la piel del tubo aumenta, lo que puede afectar la eficiencia del horno. Mantener la temperatura durante el decoking es necesario para evitar daños y asegurar una limpieza eficaz.
2. Composición de la alimentación: Alimentaciones con alto contenido de metales, sodio o compuestos pesados son más propensas a formar coque. Reducir estos elementos en la alimentación puede disminuir la tasa de formación de coque.
3. Velocidad del fluido y tiempo de residencia: La velocidad del fluido dentro de los tubos afecta el tiempo de residencia de los precursores del coque en las paredes de los tubos. Altas velocidades ayudan a reducir el tiempo de residencia, lo que disminuye la posibilidad de formación de coque.

Con una comprensión clara de estos factores, es posible optimizar las tecnologías que permiten una eliminación más eficiente del coque, como veremos a continuación.

Tecnologías y mejores prácticas en el Spalling y Decoking 

Las tecnologías emergentes han transformado radicalmente el proceso de decoking y spalling, ofreciendo nuevas herramientas para mejorar la eficiencia y reducir el tiempo de inactividad de los hornos industriales. Entre las innovaciones más destacadas está el uso de sistemas de monitoreo infrarrojo, que permiten un control en tiempo real de las temperaturas a lo largo de los tubos del horno.

Estos sistemas infrarrojos detectan de manera precisa los puntos calientes y las áreas donde la acumulación de coque es más severa. Al monitorear continuamente los cambios en la temperatura, los operadores pueden intervenir antes de que el coque cause daños significativos o interrumpa las operaciones, lo que resulta en una reducción considerable del tiempo de inactividad.

Estos sistemas también ayudan a optimizar los ciclos de mantenimiento, permitiendo que el decoking se realice en el momento más adecuado, maximizando la eficiencia del proceso y minimizando los riesgos de sobrecalentamiento o fallos estructurales.

Otra innovación clave en el proceso de decoking son los pigs inteligentes. Estos dispositivos se insertan en las tuberías del horno y, además de eliminar el coque acumulado mediante raspado, recopilan datos detallados sobre el estado interno de los tubos. Los pigs o cerdos inteligentes están equipados con sensores que miden el grosor de las paredes del tubo, identifican áreas con mayor corrosión o desgaste, y detectan posibles obstrucciones. Esta información es fundamental para que los operadores puedan realizar un mantenimiento proactivo, anticipándose a fallos antes de que ocurran.

Además, los datos generados por los pigs inteligentes permiten planificar los ciclos de decoking con mayor precisión, optimizando la frecuencia de limpieza y mejorando la longevidad de los hornos. Con el análisis detallado de las condiciones internas de los tubos, se pueden implementar estrategias preventivas, como ajustar las temperaturas de operación o modificar la composición de la alimentación, lo que contribuye a reducir la formación de coque en el futuro.

Estas tecnologías permiten que los operadores tomen decisiones informadas sobre el mantenimiento, reduciendo tanto el tiempo de inactividad como los riesgos asociados a la formación de coque.

Conclusiones

La gestión eficiente del coque en hornos industriales es importante para garantizar la continuidad operativa, reducir costos y prolongar la vida útil de los equipos. La acumulación de coque, si no se aborda adecuadamente, puede comprometer la integridad del horno, disminuir la eficiencia térmica y aumentar los riesgos de fallos catastróficos. Sin embargo, mediante la implementación de técnicas avanzadas de decoking y spalling, así como la adopción de tecnologías emergentes como el monitoreo infrarrojo y los pigs inteligentes, las refinerías pueden enfrentar problemas asociados de una forma más eficiente. este desafío de manera más efectiva.

El uso estratégico de nuevas tecnologías garantiza: seguridad, rendimiento operativo, y ayuda a las plantas a maximizar la productividad y reducir el impacto económico asociado a la formación de coque. Un enfoque preventivo y proactivo es clave para el éxito a largo plazo en la operación de hornos industriales.

Estas estrategias permiten una intervención más precisa y eficiente, optimizando los ciclos de mantenimiento y minimizando el tiempo de inactividad. En conjunto, el uso de estas tecnologías no solo garantiza la seguridad y el rendimiento operativo, sino que también ayuda a las plantas a maximizar la productividad y reducir el impacto económico asociado a la formación de coque. Un enfoque preventivo y proactivo es clave para el éxito a largo plazo en la operación de hornos industriales.

Referencias

Fuente propia