1. Balances de Materia y Energía

Los balances de materia y de energía para el proceso Claus son muy difíciles de plantear por la gran cantidad de variables que involucran entre las que están las distintas especies de Azufre producido (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 y S8) y el gas acido alimentado el cual contiene hidrocarburos, CO2, amoniaco, entre otros. Para estos cálculos el uso de simuladores computarizados (como es el caso de los simuladores comerciales Sulsim de Western Research y TSweet® de Bryan Research and Engineering BR&E) son la solución para evaluar las condiciones de equilibro y las composiciones en cada una de las etapa del proceso Claus.

Para efectos de nuestro estudio y por motivos de practicidad los balances de materia y energía se plantearan como una aproximación de cuanta cantidad de Flujo Molar (Mol/hr) podría producir una planta Claus bajo ciertas condiciones de presión y temperatura y los cambios en la Entalpia (KW) a las salidas de cada etapa.

Tomando como ejemplo de Gas Acido a un corriente con las características que se muestra en la Tabla 7 y la cual es alimentada a una planta Claus a una velocidad de flujo de 100 LT/d (toneladas métricas/ día) los resultados aproximados obtenidos serian:

Gas Acido alimentado @ 30°C y 1,40 AtmCompuesto % Molar Mol/hr

H2S 60,65 291,06CO2 32,17 154,39H2O 6,20 29,75

Hidrocarburos (CH4) 0,98 4,71Total 100,00 479,91

Tabla 7.- Composición del Gas Acido en la Alimentación.

7.1.- Sección de Combustión (Horno de Reacción):

De acuerdo a las reacciones antes explicadas, la cantidad de oxigeno (en forma de aire es la siguiente:

Compuesto Alimentación (Mol/hr) Aire (Mol/hr)H2S 291,06 ----CO2 154,39 ----H2O 29,75 ----O2 ---- 154,95N2 ---- 582,65

Hidrocarburos (CH4) 4,71 -

Total 479,91 759,51Tabla 8- Flujos de Entrada al Horno de Reacción.

Una vez producida la combustión dentro del horno, la temperatura se eleva a aproximadamente 1150°C, la cual es la temperatura optima en donde ocurre el equilibrio químico para que se queme 1/3 del H2S de la alimentación. La mezcla de gases producidos pudiese tener una composición aproximada a la que muestra la Tabla 9, en esta parte se asume que la producción de COS y CS2 es nula.

Compuestos Productos de la Combustión (Mol/hr)

H2S 64,04

CO2 159,10

H2O 288,10

SO2 32,02

N2 582,65

S2 97,50

Total 1223,41

Caída de Presión P (Atm) 0,1

Tabla 10- Composición del gas acido producto de la combustión.

Corriente Entalpia (KW)Alimentación 91

Aire para Combustión 230Combustión de 1/3 de H2S 73.874

Combustión del HC 5.548Reacción Claus -4.525

Energía Total requerida 75.218Tabla 11 Balance de Energía en el Horno de Reacción.

7.2.- Caldera

Asumiendo que la Caldera produce vapor de alta presión (18 Atm) esto significa que la temperatura al interior de la caldera es de aproximadamente 350°C. A esta temperatura siguen ocurriendo reacciones en donde una pequeña parte de H2S y la gran parte del S2 se asocia y se transforma en S6 y S8. Los balances de materia y energía se presentan en la Tabla 12.

Compuestos Mol/hr KW

H2S 58,04 1.148CO2 159,10 3.722H2O 294,10 5.593SO2 29,02 711N2 582,65 9.372S2 0,14 3S6 12,98 620S8 15,73 978

Total 1151,76 22.147H - -53.071

Tabla 12- Balance de Materia y Energía en la Caldera.

7.3.- Condensador:

La condensación ocurre generalmente a una temperatura cercana a los 160°C. Los moles de Azufre que se han producido deben condensar a esta temperatura. En la siguiente tabla se muestra los balances de materia y energía para esta unidad:

Compuestos Mol/hr KWH2S 58,04 524CO2 159,10 1.641H2O 294,10 2.596SO2 29,02 317N2 582,65 4.412S2 ---- ----S6 0,26 3S8 0,75 24

Total 1123,92 9.517H ---- - 12.630

Tabla 13- Balances de Materia y Energía para el Condensador

7.4.- Recalentador:

Una de las funciones principales del recalentamiento es mantener al gas sobre el punto de roció de a través del lecho catalítico. Esto permite que una parte del H2S presente en la alimentación (cerca del 20%) se transforme a Azufre elemental en el reactor catalítico. Los gases que entran al recalentador salen entre 230 – 250°C.

Los balances de masa y energía para esta etapa se muestran en la siguiente tabla:

Compuestos Mol/hr KWH2S 58,04 741CO2 159,10 2.356H2O 294,10 3.646

SO2 29,02 453N2 582,65 6.165S2 ---- ----S6 0,26 8S8 0,75 31

Total 1149,37 13.400H ---- 3.883

Tabla 14- Balances de Materia y Energía para el Calentador.

7.5.- Convertidor Catalítico:

Los convertidores catalíticos trabajan bajo temperaturas de entre 200 – 350°C y dentro de su interior el equilibrio químico favorece la formación de las especies S2, S6 y S8. Para el presente ejemplo la temperatura en el interior del reactor es cercana a los 290°C. En las siguientes tablas se muestra una aproximación de los balances de masa y energía para esta etapa del proceso Claus.

Compuestos Mol/hr KWH2S 19,34 306CO2 159,10 2.952H2O 332,80 5.095SO2 9,67 189N2 582,65 7.582S2 ---- ----S6 3,05 118S8 5,79 290

Total 1112,40 16.532H ---- 3.132

Tabla 15- Balances de Materia y Energía para el Convertidor Catalítico.

Estos paso se repiten por el número de etapas que contengan el proceso Claus. Por experiencia se conoce que un proceso Claus con tres reactores catalíticos puede generar una eficiencia en la conversión de hasta el 97%. Para ejemplo presentado y luego de tres etapas catalíticas la composición de los gases de cola a 135°C es:

Compuestos Mol/hr KWH2S 3,88 30CO2 159,10 1.362H2O 348,26 2.580SO2 1,94 18N2 582,65 3.715S6 0,02 0,5

S8 0,22 5,5Sliq 1,40 -18

Total 1097,47 7.693Tabla 16.- Composición del Gas de Cola.

Esta es la alimentación del incinerador, si se asume que el gas de cola no necesita un tratamiento antes de ser incinerado y enviado a la atmosfera. Se asume 50% de exceso de aire (basado en la cantidad de combustible, en este caso C1) y una temperatura de combustión aproximadamente de 520°C. La cantidad de aire requerido y de combustible se muestra en la Tabla 17.

Compuestos

Alimentación @135°C Aire @ 25°C Combustible @ 25°CMol/hr KW Mol/hr KW Mol/hr KW

H2S 3,88 30 ---- ---- 10,0 20CO2 159,10 1.362 ---- ---- ---- ----H2O 348,26 2.580 4,24 9 ---- ----SO2 1,94 18 ---- ---- ---- ----N2 582,65 3.715 112,81 182 ---- ----S6 0,02 0,5 ---- ---- ---- ----S8 0,22 5,5 ---- ---- ---- ----Sliq 1,40 -18 ---- ---- ---- ----O2 ---- ---- 30,0 48 ---- ----

Total 1097,47 7.693 147,05 239 10,0 20Tabla 17 Alimentación del Incinerador.

Una vez completa la combustión en el incinerador los productos a la salida del mechurrio y que luego son descargados a la atmosfera es la siguiente:

Compuestos % MolarCO2 12,04H2O 27,09SO2 0,61N2 58,51O2 1,75

Total 100,00Tabla 17 Composición de los Gases enviados a la Atmosfera (Salida del Mechurrio).

Balance de Energía Entalpia (KW)Cantidad de Calor que ingresa:

CombustibleAire

Combustión del HC

20239

11.781Cantidad de Calor que sale:

Calor neto liberado por el combustible 3.958

Total 15.998 ~ 16.000Tabla 19 Balance de Energía a la salida de la Planta Claus.