INVIETIGACION OPERATIVA

7/25/2019 INVIETIGACION OPERATIVA

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Asignatura: INVESTIGACIN DE OPERACIONES Grupo ACarrera: Ingeniera Gas & Petrleo

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FICHA DE IDENTIFICACIN DE TRABAJO DE INVESTIGACIN

Ttulo: Mejoramiento del proceso de recuperacin de Azufre de una refineraAutor: MARCOS MUOZ SINACASFecha: 23/05/2016Cdigo de estudiante: 201010161Carrera: Ing. En Gas y PetrleoAsignatura: INVESTIGACIN DE OPERACIONESGrupo: ADocente: Ing. Edwin Windsor Jara AriasPeriodo Acadmico: 7mo. SemestreSubsede: Cochabamba-Sacaba

Copyright (AO) por (NOMBRES DE ESTUDIANTES). Todos los derechosreservados.


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Ttulo: MEJORAMIENTO DEL PROCESO DE RECUPERACIN DE AZUFRE DE UNA REFINERAAutor: Marcos Muoz Siancas__________________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________________Asignatura: INVESTIGACIN DE OPERACIONES Grupo A

Carrera: Ingeniera Gas & Petrleo

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ndice

1. Resumen ......................................................................................................................3

2. Introduccin .................................................................................................................4

3. Marco terico ...............................................................................................................6

4. Definicin del problema ............................................................................................29

5. Objetivo de la investigacin ......................................................................................30

6. METODOLOGA ......................................................................................................31

7. Resultados ..................................................................................................................44

8. Concusin ..................................................................................................................65

9. Recomendacin .........................................................................................................67

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ..............................................................................69


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1. Resumen

Debido a las restricciones ambientales, fue necesario mejorar el proceso actual de

recuperacin de azufre con la incorporacin de un tercer reactor Claus en serie a las Plantas

Recuperadoras de Azufre (PRA) de la Refinera de Cardn, para as disminuir la cantidad

de H2S que va al incinerador en 1,14% y con ello incrementar el porcentaje de recobro de

azufre en un 2,2%. Estos porcentajes se obtuvieron al realizar simulaciones de las PRA

con dos y tres reactores tipo Claus en serie mediante las herramientas SULSIM y PRO/II.

De igual manera, motivado a que las PRA operan con un solo incinerador para oxidar el

gas de cola que sale de dichas plantas, fue necesario efectuar simulaciones para los

diferentes escenarios de operacin esperados en la etapa de incineracin, utilizando como

entrada la corriente de gas de cola resultante de las simulaciones realizadas de las plantasrecuperadoras, con la finalidad de desarrollar la ingeniera conceptual para el diseo de

una nueva unidad incineradora a operar en las plantas. La incineracin trmica fue utilizada

como la tecnologa del nuevo incinerador. Al emplear dos incineradores se obtiene mayor

flexibilidad operacional, ya que estos equipos pueden ser objeto de mantenimiento o

reparacin, sin involucrar una parada general de los dos trenes de azufre y el envo de todo

el gas cido y agrio al ambiente. De la corriente de gas de cola obtenida de las simulaciones

de las plantas de azufre y de la simulacin efectuada a la etapa de incineracin para las

condiciones de operacin actual, se obtuvo que la cantidad resultante de SO2emitido al

ambiente disminuye en 40,54% por la incorporacin de un tercer reactor tipo Claus en

serie.

Palabras Clave: Mejoramiento, recuperacin, Claus, azufre.


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2. Introduccin

Las plantas recuperadoras de azufre (PRA-2/3) del Centro Refinador Paraguan (CRP-

Cardn) fueron diseadas inicialmente para operar con tres (3) trenes de recuperacin ydos (2) unidades incineradoras, pero dentro del alcance del Proyecto de Adecuacin de la

Refinera Cardn (PARC) no se consider la instalacin de una segunda planta

Hidrodesulfuradora (HDS-2) por razones tcnico-econmicas. Por tal razn, se revis y

modific el esquema original del sistema de recuperacin de azufre hasta obtener el

esquema actual, el cual consta de dos trenes de recuperacin y solo un incinerador.

Actualmente las plantas recuperadoras de azufre (PRA-2/3) ubicadas en la refinera Cardn

del Centro de Refinacin Paraguan (CRP), operan con un solo incinerador para quemar

el gas de proceso (gas de cola) que sale de dichas plantas, lo cual convierte el sulfuro de

hidrgeno (H2S) residual y el vapor de azufre en dixido de azufre (SO2) en presencia de

oxgeno (O2). Al contar con slo un incinerador, este equipo no puede ser objeto de

mantenimiento o reparacin, sin involucrar una parada general de los dos trenes de azufre

y el envo de todo el gas cido proveniente de las unidades de tratamiento con amina y del

gas de proceso de las despojadoras de aguas agrias al ambiente. Conocidos los lmites de

emisin, lo anterior sera inaceptable.

Debido a tales restricciones, es necesario mejorar el proceso actual de recuperacin de

azufre para disminuir la cantidad de H2S que va al incinerador y con ello la cantidad

resultante de SO2 emitido al ambiente. Hoy por hoy, el proceso de recuperacin consta de

solo dos reactores Claus por unidad, con lo que difcilmente se logra cumplir con las

regulaciones ambientales, hacindose obligatorio el mejoramiento de la operacin para

poder cumplir efectivamente con los requerimientos medioambientales.

El gas de cola presente aguas abajo de las unidades de recuperacin de azufre SRU-2/3

(por sus siglas en ingls) contiene an cantidades elevadas de H2S, por lo que dicho gasdebe ser incinerado con el fin de convertir, en dixido de azufre (SO2), ese sulfuro de

hidrgeno (H2S) residual, como tambin compuestos azufrados como el disulfuro de

carbono (CS2) y sulfuro de carbonilo (COS) principalmente, adems del vapor de azufre

(Sn), esto para cumplir con las regulaciones establecidas en cuanto a emisiones de

contaminantes a la atmsfera. Mejorando el proceso actual de recuperacin de azufre y/o


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tratamiento de gas de cola se facilitar la disminucin del sulfuro de hidrgeno residual

presente en la corriente de alimentacin al incinerador, resultando en una menor cantidad

de dixido de azufre en las emisiones al ambiente. Adems, debe existir un sistema de

respaldo para la incineracin de los gases de proceso (gas de cola) en caso de que, la unidad

actual est fuera de operacin por alguna falla imprevista o por mantenimiento

programado, de lo contrario se tendran que parar las unidades recuperadoras de azufre con

la consecuente quema del gas cido directamente en el mechurrio.

Por lo anterior, se desarrolla la ingeniera conceptual para el diseo de un nuevo

incinerador a operar en las plantas recuperadoras de azufre a partir de diferentes escenarios

de alimentacin a este equipo, los cuales se plantean considerando las condiciones de

diseo del incinerador actualmente en operacin, as como las condiciones de operacin

actuales y futuras en la etapa de incineracin. Por otra parte, se evala la eficiencia en larecuperacin de azufre con la puesta en funcionamiento de un tercer reactor Claus en serie

en cada planta, con lo que se puede disminuir la cantidad de sulfuro de hidrgeno presente

en el gas de cola y por ende la cantidad de SO2 que va al ambiente.

Por lo anteriormente expuesto, este proyecto se justifica al disminuir el impacto ambiental

por la instalacin de un tercer reactor Claus en serie en las plantas y de un incinerador

adicional comn a ambas que logre independizar completamente los trenes de azufre e

incremente la confiabilidad operacional de las unidades recuperadoras de azufre.

En el Captulo I se presenta la base terica del proceso Claus de recuperacin de azufre,

as como la descripcin del proceso llevado a cabo en la refinera y las caractersticas de

los simuladores de procesos utilizados (SULSIM y PRO/II) para el desarrollo de este

proyecto. Por otra parte, en el Captulo II se muestran las etapas de la metodologa

empleada y en el Captulo

III los resultados alcanzados en el transcurso de las actividades llevadas a cabo y la

discusin de los mismos, mientras que en los Captulos IV y V pueden apreciarse las

conclusiones del trabajo y las recomendaciones emitidas.


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3. Marco terico

Recuperacin de azufre

El azufre est presente en el gas natural principalmente como sulfuro de hidrgeno

(H2S). Este H2S, junto a una parte o todo el dixido de carbono (CO2) presente, es

removido del gas natural o gas de refinera por medio de un proceso de tratamiento, y el

H2S an presente en el gas cido se incinera o se alimenta a una unidad de recuperacin

de azufre.1Existen muchos procesos disponibles para la produccin o recuperacin de

azufre a partir del sulfuro de hidrgeno. Algunos de estos procesos fueron diseados con

la intencin de producir azufre, mientras que en otros, fueron desarrollados con el

propsito principal de remover H2S de una corriente de gas, siendo la recuperacin de

azufre simplemente un resultado secundario del proceso.2 Dicha recuperacin puedellevarse a cabo por medio del proceso Claus modificado.

Proceso Claus

El proceso Claus es el mejor y ms ampliamente usado para la produccin de azufre

en la industria.2,3 El proceso Claus usado hoy, el cual es el soporte principal de las

industrias de refinacin y procesamiento de gas para la conversin de H2S a azufre

elemental y agua,4es una modificacin de un proceso usado primeramente en 1883, donde

el H2S reaccionaba sobre un catalizador (bauxita o mineral de hierro) con el aire (oxgeno)

para formar azufre elemental y agua1,2mediante la reaccin:

H 2S +3/ 2O2 S +H 2O (1)

El control de esta reaccin altamente exotrmica era difcil y las eficiencias en la

recuperacin de azufre eran bajas.1Para superar estas deficiencias deproceso se desarroll

una modificacin del proceso Claus que fue presentada en 1936. En la modificacin, la

reaccin global estaba separada en:

a)

una seccin de reaccin altamente exotrmica o reaccin de combustin (Trmica), en

la que, la mayora del calor que se genera de quemar un tercio (1/3) del H2S, formando

SO2y H2O (reaccin 2), y esencialmente el 100% de cualquier hidrocarburo y otros

combustibles presentes en la alimentacin1-8es liberado y removido

b)

una seccin de reaccin cataltica moderadamente exotrmica, en la que el


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Dixido de azufre (SO2) formado en la seccin de combustin reacciona con el H2S no

quemado para formar azufre elemental1, 2,4-6(reaccin 3).

Las principales reacciones que tienen lugar son entonces:

Seccin de reaccin trmica

H 2S + 3/2O2 SO2+ H 2O (2) HR@ 298,15 K -235225,54 KJ

Secciones de reaccin de combustin y reaccin cataltica

2H 2S + SO2 3/XS X+ 2H 2O(3) HR@ 298,15 K - 43544,67 KJ

Reaccin global

3H 2S + 3/2O2 3/XS X + 3H 2O (4) HR@ 298,15 K -278770,21 KJ

Esta es una interpretacin simplificada de la reaccin que se lleva a cabo actualmente en

una unidad Claus. El equilibrio de la reaccin es complicado por la existencia de varias

especies de azufres gaseosos (S2, S6y S8), donde las concentraciones de equilibrio respecto

a cada una de ellas, no son precisamente conocidas1,8para el rango entero de condiciones

del proceso. Adems, las reacciones laterales que involucran hidrocarburos, H 2S y el CO2

presente en el gas cido de alimentacin, pueden producir la formacin de sulfuro de

carbonilo (COS), disulfuro de carbono (CS2), monxido de carbono (CO) y H2

(hidrgeno).1,4-6,8,10

Para la composicin usual del gas de alimentacin a las plantas Claus, el arreglo delproceso Claus modificado resulta de temperaturas en la seccin trmica alrededor de

982,22 a 1370C (1800 a 2498F o 1255,37 a 1643,15K).1,2,10,11 La principal especie

molecular en este rango de temperatura es S2,1,4como puede verse en la Figura 1, por lo

que las condiciones parecen favorables para la formacin de azufre elemental por


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oxidacin directa de H2S (reaccin 5) en lugar de la reaccin Claus (reaccin 6),1como se

muestra a continuacin:

2H 2S + O2 S2+ 2H 2O (5) HR@ 298,15 K - 142548,16 KJ

2H 2S + SO2 3/ 2S2+ 2H 2O (6) HR@ 298,15 K 21508,75 KJ

Figura 1. Distribucin de especies de vapor de azufre.1

Sin embargo, mediciones de planta y laboratorio indican que predomina la oxidacin

altamente exotrmica de H2S a SO2 (reaccin 2) y la composicin de la mezcla de

equilibrio por lo tanto, es determinada por la reaccin Claus ligeramente endotrmica

(reaccin 6).1

La Figura 2, es una representacin grfica de la conversin en el equilibrio terico en

funcin de la temperatura. Las curvas en esta figura indican que se esperara que larecuperacin de azufre fuese ms baja para una alimentacin de gas de refinera que para

un gas de yacimiento debido al alto contenido de hidrocarburo. As mismo, la conversin

de equilibrio calculada para ambas alimentaciones de gas cido sigue un fiel

comportamiento a la curva idealizada para el H2S puro.1Adems, la conversin de H2S a


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azufre elemental es favorecida en el horno de reaccin por las altas temperaturas de

operacin mayores de 1800F (1255,37K)1-5,9-12y en los reactores catalticos por las bajas

temperaturas de operacin menores de 700F (644,26K).1, 2, 5,8-11,13

La seccin trmica o de combustin de la planta es seguida por una o ms etapas de

reaccin cataltica.1-5,8-10,13El azufre es condensado y separado de los gases de proceso

despus de la seccin de combustin y despus de cada etapa de reaccin cataltica para

mejorar la conversin de equilibrio.1,2,5,10,14Si bien la Figura 2, indica que la reaccin Claus

es favorecida a bajas temperaturas, los gases de proceso deben ser recalentados antes de

ser alimentados a la etapa de reaccin cataltica, para con ello mantener velocidades de

reaccin aceptables y asegurar que los gases de proceso permanezcan por encima del punto

de roco del azufre, para el momento de formarse azufre adicional. 1,10

Figura 2. Porcentaje de conversin en el equilibrio terico del sulfuro de hidrgeno a

azufre.1

En la prctica, la ms alta recuperacin de azufre mediante el proceso Claus se encuentra

entre 97-98% con el uso de 3 convertidores catalticos. Plantas con 2 convertidoresalcanzan tpicamente un porcentaje de recuperacin de 1,5% ms bajo que con 3

convertidores.15

La adicin de un reactor (convertidor) Claus adicional y un proceso de limpieza de gas de

cola (como SCOT o SuperClaus, por ejemplo) incrementan la recuperacin de azufre


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aunque a expensas de un leve incremento en los costos de capital. En la Figura 3, se

describe el incremento progresivo en los niveles de recuperacin de azufre para las

diferentes adiciones a la planta y un ndice de los costos asociados por dichas adiciones.

Figura 3. ndice de costos por porcentaje de recuperacin de azufre.15

Entre las ventajas delproceso Claus, se tiene:2

Tecnologa comprobada

Puede producir un azufre reluciente

Puede ser diseado para convertir COS presente y destruir NH 3 (amonaco) y HCN

(cianuro de hidrgeno)

Costos de operacin relativamente bajos debido al ahorro por produccin de vapor

Las desventajas incluyen:

Requiere de una corriente de alimentacin de gas cido relativamente rica en H2S,

usualmente ms de 15-20%, aunque alimentaciones ms bajas en concentracin

pueden ser manejadas en esquemas de proceso mas elaborados. La mxima recuperacin de azufre se encuentra alrededor de 97-98%, por lo que a

menudo se requiere de una subsecuente unidad de limpieza de gas de cola (tail gas

cleanup unit).

Variaciones del Proceso Claus


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Un gran nmero de variaciones del proceso Claus bsico han sido desarrolladas para

manejar un amplio rango de composiciones del gas de alimentacin, siendo los dos

esquemas de proceso ms comunes el diseo de Unidad directa (Straight-through) y el

diseo de Unidad con desvo o by-pass (Split-flow), los cuales se representan en las Figura

4 y 5, respectivamente. Siendo el primero, por medio del cual se obtienen las ms altas

eficiencias globales de recuperacin de azufre.1

Figura 4. Diagrama de Proceso Claus. Configuracin Straight-through.1

Tabla 1. Configuraciones de Plantas Claus.1,2

Concentracin de H2S % mol Variaciones Sugeridas del Proceso Claus

55-100 Straight-through

30-55 Straight-through o Straight-through con gas cido y/o

aire pre-calentado, enriquecimiento con oxgeno15-30 Split-flow o Straight-through con alimentacin y/o aire

pre-calentado

10-15 Split-flow con gas cido y/o aire

pre-calentado

5-10 Split-flow con combustible aadido o con gas cido y

aire pre-calentado, o oxidacin directa o reciclo de

azufre


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Figura 5. Diagrama de Proceso Claus. Configuracin Split-flow.1

Configuracin Straight-through

Operacin de Combustin

Bajo esta configuracin, la cual es la ms comnmente utilizada en las plantas

Claus opera bajo una atmsfera reducida, la totalidad de la corriente de gas cido pasaa travs del horno de reaccin con el suficiente oxgeno para, principalmente, convertir

slo 1/3 del H2S a SO2,1,2adems de quemar los hidrocarburos y amonaco presentes.

La combustin es llevada a cabo a una presin entre 122,04197,88 Kpa (3-14 psig),

dependiendo del nmero de reactores y si existe una unidad para el tratamiento de gas

de cola instalada aguas abajo de la planta Claus.1

Durante la combustin pueden tener lugar numerosas reacciones laterales, las cuales

producen hidrgeno, monxido de carbono, sulfuro de carbonilo y disulfuro de carbono.1,4-

6,8,10La ms probable fuente de H2parece ser la descomposicin trmica del H2S,1,10puesto

que la concentracin de H2 en el gas producto es aproximadamente proporcional a la

concentracin de H2S en el gas de alimentacin. Por otro lado, la formacin de CO, COS

y CS2esta relacionada a las cantidades de CO2y/o hidrocarburos presentes en el gas de

alimentacin.1,4,9

Convertidores Catalticos

La reaccin Claus es exotrmica a las temperaturas de los reactores, por lo que el

equilibrio de la reaccin es favorecido por las bajas temperaturas. Sin embargo, el COS y

el CS2hidrolizan de manera ms completa a mayores temperaturas1,2,5,9como se muestra

en la Figura 6. Por lo tanto, el primer reactor o convertidor cataltico es operado

normalmente a unas temperaturas suficientemente altas para promover la hidrlisis del

COS y el CS2,1,2,5,9mientras que el segundo y posible tercer reactor cataltico son operados


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a temperaturas slo lo suficientemente altas para obtener velocidades de reaccin

aceptables y evitar la deposicin del azufre lquido.1Una unidad Claus con 3 reactores

catalticos en operacin, operar con temperaturas de entrada a los mismos comprendidas

entre 505,15522,15K (232-249C) para el primer reactor, 472,15-494,15K (199-221C)

para el segundo y 461,15-483,15K (188-210C) para el tercero.1,

Figura 6. Hidrlisis de COS y CS2en convertidores de azufre.1

Manejo del Gas de Cola de la Unidad Claus

El gas de cola proveniente de la unidad Claus contiene, CO 2, CO, H2, H2S y SO2 sin

reaccionar, adems de COS, CS2, vapor de azufre y azufre lquido.1 Debido a las

limitaciones de equilibrio y prdidas de azufre existentes, la eficiencia global en la

recuperacin de azufre en una unidad Claus usualmente no excede de 96%. Descargar esta

corriente de gas de cola sin un procesamiento adicional es pocas veces permitido, siendo

normalmente la incineracin el mnimo requerimiento necesario. Dependiendo de las

dimensiones de la unidad Claus, el contenido de H2S en el gas de alimentacin y la

ubicacin geogrfica, puede ser requerido un proceso de limpieza del gas de cola con la

finalidad de reducir las emisiones de H2S y SO2a la atmsfera.1,15

Incineracin

La incineracin del sulfuro de hidrgeno, as como de otras formas de azufre como CS 2,

COS y Snpresentes en el gas de cola (gas de salida) de las plantas Claus, puede ser hecha

cataltica o trmicamente.1,16,17 La oxidacin trmica es llevada a cabo normalmente a


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presiones sub-atmosfricas y temperaturas entre 755,37K (900F o 482,22C) y 1088,71K

(1500F o 815,56C) en presencia de oxgeno en exceso. La corriente entera de gas de cola

debe ser incinerada a una temperatura suficientemente alta para alcanzar la oxidacin del

azufre y los componentes azufrados a SO2.1

La incineracin puede ser vista como un proceso que ocurre en tres pasos:

a)

Combustin primaria, en la cual, gas combustible es quemado con suficiente aire para

alcanzar combustin completa (etapa del quemador).

b)

En una segunda etapa, se adiciona aire en exceso (aire secundario) para alcanzar la

oxidacin completa del gas de desecho (etapa de la cmara de combustin).

c) Adicin de la corriente de desecho (gas de cola).

El combustible requerido para la incineracin trmica es determinado por la cantidad de

calor necesaria para calentar la mezcla de gas de cola de la planta Claus, el aire ycombustible a la temperatura requerida.1 Los tiempos de residencias comunes para la etapa

de combustin primaria son menores de 1 segundo, mientras que para la segunda etapa

(cmara de combustin) los tiempos de residencia oscilan entre 0,5 y 1,5 segundos.

Generalmente, a mayor tiempo de residencia, menor la temperatura requerida en el

incinerador para alcanzar los requerimientos ambientales. Esto se ilustra en la Figura 7, la

cual muestra la relacin entre el tiempo de residencia y la temperatura para que una

instalacin tpica alcance un mximo de 10ppmv de.

Figura 7. Relacin tpica entre el tiempo de residencia del incinerador y la temperatura

requerida.1


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Adems de los tres pasos mencionados antes, es conveniente considerar dos aspectos muy

importantes de la incineracin, la termodinmica y la cintica del proceso. La

termodinmica est relacionada con la energa asociada entre el estado inicial y final de la

reaccin, sin tener en cuenta tiempo o ruta. La cintica se relaciona al mecanismo de

interaccin y la proporcin de la reaccin.

Para que el proceso de incineracin sea completo, deben considerarse y favorecer ambos

aspectos.

Informacin del Proceso de la Refinera6

Visin general del proceso

El diseo de proceso original est basado en el Proceso SuperClaus. Este es una

combinacin del proceso Claus convencional y el proceso desarrollado para la oxidacin

selectiva de sulfuro de hidrgeno. Este proceso se aplica en dos unidades idnticasseparadas, identificadas como PRA-2/3, cada una diseada para una produccin de azufre

de 217 t/d.

La carga total hacia la planta es la suma del gas de proceso de las despojadoras de aguas

agrias (DAA-1/2/4) y el gas cido de las unidades de tratamiento con amina, ATU (Planta

Tratadora con Amina), DEA (Di-Etanol-Amina) y DIPA (Di-IsoPropanolAmina).

Cada unidad de azufre es capaz de operar a una tasa de flujo de gas de carga entre 100% y

40% de su carga de diseo y alcanzar una tasa de recuperacin de azufre de por lo menos

98,5% cuando se procesa la carga de diseo.

La planta est constituida por una seccin de recuperacin de azufre, basada en la

combustin parcial del sulfuro de hidrgeno, la seccin de desgasificacin de azufre, en la

cual se descomponen los polisulfuros y se libera el H2S parcialmente disuelto y la seccin

de incineracin en la cual todo el H2S es incinerado para su conversin a dixido de azufre.

Proceso de recuperacin de azufre

El proceso de recuperacin de azufre aplicado (Figura 8) est basado en la combustin

parcial de sulfuro de hidrgeno en relacin al flujo de aire controlado, el cual se mantiene

automticamente en la cantidad correcta para obtener la oxidacin completa de todos los

hidrocarburos y amonaco presentes en la carga de gas agrio.


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El mayor porcentaje de H2S residual se combina con el SO2para formar azufre de acuerdo

con la reaccin de equilibrio.

2H2S SO2 3S 2H2O Calor (7)

En esta reaccin, conocida como la reaccin Claus, se forma azufre en la fase de vapor en

el quemador.

Figura 8. Diagrama del proceso de recuperacin de azufre de la refinera(fuente propia).

Por otra parte, la funcin primaria de la caldera de calor residual es remover la mayor

cantidad de calor generado en la reaccin. La funcin secundaria de dicha caldera es

utilizar el calor arriba mencionado para producir vapor.

El gas de proceso pasa dentro del primer condensador de azufre, donde el azufre formado

se remueve del gas. El gas que sale del condensador de azufre todava contiene una parte

considerable de H2S y SO2, por lo tanto la funcin esencial del equipo siguiente es convertir

estos componentes en azufre.

En las etapas del primer y segundo reactor, el H2S y SO2 reaccionan nuevamente para

formar azufre pero esta vez a temperaturas ms bajas. En la etapa del tercer reactor

(SuperClaus) el H2S restante se convierte selectivamente en azufre. Por esta razn, es


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esencial que la combustin sea tal que, aguas abajo, la cantidad de SO2en la etapa del

segundo reactor sea mnima.

Antes de entrar al primer reactor, el flujo de gas de proceso se calienta con vapor de alta

presin para obtener la temperatura ptima para una mxima conversin. En el primer

reactor el H2S y el SO2reaccionan nuevamente hasta alcanzar el equilibrio (reaccin 7).

El gas efluente del primer reactor pasa al segundo condensador de azufre. Luego, el flujo

de gas de proceso est sujeto una vez ms al recalentamiento en un segundo recalentador,

despus pasa al segundo reactor donde se establece el equilibrio. El azufre se condensa en

el tercer condensador, mientras que el gas de proceso que proviene del tercer condensador

se enva hacia el tercer recalentador, despus pasa al tercer reactor. Antes que entre al

reactor, se aade una pequea cantidad de aire controlado y se obtiene una adecuada

combinacin en el mezclador esttico. En el reactor, el H2S reacciona con oxgeno y seconvierte en azufre de acuerdo con la reaccin:

H 2S +1/2O2 S +H 2O +Calor (8)

El azufre se condensa en el cuarto condensador. Un separador de azufre se instala aguas

abajo del ltimo condensador para separar la neblina de azufre atrapada. El azufre

condensado y separado en los condensadores y el separador se drena a las trampas hacia el

recipiente de desgasificacin.

En el recipiente de desgasificacin, el azufre lquido circula mediante una bomba de

circulacin. Se burbujea aire caliente a travs del azufre lquido y el aire de barrido fluye

a travs del recipiente para liberar aproximadamente 250 ppm de H 2S del azufre lquido y

quemarlo en el incinerador.

El gas de proceso del separador, llamado ahora gas de cola, va hacia el incinerador donde

se une con el gas de barrido del desgasificador y con el aire del sistema de oxidacin.

El calor producido en el incinerador se utiliza en una caldera de calor residual para producir

y sobrecalentar el vapor de media presin. El gas de cola, ahora llamado gas de chimenea,

es enviado a la chimenea.

Un analizador de oxgeno, en la salida del generador de vapor de recuperacin de calor,

analiza continuamente el contenido de oxgeno en el gas de chimenea y a travs de un

controlador de O2reajusta los controladores de flujo de aire del incinerador.


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Proceso de desgasificacin de azufre

El azufre producido contiene H2S parcialmente disuelto y parcialmente presente en forma

de polisulfuros (H2Sx). Sin tratamiento del azufre, el H2S se liberara lentamente durante

el almacenaje y transporte, pudiendo crear una mezcla explosiva. Por lo tanto, se incorpora

el proceso de desgasificacin de Shell, el cual tiene la funcin de intensificar la

descomposicin de polisulfuros y liberar el H2S del azufre antes de bombearlo al

almacenaje. Esto se hace burbujeando aire caliente a travs del azufre. De esta manera el

contenido de H2S se reduce de 250 a 10 ppm o menos. El H2S liberado junto con el aire se

ventea hacia el incinerador, en el cual se oxida y convierte en SO 2. El azufre tratado se

bombea bajo control de nivel hacia almacenaje.

Proceso de incineracin

El gas de proceso (gas de cola) que sale de las recuperadoras de azufre, an contiene unacantidad de H2S, el cual es peligroso si se libera directamente a la atmsfera. Por lo tanto,

el gas se incinera a una temperatura de 1073,15K (800C) con exceso de aire, lo que

significa que el sulfuro de hidrgeno residual y el vapor de azufre se convierten en dixido

de azufre en presencia de oxgeno. La alta temperatura se mantiene por combustin de gas

combustible y aire. La cantidad de gas combustible suministrada al quemador del

incinerador es regulada por un controlador de temperatura fijado a 800C. La cantidad de

aire de combustin es suministrada por los sopladores de aire del incinerador y su

proporcin de flujo es controlada por el gas combustible.

El aire de oxidacin para el gas de cola es parcialmente introducido va el quemador

como aire en exceso, parcialmente va gas de venteo del sistema de desgasificacin y va

aire de entrada secundario (cuando se requiere). Para asegurar un exceso de aire, se coloca

un analizador de oxgeno en la tubera de gas efluente del incinerador a la salida del sistema

de recuperacin de calor, el cual controla el suministro de aire (secundario).

El gas entonces pasa a la caldera de calor residual, de ese modo se utiliza una parte del

calor para sobrecalentar el vapor de media presin generado en las plantas recuperadoras

de azufre. Despus, el gas se enva a la chimenea.

El aire del sistema de oxidacin se enva hacia el incinerador para su disposicin.

Simulacin de Procesos


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La simulacin es una herramienta que permite realizar trabajos de ingeniera de manera

ms efectiva, bien sea, diseando nuevos procesos o analizando procesos existentes. La

velocidad del simulador permite investigar ms alternativas en el mismo perodo en que

se realizara a mano. Adems, se pueden automatizar los clculos para evitar repetirlos o

realizarlos por ensayo y error. Por ejemplo, se puede usar un modelo de simulacin para

ver como una planta responde a distintas condiciones de operacin o distintas calidades de

alimentacin. Esto es mucho ms econmico que hacer un ensayo en la planta. Como los

simuladores proveen su propia base de datos estandarizada, una vez que se ha construido

un modelo de simulacin vlido, cualquier ingeniero puede utilizarlo para obtener

resultados consistentes y precisos. En los procesos qumicos y de diseo, los simuladores

se utilizan para evaluar nuevas operaciones, reestructurar procesos ya existentes, resolver

problemas de operacin y optimizar o mejorar procesos existentes.En el momento de disear nuevas operaciones, se pueden analizar ms casos usando un

simulador. De esta manera, se puede generar un mejor diseo. Cuando se reestructura un

proceso existente, se puede utilizar el simulador para predecir como va responder la planta

si se vara la alimentacin, o cuando una pieza del equipo se usa de forma diferente. Como

una herramienta para resolver problemas de operacin, el simulador ayuda a identificar

donde se encuentra el problema y realiza estudios de balance de energa. Con ayuda de un

simulador, se puede mejorar un proceso, aumentar el valor agregado de los productos y

disminuir el costo de operacin. La habilidad de predecir de manera muy precisa la

operacin de una unidad con un modelo de simulacin, hace que los simuladores sean una

herramienta invaluable para la ingeniera.

Simulador PRO/II con PROVISION

El PRO/II de SIMSCI Inc., es un programa de simulacin de procesos de propsitos

generales integrado a una interfase grfica "amigable" (PROVISION), que le permite al

usuario definir un problema y observar los resultados de los clculos realizados.

A travs de este programa se pueden modelar, mejorar y optimizar procesos de

transferencia de masa y calor, realizar clculos hidrulicos en unidades de operacin y

tuberas, as como evaluar las condiciones y restricciones operacionales de equipos que

incluyen intercambiadores de calor (rigurosos o no), mezcladores, columnas

(despojadoras, fraccionadoras, de extraccin), reactores, compresores, bombas, tambores


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flash, separadores trifsicos, divisores, ciclones, disolvedores, cristalizadores, entre otros,

de cualquier planta qumica, refinadora o petroqumica. Las aplicaciones generales del

programa son:

Diseo de nuevos procesos.

Evaluacin de alternativas de configuracin de plantas.

Modernizacin y adaptacin de plantas existentes. Guas para

la solucin de problemas de planta.

Optimizacin y mejoramiento del rendimiento de plantas de procesos.

En la determinacin de restricciones o lmites operacionales PRO/II es una herramienta

clave, ya que permite establecer cuan sensible puede ser una variable ante cambios de otra

(u otras) dentro del proceso. Para seleccionar las variables en estudio se debe comprender

el proceso en s y tener bien identificados los objetivos operacionales del mismo.A travs del PRO/II con PROVISION, se pueden modelar procesos que contemplan

manejo de slidos y polmeros. Los procesos donde se llevan a cabo las reacciones

qumicas y fsicas de una extensa lista de componentes orgnicos e inorgnicos, datos de

equilibrio de sistemas, modelos termodinmicos y algoritmos matemticos que permiten

mediante su correcta seleccin construir el modelo del sistema de inters.

Para la industria de la refinacin, el PRO/II cuenta con la informacin termodinmica

y matemtica que permite modelar operaciones de destilacin, craqueo cataltico,

hidrocraqueo, reformado, hidrotratamiento, alquilacin, isomerizacin, manejo de aminas,

procesamiento de lubricantes, craqueo trmico ( Coquificacin retardada ) y facilidades.

Algunos modelos termodinmicos en PRO/II

Para realizar las simulaciones es necesario definir los modelos termodinmicos que pueden

reproducir el comportamiento de las unidades. Para ello, se estudian diferentes modelos

que permitan este objetivo.

Soave-Redlich-Kwong (S-R-K).

Las propiedades termodinmicas de una mezcla no ideal de hidrocarburos pueden ser

predicha por una simple ecuacin de estado. La ecuacin de estado de Redlich-Kwong

tiene solo dos parmetros, por tal razn, la exactitud con la cual se calcula la fase lquida

es menor que para la fase gas. Soave aade un tercer parmetro, el factor acntrico de


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Pitzer para la ecuacin de Redlich-Kwong. Esta modificacin produce una buena

prediccin del equilibrio lquido/vapor para sustancias puras y mezclas. Los clculos

realizados usando S-R-K, se vuelven inestables dentro del punto crtico. Cuando se

seleccionan los valores de K (coeficientes de distribucin) y entalpas por S-R-K, PRO/II

con Provision por defecto calcula la densidad de los lquidos por API. La densidad de los

lquidos predicha por S-R-K, no es usualmente recomendada.

El mtodo S-R-K, es ampliamente usado para una variedad de mezclas de hidrocarburos

(muy bueno cuando el nmero de carbonos en la cadena esta comprendido entre C1y C10)

sobre un amplio rango de condiciones del proceso. Las constantes con las que trabaja

PRO/II han sido usadas para producir resultados razonables para sistemas criognicos,

plantas de gas tpicas, sistemas de refrigeracin y sistemas de alta presin (alrededor de

3447,39 KPa o 500 psia).Peng-Robinson (P-R).

La ecuacin de Peng-Robinson fue un intento para extender la ecuacin de Van der Waals

y de este modo, predecir las densidades de los lquidos con exactitud razonable. La forma

es relativamente cercana a la ecuacin de S-R-K, y especficamente sirve para lograr la

convergencia cerca del punto crtico. Aunque la exactitud de la densidad de los lquidos es

un tanto mejor por Peng-Robinson en comparacin con Soave-Redlich-Kwong, para el

proceso se toma el mtodo API si la ecuacin de Peng-Robinson es seleccionada. Esta se

aplica para producir resultados razonables en los mismos sistemas en los cuales se emplea

el modelo Soave-Redlich-Kwong, y sobre el mismo rango de operaciones (mencionados

anteriormente).

Chao-Seader.

La correlacin de Chao-Seader, se aplica ampliamente en las industrias de petrleo y gas

natural. Es utilizada en el diseo de una gran variedad de separaciones de hidrocarburos

ligeros por destilacin. Los lmites en las condiciones que permiten su aplicacin son,

temperatura inferior a los 500 F (260 C) y presin inferior a los 1000 psia.

Garyson-Streed (G-S).

Esta correlacin usa la formulacin original de Chao-Seader. Proporciona excelentes

resultados para hidrocarburos livianos y es bueno para simulaciones donde existen

despropanizadoras, desbutanizadoras y desisobutanizadoras. Para compuestos como N2,


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CO2, y H2S, se incorporan coeficientes especiales en el paquete de simulacin. Los lmites

en las condiciones de trabajo para aplicar la simulacin son, temperaturas comprendidas

entre 255,37 y 699,82K (0 y 800 F o -20 y 450 C) y presin inferior a 3447,39 KPa (500

psia).

Intercambiadores de calor en PRO/II

Intercambiador simple.

El modelo simplificado de intercambiador de calor en PRO/II con PROVISION ha sido

diseado para problemas donde los coeficientes de transferencia de calor rigurosos y el

clculo de las cadas de presin no son requeridos. El intercambiador simple aproxima

cualquier tipo de intercambiador a uno de un paso y una carcasa.

Intercambiador Complejo (riguroso).

El intercambiador de tubo y carcasa combina las propiedades termodinmicas rigurosas dePRO/II con PROVISION, con el algoritmo original de intercambiadores de calor

desarrollado por el programa HEXTRAN. La transferencia de calor y la cada de presin

del lado del tubo y el lado carcasa son calculados rigurosamente. Normalmente todos los

tipos de intercambiadores de calor pueden ser representados por los intercambiadores

rigurosos. El tipo de intercambiador es definido al indicar el tipo de carcasa y el tipo de

cabeza terminal delantera y trasera del intercambiador. Todas las fases son determinadas

correctamente, incluyendo corrientes condensadas o evaporadas. Puede ser definida la

orientacin fsica de los intercambiadores. Adicionalmente, es posible representar el

modelo de flujo (contracorriente o co-corriente). Para el lado tubo de los intercambiadores,

el usuario tiene la opcin de seleccionar el dimetro de los tubos, nmero de tubos por paso

y por carcasa, largo, material y otras caractersticas de estos, as como tambin la cada de

presin a travs de los mismos. Para el lado carcasa de los intercambiadores pueden ser

especificados algunos parmetros como: nmero de carcasas (en serie o en paralelo),

material y otras caractersticas de estas, as como tambin la cada de presin a travs de

las mismas.

Reactores Gibbs18

El Reactor de Gibbs simula un reactor qumico resolviendo los balances de materia y

energa basados en la minimizacin de la energa libre de los componentes en la reaccin.


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Mtodo de clculo son determinadas correctamente, incluyendo corrientes condensadas

o evaporadas. Puede ser definida la orientacin fsica de los intercambiadores.

Adicionalmente, es posible representar el modelo de flujo (contracorriente o co-corriente).

Para el lado tubo de los intercambiadores, el usuario tiene la opcin de seleccionar el

dimetro de los tubos, nmero de tubos por paso y por carcasa, largo, material y otras

caractersticas de estos, as como tambin la cada de presin a travs de los mismos. Para

el lado carcasa de los intercambiadores pueden ser especificados algunos parmetros

como: nmero de carcasas (en serie o en paralelo), material y otras caractersticas de estas,

as como tambin la cada de presin a travs de las mismas.

Reactores Gibbs18

El Reactor de Gibbs simula un reactor qumico resolviendo los balances de materia y

energa basado en la minimizacin de la energa libre de los componentes en la reaccin.Mtodo de clculo

El reactor Gibbs determina la distribucin deseada de componentes en el equilibrio

qumico para el sistema. No se requiere ningn conocimiento previo de la qumica del

sistema y la estequiometra de reaccin no necesita ser definida. Todos los componentes

en el reactor son considerados reactantes. El clculo determina la distribucin de los

componentes que otorga la mnima energa libre al sistema. Esto da la mezcla hipottica

de equilibrio. Dependiendo de la cintica de la reaccin, puede o no, ser posible alcanzar

esta composicin. La estequiometra de la reaccin puede ser definida por el usuario y

usada en el reactor. En este caso, los clculos se limitarn a estas reacciones definidas.

Tambin es posible excluir de la minimizacin a los componentes que, se conozca, no se

involucran en la misma.

El reactor Gibbs determina la distribucin deseada de componentes en el equilibrio

qumico para el sistema. No se requiere ningn conocimiento previo de la qumica del

sistema y la estequiometra de reaccin no necesita ser definida. Todos los componentes

en el reactor son considerados reactantes. El clculo determina la distribucin de los

componentes que otorga la mnima energa libre al sistema. Esto da la mezcla hipottica

de equilibrio. Dependiendo de la cintica de la reaccin, puede o no, ser posible alcanzar

esta composicin. La estequiometra de la reaccin puede ser definida por el usuario y

usada en el reactor. En este caso, los clculos se limitarn a estas reacciones definidas.


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Tambin es posible excluir de la minimizacin a los componentes que, se conozca, no se

involucran en la misma.

El usuario tambin puede especificar una aproximacin al equilibrio. sta puede ser una

aproximacin de temperatura, conversin o proporcin de cualquier componente en el

producto de la reaccin. Si una aproximacin de temperatura (T) es introducida, la

constante de equilibrio es determinada a la temperatura T, donde:

T=Treaccin T Reaccin Endotrmica

T=Treaccin T Reaccin Exotrmica

El calor de reaccin es calculado por PRO/II a partir de la data de calor de formacin.

Por defecto, el reactor opera isotrmicamente a la temperatura de alimentacin, aunque

puede especificarse una temperatura isotrmica diferente o la energa liberada o absorbida

por el reactor.

El reactor Gibbs puede usar un mtodo de equilibrio lquido-vapor o lquido-lquido-vapor,

para determinar las composiciones de las fases para las corrientes de producto.

Alimentaciones y productos

La unidad de reaccin Gibbs puede tener cualquier nmero de corrientes de alimentacin,

y toma como presin de entrada, la ms baja de todas estas corrientes.

El reactor puede tener hasta cuatro corrientes de producto del proceso, con cada corriente

conteniendo una fase diferente. Las posibles fases son vapor, lquido, una fase de agua

lquida (water decanted) con un segundo lquido, una mezcla de lquido y vapor, y slidos.

Si hay mltiples corrientes de producto saliendo del reactor, la condicin de fase para cada

corriente debe ser especificada.

Simulador SULSIM19

Sulphur Experts Inc., es el dueo exclusivo del software Sulsim, un programa basadoen PC (computadores personales), el cual fue desarrollado a partir de la base de datos

obtenida de muchas pruebas realizadas en diferentes plantas de azufre y diseado

especficamente para permitir que los ingenieros, operadores, diseadores e investigadores

optimicen las plantas de azufre a partir de datos de proceso reales.


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Sulsim utiliza una interfaz grfica interactiva, permitiendo la especificacin total del

diagrama de flujo de la planta, y ofrece todas las unidades normalmente incluidas dentro

de las plantas que utilizan el proceso Claus modificado, incluyendo incineradores y una

variedad de unidades para el tratamiento del gas de cola. La especificacin interactiva del

diagrama de flujo permite la instalacin o retiro de unidades individuales para la variedad

de procesos soportados, incluyendo el mencionado proceso Claus modificado, oxidacin

selectiva y los diversos procesos de limpieza del gas de cola. La configuracin

seleccionada de la planta se exhibe entonces grficamente. Este alto grado de flexibilidad

permite que todas las configuraciones de plantas de azufre, asociadas normalmente a las

industrias de proceso y refinadoras del gas, sean modeladas. El programa acepta mltiples

corrientes de alimentacin al horno de reaccin Claus, as como en cualquier punto aguas

abajo de este. El programa tambin permite el reciclo de las corrientes de gas de proceso.Esto permite el proceso de una gran variedad de flujos de entradas, tales como gas agrio

de la despojadora de aguas agrias, gas de las unidades de tratamiento con amina, gas

combustible, y corrientes de reciclo de gas de cola. El software realiza clculos para cada

unidad y reproduce balances completos de materiales y energa.

A continuacin se describen los equipos bsicos del Sulsim.

Horno de reaccin

Simulacin de la cintica emprica del horno

Una extensa recopilacin de base de datos a partir de los ltimos diez aos (ms de 500

pruebas de la planta) ha producido el ms exhaustivo modelo emprico del horno de

reaccin disponible.

Todos los modelos cinticos empricos generan datos de la eficiencia en la conversin

trmica del azufre, y formacin de especies de menor importancia tales como COS, CS2,

H2y CO. Las simulaciones empricas incluyen adems el modelaje especfico de diferentes

configuraciones de planta.

Todos los modelos de simulacin pueden ser completamente modificados por el usuario

para requisitos particulares respecto a la produccin de H2, CO, COS y de CS2en el horno.

Esta caracterstica proporciona el ms flexible modelo emprico del horno de reaccin

disponible.

Modelo termodinmico del horno de reaccin con seccin de enfriamiento sbito (Quench)


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Sulsim utiliza el modelo termodinmico adiabtico tradicional para el horno de reaccin.

Adicionalmente, tambin permite que el usuario modifique los productos especficos del

horno de reaccin definiendo una temperatura quench independiente para el H2, CO y la

reaccin Claus. Esto provee al usuario complejidad y flexibilidad para el clculo del

equilibrio termodinmico.

Otras caractersticas del horno de reaccin

Sulsim permite la entrada de datos de la composicin de salida del horno. Esto es

especialmente til cuando dicha composicin se conoce con cierto grado de confianza.

Adicionalmente, permite hornos mltiples en paralelo o serie, y cuenta con una opcin

para configurar una planta sin la utilizacin de un horno de reaccin trmica.

Convertidores catalticosSulsim utiliza un sofisticado mtodo isentlpico de minimizacin de la energa libre para

modelar las reacciones Claus en el convertidor cataltico tradicional. Estas rutinas han sido

especficamente adaptadas para identificar que muchos componentes tpicos de las plantas

Claus como H2y CO, no reaccionan en el reactor Claus. La simulacin del convertidor se

basa en los componentes, temperatura y presin de entrada al convertidor, y los clculos

reproducen la temperatura de salida y las composiciones de equilibrio esperadas en el

convertidor.

La simulacin normal de la reaccin Claus en el convertidor cataltico se basa en el

equilibrio termodinmico. Sin embargo, se permite la especificacin del grado de

acercamiento a este nivel de conversin, lo que permite la simulacin de los lechos

catalticos desactivados.

La hidrlisis de COS y CS2est disponible para todos los convertidores y las temperaturas

de punto de roco de azufre se calculan para las corrientes de entrada y salida del

convertidor. Un modelo desarrollado de reaccin emprica para COS y CS2proporciona a

la simulacin un preciso grado de conversin de estos importantes componentes. Este

modelo tambin est basado en la amplia base de datos sobre pruebas de planta y

representa un logro significativo en el modelaje de los reactores Claus. El modelo tambin

le permite al usuario especificar la desactivacin del reactor Claus con respecto a las


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reacciones de COS y CS2, y el modelo emprico responde adecuadamente a esa

informacin.

Las rutinas de optimizacin en Sulsim permiten la convergencia de cualquier convertidor

Claus para un especificado rango de punto de roco del azufre a la salida. Esto permite que

el usuario optimice los convertidores automticamente con cada ejecucin sin la iteracin

manual en la operacin del re-calentador aguas arriba.

Sulsim tambin permite el modelaje riguroso de varias configuraciones y procesos

catalticos no tradicionales incluyendo reactores de oxidacin selectiva (reactor

Superclaus), donde la oxidacin selectiva en el lecho permite que el H2S reaccione

directamente con oxgeno para formar azufre. La conversin del H2S y su rendimiento a

azufre es especificada por el usuario, y el programa calcula la temperatura y composicin

de salida del lecho, as como la tasa de produccin de azufre.Intercambiadores de calor residual

El modelo tradicional de los denominados intercambiadores de calor residual slo realiza

clculos de intercambio de calor. Sin embargo, recientes investigaciones en la operacin

de estas unidades han indicado que estas pueden tener reacciones significativas de ciertos

componentes, por lo que Sulsim incorpora un modelo emprico comprensivo para simular

la reaccin de varios de estos componentes incluyendo H2, CO, COS y H2S. Esto permite

un modelaje preciso para la composicin de la corriente de proceso a travs del

intercambiador. El usuario tiene la opcin de usar este modelo emprico o operar el

intercambiador en el modo tradicional (sin reaccin).

Condensadores

Todos los clculos de equilibrio y punto de roco del azufre son realizados mediante la

tcnica de minimizacin de la energa libre para obtener la apropiada composicin del

vapor de azufre (S1a S8). Para los condensadores, el azufre lquido es removido como

corriente de producto, asumiendo que no existe ningn arrastre de niebla de azufre. La

temperatura de la corriente del azufre producido se asume que es igual a la del gas de salida

del condensador.

Incinerador

Sulsim ofrece dos opciones de incineracin del gas de cola proveniente de las plantas

recuperadoras de azufre. La incineracin (oxidacin) trmica y la cataltica. Ambas


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opciones permiten la especificacin del contenido de oxgeno en la chimenea, mientras

que tambin se especifican la temperatura de salida del incinerador trmico y la

temperatura de entrada del incinerador cataltico. El programa determina los flujos de aire

y combustible consistentes con dichas variables as como la composicin del gas de

chimenea. Sulsim tambin permite que el usuario especifique una condicin de operacin

con combustin incompleta en el incinerador. En este caso el usuario especfica, por medio

de la conversin de cada componente, la magnitud de los componentes en el gas residual

efluente del incinerador


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4. Definicin del problema

Niveles bajos de recuperacin de azufre?

Efectos

Causas


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5. Objetivo de la investigacin

5.1.OBJETIVO GENERAL

Anlisis terico de las tecnologas disponibles comercialmente para tratamiento de gas

residual o gas de cola del proceso de recuperacin de azufre; con la finalidad de elaborar

una propuesta tecnolgica ptima en funcin de costos de operacin y la recuperacin

exigida en la NOM-148-SEMARNAT-2006; para satisfacer los requerimientos actuales de

emisiones de azufre a la atmsfera en el Sistema Nacional de Refineras (SNR).

5.2.OBJETIVOS ESPECFICOS

Anlisis terico de las principales tecnologas del proceso recuperacin de azufredisponibles en el mercado.

Comparar las diferentes tecnologas disponibles, analizando ventajas y desventajas

de cada una de ellas

Esquematizar la configuracin del proceso de recuperacin de azufre para

seleccionar la tecnologa adecuada.

Establecer propuestas ptimas para satisfacer los requisitos de las normas

nacionales de emisiones de compuestos de azufre (NOM-148-SEMARNAT-2006)

en el

SNR.


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6. METODOLOGA

Este captulo contiene dividido en varias etapas, tcnicas, instructivos y procedimientos

que se utilizaron durante el desarrollo de este proyecto.

ETAPA 1. Revisin bibliogrfica

Esta primera etapa se desarroll a lo largo de todo el proyecto y const con la revisin de

lo siguiente:

Literatura existente sobre el proceso de recuperacin de azufre utilizado en la refinera

(proceso Claus modificado); tratamiento del gas de cola y proceso de incineracin. 6,20

Diagramas de flujo de proceso (PFD), diagramas de tubera e instrumentacin (P&IDs)

y hojas de especificacin (Data Sheets).

Manual de clases de entrenamiento para el personal de operacin de las unidades

recuperadoras de azufre de la refinara.5

Normas de diseo de PDVSA.17,21,22

Modificaciones realizadas a las plantas (o unidades) y propuestas existentes.

Documentos e informes tcnicos sobre las plantas de azufre de la refinera. 23,24

Libros con literatura especfica sobre procesos de recuperacin de azufre, incluyendo el

proceso Claus, tratamiento del gas de cola de plantas recuperadoras de azufre y procesos

de incineracin para este tipo de plantas.1,2,15

Tesis de grado con informacin de inters para el desarrollo del proyecto. 25,26

Manual del simulador de procesos PRO/II de SIMULATION SCIENCES Inc. 18

Informacin sobre el simulador de procesos SULSIM.19

Artculos de investigacin y publicaciones con informacin reciente asociada a la

recuperacin de azufre por medio del proceso Claus modificado.3,4,7-14,16

ETAPA 2. Recopilacin de datos

Estudiado el proceso de recuperacin de azufre e incineracin del gas de cola, la segunda

etapa const con la siguiente recopilacin de informacin:

Datos de flujo y composicin tpica de la mezcla de gases de alimentacin a las plantas

Dichos datos fueron suministrados por el personal de ingeniera de procesos encargado y

refleja los valores promedios tpicos, calculados a partir de los flujos y composiciones de

gas cido y gas agrio alimentados a las plantas en un periodo de un ao. Estos valores

promedios, se utilizaron como datos de entrada de una simulacin realizada por Shell


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Technical Services B.V. (Shell), de las plantas recuperadoras de azufre, con tres reactores

tipo Claus en serie (operacin que se quiere llevar a cabo).

Datos operacionales de la unidad incineradora y su caldera de recuperacin de vapor

Se recopilaron los datos de composiciones, flujo de alimentaciones, temperaturas,

presiones, etc, para las condiciones de diseo. Dichos datos fueron tomados de los

diagramas de flujo de proceso RCN-226695 (etapa de incineracin) y RCN-226696 (etapa

de recuperacin de calor), as como de la hoja de especificacin existente de la caldera de

recuperacin de calor E-624 (RCN-225127).

Los datos de proceso para las condiciones normales de operacin en el incinerador y en las

plantas no fue posible tomarlos, y para contar con un estimado de los mismos, se utilizaron

los valores reportados en la simulacin efectuada por Shell sobre las plantas recuperadoras

de azufre y la unidad incineradora. Sin embargo, la caldera de recuperacin de calor noformaba parte de dicha simulacin.

ETAPA 3. Establecimiento de la tecnologa de incineracin

Primeramente se consult la bibliografa sobre los tipos de incineradores existentes,

limitndose el estudio a los dos usados con mayor frecuencia para el tratamiento del tipo

de desecho a tratar, como son los incineradores trmicos y catalticos. Para lo cual se

procedi con la revisin del Manual de Cdigo: MDP-05-F-07 Incineradores,

perteneciente a los Manuales de Diseo de Proceso, Transferencia de Calor, Hornos (de

PDVSA),17del cual se dedujo la tecnologa de preferencia para la incineracin del gas de

cola que sale de las Recuperadoras de Azufre (PRA-2/3).

Por otro lado, fueron tomados ciertos criterios del procedimiento establecido en los

documentos del Sistema Unificado de la Calidad de Ingeniera y Proyectos (SUC) de

PDVSA,27,28los cuales pueden apreciarse a continuacin:

Complejidad y Confiabilidad Operacional: Relacionado con la sencillez de la operacin,

esto con respecto al conocimiento que se tiene por la empresa de los equipos y procesos

involucrados; nmeros de lazos de control; cantidad de operadores requeridos, etc.

Flexibilidad a Nuevas Regulaciones Ambientales: Bien sea con ajustes en las condiciones

de proceso o con modificaciones mnimas del diseo original. Sensibilidad ante

Fluctuaciones Aguas Arriba del Equipo: Factibilidad de operar de forma confiable ante

cualquier variacin de las condiciones de operacin.


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Facilidad de Suministro de Catalizadores y Qumicos.

Adecuacin al Espacio Disponible: Posibilidad de montar el equipo en las reas

disponibles.

Inversin Total.

Costos de Operacin y Mantenimiento: Necesidades de servicios industriales,

catalizadores, qumicos, personal y un estimado de mantenimiento tanto preventivo como

correctivo, esto ltimo, basado en su configuracin.

En un estudio realizado previamente,25 se realiz una seleccin de la tecnologa a usar

para el nuevo incinerador. En dicha seleccin agruparon varios factores denominados:

tcnicos, econmicos y otros factores. Siendo el de mayor peso el grupo de factores

tcnicos por considerarlos los ms importantes (50%), seguido por los factoreseconmicos (30%) y por ltimo los otros factores (20%). Utilizando una escala de 1 a 5

puntos para la clasificacin de las distintas propuestas.

ETAPA 4. Preparacin de las simulaciones

Simulacin de las plantas recuperadoras de azufre en SULSIM

Simulacin con tres reactores tipo Claus en serie

Debido a que la simulacin de las plantas de azufre realizada con la herramienta SULSIM

por Shell const de tres reactores tipo Claus (operacin que se quiere llevar a cabo), en

primer lugar se procedi a simular las plantas en SULSIM bajo las mismas caractersticas

de operacin utilizadas por Shell, para con ello comparar y validar el modelo de la

simulacin.

Simulacin con dos reactores tipo Claus en serie Posteriormente, se efectu la simulacin

deseada haciendo uso de solo dos reactores tipo Claus (manera de operacin actual de las

recuperadoras de azufre) con la finalidad de estimar el flujo y composicin de la corriente

de gas de proceso que sale actualmente de las unidades. Este gas de proceso, llamado ahora

gas de cola, es la carga de alimentacin a la etapa de incineracin.

Adicionalmente, con las simulaciones de las plantas recuperadoras de azufre con tres y dos

reactores tipo Claus en serie, se estim el posible aumento en la recuperacin de azufre.

Validacin de las simulaciones de las plantas recuperadoras de azufre en SULSIM


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La simulacin realizada para las plantas de azufre en SULSIM con tres convertidores Claus

en serie, fue validada con la efectuada por Shell Technical Services B.V.

Simulacin de las plantas recuperadoras de azufre en PRO/II

Se cre un modelo de simulacin de las plantas recuperadoras de azufre (con dos y tres

reactores Claus en serie) con la herramienta PRO/II. Este modelo se realiz a manera de

comparar los resultados obtenidos por el simulador SULSIM con los obtenidos con dicho

modelo en PRO/II y brindar as un instrumento de trabajo prctico y confiable, bajo el

ambiente de la herramienta diaria disponible (PRO/II), al personal de ingeniera de

procesos de las plantas.

Modelo de la Plantas Recuperadoras de Azufre (PRA-2/3)

Para la elaboracin de este modelo se tom como gua la simulacin realizada en SULSIMpor Shell, as como el diagrama de flujo de las plantas. La etapa del horno de entrada a la

planta se simul con tres reactores Gibbs. El primero representa la etapa del quemador (F-

601), por donde pasa la corriente de gas cido y reacciona con el suficiente oxgeno para

convertir slo 1/3 del H2S a SO2, adems de quemar los hidrocarburos y amonaco

presentes. El segundo representa la cmara de combustin (M-601), donde el producto de

gases provenientes de la regin del quemador contina reaccionando.9

Un tercer reactor Gibbs fue adicionado a la etapa del horno de entrada para simular la

caldera de recuperacin de calor (WHB), en la cual varios estudios han demostrado la

formacin de COS y H2S, presumiblemente a partir de la reaccin del monxido de

carbono con azufre4,10y de la recombinacin entre el H2y el S2,4,12respectivamente.

En el segundo reactor Gibbs, as como en la caldera de recuperacin de calor, se

establecieron porcentajes de conversin de ciertos componentes con la finalidad de

alcanzar valores representativos para esta etapa, para lo cual se analiz el comportamiento

de las reacciones y los elementos involucrados en el simulador SULSIM.

Las reacciones consideradas en cada una de las etapas del horno (quemador, cmara de

combustin y caldera de recuperacin de calor) se presentan en la Tabla 2.


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Tabla 2. Reacciones consideradas para las simulaciones del horno de entrada

Quemador Cmara de Combustin Caldera

1 H2S + 3/2 O2 SO2+ H2O 2 H2S + SO2 3 S + 2 H2O CO + S COS

2 NH3+ 3/4 O2 N2+ 3/2 H2O 2 CO + 2 S CO2+ CS2 2 H2+ 2 S 2 H2S

3 H2+ 1/2 O2 H2O CO + S COS

4 CH4+ 2 O2 CO2+ 2 H2O H2S + CO2 COS + H2O

5 C2H6+ 7/2 O2 2 CO2+ 3 H2O CH4+ 2 H2S4 H2+ CS2

6 C3H8+ 5 O2 3CO2+ 4 H2O 2 H2S 2 S + 2 H2

7 CH4+ 3/2 O2 CO+ 2 H2O

En lo que respecta a la conversin establecida a los componentes, no se indic ningn

valor al conjunto de reacciones del quemador, pero para la cmara de combustin y la

caldera de recuperacin de calor (WHB) si fueron establecidos ciertos porcentajes de

conversin, los cuales se presentan en la Tabla 3.

Tabla 3. Porcentajes de conversin establecidos a ciertos componentes (%)

Componente Cmara de Combustin (%) Caldera (%)

H2S 77 --

SO2 71 --

CO 32 35

CO2 0 --

H2 2 35

CH4 99 --

Debido a que el estudio buscaba observar la conversin de H2S y no as la formacin realde azufre, se simularon los condensadores y rehervidores como separadores de

vaporizacin sbita (flash), con lo cual se pudo fijar temperaturas y cadas de presin en

estos equipos y obtener de manera mas sencilla las corrientes de salida de los mismos.


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Otra operacin de importancia en la simulacin tiene que ver con los convertidores

catalticos, para los cuales se estimaron las reacciones mas importantes que pueden ocurrir

en dichos equipos. La hidrlisis del COS y el CS2para formar CO2y H2S son dos de las

reacciones que pueden estar llevndose a cabo en los reactores catalticos.13As mismo, la

reaccin mas ampliamente conocida en llevarse a cabo en los reactores catalticos es la

que involucra al sulfuro de hidrgeno y al dixido de azufre para producir azufre y

H2O.1,2,4-10,13,14 Dichas reacciones y los porcentajes de conversin establecidos para

algunos componentes en cada convertidor, pueden observarse en la Tabla 4.

Los porcentajes de conversin establecidos para el COS, SO2y CS2, al igual que en el caso

del horno y la caldera de recuperacin de vapor, son el resultado del anlisis del

comportamiento de las reacciones y los elementos involucrados en el simulador SULSIM,

con la finalidad de alcanzar valores representativos para cada una de las etapas de reaccin.La Figura 9 muestra la disminucin en los porcentajes de conversin (establecidos) para

cada componente a travs de su paso por los convertidores cataltico

Tabla 4.

Reacciones consideradas para las simulaciones y porcentajes deconversin para los

compuestos en cada uno de los convertidores catalticos

Reaccin N Reactores Catalticos

1 2 H2S + SO2 3 S + 2 H2O

2 COS + H2O CO2+ H2S

3 CS2+ 2 H2O CO2+ 2 H2S

Porcentajes de Conversin

Convertidor N COS SO2 CS2

1 88 74 85

2 24 69 10

3 18 41 3


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Figura 9. Porcentajes de conversin establecidos en los Convertidorescatalticos (fuente

propia).

Validacin de las simulaciones de las plantas recuperadoras de azufre en PRO/II

Se compararon y validaron los modelos planteados bajo la herramienta PRO/II con los

resultados obtenidos en la simulacin realizada en SULSIM, los cuales reflejan los valores

de operacin real de la planta.

Simulacin del conjunto incineradorcaldera de recuperacin de calor en Pro/II

De la simulacin de las PRA fue posible obtener el flujo y composicin actual de la

corriente de salida de las plantas (gas de cola), la cual es la alimentacin a la etapa de

incineracin.

Entonces, conocidas las condiciones del gas de cola, se procedi a preparar lassimulaciones de la etapa de incineracin de las PRA. Esta etapa consisti en simular el

conjunto incinerador-caldera de calor residual utilizando el modelo creado con la

herramienta PRO/II con PROVISION, pudiendo predecir la composicin, flujo, presin y

temperatura del gas de chimenea, as como las condiciones finales del vapor de media

presin sobrecalentado en la caldera, para cualquier escenario de operacin planteado, con


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la finalidad de establecer las bases para el diseo de una nueva unidad incineradora para

las plantas.

Modelo de la unidad incineradora

Con el conocimiento de que las reacciones de incineracin se llevan a cabo desde el

momento en que se produce la mezcla hasta que se alcanza el equilibrio, para realizar la

simulacin de la etapa de incineracin se cre un modelo basado en dos reactores Gibbs,

los cuales resuelven el balance de materia y energa basados en la minimizacin de la

energa libre de los componentes en la reaccin,18 obtenindose el flujo de producto,

composiciones y condiciones trmicas. El reactor Gibbs determina la distribucin de los

componentes en el equilibrio termodinmico del sistema.

El primero de los reactores Gibbs (F-621) simula la etapa del quemador o combustin delgas de refinera, donde se genera la temperatura necesaria para la siguiente etapa. Mientras

que el segundo reactor simula la etapa del incinerador como tal o cmara de combustin

(M-621).

Para la etapa de combustin e incineracin se incluyeron al modelo las reacciones

presentadas en la Tabla 5.

Tabla 5. Reacciones contenidas en las simulaciones.

Combustin Incineracin

1 CO + 1/2 O2 CO2 H2S + 3/2 O2 SO2+ H2O

2 H2S + 3/2 O2 SO2+ H2O S + O2 SO2

3 H2+ 1/2 O2 H2O COS + 3/2 O2SO2+ CO2

4 CH4+ 2 O2 CO2+ 2 H2O CS2+ 3 O2 2 SO2+ CO2

5 C2H4+ 3 O2 2 CO2+ 2 H2O H2+ 1/2 O2H2O

6 C2H6+ 7/2 O2 2 CO2+ 3 H2O CO + 1/2 O2 CO2

7 C3H6+ 9/2 O2 3 CO2+ 3 H2O SO2+ 1/2 O2 SO3

8 C3H8+ 5 O2 3CO2+ 4 H2O NH3+ 3/4 O2 N2+ 3/2 H2O

9 C4H8+ 6 O2 4 CO2+ 4 H2O

10 C4H10+ 13/2 O2 4 CO2+ 5 H2O

11 iC4H10+ 13/2 O24 CO2+ 5 H2O


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12 C5H12+ 8 O25 CO2+ 6 H2O

13 iC5H12+ 8 O2 5 CO2+ 6 H2O

14 C5H10+ 15/2 O2 5 CO2+ 5 H2O

15 C6H14+ 19/2 O26 CO2+ 7 H2O

Adicionalmente, en la etapa de incineracin se llevan a cabo las reacciones de las

fracciones de hidrocarburos no convertidos en la etapa del primer reactor (reacciones 4 a

15 de la seccin de combustin). Lo anterior, recordando el hecho de que en el reactor

Gibbs todos los componentes son considerados reactantes y que el clculo determina la

distribucin de los componentes que otorga la mnima energa libre al sistema, resultando

la mezcla hipottica de equilibrio,18 por lo que no necesariamente los hidrocarburos

reaccionan por completo.

Por otro lado, el reactor Gibbs opera (por defecto) isotrmicamente a la temperatura de

alimentacin, aunque puede especificarse una temperatura isotrmica diferente o la energa

liberada o absorbida por el reactor.18

Para las simulaciones se utiliz la tercera opcin mencionada antes, para la cual debe

indicarse la energa liberada en el equipo para alcanzar la temperatura deseada. Lo que

representa una operacin adiabtica con una cantidad de prdidas de calor a travs de las

paredes del equipo. Esta opcin sin duda es la ms semejante a la realidad.

La operacin adiabtica en el simulador, permite aadir o remover una cantidad fija decalor. Si la cantidad de calor liberado al ambiente en la cmara de combustin del

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