ES2231986T3 - Procedimiento y dispositivo para la transformacion de sulfuro de hidrogeno en azufre elemental. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo para la transformacion de sulfuro de hidrogeno en azufre elemental.Info
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Abstract
La invención se refiere a un procedimiento, especialmente al proceso Claus, para obtener azufre elemental por combustión de ácido sulfhídrico o un gas que contiene ácido sulfhídrico. Según este procedimiento, el ácido sulfhídrico o gas que contiene ácido sulfhídrico sufre una combustión parcial mediante un primer dispositivo en un quemador en una cámara de combustión utilizando aporte de aire como agente oxidante. El oxígeno o gas que contiene oxígeno se alimenta a la cámara de combustión por al menos un segundo dispositivo adicional que pertenece a dicha cámara de combustión. El ácido sulfhídrico o gas que contiene ácido sulfhídrico se quema posteriormente y se alimenta a una caldera de recuperación, desde donde se alimenta a uno o más reactores.
Description
Procedimiento y dispositivo para la
transformación de sulfuro de hidrógeno en azufre elemental.
El invento se refiere a un procedimiento para la
transformación de sulfuro de hidrógeno (H_{2}S) en azufre
elemental (S).
El azufre es necesario en muchos procedimientos
químicos, o bien en forma elemental o en forma de ácido sulfúrico.
Sin embargo, el azufre es muy tóxico en la forma de dióxido de
azufre (SO_{2}) o como sulfuro de hidrógeno. Por lo tanto, existen
unos valores límites máximos admisibles de las emisiones para estos
compuestos de azufre, que se están agravando y agudizando por todo
el mundo.
Los combustibles fósiles, tales como gas natural,
carbón, arena petrolífera, pizarra bituminosa y petróleo, contienen
compuestos orgánicos e inorgánicos de azufre. Es necesario eliminar
estos compuestos de azufre, o transformarlos en compuestos inocuos
de azufre. Para la eliminación de los compuestos de azufre a partir
de combustibles y los productos de combustión existen un gran número
de procesos físicos y químicos de transformación.
En el caso de materiales combustibles sólidos,
los compuestos de azufre, después de la combustión en la central de
energía, se absorben en forma de dióxido de azufre por una
desulfuración de gases de humos mediante una lechada de cal, y se
transforman en sulfito de calcio. Por oxidación con el oxígeno
restante, contenido en el gas de escape, resulta como producto final
yeso.
En el caso de combustibles líquidos, tales como
por ejemplo un combustible Diesel o un aceite ligero de calefacción,
están prescritos unos contenidos máximos admisibles de azufre. En
efecto, ya no se puede realizar una desulfuración de los gases de
humos después de una eventual combustión, por ejemplo en motores. La
desulfuración de estos combustibles se lleva a cabo en las
refinerías. Los compuestos de azufre, presentes en el aceite crudo,
se vuelven a encontrar en el material destilado, teniendo la
fracción de aceite pesado las más altas concentraciones de
azufre.
La desulfuración se efectúa con ayuda de
hidrógeno gaseoso (H_{2}). Los compuestos orgánicos de azufre, se
transforman en tal caso en sulfuro de hidrógeno. El sulfuro de
hidrógeno, que se presenta en la mezcla de gases con hidrógeno y
otros hidrocarburos, se separa por lavado en aparatos lavadores con
aminas como gas de Claus o de sulfuro de hidrógeno, con unas
concentraciones de hasta 90% en volumen de sulfuro de hidrógeno. El
sulfuro de hidrógeno resulta también en las columnas separadoras por
arrastre con agua ácida. En este caso, el sulfuro de hidrógeno se
presenta en forma de un condensado acuoso y se separa por arrastre
como gas de separación por arrastre de aguas ácidas (gas de SWS) con
hasta 50% en volumen de sulfuro de hidrógeno. Adicionalmente, pueden
estar contenidos hasta 50% en volumen de amoníaco (NH_{3}), que se
forma por descomposición de compuestos orgánicos de nitrógeno.
También en el caso de la combustión de carbón o
de un aceite pesado en centrales de energía, en las que el
combustible se gasifica previamente bajo un defecto de oxígeno,
resulta un gas de síntesis que contiene sulfuro de hidrógeno, que se
purifica antes de la combustión.
El sulfuro de hidrógeno se presenta además en
diferentes concentraciones en el gas acompañante del petróleo y en
el gas natural con una proporción de hasta 30% en volumen, y en el
gas de escape de instalaciones de clarificación (de depuración de
aguas) con una proporción de hasta 5% en volumen de sulfuro de
hidrógeno.
El aprovechamiento industrial del sulfuro de
hidrógeno es limitado. Por lo tanto, éste es transformado, en primer
lugar, en azufre elemental y a continuación, en instalaciones
especiales, en ácido sulfúrico. El azufre elemental es necesario en
la industria del caucho vulcanizado. El ácido sulfúrico es empleado
en la industria química.
Una transformación directa de sulfuro de
hidrógeno en azufre elemental es posible mediante un craqueo térmico
de sulfuro de hidrógeno, una oxidación en húmedo del sulfuro de
hidrógeno en una fase líquida (acuosa) y una oxidación en seco de
sulfuro de hidrógeno en la fase de vapor.
El procedimiento de transformación directa,
utilizado con la máxima frecuencia por todo el mundo en más de 2.000
instalaciones, es el procedimiento de Claus, desarrollado ya en
1883. Este procedimiento se basa en un proceso de oxidación en seco.
Han resultado un gran número de variantes de los procesos. Todas las
variantes de los procesos se basan en las mismas reacciones químicas
fundamentales, así como en la utilización de un reactor térmico y de
un reactor catalítico.
El reactor térmico consta de un cámara de
combustión con un quemador, una caldera con recuperación del calor
de escape y un primer condensador de azufre. El reactor catalítico
está estructurado en dos o tres etapas. Las etapas tienen en cada
caso un calentador, un lecho de catalizador y un condensador de
azufre.
En la cámara de combustión y en los reactores
catalíticos se desarrollan las siguientes reacciones químicas
fundamentales:
Los demás gases acompañantes, presentes de un
modo condicionado por el proceso, tales como por ejemplo hidrógeno,
metano, hidrocarburos superiores, amoníaco, vapor de agua y dióxido
de carbono, reaccionan de un modo correspondiente a sus
concentraciones en un gran número de reacciones secundarias.
La reacción de Claus propiamente dicha entre el
dióxido de azufre y el sulfuro de hidrógeno, en la que se forman
azufre elemental y vapor de agua, es la reacción 2. Esta transcurre
en el lecho de catalizador.
Además de esto, se produce azufre elemental
directamente por medio del craqueo térmico de sulfuro de hidrógeno,
en azufre y agua en la cámara de combustión:
3.
\;H_{2}S \rightarrow H_{2} + 1/2S_{2}
Esta reacción es fuertemente endotérmica.
Según la técnica de procedimientos, una tercera
parte de la cantidad de sulfuro de hidrógeno, en la mayor parte de
los casos de una mezcla de gas de Claus y de separador por arrastre
de aguas ácidas, se quema por los quemadores mediante aire
comburente en cantidades inferiores a las estequiométricas para dar
un tercio de dióxido de azufre. El sulfuro de hidrógeno remanente se
craquea térmicamente en el intervalo de temperaturas comprendido
entre 900ºC y 1.300ºC, en la cámara de combustión, en forma de
azufre e hidrógeno, y se hace reaccionar catalíticamente a unas
temperaturas comprendidas entre 180ºC y 400ºC en los reactores
catalíticos con el sulfuro de hidrógeno no quemado para formar
azufre elemental y agua. La reacción para formar azufre es óptima,
cuando la relación de sulfuro de hidrógeno a dióxido de azufre es de
dos a uno. La relación óptima se alcanza en la práctica, sin
embargo, sólo de una manera aproximada.
El azufre elemental, formado en la cámara de
combustión, es separado ya en estado líquido, después de haber
enfriado el gas de proceso detrás de la caldera con recuperación del
calor de escape y en el primer condensador de azufre. En los
reactores catalíticos conectados a continuación, el gas de proceso
enfriado, antes de la entrada en los catalizadores, se calienta a la
necesaria temperatura de reacción, por medio de los calentadores
dispuestos delante de estos, mediante vapor a alta presión o un
aceite portador térmico. El azufre formado por la reacción de Claus
es separado asimismo en forma líquida en los condensadores de
azufre.
A causa de la diversa concentración de sulfuro de
hidrógeno en el gas de partida empleado, existen en los
convencionales procesos de Claus dos variantes principales: el
funcionamiento en una corriente principal para unas concentraciones
de sulfuro de hidrógeno mayores que 50% en volumen y el
funcionamiento en una corriente secundaria para unas concentraciones
de sulfuro de hidrógeno comprendidas entre 30% en volumen y 50% en
volumen.
En el caso del funcionamiento en la corriente
principal, toda la cantidad de sulfuro de hidrógeno es quemada
parcialmente con el aire comburente en la cámara de combustión.
Mediante el craqueo térmico del sulfuro de hidrógeno en la cámara de
combustión, ya una gran proporción de azufre se separa en el primer
condensador de azufre, detrás de la caldera con recuperación del
calor de escape. Para un gas rico en sulfuro de hidrógeno, el grado
de conversión del azufre en un proceso de Claus de tres etapas es de
96 a 97%.
Unas instalaciones para tratamiento de los gases
de colas, conectadas a continuación, en la mayor parte de los casos
procesos de Claus con combustión posterior térmica, hacen posible a
continuación respetar los valores límites legales dependientes de la
capacidad de las instalaciones.
En el caso de un funcionamiento en una corriente
secundaria, a causa del pequeño poder calorífico del sulfuro de
hidrógeno gaseoso, se subdivide la corriente gaseosa. Por lo menos
una tercera parte del sulfuro de hidrógeno gaseoso se quema con el
necesario aire comburente en la cámara de combustión, y el
resultante gas de reacción rico en dióxido de azufre se mezcla
delante del primer reactor con el sulfuro de hidrógeno gaseoso
restante. En este proceso no se forma en la cámara de combustión
nada de azufre elemental, puesto que el sulfuro de hidrógeno gaseoso
se quema totalmente.
En los casos de unas concentraciones de sulfuro
de hidrógeno menores que 30% en volumen, tampoco se puede emplear ya
el funcionamiento en una corriente secundaria, a causa del bajo
poder calorífico. Entonces, la combustión se vuelve inestable.
Además de esto, el funcionamiento en una corriente secundaria exige
por regla general un gas de partida exento de amoníaco. En caso
contrario, a través de la derivación, los catalizadores se
contaminan con amoníaco. En el caso de la presencia de amoníaco, por
ejemplo al emplear un gas de separador por arrastre de aguas ácidas,
el gas de separador por arrastre de aguas ácidas se debe de quemar
en la cámara de combustión por separado con respecto del gas de
Claus. Estas calidades del gas de partida exigen unas variantes
modificadas del proceso de Claus.
Para un aumento de la capacidad de refinación,
condicionado por la producción, para un empleo de calidades más
baratas o más ricas en azufre de un aceite crudo o para unos valores
límites reducidos de la concentración de azufre en el producto
final, las instalaciones de Claus existentes tienen con frecuencia
una capacidad de azufre demasiado pequeña. El concepto de
"capacidad de azufre" significa aquí la cantidad de azufre
producida por unidad de tiempo.
Junto a la nueva construcción o la reconstrucción
de la instalación de Claus, que eventualmente se necesita, existe
también la posibilidad de evitar el atasco en los aparatos mediante
utilización de oxígeno. En los casos de estos procedimientos, el
aire comburente se reemplaza parcial o totalmente por oxígeno.
Mediante el empleo de oxígeno se aumenta la temperatura de
combustión y se reduce o elimina la proporción de gas inerte. Esto
significa que se reduce el volumen específico del gas de proceso, y
por consiguiente la pérdida de presión en la instalación. Por
consiguiente, el caudal de paso del gas procedente de las aguas
ácidas y del gas de Claus se puede aumentar, y se someten a
tratamiento también en un reactor de corriente principal los gases
de partida pobres en sulfuro de hidrógeno con un pequeño poder
calorífico y un alto contenido de amoníaco. La utilización de
oxígeno en las instalaciones de Claus constituye hoy en día un
estado de la técnica.
En el caso de los procesos empleados actualmente,
el enriquecimiento con oxígeno del aire comburente es sumamente
sencillo de realizar. El caudal de paso suplementario de sulfuro de
hidrógeno es proporcional a la cantidad del oxígeno aportado. La
cantidad máxima posible de oxígeno es limitada por las temperaturas
admisibles de funcionamiento del quemador, de la caldera con
recuperación del calor de escape y del primer reactor.
Dependiendo del quemador existente, la máxima
concentración admisible de oxígeno es de 27 a 28% en volumen,
siendo limitadoras las temperaturas admisibles de funcionamiento del
quemador, de la caldera con recuperación del calor de escape y del
primer reactor. El grado de conversión en azufre no es aumentado en
comparación con el convencional procedimiento de Claus.
En el caso del proceso de COPE, el aire
comburente se enriquece con oxígeno, pudiendo realizarse unas
concentraciones más altas con hasta 100% en volumen de oxígeno. Para
esto se necesitan un quemador especial y un soplante en circuito
adicional. En el caso de este procedimiento, el aumento de
temperatura, debido a la alta concentración de oxígeno en la cámara
de combustión y en la caldera con recuperación del calor de escape,
se compensa mediante recirculación de un gas de proceso frío. El gas
de proceso es aspirado detrás del primer condensador de azufre y es
insuflado a través de los quemadores dentro de la cámara de
combustión, para producir una disminución de la temperatura. A causa
de las cantidades más altas del gas de proceso, aumenta la pérdida
de presión en la cámara de combustión y en la caldera con
recuperación del calor de escape. En las etapas catalíticas del
reactor, dispuestas a continuación, la pérdida de presión es menor a
causa de las cantidades reducidas del gas de proceso.
El quemador de Claus con oxígeno de Lurgi es un
quemador, que se puede hacer funcionar con aire, con oxígeno, o con
aire y oxígeno como medio de oxidación. La máxima concentración
posible de oxígeno es de aproximadamente 80% en volumen. El gas de
Claus y el gas de separador por arrastre de aguas ácidas, que
contiene amoníaco, se aportan por separado. El gas de separador por
arrastre de aguas ácidas se quema con aire en una mufla central de
quemadores, juntamente con el gas de calefacción. El gas de Claus se
quema con oxígeno y aire como medio de oxidación con varios
quemadores individuales doblemente concéntricos, que están
dispuestos simétricamente en torno a la mufla de quemadores. Un
quemador individual consta de una tobera central para oxígeno, de
una tobera concéntrica para gas de Claus, y de una tobera doblemente
concéntrica para aire. Mediante esta disposición resultan llamas
individuales de oxígeno y sulfuro de hidrógeno, que son envueltas
por llamas más frías de aire y sulfuro de hidrógeno. De esta manera,
se controla la temperatura en la cámara de combustión. Una
recirculación de gas de proceso frío para la disminución de la
temperatura, no es necesaria tampoco en el caso de altas cantidades
de oxígeno.
En el caso del proceso de SURE se utiliza como
medio de oxidación asimismo un aire enriquecido con oxígeno o 100%
en volumen de oxígeno.
En el caso del proceso de doble combustión de
SURE, la combustión del sulfuro de hidrógeno se lleva a cabo con dos
cámaras de combustión conectadas en serie, equipadas en cada caso
con una caldera con recuperación del calor de escape y con un
condensador de azufre. El sulfuro de hidrógeno gaseoso se quema con
una cantidad parcial del oxígeno en la primera cámara de combustión,
se enfría en una caldera con recuperación del calor de escape, se
transfiere a través de un quemador a la segunda cámara de
combustión, y se añade la cantidad de oxígeno restante que se
necesita para la reacción de Claus. Mediante esta subdivisión, se
controla asimismo la temperatura en las cámaras de combustión.
En el caso del proceso con quemadores en
corriente lateral de SURE, delante del proceso Claus existente está
conectada una cámara de combustión separada. El sulfuro de hidrógeno
gaseoso se subdivide en ambas cámaras de combustión. En la primera
cámara de combustión, mediante combustión con oxígeno, se produce
exclusivamente dióxido de azufre. Para el control de la temperatura,
detrás de la caldera con recuperación del calor de escape se insufla
una corriente parcial de la corriente parcial enfriada que contiene
dióxido de azufre, junto con el restante sulfuro de hidrógeno
gaseoso y el oxígeno a través de un quemador existente en la cámara
de combustión propiamente dicha, para ajustar la relación de sulfuro
de hidrógeno a dióxido de azufre que es necesaria para la reacción
de Claus.
El empleo de hasta 100% en volumen de oxígeno
como medio de oxidación ofrece el más alto potencial para el aumento
del rendimiento de las instalaciones de Claus. Para esto, no
obstante, se deben dedicar en la tecnología de instalaciones unos
costos de inversión no insignificantes. En los casos de todos los
conocidos procedimientos de Claus con oxígeno, se deben reemplazar
por lo menos el quemador y la cámara de combustión. Resultan unos
costes adicionales, cuando se necesitan adicionalmente un soplante
para gas en circuito o una segunda cámara de combustión con una
caldera con recuperación del calor de escape y un condensador de
azufre. Además de esto, el funcionamiento de un soplante en circuito
no carece de problemas debido a las posibles deposiciones de
azufre.
El alto potencial, entonces existente, de
rendimiento de caudal de paso, sin embargo no puede ser agotado en
la mayor parte de los casos, puesto que los equipos conectados a
continuación, tales como por ejemplo los reactores catalíticos,
constituyen un atasco. Por el contrario, el enriquecimiento con
oxígeno necesita los más pequeños costos de inversión, pero, con
solamente 28% en volumen de oxígeno como máximo en el aire
comburente, ofrece el más pequeño potencial para aumentar el
rendimiento de una instalación de Claus.
También a partir de la solicitud de patente
internacional WO-A-8912023 se conoce
un procedimiento de combustión de sulfuro de hidrógeno en dos
etapas, en el que un gas rico en oxígeno se conduce a un
quemador.
El invento se basa por lo tanto en la misión de
superar las desventajas del estado de la técnica y prever un
procedimiento, con el que se mejoren especialmente el rendimiento de
caudal de paso y el grado de conversión del sulfuro de hidrógeno en
azufre elemental. El procedimiento debe poder ser integrado además
de esto, con un gasto adicional comparativamente pequeño, en
instalaciones de Claus ya existentes.
El problema planteado por esta misión se resuelve
por medio de un procedimiento con las características de acuerdo con
la reivindicación 1. Unas formas preferidas de ejecución se indican
en las reivindicaciones subordinadas.
El procedimiento conforme al invento tiene la
ventaja de que se aumenta la capacidad de azufre de las
instalaciones de Claus, mediando utilización de oxígeno o de un gas
rico en oxígeno, siendo necesarios solamente unos pequeños costos de
inversión. Al mismo tiempo, sin embargo, son posibles unas
concentraciones de azufre esencialmente más altos o unos caudales de
paso de sulfuro de hidrógeno esencialmente más altos, en comparación
con un enriquecimiento convencional con oxígeno.
Conforme al invento, el oxígeno no es utilizado,
como hasta ahora, solamente como medio de oxidación, sino que es
empleado adicionalmente para aumentar la energía de mezcladura, con
el fin de mejorar el mezclamiento entre el agente de oxidación y el
gas de partida en la cámara de combustión existente. Mediante el
aumento de la energía de mezcladura, se pueden elevar la densidad de
combustión y por consiguiente el caudal de paso de sulfuro de
hidrógeno. En efecto, en la cámara de combustión presente, se
integra de esta manera una zona de combustión posterior adicional,
que es generada por chorros de oxígeno autoaspirantes muy
turbulentos. Por consiguiente, el gas de proceso parcialmente
reaccionado o previamente mezclado con aire, que sale del combustor
o del quemador, se quema posteriormente de modo total. Además de
esto, las reacciones que tienen lugar en la cámara de combustión se
desarrollan más próximas al equilibrio termodinámico. Los conceptos
"quemar parcialmente" y "quemar posteriormente" se
refieren a la combustión estequiométrica.
En vez de un oxígeno técnicamente puro, que se
suministra en estado comprimido a través de una conducción tubular,
o se saca con alta presión en estado licuado a partir de recipientes
aislados en vacío, se puede utilizar también un oxígeno con una
pureza de 80% en volumen hasta 100% en volumen de la porción de
oxígeno. Éste es producido directamente en las instalaciones del
consumidor preferiblemente por medio de instalaciones de adsorción
con tamices moleculares, por ejemplo instalaciones de adsorción con
cambio del vacío (VSA) o instalaciones de adsorción de cambio de la
presión y del vacío (PVSA).
El oxígeno adicional se añade dosificadamente
conforme al invento, no como hasta ahora, a través del quemador
mediante enriquecimiento del aire comburente, sino que de modo
preferido se insufla con alta velocidad a través de por lo menos una
tobera individual o de un número múltiplo de toberas individuales.
Éstas se incorporan distribuidas simétricamente dependiendo de la
construcción existente de la cámara de combustión, en la pared de la
cámara de combustión en la zona de transición hacia el combustor o
detrás del quemador al comienzo de la cámara de combustión.
El gas de proceso, quemado en cantidad inferior a
la estequiométrica o previamente mezclado con el aire comburente del
quemador, que sale del quemador, es quemado posteriormente de modo
total como consecuencia de la intensa mezcladura con el oxígeno y se
ajusta la relación estequiométrica de sulfuro de hidrógeno a dióxido
de azufre de dos a uno, que es necesaria para la reacción de Claus,
siendo medida la relación de sulfuro de hidrógeno a dióxido de
azufre delante de la instalación de tratamiento de los gases de
colas.
Para una mezcladura intensa, la velocidad de
salida desde las toberas individuales para oxígeno está situada
preferiblemente en un intervalo de números de Mach comprendido entre
0,4 y 2. Como número de Mach (Ma) ha de entenderse en este caso la
relación entre la velocidad de salida desde la tobera y la velocidad
del sonido de los gases. A causa de la velocidad relativamente alta
de salida del oxígeno, resultan unos chorros libres muy turbulentos,
que aspiran la atmósfera circundante de la cámara de combustión, se
mezclan y reaccionan con los constituyentes combustibles. El sulfuro
de hidrógeno se quema en tal caso para formar dióxido de azufre.
A una velocidad de salida correspondiente a un
número de Mach de uno, es decir la velocidad del sonido, se ajusta,
por ejemplo a causa de la intensa mezcladura, la relación
estequiométrica de sulfuro de hidrógeno a dióxido de azufre de dos a
uno. Esto significa que el oxígeno, presente en la cámara de
combustión, se hace reaccionar totalmente. Mediante la reacción
total del oxígeno se prolonga el período de tiempo de vida útil del
primer reactor catalítico. En efecto, a unas temperaturas del
reactor de 380ºC a 550ºC, el oxígeno en exceso, que en caso
contrario está presente en las instalaciones de Claus, reacciona con
el dióxido de azufre presente para formar trióxido de azufre
(SO_{3}), que reacciona con los gránulos comprimidos de
catalizador a base de óxido de aluminio de acuerdo con la siguiente
ecuación de reacción:
4.
\;Al_{2}O_{3} + SO_{3} \rightarrow Al_{2}SO_{4} + O_{2}
Se forma sulfato de aluminio, que cubre a la
superficie del catalizador y por consiguiente desactiva al
catalizador.
Además de esto, en el caso de unas velocidades de
oxígeno correspondientes a un número de Mach de uno, las toberas de
oxígeno son descargadas térmicamente, puesto que las llamas de
difusión en chorros libres de sulfuro de hidrógeno y dióxido de
azufre no se estabilizan junto a la tobera, sino que se queman
libremente en la cámara de combustión en estado desprendido desde la
tobera. Además, las raíces de las llamas son desplazadas de esta
manera, fuera de las toberas de oxígeno, dentro del recinto de
combustión. La presión absoluta de oxígeno junto a la salida de la
tobera, que es necesaria para una velocidad del oxígeno
correspondiente a un número de Mach de uno, debería ser
preferiblemente el múltiplo de 1,93 veces la presión que reina en la
cámara de combustión (PBRK).
El ángulo de inclinación de las lanzas para
inyección de oxígeno es preferentemente de 45º a 90º con respecto a
la dirección de circulación, cortándose los ejes de los chorros de
oxígeno en el eje central de la cámara de combustión. Las lanzas
para inyección de oxígeno están incorporadas con las toberas
ventajosamente en posición enrasada o retraída hacia la pared
interna de la cámara de combustión.
En el caso de quemadores, que generan llamas con
movimiento giratorio, lo cual significa que tienen una distribución
radial de velocidades y concentraciones de los componentes gaseosos
individuales en la cámara de combustión, las lanzas para inyección
de oxígeno se incorporan preferiblemente a una distancia de
aproximadamente 0,25 del diámetro de la cámara de combustión, medida
desde el centro de la cámara de combustión, distribuidas
simétricamente por la periferia. Con ello se genera una circulación
con movimiento giratorio de oxígeno dirigido en contra del
movimiento giratorio de la llama principal.
Las lanzas para inyección de oxígeno son
preferiblemente concéntricas, siendo rodeada la tobera para oxígeno
por una tobera de rendija anular. A través de la tobera de rendija
anular se insufla en la cámara de combustión ventajosamente de modo
permanente un gas protector con una velocidad mínima de salida
correspondiente a un número de Mach de 0,2, con el fin de enfriar a
la tobera para oxígeno y protegerla con respecto del azufre que se
introduce por difusión.
Como gas protector se utiliza de modo preferido
aire, nitrógeno o dióxido de carbono.
Unos experimentos han mostrado que, con este
procedimiento, dependiendo de la concentración de sulfuro de
hidrógeno, se pueden realizar unas concentraciones equivalentes de
oxígeno (XO_{2}) de 21% en volumen a 40% en volumen de oxígeno. La
concentración equivalente de oxígeno es descrita aquí por la
ecuación
(XO_{2}) =
O_{2} total/(aire + O_{2}
adicionalmente).
Las cantidades del gas de separador por arrastre
de aguas ácidas y del gas de Claus se aumentan de un modo
correspondiente a la oferta de oxígeno.
Los siguientes Ejemplos muestran que, a causa de
la alta concentración equivalente de oxígeno y la alta densidad de
combustión, sube la temperatura en la cámara de combustión. En la
caldera con recuperación del calor de escape se genera más cantidad
de vapor a causa de la más alta cantidad de calor de escape (véase
la Tabla).
| Ejemplo 1 | Ejemplo 2 | Ejemplo 3 | ||
| Gas de Claus | kg/h | 442 | 603 | 706 |
| Gas de SWS | kg/h | 240 | 259 | 246 |
| Aire total | kg/h | 1.515 | 1.222 | 797 |
| Oxígeno | kg/h | 0 | 71 | 146 |
| Temperatura de la cámara de combustión | ºC | 1.213 | 1.331 | 1.415 |
| Temperatura de la caldera con recuperación | ºC | 597 | 617 | 641 |
| del calor de escape |
(Continuación)
| Ejemplo 1 | Ejemplo 2 | Ejemplo 3 | ||
| Temperatura de los quemadores | ºC | 297 | 259 | 268 |
| Temperatura del reactor R1 | ºC | 355 | 387 | 395 |
| Relación de H_{2}S/SO_{2} | 2,08 | 2,01 | 2,01 | |
| Capacidad de azufre | % | 100 | 126 | 142 |
X_{gas \ de \
Claus} = 85% en volumen,
\;X_{gas \ de \ SWS} = 46% en volumen
En el caso de un aumento de la temperatura
admisible en la cámara de combustión de 1.500ºC, se puede aumentar a
por lo menos 40% en volumen la concentración equivalente de oxígeno.
Puesto que el calor y el material se pueden intercambiar con igual
rapidez, la temperatura en la cámara de combustión se uniformiza a
un nivel más alto a causa del mezclamiento más alto y se mejora la
transmisión de calor a la pared de la cámara de combustión. Esto
significa que es mayor la proporción de calor cedido al medio
ambiente a través de la pared de la cámara de combustión. La caldera
con recuperación del calor de escape es descargada térmicamente. Las
temperaturas en el quemador y en el combustor no aumentan.
De modo condicionado por el procedimiento, las
temperaturas aumentan mediante el mayor grado de conversión de
azufre en el reactor catalítico, pudiéndose aprovechar la
temperatura admisible de funcionamiento del catalizador, de hasta
650ºC. Las altas temperaturas de combustión en el caso del empleo de
oxígeno, repercuten positivamente sobre el craqueo térmico y la
combustión total de hidrocarburos superiores y de amoníaco,
teniéndose que respetar una temperatura mínima de 1.350ºC en
particular para obtener un craqueo total de amoníaco y una
combustión total. Condicionado por la ausencia del lastre de
nitrógeno en el caso de una concentración equivalente de oxígeno de
40% en volumen, la concentración de sulfuro de hidrógeno gaseoso en
la mezcla gaseosa empleada se puede disminuir a 20% en volumen de
sulfuro de hidrógeno.
El invento se explica ahora con mayor detalle con
ayuda de unas Figuras (Figuras 1 a 3).
En las Figuras 1 a 3 se representan un quemador y
la parte, que sigue a éste, de la cámara de combustión de una
instalación de Claus, teniendo el quemador representado en la Figura
1 y en la Figura 2 adicionalmente un combustor.
La Figura 1 muestra el quemador (1), al que a
través de un tubo 3 veces (triplemente) concéntrico (2) con un tubo
piloto interno (3), a través del tubo central (4) se aporta un gas
de calefacción y a través del tubo exterior (5) se aporta el gas
Claus / de SWS. A través de la conducción (6) se conduce aire dentro
del quemador (1). La combustión se efectúa en el combustor (7) y en
la cámara de combustión (8) que sigue a éste. De acuerdo con el
invento, a través de una tobera (9) se incorpora oxígeno con alta
velocidad en la cámara de combustión. Además, se representa aquí el
hecho de que la lanza para la incorporación del oxígeno (10) consta
en su zona delantera consta de un tubo doblemente concéntrico,
realizándose que a través del tubo interno (11) se introduce el
oxígeno y a través del tubo externo (12) se introduce un gas
protector, con el fin de enfriar a la tobera (9). El ángulo
"\beta" designa aquí el ángulo de inclinación de la lanza
para oxígeno con respecto a la dirección de circulación (R). El
ángulo "\beta" está situado conforme al invento en el
intervalo comprendido entre 45º (\beta) y 90º (\beta'). El
combustor (7) y la cámara de combustión (8) se estructuran en este
caso de una sola pieza.
La Figura 2 muestra una forma de realización
similar a la de la Figura 1, estando el combustor (7) y la cámara de
combustión (8) de manera separada entre sí. El quemador (1) tiene un
tubo 3 veces concéntrico (2) con un tubo interno (3) para un gas
piloto, un tubo central (4) para un gas de calefacción y un tubo
externo (5) para un gas de Claus / de SWS. Se aporta aire a través
de la conducción (6). Delante de la cámara de combustión (8) está
dispuesto un combustor (7). El oxígeno y un gas protector se aportan
a través de un tubo doblemente concéntrico, siendo conducidos el
oxígeno dentro del tubo interno (11) y el gas protector dentro del
tubo externo (12). La lanza para oxígeno está dispuesta en el
dispositivo de manera inclinada en el ángulo \beta hasta \beta'
(de 45º a 90º) con respecto a la dirección de circulación (R).
En la Figura 3 la cámara de combustión (8) sigue
directamente al quemador (1) de la instalación de Claus. En esta
forma de realización, el gas piloto se introduce en el quemador a
través de un tubo separado (13).
Claims (14)
1. Procedimiento para la obtención de azufre
elemental por combustión de sulfuro de hidrógeno o de un gas que
contiene sulfuro de hidrógeno, en particular del procedimiento de
Claus, en el que el sulfuro de hidrógeno o el gas que contiene
sulfuro de hidrógeno se quema parcialmente a través de una primera
disposición en un quemador situado dentro de una cámara de
combustión, mediando adición de aire como medio de oxidación, siendo
aportado el oxígeno o el gas que contiene oxígeno a la cámara de
combustión a través de por lo menos una segunda disposición
adicional de la cámara de combustión, con lo que el sulfuro de
hidrógeno o el gas que contiene sulfuro de hidrógeno se quema
posteriormente y a continuación se aporta a una caldera con
recuperación del calor de escape, y después de esto a uno o varios
reactores, conteniendo el gas que contiene oxígeno de 80% en volumen
a 100% en volumen de oxígeno.
2. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1,
en el que el oxígeno o el gas que contiene
oxígeno se insufla a través de una tobera individual o de un número
múltiplo de toberas individuales.
3. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2,
en el que la velocidad de entrada del oxígeno o
del gas que contiene oxígeno en la cámara de combustión está situado
en el intervalo de un número de Mach comprendido entre 0,4 y 2, con
lo que el mezclamiento entre el oxígeno, el aire comburente y el gas
de proceso que contiene sulfuro de hidrógeno se aumenta a causa de
la alta turbulencia.
4. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3,
en el que el oxígeno o el gas que contiene
oxígeno entra en la cámara de combustión con un ángulo de 45º a 90º
medido en la dirección de circulación.
5. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 4,
en el que en el caso de un procedimiento con un
movimiento giratorio de la llama principal en la cámara de
combustión se genera una circulación con movimiento giratorio del
oxígeno o del gas que contiene oxígeno, el cual está dirigido en
contra del movimiento giratorio de la llama principal.
6. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 5,
en el que es enfriado el sitio de entrada del
oxígeno o del gas que contiene oxígeno en la cámara de combustión, y
es protegido con respecto a una introducción por difusión de
azufre.
7. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 6,
en el que a la cámara de combustión se aporta,
para el enfriamiento, adicionalmente un gas protector en la zona del
sitio de entrada del oxígeno o del gas que contiene oxígeno en la
cámara de combustión.
8. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 7,
en el que como gas protector se utiliza aire,
nitrógeno o dióxido de carbono.
9. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 7 u 8,
en el que la velocidad de entrada del gas
protector en la cámara de combustión tiene por lo menos el número de
Mach de 0,2, con lo que se aumenta adicionalmente la mezcladura
turbulenta entre el oxígeno, el aire comburente y el gas de proceso
que contiene sulfuro de hidrógeno.
10. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 9,
en el que la cantidad de oxígeno aportado se
regula de modo correspondiente a la estequiometría de la reacción de
Claus, de tal manera que el oxígeno y el aire comburente reaccionan
totalmente con el sulfuro de hidrógeno y con los otros gases
combustibles, para que no esté presente nada de oxígeno en exceso
detrás de la cámara de combustión.
11. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 10,
en el que la cantidad de oxígeno aportado se
regula de modo correspondiente a la estequiometría de la reacción de
Claus, de tal manera que la relación de sulfuro de hidrógeno a
dióxido de azufre corresponda al valor teórico de 2.
12. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 11,
en el que la cantidad de oxígeno aportado se
regula de modo correspondiente a la estequiometría de la reacción de
Claus, de tal manera que las temperaturas máximas en el quemador /
en el combustor sean respectivamente 250ºC / 1.200ºC y la
temperatura máxima en la cámara de combustión sea de 1.500ºC, con lo
que se mejore la transmisión de calor a la pared de la cámara de
combustión, y la temperatura máxima en una caldera con recuperación
del calor de escape sea de 670ºC.
13. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 12,
en el que la concentración equivalente de oxígeno
está situada entre 21 y 40% en volumen.
14. Procedimiento de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 13,
en el que la concentración del sulfuro de
hidrógeno del gas empleado es por lo menos de 20% en volumen.
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