Diseño de su reactor térmico SRU
Sreeram Krishnan, de Zeeco ., expone los principios fundamentales de diseño de los paquetes de reactores térmicos SRU
SEl azufre es el undécimo elemento más abundante en el cuerpo humano y el décimo más abundante en el universo (Hobart M. King, 2025). Sin embargo, gran parte del azufre elemental del mundo se recupera a partir del sulfuro de hidrógeno (H2S) que se generan en las refinerías de petróleo crudo o en las plantas de procesamiento de gas natural. Estas instalaciones utilizan un método de conversión conocido como «proceso Claus» para recuperar azufre elemental a partir de los gases residuales que contienen azufre. El azufre elemental recuperado mediante el proceso Claus puede distribuirse posteriormente para su uso en numerosas aplicaciones, como la producción de fertilizantes o productos químicos.
Información general
El proceso Claus se lleva a cabo mediante una unidad de recuperación de azufre (SRU), compuesta por una amplia gama de recipientes de proceso y conjuntos de equipos que convierten el gasH₂Sen azufre elemental mediante un proceso de combustión en condiciones de falta de oxígeno, antes de que, finalmente, se condense en estado líquido y se almacene en un depósito de azufre para su distribución final. Una SRU Claus suele utilizar varios tipos diferentes de equipos de combustión, como reactores térmicos, calentadores en línea e incineradores de gases residuales, tal y como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Unidad típica de recuperación de azufre (SRU) de tipo Claus.
Los generadores de gas reductor (RGG) también pueden encontrarse dentro de una unidad de recuperación de azufre (SRU) del proceso Claus, aunque no aparecen representados en la figura 1. Los RGG se utilizan habitualmente en sistemas de recuperación y tratamiento más complejos, como el proceso de tratamiento de gases residuales Shell Claus (SCOT), que suele implantarse en instalaciones que exigen mayores niveles de recuperación de azufre (≥ 99,9 %) y menores niveles deemisiones de SO₂ generadas (≤ 150mg/Nm³).
No obstante, este artículo se centrará en los principios fundamentales de diseño asociados a un conjunto típico de reactor térmico SRU de Claus (los elementos resaltados en rojo en la figura 1) y en cómo pueden aplicarse dichos principios de diseño para garantizar que todos los equipos funcionen de la forma más segura y eficiente posible.
Descripción general del proceso
Dos de los gases residuales con mayor contenido deH₂Sque se tratan en una unidad de recuperación de sulfuro (SRU) del proceso Claus son el gas ácido y el gas del separador de agua ácida (SWS). Las figuras 2 y 3 muestran las composiciones típicas de estas corrientes de residuos.
Figura 2. Composición típica de los gases ácidos.
Figura 3. Composición típica del gas del separador de agua ácida (SWS).
Cabe señalar que las composiciones de los gases indicadas en las figuras 2 y 3 pueden variar en función de cada aplicación concreta. El objetivo de estas figuras es poner de relieve las elevadas concentraciones deH₂SyNH₃ que suelen estar presentes en cada gas residual.
Las reacciones principales que transformanel H₂Sen azufre elemental en un sistema de reactor térmico Claus SRU pueden describirse mediante las siguientes reacciones químicas:
- Reacción 1: se introduce en el sistema una cantidad suficiente de aire para quemar un tercio del H₂Spresente en el gas ácido entrante, transformándolo enSO₂ y H₂O, al tiempo que se destruyen todos los contaminantes que puedan estar presentes en la corriente, es decir,NH₃, BTEX, etc.
H₂S+ 3O₂ → SO₂ + H₂O
- Reacción 2: los dos tercios restantes de H₂Sreaccionan con elSO₂ producido en la reacción 1 para dar lugar a vapor de azufre elemental (S₂).
2H₂S+SO₂ ⇄ 3 S₂ + 2H₂O
El azufre elemental producido por el reactor térmico se enfría rápidamente en la caldera de recuperación de calor antes de pasar por un condensador, donde se licua y se recoge en el foso de azufre cubierto antes de su distribución. Los gases de combustión restantes del reactor térmico, que aún contienen cantidades significativas de azufre elemental recuperable, pasan a continuación por una serie de calentadores en línea, reactores catalíticos y condensadores situados aguas abajo, donde se recupera azufre adicional.
Aunque una unidad SRU de Claus es capaz de eliminar la mayor parte del azufre presente en las corrientes de gases residuales procesadas, sigue siendo necesario quemar y destruir una corriente de residuos derivada, conocida comúnmente como «gas residual». Las corrientes de gas residual contienen cantidades residuales de compuestos que contienen azufre, así como monóxido de carbono e hidrógeno, todos los cuales deben oxidarse por completo antes de su descarga. Este proceso se lleva a cabo mediante un incinerador de gas residual, que quema y destruye por completo los subproductos residuales hasta alcanzar niveles de emisión aceptables antes de que se liberen a la atmósfera.
Aspectos fundamentales que hay que tener en cuenta en el diseño
Para optimizar la eficiencia y el rendimiento generales de toda la unidad SRU de Claus, es necesario evaluar e implementar los siguientes elementos de diseño fundamentales en el conjunto del reactor térmico.
Dinámica de la mezcla
En el diseño del conjunto del reactor térmico deben tenerse en cuenta dispositivos de mezcla intensiva para garantizar el rendimiento global de la unidad de recuperación de azufre (SRU) de Claus. Debido a la necesidad de funcionar en condiciones subestequiométricas (con falta de oxígeno), no se pueden utilizar cantidades excesivas de aire para compensar las ineficiencias de mezcla. Las reacciones uno y dos descritas anteriormente deben producirse con una estequiometría cuidadosamente equilibrada para obtener una proporción óptima deH₂SySO₂, con el fin de maximizar el rendimiento de azufre elemental. Una mezcla deficiente puede dar lugar a una estratificación en la queel H₂Syel SO₂ puedan estar desequilibrados en diferentes zonas, lo que impediría la conversión ideal en azufre elemental.
Por estas razones, en el horno del reactor térmico se suelen instalar dispositivos de mezcla estática, como anillos de estrangulamiento y/o paredes de rejilla. También se suelen considerar dispositivos de mezcla adicionales, como conjuntos de álabes estabilizados por rotación para gases ácidos y aire de combustión, en los quemadores de los reactores térmicos de las unidades de separación de sulfuros (SRU), con el fin de garantizar aún más que se logre una mezcla y una turbulencia adecuadas. Se recomienda realizar análisis CFD adicionales para evaluar los perfiles de velocidad dentro de un conjunto de reactor térmico, con el fin de validar aún más la dinámica de la mezcla, tal y como se muestra en la figura 4.
Figura 4. Modelo CFD de los perfiles de velocidad en el interior de un reactor térmico SRU.
Formación de hollín
La formación de hollín es una consecuencia negativa potencial de una dinámica de mezcla deficiente dentro del conjunto del reactor térmico. Una mezcla inadecuada puede dar lugar a la formación de bolsas o zonas dentro del reactor térmico que contengan hidrocarburos expuestos a cantidades insuficientes deO₂. Como resultado, estos hidrocarburos no pueden oxidarse por completo para convertirse enCO₂ ni oxidarse parcialmente para convertirse en CO, lo que puede aumentar la probabilidad de que se forme hollín. Los depósitos de hollín en los reactores catalíticos de la SRU situados aguas abajo también podrían reducir la eficiencia global de toda la SRU de Claus, lo que reduciría el potencial total de recuperación de azufre. Los depósitos excesivos de hollín también pueden provocar una decoloración visible del producto de azufre líquido condensado, lo que lo hace menos deseable para su distribución o venta.
Para evitar estas consecuencias, las empresas de diseño de SRU de prestigio realizarán un análisis CFD de las concentraciones de acetileno (C2H2) a lo largo del perfil interno del conjunto del reactor térmico de la SRU. Los datos experimentales anteriores han indicado que se requieren fraccionesmolares de C2H2 superiores a 10-8 para que se produzca una formación observable de hollín en el interior de la unidad.
Estratificación del oxígeno
La presencia deO₂ sin reaccionara la salida del reactor térmico de la SRU o de los paquetes de calentadores en línea no es deseable, debido a su potencial para reaccionar conel H₂So el azufre condensado más adelante en la SRU de Claus, lo que da lugar a mayoresconcentraciones de SO₂ y a una menor eficiencia en la recuperación de azufre. El oxígeno sin reaccionar también puede provocar incendios de azufre dentro del sistema, lo que supone riesgos adicionales para la seguridad del personal y los equipos. Por estas razones, se recomienda realizar análisis CFD adicionales para simularlas concentraciones de O₂ a lo largo del perfil interno de un conjunto de reactores térmicos de la SRU.
Distribución uniforme de la temperatura
Es importante evaluar los perfiles de distribución de la temperatura en el interior del horno del reactor térmico de la SRU con el fin de optimizar el rendimiento global de la SRU de Claus. Las reacciones uno y dos deben tener lugar a una temperatura adecuada y con un tiempo de residencia suficiente para que cada reacción se complete. La temperatura influye en los productos de equilibrio de cada reacción, lo que a su vez afecta a la recuperación global de azufre elemental en todo el sistema.
La estratificación de la temperatura que se produce en determinadas zonas o compartimentos del reactor térmico, especialmente cerca de la superficie del quemador, puede dar lugar a una mezcla inadecuada o insuficiente, lo que reduce el rendimiento potencial de azufre elemental. Las temperaturas de los gases de combustión en cualquier punto concreto del horno del reactor térmico vienen determinadas por la temperatura de equilibrio de la estequiometría local de los reactivos. La liberación de energía en las reacciones exotérmicas también está limitada por la disponibilidad de oxígeno. Las zonas con mayores concentraciones de oxígeno serán propensas a alcanzar temperaturas más elevadas, lo que podría dañar los componentes refractarios internos y/o del quemador. La gestión uniforme de la temperatura máxima de la llama dentro del sistema se basa en gran medida en los dispositivos de mezcla del quemador del reactor térmico. La aerodinámica del quemador y la inyección de gas inerte se utilizan para mitigar las temperaturas máximas, especialmente en sistemas que pueden funcionar con corrientes de aire enriquecidas con oxígeno. Se pueden utilizar modelos CFD para verificar la distribución uniforme de la temperatura a lo largo del perfil del quemador y el horno del reactor térmico, tal y como se refleja con más detalle en la figura 5.
Figura 5. Modelo CFD de las curvas de temperatura en el interior de un reactor térmico SRU.
Eficiencia de eliminación de contaminantes (DRE)
Los contaminantes indeseables, comoel NH₃, el BTEX y otros hidrocarburos residuales, deben destruirse dentro del reactor térmico para evitar daños en las etapas posteriores de la unidad de recuperación de sulfuro (SRU) de Claus.El NH₃ presente en la salida del reactor térmico puede reaccionar conel SO₂, lo que da lugar a la formación de sales de sulfato de amonio. Estas sales podrían precipitarse, obstruyendo o ensuciando los reactores catalíticos posteriores y provocando consecuencias similares a las mencionadas anteriormente en relación con la formación de hollín. Por estas razones, los contaminantes deben destruirse en una atmósfera reductora con disponibilidad limitada de oxígeno.
Se recomienda utilizar dispositivos de mezcla de alta calidad y temperaturas de funcionamiento del reactor térmico superiores a 1250 °C (2370 °F) para garantizar aún más que estos contaminantes se destruyan de forma adecuada a la salida del conjunto del reactor térmico. También se puede recurrir a la combustión conjunta con gas natural o a la distribución de la inyección de gas de proceso en diferentes zonas del horno para aumentar la temperatura del horno en aquellas zonas dondees necesario destruirel NH₃ .
Capacidad de regulación del quemador
La caída de presión del quemador dentro del reactor térmico proporciona la energía de mezcla necesaria para mezclar adecuadamente los gases. Una mezcla insuficiente puede dar lugar a limitaciones de rendimiento, tal y como se ha comentado. Las corrientes que aportan mayor cantidad de masa al sistema son las de aire de combustión y las de gas de proceso. En conjunto, estas corrientes deben proporcionar suficiente energía de mezcla para garantizar un funcionamiento satisfactorio en cualquier condición de funcionamiento, dentro de las variaciones de caudal y composición típicas de esa SRU de Claus.
Prevención de la combustión inversa
El «burn-back» es otro problema habitual asociado a los bajos índices de funcionamiento del conjunto del reactor térmico. Mantener una velocidad adecuada a través de la garganta del quemador evita que se dañen los componentes internos del mismo, al limitar la exposición a cualquier radiación incidental procedente del horno del reactor térmico situado aguas abajo.
La aerodinámica de un quemador estabilizado por rotación genera de forma natural una zona de recirculación central, similar al ojo de un tornado o un tifón. Esta zona de recirculación arrastrará el gas del horno de vuelta hacia la boca del quemador, lo que puede dañar los componentes internos. Mantener un caudal mínimo a través de los inyectores también ayuda a prevenir daños, independientemente de la velocidad en la garganta del quemador.
En algunos casos, las condiciones de funcionamiento dentro del conjunto del reactor térmico pueden dar lugar a un caudal escaso o nulo a través de las boquillas de gas combustible o los inyectores de gas ácido. Durante estos incidentes, se puede utilizar vapor como método alternativo para mantener una velocidad mínima a través de los inyectores, en lugar del gas de proceso o del gas combustible. Los transmisores de presión diferencial situados en el horno del reactor térmico de la SRU (PFurnace) y en la boquilla de entrada de aire de combustión del quemador (PCombustion Air) también pueden utilizarse para supervisar la caída de presión a través del quemador como medida preventiva adicional contra el retroceso de llama, tal y como se indica en la figura 6.
Figura 6. Mediciones de presión crítica en el quemador y el horno de un reactor térmico SRU.
Conclusiones
Los paquetes de reactores térmicos SRU deben maximizar la recuperación de azufre y minimizarlas emisiones de SOx producidas por la unidad SRU Claus en cualquier refinería o planta de procesamiento de gas natural. Todos los conjuntos que forman parte de una SRU Claus deben diseñarse y operarse cuidadosamente para que funcionen según lo estipulado por el licenciante del proceso. Dados los principios y características de diseño críticos que deben tenerse en cuenta específicamente para un conjunto de reactor térmico de una SRU, es importante consultar con un proveedor de SRU de confianza y con experiencia para cualquier cuestión específica relacionada con el diseño detallado, la fabricación o el funcionamiento de los conjuntos de SRU.