Balances de Materia y Energía

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    01-Dec-2015

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1. Balances de Materia y Energa

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

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

Tomando como ejemplo de Gas Acido a un corriente con las caractersticas que se muestra en la Tabla 7 y la cual es alimentada a una planta Claus a una velocidad de flujo de 100 LT/d (toneladas mtricas/ da) los resultados aproximados obtenidos serian:Gas Acido alimentado @ 30C y 1,40 Atm

Compuesto% MolarMol/hr

H2S60,65291,06

CO232,17154,39

H2O6,2029,75

Hidrocarburos (CH4)0,984,71

Total100,00479,91

Tabla 7.- Composicin del Gas Acido en la Alimentacin.

7.1.- Seccin de Combustin (Horno de Reaccin):De acuerdo a las reacciones antes explicadas, la cantidad de oxigeno (en forma de aire es la siguiente:CompuestoAlimentacin (Mol/hr)Aire (Mol/hr)

H2S291,06----

CO2154,39----

H2O29,75----

O2----154,95

N2----582,65

Hidrocarburos (CH4)4,71-

Total479,91759,51

Tabla 8- Flujos de Entrada al Horno de Reaccin.Una vez producida la combustin dentro del horno, la temperatura se eleva a aproximadamente 1150C, la cual es la temperatura optima en donde ocurre el equilibrio qumico para que se queme 1/3 del H2S de la alimentacin. La mezcla de gases producidos pudiese tener una composicin aproximada a la que muestra la Tabla 9, en esta parte se asume que la produccin de COS y CS2 es nula.CompuestosProductos de la Combustin (Mol/hr)

H2S64,04

CO2159,10

H2O288,10

SO232,02

N2582,65

S297,50

Total1223,41

Cada de Presin P (Atm)0,1

Tabla 10- Composicin del gas acido producto de la combustin.CorrienteEntalpia (KW)

Alimentacin91

Aire para Combustin230

Combustin de 1/3 de H2S73.874

Combustin del HC5.548

Reaccin Claus-4.525

Energa Total requerida75.218

Tabla 11 Balance de Energa en el Horno de Reaccin.

7.2.- CalderaAsumiendo que la Caldera produce vapor de alta presin (18 Atm) esto significa que la temperatura al interior de la caldera es de aproximadamente 350C. A esta temperatura siguen ocurriendo reacciones en donde una pequea parte de H2S y la gran parte del S2 se asocia y se transforma en S6 y S8. Los balances de materia y energa se presentan en la Tabla 12.CompuestosMol/hrKW

H2S58,041.148

CO2159,103.722

H2O294,105.593

SO229,02711

N2582,659.372

S20,143

S612,98620

S815,73978

Total1151,7622.147

H--53.071

Tabla 12- Balance de Materia y Energa en la Caldera.7.3.- Condensador:La condensacin ocurre generalmente a una temperatura cercana a los 160C. Los moles de Azufre que se han producido deben condensar a esta temperatura. En la siguiente tabla se muestra los balances de materia y energa para esta unidad:CompuestosMol/hrKW

H2S58,04524

CO2159,101.641

H2O294,102.596

SO229,02317

N2582,654.412

S2--------

S60,263

S80,7524

Total1123,929.517

H----- 12.630

Tabla 13- Balances de Materia y Energa para el Condensador

7.4.- Recalentador:Una de las funciones principales del recalentamiento es mantener al gas sobre el punto de roci de a travs del lecho cataltico. Esto permite que una parte del H2S presente en la alimentacin (cerca del 20%) se transforme a Azufre elemental en el reactor cataltico. Los gases que entran al recalentador salen entre 230 250C. Los balances de masa y energa para esta etapa se muestran en la siguiente tabla:CompuestosMol/hrKW

H2S58,04741

CO2159,102.356

H2O294,103.646

SO229,02453

N2582,656.165

S2--------

S60,268

S80,7531

Total1149,3713.400

H----3.883

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

7.5.- Convertidor Cataltico:Los convertidores catalticos trabajan bajo temperaturas de entre 200 350C y dentro de su interior el equilibrio qumico favorece la formacin de las especies S2, S6 y S8. Para el presente ejemplo la temperatura en el interior del reactor es cercana a los 290C. En las siguientes tablas se muestra una aproximacin de los balances de masa y energa para esta etapa del proceso Claus.CompuestosMol/hrKW

H2S19,34306

CO2159,102.952

H2O332,805.095

SO29,67189

N2582,657.582

S2--------

S63,05118

S85,79290

Total1112,4016.532

H----3.132

Tabla 15- Balances de Materia y Energa para el Convertidor Cataltico.Estos paso se repiten por el nmero de etapas que contengan el proceso Claus. Por experiencia se conoce que un proceso Claus con tres reactores catalticos puede generar una eficiencia en la conversin de hasta el 97%. Para ejemplo presentado y luego de tres etapas catalticas la composicin de los gases de cola a 135C es:CompuestosMol/hrKW

H2S3,8830

CO2159,101.362

H2O348,262.580

SO21,9418

N2582,653.715

S60,020,5

S80,225,5

Sliq1,40-18

Total1097,477.693

Tabla 16.- Composicin del Gas de Cola.Esta es la alimentacin del incinerador, si se asume que el gas de cola no necesita un tratamiento antes de ser incinerado y enviado a la atmosfera. Se asume 50% de exceso de aire (basado en la cantidad de combustible, en este caso C1) y una temperatura de combustin aproximadamente de 520C. La cantidad de aire requerido y de combustible se muestra en la Tabla 17.CompuestosAlimentacin @135CAire @ 25CCombustible @ 25C

Mol/hrKWMol/hrKWMol/hrKW

H2S3,8830--------10,020

CO2159,101.362----------------

H2O348,262.5804,249--------

SO21,9418----------------

N2582,653.715112,81182--------

S60,020,5----------------

S80,225,5----------------

Sliq1,40-18----------------

O2--------30,048--------

Total1097,477.693147,0523910,020

Tabla 17 Alimentacin del Incinerador.Una vez completa la combustin en el incinerador los productos a la salida del mechurrio y que luego son descargados a la atmosfera es la siguiente:Compuestos% Molar

CO212,04

H2O27,09

SO20,61

N258,51

O21,75

Total100,00

Tabla 17 Composicin de los Gases enviados a la Atmosfera (Salida del Mechurrio).Balance de EnergaEntalpia (KW)

Cantidad de Calor que ingresa:CombustibleAireCombustin del HC2023911.781

Cantidad de Calor que sale:Calor neto liberado por el combustible3.958

Total15.998 ~ 16.000

Tabla 19 Balance de Energa a la salida de la Planta Claus.