Balances de Materia y Energía

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    01-Dec-2015

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<p>1. Balances de Materia y Energa</p> <p>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&amp;E) son la solucin para evaluar las condiciones de equilibro y las composiciones en cada una de las etapa del proceso Claus.</p> <p>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.</p> <p>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</p> <p>Compuesto% MolarMol/hr</p> <p>H2S60,65291,06</p> <p>CO232,17154,39</p> <p>H2O6,2029,75</p> <p>Hidrocarburos (CH4)0,984,71</p> <p>Total100,00479,91</p> <p>Tabla 7.- Composicin del Gas Acido en la Alimentacin.</p> <p>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)</p> <p>H2S291,06----</p> <p>CO2154,39----</p> <p>H2O29,75----</p> <p>O2----154,95</p> <p>N2----582,65</p> <p>Hidrocarburos (CH4)4,71-</p> <p>Total479,91759,51</p> <p>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)</p> <p>H2S64,04</p> <p>CO2159,10</p> <p>H2O288,10</p> <p>SO232,02</p> <p>N2582,65</p> <p>S297,50</p> <p>Total1223,41</p> <p>Cada de Presin P (Atm)0,1</p> <p>Tabla 10- Composicin del gas acido producto de la combustin.CorrienteEntalpia (KW)</p> <p>Alimentacin91</p> <p>Aire para Combustin230</p> <p>Combustin de 1/3 de H2S73.874</p> <p>Combustin del HC5.548</p> <p>Reaccin Claus-4.525</p> <p>Energa Total requerida75.218</p> <p>Tabla 11 Balance de Energa en el Horno de Reaccin.</p> <p>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</p> <p>H2S58,041.148</p> <p>CO2159,103.722</p> <p>H2O294,105.593</p> <p>SO229,02711</p> <p>N2582,659.372</p> <p>S20,143</p> <p>S612,98620</p> <p>S815,73978</p> <p>Total1151,7622.147</p> <p>H--53.071</p> <p>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</p> <p>H2S58,04524</p> <p>CO2159,101.641</p> <p>H2O294,102.596</p> <p>SO229,02317</p> <p>N2582,654.412</p> <p>S2--------</p> <p>S60,263</p> <p>S80,7524</p> <p>Total1123,929.517</p> <p>H----- 12.630</p> <p>Tabla 13- Balances de Materia y Energa para el Condensador</p> <p>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</p> <p>H2S58,04741</p> <p>CO2159,102.356</p> <p>H2O294,103.646</p> <p>SO229,02453</p> <p>N2582,656.165</p> <p>S2--------</p> <p>S60,268</p> <p>S80,7531</p> <p>Total1149,3713.400</p> <p>H----3.883</p> <p>Tabla 14- Balances de Materia y Energa para el Calentador.</p> <p>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</p> <p>H2S19,34306</p> <p>CO2159,102.952</p> <p>H2O332,805.095</p> <p>SO29,67189</p> <p>N2582,657.582</p> <p>S2--------</p> <p>S63,05118</p> <p>S85,79290</p> <p>Total1112,4016.532</p> <p>H----3.132</p> <p>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</p> <p>H2S3,8830</p> <p>CO2159,101.362</p> <p>H2O348,262.580</p> <p>SO21,9418</p> <p>N2582,653.715</p> <p>S60,020,5</p> <p>S80,225,5</p> <p>Sliq1,40-18</p> <p>Total1097,477.693</p> <p>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</p> <p>Mol/hrKWMol/hrKWMol/hrKW</p> <p>H2S3,8830--------10,020</p> <p>CO2159,101.362----------------</p> <p>H2O348,262.5804,249--------</p> <p>SO21,9418----------------</p> <p>N2582,653.715112,81182--------</p> <p>S60,020,5----------------</p> <p>S80,225,5----------------</p> <p>Sliq1,40-18----------------</p> <p>O2--------30,048--------</p> <p>Total1097,477.693147,0523910,020</p> <p>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</p> <p>CO212,04</p> <p>H2O27,09</p> <p>SO20,61</p> <p>N258,51</p> <p>O21,75</p> <p>Total100,00</p> <p>Tabla 17 Composicin de los Gases enviados a la Atmosfera (Salida del Mechurrio).Balance de EnergaEntalpia (KW)</p> <p>Cantidad de Calor que ingresa:CombustibleAireCombustin del HC2023911.781</p> <p>Cantidad de Calor que sale:Calor neto liberado por el combustible3.958</p> <p>Total15.998 ~ 16.000</p> <p>Tabla 19 Balance de Energa a la salida de la Planta Claus.</p>

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