Diseño reactor sulfhidrato de sodio

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DISEÑO DE REACTORES AVANZADO

“DISEÑO DE UNA TORRE DE ABSORCIÓN PARA LA PRODUCCIÓN DE NaSH A PARTIR DE H2S”

David Meneses Vega Alumno de Magíster en Cs. de la Ingeniería Química Profesor: Patricio Nuñez Fecha de entrega Agosto 2012

Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Índice

1. Introducción …………………………………..………………………………………...4 2. Antecedentes teóricos 2.1 Torres de relleno

……………..……………………………………………...7 .…………….……………………………………………...7

2.2 Hidrodinámica …………………………………………………………………...10 2.3 Interface Gas-Líquido y transferencia de masa

.…………………………..11

2.4 Transferencia de calor ……..…………………………………………………….16 2.5 Presión de operación y pérdidas de carga …………………………………...16 3. Diseño de reactor: Producción de Sulfhidrato de Sodio.………………………….20 3.1 Antecedentes del proceso de producción………………………………………20 3.1.1 Reacción - absorción 3.1.2 Obras físicas

…………………………………………………...22

…………………………………………………………...23

3.1.3 Materias primas e insumos 3.1.4 propiedades químicas

…………………………………………...24

..………………………………………………….25

3.2 Datos del diseño y planteo de suposiciones ...…………………………………26 4. Ecuaciones para el diseño de la torre de absorción de lecho empacado para NaSH ..………………………………………………………………………………....29 4.1 Diámetro de la torre

,,,,,……………………………………………………….29

4.2 Altura de la torre………..………………………………………………………….30 5. Resultados del diseño/simulación ...…………………………………………………31 5.1 Cálculos de la salida

…………………………………………………………...31

5.2 Cálculo del diámetro de la torre

…………………………………………...33 2

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ 5.3 Cálculo de la altura de la torre …………………………………………………...35 5.4 Caída de presión

…………………………………………………………...37

5.5 Transferencia de calor y temperatura de salida del líquido

…………...37

6. Conclusión……………………………………………………………………………...39 7. Bibliografía……………………………………………………………………………...40 8. ANEXOS……………………………………………………………………………......41 …………………………………………...41

Anexo A: Normas de emisiones

Anexo B: Propiedades químicas (REFPROP) Anexo C: Balance de masa del reactor Anexo D: Balances de reacciones Anexo E: Balance de energía

…………………………...42

…………………………………...44

…………………………………………...46

…………………………………………………...47

Anexo F: Modelo para reacciones gas-líquido basado en la teoría del film …...48

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ 1. Introducción

El ácido sulfhídrico (H2S) y dióxido de carbono (CO2) coexisten en una variedad de corrientes de gases en las industrias de procesos y energía. Debido a temas ambientales, de seguridad y de corrosión, normalmente se desea eliminar solo el H 2S. Sin embargo, la similitud de ambos gases con respecto a sus propiedades físicas y químicas resulta frecuentemente en la extracción innecesaria de grandes cantidades de CO2 junto con H2S, con consecuencias evidentes sobre el tamaño del equipo y los gastos de funcionamiento de la planta de purificación. Por esta razón, se demandan procesos adecuados para la eliminación selectiva de H2S. En el presente trabajo, una mezcla de gases con alta concentración de H2S, proveniente de algunas de las unidades existentes en una misma refinería, es de principal interés. Típicamente, el gas contiene H2S en concentraciones por sobre el 60%, acompañado de concentraciones menores de CO2. Existen relativamente pocos procesos en la literatura para la eliminación selectiva de H2S. Algunas opciones incluyen la absorción en soluciones acuosas de NaOH o Na 2CO3, y se basan en el hecho de que el H2S reacciona instantáneamente mientras que el CO2 reacciona rápidamente pero a una velocidad finita. Entre ellos, típicos son los procesos con tiempo de contacto corto.

El sulfhidrato de sodio es un compuesto químico con fórmula NaSH. Este compuesto es el producto de la neutralización media de ácido sulfhídrico con hidróxido de sodio. El NaSH es un reactivo útil para la síntesis de compuestos de azufre orgánicos e inorgánicos. Es un sólido incoloro con un aroma típico parecido al H 2S debido a la hidrólisis por la humedad atmosférica. A diferencia del sulfuro de sodio, Na2S, el cual es insoluble en solventes orgánicos, el NaSH, al ser un electrolito 1:1, es más soluble. Alternativamente, en lugar del NaSH, el H2S se puede tratar como un amino orgánico para generar una sal de amonio. Las soluciones de HS- son sensibles al oxigeno, convirtiéndose principalmente en polisulfuros, indicados por la aparición del color amarillo. 4

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La solución de NaSH típica se produce comercialmente combinando H2S con soda cáustica (NaOH), de acuerdo a la siguiente reacción: H2S + NaOH  NaSH + H2O La solución resultante tiene un pH de aproximadamente 11.5.

Miles de toneladas de NaSH se producen anualmente. Los usos de este reactivo químico en nuestro país son principalmente en la gran minería del cobre específicamente en el proceso de flotación selectiva de la molibdenita de los concentrados del cobre. Otros usos se encuentran en el proceso de papel y la industria de taninos.

El objetivo del presente proyecto es el diseño de un reactor de lecho empacado para la producción de sulfhidrato de sodio (NaSH) de 42% en peso, a partir de una mezcla de gases con alta concentración de H2S generados en algunas de las unidades existentes en una misma refinería, y con un contenido menor de CO2. El diseño debe abarcar la absorción selectiva de H2S sobre CO2. Adicionalmente, se propone aplicar la teoría del film para el diseño y dimensionamiento de la torre.

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PARTE I

TEORÍA Y FUNDAMENTOS DE REACTORES DE LECHO EMPACADO

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ 2. Antecedentes Teóricos

La absorción de gases es una operación unitaria que consiste en poner en contacto una mezcla gaseosa con un líquido, denominado absorbente o disolvente, para disolver selectivamente uno o más componentes, el soluto o absorbato, por transferencia de materia del gas al líquido. La operación inversa se llama desorción, aquí el soluto pasa de la corriente líquida a la gaseosa.

La absorción se puede llevar a cabo de dos maneras distintas:

- Absorción física: no existe reacción química entre el absorbente y el soluto, sucede cuando se utiliza agua o hidrocarburos como disolvente.

- Absorción química: se da una reacción química en la fase líquida, lo que ayuda a que aumente la velocidad de la absorción.

2.1 Torres de relleno

Un aparato frecuentemente utilizado en absorción de gases y en algunas otras operaciones es la torre de relleno, un ejemplo de ésta se representa en la Figura 2.1.1. El dispositivo consiste en una columna cilíndrica, o torre, equipada con una entrada de gas y un espacio de distribución en la parte inferior; una entrada de líquido y un distribuidor en la parte superior; salidas para el gas y el liquido por cabeza y cola, respectivamente; y una masa soportada de cuerpos sólidos inertes que recibe el nombre de relleno de la torre.

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Figura 2.1.1. Torre de relleno.

La entrada del líquido recibe el nombre de líquido agotado, se distribuye sobre la parte superior del relleno mediante un distribuidor y, en operación ideal, moja uniformemente la superficie del relleno. El gas que contiene el soluto, o gas rico, entra en el espacio de distribución situado debajo del relleno y asciende a través de los intersticios del relleno en contracorriente con el flujo de líquido. El relleno proporciona una gran área de contacto entre el líquido y el gas, favoreciendo así un íntimo contacto entre las fases. El soluto contenido en el gas rico es absorbido por el líquido fresco que entra en la torre, y el gas pobre abandona la torre. El líquido se enriquece en soluto a medida que desciende por la torre y el líquido concentrado sale por el fondo de la torre.

El relleno puede ser cargado al azar en la torre o bien ser colocado ordenadamente a mano. Los rellenos al azar consisten en unidades de 1/4 a 3 pulg en su dimensión mayor; los rellenos inferiores a 1 pulg se utilizan fundamentalmente en columnas de laboratorio o de planta piloto.

En la Figura 2.1.2 se representan algunos tipos frecuentes de cuerpos de relleno. 8

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Los principales requisitos de un relleno de torre son: 

Ha de ser químicamente inerte frente a los fluidos de la torre.



Ha de ser resistente mecánicamente sin tener un peso excesivo.



Ha de tener pasos adecuados para ambas corrientes sin excesiva retención de líquido o caída de presión.



Ha de proporcionar un buen contacto entre el líquido y el gas.



Ha de tener un coste razonable.

Por tanto, la mayoría de rellenos se construyen con materiales inertes, baratos y relativamente ligeros, tales como arcilla, porcelana o diferentes plásticos.

En el presente documento se ha decidido utilizar Novalox Saddles de 1 ½ pulgada de tamaño nominal, manufacturadas en material cerámico.

Como bien indica su

nombre en inglés, estas piezas tienen la forma de sillas de montar;

poseen

características adecuadas para su uso en aplicaciones de absorción de gases ácidos, así como también son adecuadas para trabajar a altas temperaturas.

Figura 2.1.2. Ejemplo de diferentes cuerpos de relleno típicos.

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ 2.2 Hidrodinámica

2.2.1 Contacto entre el líquido y el gas

El requisito de un buen contacto entre el líquido y el gas es la condición más difícil de cumplir, especialmente en torres grandes. Idealmente, el líquido, una vez distribuido en la parte superior del relleno, fluye en forma de una película sobre la superficie del relleno durante todo el recorrido de descenso a través de la torre. En la realidad las películas tienden a crecer de espesor en algunos lugares y a disminuir en otros, de forma que el líquido se agrupa en pequeñas corrientes y desciende a través de caminos preferentes localizados en el relleno. Especialmente para bajas velocidades del líquido, una buena parte de la superficie del relleno puede estar seca, o más frecuentemente, recubierta por una película estacionaria de liquido. Este efecto se conoce con el nombre de canalización y es la principal razón del mal funcionamiento de las grandes torres de relleno.

La canalización es más severa en torres con relleno ordenado, menos severa en relleno formado por sólidos triturados y todavía menos en rellenos al azar de unidades de forma regular tales como anillos.

Para bajas velocidades de líquido, con independencia de la distribución inicial del líquido, la mayor parte de la superficie del relleno no es mojada por el líquido que desciende. Al aumentar la velocidad del líquido aumenta también la fracción mojada de la superficie del relleno, hasta que para una velocidad crítica, que generalmente es elevada, toda la superficie está mojada y es efectiva.

2.2.2 Velocidades límite de flujo; carga e inundación

En una torre que contiene un determinado relleno y que está irrigada con un flujo definido de líquido, existe un límite superior para la velocidad de flujo del gas. La velocidad correspondiente a este punto recibe el nombre de velocidad de inundación. 10

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La velocidad del gas en una torre de relleno en operación ha de ser inferior a la velocidad de operación.

Cuanto menor ha de ser es una elección a criterio del diseñador. Cuanto menor sea, menor es el consumo de potencia y mayor el coste de la torre. Es frecuente operar con la mitad de la velocidad de inundación [1].

2.3 Interface Gas-Líquido y transferencia de masa

La altura de la torre y por tanto el volumen total del relleno depende de las variaciones de concentración que se deseen y de la velocidad de transferencia de materia por unidad de volumen de relleno.

Para que pueda darse la reacción química los reactivos deben ponerse en contacto. Esto implica en sistemas heterogéneos (reacción en la que interviene más de una fase) que la reacción puede darse o bien en una fase, en la otra, o en la interfase; en cualquiera de estos casos existirá cierto movimiento de uno o más reactivos para alcanzar el sitio de reacción. Se habla entonces de transferencia de materia que se acopla con la reacción química.

En general se distinguen en el proceso global distintos pasos: transferencia de materia, reacción química...

Se hablará de fase líquida y fase gaseosa. En una reacción en la que están involucrados el reactivo A (H2S) presente en la fase gaseosa (gas ácido) y el reactivo B (hidróxido de sodio) presente en la fase líquida (solución NaOH 50% p/p), se supondrá que A es soluble en el líquido pero B no es soluble en el gas. Por lo tanto para que ocurra la reacción química el reactante A deberá moverse hasta la interfase entre ambos fluidos y eventualmente penetrar en el líquido. Esto implica que para evaluar la

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ velocidad global del proceso deberá tenerse en cuenta el transporte de materia además de la velocidad de reacción química.

2.3.1 Tipo de reacción reinante en la torre y su clasificación

Centremos el análisis en una reacción Gas/Liquido como la siguiente: A (g →l ) + b·B (l)  R

(Ec. 2.1)

donde se está indicando que el reactivo A (H2S) está presente en el gas ácido y debe difundir hacia el líquido (solución NaOH 50% p/p) para reaccionar con el reactivo B (NaOH) que está presente en el líquido.

La reacción química (con velocidad rA = kCACB ) ocurre en el líquido o bien en la interfase, dependiendo de la relación de las distintas resistencias involucradas.

La teoría del film postula una película entre el bulk del gas (que se supone de composición homogénea) y la interfase en la cual se da la transferencia del reactante A, descendiendo su concentración en forma lineal, según rA” = kGA ( pA - pAi )

(Ec. 2.2)

donde la velocidad de reacción está expresada por unidad de superficie de interfase, pA es la presión del gas en el bulk del fluido, pAi la presión en la interfase y kGA la constante de transferencia de masa. A su vez, del lado del líquido puede postularse también la existencia de una película contra la interfase en la que se dará la transferencia de materia hasta el bulk del fluido (donde se asume una composición homogénea), con un decaimiento lineal en la concentración según:

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ rA” = KAL ( CAi - CA )

(Ec. 2.3)

donde KAL es el coeficiente de transferencia de masa en el líquido, C Ai la concentración de A en la interfase y CA la concentración en el bulk del fluido. Combinando ambas expresiones de rA” , ya que en estado estacionario la velocidad debe ser única, y teniendo en cuenta la Ley de Henry ( pAi =HA CAi ) se pueden eliminar los valores desconocidos de la interfase:

√ (Ec. 2.4)

Donde kGA es la constante de transferencia de masa de la película gaseosa, H es la constante de Henry y E el factor incremento.

De forma gráfica la transferencia de masa del H2S (absorción) puede representarse de la siguiente manera:

Figura 2.3.1.1. Transferencia de masa del H2S (Absorción).

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Para determinar el tipo de reacción que se lleva a cabo en la columna de absorción se deben calcular el módulo de Hatta (MH) y el factor de incremento (Ei). De la relación entre estos dos valores y a través de la figura 2.3.1.2 se define el tipo de reacción.

La expresión del módulo de Hatta, cuyo cuadrado representa la relación entre la máxima conversión posible en el film comparada con el máximo transporte a través del film, es:

(Ec. 2.5)

Ei es el factor de incremento para una reacción infinitamente rápida, y la expresión que la define es:

(Ec. 2.6)

De donde DA y DB son las difusividades efectivas del H2S y de la amina, CB es la disolución del líquido, CAi es la concentración de A en la interfase, K es la cinética de la reacción, y kAL es la constante de transferencia de masa para el líquido. El coeficiente b de la fórmula anterior representa el coeficiente estequimétrico que acompaña al NaOH en la reacción (e.g. b = 1).

Se calcula la concentración de A, H2S, en la interfase, tanto en el tope como en el fondo de la columna según:

Fondo columna:

(Ec. 2.7) 14

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Tope columna:

(Ec. 2.8)

Con estos dos valores se entra en el gráfico:

Figura 2.3.1.2. Factor de incremento en función del módulo de Hatta y de E i.

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Si la reacción es de pseudo-primer orden en la interfase, se ha de cumplir que:

5·MH < Ei. 2.4 Transferencia de calor

El calor generado en la fase líquida debido a la reacción química (∆H R) se disipa de tres formas, a saber, transferencia de calor directa entre la fase gas y líquida, saturación de la fase gas por la evaporización del agua y pérdida de calor a los alrededores. En absorbedores de escala industrial, la pérdida de calor a los alrededores es despreciable.

En este caso, prácticamente muy poca evaporización del agua se lleva a cabo dentro el absorbedor. La velocidad de transferencia de calor al gas es muy baja debido al bajo coeficiente de transferencia de calor. Por lo tanto, se considera apropiado prescindir del procedimiento complicado de resolver expresiones simultáneas de transferencia de masa y calor.

Se presenta un enfoque simple y práctico de modo adiabático (sólo en la fase líquida) de operación. Por lo tanto, se asume que el calor libreado debido a la reacción química resulta solamente en el aumento de temperatura de la fase líquida [2].

2.5 Presión de operación y pérdidas de carga

La caída de presión a través del dispositivo también puede determinarse gráficamente encontrando la curva que corresponde a la intersección de la abscisa y la ordenada a las condiciones de diseño del aparato, de acuerdo a la figura 2.5; el valor obtenido será la caída de presión en pulgadas de agua por pie de altura del relleno. De esta forma, la caída de presión total será el producto de la altura del relleno por el valor determinado gráficamente. 16

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Figura 2.5 Diagrama para determinar las condiciones de inundación en la torre de absorción.

Para hacer uso de la figura 2.5 y determinar la caída de presión a través del aparato, se debe recalcular el valor de la abscisa y la ordenada para las condiciones de flujo de diseño del aparato, de acuerdo a las siguientes ecuaciones:

ρg L' abscisa   G' ρl

(Ec. 2.9)

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________  G´2  F  μL 0.2   ρH2O  ordenada      gc  ρ G  ρL   ρL 

(Ec. 2.10)

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PARTE II DISEÑO DE REACTOR DE LECHO EMPACADO PRODUCCIÓN DE SULFHIDRATO DE SODIO

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ 3. Diseño de reactor: Producción de Sulfhidrato de Sodio

El objetivo del proyecto es el diseño de un reactor de lecho empacado para la producción de sulfhidrato de sodio (NaSH) de 42% en peso, a partir de una mezcla de gases con alta concentración de ácido sulfhídrico (H2S) generados en algunas de las unidades existentes en una misma refinería.

En este caso, se trata de empobrecer el gas ácido, es decir, extraer del gas ácido el ácido sulfhídrico por medio la reacción con una solución de hidróxido de sodio para producir sulfhidrato de sodio y obtener un gas de mejores calidades no contaminante.

Este es un proyecto ideado además con fines medioambientales, ya que la operación de la planta de producción de NaSH reduce el azufre elemental y las emisiones de SO2 que se producen en las unidades, para así cumplir con las normas de calidad ambiental que establecen un límite máximo a las emisiones de azufre de 80 μg/m3 (anual) y 250 μg/m3 (24 horas) (ver anexo A), ayudando a proteger la salud de la población de aquellos efectos generados por la exposición a elementos contaminantes.

3.1 Antecedentes del proceso de producción

El método consiste en producir una solución de sulfhidrato de sodio de alta concentración, a partir de mezclas de gases que contienen ácido sulfhídrico. La mezcla de gases empleada puede ser un gas como resultado de una operación en una refinería, la cual contendrá ácido sulfhídrico, además de dióxido de carbono, agua e hidrocarburos livianos.

Los requerimientos comerciales para el sulfhidrato de sodio útil son que esté disponible en una solución bastante concentrada, vale decir, soluciones que contienen 25% o más de sulfhidrato de sodio en peso.

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ En este método de producción de sulfhidrato de sodio, un contacto continuo se mantiene entre la corriente de gas conteniendo acido sulfhídrico y una corriente de solución de hidróxido de sodio. La absorción se lleva a cabo con las soluciones a una temperatura moderadamente elevada, en una torre de absorción de lecho fijo.

En la torre de absorción, el gas ácido entra desde el fondo haciendo contacto y a contracorriente con la solución de hidróxido de sodio que entra desde el tope de la torre. Gracias a la transferencia de masa y energía entre la solución de hidróxido de sodio y el gas ácido, por el tope de la torre se extrae un gas ácido purificado y a la misma temperatura a la que entra en la torre.

El H2S contenido en el gas ácido es absorbido por el hidróxido de sodio transformándose en sulfhidrato de sodio. Debido al calor de absorción y al calor de reacción, la corriente líquida de salida da la torre de absorción se encuentra ligeramente a una temperatura mayor que la corriente hidróxido de sodio de entrada. El sulfhidrato de sodio producido sale desde la base de la torre de absorción.

Por el fondo del reactor se obtiene la solución producto, la cual, sale de la zona de reacción - absorción a través de una válvula de control automática que es accionada por el sistema de control de la planta. Luego, el producto, ingresa a un intercambiador de calor para ser enfriado y filtrado, y finalmente se envía a estanques de almacenamiento.

El proceso, además de la torre de absorción, necesita de otros equipos importantes, como son separadores, intercambiadores de calor, bombas, y acumuladores. Dicho proceso se representa mediante el siguiente diagrama:

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Fig 3.1. Diagrama de bloques de proceso en Planta NaSH 3.1.1 Reacción – absorción

La zona principal de la Planta de Producción de NaSH es donde ocurre la absorción y reacción del gas ácido en un medio acuoso básico. La zona de reacción – absorción está compuesta del reactor principal.

El gas ácido es burbujeado en la solución de hidróxido de sodio contenida en el reactor – absorbedor, y a medida que las burbujas de gas fluyen a través de la solución ocurrirá la reacción y absorción del H2S. La formación de NaSH va acompañada por la formación de Na2S en menor proporción, cuyas formulas de reacción son las siguientes: H2S + NaOH  NaSH + H2O H2S + 2NaOH  Na2S + 2H2O

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Debido a que la reacción es exotérmica, la temperatura en la reacción se controla con un intercambiador de calor (condensador) en la salida de gases del reactor donde se condensa agua producto de la reacción y se ingresa nuevamente al reactor – absorbedor.

Sin embargo, cuando CO2 está presente en el gas ácido, ocurre la absorción paralela de CO2 en la solución de NaOH, con la subsiguiente formación de carbonato de sodio. Dicha reacción se lleva a cabo de acuerdo a: CO2 + 2NaOH  Na2CO3 + H2O Por tanto, este proceso está diseñado para producir soluciones de NaSH sustancialmente libres de Na2CO3, al contactar el gas de refinería con una solución fresca de NaOH acuosa. Debido a las diferencias en las velocidades de absorción y actividad de los gases de H2S y CO2 en soluciones cáusticas y particularmente en soluciones de NaOH frescas, la selectividad de la absorción de H2S se ve favorecida por la reacción en la interface gas-líquido. Del mismo modo, la absorción de H2S se favorece sobre la absorción de CO2 por los tiempos cortos de contacto entre las fases gas y líquida.

Existen otros métodos que favorecen la selectividad de H2S mediante temperaturas relativamente bajas, minimizando el mezclado del bulk de las fases gas y líquida, por presiones bajas, y mediante flujos a co-corriente para la mezcla de reacción.

3.1.2 Obras físicas

La operación de esta planta requiere de diversos equipos (estanques de almacenamiento, separador, reactor-absorbedor, intercambiadores de calor, etc.). El reactor (equipo principal) tiene las siguientes características:

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ ___________________________Reactor - absorbedor________________________ Características de peligrosidad

Sustancia corrosiva

Material de construcción

Acero Inoxidable 304

Capacidad

(a definir)

Equipamiento

-

Equipamiento para sistema de control

Transmisor de temperatura y transmisor

de planta

de nivel

______________________________________________________________________

3.1.3 Materias primas e insumos

a) Energéticos

Requerimientos de energía eléctrica del Proyecto: El suministro de energía eléctrica se realiza generalmente desde las centrales de distribución interna de energía eléctrica

b) Materias primas:

Agua de proceso: Es agua desmineralizada, requerida en dilución en línea de producto de reactor – absorbedor. El agua ingresa al reactor – absorbedor de forma continua y el flujo es regulado por el sistema de control de la planta.

Hidróxido de sodio 50% en peso: Este compuesto es requerido como materia prima del proceso. El hidróxido de sodio almacenado se mantiene a una temperatura media sobre su punto de cristalización.

Gas ácido: El gas ácido es requerido como materia prima del proceso. El suministro proviene de diferentes unidades. La corriente de gas ácido se alimenta a la planta de forma continua, pasando a través de un separador, en el cual se separará cualquier contenido de agua o hidrocarburos líquidos de la corriente gaseosa.

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Ciertamente, el hidróxido de sodio es una sustancia que debe manejarse con cuidado, pero su utilización es una práctica común en la depuración de gases ácidos, pues las soluciones acuosas son lo suficientemente diluidas para no ocasionar problemas.

La utilización de ésta solución alcalina hace posible asumir la condición de transferencia de masa limitada por la fase gaseosa (yi=0) para realizar el diseño, además de que se puede conseguir una alta eficiencia de remoción del H2S sin que se produzcan problemas significativos de incrustaciones en el material de relleno, pues la reacción química producirá sales que no van a tender a precipitarse, sino a permanecer en estado acuoso.

3.1.4 Propiedades químicas

Sulfhidrato de sodio:

Sulfhidrato de sodio en solución al 42%, está catalogado como sustancia corrosiva debido a que tiene un pH entre 11.5 y 12.5, lo que indica una sustancia básica que reaccionará enérgicamente con los ácidos fuertes. Se considera estable en condiciones de transporte normal. En almacenamiento el espacio de vapor sobre la solución de NaSH contiene gas de ácido sulfhídrico.

Estos son los datos técnicos para solución de NaSH al 42%: ___________________________________________________ Formula:

NaSH

Peso molecular:

56,07

Estado físico (80°F; 14.7 psia)

Solución acuosa

Color:

Amarilla pálida a verde

Olor:

Huevo podrido (H2S)

Gravedad específica (60°F/60°F)

1,303

PH:

10,4 – 11,5 25

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Punto de congelamiento (45% sol.)

62,6°F

Viscosidad 45% (100°F)

7 cP

___________________________________________________

Los usos de este reactivo químico en nuestro país son principalmente en la gran minería del cobre, específicamente en el proceso de flotación selectiva de la molibdenita de los concentrados del cobre. Otros usos se encuentran en el proceso de papel y la industria de taninos.

3.2 Datos del diseño y planteo de suposiciones

La reacción entre el H2S y NaOH es conocida por ser instantánea con respecto a la transferencia de masa (Danckwerts, 1970). La absorción de H2S en una solución de NaOH está por lo tanto limitada usualmente por la transferencia de masa en la fase gaseosa, siempre que el gas no consista de H2S puro y la concentración de NaOH sea suficientemente alta [3].

La Planta de Producción de NaSH en operación consume para el diseño un promedio de 479,91 mol/h de gas ácido de alto contenido de H2S. Esta masa contiene el equivalente en H2S de aproximadamente 291,06 mol/h. La composición del gas ácido de entrada a la torre varía en el tiempo. En la tabla 3.2.1 se muestra su composición promedio. En el Anexo B se presentan las propiedades químicas de todos los compuestos.

Tabla 3.2.1. Composición química promedio del gas ácido alimentado Compuesto

Porcentaje en mol

H2S

60,65 %

CO2

32,17 %

H2O

6,20 %

HC

0,98 % 26

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Compuesto

Porcentaje en peso

H2S

56.65%

CO2

38.80%

H2O

3.06%

HC

1.49%

Tabla 3.2.2. Características del gas ácido y del líquido absorbente [4]. Gas ácido

Solución NaOH

Temperatura

27 °C

44 °C

Presión entrada

1,43 bar

1 bar

Presión de salida

1,43 bar

1 bar

Densidad

0,9828 kg/m3

1508,06 kg/m3

Viscosidad

0,013 cP

20,92 cP

Masa molecular

17,137 g/mol

24,841 g/mol

Consideraciones de diseño

La conversión de azufre a NaSH, contenido en la corriente de gas ácido que entra a la Planta de Producción de NaSH, se estima en 90%. Esto demuestra una gran reducción en emisiones a la atmósfera, lo cual se traduce directamente en beneficios ambientales. Se puede establecer también que se espera remover como máximo un 10% de CO2. Por último, se asume que el líquido utilizado en el proceso de absorción estará libre de partículas, pues se utilizará un tanque de recirculación exclusivo para la torre de absorción [5].

Como se venía comentando, debe eliminarse el ácido sulfhídrico de una corriente de gas ácida a una presión total de 1 bar y 27 ºC mediante la absorción con una solución de NaOH 50% p/p. La operación se realiza en continuo y a contracorriente en una torre con rellenos cerámicos Novalox Saddles de 1 ½ pulgada. El gas ácido entrará por el fondo de la torre a razón de 479,91 mol/h, con un contenido del 56,65% de H2S. Este se debe reducir a 11,56% a la salida. 27

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________

Las constantes a utilizarse en los cálculos posteriores de la torre de absorción son: Factor de empaque: Fp = 52 ft-1 Área geométrica superficial: a = 61 ft2/ft3

La solución NaOH 50% p/p se alimenta por arriba de la torre a un caudal tal que hace que su concentración se mantenga constante.

Se han considerado las siguientes hipótesis para el dimensionado de la torre de absorción: 

Operación en continuo y a contracorriente.



Caudal de NaOH es tal que su concentración es constante.



Reacción irreversible.



Reacción instantánea para el diseño de la torre.



Las difusividades respectivas son [5]:

H2S: 3,51·10-9 m2/s NaOH: 1.40·10-9 m2/s



Constante de Henry del H2S [5]: H= 25 bar·m3/kmol



Para ambos solutos [5]:

Fase líquida: Kl = 1,2·10-4 m/s Fase gas: Kga =0,026 kmol/m3·bar·s



Constante cinética de la reacción [5]: k = 9,5·103 m3/kmol·s



La relación de velocidades másicas de líquido y gas respectivamente es Gx/Gy = 1



Factor de proporcionalidad de la ley de Newton: gc = 32.174 pies·lb/lb_s2

4. Ecuaciones para el diseño de la torre de absorción de lecho empacado para NaSH

28

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ 4.1 Diámetro de la torre

El diámetro de la torre de absorción de puede deducir de la expresión Ec.4.1 que determina la sección de la columna circular:

( ⁄ ) Ec. 4.1

Como el caudal de gas ácido es conocido, la única incógnita es la velocidad másica del gas, Gy. Este valor se halla a partir de una gráfica “Correlación generalizada para inundación y caída de presión en columnas de relleno” según el Mc. Cabe [1998, p.722]

Figura 4.1 Correlación generalizada para inundación y caída de presión en columnas de relleno [1]

29

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Una vez se determina el diámetro, se procede al cálculo de la altura de la Torre.

4.2 Altura de la torre

Antes de calcular la altura, se ha de definir el tipo de reacción que se lleva a cabo dentro de la torre para que la solución hidróxido de sodio capte el H2S del gas ácido. Se va a trabajar con un sistema heterogéneo, y por tanto se hablará de una fase líquida y una fase gaseosa. En una reacción en la que están involucrados el reactivo A (H2S) presente en la fase gaseosa (gas ácido) y el reactivo B (hidróxido de sodio) presente en la fase líquida (solución NaOH 50% p/p), se supondrá que A es soluble en el líquido pero B no es soluble en el gas. Por lo tanto para que ocurra la reacción química el reactante A deberá moverse hasta la interfase entre ambos fluidos y eventualmente penetrar en el líquido. Esto implica que para evaluar la velocidad global del proceso deberá tenerse en cuenta el transporte de materia además de la velocidad de reacción química.

Siguiendo la teoría del film, se determina el tipo de reacción que se lleva a cabo en la columna de absorción, para ello se debe calcular el módulo de Hatta (M H) y el factor de incremento Ei, y de la relación entre estos dos valores y a través de la gráfica 2.3.1.2 “Factor de incremento en función del módulo de Hatta y de Ei.” se define el tipo de reacción.

Una vez determinado el tipo de reacción que se lleva en el bulk de la torre, se calcula el coeficiente global de transferencia de masa (resistencia global) KGA necesario para determinar la altura mediante la expresión:

(

) (Ec. 4.2)

30

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Donde Gx son los kmol/s de gas ácido entrante,

Pa

la presión total del gas, S la

sección de la torre e ya, yb son los porcentajes de salida/entrada de H2S del gas ácido a la torre en volumen.

Para finalizar se calcula la pérdida de carga en la columna de absorción mediante la tabla “Caída de presión en una torre de relleno para el sistema aire-agua con monturas Intalox de 1 pulgada”, aceptándose el error como bueno por usar un sistema diferente al de aire-agua.

5. Resultados del diseño/simulación

5.1 Cálculos de salida

El diseño se basa en la remoción del H2S (90%), por ello es necesario determinar las fracciones molares de esa sustancia en el gas, tanto a la entrada como a la salida del aparato. La fracción molar a la entrada es:

y1 = 291,06 / 479,91 = 0.6065 mol H2S / mol gas A pesar de la concentración relativamente alta de CO2 en el gas ácido, solo un pequeño porcentaje es absorbido por la solución cáustica. Se asume que se removerá el 10% del CO2. Entonces, se removerán conjuntamente las siguientes cantidades de los gases.

NH2S = 0.9 · NCO2 = 0.1·

291,06 mol H2S mol H2S = 261,954 h h

154,39 mol CO2 mol CO2 = 15,439 h h

31

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ La cantidad de NaOH que se requiere para neutralizar las cantidades halladas de los gases se calcula en base a las reacciones químicas que describen el proceso, entonces

Para el H2S: mNaOH=

261,954 mol H2S 1 mol NaOH 39.99711 g NaOH   h 1 mol H2S 1 mol NaOH

mNaOH= 10,477 kg NaOH / h De igual modo, para el CO2: mNaOH= 1,235 kg NaOH / h El hidróxido de sodio reaccionará también con otras sustancias presentes en los gases de descarga, y su combinación con un ácido formará una sal y agua. Es difícil predecir la cantidad extra que se requerirá por tal situación, sin embargo, para asegurar que existirá la cantidad suficiente del reactivo en la solución, se tomará un 5% adicional de la cantidad estequiométrica requerida, entonces la cantidad total de NaOH requerida es:

mNa(OH) = 1,05 · (10,477 + 1,235) mNa(OH) = 12,298 kg NaOH / h Esta es la cantidad de hidróxido de sodio que deberá tener disuelta la solución en agua antes de ser distribuida sobre el material de relleno.

Finalmente, si se considera que el 5% adicional de hidróxido de sodio reacciona con H2S para formar Na2S, la fracción molar de H2S a la salida del aparato resulta: y2 = 0,1307 mol H2S / mol gas

32

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Con los valores obtenidos, se procede a dimensionar el aparato. La producción de solución NaSH 42% p/p, se estima en 0,84 ton/día y la composición se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 5.1.1 Composición química estimada de producto Compuesto

Porcentaje en peso

NaSH

42.00%

H2O

51.69%

Na2S

1.63%

Na2CO3

4.68%

La composición estimada del gas de cola que sale del reactor - absorbedor se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 5.1.2 Composición química estimada de gas de cola Compuesto

Porcentaje en peso

H2S

10.40%

CO2

85.65%

H2O

0.31%

HC

3.65%

En el flow-sheet en Anexo C se adjunta el balance de masa de diseño del reactor de producción de NaSH. En el Anexo D se encuentran los balances de las reacciones.

5.2 Cálculo del diámetro de la torre

El diámetro de una torre de absorción de relleno depende de las cantidades de gas y líquido tratadas, sus propiedades y la relación de una corriente a otra. Usando los rellenos Novalox Saddles de 1 ½ pulgada y considerando que la velocidad real del líquido absorbente es la mitad de la velocidad de inundación: 33

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Datos de partida:

ρg = 0,9828 kg/m3 ρl = 1508,06 kg/m3 Gx/Gy = 1

Primero se calcula la expresión de carácter adimensional siguiente: ρ √ (ρ

ρ ) (Ec. 5.1)

Con este valor, y tomando como velocidad del gas la velocidad de inundación de la gráfica “Correlación generalizada para inundación y caída de presión en columnas de relleno” (figura 4.1) se obtiene el valor 0,04 (valor adimensional) como valor correspondiente a la ecuación siguiente:

(

) (Ec. 5.2)

A partir de esta ecuación, se obtiene el valor de Gy o velocidad másica del gas: Gy = 1,585 kg/m2·s Con este valor se calcula el área de la sección transversal de la torre (trabajando con la mitad de la velocidad de inundación):

( ⁄ ) (Ec. 5.3) 34

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Si la superficie de la torre es circular, es fácil deducir que el diámetro de la torre es:

√ (Ec. 5.4)

Por los tanto, el diámetro de la torre de absorción es de 1,33 m.

5.3 Cálculo de la altura de la torre

A partir de las ecuaciones (Ec. 2.5) y (Ec. 2.6) se obtiene el modulo de Hatta y el factor de incremento, respectivamente:

MH = 208,93

Ei = 3.606,87

Al ver que se cumple:

5·208,93 = 1.044,68 < Ei

(Ec. 5.5)

Según se aprecia en la figura 2.3.1.2 se puede hacer la aproximación siguiente: Ei ≈ MH La reacción, por tanto, es infinitamente rápida y de pseudo-primer orden. Para este tipo de reacciones la ecuación cinética adecuada es:

√ (Ec. 5.6) 35

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En donde cada sumando del denominador representa la resistencia a la película gaseosa y líquida respectivamente. Si “a” es la superficie de interfase por unidad de volumen del reactor:

√ (Ec. 5.7)

√ (Ec. 5.8) Cuyo valor de coeficiente global es KGA = 0,023 [kmol/m3 s bar] Combinando las ecuaciones 15 y 16 se obtiene

(Ec. 5.9)

Considerando que el porcentaje de H2S en el biogás pasa desde un 60,65% a un 13,07%, la altura de la torre se calcula como:

(

) (Ec. 5.10)

Cuyo valor resulta en: 2,97 m

Esta altura hay que incrementarla en la medida de la base y la cabeza de la torre, y un coeficiente de seguridad. La práctica según expertos en la materia, es que el valor 36

______________________________________________________________________________ David Meneses Vega | Diseño de Reactores Avanzado

Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ calculado hay que aumentarlo en un 100% debido a los errores arrastrados en el cálculo de la altura de la torre y por tener que considerar el tope y la base de la torre. Por lo tanto, el valor de la altura de la torre de relleno será: Z’ = 2·Z ≅ 5,95 m

5.4 Caída de Presión

Antes de utilizar la figura 2.5 para determinar la caída de presión de la torre de absorción, se deberá tomar en cuenta el flujo mínimo de líquido requerido para lograr la distribución completa de éste en el material de relleno.

Entonces, tomando el valor de la razón mínima de humedecimiento como MWR = 1,3 ft2/h, la densidad de la solución como ρL = 94,15 lb/ft3 y el valor de a = 61, se obtiene:

'

L min

ft 2 lb ft 2  13  94,15 3  61 3 h ft ft

L'min  6,80

lb = L’ s  ft 2

De esta forma, el valor de la abscisa calculado según la ecuación 2.9 es 0,53. Adicionalmente, el valor de la ordenada según la ecuación 2.10 resulta 0,035. La intersección de ambas coordenadas es 1,0 in H2O / ft de relleno. Entonces para una altura de relleno de 5,95 m (19,52094 ft) la caída de presión es: ΔP = ( 1,00 in H2O / ft ) · (19,52094 ft ) ΔP = 19,5 in H2O

37

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ 5.5 Transferencia de calor y temperatura de salida del líquido

A partir de un balance global de masa y energía, se puede obtener la temperatura de salida del líquido en el fondo de la torre. Dicho balance de plantea de acuerdo a:

∆HR = mCpdT (Ec. 5.11) En donde ∆HR es la entalpía total de reacción, calculada a partir de los calores estándar de formación de reactantes y productos, m es la masa de los componentes presentes en la fase líquida, Cp es la capacidad calorífica promedio, y dT es la diferencia de temperatura entre la salida y entrada de una sección transversal de longitud diferencial.

El calor generado de la reacción de la mezcla es: ∆HR = -35,1221 [kJ/h] Aplicando la ecuación (Ec. 5.11) se obtiene una temperatura de la solución de NaSH a la salida de la torre de 59 °C.

En el Anexo E se presentan los balances de energía.

38

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ 6. Conclusión

En el presente trabajo, se desarrolló un enfoque simplificado para diseñar una torre de absorción de lecho relleno para la producción de sulfhidrato de sodio al 42% a partir de un gas ácido de refinería con un alto contenido de ácido sulfhídrico y un contenido menor de dióxido de carbono. El diseño consideró la absorción selectiva de H2S sobre CO2, el cual estando presente no se necesita remover. Debido a las diferencias en las velocidades de absorción y actividad de los gases de H 2S y CO2 en soluciones cáusticas y particularmente en soluciones de NaOH frescas, la selectividad de la absorción de H2S se ve favorecida por la reacción en la interface gas-líquido. Del mismo modo, la absorción de H2S se favorece sobre la absorción de CO2 por tiempos cortos de contacto entre las fases gas y líquida. Por otro lado, existen otros métodos que favorecen la selectividad de H2S mediante temperaturas relativamente bajas, minimizando el mezclado del bulk de las fases gas y líquida, por presiones bajas, y mediante flujos a co-corriente para la mezcla de reacción.

Para el diseño de la torre se utilizó la teoría del film, que postula una película entre el bulk del gas y la interfase en la cual se da la transferencia del reactante. A su vez, del lado del líquido se postula la existencia de una película contra la interfase en la que se da la transferencia de materia hasta el bulk del fluido. Se determinó que la reacción es infinitamente rápida y de pseudo-primer orden en la interfase. De este modo, se aplicó la aproximación de que Ei ≈ MH para el posterior dimensionamiento del equipo. La transferencia de calor en la fase gaseosa se despreció.

Estos valores son una aproximación de las características descriptivas de una torre de absorción que cumple con los requisitos expuestos, es decir, los valores son solamente indicativos y en cada situación es diferente, no pudiendo ser tomados estos valores para propósitos generales. Para obtener valores más fiables es imprescindible realizar un estudio más detallado y acompañado de pruebas experimentales que corroboren los datos obtenidos. 39

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ 7. Bibliografía

[1] Mc. Cabe, W.L., Smith J.C. Unit Operations of Chemical Engineering. Mc. Graw Hill, 1998. [2] Vaidya & Mahajani. Quickly design CO2 - amine absorber. 2004. [3] H. Ter Maat, Theoretical and experimental study of the absorption rate of H2S in CuSO4 solutions: the effect of enhancement of mass transfer by a precipitation reaction, 2006. [4] REFPROP Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties, Version 8.0 [5] G. Astarita and F. Gioia. Hydrogen sulphide chemical absorption. 1964. [6] A. Marcilla Gomis. Introducción a las operaciones de separación. Publicaciones. Universidad de Alincante, Alicante1998, p.44-88, 197-212. [7] Gilbert F. Froment. Chemical Reactor Analysis and Design. [8] Principles of absorption. http://www.scribd.com/doc/54686239/Kohl [9] Mejora del sistema de desgasificación y valoración energética del biogás del vertedero de “La Vall d’en Joan” [10] ENAP Refinerías Aconcagua. Planta de producción de sulfhidrato de sodio en enap refinerías Aconcagua. 2007 [11] P. A. Ramachandran. Model for gas-liquid reactions based on film model

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ 8. ANEXOS

Anexo A: Normas de emisiones

D.S. 112, 113, 114, 115 /03 - MINSEGPRES Estas normas de calidad ambiental tienen por objetivo proteger la salud de la población de aquellos efectos generados por la exposición a niveles de concentración de ozono (O3), anhídrido sulfuroso (SO2), dióxido de nitrógeno (NO2) y monóxido de carbono (CO) en el aire. Las concentraciones máximas permitidas (calidad primaria de aire), según los decretos, son: 

O3 : 120 μg/m3 (8 horas)



SO2: 80 μg/m3 (anual) y 250 μg/m3 (24 horas)



NO2: 100 μg/m3 (anual) y 400 μg/m3 (1 hora)



CO: 10 mg/m3 (8 horas ) y 30 mg/m3 (1 hora).

La normativa indicada es aplicable a todo el territorio nacional.

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Anexo B: Propiedades químicas (REFPROP)

H2S PM Densidad (27 C, 1.43 BAR) Viscosidad (27 C, 1.43 BAR) Densidad (27 C, 1 BAR) Entalpía de formación CO2 PM Densidad (27 C, 1.43 BAR) Viscosidad (27 C, 1.43 BAR) Densidad (27 C, 1 BAR) Entalpía de formación H2O PM Densidad (27 C, 1.43 BAR) Viscosidad (27 C, 1.43 BAR) Densidad (27 C, 1 BAR) Densidad (44 C, 1 BAR) Entalpía de formación Capacidad calorífica (44 C) Hidrocarburos PM Densidad (27 C, 1.43 BAR) Viscosidad (27 C, 1.43 BAR) Densidad (27 C, 1 BAR)

34.081 g/mol 1.9738 kg/m3 0.01248 cP 1.3758 kg/m3 -20.63 kJ/mol

44.01 g/mol 2.5395 0.01503 2 1.7721 -393.51

39.99711 2099.9 -425.93 60.12

g/mol kg/m3 kJ/mol J/mol°K

NaSH PM Densidad (44 C, 1 BAR) Entalpía de formación Capacidad calorífica (44 C)

56.06271 1790 -237.6 -50.9

g/mol kg/m3 kJ/mol J/mol°K

Na2S PM Densidad (44 C, 1 BAR) Entalpía de formación Capacidad calorífica (44 C)

78.04454 1860 -372.38 79.696

g/mol kg/m3 kJ/mol J/mol°K

105.9884 2540 1.13E+03 113.89

g/mol kg/m3

kg/m3 cP kg/m3 kJ/mol

18.015 g/mol 996.53 kg/m3 0.85098 996.52 990.63 -285.83

NaOH PM Densidad (44 C, 1 BAR) Entalpía de formación Capacidad calorífica (44 C)

cP kg/m3 kg/m3 kJ/mol

Na2CO3 PM Densidad (44 C, 1 BAR) Entalpía de formación Capacidad calorífica (44 C)

kJ/mol J/mol°K

75.236 J/mol°K

55.257 g/mol 4.1603 kg/m3 cP 2.6481 kg/m3

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ G1 27 °C, 1.43 Bar Densidad [kg/m3] Viscosidad [cP] PM [g/mol]

G2 27 °C, 1.43 Bar Densidad [kg/m3] Viscosidad [cP] PM [g/mol]

0.9828 0.013429 17.137

L2 44 °C, 1 Bar Densidad [kg/m3] Viscosidad [cP] PM [g/mol]

2.2435 0.013429 38.926

L1 44 °C, 1 Bar Densidad [kg/m3] Viscosidad [cP] PM [g/mol]

1508.06 20.92008 24.841

1276.165 27.149

43

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Anexo C: Balance de masa del reactor

F1

Composición Fondo mols/hr mol% kg/h peso% m3/h H2S 291.06 60.65% 9.92 56.65% CO2 154.39 32.17% 6.79 38.80% H2O 29.75 6.20% 0.54 3.06% Hidrocarburos 4.71 0.98% 0.26 1.49% TOTAL 479.91 100% 17.51 100% 17.82 F2 NaOH H2O TOTAL

Composición Tope mols/hr mol% kg/h peso% m3/h 307.47 31.05% 12.30 50.00% 682.66 68.95% 12.30 50.00% 990.13 100% 24.60 100% 0.016

F3 NaSH H2O Na2S Na2CO3 TOTAL

mols/hr 261.95 1003.21 7.32 15.44 1287.93

Composición Tope mol% kg/h peso% m3/h 20.34% 14.69 42.00% 77.89% 18.07 51.69% 0.57% 0.57 1.63% 1.20% 1.64 4.68% 100% 34.97 100% #DIV/0! 44

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________

F4 H2S CO2 H2O Hidrocarburos TOTAL

mols/hr 21.7852 138.951 1.229423 4.71 166.68

Composición Tope mol% kg/h peso% m3/h 13.07% 0.74 10.40% 83.37% 6.12 85.65% 0.74% 0.02 0.31% 2.83% 0.26 3.65% 100.00% 7.14 100% #DIV/0!

45

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Anexo D: Balances de reacciones (kmol/h)

H2S 0.29 0.262 0.029

0.262 0.262 0.000 2NaOH 0.031 0.031 0.000



0.154 0.015 0.139

2NaOH 0.029 0.015 0.007 0.015 0.022 0.000



CO2

H2S



NaOH

NaSH

H2O 0.262 0.262

Na2CO3

0.262 0.262 H2O

0.015 0.015 Na2S

0.015 0.015 2H2O

0.007 0.007

0.015 0.015

46

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Anexo E: Balance de energía (kJ/h)

H2S NaOH 0.262 0.262

NaSH H2O 0.262 0.262

∆HRX kJ/h ∆HE 25°C -20136.4 -299225

CO2 2NaOH 0.015 0.031

Na2CO3 H2O 0.015 0.015

∆HRX kJ/h ∆HE 25°C -2643.62 -35271.3

H2S 2NaOH 0.007 0.015

Na2S 2H2O 0.007 0.015

∆HRX kJ/h ∆HE 25°C -523.803 -16724.8

∆Htotal ∆HRX kJ/h ∆HE 25°C kJ/h ∆HS -23303.8 -351221 -374525 -374525 TE,liq [°C]

44

TS [°C]

59

47

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Anexo F: Modelo para reacciones gas-líquido basado en la teoría del film ( →

)

( )→

Las ecuaciones gobernantes son las siguientes:

Aquí, x es la distancia real dentro del film con x = 0 representando la interface gaslíquido. A continuación se introducen los siguientes parámetros adimensionales:

⁄ En donde

es la solubilidad de equilibrio del gas A en el líquido, correspondiente a

la presión parcial de A en la interface del gas.

⁄ Donde

es la constante de la ley de Henry para la especie A.

⁄ Donde

es la concentración de B en el bulk del líquido.

Finalmente,

es la distancia adimensional en el film (

⁄ ). Con estas variables,

las ecuaciones gobernantes son las siguientes:

48

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________

⁄ Donde

y

son dos cantidades adimensionales.

y

Notando que

⁄ , el número de Hatta se puede expresar también como:

Las condiciones de borde para la especia A son: Para

,

Para

,

y por ende

.

tiene un valor específico dependiendo del proceso en el bulk

del líquido. En otras palabras,

dependerá del grado de las reacciones en el bulk,

flujo dispersivo o convectivo, etc. Pero incluso para reacciones moderadamente rápidas, la concentración en el bulk del gas disuelto resulta ser cero, por lo que se toma este valor como cero. Por ende,

para

será usado como segunda condición

de borde.

Un balance en la fase gas entrega la siguiente condición de borde:

(

) 49

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Notar también que la presión parcial interfacial de A (

) está relacionada con la

concentración interfacial de A en el líquido por la ley de Henry. Usando esto las condiciones de borde se pueden expresar en forma adimensional como:

(

⁄

En donde

)

(

)

es el número de Biot para la transferencia de masa en fase

gaseosa.

La condición de borde para la especie B se especifica de acuerdo a lo siguiente:

Para

,

Para

,

⁄

ya que B no es volátil y por lo tanto el flujo es cero.

Esto completa la definición del problema. Para resolver esto usando Matlab, las ecuaciones gobernantes se presentan como cuatro ecuaciones diferenciales de primer orden (de acuerdo a la sintaxis).

El programa de Matlab para realizar este cálculo se muestra abajo. El programa se usa para calcular la velocidad de absorción o para observar como cambia el régimen de absorción con los parámetros adimensionales.

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Diseño de una torre de absorción para la producción de NaSH a partir de H2S | 2012 ______________________________________________________________________________ Resumen

En el presente trabajo, se desarrolló un enfoque simplificado integral para diseñar de manera rápida y fiable una torre de absorción de lecho relleno para la producción de sulfhidrato de sodio al 42% a partir de un gas ácido de refinería con un alto contenido de ácido sulfhídrico y un contenido menor de dióxido de carbono. El diseño consideró la absorción selectiva de H2S sobre CO2, el cual estando presente no se necesita remover. Debido a las diferencias en las velocidades de absorción y actividad de los gases de H2S y CO2 en soluciones cáusticas y particularmente en soluciones de NaOH frescas, la selectividad de la absorción de H2S se vio favorecida por la reacción en la interface gas-líquido. Del mismo modo, la absorción de H2S se favoreció sobre la absorción de CO2 por tiempos cortos de contacto entre las fases gas y líquida. La absorción indeseada de CO2 se limitó por debajo del 10%, a pesar de la alta concentración a la cual se lleva a cabo el proceso.

Para el diseño de la torre se utilizó la teoría del film, que postula una película entre el bulk del gas (que se supone de composición homogénea) y la interfase en la cual se da la transferencia del reactante. A su vez, del lado del líquido se postula la existencia de una película contra la interfase en la que se da la transferencia de materia hasta el bulk del fluido (donde se asume una composición homogénea), con un decaimiento lineal en la concentración. Se determinó que la reacción es infinitamente rápida y de pseudo-primer orden en la interfase, al comprobarse que el factor de incremento (Ei) es mayor que cinco veces el módulo de Hatta (MH). De este modo, se aplicó la aproximación de que Ei ≈ MH para el posterior dimensionamiento del equipo. La transferencia de calor en la fase gaseosa se despreció.

Finalmente, a partir de la conversión de H2S en NaSH del 90%, el diseño de la torre arrojo los siguientes resultados: 

Altura de lecho: 5,95 m



Caída de presión: 19,5 in H2O



Diámetro: 1,33 m



Temperatura de solución NaSH: 59 °C 51

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