SO enxofre é o décimo primeiro elemento mais abundante no corpo humano e o décimo mais abundante no universo (Hobart M. King, 2025). Grande parte do enxofre elementar do mundo, no entanto, é recuperado a partir do sulfeto de hidrogênio (H2S) gerados em refinarias de petróleo bruto ou em usinas de processamento de gás natural. Essas instalações utilizam um método de conversão conhecido como processo de Claus para recuperar o enxofre elementar a partir de gases residuais que contêm enxofre. O enxofre elementar recuperado pelo processo de Claus pode então ser distribuído para uso em diversas aplicações, como na produção de fertilizantes ou produtos químicos.
Informações básicas
O processo Claus é realizado por meio de uma unidade de recuperação de enxofre (SRU), composta por uma ampla variedade de vasos de processo e conjuntos de equipamentos que convertem o gásH₂Sem enxofre elementar por meio de um processo de combustão com deficiência de oxigênio, antes de, por fim, ser condensado no estado líquido e armazenado em um poço de enxofre para distribuição final. Uma SRU do processo Claus normalmente utiliza vários tipos diferentes de equipamentos de combustão, como reatores térmicos, aquecedores em linha e incineradores de gás residual, conforme mostrado na Figura 1.
Figura 1. Unidade típica de recuperação de enxofre (SRU) do tipo Claus.
Os geradores de gás de redução (RGGs) também podem ser encontrados em uma unidade de recuperação de enxofre (SRU) do processo Claus, embora não estejam representados na Figura 1. Os RGGs são comumente utilizados em sistemas de recuperação e tratamento mais complexos, como o processo de tratamento de gases residuais Claus da Shell (SCOT), que é tipicamente implementado em instalações que exigem níveis mais elevados de recuperação de enxofre (≥ 99,9%) e níveis mais baixos deemissões de SO₂ produzidas (≤ 150mg/Nm³).
Este artigo, no entanto, se concentrará nos princípios fundamentais de projeto associados a um conjunto típico de reator térmico SRU da Claus (os elementos destacados em vermelho na Figura 1) e em como esses princípios de projeto podem ser empregados para garantir que todos os equipamentos sejam operados da maneira mais segura e eficiente possível.
Visão geral do processo
Dois dos gases residuais mais comuns ricosem H₂Sprocessados em uma SRU do tipo Claus são o gás ácido e o gás do separador de água ácida (SWS). As Figuras 2 e 3 mostram as composições típicas dessas correntes residuais.
Figura 2. Composição típica do gás ácido.
Figura 3. Composição típica do gás do separador de água ácida (SWS).
É importante observar que as composições dos gases indicadas nas Figuras 2 e 3 podem variar de acordo com as aplicações específicas. O objetivo dessas figuras é destacar as elevadas concentrações deH₂SeNH₃ que costumam estar presentes em cada gás residual.
As principais reações que convertemo H₂Sem enxofre elementar dentro de um conjunto de reatores térmicos Claus SRU podem ser descritas pelas seguintes reações químicas:
H₂S+ 3O₂ → SO₂ + H₂O
2H₂S+SO₂ ⇄ 3 S₂ + 2H₂O
O enxofre elementar produzido pelo reator térmico é então resfriado na caldeira de aproveitamento de calor residual antes de passar por um condensador, onde é liquefeito e coletado no poço de enxofre coberto, antes da distribuição. Os gases de combustão restantes do reator térmico, que ainda contêm quantidades significativas de enxofre elementar recuperável, passam então por uma série de aquecedores em linha a jusante, reatores catalíticos e condensadores, onde é recuperado enxofre adicional.
Embora uma SRU Claus tenha a capacidade de remover a maior parte do enxofre dos fluxos de gases residuais processados, ainda é necessário queimar e destruir um fluxo de resíduos derivado, comumente chamado de gás residual. As correntes de gás residual contêm quantidades residuais de compostos ligados ao enxofre, bem como monóxido de carbono e hidrogênio, os quais devem ser totalmente oxidados antes da descarga. Esse processo é realizado por um incinerador de gás residual, que queima e destrói completamente os subprodutos residuais até atingir níveis aceitáveis de emissões antes que sejam liberados na atmosfera.
Considerações críticas de projeto
Os seguintes elementos críticos de projeto devem ser avaliados e implementados no conjunto do reator térmico, a fim de otimizar a eficiência e o desempenho gerais de toda a SRU Claus.
Dinâmica da mixagem
Dispositivos de mistura intensa devem ser considerados no projeto do conjunto do reator térmico, a fim de garantir o desempenho geral da SRU Claus. Devido à necessidade de operar em condições subestequiométricas (com falta de oxigênio), não é possível utilizar quantidades excessivas de ar para compensar ineficiências na mistura. As reações um e dois descritas anteriormente devem ocorrer em uma estequiometria cuidadosamente equilibrada, a fim de produzir uma proporção ideal deH₂SeSO₂ para maximizar o rendimento de enxofre elementar. Uma mistura inadequada pode resultar em estratificação, na qualo H₂Seo SO₂ podem ficar desequilibrados em diferentes zonas, impedindo a conversão ideal em enxofre elementar.
Por esses motivos, dispositivos de mistura estática, como anéis de estrangulamento e/ou paredes de divisão, são comumente implementados no interior do forno do reator térmico. Dispositivos de mistura adicionais, como conjuntos de aletas estabilizadas por rotação para gás ácido e ar de combustão, também são comumente considerados nos queimadores do reator térmico da SRU para garantir ainda mais que se obtenha a mistura e a turbulência adequadas. Recomenda-se realizar análises CFD adicionais para avaliar os perfis de velocidade dentro de um conjunto de reator térmico, a fim de validar ainda mais a dinâmica de mistura, conforme mostrado na Figura 4.
Figura 4. Modelo CFD dos perfis de velocidade no interior de um reator térmico SRU.
Formação de fuligem
A formação de fuligem é um possível efeito negativo decorrente de uma dinâmica de mistura inadequada no conjunto do reator térmico. Uma mistura inadequada pode resultar na formação de bolsões ou zonas dentro do reator térmico contendo hidrocarbonetos expostos a quantidades insuficientes deO₂. Consequentemente, esses hidrocarbonetos não conseguem se oxidar totalmente emCO₂ nem se oxidar parcialmente em CO, o que pode aumentar a probabilidade de formação de fuligem. Depósitos de fuligem nos reatores catalíticos a jusante da SRU também podem reduzir a eficiência geral de toda a SRU Claus, diminuindo assim o potencial total de recuperação de enxofre. Depósitos excessivos de fuligem também podem resultar em uma descoloração visível do produto de enxofre líquido condensado, tornando-o menos atraente para distribuição ou venda.
Para evitar esses resultados, empresas conceituadas de projeto de SRU realizam uma análise CFD das concentrações de acetileno (C₂H₂) ao longo do perfil interno do conjunto do reator térmico da SRU. Dados experimentais anteriores indicaram que são necessárias fraçõesmolares de C₂H₂ superiores a 10⁻⁸ para que ocorra formação observável de fuligem dentro da unidade.
Estratificação do oxigênio
A presençade O₂ não reagidona saída do reator térmico da SRU ou dos conjuntos de aquecedores em linha é indesejável devido ao seu potencial de reagir comH₂Sou enxofre condensado mais a jusante na SRU Claus, resultando emconcentrações mais elevadasde SO₂ e na redução da eficiência de recuperação de enxofre. O oxigênio não reagido também pode provocar incêndios de enxofre dentro do sistema, representando riscos adicionais à segurança do pessoal e dos equipamentos. Por esses motivos, recomenda-se realizar análises CFD adicionais para simularas concentrações de O₂ ao longo do perfil interno de um conjunto de reator térmico da SRU.
Distribuição uniforme da temperatura
É importante avaliar os perfis de distribuição de temperatura no interior do forno do reator térmico da SRU, a fim de otimizar o desempenho geral da SRU do processo de Claus. As reações um e dois devem ocorrer a uma temperatura adequada e com um tempo de permanência apropriado para que cada reação seja concluída. A temperatura influencia os produtos de equilíbrio de cada reação, afetando, assim, a recuperação total de enxofre elementar em todo o sistema.
A estratificação de temperatura que ocorre em bolsas ou zonas específicas dentro do reator térmico, especialmente próximo à face do queimador, pode resultar em mistura inadequada ou insuficiente, reduzindo o rendimento potencial do enxofre elementar. As temperaturas dos gases de combustão em qualquer ponto específico dentro da fornalha do reator térmico são determinadas pela temperatura de equilíbrio da estequiometria local dos reagentes. A liberação de energia da reação exotérmica também é limitada pela disponibilidade de oxigênio. Zonas com concentrações mais elevadas de oxigênio estarão sujeitas a temperaturas mais altas, com potencial para danificar os refratários internos e/ou os componentes do queimador. O gerenciamento uniforme da temperatura de pico da chama no sistema baseia-se, em grande parte, nos dispositivos de mistura dentro do queimador do reator térmico. A aerodinâmica do queimador e a injeção de gás inerte são utilizadas para mitigar as temperaturas de pico, especialmente em sistemas que podem ser operados com fluxos de ar enriquecidos com oxigênio. Modelos CFD podem ser utilizados para verificar a distribuição uniforme da temperatura ao longo do perfil do queimador e da fornalha do reator térmico, conforme ilustrado na Figura 5.
Eficiência de remoção e destruição de contaminantes (DRE)
Contaminantes indesejáveis, comoNH₃, BTEX e outros hidrocarbonetos residuais, devem ser destruídos dentro do reator térmico para evitar danos a jusante na SRU Claus.O NH₃ na saída do reator térmico pode reagir como SO₂, resultando na formação de sais de sulfato de amônio. Esses sais poderiam então precipitar, obstruindo ou incrustando os reatores catalíticos a jusante e gerando consequências semelhantes às discutidas anteriormente em relação à formação de fuligem. Por essas razões, os contaminantes devem ser destruídos em uma atmosfera redutora com disponibilidade limitada de oxigênio.
Recomenda-se o uso de dispositivos de mistura de alta qualidade e temperaturas de operação do reator térmico superiores a 1250 °C (2370 °F) para garantir ainda mais que esses contaminantes sejam suficientemente destruídos na saída do conjunto do reator térmico. Também é possível realizar a co-combustão de gás natural ou dividir a injeção do gás de processo em diferentes zonas do forno, a fim de aumentar a temperatura do forno nos pontos em queo NH₃ deve ser destruído.
Capacidade de regulação do queimador
A queda de pressão do queimador dentro do reator térmico fornece a energia de mistura necessária para misturar os gases adequadamente. Uma mistura insuficiente pode resultar em limitações de desempenho, conforme discutido. As correntes que mais contribuem com massa para o sistema são as de ar de combustão e de gás de processo. Juntas, essas correntes devem fornecer energia de mistura suficiente para uma operação bem-sucedida em qualquer condição operacional, dentro das variações de vazão e composição típicas daquela SRU Claus.
Prevenção de retrocesso de chama
O “burn-back” é outra preocupação comum associada a baixas taxas de operação no conjunto do reator térmico. Manter uma velocidade adequada na garganta do queimador evita danos aos componentes internos do queimador, limitando a exposição a qualquer radiação incidental proveniente da fornalha do reator térmico a jusante.
A aerodinâmica de um queimador estabilizado por rotação produz naturalmente uma zona central de recirculação, semelhante ao olho de um tornado ou tufão. Essa zona de recirculação puxa o gás do forno de volta para a face do queimador, o que pode danificar os componentes internos. Manter um fluxo mínimo nos injetores também ajuda a evitar danos, independentemente da velocidade na garganta do queimador.
Em alguns casos, as condições operacionais no interior do conjunto do reator térmico podem resultar em fluxo mínimo ou nulo pelas pontas de gás combustível ou pelos injetores de gás ácido. Durante essas situações, o vapor pode ser utilizado como método alternativo para manter uma velocidade mínima nos injetores, em substituição ao gás de processo ou ao gás combustível. Transmissores de pressão diferencial no forno do reator térmico da SRU (PFurnace) e no bocal de entrada de ar de combustão do queimador (PCombustion Air) também podem ser utilizados para monitorar a queda de pressão no queimador como medida preventiva adicional contra o retorno de chama, conforme indicado na Figura 6.
Figura 6. Medições de pressão crítica no queimador e no forno de um reator térmico SRU.
Conclusões
Os conjuntos de reatores térmicos SRU devem maximizar a recuperação de enxofre e minimizaras emissões de SOx produzidas pelo SRU Claus em qualquer refinaria ou planta de processamento de gás natural. Todos os conjuntos dentro de um SRU Claus devem ser cuidadosamente projetados e operados para funcionar conforme estipulado pelo licenciador do processo. Considerando os princípios e características críticos de projeto que devem ser especificamente levados em conta para um conjunto de reator térmico SRU, é importante consultar um fornecedor de SRU confiável e comprovado para quaisquer dúvidas específicas relacionadas ao projeto detalhado, à fabricação ou à operação dos conjuntos SRU.