Claus fabriek met MODOP tail-gas processing

.It;li

·

~.

~

Vt(ÄN\ •

r

U

I}

e

I

~t

4, Technische Universiteit Delft

"" Faculteit STM

Technische Universiteit Delft Procesln1egratie & ~rocesregeling

r. I

Julianalaan 136 2628 BL Delft

Vakgroep Chemische Technólogie

Verslag behorende bij het fabrieksvoorontwerp

van • I !4/H.D.Hekkelman en M.Mozaffarian onderwerp:

Claus fabriek met

MODOP tail-gas processing

Zwij gerln. 54 2351 RF Leiderdorp (071) 890824 opdrachtdatum:nov . '89

Laan van Overvest 1 2613 DK Delft (015) 146896 verslagdatum:juni '90

I ' J

1'-1

I

IJ

Samenvatting

Door de steeds strenger wordende emissie normen, voldoen de traditionele Claus fabrieken niet meer. Om deze reden worden er de laatste jaren verschillende zogenaamde tail-gas processen ontwikkeld. Een combinatie van een Claus fabriek met daarachter een tail-gas unit kan wel aan de normen voldoen.

Een van de tail-gas processen is het zogenaamde MODOP proces van Mobil. Dit fabrieksvoorontwerp behandelt een twee traps Claus fabriek met een MODOP sectie. De gezamenlijke capaciteit van deze twee fabrieken is 72 ton zwavel per dag.

De berekeningen laten zien dat met deze configuratie voor de fabriek een efficiency van 99.4% gehaald kan worden. Dit is in overeenstemming met het patent. Door het toevoegen van een derde Claus of een tweede MODOP reactor kan de efficiency eventueel verhoogd worden.

De kostenberekening gaf dat er per ton geproduceerde zwavel ±fl 11 winst is. Deze waarde was helaas niet te vergelijken met het Maxisulfproces aangezien een kostenberekening in FVO 2701 ontbrak. Wel kan worden geconstateerd dat beide installaties ongeveer dezelfde efficiency hebben. Welke van de twee methoden de voorkeur heeft zal dus voornamel ij k bepaald worden door de prijs.

- - - -

- - -

-,...)

- 11

-Conclusies

Een aantal beweringen in het patent konden worden gechecked. Zo konden de aan eRS 31 eigenschappen niet worden gecontroleerd. Of de inderdaad ongevoelig is voor oxidatie en of de constant is blijft onbevestigd.

in dit FVO niet zeer gunstige katalysator dus capaciteit jaren In het ontwerp werd een maal afgeweken van het patent. Helaas werd dit pas na de simulatie gedaan, zodat de waarden in de simulatie niet werden aangepast. De concentraties werden namelijk niet sterk beinvloed door deze verandering. De vorming van waterstof door een substoichiometrisch gevoede brander,

zoals in het patent, leek thermodynamisch erg onwaarschijnlijk. In plaats hiervan werd een waterstof stroom toegevoegd die voor de gewenste 5% overmaat zorgde.

De berekende efficiency voldoet aan de normen. De efficiency kan nog worden verhoogd door het toevoegen van een derde Claus of een tweede MODOP-reactor. Daarmee kunnen eventueel verhoogde normen opgevangen worden.

Een vergelijk tussen Maxisulf en MODOP is niet zo makkelijk te maken. By het Maxisulf proces ontbreekt namelijk een kostenberekening. Wel valt op dat het stroomschema van het MODOP proces iets eenvoudiger is dan die van het Maxisulf. De investerings en loonkosten van het MODOP proces zullen dus een beetje lager zijn. De productie afhankelijke kosten zullen niet al te veel verschillen. De opbrengst van MODOP van ±fl 11 per ton zwavel zal van dezelfde orde van grootte zijn als die van de Maxisulf. De bereikte conversies lagen ook in hetzelfde gebied. De bij de berekening gebruikte methoden zijn te grof om op grond van de berekende conversies een voorkeur tussen beide methoden uit te spreken.

Inhoudsopgave Samenvatting Conclusies 1. Inleiding . . . 1 2. 3. 4. 5.

Uitgangspunten voor het ontwerp .. 2.1. Externe gegevens .... .

2.2. Inherente gegevens .. . 2.2.1. Fysische constanten ..

2.2.2. Veiligheid en milieu aspecten .. Beschrijving van het proces ..

3.1. Fornuis . . . . 3.2. Waste heat boiler .. . 3 . 3 . 3.4. 3.5. 3.6. 3 .7. 3.8. 3 .9. 3.10. Condensoren .. Heaters . . . . Claus reactoren .. Brander . . . . Hydrogenator .. . Quench . . . . MODOP-reactor .. Incinerator. Procescondities . . . . 4.1. Chemie van het proces.

4.1.1. Inleiding . . . . 4.1.2. 4.1.2.1. 4.1.2.2. 4.1.2.3. 4.1.2.4. 4.1.2.5. 4.1.2.6. 4.1.2.7. 4 • 2 • 4.3. 4.4.

Reacties in diverse apparaten. Fornuis .. Claus reactoren. Condensoren .. Brander . . . Hydrogenator .. MODOP-reactor. Incinerator .. . Kinetiek . . . . Drukbeschouwingen .. Simulatie . . . .

Berekening en motivering van keuze van

5 . l . 5.2. 5.3. 5.3. 1. 5.3.2. Inleiding . . . . Simulatie resultaten . . . . . Dimensionering apparaten .. Fornuis (Fl) . . . . Waste heat boiler (H2)

de • 2 .2 • •• 3 3 • •. 3 . . . . 5 · .5 · .5 · . . 5 · . 6 • • 7 • • 7 · • 8 • ••• 8 · .8 · .8 · .. 10 · ... 10 . . . 10 apparatuur. · .10 · ... 10 .10 · .. 11 · .. 11 · .11 11 · ... 12 .12 12 .13 .. 15 .15 15 .16 . . . . 16 16

-'

IV

-5.3.3. Condensoren (H3, H6, H13, H25) . . . 18

5.3.4. Heaters (H6, H11) . . . 18

5.3.5. Katalytische reactoren (R7, R12, R17, R24) . . . 18

5.3.6. Gas - gas warmtewisselaars (H19, H28) . . . 18

5.3.7. Branders ( F16, F23, F29) . . . 19

5.3.8. Quench (T20) . . . 19

5.3.9. Incinerator (R30) . . . 19

6. Massa- en warmtebalans . . . 20

7. Overzicht specifieke apparatuur . . . 33

8. Overzicht regelsystemen in het ontwerp . . . 39

8.l. Fornuis . . . 39

8.2. Eerste waste heat boiler . . . 39

8.3. Condensoren . . . 39 8 . 4 . Clausreactoren . . . .- . ~ . . . 39 8.5. Brander . . . 40 8.6. Warmtewisselaars . . . 40 8.7. MODOP-reactor . . . 40 8.8. Incinerator . . . 40 9. Economische beschouwingen . . . 41 9.1. De totale kosten . . . 41

9.2. De productie afhankelijke kosten . . . 41

9.3. De invester ingen . . . 42 9.4. De loonkosten . . . 43 10. Symbolenlijst . . . 45 11. Literatuuroverzicht . . . 47 12. Bijlagen I I I I I I Computerprogramma simulatie resultaten Stofeigenschappen

Table 1

_{GERMAN EMISSION STANDAROS (CLAUS PLANTS)}

TA-LUFT 1986

STACKGAS

CLAUS CAPACITY

RECOVERY

CON CENTRA T10NS

t/d

%

mg/m

3

H

₂

S

COS+CS

₂

< 20

97

<10

<

150

20 -

50

98

<

10

<

150

>

50

99.5

<

10

<

150

GROUND LEVEL CONCENTRA TIONS IS RESTRICTED TO 0.14 mg S02 PER mol (0.06 CLEAN AiR AREAS)

c

c

I

C

c

( v

c

c

I

- 1

-1. Inleiding

De traditionele Claus-fabrieken voldoen niet aan de steeds strenger wordende milieu eisen (tabel 1). Alleen in theorie kan de traditionele Claus-fabriek aan de eis van 95% verwijdering van zwavelhoudende componenten voldoen (Lit.l). In praktijk treden er vaak storingen op waardoor deze limiet niet gehaald wordt. Boven-dien valt te verwachten dat de milieueisen in de toekomst alleen maar strenger zullen worden.

De afgelopen jaren zijn er dan ook verschillende zogenaamde tail-gas processen ontwikkeld. Een daarvan is het MODOP proces (Mobil Direct Oxidation process). In dit proces worden zwavel-houdende componenten gehydrogeneerd naar zwavelwaterstof. Het zwavelwaterstof wordt met een gekatalyseerde gas fase reactie naar elementair zwavel omgezet. De katalysator in de laatste stap is het voor meer dan 80% uit titaniumdioxide bestaande CRS 31 van de firma Rhone-Poulenc (Lit.2).

Het MODOP-proces is voor het eerst toegepast in 1983. De NEAG, een dochtermaatschappij van BEB Erdgas Erdol GmbH en Mobil oil AG, nam toen een installatie waarmee 350 ton zwavel per dag kan worden geproduceerd in gebruik. Het MODOP-proces moet aan de verwachtingen hebben voldaan aangezien er een tweede en een iets gewijzigde derde installatie volgden (Lit. 3).

De voordelen van het MODOP proces zouden zijn: -Betrouwbaar systeem dat aan de meest recente

milieu-eisen voldoet.

-Verlaagde koolmonoxide uitstoot.

-Geoptimaliseerd systeem met lage energiekosten. -Kontinu proces zonder regeneratie stromen.

-Geen COS of CS2 emissie problemen, produceert zwavel van hoge kwaliteit.

-Geen afname capaciteit Claus-fabriek, geen recycles naar Claus-fabriek toe.

-Lage onderhouds- en personeelskosten.

In de simulatie van een Claus-fabriek met daarachter een MODOP installatie zullen de claims over de uitstoot en de energiekosten worden onderzocht. De resultaten van de simulatie zullen vergeleken worden met een ander Tail-gas proces, het Maxi-sulf proces (Lit.4).

Tabel 2: eigenschappen van katalysator eRS 31

Vorm Diameter

Bulk dichtheid

Specifiek oppervlak

Gemiddelde crushing strength Tio2 gehalte

Tabel 3: De stoom specificaties

geextrudeerd 3.5-4 mm 0.95-1.05 g/cm3 100-140 m2/g >4 kg >85 %

Hoge druk : l1iddendruk Lase druk : Bedrijfskondities Kondensatie temp. 40 bar 410 oe 2S0 oe 10 bar 220 oe 180 oe 3 bar 190 oe 133,5 oe

c

c

Cl

I

- 2

-2. Uitgangspunten voor het ontwerp 2.1. Externe gegevens

Dit verslag behandelt het ontwerp van een traditionele Claus fabriek gekoppeld aan een MODOP-afgasinstallatie. De plant moet een capaciteit hebben van 72 ton zwavel per dag. De samenstelling van het te verwerken zure gas is:

H2S C02 H20 Propyleen 79 12 8 1 vol% vol% vol% vol% v-I.. ,c }-4-"'7 ; 'L" I 1 .

Het ontwerp is gebaseerd op de artikelen en het patent van

R.Kettner et al (lit.5). D~vel verwijdering van Claus en

MODOP samen moet meer dan 98 %) zijn. Met de in het ontwerp gebruikte configuratie van he - ~ces is deze conversie haalbaar. De in de praktijk optredende storingen, bijvoorbeeld variaties in de H2S concentratie, maken het noodzakelijk dat de bereikte conversie hoger is dan het wettelijk minimum. Deze storingen worden bij de simulatie verder buiten beschouwing gelaten.

De eigenschappen van de gebruikte katalysator CRS 31 staan in tabel 2. De katalysator is zowel voor het Claus als het MODOP proces zeer geschikt. CRS 31 zou niet vergiftigd worden door

zuurstof en de hoge activiteit zou jarenlang constant blijven. Bovendien zou CRS 31 over een veel grotere activiteit beschikken voor de hydrolyse van COS en CS2 (lit. 6). Door deze gunstige eigenschappen zou het CRS 31 een veel betere katalysator voor het Claus-proces zijn dan het gebruikelijke alumina. De hoge prijs staat tot nu toe echter een grootschalige praktische toepassing in de weg.

De simulatie van de reactoren werd uitgevoerd met een turbo-pascal programma dat gebaseerd was op een programma uit FVO 2772 )

(lit. 7). Dit werd gedaan omdat de simulatie met ~ ve~de

waarden gaf. Al de overige apparaten ( behalve de waste heat

-.-bOliers, de heat ers en de gas-gas warmtewisselaars ), werden ook met turbo-pascal programma's doorgerekend.

De standaard utilities uit de handleiding voor het fabrieks-voortontwerp zijn gebruikt (lit. 8). De specificaties van de stoom staan in tabel 3. Voor de koeling werd ketelwater gebruikt.

2.2. Inherente gegevens 2.2.1. Fysische constanten

De gebruikte stofeigenschappen staan in tabel 4. De coef-f icienten a, b, en c komen uit de volgende coef-formule voor de soortelijke warmte: Cp = a + b*T + c*sqr(l / T) (1) Tabel 4 stofeigenschappen M HO SO a b*E3 c*E-5 ( g) (KJ/mol) (J/mol/K) H2S 34.1 -20.15 205.74 32.68 12.38 -1. 92 S02 64.1 -296.9 248.00 43.40 0.11 -5.94 S2 64.1 128.4 228.09 36.48 0.67 -3.77 S6 192.4 107.7 375.65 70.51 0.38 0.0 S8 256.5 101.3 441.51 43.32 0.21 -5.48 H20 18.0 -241.8 188.77 30.54 10.29 0.0 N2 28.0 0.0 191. 50 28.58 3.77 -0.50 02 32.0 0.0 205.04 29.96 4.18 -1. 67 C02 44.0 -393.5 213.68 44.22 8.79 -8.62 CO 28.0 -110.5 197.51 28.41 4.10 0.48 COS 60.1 -137.2 231.56 47.59 9.16 7.69 CS2 76.1 115.4 237.81 49.76 13.33 -7.04 C3H6 42.0 20.9 266.99 51. 46 85.0 0.0

2.2.2. Veiligheids en milieu aspecten

De voor de procesveiligheid belangrijke stofeigenschappen staan in bijlage 3. De processtroom blijkt zeer giftige en brandbare stoffen te bevatten. Bij de procesregeling moet hiermee terdege rekening worden gehouden.

Zo moet het fornuis over een brander beschikken om bij te lage H2S-concentraties de verbranding naar zwavel en S02 toch goed kan verlopen. Bij lage concentraties H2S wordt de vlam van het f6rnuis namelij k instabiel door een te lage temperatuur. Aangezien veruit het grootste deel van de omzetting van H2S naar zwavel in het fornuis plaatsvindt zou het rampzalige gevolgen hebben als de vlam van het fornuis zou doven.

De laatste stap in het proces is de incinerator waar al de zwavelhoudende verbindingen worden verbrand tot S02. uit veiligheidsoverwegingen is voor de incinerator een burner geplaatst zodat ook bij storingen de temperatuur hoog genoeg kan

- 4

-blijven om de verbranding goed te laten verlopen.

Het geproduceerde zwavel dat meestal in vloeibare vorm wordt gehouden bevat een kleine hoeveelheid H2S. Als deze zeer giftige en brandbare stof vrijkomt kan er explosie gevaar bestaan. Het H2S moet dan ook voor transport verwijderd worden.

51eom

o,r

lue< tuel

Figuur 1: De " straight-through " Claus proces

tlue

-L-~--r---~ gos SULFUR PURIFICATtON

c,

L L L l L

- 5

-3. Beschrijving van het proces

De Claus en MODO? sectie zullen nu aan de hand van het processchema behandeld worden (fig.2). De afkortingen van de apparaten uit het proces schema zullen telkens tussen haakjes vermeld worden. De optredende chemische reacties zullen in paragraaf 4.1.2. worden behandeld.

3.1. Fornuis

De verbranding in het fornuis (Fl) is zeer belangrijk. Voor het goed verlopen van de reacties moet de ingaande molverhouding tussen zuurstof en H2S exact twee zijn. De prestaties van het fornuis worden bepaald door de vlamtemperatuur en de verblij f-tijd. Deze laatste wordt weer beinvloed door de H2S concentratie

(lit.9) .

De configuratie van het Claus-proces wordt bepaald door de ingaande H2S concentratie (lit. 10). Bij H2S concentraties van meer dan 55% wordt het zogenaamde straight-through type Claus proces gebruikt (fig. 1). Bij dit type proces wordt het grootste !;

deel van het H2S, ongeveer 65%, di:r;:ect verbrand tot zwavel. Er :.; .... '-;.

wordt bovendien zoveel S02 gevormd dat e l.n de stroom de !~-"

verhouding tussen H2S en S02 twee is. /.<-_' ,,,..,..:,

Beneden de 925 ° C is de vlam niet meer stabiel. Boven de 1600· C kunnen stikstofoxiden ontstaan die de vorming van S03 katalyseren. Deze laatste stof deactiveert de verder gebruikte katalysatoren. De verbranding vindt in de praktijk dan ook plaats tussen 925° en 1300·C. Door zowel de gunstige evenwichts ligg,ing<'Î

als kinetiek hoeft bij het fornuis geenka'faIYSator te worden <

gebruikt.

---Van de ongewenste nevenreacties zijn de vorming van CS2 en COS veruit het belangrij kst. In het algemeen kan gezegd worden

') dat een lage H2S, een hoge kooldioxide en een hoge koolwaterst:of concentra~vorming van deze ongewenste stoffen vergroten. 3.2. Waste heat boiler

De verbrandingsgassen uit het fornuis, met een temperatuur van 1281 ° C worden door een waste heat boiler geleid ( H2 ). Hierdoor wordt stoom met hoge druk ( 40 bar ) gegenereerd. Het zure gas wordt hierbij afgekoeld tot 351°C (lit. 11).

3.3. Condensoren

De efficiency van de condensoren ( H3, H8, H13, H25 is belangrijk aangezien zwaveldamp die niet is afgescheiden de conversie van de reactor achter de condensor ongunstig beinvloed. De partieele zwaveldruk aan de uitgang van de condensor is gelijk aan de verzadigingsdruk van vloeibare zwavel.

(

Iy~

~~

­

~j

I

01

Fl

S

I

O~1

.

~(5

Ketelwater M-- • ::::; H:Z -Stoom _ --... -,c::-Kelelwoler _

.

~

D

~

H3 '

~

--

e-±-~

t

___

_

.:. -=- ----=--= _, -V4 . Ketelwater

~

lU~

ia

H2~

è

_~0

MlO

"~~,

®

~~lf1'--j"

-

~

J

~-w---~

~~

'

--

' .

M5 C _:-

~

~.

I

..

M15 - - , . - - - -- --_ .. --'---, CONDENSOR ~~ ~ AFGAS M.32 F 1 H 2 H 3 FORrlUIS

WASTE HEA T BOiLER CONDENSOR V 9 M 10 H 11 R 12 H 13 V 14 M 15 F 16

VLOEIS TOF -GAS SCHEIDER

SE AL LEG

r-;-;-;

.

H 18 H 19 T 20 P 21 H 22 F 23 R 24 H YDROGENATIE-REACTOR WASTE HEAT BOILER

WARMTEWISSELAAR

QUENCH TOREN WATER-POMP H 25 V 26 1.4 27 H 28 F 29 R 30 V 31 1.4 32

VLOEISTOF -GAS SCHEIDER

SEAL I.EG

CLAUS FABRIEK MET MODOP TAll-GAS PROCESSING V 4

M 5

H 6

R 7

H 8

VLOEIS TOF -GAS SCHEIDER SEAL LEG

REHEA TER CLAUS REAC TOR

CONDENSOR

REHEATER

CLAUS REACTOR CONDENSOR

VLOEISTOF -GAS SCHEIDER

SE AL LEG INLINE BURNER

LU CH TKOELER

INLINE 8URNER

MOOOP REACTOR

WARM TEWISSELAAR

INLINE BURNER INCINERA TOR OPSLAGVAT S-LiQ SCHOORSTEEN .. __ ._--- - --- --' ---,,---_ .. ----_. -H.D.HEKKEUAAN M.t.10ZAFF ARIAN

~ Stroomnummer 0 Temp.in oe

Figuur 2: Het proces schema van Claus fabriek mat MODOP tail-gas processing

(1 (- ('\

n

[ ',

n

r-, _~

Febr. Voorordwerp No. 2824

M.; 1990

o

Absolute druk In otm.

---- - -

- 6

-volgende vergelijking gebruikt (lit. 12):

S8 = exp (( - 8.757 e3 / T - 35.684

*

In (T) / In (10)

+ 11.058 e-3

*

T + 109.057)

*

In (10» /760 (2) Hoe lager de temperatuur van de condensor hoe gunstiger de dampdruk. Toch kan niet zomaar de laagst mogelijke temperatuur gebruikt worden. De temperatuur mag ten eerste niet beneden de 125°C komen aangezien er anders gevaar voor het stollen van

zwavel bestaat. Ten tweede nemen de verliezen ten gevolge van mist toe naarmate de temperatuur lager is. In dit FVO is er dan ook voor gekozen om de ingaande stromen ( 6, 10, 14, 35 ) te

koelen tot 96% van de zwavel gecondenseerd is. In de praktij k worden wellicht andere temperaturen aangehouden.

De eventueel in de condensor optredende reacties worden verwaarloosd. Alleen het dissociatie-evenwicht tussen S2, S6 en

S8 wordt berekend en de condensatie van S8.

3.4. Heaters

Het zure gas uit de zwavel condensoren is in het algemeen op zlJn dauwpunt. Meestal bevat de stroom ook wat vloeibaar

zwavel dat verdampt moet worden. Daarom wordt de temperatuur verhoogd tot boven het zwavel dauwpunt voordat de stroom de Claus reactoren binnengaat. Anders gaat de zwavel in de katalytische bedden ( R7 en R12 ) condenseren. Daarom moet voor iedere Claus reactor een heater geplaatst worden. Hiervoor zijn verschillende mogelijkheden (lit. 11):

- branders. Hiervoor kan bv. een in-line burner gebruikt worden. Voor het opwarmen van het zure gas wordt aardgas of voedingsgas verbrand. Nadelen zijn dat het zure gas verdund wordt en dat er de kans is op S03 vorming die de katalysator kan inaktiveren. Voordelen van de in-line burner zijn de mogelijkheid om de katalysator te verhitten zodat regeneratie mogelijk is, en dat de drukval in de systeem relatief laag is.

- heet gas bypass. Hierbij wordt uit de waste heat boiler hete proces gas afgetapt en aan het op te warmen zure gas toegevoegd. Voordelen van heet gas bypass zijn de relatief lage installatie kosten omdat alleen pijpen en kleppen nodig zijn, en dat de drukval in de systeem laag is. Een nadeel is de verlaging van de zwavelconversie door het zwavel dat in het hete proces gas aanwezig is.

- de indirecte methode. Het opwarmen van de proces gas gebeurt nu d.m.v. stoom dat aan mantelzijde condenseert. Dit is de meest nauwkeurige regel methode en levert de beste overal zwavelcon-versie op. Nadelen van de indirecte methode zijn de relatief hogere drukval over deze warmtewisselaars en hogere investering.

100

,

90 z o

..

..

_~7 z o u ~.

,

0

,

70

•

,

0

,

~~D(W~'HT

THEORETICAL EOUILI:!ll ..Ir.! CONVERSION OF HYDROGEN

--SULFIDE TO VAPOR SUl.FlJR BY SELECTIVE OXIDATION

--,/

WITH THE STOICHIOMETRie AIR ACCORDIN(: TO THE. ~.

D ( W P 0 1 H ' OVERALL EQUATION 2H2S

+ _O2

=

2~O +211 $.-.'

CUItV[

~1

_V

TOUt. SYSTE" ~R!SSUR[ OF I AT"

"HO 70"'- $UL'UR RtWOVA.L Af"T[fII

'RH nA"[ CO ... USTION

~t

ClTAl VlIC

\~

COMPLETE CURVES lRE 'OR 1

R[GIOH TOTAL $Y5T[ .. PRESSufllE IN ATMS.

"NO HO SULFUR "["OVAL _I/~

I---\\\

_~

V.

f--/

7

~.

\' l\

v:::

~

V

THEIt .. lL REGIOH

\\ \

/V/

/

\\

\

' l

V

_I ~

_~

_V

50.00 ~oo 600 100 100 900 1000 1100 1200 IlOO 1400

I~O

..

~

"

T[MP(RArURE -"K

fig. 3. Theoretical equilibrium canvenion of hydragen sulfid. to va por sulfur by .. Iec~. () axidatian with the stoichiometric air according to the over-all equation 2H:S

+

0, ~H,o .. ~

+ 2/eS.. . (IV

I

I

c

Cl

_I

c

c

- 7

-Bovendien, is het temperatuur bereik afhankelijk van de gebruikte

stoom. Regenereren van de katalysator is daardoor niet goed

mogelijk. In plaats van stoom kan ook hete proces gas uit de

Claus reactoren of uit de boiler gebruikt worden ( gas - gas

warmtewisselaar ).

3.5. Claus reactoren

De Clausreactoren R7, R12 ), zijn relatief simpele

geisoleerde reactoren met een vast katalysatorbed . De reactoren werken in het temperatuurgebied beneden het conversieminimum

(zie fig. 3). Voor de beste evewichtsligging moeten de reactoren

dus bij een zo laag mogelijke temperatuur werken. De

condensatietemperatuur van 125°C is de benedengrens.

De optimale temperatuur wordt echter niet alleen door de

evenwichtsligging bepaald. De kinetiek van de Claus reacties

wordt steeds slechter bij een lage temperatuur. Bovendien moet voor de hydrolyse van het ongewenste CS2 en COS de temperatuur niet te laag zijn. De eerste Claus-reactor (R7), werkt daarom bij

een temperatuur van 316°C. De ingaande stroom (9) wordt om deze

temperatuur te bereiken opgewarmd tot 232°C. De tweede Clausreac-tor (R12), werkt bij een temperatuur van 224°C.

Het evenwicht wordt bij de eerste reactor nog wel gehaald, maar bij de tweede reactor niet meer. Aangezien verdere gegevens hierover ontbreken zal dit verwaarloosd worden bij de simulatie. De in de Claus-sectie gehaalde totale conversie komt overeen met

~/ de in de literatuur gemelde waarden.

De katalysator in de Claus-reactoren is over het algemeen op

alumina gebaseerd. Deze katalysator is gevoelig voor vergii l lging

~ z~urstof, bovendien is de aktiviteit voor de hydrolyse van

CS2 en cos laag. Vandaar dat de laatste jaren nieuwe

katalysa-toren ontwikkeld zijn die voor meer dan 80% uit Tio2 bestaat (lit. 2). De meningen over deze nieuwe katalysator,die ook in de MODOP-sectie wordt gebruikt, lopen nogal uiteen. De producenten

van de katalysator melden dat na vier jaar de activiti~t nog niet

merkbaar was teruggelopen. Bij anderen (lit. 14) liep de

conversie al na tien maanden terug en werd de nieuwe katalysator niet als een succes gezien.

3.6. Brander

In de brander (F16) vindt een reactie plaats, namelijk het verbranden van methaan tot kooldioxide en water. Methaan en

zuurstof worden zodanig geregeld dat een goede verhouding toegevoerd wordt.

Het methaan wordt volledig verbrand om de processtroom (16) van 145° naar 264°C op te warmen.

3.7. Hydrogenator

In de hydrogenator (R17) worden COS, CS2, S02, en Sx over

een vast Co-Mo katalysator bed omgezet naar H2S bij een

temperatuur van 278°C. Het waterstof wordt aan de proces stroom voor de brander (F16) toegevoegd.

3.8. Quench

Het procesgas uit de hydrogenator (20) wordt gekoeld met een waste heat boiler (H18) en een warmtewisselaar (H19). Het gas wordt verder adiabatisch afgekoeld in de quench toren door direct contact met gekoeld recycle water. Het percentage water wordt hierdoor van 31 naar 4 volume% teruggebracht. Het gecondenseerde water wordt continu afgevoerd. Het water uit de quench bevat een

geringe hoeveelheid H28 waardoor gereinigd moet worden. De

hoeveelheid H2S die is opgelost is echter zo gering dat deze op de totale proces stroom verwaarloosd kan worden.

3.9. MODOP-reactor

Deze reactor is het hart van de MODOP-sectie. Het gas uit de quench-toren wordt door een warmtewisselaar (H19) opgewarmd tot de voor de MODOP-reactie benodigde tempeatuur van 171°C. Om de stroom ook bij een storing voldoende te kunnen opwarmen is

voor de MODOP-reactor ~nder geinstalleerd. Onder normale

omstandigheden heeft deze dus geen functie. Na toevoegen van de juiste hoeveelheid zuurstof (molverhouding H28 / zuurstof is 2), wordt het H2S omgezet naar zwavel met de hulp van een katalysa-tor.

De katalysator is de stof eRS 31 van de firma Rhone-Poulenc die voor meer dan 80% uit Tio2 bestaat. De conversie in deze reactor is 75% . Het zwavel wordt in een condensor (V26) afges-cheiden waárna de proces stroom met een warmtewisselaar (H28) tot 300°C wordt opgewarmd.

3.10. Incinerator

Het resterende H2S, Sx, COS, CO, en CS2 worden verbrand voor de afvalstroom geloosd kan worden. Het koolmonoxide wordt omgezet naar het niet giftige C02. De zwavelverbindingen worden omgezet naar 802. Dit wordt gedaan om de stankoverlast te beperken

(lit. 9).

De laatste jaren wordt steeds meer de gekatalyseerde

~'

- 9

-temperatuur kan nu tussen de 360° en 480°C liggen in plaats van

de bij de thermische incinerator gebruikelijke temperaturen

1.0 , - - , : : - - - : : - - - , ~ 0.9 t: ~ 0.8 I:

...

111 0.7 .J O' :I 0.6 cr o 0.5 111 1:. ~ 0.4 ti \11 :: 0.3 .J c 0.2 t: 11: f 0.1 BOILING POINT OF SULFUR

I

I

I

I

fig • .c. Equilibrium between the mol.cular Ipeciel of lulfur.

TABLE 5. 1-Some furnace reactions

us + 0,-110, + HS

liS - IfS + H

11 + H,S - HS + H,

HS+ 0,-

sa

+ OH OH + 1l,S -11:0 + HS

all + HO,'" H:O + 0,

sa

+ 0,'" sa, + 0 0+ H,S - alf + SH SO + 0 - SO*, - sa, + hl' SO + SO - S,O, HS+HS-f{,+S, HS+HO-f{,O+S S+ 0 -+

sa

S+ S-S, SO,+ O+M-+SO,+M SO+ O,+U-SO,+M

sa, + /I, - sa, + H,O

2-Some possible side reactions in the Claus furnace and reactors

Hydrocarbons ~ co" co, H,O, H,

CO, + sa, ~ cos + li,O

eH.+SO,~ eOS+H,O+H,

co, + SO, ~ cos + 3/2 0,

co +s~ cos eH. + 2S,;::! CS, + 2H:S 2CO + S,;::! CO, + CS, ( Cl

"'"I

L

c

c

10

-4. Procescondities

4.1. Chemie van het proces 4.1.1. Inleiding

De overbekende figuur (fig.

4)

van conversie tegen tempera-tuur werd voor het eerst gepubliceerd door Gamson en Elkins in

1953 ( l i t . 13). Voor de Clausreactie zijn dus twee

temperatuurgebieden te onderscheiden: het gebied berlOen het

minimum waar de reactie gekatalyseerd moet worden, en het gebied boven het minimum waar dit niet nodig is.

Het evenwicht tussen de verschillende moleculaire soorten zwavel is sterk afhankelijk van de temperatuur (fig. 4). Bij temperaturen boven de 800°C, kan worden aangenomen dat er alleen S2 als zwavel aanwezig is. Bij lagere temperaturen is er altijd een mengsel van de verschillende soorten zwavel aanwezig.

4.1.2. Reacties in diverse apparaten 4.1.2.1. Fornuis

In het fornuis vinden zeer veel verschillende reacties

plaats (lit. 15). Een opsomming hiervan vindt men in tabel 5. Ter

vereenvoudiging werden bij de simulatie alleen de volgende

reacties gebruikt: 2 H2S + 02

₌

2 H20 + S2 ( 3 ) S2 + 2 02

₌

2 S02 (4) S2

=

0.33 S6 (5) S2

₌

0.25 S8 (6) C02 + 2 H2S

₌

CS2 + 2 H20 (7) C02 + H2S

₌

COS + H20 (8) C02

₌

CO + 0.5 02 (9) Propyleen + 4.5 02

₌

3 C02 + 3 H20 (10)

De berekende COS concentratie is veel lager dan de concentratie die in de praktijk gevonden wordt. Deze laatste kan zo hoog zijn dat uiteindelijke uitstoot aan zwavel voor ongeveer 50% uit COS bestaat. Aangezien een eventuele hoge concentratie COS in de MODOP sectie toch omgezet wordt naar H2S in de hydrogenator wordt dit verder verwaarloosd.

4.1.2.2. Claus reactoren

De reacties van de Clausreactoren vinden in het katalytische

gebied plaats. Voor een gunstige evenwichtsligging moet de

temperatuur dus zo laag mogelijk zijn. In dit FVO werden alleen de volgende reacties bij de berekening gebruikt:

3 S2

-4 S2 C02 + 2 H2S C62 + H2S 2 H2S + S02 4.1.2.3. Condensoren

=

=

=

S6 S8 CS2 + 2 H20 CÓS + H2Ó 3/ 8 S8 + 2 H20 (5) (6) (7) (8) (11)

Bij de condensoren wordt verondersteld dat er geen reacties plaatsvinden behalve het evenwicht tussen de verschillende moleculaire zwavelsoorten en de condensatie van S8:

4.1.2.4. Brander 3 S2

=

S6

=

S8 (g)

=

0.75 S8 S8 (1) (5),(6) (12)

De volledige verbranding van methaan met zuurstof is de enlge reactie in de brander

CH4 + 2 02 C02 + 2 H20 (13)

4.1.2.5. Hydrogenator

In de hydrogenator moeten al de zwavelhoudende componenten worden omgezet naar H2S. De reacties van CS2 en COS zouden naar rechts moeten verlopen (lit. 1), maar doen dit niet. Deze afwijking wordt waarschijnlijk veroorzaakt doordat de in de Claus-sectie uitgerekende hoeveelheden CS2 en COS veel lager zijn dan die in de praktijk. Dat de reacties door verkeerde COS en CS2 concentraties de verkeerde conversies gaven werd bewezen doordat bij een berekening met een overmaat van 25% waterstof de reactie wel de goede kant uitging. Bij de berekening werd het evenwicht tussen de volgende reacties uitgerekend.

cos

+ 4 H2

₌

CH4 + H2S + H20 (14) CS2 + 4 I12

=

CH4 + 2 H2S (15) S02 + 3 H2

₌

H2S + 2 H20 (16) ~ + 2 H2 2 H2S (17) S6 + 6 H2

₌

6 H2S (18) S8 + 8 H2

₌

8 H2S (19) 4.1.2.6. MODOP reactor

De chemie van het belangrijkste onderdeel van de MODOP sectie is betrekkelij k eenvoudig. De reactie moet echter wel gekatalyseerd worden door de vrij kostbare katalysator CRS 31 omdat deze reactie anders ondanks de gunsti e evenw' htsligging te langzaam verloopt. Zelfs met deze katalysa 0 wordt het

tie-vergelijkingen zijn: 0.75 88 88 8 H2S + 4 02 4.1.2.7. Incinerator

=

=

=

12 -86 4 82 8 H20 + S8 (20) (6) (21 )

De laatste stap in het proces is de verbranding. De gekatalyseerde incinerator is een vrlJ nieuw proces (lit. 11). Al de zwavel houdende componenten worden omgezet naar S02:

86

₌

0.75 S8 (20) 0.125 88 + 02

₌

802 (22) H2S + 1.5 02

₌

802 + H20 (23) CO + 0.5 02 C02 (24) CH4 + 2 02 C02 + 2 H20 (13) COS + 1.5 02

₌

C02 + 802 (25) CS2 + 3 02 C02 + 2 802 (26) H2 + 0.5 02

=

H20 (27) 82 + 2 02

₌

2 802 ( 4 ) 4.2. Kinetiek

Over de kinetiek van het Claus en MODOP proces is bijzonder

weinig te vinden in de literatuur. De waarden voor de verblijf- '

iiDÁ

tijden hadden een zeer grote spreiding (lit. 2,11). Als

1.'

verblijf tijd is het gemiddelde van de gevonden waarden genomen.

J.'

1

Wel is bekend dat bij de Claus-sectie in het fornuis en de

V;e,.P-,

eerste reactor het evenwicht bereikt wordt. Voor de tweede ~

Clausreactor is alleen bekend dat het evenwicht niet gehaald wordt. In de patenten van de Modop installatie staat een conversie van 75% vermeld, deze is in dit FVO gebruikt.

4.3. Drukbeschouwingen

In overeenstemming met Lieberman (lit. 16), is voor de drukval over het fornuis en de waste heat boiler samen 0.2 atm gerekend. Voor één condensor plus één Claus reactor geldt een drukval van 0.2 atm. Bovendien is voor elke heater ook gerekend met 0.1 atm. Voor het traditionele Claus proces ( met een fornuis, een waste heat boiler, drie condensoren , twee Claus reactoren, en twee heaters ) moet dus in totaal gerekend te worden met een drukval van 0.9 atm. Voor de hydrogenatie en ontwaterings-unit is samen een drukval van 0.3 atm genomen. Tenslotte is voor de MODOP en incinerator-unit gerekend met een drukval van 0.4 atm. Voor de totale tail-gas processing wordt dus gerekend met een drukval van 0.7 atm, en de drukval over de hele fabriek is gelijk aan 1.6 atm zodat de begindruk op 2.6 atm

~)

4.4. simulatie

De simulatie van het proces werd uitgevoerd met een

Turbopascal programma dat gebaseerd was op een programma uit FVO

2772. Dit werd gedaan omdat simulatie met Aspen volkomen

verkeerde waarden gaf. De overige apparaten ( behalve de waste heat boilers, de heaters en de gas-gas warmtewisselaars ) werden ook met Turbopascal programma's doorgerekend.

Al de verschillende apparaten van het proces werden

afzonderlijk doorgerekend. Dit werd gedaan doordat een programma van het hele proces te onoverzichtelijk zou worden. Bovendien zou het opsporen van eventuele fouten bijzonder tijdrovend worden.

Ondanks de in principe eenvoudige opzet van de simulatie nam deze toch zeer veel tijd in beslag.

Bij het berekenen van de evenwichtsreactoren werd gebruik gemaakt van de atoombalansen en de enthalpie balans. Bij het berekenen van de enthalpie van de stroom werden de volgende formules gebruikt: Cp

.bi

H

dS dG K H

=

=

=

=

=

a + b*T + c*sqr(ljT) HO + fCCP*dT) sa + f(CP/T*dT)

,*'

GO + dH - T*dS exp (-dGj(Rgas*T)) (27) (28) (29) (30) (31 ) (32)

/

/ )

(

/

Als de energiebalans klopt dan is de som van de enthalpie van de ingaande stromen gelijk aan die van de uitgaande stromen.

Met formule 31 kunnen de evenwichtsconstanten ~n de reacties worden uitgerekend. Deze evenwichtsconstanten ~n de verhouding ~

tussen de verschillende componenten van de reacties. (

De atoombalans moet voor iedere soort atomen uiteraard

kloppen. Dit en een kloppende enthalpiebalans zijn de eisen

waaraan de uiteindelijke uitkomst van de simulatie moet voldoen.

Voor een systeem met A componenten en B

reactie-vergelijkingen moeten A - B beginschattingen gemaakt worden voor het systeem vast ligt. De juiste temperatuur en samenstelling worden nu gevonden door uitgaande enthalpie en atoomstromen met de ingaande te vergelijken.

De simulatie begint met het uitrekenen van de samenstelling bij twee van te voren ingestelde temperaturen. De werkelijke temperatuur dient tussen deze twee waarden in te liggen. Voor de twee temperaturen wordt de samenstelling met behulp van de

.... ,1

- 14

-beginschattingen, evenwichtsconstanten en atoombalansen berekend. Hierna kunnen de enthalpiën berekend worden. Met de hulp van de afwijking tussen in en ~itgaande enthalpie wordt een nieuwe

waarde voor de temperatuur berekend. Deze vervangt één van de twee start waarden waarna de procedure herhaald wordt.

Als de in en uitgaande enthalpie stromen een in te stellen maximale afwijking hebben, dan is het systeem geconvergeerd. De atoombalansen moeten dus voor iedere iteratieslag kloppend zijn, terwijl de enthalpiebalans alleen in de laatste iteratieslag de gewenste afwijking heeft. De waarden van de beginschatting moeten dan ook zeer zorgvuldig gekozen worden. Zeker wanneer er veel

reacties tegelijkertijd plaatsvinden, aangezien anders het

systeem niet convergeert. Tijdens de simulatie is er naar

gestreefd om de toegestane afwijkingen zo klein mogelijk te

maken. Dit gebeurde zowel voor de atoom als de enthalpie

balansen.

De simulatie van de condensoren werd gestart met het bepalen van de temperatuur in de condensor. Er werd geitereerd naar een temperatuur waarbij 96% van de totale zwavelatomenstroom zich in de vloeistoffase bevindt. De samenstelling van de stroom werd

hierna op eenzelfde wijze als bij de evenwichtsreactoren

berekend. Bij condensor H3 moest voordat dit kon gebeuren eerst nog de ingaande temperatuur bepaald worden. Dit gebeurde door met

formule 2 het dauwpunt van zwavel te bepalen. De

ingangstemperatuur van de condensor werd, om te voorkomen dat er zwavel zou condenseren in de warmtewisselaaar, 50 0 C hierboven

gekozen.

De waste heat boilers, de heaters en de gas-gas

warmtewisselaars werden zonder de hulp van een computer uit-gerekend .

5. Berekening en motivering van keuze van de apparatuur 5.1. Inleiding

In dit hoofdstuk worden de resultaten van de computer-simulatie voor de Claus fabriek met MODOP tail-gas processing gegeven. Daarna worden op basis van deze gegevens de apparaten gedimensioneerd.

5.2. simulatie resultaten

In tabel 6 zijn de belangrijkste resultaten weergegeven. De waste heat boilers, de heaters , en de gas-gas warmtewisselaars zijn zonder de hulp van een computer uitgerekend. De computer-uitvoer van alle andere apparaten zijn gegeven in bijlage 11.

Tabel 6. Resultaten computersimulatie voor de Claus fabriek met MODOP tail-gas processing unit. De waste heat boilers, de heaters, en de gas-gas warmtewisselaars zijn zonder de hulp van een computer uitgerekend.

apparaat P _{Tuit moluit Huit Conv. perc.verw.} gas gas H2S H2S benaming (atm) ( 0 C) (molis) (KW) ( %) (%) Fornuis 2.60 1281 104.90 -2712 74.73

-Boiler1 2.50 351 98.06 -6824

-

-Condensor 1 2.40 199 95.29 -8127

-

71.7 Heater1 2.30 232 95.32 -8022

-

-Clausl 2.20 316 94.21 -8022 55.89

-Condensor2 2.10 165 93.48 -8580

-

18.1 Heater2 2.00 202 93.50 -8469

-

-Claus2 1. 90 224 93.15 -8469 69.96

-Condensor3 1. 80 145 92.87 -8737

-

7.6 Burner1 1. 70 264 100.20 -8802

-

-Hydrogenator 1. 65 278 99.99 -8802

-

-Boiler2 1. 60 196 99.99 -9069

-

-Gas-gasWW1in 1. 55 90 99.99 -9411

-

-Quench 1. 50 37 72.09 -2885 -

-

-Gas-gasWW1uit 1. 45 171 72.09 -2543 /

-

"-

-MODOPreactor 1. 40 217 73.72 -2543 78.64

-Condensor4 1. 30 121 73.65 -2771 \~ 2.0 Gas-gasWW2in 1.10 300 73.65 -2356

-

-Incinerator 1. 05 374 75.25 -2356

-

-Gas-gasWW2uit 1. 03 202 75.25 -2771

-

-'. l

-- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

-Modem Acid Gas Bumer

eombUS\lon

eh amber

acid gas

.nlel all Inlel

luel gas .nlel

Figuur 5: Moderne zuur-gas burner (lit. 9)

stoom

410·C

_ _

--;-_---11

I

zuur-gas/stoom

____

~~~ H2S-burner 1281·C

warmtewisselaar

- - - ,

---zuur-gas/water

verdamper

250·C

water

2S·C - - - - t ....

zuur-gas

3S1oC

Figuur 6: Schematische voorstelling van de waste heat boiler

I

c

L',

L I

J

5.3. Dimensionering apparaten 5.3.1. Fornuis (F1)

Bij de hoge temperaturen in het fornuis verlopen de reacties snel. In de literatuur vindt men voor de verblij ftijd 0.5-1. 5

sec. (lit. 9, 11). Hier is gekozen voor de gemiddelde

verblijf tijd van één seconde. Het fornuis moet dus een volume van 5.2 m3 hebben.

Voor het goed functioneren van de fabriek is het ontwerp van het fornuis zeer belangrijk. In figuur 5 staat een voorbeeld afgebeeld. Door de hoge temperatuur in het fornuis moeten er speciale materialen gebruikt worden.

5.3.2. Waste heat boiler (H2)

Het koelen van de verbrandingsgassen gebeurt in een van het ketel type boiler, waarbij het zure gas tioor de buizen wordt geleid. Het zure gas wordt eerst gebruikt om de verzadigde stoom te oververhitten, waarna de resterende warmte gebruikt wordt om

water te verdampen. De waste heat boiler is schematisch

weergegeven in figuur 6. De gebruikte gegevens zijn gegeven in tabel 7 (lit. 17).

Tabel 7 : Gegevens waste heat boiler

Q ( af te voeren warmte ) 4.112 e 6 ( J/s )

Dë1.ta H

,

verdamping 1. 71 e 6 ( J/Kg )

Cp

,

water 4.46 e 3 (

J/ (

Kg*oK ) )

Cp

,

stoom 2.76 e 3 ( J/ ( Kg*oK ) )

Cp

,

zuur gas 1. 38 e 3 ( J/ ( Kg*oK

»

Het koelmiddel ondergaat de volgende handelingen ( P

=

40 bar ) water water stoom 25 ° C 250 ° C 250 °C

---

>

--->

--->

water, 250 °C stoom, 250 oe stoom, 410 oe Met als respectievelijke warmte effecten : Hl

=

ep,water*delta T

=

4.46 e 3 * (523 298) H2

=

Delta H,verdamping H3 Cp,stoom*delta T

=

2.76 e 3 * (683 523) Htot

~

1 e6 (J / Kg) : ; ; 1.71 e6 (J / Kg) I

=

4.42 e5 (J / Kg) 3.15 e6 (J / Kg)

- - - , 1281 T ( ( 0 C) (1,,\

tIl

I r ' l N

"\tJ

410 351 l-v I 250

stoom kokend water ~.

,

0·58

..

_t-11

Q (le6 J/s)

l

Figuur 7: Temperatuur profiel van de waste heat boiler

J

I

L

- 17

-De benodigde hoeveelheid ketelwater ~m,k kan berekend worden met :

~m,k

=

QjHtot

en bedraa~gt 1.31 kg ketelwaterjs.

Er treden twee temperatuur trajecten op ( figuur 7 ):

Traject 1. Het zure gas wordt gekoeld door stoom over te verhitten. De temperatuur van het zure gas daalt van Tin (1281°C) naar Tluit. De stoomtemperatuur stijgt van 250°C naar 410°C.

T-raject 2. Het reeds gedeeltelijk afgekoelde zure gas verhit het water en verdampt dit naar stoom. De voeding, water op 25°C , mengt direkt op tot het kookpunt, zodat de kooktemperatuur als onderste temperatuur mag worden gebruikt. Wel moet de warmte, nodig voor het verwarmen van water van 25 naar 250°C, worden meegenomen bij het bepalen van het koelmiddel debiet (lit. 18). De temperatuur van het zure gas daalt van T2in naar Tuit

( 351°C).

De water / stoom temperatuur bedraagt 250°C. Voor traject 1 geldt de volgende warmtebalans

Ql

=

~m,k

*

H3

=

Cp, gas * ~m,g * ( Tin - Tluit )

zodat hiermee Tluit kan worden berekend. Deze bedraagt ll50°C. Het logaritmisch temperatuurverschil kan nu als volgt voor beide trajecten worden berekent :

delta TIn

=

delta Tmax-delta Tmin / (Ln(delta Tmax / delta Tmin» Dit geeft delta Tlnl =

delta Tln2

=

612°C

92°C

cr

Voor traject 1 geldt Ku,l

=

30 W/(m2*K) (lit. 18). Deze lage warmteoverdrachtscoéfficient houdt verband met het feit dat het hier gas/gas overdracht betreft. Nu kan het verwarmend oppervalk

(Va) voor traject 1 worden berekend met (lit. 19):

Val = Ql/( Ku,l,tot * delta Tlnl ) (28) Dit geeft VOl = 21.8 m2

•

Voor traject 2 geldt:

Q2

=

~m,k * (Hl + H2)

=

Cp, gas * ~m,g * (T2in - Tuit)

18

-Voor de warmteoverdrachtscoéfficient geldt Ku, 2

=(

Î6

0). Wj (m2*K)

(lit. 18). Aan de mantelzijde vindt nu betere bvérdracht plaats door het kokende water. De overdracht van het zure gas naar de wand is nu beperkend. Volgens 28 geeft dit V02

=

60.8 m2 _•

Het totale verwarmend oppervlak bedraagt dus ongeveer 82.6 m2 _•

De tweede waste heat boiler (Hl8) wordt op dezelfde wijze als (H2) berekend. Daar wordt lage druk stoom gegenereerd

(0.1 kgjs). Het totale verwarmend oppervlak bedraagt 20.2 m2 . 5.3.3. Condensoren ( H3, H6, H13 en H25 )

zwavel wordt gecondenseerd aan de pijpzijde terwijl aan de

mantelzijde wordt lage druk stoom gegenereerd. De

warmteoverdrachtscoefficient is gelijk aan 1250 Wjm2*oK (lit.18).

De berekende warmtewisselende oppervlakken zijn gegeven in

paragraaf 7.

5.3.4. Heaters ( H6, HII

uit verschillende mogelijkheden is er gekozen voor de

indirecte methode ( zie paragraaf 3.2.3 ). De ingangstemperaturen van de Claus-reactoren zlJn resp. 232 en 202°C. uit tabel 3 blijkt dat alleen hoge druk stoom met een condensatietemperatuur

van 250°C gebruikt kan worden. Deze condenseert aan de

mantelzijde terwijl het zure gas door de pijpen wordt geleid. De warmteoverdracht van het zure gas naar de wand is in dit geval beperkend. De warmteoverachtscoéfficient is dus gelijk aan

Ku

=

160 Wj(m2*K) (lit. 18). In totaal wordt 0.101 kgjs hoge druk stoom verbruikt. De berekende verwarmende oppervlakken zijn gegeven in paragraaf 7.

5.3.5. Katalytische reactoren ( R7, R12, Rl7 en R24 )

Deze zijn relatief simpele geisoleerde reactoren met een

vast katalysatorbed. Voor de eerste Clausreactor is een

verblijf tijd van 2 seconden genomen. Voor de andere reactoren is de verblijf tijd gelijk aan 3 seconden verondersteld. De berekende volumen zijn gegeven in paragraaf 7.

5.3.6. Gas - gas warmtewisselaars ( H19, H28 )

De warme proces stroom wordt geleid door de plJpen, terwijl de koude proces stroom wordt aan de mantelzijde opgewarmd. De warmteoverdrachtscoefficient is gelijk aan 30 Wjm2 *oK (lit. 18).

De berekende warmtewisselende oppervlakken zijn gegeven in

paragraaf 7.

-I "-'

5.3.7. Branders ( F16, F23, F29 )

Voor deze apparaten is een verblijf tijd van 0.5 second genomen.

5.3.8. Quench ( T20 )

Deze toren ook wordt m.b.v. het pascal programma

uitgerekend. Er wordt gebruik gemaakt van een vaste pakking van zadels of ringen. Voor de verblijf tijd is een waarde van 4 seconden genomen.

5.3.9. Incinerator ( R30 )

Hiervoor is gebruik gemaakt van een katalytische

incinerator. De temperatuur kan nu in vergelijking met de thermische incinerator veel lager liggen. Voor de verblijf tijd is een waarde van 3 seconden genomen.

- 20

-I

K

e

tou

r

I

_I

-

V

oor-

_6.

_M

_{assa -e}

_n

I

N

_UI

_T

i \\/_{. C:::::'}~~ ~~ _{I L...;} c

\

'

V

2rmt eba

l

ans

: i

I

M

I M

I

!

i

Vl

0

_M

Q

'

j

J

I

_I

\ !Zg/s K\~

Q

Q

_Kg/s K\~ !

I

_I

_I

,

G)

\'-" 2 .09

I

Lucht 0

-I· 1. 12 \

IQ

Zuurgas .. ~

-

_Fl

I

\-2.712e 3 I~

I

(5) ______

I

_{I -}3.21 _{2.712e 3}

,

_I

!

I

Water

I

-

Q I

I

I

H2

l

1 HD stoom _{4.\ \2e 3}

0L _____

\ ~' 3.21

-n

824e 3 \

I

~,

_I

Q Water H3 LD stoon \1 .284e 3

-i

I

I

i

I I ~ 3.21

I

-8.108e 3

- - - -

1

I

I

V4 '-" \

I

I

S.98e-\

a_

i

-L

1.1:394e 1

I

J

_I

I

I

: MS :

I

-8.127e 3 2.6\

&-

.2.loz..a" c> 1

-

_I

5 .9 8e-1 1.894e 1

' - '

I

j

I

\ \

J

_I

I

-3

\---='-1 "-8.127e

{

I

I

\

i

1 1

I

1

I

I

_I

I

HD stoom H6

I

I

Condensaat -1.OSe 2 --.,.-. \ L.61

GL ____

-8.022e 3 I \ ~I..., \ _R7 1

J

.~ . \ ...

ro-I

.@l ____ ,

_J

I

2.61

I

t-8.022e 3 _~L

J

I

I

I I \~ater

I

I

0

-

R8 \ \ LD stoom _{S.S4e 2} - 2.61

-t-S.S76e j

_,

,.--""'-1 - j V9

-I

I

_{fi_}

----1.51 e I - - - - I

l

1.896 \

r

MlO

lB-l

\ 2.46 Zwavel I.Sle-1 3.896 3

'-S.

:SSOe

I

r

J

I

I

0 HD stoom_

-HII condensaat -1. Ile 2

I

-./

I

'--r-

I

@---

I

I

I

2.46 -8.46ge3 I ~

- 22 -I \ \

T

2.46

I

I

-8.46ge 3

- - - -

\

I

\

I

,.-'-- \

I

\ I

I

_I

RI2

I

_I

1 1 \ _\

(l4)

\ \ 2.46 L..-.,..--8.46ge 3 - - - I I \

..JL

-I

I

\ Water 0

--\ HI3 _{LD stoom}

--

2.67e 2 \

L..-..--I

-8.736e 3 2.46

---,.

I \

"""L-

_I

I

_I

T

i

\ \ VI4 \ \

-0)

6.00e-2

-

-1.413

I.

'-( ~15 _Zwavel 6.00e-2 1.413

~-(i6)

2 40 I . . . . --8.737e 3

-.

_a

-1

- - - -

,.Jt..

I .38e-2 -6.443e Methaan

Q2?

-1.70e-1 Lucht

I

;Q.V

--

F16

1

1

iG;)

\ 2.58 i . . r -F8.802e 3

-r \ "

1

, . - ' - I \ RI7 ~

I

I

J@---,

I

i

2.58

I

I

I

~8.

802e

I

I

I

I

---_/

\

I

I

---,

1-1

-8.802e 3

r

_I

_I

I

Hater

-I

0 I

I

I

I

HlS

I

1 t"" LD stoom

J

2.67e2

I

:T

_I

I

r-r-

_{- - i ,}

I

J

,

r \ 2.09

1

1

1-2.~~)e j

@

r

I

2.58

--~ -9.06ge 3 HI9

I

~

-L...'1 ....

..l

I

I

@L

I

-9.41 Ie 3 2.2&

----,

..---,

I

I

I

I

I

I

,

T

I

T20

@-I 2.09

I

-2.543e 3

,

\-1a ter 5.00e-1 6.526e3

1

-

r -0 0 Methaan

i

.~

Lucht

_....

r-I _{0 0}

Q:)

F 23

J

'1

1

_-

1

I

I

r

~

-ill----:t..,

\ -2.09

1

-2.543e 3 Lucht

_....

5.25e-2 0

~

-R24 '-<' ₁ I

~

_@

--r-2.14 35 _ _ _ _ ._

I

-2.543e 3

t

_J

I

1 ,

1

I \-1ater

--I ₀ H25

I

2.28 LD stoom e 2 1

-I

I

I

\

_I

-I

I

I

J

I

2.14

-I j-2.77le

1..

,

-

24

-~. \ 2.14

I

-2.771eJ

---,

_I

I

I

~'--f

I

I

V26 I ~ I

G)_

' -2.12 -2. 77le~

-

_ .

-1 .68e-2 ' - ' 36 ~I... 2.932e-) 'J M27 ---' Zwavel 1.68e-2 2.932e-l 2.17 -2.356e3

- -

----,

~'--.J

.

H28

2.17

--2.771e3

Q

' ---" 2.12

--2.356e3 Methaan

,

0 0

~

_I

0 0 Lucht

T§)

F29

•

~ '"-~ ~ 2.1 2

(43)

----'"

-2.356e3 Lucht ~'--5.42e-2 0

-~

-R30 ---'

@-

,-2.17

--2.356e3

r

-ol 46

-L

M32 J i.-~

I

,

Afgas

-

I

1

2. 17 -2.77le3 J 3.50 _-2.776e3

•

TOTAAL ~ 3.50 -2.776e3 I

~

ppar

00

t sT'r oom

+

Componenten

H2S C02 U20 PROP ,,~ LIL S6 S3 S02 COS C"? . l -CD

Totaal:

~ Q~araatsTroom

~ Com~onenten

H2 02 N2 CB4 SS-vloeibaar - .-- _.

-Totaal:

M in kg/s

o

in

kW

I

M

Q - --

--

--

-- -- -- -- --

--

--

-M

Q -

--

--

-0 0 - -0 0

M

0.

M

Cl

M

-

- 2.37[-1 -5.247[2 8.87E-1

- - _{1.74E-1 -1.557E3} 1 .7L1E-1

- - 4.751:-2 _{- - - -}-6.3771::2 4.75E-2 - - 1.39E-2 6.883 1 .39E-2 -- - - - -- - -

-

-- - - - -- - - - -- - - - -- - - - --

-

_-

-

-M

Q

M

U

M

- -

_-

- -4.64E-l 0

-

- 4.6L1E-1 1.63 0 - - 1.63

--

-

_-

-

0 -

-

- - _{- - - -}

--

--2.09 Cl 1. 12 -2.7121:3 3.21

Stroorn/Componenten

staat

Q

M

-5.247E2 1.3/;E-1 -1.557E3 1.64E-I -6.37ïE2 4.63E-1 6.883 0 - (;,.2f_fE-I -_-- 5.07E-I0 - 2.58E-17 -- _1.66E-I - _3.04E-) - _1.9IE-5 - _3.29E-2 -Q

M

-

-0 I .49E-9 0 _1.63 0 0 - --2.712E3 3.21 -Q 1.371E2 -I .228E3 --4.92CE3 0 1.693E3 5.13IE- 71 1.556E-14 -6.~06E2 -3.486 4.793E-2 -G.252E1 Q -1.953E-6 2.323E3 0 -- --2.712E3 [\J lJ1

c

c

c

\.

7

pparaa

t

stroom

6

, Componenten

_M

Q

H2S 1 • 34e- 1 -2.938e 1 C02 _{1.64e-1 - 1 .31 8e 3} H20 4.63e-1 -5.535e 3 PROP _{0 0} S2 4.8Ie-4 9.794e-1 S6 3.14e-1 1 .993e ' S8 3.10e-1 1 .291 e " S02 ) .66e-1 -6.856e ' COS 3.04e-3 -5.751

-CS2 1.9le-5 3.096e-' CO _{3 2Qp-2 -I IOhP}

Totaal:

-

-~ Q-~ataatsTroom

~

Componenten

M

Q

H2

_-

-02 1 .4ge-9 4.386e-N2 _{1.63 5.30ge} CH4

_-

-SS-vloeibaar -

----~. i

Totaal:

3.21 -6.824e 3

M

in kg/s

"

( ( 6a 7

M

Cl

M

0

M

1.34e-1 -5.477e I"

-

-

1.34e-1

1.64e-1 -1.437e 3 -

-

1 .64e- 1

4.63e-1 -6.066e 3

_-

_-

4.63e-1

-

-

-

-

-"

-3.6Ie-6 7.568e-3

-

- 3.6Ie-6

6.56e-3 4.091

-

-

6.56e-3

1 . 77e-2 7.455

-

-

1.77e-2

1.66e-1 -7.50Ie 2

_-

1.66e-1

-3.04e-3 -6.540

-

-

3.04e-3

1 .91 e-5 3.104e-2

-

-

1.9Ie-5

3,2ge-2 -I. ?1qe 2

-

- 3.2ge-2

- - - --- - --- - -

-M

Q

M

Q

_M

-

-

-

-

-1.4ge-9 2.45Ie-7 - - 1.4ge-9

1.63 2.98ge 2

-

-

1.63

-

-

-

-

-5.98e-1 1.894e 1 5.98e-1 1 .894e 1

-- -- -- --

--

-3.21 -8.108e 3 5.98e-1 1.894e 1 2.61

---Strnnrn

Irnmnnnpntpn

c,~:l:1t 8 Q

_M

-5.477e 1 I. 34e- 1 -1.437e 3 1.64e-1 -6.066e 3 4.63e-1

-

-7.568e-3 3.72e-6 4.091 6.75e-3

-

-7.455 1.82e-2 -7.50Ie2 1.66e-) -6.540 3.04e-3 3.104e-2 1.9Ie-5 -1.23ge 2 3.2ge-2 Q

_M

-

-2.45Ie-7 1.4ge-9 2.98g e 2 1.63

-

--

--8.127e 3 2.61 9

Q

-4.978e 1 -1.43Ie 3 --6.035e 3

-7.857e-3 4.293 7.769 -7.465e 2 -6.458 3.14ge-2 -I ,22Z~ 2

Q

-2.936e-7 3.573e 2

-"

--

--8.022e ~ N 0'1

Apparaatstroom

+

Componenten H2s C02 H20 PROP S2 S6 SB S02 COS CS2 CO Totaal:

~ ~~araatsTroom

~

Componenten H2 02 N2 CH4 SS-vloeibaar --- _.

To'taal:

M

in

kg/s

n

it, 1/ W

M

5.63e-2 2.18e-1 5.05e-) -1.20e-3 1.0ge-1 4.58e-2 5.2ge-2 1.77e -S 7.0ge-1O 1.92e-7

M

-0 1.63

-2.61 10 10a 11 12 13 Q

_M

_0.

_M

Cl

M

Cl

M

-1.54ge 1 _{5 63e-2}

_.

_{-2.502e I - - 5.63e-2 -2.502e I 5.63e-2}

-1.884e 3 2.18e-1 -I .918e ..;

-

-

2.18e-) -1.918e 3 2.18e-)

-6.488e 3 5.05e-1 -6.63ge - - 5.0S e -1 -6.63ge 3 5.05e-1

- - -

-2.594 3.546e-7 _{7.361e-Q - - 3.S46e-7 7.36Ie-4 3.546e-7}

7 .300e I 1.24e-3 7.593e-1 - - 1.24e-3 7.S93e-l _{, -} 1.24e-3

2.02e I 5.02e-3 2.089 _{- -} 5.02e-3 2.089 5.02e-3

-2.354e 2 5.2ge-2 -2.405e 2 - - 5.2ge-2 -2.40Se 2 5.2ge-2

'1

1.77e-S -3.84ge-2 1.77e-S

-3.631 e-2 1.77e-5 -3.84ge-L -

-1.214e-6 7.0ge-IO 1 . 138e-E

--

- 7.0ge-IO 1.138e-6 7.0ge-IO

-6.986e-4 I .92e-7 -7.298e-Q - - 1.92e-7 -7.298e-4 1.92e-7

- - - --- - - - --- --

-Q

_M

_Q

_M

Q

_M

_U

_M

- - - _{- -}

-0 0 0 - -

-

-

-5.051e 2 1.63 2.400e L - - 1.63 2.400e 2 1.63

-

-

-

- - -

-

--

1.51e-1 3.896 _{I . S 1 e-I 3.896}

_-

_-

-- -- -- -- --

-- -- - - -- -- -- -- - _.'- - - ._ -- --8.022e3 2.61

-8.576e3 I • S Ie-I 3.896 2.46 -8.S80e3 2. 46

-

-S

_{t ,-}

0 0

m /

Co m pon ent

e

II c;

I:

rl rl

t

Q -2.273e I -1.910e 3 --6.604e 3 -7.433e-4 7.763e-1 2.119 -2.393e 2 -3.798e-2 1.156e-6 -7.224e-4

U

-3.04ge 21 - I -.. --- --8.46ge~ I\J ~

<... l

ApparaatsTroom

1 4 14a 1 5 1 6

+

Componenten

M

Q

M

Cl.

M

U

M

U

H2S 1.3ge-2 -5.268 1.3ge-2 -6.490 - - 1 • 3ge-2 _-6.490

C02 _{2.18e-l -I.906e1 '2.18e-l -1.923e3}

_-

_{- 2.18e-l -1.923e3}

H20 5.27e-l -6.876e 5.27e-l -6.956e3 _- 5.27e-l -6.956e3

PROP

_-

_{- - - - -}

_-

-4.47ge-'i.

S2 2.12e-5 3.14e-7 6.475e-4 - - 3.135e-7 6.475e-4

S6 2.26e-2 I.430el 5.47e-4 3.306e-1 - - 5.47e-4 3.306e-1

-S8 4.36e-2 I.855el 2.IOe-3 8.66Ie-1 -

-

2.10e-3 8.66Ie-1

S02 1.2ge-2 -5.821el 1.2ge-2 -5.913el _- - 1.2ge-2 5.91 3e 1

COS 1.10e-6 -2.352e-~ I. I Oe- 6 -2.44e-3, _- - 1.IOe-6

2.444e-CS2 3.18e-l 5.234e-9 3.2e-12 5.157e-9 _-

_-

3.2e-12 5.157e- c

CO _{2.60e-9 1-9.696e-t 2.6e-9 -9.734e-}6

_-

_- 2.6e-9 9.734e-6

Totaal:

--~---~---~--- - - -- - -

-~ -~-~atoatsrroom

~

Componenten

M

Q

M

Q

M

Q

M

Q H2 _- - - -

-

-02 - - -

-N2 1.63 3.428e2 1 .63 2.062e2 _{- -} 1 .63 2.062e2

-CH4

_-

_- - - -

-SS-vloeibaar - - 6.00e-2 1 .413 6.00e-2 1 .413 _-

-- -- -- --

--

-- --_.

-Totaal:

2.46 -8.46ge3 2.46 -8.736e3 6.00e-2 1. 413 2.40 -8.737e3

~--M

in

kg/s

Q

in

kW

stroom/Componenten

slaat

17+ 18

M

Q

-

--

--

--

--

--

--

--

--

--

-M

Q -

-3.78e-2 -1. 32e-1

-1.38e-2 -6.443el

-

-. -1.8e-1

-

:.443el

I N 00