BR112020010784B1

BR112020010784B1 - Processo para produção de enxofre a partir de um gás de carga de alimentação compreendendo h2s e uma corrente reciclada de ácido sulfúrico e instalação de processo

Info

Publication number: BR112020010784B1
Application number: BR112020010784-0A
Authority: BR
Inventors: Mads Lykke
Original assignee: Haldor Tops0E A/S
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2022-04-12
Also published as: PL3717402T3; CN109835874B; ES2901479T3; EP3717402A1; CA3083560C; CA3083560A1; US10981788B2; MY194388A; BR112020010784A2; KR102298458B1; JP7041745B2; CN209536975U; US20200317519A1; KR20200092973A; JP2021504272A; MX2020005289A; WO2019105956A1; PE20211081A1; CN109835874A; EP3717402B1

Abstract

A presente invenção refere-se a instalação de processo compreendendo um forno de reação Claus, um meio de resfriamento de gás Claus, uma seção de conversão Claus, um meio para oxidação do gás residual Claus e uma seção de ácido sulfúrico, em que o forno de reação Claus tem uma entrada e uma saída, o meio de resfriamento de gás Claus tem uma entrada de gás, uma saída de gás e opcional uma saída de enxofre elementar, a seção de conversão Claus tem uma entrada de gás, uma saída de gás e uma saída de enxofre elementar, o meio para oxidação de enxofre tem uma entrada e uma saída e a seção de ácido sulfúrico tem uma entrada de gás, uma saída de gás e uma saída de ácido sulfúrico, e em que a entrada do forno de reação Claus é configurada para receber um gás de carga de alimentação, ácido sulfúrico, combustível e um oxidante, e a saída do forno de reação Claus é configurada para estar em comunicação fluída com a entrada do meio de resfriamento do gás Claus, em que a saída do meio de resfriamento do gás Claus é configurada para estar em comunicação fluída com (...).

Description

[001] A presente invenção está relacionada a um processo para conversão de H2S em enxofre elementar e ácido sulfúrico, opcionalmente com uma razão ajustável entre enxofre elementar e ácido sulfúrico.

[002] H2S é um produto lateral comum em muitos processos, incluindo hidrodessulfurização de correntes de refinaria e produção de viscose. É desejável converter H2S antes da emissão para a atmosfera como H2S é altamente tóxico, odoroso e um desafio ambiental.

[003] Processos de refinaria, além de produzir o bem conhecido gás H2S em alta concentração, podem frequentemente produzir também um assim chamado gás extrator de água ácida, que compreende H2S, H2O e NH3 em quantidades quase iguais.

[004] Especialmente em refinarias, o processo escolhido para a redução de H2S tem sido o processo Claus, que é conhecido e otimizado por mais de 8 décadas. O processo Claus prossegue por combustão subestequiométrica de H2S produzindo SO2 em um forno de reação Claus, fornecendo um gás de alimentação do conversor Claus. O processo Claus subsequente irá conversor H2S e SO2 para formar enxofre elementar, que pode ser condensado e retirado.

[005] Tipicamente, a eficiência de remoção do processo Claus é de 95% a 98%, o que é insuficiente para conformidade com regulações ambientais. Portanto, é prática comum prover um tratamento de gases residuais após o processo Claus para fornecer redução de enxofre acima de 99%. O tratamento de gás residual é frequentemente uma instalação de ácido sulfúrico, que introduz a exigência de manipular o ácido sulfúrico.

[006] Foi identificado agora que o ácido sulfúrico pode ser reciclado para o forno de reação Claus, onde ele pode contribuir para a formação de enxofre e, além disso, proporcionar oportunidades para otimização do tamanho e custo operacional do processo Claus.

[007] Em WO 2012/152919 A1, um processo de ácido sulfúrico para tratamento de gás residual Claus é apresentado no qual a conversão de H2S em H2SO4 em um gás residual Claus é descrita. As etapas no processo são: 1. Oxidação subestequiométrica 2. Conversão Claus 3. Oxidação de espécies de enxofre reduzidas (H2S) no gás residual Claus em atmosfera rica em oxigênio a 400-700°C 4. Oxidação catalítica de SO2 em SO3 5. Condensação de H2SO4

[008] É reconhecido que o produto de H2SO4 não é sempre desejável e sugerido que se recicle o ácido sulfúrico para um forno de reação Claus a montante ou a etapa de oxidação de H2S como descrito acima. No entanto, o reciclo de ácido sulfúrico é meramente pensada como uma redução de ácido sulfúrico, e as consequências de reciclar o H2SO4 no processo WSA® ou Claus não foram avaliadas, isto é, não é reconhecido que a recirculação de H2SO4 requer uma redução na quantidade de O2 dirigida para o forno de reação Claus, nem os efeitos benéficos no processo Claus e de ácido sulfúrico foram obtidos. Este é especialmente o caso quando ácido sulfúrico altamente concentrado é reciclado a partir da instalação de ácido sulfúrico.

[009] Em WO 2012/152919 A1, também se reconhece que pode ser requerido combustível de suporte em ambas as etapas de forno de reação Claus e de oxidação de H2S para obter a temperatura de operação desejada, sem obter os efeitos benéficos de usar gases de alimentação como combustível de suporte para a oxidação de H2S no processo de ácido sulfúrico.

[0010] A proposta de reciclar H2SO4 para o forno de reação Claus não fornecerá, portanto, sozinha, um processo de trabalho, mas irá requerer modificações de processo adicionais.

[0011] De acordo com a presente invenção, um processo para conversão de H2S em enxofre elementar com eficiência aumentada é apresentado, no qual um processo Claus é combinado com um processo de ácido sulfúrico. Além disso, a sinergia da combinação ótima dos dois processos é alcançada. De acordo com este processo, ácido sulfúrico produzido no processo de ácido sulfúrico, tratando o gás residual Claus, é reciclado para o forno de reação Claus para decomposição e produção de enxofre elementar.

[0012] Para a finalidade do presente pedido, uma quantidade estequiométrica de oxigênio deve ser definida sob a premissa de que os produtos derivados de N, H, C, S e O no gás de alimentação são N2, H2O, CO2 e SO2. Se menos do que uma quantidade estequiométrica de oxigênio está presente (também chamada subestequiométrica), isto significa que nem todos os componentes de alimentação são totalmente oxidados. Para uma alimentação de gás de instalação Claus, isto significa que o gás de processo após combustão/reação subestequiométrica irá conter H2S, NH3 e hidrocarbonetos não convertidos da(s) corrente(s) de alimentação e H2, CO, COS, SO2 e CS2 formados no ambiente com déficit de O2.

[0013] Para a finalidade do presente pedido, um combustível deve ser definido como uma composição que, quando oxidada com O2, irá formar N2, H2O, CO2 e SO2 como o produto de reação e liberar uma quantidade substancial de energia pelas reações. Uma mistura de hidrocarbonetos (por exemplo, gás natural, com CH4 e C2H6) assim como H2S é um típico gás combustível, mas o gás combustível pode compreender também CO, NH3 e H2.

[0014] Para a finalidade do presente pedido, oxigênio (O2) é entendido como uma corrente contendo O2, como ar, ar enriquecido e oxigênio puro, mas pode ser também um gás de processo contendo O2.

[0015] Para a finalidade do presente pedido, as quantidades estequiométricas de Claus de H2S e O2 corrigidas para oxidação para espécies diferentes de H2S e SO2 devem ser calculadas a partir do exigência teórica de O assumindo a estequiometria do processo Claus e o consumo não atendido de O2 devido a produtos parcialmente oxidados (diferentes de H2S e SO2).

[0016] Para a finalidade do presente pedido, a unidade% em peso deve designar % em peso/peso e a unidade% em volume deve designar% em volume/volume.

[0017] Para a finalidade do presente pedido, onde concentrações na fase gasosa são dadas, elas são, salvo especificado de outra forma, dadas como concentração em volume/volume.

[0018] Assume-se que espécies de enxofre na entrada sejam oxidadas de acordo com as reações Claus líquidas, em média consumindo um átomo de O por átomo de S. Assume-se que átomos de nitrogênio não envolvem nenhum consumo de O. Assume-se que espécies de hidrocarboneto envolvem consumo de 2 átomos de O por átomo de C e ^ átomo de O por átomo de H:

[0019] O consumo de oxigênio deve ser corrigido devido à oxidação incompleta de acordo com o consumo de oxigênio requerido para completamente oxidar produtos para produtos finais teóricos, por exemplo, COS+3/2 O2 para CO2 e SO2. Os produtos de oxidação incompleta apresentados aqui são meramente exemplos e não devem ser considerados uma lista completa.

[0020] O consumo de oxigênio corrigido no processo Claus pode, na prática, ser avaliado a partir de análise dos volumes e composições de correntes para e a partir da seção Claus de uma instalação de processo, possivelmente em combinação com volumes e composições de outras correntes.

[0021] Em um aspecto amplo, a presente invenção refere-se a um processo para produção de enxofre a partir de um gás de carga de alimentação compreendendo 30% em volume, 40% em volume ou 50% a 99% em volume ou 100% em volume H2S e uma corrente reciclada de ácido sulfúrico envolvendo as etapas de a. fornecer uma corrente de alimentação do forno de reação Claus compreendendo o dito gás de carga de alimentação, uma quantidade de ácido sulfúrico reciclado, uma quantidade de oxigênio e, opcionalmente, uma quantidade de combustível, em que a quantidade de oxigênio é subestequiométrica, b. dirigir a dita corrente de alimentação do forno de reação Claus para um forno de reação Claus operando em temperatura elevada, como acima de 900°C, fornecendo um gás de alimentação do conversor Claus, c. resfriar o dito gás de alimentação do conversor Claus para fornecer um gás de alimentação do conversor Claus resfriado e, opcionalmente, uma quantidade de enxofre elementar, d. dirigir o dito gás de alimentação do conversor Claus resfriado para contatar um material cataliticamente ativo na reação Claus, e. retirar um gás residual Claus e enxofre elementar, opcionalmente resfriando o efluente do dito material cataliticamente ativo na reação Claus, f. dirigir uma corrente compreendendo o dito gás residual Claus, oxigênio, e um combustível, como um gás de carga de alimentação para um meio para oxidação do gás residual Claus operando a uma temperatura acima de 900°C e/ou um meio catalítico para oxidação, fornecendo um gás de alimentação de conversor rico em SO2, g. resfriar o dito gás de alimentação de conversor rico em SO2, fornecendo um gás de alimentação do conversor de SO2 resfriado h. dirigir o dito gás de alimentação do conversor de SO2 para contatar um material cataliticamente ativo em oxidação de SO2 em SO3, fornecendo um gás rico em SO3, i. converter o dito gás rico em SO3 em ácido sulfúrico concentrado e um gás empobrecido em SO3, seja pela absorção de SO3 em ácido sulfúrico ou pela hidratação de SO3, resfriamento e condensação de ácido sulfúrico, em que a dita corrente reciclada de ácido sulfúrico compreende uma quantidade do dito ácido sulfúrico concentrado e em que o ácido sulfúrico concentrado contém de 90% p/p a 98% p/p ou 98,5% p/p de H2SO4, com o benefício associado de tal processo ter uma alta eficiência térmica e conversão e evitando formação indesejada de ácido sulfúrico. O uso de um forno de reação Claus e um meio para oxidação do gás residual Claus operando acima de 900°C tem o efeito de garantir a conversão completa dos constituintes presentes, e isto pode, opcionalmente, requerer a presença de um combustível além do gás de carga de alimentação. Além disso, reações Claus homogêneas ocorrerão no forno de reação Claus, de tal modo que o enxofre será retirado quando o gás de alimentação do conversor Claus for resfriado. A corrente alimentada para os meios para oxidação do gás residual Claus pode tipicamente incluir H2S como combustível a partir do gás residual Claus e/ou uma corrente separada compreendendo H2S, hidrocarboneto ou outros combustíveis. Além das etapas do processo mencionadas, o processo pode incluir etapas adicionais como troca de calor para mudar a temperatura (ou, de outras maneiras, condicionar as correntes do processo) para uma faixa apropriada para os processos ocorrerem.

[0022] Em uma modalidade adicional, a corrente de alimentação do forno de reação Claus compreende menos do que 0,1% em peso de nitrogênio não elementar, como NH3, com o benefício associado de evitar a formação de, por exemplo, sais de amônia que podem entupir o(s) condensador(es) Claus.

[0023] Em uma modalidade adicional, a corrente de alimentação do forno de reação Claus compreende menos do que 50% em volume, 20% em volume, 10% em volume ou 1% em volume de N2 com o benefício associado de fornecer um processo com uma temperatura alta no forno de reação Claus, e um volume de gás de processo reduzido, devido à presença reduzida de N2. Isto pode ser atingido usando O2 puro ou ar enriquecido em oxigênio como a fonte de oxigênio.

[0024] Em um processo alternativo, etapas d e e são realizadas sequencialmente de 2-5 vezes, com o benefício associado de permitir uma conversão mais alta no processo quando múltiplas etapas do processo Claus são realizadas, ao deslocar o equilíbrio em direção ao lado produto, quando o enxofre é retirado.

[0025] Em um processo alternativo, etapa g é realizada sequencialmente de 2-5 vezes, a uma temperatura entre 380°C e 450°C, com resfriamento intermediário e tipicamente também resfriando a etapa g e h, com o benefício associado de deslocar o equilíbrio do processo exotérmico em direção aos produtos, permitindo assim uma conversão mais alta no processo quando múltiplos leitos de oxidação de SO2 estão operando na temperatura ótima.

[0026] Em uma modalidade adicional, a razão de H2S:SO2 do dito gás residual Claus está acima de 2, preferivelmente de 2,5 ou 5 a 10 ou 20, com o benefício associado de tal gás de alimentação fornecer um H2S contendo gás residual Claus para os meios para oxidação do gás residual Claus. Tal gás de alimentação contendo uma quantidade elevada de H2S minimiza a necessidade de adição de gás combustível pois a oxidação de H2S libera uma quantidade substancial de energia, enquanto SO2 não libera energia nos meios para oxidação do gás residual. Tal composição do gás residual, pode ser obtida se a razão H2S:SO2 do gás de alimentação do conversor Claus estiver levemente acima de 2:1.

[0027] Em uma modalidade adicional, a razão H2S:SO2 do dito gás residual Claus está abaixo de 2, preferivelmente de 0,05 ou 0,1 a 1 ou 1,8, com o benefício associado de ter um gás residual Claus substancialmente livre de H2S. Na instalação de ácido sulfúrico a jusante, tal gás residual Claus substancialmente livre de H2S pode ser uma vantagem pois o SO2 não oxidará sem um catalizador de conversão de SO2 e, assim, será possível pré-aquecer o gás residual Claus com uma combinação de oxidação catalítica de H2S (desvio controlado de gás de carga de alimentação contendo H2S) e reciclo do gás de processo em torno da oxidação catalítica de H2S, de modo que o aumento da temperatura através do catalisador de oxidação de H2S possa ser controlado de perto. Com concentração desconhecida e/ou variável de H2S no gás residual Claus, o risco de superaquecimento do catalisador de oxidação de H2S é alto. Tal composição do gás residual pode ser obtida se a razão H2S:SO2 do gás de alimentação do conversor Claus estiver levemente abaixo de 2:1.

[0028] Em uma modalidade adicional, o processo compreende adicionalmente a etapa de dirigir uma quantidade de um gás de carga de alimentação adicional para os ditos meios para oxidação do gás residual Claus, com o benefício associado de fornecer enxofre e combustível adicional para o processo de ácido sulfúrico. O gás de carga de alimentação adicional pode compreender impurezas, que podem ser incineradas antes do tratamento no processo de ácido sulfúrico, e/ou sulfeto de hidrogênio e outros combustíveis que podem contribuir para a produção de ácido sulfúrico e a combustão nos meios para oxidação do gás residual Claus. Se o gás de carga de alimentação adicional compreende uma alta quantidade de gases inertes ou combustíveis livres de enxofre, o processo também tem o benefício de evitar um aumento no tamanho do conversor Claus devido a um fluxo não contribuinte. O gás de carga de alimentação adicional pode se originar a partir da mesma fonte que o gás de carga de alimentação ou pode se originar a partir de uma fonte diferente.

[0029] Em uma modalidade adicional, o dito gás de carga de alimentação adicional compreende mais do que 5% em volume de nitrogênio não elementar, como NH3, com o benefício associado de permitir um processo onde os constituintes do nitrogênio não elementar, que podem ser difíceis de oxidar na atmosfera subestequiométrica do forno de reação Claus, podem ser dirigidos para os meios para oxidação do gás residual Claus. Tal processo pode ser especialmente benéfico se o gás de carga de alimentação adicional for um gás extrator de água ácida (SWS) compreendendo H2S, NH3 e H2O - dos quais apenas H2S é desejado no processo Claus, e NH3 é problemático no processo Claus devido à obstrução potencial por sal de amônia. Ao contrário, tal gás SWS pode ser dirigido para a instalação de ácido sulfúrico, onde é bem conhecido manipular NH3.

[0030] Em uma modalidade adicional, a quantidade de enxofre no gás de carga de alimentação adicional é de pelo menos 1% em peso, 2% em peso ou 5% em peso da quantidade total de enxofre elementar retirado do processo, com o benefício associado de tal gás de carga de alimentação estar apto para fornecer energia térmica enquanto contribui também para a redução de enxofre.

[0031] Em uma modalidade adicional, o material cataliticamente ativo na reação Claus compreende óxido de alumínio ativado(III) ou óxido de titânio(IV) com o benefício associado de tal material fornecer um processo eficiente para produção de enxofre elementar.

[0032] Em uma modalidade adicional, a etapa (d) é realizada sob a pressão de 200 mbar g (20 kPa manométrico) a 700 mbar g (70 kPa manométrico), uma temperatura de 200°C a 350°C e uma velocidade espacial de 800 Nm3/h/m3 a 3.000 Nm3/h/m3, com o benefício associado de tais condições serem eficazes para a produção de enxofre elementar.

[0033] Em uma modalidade adicional, a etapa (d) é realizada a uma temperatura de 100°C a 150°C e a etapa (e) envolve a etapa de periodicamente aquecer o dito material cataliticamente ativo na reação Claus para permitir a remoção de enxofre elementar condensado em uma fase líquida ou gasosa, com o benefício associado da temperatura baixa ser benéfica para atingir conversão muito alta de SO2 e H2S em enxofre elementar, ambos devido à temperatura baixa, mas também, por que o produto da reação é removido, fornecendo condições ainda melhores para alta conversão.

[0034] Em uma modalidade adicional, o dito material cataliticamente ativo na conversão de SO2 em SO3 compreende vanádio, com o benefício associado de tal material fornecer um processo eficiente para produção de ácido sulfúrico.

[0035] Em uma modalidade adicional, a dita etapa (h) é realizada sob a pressão de 50mbar g (5 kPa manométrico) a 200 mbar g (20 kPa manométrico), uma temperatura de 380°C a 520°C e uma velocidade espacial de 800 Nm3/h/m3 a 1.500 Nm3/h/m3, por leito catalisador, com o benefício associado de tais condições serem eficientes para a oxidação de SO2 para formar SO3.

[0036] Em uma modalidade adicional, a quantidade de enxofre na corrente reciclada de ácido sulfúrico é mais alta do que 1% em peso, 3% em peso ou 5% em peso e menos do que 17% em peso, 21% em peso ou 25% em peso da quantidade total de enxofre elementar retirado do processo. Um reciclo acima dos limites mais baixos tem o benefício de fornecer o efeito de volume de gás de processo reduzido, enquanto que o reciclo sendo menor do que os limites superiores, evita a situação onde combustível adicional deve ser adicionado ao forno de reação Claus, resultando em volume de processo extra e custo operacional. Especialmente onde a fonte de oxigênio para o forno de reação Claus é ar enriquecido em oxigênio, uma razão alta entre o ácido sulfúrico reciclado e enxofre elementar retirado é benéfica, tal como acima de 10%.

[0037] Em uma modalidade adicional, o ácido sulfúrico na corrente reciclada de ácido sulfúrico é atomizado no dito forno de reação Claus seja usando dois bocais de fluído acionados por ar comprimido, N2 ou vapor ou usando bocais hidráulicos e em que o tempo de permanência no forno de reação Claus é de 1,5 segundo a 4 segundos, com o benefício associado de tais bocais fornecerem atomização para gotículas pequenas e tais tempos de permanência sendo suficientes para evaporação completa das gotículas de ácido sulfúrico.

[0038] Em uma modalidade adicional, a razão molar H2S:O2 das correntes combinadas dirigidos para o forno de reação Claus é de pelo menos 2,5, com o benefício associado de tal alimentação baixa de oxigênio permitir conversão subestequiométrica parcial de H2S em SO2, a partir da contribuição da dissociação térmica de H2SO4, fornecendo o oxigênio restante para obter a razão H2S:SO2 desejada de 2,0 no gás de alimentação do conversor Claus.

[0039] Em uma modalidade adicional, a razão molar H2S:O2 das correntes combinadas dirigidas ao forno de reação Claus corrigida para outras espécies consumidoras de oxigênio na carga de alimentação e corrigida para produtos de oxidação incompleta no gás residual Claus é maior do que 2,1, 2,2 ou 2,5, com o benefício associado dos átomos de oxigênio restantes requeridos serem fornecidos a partir de ácido sulfúrico, de tal modo que o oxigênio molecular dirigido para o processo é reduzido e, assim, comparado ao suprimento completo de oxigênio do ar atmosférico, menos nitrogênio inerte é fornecido com uma diminuição associada no fluxo do gás de processo.

[0040] Em uma modalidade adicional, uma quantidade de gás no processo é opcionalmente resfriada e dirigida para uma posição a montante para controlar uma temperatura do processo, com o benefício associado de permitir controle ativo da temperatura dos processos altamente exotérmicos. Resfriamento pode não ser necessário se o gás já está a uma temperatura mais baixa do que a temperatura na posição a montante.

[0041] Em uma modalidade adicional, uma ou mais correntes dirigidas para o dito forno de reação Claus são pré-aquecidas pela troca de calor com uma corrente de processo quente, com o benefício associado de minimizar ou evitar as exigências para combustível de suporte para atingir a temperatura desejada para evaporação de ácido sulfúrico e conversão das cargas de alimentação.

[0042] Em uma modalidade adicional, uma ou mais correntes dirigidas para os ditos meios para oxidação do gás residual Claus são pré-aquecidas por troca de calor com uma corrente de processo quente com o benefício associado de minimizar ou evitar as exigências para combustível de suporte para atingir a temperatura desejada para combustão e subsequente oxidação de SO2.

[0043] Em uma modalidade adicional, o dito material cataliticamente ativo na oxidação de SO2 para SO3 compreende vanádio, com o benefício associado de tal material ter uma alta atividade para oxidação de SO2.

[0044] Em uma modalidade adicional, a condensação de ácido sulfúrico de acordo com a etapa (h) é realizada em um condensador onde o meio de resfriamento e o gás rico em SO3 são separados por um vidro, com o benefício associado de condensação de ácido sulfúrico ser realizada em equipamento que é robusto contra corrosão. O vidro pode especificamente ser vidro de borossilicato. O vidro pode estar tanto na forma de tubos de vidro horizontais envolvendo o meio de resfriamento, quanto tubos de vidro verticais envolvendo o gás rico em SO3 e ácido sulfúrico condensado. O meio de resfriamento pode preferivelmente ser um gás de processo destinado para um processo operando em temperatura elevada, e, assim, beneficiando-se do recebimento de gás de processo pré- aquecido, como o gás residual Claus dirigido para o meio de oxidação ou oxidante de gás residual Claus sendo dirigidos para um ou ambos do forno Claus ou o meio de oxidação do gás residual Claus.

[0045] Em uma modalidade adicional, pelo menos um dos ditos materiais cataliticamente ativos para oxidação de SO2 em SO3 ou H2S para enxofre elementar e/ou pelo menos um produto retirado de um dos ditos materiais cataliticamente ativos são resfriados por troca de calor, como uma troca de calor em inter-leitos ou reator catalítico resfriado internamente, com o benefício associado de permitir controle ativo da temperatura dos processos altamente exotérmicos por troca de calor inter-leitos ou um reator catalítico resfriado internamente como um reator de água em ebulição, tendo um circuito de resfriamento tubular ou termoplaca.

[0046] Em uma modalidade adicional, a quantidade de ácido sulfúrico reciclado é selecionada de tal modo que a temperatura no forno de reação Claus é de 800°C, 900°C ou 1.000°C para 1.300°C, 1.400°C ou 1.500°C, sem adição de combustível de suporte para o forno de reação Claus, com o benefício associado desta faixa de temperatura ser suficiente para oxidação de impurezas na carga de alimentação sob condições subestequiométricas, enquanto sendo suficientemente baixa para evitar custos excessivos de materiais. A quantidade de ácido sulfúrico reciclado pode ser controlada tanto em um circuito de controle, com uma função da temperatura medida ou do projeto do processo de acordo com um material calculado e equilíbrio térmico.

[0047] Um aspecto adicional da presente invenção refere-se a uma instalação de processo compreendendo um forno de reação Claus, um meio de resfriamento de gás Claus, uma seção de conversão Claus, um meio para oxidação do gás residual Claus e uma seção de ácido sulfúrico, em que o forno de reação Claus tem uma entrada e uma saída, o meio de resfriamento de gás Claus tem uma entrada de gás, uma saída de gás e opcionalmente uma saída de enxofre elementar, a seção de conversão Claus tendo uma entrada de gás, uma saída de gás e uma saída de enxofre elementar, o meio para oxidação do gás residual Claus tem uma entrada de gás de processo, uma entrada de oxidante de gás residual Claus e, opcionalmente, uma entrada de carga de alimentação adicional e uma saída de gás de processo e a seção de ácido sulfúrico tem uma entrada de gás, uma saída de gás e uma saída de ácido sulfúrico, e em que a entrada do forno de reação Claus é configurada para receber um gás de carga de alimentação, ácido sulfúrico, combustível e um oxidante do forno de reação Claus, e a saída do forno de reação Claus é configurada para estar em comunicação fluída com a entrada do meio de resfriamento do gás Claus, em que a saída do meio de resfriamento do gás Claus é configurada para estar em comunicação fluída com a entrada da seção de conversão Claus e em que a entrada do gás residual Claus do meio para oxidação do gás residual Claus é configurada para estar em comunicação fluída com a saída da dita saída da seção de conversão Claus, a saída de gás de processo do meio para oxidação do gás residual Claus é configurada para estar em comunicação fluída com a entrada da seção de ácido sulfúrico, caracterizada adicionalmente na saída de ácido sulfúrico da seção de ácido sulfúrico estando em comunicação fluída com a entrada do dito forno de reação Claus, com o benefício associado de tal processo evitar produção indesejada de ácido sulfúrico, assim como reduzir o volume do gás de processo.

[0048] Em uma modalidade adicional, a dita seção de ácido sulfúrico compreende um reator de oxidação de dióxido de enxofre tendo uma entrada e uma saída e um condensador de ácido sulfúrico tendo um lado do processo tendo uma entrada de gás de processo, uma saída de gás de processo e uma saída de ácido sulfúrico e um lado do meio de resfriamento, tendo uma entrada do meio de resfriamento e uma saída do meio de resfriamento, e em que o condensador de ácido sulfúrico é opcionalmente configurado para pelo menos um entre o oxidante do forno de reação Claus e o oxidante do gás residual Claus ser pré-aquecido sendo dirigido para a entrada do lado do meio de resfriamento do condensador de ácido sulfúrico e sendo retirado da saída do lado do meio de resfriamento do condensador de ácido sulfúrico, com o benefício associado de tal instalação de processo ser altamente eficiente em energia e altamente eficiente em remover enxofre do gás de processo.

[0049] Em uma modalidade adicional, a instalação do processo compreende adicionalmente pelo menos um trocador de calor tendo um lado do trocador de calor quente e um lado do trocador de calor frio, configurado para o lado do trocador de calor frio pré-aquecer um dentre o dito gás de carga de alimentação, ácido sulfúrico e oxidante antes de ser dirigido para o dito meio de oxidação do gás residual Claus e para lado do trocador de calor quente ser configurado para resfriar uma corrente de processo quente, com o benefício associado de aumentar a eficiência de energia da instalação de processo. O trocador de calor pode ser tanto do tipo trocador de calor gás/gás quanto utilizando um circuito de vapor ou um outro meio de troca de calor.

[0050] Em uma modalidade adicional, a corrente de processo quente é tomada do grupo consistindo da corrente da saída do meio para oxidação do gás residual Claus, a corrente da saída do forno de reação Claus e a corrente da saída do reator de oxidação do dióxido de enxofre, com o benefício associado de proporcionar eficiência de energia.

[0051] Em uma modalidade adicional, o forno de reação Claus compreende um ou mais bocais de atomização, preferivelmente dois bocais de atomização de fluído ou bocais de atomização hidráulicos, configurados para adicionar ácido sulfúrico ao forno de reação Claus como gotículas, com o benefício associado das gotículas de ácido sulfúrico serem pequenas e, assim, evaporando rapidamente e completamente.

[0052] Em uma modalidade adicional, a instalação de processo compreende adicionalmente um meio de redução de SO3, tendo uma entrada e uma saída configuradas para a entrada do meio de redução de SO3 estando em comunicação fluída com a saída do forno de reação Claus e para a saída do meio de redução de SO3 estando em comunicação fluída com a entrada da seção de conversão Claus, com o benefício associado de tal meio eficientemente evitar dirigir ácido sulfúrico SO3 ou O2 para entrar em contato com o material cataliticamente ativo na seção de conversão Claus. O meio de redução de SO3 pode preferivelmente ser um material cataliticamente ativo, compreendendo, por exemplo, um ou mais compostos de V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Ni, Mo, W, Sb, Ti e Bi suportados em um ou mais compostos de Al, Ti, Si, terra de diatomáceas, Zr, Mg e cordierita. O meio de redução de SO3 pode ser posicionado em um reator separado, um leito de reator separado ou como uma camada de material cataliticamente ativo no topo do material cataliticamente ativo na reação Claus.

[0053] A presente invenção descreve uma combinação de um processo Claus e ácido sulfúrico, que de modo eficaz pode produzir a quantidade de ácido sulfúrico requerida por uma instalação de processo ou mesmo evitar a produção de ácido sulfúrico e converter ácido sulfúrico em excesso em enxofre elementar que pode ser transportado para outros sítios.

[0054] Para máxima conversão em enxofre elementar, 1/3 do H2S deve ser convertido em SO2. H2S + 1,5 O2 - > SO2 + H2O

[0055] A razão estequiométrica entre H2S e SO2 é controlada controlando a quantidade de oxigênio no forno de reação Claus. Oxigênio é tipicamente fornecido pelo ar atmosférico, mas também pode ser ar enriquecido de O2 ou mesmo O2 puro.

[0056] A adição de oxigênio para o forno de reação Claus pode também levar em conta as quantidades de NH3, CO, H2 e hidrocarbonetos nas correntes de alimentação.

[0057] Se a temperatura de combustão no forno de reação Claus é menor do que 1.100°C, a conversão, por exemplo, de NH3 pode ser incompleta. A consequência disto será um gás de alimentação do conversor Claus tendo um potencial para formação de sais de amônia, como (NH4)2SO4 e (NH4)2S2O3 que podem entupir o condensador Claus.

[0058] O gás de alimentação do conversor Claus parcialmente oxidado é então convertido em enxofre elementar pelas reações seguintes a uma temperatura tipicamente acima de 200°C na presença de um material cataliticamente ativo, como óxido de alumínio ativado(III) ou óxido de titânio(IV). 2H2S + SO2 -> 3/8 S8 + 2H2O

[0059] Frequentemente, 3-4 conversores Claus são operados em série, para aumentar a conversão ao máximo, o que irá aumentar o custo de uma instalação Claus.

[0060] O controle de temperatura no processo Claus é importante para garantir que o enxofre elementar formado no conversor catalítico permaneça gasoso, de tal forma que ele é condensado na posição do processo desejada apenas. Como a reação Claus é exotérmica, uma restrição adicional está relacionada ao fato de que como o processo Claus é exotérmico, é benéfico operar em temperaturas baixas.

[0061] Uma alternativa ao processo acima é o assim chamado processo Claus de subponto de orvalho, no qual o material cataliticamente ativo opera a temperaturas onde o enxofre elementar não está na fase gasosa. Tal processo Claus de subponto de orvalho irá requerer um esquema apropriado para retirada de enxofre condensado, por exemplo, pulsando a temperatura e purgando o enxofre elementar por um gás inerte.

[0062] Mesmo com 3-4 conversores/ condensadores/ reaquecedores Claus em série, não é possível atingir mais do que ~98% de recuperação de enxofre, o que é insuficiente para atender à maior parte das legislações ambientais. Portanto, a instalação Claus é tipicamente equipada com uma assim chamada solução de gás residual Claus, onde o processo de subponto de orvalho mencionado acima é um exemplo. Existem numerosos processos de gás residual, tendo diferentes características. Para atingir eficiências de remoção muito altas estas instalações de gás residual Claus se tornam complicadas e se aproximam do mesmo custo que a própria instalação Claus.

[0063] O enxofre elementar produzido, tipicamente não tem um uso direto nas instalações produzindo o H2S contendo corrente de resíduos, mas enxofre elementar é fácil de transportar para outros locais e de armazenar por períodos prolongados.

[0064] Uma alternativa comum ao processo Claus é a conversão de H2S em ácido sulfúrico, por exemplo, pelo assim chamado processo de Ácido Sulfúrico a Úmido (WSA®). O ácido sulfúrico produzido pode ser usado em outros processos químicos na instalação. Um processo WSA® também pode consistir em limpeza do gás residual de uma instalação de processo Claus. Um processo similar de secagem de ácido sulfúrico também pode encontrar uso nesta relação.

[0065] Os processos de ácido sulfúrico oxidam H2S em SO2 e o SO2 em SO3 e subsequentemente hidratam SO3 em ácido sulfúrico, seja por reação com água na fase gasosa no assim chamado processo de Ácido Sulfúrico a Úmido (processo WSA®) ou por absorção no ácido sulfúrico concentrado no assim chamado processo de contato ou processo de secagem. A temperatura de reação durante a oxidação de SO2 em SO3 estará na faixa de 400-500°C, na presença de um material cataliticamente ativo, tipicamente compreendendo vanádio. Tipicamente, os processos de ácido sulfúrico a úmido produzem ácido sulfúrico tendo uma concentração na faixa de 92%-98%, enquanto processos de ácido sulfúrico a seco podem produzir também ácido sulfúrico tendo uma concentração em excesso de 98%.

[0066] Além disso, pode ser também um atrativo para coletar vapor em alta pressão na faixa de 30 bar g (3.000 kPa manométrico) a 80 bar g (8.000 kPa manométrico) dos processos de ácido sulfúrico altamente exotérmicos, enquanto o processo Claus irá fornecer apenas vapor de pressão mais baixa e em quantidades significativamente menores.

[0067] A produção de grandes quantidades de ácido sulfúrico pode, no entanto, ser menos atrativa, embora o ácido sulfúrico seja comercializado comercialmente, como transporte de ácido sulfúrico é complexo e regulado.

[0068] As reações ocorrendo em um processo de ácido sulfúrico (seco e úmido) são H2S + 1,5 O2 -> SO2 + H2O SO2 + 0,5 O2 -> SO3 SO3 + H2O -> H2SO4

[0069] A reação geral do processo de ácido sulfúrico pode ser descrita de acordo com H2S + 2 O2 -> H2SO4

[0070] O processo WSA® como uma solução de gás residual Claus ordinária fornece uma solução que preenche as regulamentações ambientais tanto de capital mais baixo quando de custo operacional do que as alternativas. A única desvantagem do processo WSA®, até agora, tem sido o produto de ácido sulfúrico que não é sempre desejável. Com a nova invenção, um processo integrado Claus + WSA® irá remover esta desvantagem, e ao mesmo tempo reduzir o tamanho da instalação tanto do processo Claus quanto do WSA®.

[0071] Foi percebido agora que a integração do processo Claus e processo de ácido sulfúrico pode também ser realizada pelo reciclo de todo ou substancialmente todo o ácido sulfúrico produzido para o forno de reação Claus. Combustão de ácido sulfúrico é conhecida da regeneração de ácido sulfúrico gasto em uma instalação de ácido sulfúrico a úmido, mas não foi praticada no forno de reação Claus, isto é, o combustor do processo Claus. Pela combustão/decomposição de ácido sulfúrico a temperatura elevada, a seguinte reação ocorre: H2SO4 ^ H2O + SO2 + ^ O2

[0072] O ácido sulfúrico não irá se decompor antes de ser evaporado e aquecido até > 600°C. Para permitir tempo suficiente para evaporação das gotículas, é recomendado projetar a câmara de combustão com um tempo de permanência de pelo menos 2 segundos, enquanto os fornos de reação Claus normais apenas com reações de fase gasosa tipicamente são projetados para tempo de permanência de 1 segundo.

[0073] O meio de atomização é preferivelmente ar comprimido, pois oxigênio também será alimentado para o gás de processo. Uma alternativa são bocais de pressão ou bocais hidráulicos.

[0074] Se todo o ácido sulfúrico produzido no processo de ácido sulfúrico a jusante do processo Claus for dirigido para o forno de reação Claus, é possível operar um processo Claus em que a redução de H2S emprega a eficiência de remoção muito alta, assim como a eficiência térmica da instalação de ácido sulfúrico, mas em que o produto é enxofre, que é simples de manusear e transportar.

[0075] Além disso, pelo reciclo de ácido sulfúrico, O2 é liberado pela decomposição de H2SO4, de tal modo que a quantidade de oxidante de combustão adicionado será reduzida, o que, se o oxidante é ar atmosférico, tem o benefício de reduzir o volume do processo dramaticamente, uma vez que o ar atmosférico compreende perto de 80% de N2 inerte, isto é, 4 volumes de N2 por volume de O2.

[0076] A reação Claus geral, baseada em ar como carreador de O2 para o forno de reação Claus é: 4 H2S + 2 O2 + 8 N2 ^ 2 S2 + 4 H2O + 8 N2

[0077] Similarmente, a reação Claus geral, baseada em H2SO4 como o carreador de oxigênio para o forno de reação Claus é: 3 H2S + H2SO4 ^ 2 S2 + 4 H2O

[0078] Comparando as duas reações, é evidente que H2SO4 é um excelente carreador de O2 e tem o potencial (teórico) de reduzir o fluxo de volume de gás residual Claus em 67% comparado ao ar atmosférico.

[0079] A reação acima é baseada em 100% p/p de H2SO4, que por razões práticas é impossível de obter quando se produzindo ácido sulfúrico a partir do gás residual Claus, que é caracterizado por ter uma concentração muito alta de H2O (2035% em volume). H2SO4 é higroscópico e irá absorver água da fase gasosa. Como consequência, H2SO4 fraco, por exemplo, 45% w/w, pode ser produzido em uma instalação de ácido sulfúrico de gás residual Claus. 45% p/p de H2SO4 corresponde a uma razão molar de H2SO4:H2O de 1:6,7, uma vez que os 55% p/p restantes são H2O e, assim, a reação com H2SO4 como carreador de oxigênio se torna 3 H2S + H2SO4 +6,7 H2O ^ 2 S2 + 10,7 H2O

[0080] Pode-se definir α, um gás de processo inerte para razão de enxofre elementar, como:

[0081] Para a reação Claus geral, usando ar atmosférico como o carreador de oxigênio, α e 6 e com 100% p/p de H2SO4 como carreador de oxigênio o valor de α é 2, isto é, significativamente menos gás de processo inerte (primariamente N2 e H2O) é formado com H2SO4 como o carreador de oxigênio.

[0082] Com 45% p/p de H2SO4 adicionado ao estágio térmico da instalação Claus, o valor de α se torna 5,35 - um valor não distante do uso de ar atmosférico.

[0083] No processo WSA®, concentrações de ácido sulfúrico > 90% p/p de H2SO4 são facilmente obtiveis sem uma coluna de concentração de ácido sulfúrico dedicada, mesmo com as altas concentrações de H2O como encontrado no gás residual Claus. Com 95% p/p de H2SO4, o valor de α se torna 2,15, isto é, perto do mínimo teórico e muito melhor do que os 45% p/p de H2SO4.

[0084] Outro aspecto importante da adição de ácido sulfúrico ao estágio térmico da instalação Claus é o equilíbrio de energia como uma temperatura mínima de cerca de 900-1.000°C é requerida no estágio térmico para garantir a destruição de impurezas, como CH4, no gás de alimentação. A reação Claus geral usando ar atmosférico como fonte de oxigênio é exotérmica e, assim, contribui para atingir uma temperatura operacional alta. Ácido sulfúrico, no entanto, requer energia para a evaporação do H2SO4 e H2O e a própria reação Claus é endotérmica, isto é, efetivamente resfriando o estágio térmico. Além de diluir o gás do processo Claus, a água extra no ácido sulfúrico também resfria o estágio térmico e, assim, limita a quantidade de ácido sulfúrico que pode ser adicionado. Alternativamente, gás combustível precisa ser adicionado para fornecer energia térmica para o sistema, aumentando o fluxo de gás do processo Claus e o custo de operação.

[0085] O fluxo de reciclo preferido de H2SO4 é determinado pela quantidade de enxofre alimentada para a unidade de oxidação de gás residual Claus a jusante, isto é, soma de enxofre no gás residual e outras correntes de alimentação de WSA, e a recuperação de enxofre na unidade de WSA. À medida que a recuperação de enxofre na unidade de WSA vai ser tipicamente mais alta do que 90%, a maior parte do enxofre na alimentação será reciclada para o forno Claus.

[0086] Fluxo aumentado de H2SO4 no forno de reação Claus irá reduzir a exigência de ar de combustão e, assim, o fluxo de gás de processo sai do forno de reação Claus até o ponto onde combustível de suporte é necessário para manter a temperatura requerida no forno de reação.

[0087] Portanto, a recuperação de enxofre ideal na instalação Claus, soma de enxofre em gás residual e gás de derivação para WSA, é onde a temperatura no forno de reação Claus pode ser mantida na faixa preferida entre 800°C e 1.400°C sem ter que adicionar calor por gás combustível ou tomar medidas para esfriar o forno de reação.

[0088] Também pode ser benéfico desviar uma quantidade de gás de carga de alimentação para o meio para oxidação do gás residual Claus, uma vez que o gás de carga de alimentação tem um alto valor calorífico, que pode ser usado no meio para oxidação do gás residual Claus, e, assim, reduzir a exigência para adição de combustível de suporte. Isto pode ser ainda mais benéfico se duas fontes de gás de carga de alimentação existirem, como aquele gás de carga de alimentação livre de NH3 e um outro gás de carga de alimentação contendo NH3, uma vez que as condições subestequiométricas no forno de reação Claus levam o mesmo a impedir a oxidação completa de NH3. O assim chamado extrator de água ácida (SWS) de gases é um exemplo de tal NH3 contendo gás de carga de alimentação.

[0089] Nos processos Claus para tratamento de gás SWS, a destruição completa de NH3 no forno de reação Claus é crucial, de outra forma sais de amônia como (NH4)2SO4 e (NH4)2S2O3 irão se formar e obstruir o condensador de enxofre final. Queimadores especiais de alta intensidade (dois estágios) são aptos a alcançar as altas temperaturas necessárias para destruição térmica de NH3, mas requerem controle preciso de oxigênio em duas correntes separadas.

[0090] No entanto, é bem conhecido tratar gás SWS em uma instalação de ácido sulfúrico, uma vez que a oxidação completa de NH3 em N2 e NO é obtida com excesso de oxigênio. Portanto, pode ser desejável configurar um processo integrado Claus+ácido sulfúrico com dois combustores para dirigir uma primeira carga de alimentação compreendendo H2S e pouco ou nenhum NH3 para o forno de reação Claus enquanto direcionando um gás compreendendo NH3, como gás SWS, para o meio para oxidação do gás residual Claus. Em tal configuração pode ser desejável projetar a instalação de ácido sulfúrico de modo a incluir uma seção para redução catalítica seletiva (SCR) de NOx.

[0091] O processo integrado, de acordo com a presente invenção, pode também se beneficiar do uso de ar enriquecido em oxigênio ou oxigênio substancialmente puro no forno de reação Claus. O uso de ar enriquecido em oxigênio tem o benefício de reduzir a quantidade de nitrogênio inerte no gás de processo e, assim, reduzir o volume do gás de processo e, assim, reduzir o tamanho da instalação. A ausência de diluição pelo nitrogênio também tem o efeito de aumentar a temperatura de combustão, o que pode ser benéfico se estão presentes impurezas que necessitam de conversão completa, especialmente uma vez que a quantidade de oxigênio no forno de reação Claus é subestequiométrica. Como o catalisador Claus é sensível à presença de impurezas, como hidrocarbonetos leves, pode ser frequentemente benéfico operar o forno de reação Claus com ar enriquecido em oxigênio para atingir uma temperatura elevada para oxidação completa de impurezas. Isto também tem o benefício adicional de permitir uma conversão Claus inicial homogênea não catalítica, o que pode ocorrer em temperaturas acima de 900°C.

[0092] De um ponto de vista de eficiência térmica, a alta temperatura de combustão pode, no entanto, ser limitada pelas escolhas de materiais de construção no forno de reação Claus e na caldeira térmica de resíduos a jusante. Para gases de alimentação de H2S altamente concentrados, enriquecimento de oxigênio pode aumentar a temperatura do gás de processo acima das temperaturas projetadas para os materiais. Uma combinação de reciclo de H2SO4 (o que resfria o gás de processo por evaporação e decomposição ácida) vai, no entanto, fazer uso de O2 enriquecido em tal configuração possível.

[0093] Os meios para oxidação do gás residual Claus serão tipicamente operados com ar atmosférico e, além disso, isto também pode ser benéfico para dirigir gases com uma baixa concentração de espécies de enxofre para o meio para oxidação do gás residual Claus, pois a combustão completa das espécies de enxofre libera consideravelmente mais energia do que a oxidação parcial ocorrendo no forno de reação Claus.

[0094] Como uma consequência, pode ser benéfico dirigir gases de carga de alimentação compreendendo altas concentrações de H2S para a instalação Claus, enquanto desviando os gases de carga de alimentação menos concentrados, assim como gases de carga de alimentação compreendendo NH3, para o meio para oxidação do gás residual Claus.

[0095] Se o meio para oxidação do gás residual Claus recebe apenas um gás residual Claus compreendendo apenas uma quantidade limitada de H2S, o valor calorífico é muito baixo para manter uma combustão estável. Nessa situação a adição de um combustível de suporte é requerida. Este combustível de suporte pode tanto ser H2S, quanto gás SWS ou uma alimentação de hidrocarboneto, mas preferivelmente uma quantidade de um gás de carga de alimentação existente para a instalação integrada de Claus e ácido sulfúrico é usada.

[0096] A integração entre o processo Claus e o processo de ácido sulfúrico permite benefícios de integração. Isto inclui a possibilidade de reduzir o fluxo volumétrico no processo Claus, fornecendo oxidante na forma de ácido sulfúrico, o que pode substituir ar atmosférico. Além disso, o uso de gás de carga de alimentação pode ser otimizado de tal modo que gases de carga de alimentação compreendendo combustíveis contribuindo altamente para a produção de enxofre podem ser dirigidos para o processo Claus, enquanto os gases de carga de alimentação contribuindo com energia térmica e produtos não reagentes, como CO2, podem ser dirigidos para o processo de ácido sulfúrico. Onde o processo é projetado paro reciclo de uma quantidade muito alta de ácido sulfúrico, combustível adicional pode ser requerido para prover o calor requerido para evaporação e dissociação de ácido sulfúrico. O tamanho da instalação pode ainda se beneficiar de uma quantidade aumentada de ácido reciclado, uma vez que o tamanho da instalação WSA® não aumenta significativamente com a quantidade de ácido produzida, enquanto a instalação Claus e o tamanho da instalação WSA® diminui com uma diminuição no fluxo de gás inerte.

[0097] A integração dos dois processos também permite um processo onde a operação do processo Claus é realizada sem uma conversão baixa como de 90% ou 95% - já que pode ser mais barato realizar a conversão adicional em um processo de ácido sulfúrico comparado à adição de um estágio extra do conversor Claus.

[0098] Em adição ao processo WSA®, ácido sulfúrico também pode ser produzido em outros processos de redução de enxofre. Um primeiro exemplo é o processo SNOX em que a redução catalítica seletiva de NOx é integrada com WSA®, esta configuração sendo especialmente favorável para gases de combustão com menos do que 1% em volume de SO2.

[0099] Um configuração padrão de instalação Claus requer > 50% em volume de H2S no gás de alimentação (excluindo o gás oxidante) para ser termicamente autossustentável no forno de reação Claus. Com concentrações menores de H2S, a configuração de pré-aquecimento do gás de alimentação e o assim chamado fluxo dividido é requerida. Instalações Claus tratando gases de alimentação com < 10-20% em volume H2S raramente são vistas. Processos de ácido sulfúrico, por outro lado, tratam muito eficientemente os assim chamados gases pobres de H2S, produzindo ácido sulfúrico concentrado. O produto de ácido sulfúrico será altamente concentrado em enxofre e oxigênio.

[00100] Uma combinação de uma instalação de ácido sulfúrico para tratar um gás pobre em H2S (e/ou outros compostos de enxofre) na combinação com uma instalação Claus tratando um gás rico em H2S e aceitando o ácido da instalação de ácido sulfúrico será uma configuração benéfica à medida que as correntes de alimentação tanto para instalação Claus quanto para a instalação de ácido sulfúrico são ideais em relação à eficiência de conversão, eficiência térmica e custo/tamanho da instalação.

[00101] O acoplamento entre o processo Claus e processos de ácido sulfúrico também pode ser usado para otimizar o tratamento de alimentações. Processos de ácido sulfúrico e, em particular, o processo WSA® tem o benefício de ser bem adequado para alimentações contaminadas, incluindo gases SWS compreendendo amônia como discutido acima, “enxofre sujo” compreendendo impurezas orgânicas e quantidades moderadas de impurezas inorgânicas, correntes diluídas de H2S, SO2 e outros compostos de enxofre, incluindo gases de combustão de queimadores e gás FCC. Similarmente, gases ricos em H2S incluindo gases residuais de processos de CS2, que devem ser diluídos antes de serem tratados em uma instalação WSA®, podem ser, ao contrário, dirigidos imediatamente para o processo Claus. Também, outras correntes de processo ricas em enxofre, por exemplo, correntes de resíduos de gaseificação de carvão ou de purificação de gás natural podem ser dirigidas para um ou ambos estágios do processo Claus/WSA® integrado. Figuras

[00102] Figura 1 mostra um processo Claus+ácido sulfúrico integrado com um único combustor.

[00103] Figura 2 mostra um processo Claus+ácido sulfúrico sequencial de acordo com a técnica anterior.

[00104] Figura 3 mostra um processo Claus+ácido sulfúrico integrado com combustão de ácido sulfúrico no forno de reação Claus de acordo com a presente invenção.

[00105] Na Figura 1, um processo Claus+ácido sulfúrico integrado com um único combustor é mostrado. Um gás de carga de alimentação 2 rico em H2S é combinado com um gás rico em SO2 36, e dirigido como um gás de alimentação Claus 4 para um reator 8, que, especialmente se o gás rico em SO2 36 contiver O2, pode conter um material opcional cataliticamente ativo em oxidação de H2S para conversor O2 e H2S em SO2 e H2O (10), formando um gás de alimentação Claus livre de O2. O gás de alimentação Claus livre de O2 é dirigido para contatar um material cataliticamente ativo no processo Claus 12 (isto é, um catalisador Claus) no mesmo ou em outro reator dando um produto de processo Claus 14. O produto do processo Claus 14 é dirigido para uma unidade de condensação de enxofre 16, dando enxofre condensado 18 e um gás residual Claus úmido 20. O gás residual Claus úmido 20 pode, opcionalmente, ser reagido adicionalmente na presença de um material adicional cataliticamente ativo no processo Claus, seguido pela condensação adicional de enxofre, em um a quatro estágios Claus adicionais (não mostrados aqui), para fornecer um gás residual Claus úmido final. Uma fase aquosa 24 pode, opcionalmente, ser separada do gás residual Claus úmido 20 em um separador 22, fornecendo um gás residual Claus seco 26. Uma quantidade do gás residual Claus seco compreendendo H2S 28 é, opcionalmente, junto com uma quantidade de ácido sulfúrico 60, dirigida a um combustor 32, fornecendo um gás de processo rico em SO2 34, que é dividido em um gás de processo reciclado compreendendo SO2 36 e um gás de alimentação do conversor de SO2 38. Uma quantidade do gás residual Claus seco compreendendo H2S 26 pode ser dirigida com um gás residual Claus seco 30 reciclado, para suprimir o aumento de temperatura nos reatores diluindo a mistura da reação exotérmica. O gás de alimentação do conversor de SO2 38 é dirigido para um conversor de SO2 40, contendo uma ou mais camadas ou leitos de material cataliticamente ativo 42, 44, 46 opcionalmente com resfriamento inter-leitos, dos quais um gás rico em SO3 48 é retirado. Como o gás rico em SO3 contém água, o SO3 pode hidratar para formar H2SO4. H2SO4 é condensado com um ácido sulfúrico concentrado 52 em um condensador de ácido sulfúrico 50. Se a quantidade de água for insuficiente para hidratação plena de SO3, pode-se preferir a adição de vapor em uma posição a montante. A partir do condensador de ácido sulfúrico 50 um gás substancialmente puro 62 pode ser retirado e dirigido para pilha 64. Se excesso de ácido sulfúrico for produzido, uma quantidade 56 pode ser dirigida para o combustor 32 para decomposição em SO2, O2 e H2O e dirigida via linha 36 para o catalisador Claus 12 para formação de enxofre elementar, enquanto se o ácido sulfúrico for requerido em um processo próximo, todo o ácido sulfúrico pode ser retirado via linha 54. Um sistema de resfriamento de ácido (não mostrado) está localizado entre a saída do condensador de ácido sulfúrico e a divisão das duas correntes de ácido 54 e 56.

[00106] Em uma variação do processo, a conversão e a condensação de ácido sulfúrico podem ser realizadas em dois estágios, onde o SO2 restante é oxidado, hidratado e condensado, com o benefício associado de proporcionar uma remoção de enxofre aumentada.

[00107] Em uma variação adicional, o gás de alimentação do conversor de SO2 38 pode ser seco, de tal modo que o gás rico em SO3 48 irá conter pouca ou nenhuma água. Neste caso o condensador de ácido sulfúrico 50 pode ser substituído por um absorvedor, no qual SO3 pode ser absorvido em ácido sulfúrico, para fornecer ácido sulfúrico concentrado, por um processo de ácido sulfúrico seco.

[00108] Em uma variação adicional, a quantidade de enxofre elementar pode também ser transferida para o combustor 32, o que terá o efeito de fornecer SO2 para o processo de ácido sulfúrico sem introdução de água, o que pode ser benéfico se for desejado aumentar a concentração de SO3, o que pode ser benéfico em um processo de ácido sulfúrico a seco.

[00109] Em uma variação adicional, uma quantidade do gás de carga de alimentação 2 rico em H2S pode também ser dividida em uma quantidade dirigida para o reator do processo Claus 8 e uma quantidade dirigida para o combustor 32, para oxidação.

[00110] Em uma variação adicional, uma quantidade de gás combustível é dirigida para o combustor 32 a fim de estar apta a sustentar uma chama estável e uma temperatura suficientemente alta para oxidação completa das espécies reduzidas, como H2S, CO, H2, COS, presentes no gás residual Claus final 26.

[00111] Na Figura 2, é mostrado um processo para produção de enxofre e ácido sulfúrico de acordo com a técnica anterior. Aqui, um gás de carga de alimentação 2 rico em H2S é dirigido para um processo Claus, do qual o gás residual Claus 26 é dirigido para um processo de ácido sulfúrico. O gás de carga de alimentação 2 rico em H2S é dirigido para um forno de reação Claus 66 convertendo uma quantidade do H2S em SO2, para formar um gás de alimentação do conversor Claus 4 tendo uma razão entre H2S e SO2 perto de 2:1. O gás de alimentação do conversor Claus 4 é dirigido para um conversor 8 contendo um material cataliticamente ativo na reação Claus 12, fornecendo um produto do processo Claus 14. O produto do processo Claus 14 é dirigido para uma unidade de condensação de enxofre 16, fornecendo enxofre condensado 18 e um gás residual Claus 20. O gás residual Claus úmido 20 tipicamente é reagido adicionalmente na presença de material adicional cataliticamente ativo na reação Claus seguido pela condensação adicional de enxofre, em um a quatro estágios Claus adicionais (não mostrados aqui), para fornecer um gás residual Claus úmido final. Uma fase aquosa 24 pode, opcionalmente, ser separada do gás residual Claus úmido 20 em um separador 22, fornecendo um gás residual Claus seco 26 que é dirigido para um combustor 32, fornecendo um gás de alimentação do conversor de SO2 34. O gás de alimentação do conversor de SO2 34 é dirigido para um conversor de SO2 40, contendo um ou mais leitos (camadas) de material cataliticamente ativo 42, 44, 46 opcionalmente com resfriamento inter-leitos, do qual um gás rico em SO3 48 é retirado. Como o gás rico em SO3 contém água, o SO3 pode hidratar para formar H2SO4. H2SO4 é condensado como ácido sulfúrico concentrado 52 em um condensador de ácido sulfúrico 50. Do condensador de ácido sulfúrico 50 um gás 62 substancialmente puro pode ser retirado e dirigido para pilha 64.

[00112] A fim de manter uma chama estável e uma temperatura suficientemente alta para oxidação completa de H2S, CO, CS2, COS e H2, gás combustível pode ser dirigido para o combustor 32. Oxigênio também é fornecido, tipicamente pelo ar, a fim de fornecer oxigênio para ambas as reações de combustão no combustor 32, mas também o oxigênio requerido para a oxidação de SO2 no conversor de SO2. Para reduzir o consumo de combustível, o oxigênio para oxidação de SO2 pode ser adicionado entre a saída do combustor 32 e a entrada do conversor de SO2 40.

[00113] Na Figura 3, um processo integrado Claus+ácido sulfúrico com combustão de ácido sulfúrico no forno de reação Claus 66 de acordo com a presente invenção é mostrado. Um gás de carga de alimentação 2 rico em H2S, ácido sulfúrico 52, um gás rico em oxigênio 72, opcionalmente um gás compreendendo um combustível 68 e opcionalmente, um segundo gás de carga de alimentação 70 rico em H2S e NH3 são dirigidos para um forno de reação Claus 66 e o produto da combustão é dirigido como um gás de alimentação do conversor Claus 4 livre de O2 para um conversor 8. Entre a saída do forno de reação Claus 66 e a entrada do conversor Claus 8, uma caldeira térmica de resíduos (não mostrada) é tipicamente instalada para reduzir a temperatura para a temperatura de trabalho ótima para o catalisador Claus, opcionalmente também retirando enxofre elementar formado no forno de reação Claus 66. O gás de alimentação do conversor Claus 4 livre de O2 é dirigido para contatar um material cataliticamente ativo na reação Claus 12 fornecendo um produto do processo Claus 14. O produto do processo Claus 14 é dirigido para uma unidade de condensação de enxofre 16, fornecendo enxofre condensado 18 e um gás residual Claus 20. O gás residual Claus 20 pode, opcionalmente, ser reagido ainda na presença de material adicional cataliticamente ativo no processo Claus seguido pela condensação adicional de enxofre, em um a quatro estágios Claus adicionais (não mostrados aqui), para fornecer um gás residual Claus final. Uma quantidade do gás residual Claus final compreendendo H2S 20 é dirigida para um meio para oxidação do gás residual Claus 32, fornecendo um gás de alimentação do conversor de SO2 34. Para garantir a oxidação dos compostos no gás residual Claus, um gás rico em O2 72 é dirigido para o combustor 32.

[00114] O gás de alimentação do conversor de SO2 é tipicamente resfriado em uma caldeira térmica de resíduos (não mostrada) para fornecer temperatura ótima para a primeira camada de catalisador 42 no conversor de SO2 40. O gás de alimentação do conversor de SO2 34 é dirigido para um conversor de SO2 40, contendo um ou mais leitos/camadas de material cataliticamente ativo 42, 44, 46 opcionalmente com resfriamento inter-leitos, do qual um gás rico em SO3 48 é retirado. Como o gás rico em SO3 contém água, o SO3 pode se hidratar para formar H2SO4. H2SO4 é condensado como ácido sulfúrico concentrado 52 em um condensador de ácido sulfúrico 50. Se a quantidade de água é insuficiente para plena hidratação de SO3, pode-se preferir a adição de vapor em uma posição a montante do condensador de ácido sulfúrico 50. Um gás substancialmente puro 62 pode ser retirado do condensador de ácido sulfúrico 50 e dirigido para pilha 64. Tipicamente, todo o ácido sulfúrico 52 é reciclado para o forno de reação Claus 66, mas opcionalmente uma quantidade de ácido sulfúrico pode ser retirada para outros fins do processo.

[00115] Em uma modalidade adicional, a conversão e a condensação de ácido sulfúrico podem ser feitas em dois estágios, onde o SO2 restante do primeiro estágio é ainda oxidado, hidratado e condensado, com o benefício associado de fornecer aumentada remoção de enxofre.

[00116] Em uma modalidade adicional, a conversão de SO2 adicional pode ser instalada em uma instalação de limpeza de gás residual a jusante do processo de ácido sulfúrico. Existem numerosas soluções deste gás residual, onde depuradores alcalinos, opcionalmente combinados com filtros de névoa, são o tipo mais comum. Depuradores usando H2O2 ou NH3 são preferidos pois o efluente destes depuradores é H2SO4 e (NH4)2SO4 respectivamente, ambos os quais podem ser reciclados para o forno de reação Claus para destruição térmica, isto é, eliminando uma corrente de resíduos.

[00117] Em uma modalidade adicional, o gás de alimentação do conversor de SO2 34 pode ser seco, de tal modo que o gás rico em SO3 48 irá conter pouca ou nenhuma água. Neste caso o condensador de ácido sulfúrico 50 pode ser substituído por um absorvedor, no qual SO3 pode ser absorvido em ácido sulfúrico, para fornecer ácido sulfúrico concentrado, por um processo de ácido sulfúrico a seco.

[00118] Em uma modalidade adicional, uma quantidade de enxofre elementar pode também ser transferida para o combustor 32, o que terá o efeito de fornecer SO2 para o processo de ácido sulfúrico sem introdução de água, o que pode ser benéfico se deseja-se aumentar a concentração de SO3, o que pode ser benéfico em um processo de ácido sulfúrico a seco.

[00119] Em uma modalidade adicional, uma quantidade de gás combustível 68 é dirigida para o meio para oxidação do gás residual Claus 32 para garantir temperatura suficientemente alta para oxidação completa de todos os compostos reduzidos no gás residual Claus 20.

[00120] Em uma modalidade adicional, uma quantidade do gás de carga de alimentação 2 rico em H2S pode também ser dividido em uma quantidade dirigida para o combustor do processo Claus (isto é, o forno de reação Claus) 66 e uma quantidade dirigida para o meio para oxidação do gás residual Claus 32. Isto irá reduzir a necessidade de adição de gás combustível para o meio para oxidação do gás residual Claus 32.

[00121] Em uma modalidade adicional, toda a quantidade de segunda carga de alimentação contendo NH3 e H2S 70 é dirigida para o meio para oxidação do gás residual Claus 32, eliminando o risco de formação de sal de NH3 nas unidades de condensação de enxofre (isto é, os condensadores Claus) 16. Nesta modalidade, um sistema para redução de NOX 33, localizado entre a saída do meio para oxidação do gás residual Claus 32 e a entrada do conversor de SO2 40 será instalado. Tipicamente, um assim chamado reator catalítico de SCR (Reação Catalítica Seletiva) será usado, requerendo adição de NH3 para a reação SCR proceder. A adição de NH3 pode ser de uma fonte externa ou pode ser uma corrente pequena da segunda carga de alimentação contendo NH3 e H2S 70, que é então desviada pelo meio para oxidação do gás residual Claus.

[00122] Em uma modalidade adicional pode ser instalado um reator catalítico 35 para oxidação de impurezas restantes como hidrocarbonetos, CO, COS, CS2, S e H2S.

[00123] Em uma modalidade adicional, uma parte do gás residual Claus 20 é desviada do meio para oxidação do gás residual Claus 32 e combinada com o gás de saída quente 34 do meio para oxidação do gás residual Claus em um ponto de mistura de gás logo a jusante do meio para oxidação do gás residual Claus. Isto reduz a quantidade de gás combustível 68 necessário para o meio para oxidação do gás residual Claus para manter uma temperatura suficientemente alta. O meio combinados para gás de saída de oxidação de gás residual Claus e gás residual Claus derivado devem ter uma temperatura de gás misturado em excesso de 400°C para garantir oxidação homogênea (isto é, fase gasosa) de H2S. Para garantir oxidação completa de espécies “difíceis”, como COS e CO, um catalisador de oxidação opcional 35 pode ser instalado entre o ponto de mistura do gás e a entrada para o conversor de SO2 40. Para garantir controle ideal da temperatura para o catalisador de oxidação, uma caldeira térmica de resíduos ou qualquer outro trocador de calor pode ser instalado entre o ponto de mistura do gás e a entrada para o catalisador de oxidação. O catalisador de oxidação tipicamente compreende um metal nobre como Pt ou Pd.

[00124] Em uma modalidade adicional, o gás compreendendo oxigênio 72 pode ser oxigênio puro ou ar atmosférico enriquecido em oxigênio, de modo que compreenda menos do que 50%, 20%, 10% ou mesmo 1% de N2+Ar.

Exemplos 1-3

[00125] Três exemplos foram investigados pela modelagem de processo de uma alimentação Claus típica, o que inclui hidrocarbonetos, sem relevância imediata para a presente invenção.

[00126] O gás de carga de alimentação (2) é um gás rico em H2S de uma refinaria e tem a seguinte composição: Fluxo de gás de carga de alimentação: 1.593 Nm3/h Concentração de H2S : 91,6% em volume Concentração de H2O : 3,7% em volume Concentração de H2 : 1,9% em volume Concentração de CO2 : 2,8% em volume

[00127] Exemplo 1 refere-se a um processo como ilustrado na Figura 1, em que é desejado converter 70% do H2S em enxofre elementar e os 30% restantes em ácido sulfúrico. Este exemplo irá requerer apenas um único combustor, e o volume de gás tratado na seção Claus será de 67% do volume de gás tratado na seção de ácido sulfúrico.

[00128] Exemplo 2 refere-se a um processo como ilustrado na Figura 1, em que é desejado converter 100% do H2S em enxofre elementar através do reciclo de todo o ácido sulfúrico produzido. Este exemplo também irá requerer apenas um único combustor. Já que mais enxofre precisa ser formado, os fluxos em volta do catalisador e seção condensadora Claus foram aumentados, enquanto que o fluxo para o processo de ácido sulfúrico foi levemente diminuído.

[00129] Exemplo 3 refere-se a um processo de acordo com a técnica anterior como ilustrado na Figura 2, em que é desejado converter 70% do H2S em enxofre elementar e os 30% restantes em ácido sulfúrico. Tal processo pode ser configurado com um único estágio Claus, mas irá requerer um forno de reação Claus assim como um meio para oxidação do gás residual Claus. Comparado ao exemplo 1, o gás de processo que flui através do processo único é mais baixo na seção Claus e similar na seção de ácido sulfúrico. O custo de um reator Claus maior e de um condensador de enxofre é pequeno comparado ao custo do forno de reação Claus e da caldeira térmica de resíduos como na técnica anterior.

[00130] Fica evidente, a partir dos exemplos acima, que com a integração do processo Claus e do processo WSA®, é possível uma economia significativa de custos de equipamento. A integração pode evitar a exigência de um combustor e, além disso, o número de estágios Claus também pode ser reduzido.

Exemplos 4-7:

[00131] Quatro exemplos adicionais foram analisados para o processo mostrado na Figura 3, em comparação com o processo da técnica anterior como mostrado na Figura 2.

[00132] Estes exemplos são baseados nos seguintes gases de carga de alimentação: Gás de carga de alimentação rico em H2S (corrente 2 em figuras 2 e 3): Fluxo total de gás : 8.190 Nm3/h Concentração de H2S : 94% em volume Concentração de H2O : 6% em volume

[00133] O gás rico em H2S é tipicamente para refinarias, e também irá conter quantidades variadas de hidrocarbonetos leves. Gás de carga de alimentação rico em H2S e NH3 (corrente 70 nas figuras 2 e 3): Fluxo total de gás : 3.669 Nm3/h Concentração de H2S : 28% em volume 45% em volume Concentração de NH3 : Concentração de H2O :

[00134] Estas correntes 27% em volume compreendendo H2S e NH3 são tipicamente gases residuais dos assim chamados extratores de água ácida e reconhecidos como gases SWS. Eles também contêm quantidades variadas de hidrocarbonetos leves.

[00135] O gás combustível é uma mistura de hidrocarboneto leve (primariamente CH4), com um valor de aquecimento mais baixo de 12.200 kcal/Nm3 (51.044,8 kJ/Nm3).

[00136] Correntes de alimentação, ar de combustão e gás residual Claus são pré-aquecidos na medida do possível utilizando calor envolvido nos processos combinados Claus+ ácido sulfúrico.

[00137] Nestes exemplos, o processo Claus opera com 94-95% de recuperação de enxofre da alimentação, isto é, pode ser uma instalação Claus bem operada com apenas 2 estágios catalíticos.

Exemplo 4: Processo sequencial Claus+ácido sulfúrico de acordo com técnica anterior

[00138] No exemplo 4, todos as correntes de alimentação são tratadas no processo Claus, fornecendo uma corrente de 11,7 t/h de enxofre elementar e um gás residual Claus compreendendo ~5% do S nos gases de alimentação. No meio para oxidação do gás residual Claus, as espécies de enxofre presentes no gás residual Claus são oxidadas e gás combustível é fornecido para manter uma temperatura do combustor de 1.000°C, de tal modo que todas as espécies reduzidas, como CO, COS, H2, H2S, SX e CS2, são totalmente oxidadas para CO2, H2O e SO2.

[00139] A produção de concentração ácido sulfúrico é de 2,4 t/h, calculada como 100% p/p de H2SO4.

[00140] A recuperação total de enxofre e ácido sulfúrico é de >99,9% do S na alimentação, em conformidade com a legislação ambiental ainda mais rigorosa.

Exemplo 5: reciclo de H2SO4 para forno de reação Claus

[00141] Neste exemplo, H2SO4 não é desejado como um produto e toda a produção de ácido do processo de ácido sulfúrico é reciclada para o forno de reação Claus. A quantidade de reciclo de H2SO4 corresponde a ~6% do S total nas correntes de alimentação.

[00142] O fluxo total do produto de enxofre elementar é agora igual ao de S nas correntes de alimentação, correspondendo a 107% do caso base como descrito no exemplo 4.

[00143] A temperatura no forno de reação Claus diminui ~200°C devido à evaporação e decomposição do H2SO4, mas a temperatura ainda está bem acima do mínimo para queima completa de hidrocarbonetos e NH3. Nenhum gás combustível é necessário no forno de reação Claus.

[00144] Como H2SO4 é um excelente carreador de O2, as exigências de ar de combustão diminuem e, assim, o volume do gás de processo diminui à medida que o fluxo do N2 inerte diminui. Em geral, o fluxo do gás de processo para fora do forno de reação Claus diminui para 94% do fluxo básico e o fluxo para fora do gás de processo do meio para oxidação do gás residual Claus diminui para 93% devido a esta redução no fluxo de N2. Como menos gás de processo precisa ser aquecido para 1.000°C no meio para oxidação do gás residual Claus, o consumo de gás combustível é de apenas 92% do caso base.

[00145] O benefício de reciclar H2SO4 foi verificado como sendo surpreendentemente alto, pois não apenas a capacidade de formação de enxofre da instalação Claus aumentou em 7%, mas, ao mesmo tempo, o volume do gás de processo diminuiu em 6-7%. Isto corresponde a um aumento da capacidade da instalação Claus de ~15%, desde que o fluxo do gás de processo esteja em 100% do caso base.

Exemplo 6: reciclo de H2SO4 para o forno de reação Claus e gás SWS desviado para o meio para oxidação do gás residual Claus

[00146] Neste exemplo, o consumo de gás combustível no meio para oxidação do gás residual Claus foi minimizado desviando a fração do gás SWS para o meio para oxidação do gás residual Claus. O gás SWS tem um alto valor de aquecimento e pode facilmente agir como um gás combustível. O gás de alimentação de H2S concentrado também poderia ter sido usado, mas uma vez que o gás SWS pode ser problemático no processo Claus e não é problemático no processo WSA®, o desvio de gás SWS tem benefícios maiores do que desviar o gás H2S. Em termos de gás de processo, também haverá uma redução no volume de gás já que o NH3 no gás SWS irá aumentar o volume do gás de processo no processo Claus devido às exigências do oxigênio (ar) para combustão de NH3 em N2 e H2O.

[00147] A quantidade de gás SWS reciclado é ajustada de tal modo que 1.000°C é atingido no meio para oxidação do gás residual Claus, garantindo a queima completa das espécies reduzidas do gás residual Claus, como H2S, COS, CO, H2, SX e CS2.

[00148] Uma vez que o gás combustível no meio para oxidação do gás residual Claus agora contém H2S, a produção de H2SO4 irá aumentar, agora representando ~13% do S nas correntes de alimentação. Esta grande quantidade de reciclo de ácido sulfúrico resulta em uma redução significativa na temperatura do forno de reação Claus.

[00149] Com pré-aquecimento apropriado da corrente de alimentação, ainda é possível atingir temperatura suficientemente alta no forno de reação Claus sem precisar de combustível de suporte.

[00150] O efeito no tamanho do processo Claus é substancial: o volume do gás de processo é reduzido para 65% do caso base, ainda com uma produção de 107% de enxofre elementar. Esta redução do volume do gás de processo pode ser usada tanto para aumento da capacidade de uma instalação existente ou quanto para redução significativa do custo de uma instalação nova.

[00151] Também, a instalação de ácido sulfúrico se tornará menor já que o fluxo do gás de processo é de apenas 90% do fluxo do caso base. Isto é surpreendente pois a produção de H2SO4 foi mais do que dobrada comparada ao caso base, mas é principalmente devido à grande redução no fluxo de gás residual Claus.

[00152] O que é mais marcante é a redução no consumo de gás combustível que agora é de apenas 16% do fluxo do caso base, contribuindo para um custo operacional significativamente mais baixo do processo integrado Claus+ ácido sulfúrico.

Exemplo 7: reciclo de H2SO4 e desvio completo do gás SWS para meio para oxidação do gás residual Claus

[00153] Este exemplo foca na eliminação completa do gás SWS para a instalação Claus, garantindo que a formação de sal de amônia nos condensadores de enxofre é impossível e, assim, diminui o risco de falha da instalação Claus.

[00154] O fluxo do gás de processo para fora do forno de reação Claus é de 69% do caso base, mas um pouco mais alto comparado ao exemplo 6 onde apenas uma fração do gás SWS é desviada. O aumento no fluxo do gás de processo é devido à exigência de adição de gás combustível para o forno de reação Claus para manter a alta temperatura operacional.

[00155] A produção de H2SO4 na instalação WSA® foi aumentada agora para 17% do S nos gases de alimentação, o reciclo de toda a produção agora reduz bruscamente a temperatura do forno de reação Claus para um ponto onde gás combustível é requerido. O gás de processo do meio para oxidação do gás residual Claus diminuiu para 107% do caso base, devido ao aumento da alimentação de enxofre para a instalação de ácido sulfúrico.

[00156] Mesmo se o gás combustível for necessário no forno de reação Claus, o fluxo total de gás combustível é de apenas 41% do caso base.

[00157] De um ponto de vista do tamanho e custo operacional da instalação, este exemplo parece menos ideal do que o exemplo 6, isto é, existe um ótimo de razão de reciclo de H2SO4 que depende dos fluxos de gás de alimentação e composições reais. Desviar ainda mais gás de carga de alimentação irá resultar em um aumento da produção de ácido sulfúrico, que irá extinguir o forno de reação Claus ainda mais o que novamente irá requerer mais gás combustível e, portanto, o fluxo de gás residual Claus irá aumentar.

[00158] Para as composições e fluxos do gás de alimentação descritas acima, o ótimo com relação aos tamanhos e consumo de combustível da instalação é com um fluxo de reciclo de H2SO4 entre 13% e 17% da alimentação de S nas correntes de alimentação.

[00159] Em geral, o desvio do gás de carga de alimentação ótimo está perto do ponto onde o forno de reação Claus opera à temperatura mínima permitida, isto é, a carga de alimentação pode ser desviada para produzir mais ácido sulfúrico até que a temperatura do forno de reação Claus atinja o limite para destruição térmica de hidrocarbonetos e ácido sulfúrico. Aumentar a razão do desvio da carga de alimentação irá reduzir a necessidade de gás combustível no meio para oxidação do gás residual Claus, mas irá aumentar o consumo de gás combustível no forno de reação Claus por uma razão muito maior pois o gás combustível no forno de reação Claus precisa evaporar e decompor o ácido sulfúrico e aquecer o gás de processo, enquanto no meio para oxidação do gás residual Claus é requerido apenas aquecer o gás de processo.

[00160] Para o gás de carga de alimentação com, por exemplo, 50% em volume de H2S, o fluxo de reciclo de H2SO4 ótimo é de ~7% da alimentação de S na corrente de alimentação. O desvio de gás ácido para o meio para oxidação do gás residual Claus é de apenas 2% pois a concentração relativamente baixa de H2S resulta em uma baixa temperatura no forno de reação Claus e, assim, o ácido sulfúrico irá rapidamente reduzir a temperatura e adição de gás combustível requerida no forno de reação Claus. Usar ar enriquecido em O2 no forno de reação Claus irá permitir um maior fluxo de reciclo de H2SO4.

Exemplo 8: reciclo de H2SO4, desvio de gás SWS para meio para oxidação do gás residual Claus e uso de ar enriquecido em O2

[00161] Para reforçar a capacidade da instalação Claus, uma opção de renovação bem-conhecida é instalar queimadores especiais que podem manipular ar enriquecido com > 21% em volume de O2, uma qualidade comum de O2 é 93-99% em volume de O2.

[00162] Neste exemplo um ar enriquecido com 80% em volume de O2 é usado como no processo Claus, enquanto o ar atmosférico é usado no processo de ácido sulfúrico.

[00163] O efeito do ar enriquecido é um fluxo de gás de processo para fora do forno de reação Claus significativamente reduzido, principalmente devido a quantidade reduzida de N2 associada com o fluxo de O2. Também o fluxo mais baixo de gás de processo permite a operação do forno de reação Claus sem adição de combustível, já que menos gás inerte precisa ser aquecido.

[00164] Uma vez que o fluxo do gás de processo para fora do forno de reação Claus está agora reduzido para apenas 38% do caso base, a alimentação de gás residual Claus para o meio para oxidação do gás residual Claus é também significativamente diminuída. O gás de processo para fora do meio para oxidação do gás residual Claus é apenas 56% do caso base, é relativamente mais alto do que o fluxo da instalação Claus devido à grande quantidade de desvio de gás SWS para a instalação WSA®.

[00165] Com esta configuração é possível operar sem gás combustível tanto no processo Claus quanto o de ácido sulfúrico, mesmo como este fluxo de reciclo alto de H2SO4 a partir do processo de ácido sulfúrico.

Exemplo 9: efeito de concentração de H2SO4 do ácido sulfúrico reciclado na operação da instalação Claus

[00166] Neste exemplo o efeito da concentração de ácido sulfúrico é demonstrado ao se comparar com um ácido sulfúrico concentrado compreendendo 45% de H2SO4.

[00167] As condições no exemplo correspondem àquelas do Exemplo 6, isto é, uma fração de gás SWS é desviada para o meio para oxidação do gás residual Claus para reduzir o consumo de gás combustível. No entanto, como a instalação Claus recebe um sulfúrico menos concentrado, mais energia na forma de gás SWS é requerida no combustor Claus para evaporação de H2SO4 e H2O. O fluxo mais alto de gás SWS resulta em fluxo de ar de combustão maior e, assim, um fluxo de gás de processo maior. Em adição a isso, a água na corrente de ácido sulfúrico também aumenta significativamente o fluxo de gás de processo; a água é responsável por ~15% do fluxo total de gás de processo (no exemplo 6, a água da corrente de ácido é responsável por apenas ~2% do fluxo total de gás de processo).

[00168] O fluxo maior de gás de processo da instalação Claus requer entrada de energia adicional no meio para oxidação do gás residual Claus, e como o fluxo de gás SWS é limitado devido ao consumo no forno de reação Claus, um fluxo substancial de gás combustível é requerido para manter uma temperatura alta.

[00169] Comparando os dados na Tabela 2, percebe-se que a sinergia entre Claus e gás residual Claus é significativamente reduzida no exemplo 9, quando comparando com o reciclo de ácido sulfúrico altamente concentrado no exemplo 6.

[00170] A quantidade de adição de energia requerida para o forno de reação Claus recebendo menos ácido sulfúrico concentrado pode ser reduzida se a quantidade de ácido recirculado for reduzida, mas isso requereria aumento da eficiência do processo Claus, o que poderia querer dizer um estágio adicional de conversão Claus.

[00171] Em conclusão, Exemplos 4-9 demonstram que a integração do processo Claus com o WSA® ou um outro processo de ácido sulfúrico permite a otimização dos custos de processo relacionados. Isto pode envolver um volume de processo Claus reduzido e uma quantidade reduzida de combustível de suporte. Especialmente se a concentração de ácido sulfúr' reciclado estiver acima de 60%, 80% ou 90%, o processo ...xxtegrado é altamente eficiente. Tabela 1: Cálculos de processo para uma configuração Claus + WSA® como na Fig. 1

Tabela 2: Cálculos de processo para uma configuração Claus + WSA® como na Fig. 3

Claims

1. Processo para produção de enxofre a partir de um gás de carga de alimentação compreendendo entre 30% em volume e 100% em volume de H2S e uma corrente reciclada de ácido sulfúrico, o processo caracterizado por compreender: a. fornecer uma corrente de alimentação do forno de reação Claus compreendendo o dito gás de carga de alimentação, uma quantidade de ácido sulfúrico reciclado, uma quantidade de oxigênio e, opcionalmente, uma quantidade de combustível, em que a quantidade de oxigênio é subestequiométrica; b. dirigir a dita corrente de alimentação do forno de reação Claus para um forno de reação Claus operando em temperatura elevada, fornecendo um gás de alimentação do conversor Claus; c. resfriar o dito gás de alimentação do conversor Claus para fornecer um gás de alimentação do conversor Claus resfriado e, opcionalmente, uma quantidade de enxofre elementar; d. dirigir o dito gás de alimentação do conversor Claus resfriado para contatar um material cataliticamente ativo na reação Claus; e. retirar um gás residual Claus e enxofre elementar, opcionalmente por resfriamento do efluente do dito material cataliticamente ativo na reação Claus; f. dirigir uma corrente compreendendo o dito gás residual Claus, oxigênio e um combustível como um gás de carga de alimentação para um meio para oxidação do gás residual Claus operando a uma temperatura acima de 900°C e/ou um meio catalítico para oxidação fornecendo um gás de alimentação do conversor de SO2; g. dirigir o dito gás de alimentação do conversor de SO2 para contatar um material cataliticamente ativo na oxidação de SO2 em SO3, fornecendo um gás rico em SO3; e h. converter o dito gás rico em SO3 em ácido sulfúrico concentrado e um gás empobrecido em SO3, seja por absorção de SO3 no ácido sulfúrico, seja por hidratação de SO3, resfriamento e condensação de ácido sulfúrico, em que a dita corrente reciclada de ácido sulfúrico compreende uma quantidade do dito ácido sulfúrico concentrado e em que o ácido sulfúrico concentrado contém de 90% p/p a 98,5% p/p de H2SO4.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente de alimentação do forno de reação Claus compreende menos do que 0,1% em peso de nitrogênio não elementar.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente de alimentação do forno de reação Claus compreende menos do que 50% em volume de N2.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a razão H2S:SO2 do dito gás residual Claus está abaixo de 2.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a razão H2S:SO2 do dito gás residual Claus está acima de 2.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda a etapa de direcionar uma quantidade de um gás de carga de alimentação adicional para o dito meio para oxidação do gás residual Claus.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que que o dito gás de carga de alimentação adicional compreende mais do que 5% em volume de nitrogênio não elementar.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a quantidade de enxofre no gás de carga de alimentação adicional é de pelo menos 1% em peso da quantidade total de enxofre elementar retirado do processo.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material cataliticamente ativo na reação Claus compreende alumínio ativado (III) ou óxido de titânio (IV).

10. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a quantidade de enxofre na corrente reciclada de ácido sulfúrico é mais alta do que 1% em peso e mais baixa que 25% em peso da quantidade total de enxofre elementar retirado do processo.

11. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a corrente reciclada de ácido sulfúrico é atomizada no dito forno de reação Claus seja usando dois bocais de fluído dirigidos por ar comprimido, N2 ou vapor ou usando bocais hidráulicos e em que o tempo de permanência no forno de reação Claus é de 1,5 segundo a 4 segundos.

12. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a razão molar H2S:O2 das correntes combinadas dirigidas para o forno de reação Claus é maior do que 2,5.

13. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a razão molar H2S:O2 das correntes combinadas dirigidas para o forno de reação Claus corrigida para outras espécies consumidoras de oxigênio na carga de alimentação e corrigida para produtos de oxidação incompleta no gás residual Claus é maior do que 2,1.

14. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma quantidade de gás no processo é opcionalmente resfriada e dirigida para uma posição a montante para controlar uma temperatura do processo.

15. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma ou mais correntes dirigidas para o dito forno de reação Claus são pré-aquecidas por troca de calor com uma corrente de processo quente.

16. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma ou mais correntes dirigidas para o dito meio para oxidação do gás residual Claus são pré-aquecidas por troca de calor com uma corrente de processo quente.

17. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito material cataliticamente ativo na oxidação de SO2 em SO3 compreende vanádio.

18. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a condensação de ácido sulfúrico de acordo com a etapa (h) é realizada em um condensador onde o meio de resfriamento e gás rico em SO3 é separado por vidro.

19. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a quantidade de ácido sulfúrico reciclado é selecionada de tal modo que a temperatura no forno de reação Claus é de 800°C a 1.500°C, sem adição de combustível de suporte para o forno de reação Claus.

20. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, em (b), a corrente de alimentação do forno de reação Claus é direcionada para um forno de reação Claus operando em temperatura acima de 900 °C.

21. Instalação de processo, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 20, caracterizada por compreender um forno de reação Claus, um meio de resfriamento de gás Claus, uma seção de conversão Claus, um meio para oxidação do gás residual Claus e uma seção de ácido sulfúrico, em que o forno de reação Claus tem uma entrada, uma saída, e um ou mais bocais de atomização configurados para adicionar ácido sulfúrico para o forno de reação Claus como gotículas, o meio de resfriamento de gás Claus tem uma entrada de gás, uma saída de gás e uma saída de enxofre elementar, a seção de conversão Claus tem uma entrada de gás, uma saída de gás e uma saída de enxofre elementar, o meio para oxidação do gás residual Claus tem uma entrada de gás residual Claus, uma entrada de oxidante de gás residual Claus, uma entrada de combustível opcional e, opcionalmente, uma entrada de carga de alimentação adicional e uma saída, e a seção de ácido sulfúrico tem uma entrada de gás, uma saída de gás e uma saída de ácido sulfúrico, e em que a entrada do forno de reação Claus é configurada para receber um gás de carga de alimentação, ácido sulfúrico e um oxidante de forno de reação Claus, e a saída do forno de reação Claus é configurada para estar em comunicação fluída com a entrada do meio de resfriamento de gás Claus, em que a saída do meio de resfriamento de gás Claus é configurada para estar em comunicação fluída com a entrada da seção de conversão Claus e em que a entrada do gás residual Claus do meio para oxidação do gás residual Claus é configurada para estar em comunicação fluída com a saída do gás da seção de conversão Claus, a saída do gás de processo do meio para oxidação do gás residual Claus é configurada para estar em comunicação fluída com a entrada da seção de ácido sulfúrico, e a saída de ácido sulfúrico da seção de ácido sulfúrico estar em comunicação fluída com a entrada do dito forno de reação Claus.

22. Instalação de processo, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de que a dita seção de ácido sulfúrico compreende um reator de oxidação de dióxido de enxofre tendo uma entrada e uma saída e um condensador de ácido sulfúrico tendo um lado do processo tendo uma entrada do gás de processo, uma saída do gás de processo e uma saída de ácido sulfúrico e um lado do meio de resfriamento, tendo uma entrada do meio de resfriamento e uma saída do meio de resfriamento, e em que o condensador de ácido sulfúrico é configurado para pelo menos um entre o oxidante do forno de reação Claus e o oxidante do gás residual Claus para ser pré-aquecido sendo dirigido para a entrada do lado do meio de resfriamento do condensador de ácido sulfúrico e ser retirado da saída do lado do meio de resfriamento do condensador de ácido sulfúrico.

23. Instalação de processo, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada por compreender ainda pelo menos um trocador de calor tendo um lado do trocador de calor quente e um lado do trocador de calor frio, configurado para o lado do trocador de calor frio pré-aquecer um entre o dito gás de carga de alimentação, ácido sulfúrico e oxidante antes de ser dirigido para o dito forno de reação Claus e para o lado do trocador de calor quente ser configurado para resfriar uma corrente de processo quente.

24. Instalação de processo, de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de que a corrente de processo quente é tomada do grupo consistindo na corrente da saída do meio para meio para oxidação do gás residual Claus, na corrente da saída do forno de reação Claus e na corrente da saída do reator de oxidação de dióxido de enxofre.

25. Instalação de processo, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de que o forno de reação Claus compreende dois ou mais bocais de atomização configurados para adicionar ácido sulfúrico para o forno de reação Claus como gotículas.

26. Instalação de processo, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada por compreender ainda um meio de redução de SO3, tendo uma entrada e uma saída configuradas para a entrada do meio de redução de SO3 estando em comunicação fluída com a saída do forno de reação Claus e para a saída do meio de redução de SO3 estando em comunicação fluída com a entrada da seção de conversão Claus.

27. Instalação de processo, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de que o um ou mais bocais de atomização é/são um/uns bocal(is) de atomização de fluído ou um/uns bocal(is) de atomização hidráulica.