ES2266016T3 - Oxidacion parcial de gases que contienen sulfuro de hidrogeno. - Google Patents
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Abstract
Aparatos para la oxidación parcial de sulfuro de hidrógeno que comprenden un horno (700, 1000) y un quemador de sulfuro de hidrógeno de oxígeno de aire (702, 800, 900) que se enciende en el horno (700, 1000), en el que el quemador (702, 800, 900) comprende un paso principal para el gas que ayuda a la combustión y que contiene el aire, una multiplicidad de tubos abiertos que conducen fluidos alargados externos espaciados (806, 906) que se extienden en paralelo entre sí a lo largo del paso principal, cada uno de los tubos externos (806, 906) rodeando al menos al extremo distal del quemador (702, 800, 900) un tubo respectivo abierto que conduce fluidos alargado interior (808, 908), extendiéndose los tubos internos (808, 908) en paralelo entre ellos, una primera entrada (704) al quemador (702, 800, 900) para oxígeno o aire enriquecido con oxígeno, y una segunda entrada (708) al quemador (702, 800, 900) para alimentar el gas que contiene sulfuro de hidrógeno, comunicándose una de la primera y segunda entradas (704, 708) con los tubos externos (806, 906), y comunicándose la otra de la primera y segunda entradas (704, 708) con los tubos internos (808, 908), en el que las salidas de los tubos internos y externos (808, 908; 806, 906) están dispuestas de tal forma que, en operación, toda la mezcla de sulfuro de hidrógeno con oxígeno y aire ocurre esencialmente corriente abajo del extremo distal del quemador (702, 800, 900) y, caracterizado porque las salidas de los tubos internos y externos (808, 908; 806, 906) también están así yuxtapuestas y dimensionadas para permitir que sea mantenida en el horno (700, 1000), en operación, una llama estable (1002) con al menos una primera primera etapa de temperaturas altas (1004) y al menos una segunda etapa de temperaturas bajas (1006), estando la primera etapa (1004) más lejos que la segunda etapa (1006) de un área escogida de la pared interior o de las paredes del horno (700, 1000), siendo protegida el área así escogida de la primera etapa (1004) por la segunda etapa (1006), porque hay un primer grupo (810, 910) de los tubos internos y externos (808, 908; 806, 906) que, en operación, alimentan la primera etapa (1004) de la llama (1002), y un segundo grupo (812, 912) de los tubos internos y externos (808, 908; 806, 906) que, en operación, alimentan la segunda etapa (1006) de la llama (1002), porque el quemador (702, 800, 900) tiene una posición tangencial en relación con el horno (700, 1000), y porque las salidas del primer grupo (810, 900) de los tubos internos y externos (808, 908; 806, 906) están colocadas anteriores a las salidas del segundo grupo (812, 912) de los tubos internos y externos (808, 908; 806, 906).
Description
Oxidación parcial de gases que contienen sulfuro
de hidrógeno.
Esta invención se refiere a un aparato para la
oxidación parcial de sulfuro de hidrógeno.
Las denominadas corrientes de gas ácido que
contienen sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono son formadas
como corrientes de deshecho, por ejemplo, en refinerías de petroleo
y derivados. Es necesario tratar una corriente de gas ácido para
eliminar sustancialmente todo su contenido en sulfuro de hidrógeno
antes de que sea descargado a la atmósfera. Esta eliminación de
sulfuro de hidrógeno se realiza convencionalmente por el
procedimiento de Claus, en el que una parte del contenido de
sulfuro de hidrógeno es quemada en un horno para formar dióxido de
azufre y vapor de agua; un poco del dióxido de azufre resultante
reacciona en el horno con el sulfuro de hidrógeno residual para
formar vapor de azufre y vapor de agua (con el resultado, por lo
tanto, de que algo del sulfuro de hidrógeno es oxidado
parcialmente). Una corriente de gas efluente que comprende sulfuro
de hidrógeno, dióxido de azufre, dióxido de carbono, vapor de agua
y vapor de azufre se extrae del horno, como consecuencia. El vapor
de azufre es extraído de la mezcla de gases por la condensación, y
la mezcla de gases resultante, sustancialmente sin vapor de azufre,
es sometida a una pluralidad de etapas catalíticas de la reacción
posterior entre el dióxido de azufre y el sulfuro de hidrógeno para
formar vapor de azufre. El vapor de azufre subsecuente es extraído
de la mezcla de gases corriente abajo de cada etapa de reacción
catalítica. Un gas de cola que contiene típicamente de 2 a 6% de
contenido de azufre original de los gases ácidos se formó por este
medio. El gas de cola típicamente es enviado para un tratamiento
posterior para eliminar sustancialmente todos los compuestos
restantes de azufre.
Tradicionalmente, el aire se emplea para ayudar
a la combustión del sulfuro de hidrógeno. Típicamente, el aire es
suministrado a una velocidad suficiente para proporcionar bastantes
moléculas de oxígeno para oxidar completamente cualquier amoníaco
presente en nitrógeno y vapor de agua y oxidar completamente
cualquier hidrocarburo presente en el dióxido de carbono y el vapor
de agua y efectuar la oxidación a dióxido de azufre y vapor de agua
de aproximadamente un tercio del contenido de sulfuro de hidrógeno
del gas ácido. Más recientemente, ha sido reconocido que pueden ser
alcanzadas mejoras en el procedimiento de Claus sustituyendo oxígeno
comercialmente puro por un poco de aire. Por consiguiente, se puede
reducir el tamaño del horno y las unidades corrientes abajo para un
rendimiento dado de sulfuro de hidrógeno.
El documento
EP-A-0 486 285 se refiere a un
quemador de oxígeno-aire-sulfuro de
hidrógeno, para uso en el procedimiento de Claus. El horno comprende
un elemento de cuerpo hueco que tiene un extremo distal abierto y
que define un paso por el que se extiende una pluralidad de primeros
elementos tubulares abiertos alargados capaces de conducir el fluido
y una pluralidad de segundos elementos tubulares abiertos alargados
también capaces de conducir un fluido, siendo localizado cada
segundo elemento tubular dentro de un primer elemento tubular
respectivo. Los primeros elementos tubulares se comunican con una
fuente de sulfuro de hidrógeno y los segundos elementos tubulares
con una fuente de oxígeno. El objetivo de proporcionar cada tubo de
oxígeno dentro de un tubo de sulfuro de hidrógeno respectivo es
hacer posible el logro de una mezcla particularmente buena de
oxígeno y combustible y obtener condiciones uniformes dentro de la
llama. Además, pueden ser obtenidas condiciones de funcionamiento
estables con velocidades de combustible y oxígeno relativamente
bajas.
Aunque el quemador de acuerdo con el documento
EP-A-0 486285 funcione bien en la
práctica, los inventores creen que en el procedimiento de Claus
puede ser alcanzada una conversión en porcentaje más alta de sulfuro
de hidrógeno a azufre en la mezcla de gases que abandona el
condensador de azufre asociado con el horno si, de hecho, es
proporcionada una llama adecuada no uniforme. De acuerdo con esto,
un objetivo de la presente invención es proporcionar aparatos para
la oxidación parcial de sulfuro de hidrógeno en la que el quemador
tiene una construcción que facilita el logro de conversiones en
porcentaje relativamente altas de sulfuro de hidrógeno a azufre en
el horno.
De acuerdo con la presente invención, se
proporcionan aparatos para la oxidación parcial de sulfuro de
hidrógeno que comprenden un horno y un quemador de
aire-oxígeno-sulfuro de hidrógeno
que se enciende en el horno, en el que el quemador comprende un paso
principal para el gas que ayuda a la combustión y que contiene aire,
una multiplicidad de tubos abiertos que conducen fluidos alargados
externos y espaciados y que se extienden en paralelo entre sí a lo
largo del paso principal, rodeando cada uno de los tubos externos,
al menos en el extremo distal del quemador, un tubo respectivo
abierto que conduce fluidos alargado interno, extiendéndose los
tubos internos en paralelo entre ellos, una primera entrada al
quemador para oxígeno o aire enriquecido con oxígeno, y al menos una
segunda entrada al quemador para alimentar el gas que contiene
sulfuro de hidrógeno, comunicando una de las primeras y segundas
entradas con los tubos internos, y comunicando las otras de las
primeras y segundas entradas con los tubos externos. Además, las
salidas de los tubos internos y externos están dispuestas de tal
forma que, en operación, toda la mezcla de sulfuro de hidrógeno con
oxígeno y aire ocurre esencialmente corriente abajo del extremo
distal del quemador, y en el que las salidas de los tubos internos
y externos están yuxtapuestas y dimensionadas de tal forma para
permitir que sea mantenida en el horno, en operación, una llama
estable con al menos una primera etapa de altas temperaturas, y al
menos una segunda etapa de bajas temperaturas, siendo la primera
etapa más distante que la segunda etapa de un área escogida de la
pared interior o de las paredes del horno, estando así protegida el
área escogida de la primera etapa por la segunda etapa, y hay un
primer grupo de los tubos internos y externos que, en operación,
alimentan a la primera etapa de la llama, y un segundo grupo de los
tubos internos y externos, que, en operación, alimentan a la segunda
etapa de la llama, el quemador tiene una posición tangencial con
relación al horno, y las salidas del primer grupo de los tubos
internos y externos están colocadas por encima de las salidas del
segundo grupo de los tubos internos y externos.
La primera etapa de la llama es preferiblemente
rica en oxígeno en comparación con la segunda etapa.
Como consecuencia de ser relativamente rica en
oxígeno, puede ser alcanzada una temperatura de llama promedia en el
intervalo de 1700 a 2300ºC en la etapa interior de la llama. Tales
altas temperaturas, como se cree, favorecen el craqueo, es decir, la
disociación termal, del sulfuro de hidrógeno en hidrógeno y azufre.
Por consiguiente, se cree que una proporción más alta del sulfuro de
hidrógeno es convertida a azufre que a temperaturas inferiores.
Además, el tener una primera etapa rica en oxígeno a altas
temperaturas también facilita la destrucción completa de cualquier
amoníaco presente en el gas de alimentación no sólo debido a la alta
temperatura de la primera etapa, sino también porque la segunda
etapa, aunque sea relativamente pobre en oxígeno, todavía puede ser
operada a temperaturas superiores a 1400ºC. Es sumamente deseable
efectuar tal eliminación completa de amoníaco porque si algo de este
gas pasa del horno a cualquier etapa catalítica de un procedimiento
de Claus, pueden formarse sales de amoníaco que envenenan el
catalizador o bloquean otras unidades que funcionen a temperaturas
inferiores.
Típicamente, los tubos internos se comunican con
la primera entrada. Así, los tubos internos reciben el oxígeno o el
aire enriquecido con oxígeno y los tubos externos reciben el gas
alimentado que contiene sulfuro de hidrógeno.
Preferiblemente, las salidas de los tubos
externos en el primer grupo están espaciadas más ampliamente que las
salidas de los tubos externos en el segundo grupo. Por consiguiente,
proporcionalmente más aire tiende a estar disponible para el primer
grupo de tubos que para el segundo grupo de tubos, facilitando así
el logro de las condiciones ricas en oxígeno deseadas en la primera
etapa del quemador. Este resultado es facilitado particularmente si
hay más tubos en el segundo grupo que en el primer grupo;
típicamente, hay al menos dos veces tantos tubos en el segundo
grupo que en el primero.
El logro de una alta temperatura de la llama
dentro de la primera etapa se facilita particularmente si los tubos
en el primer grupo que se comunican con la primera entrada son de un
diámetro interno mayor que los tubos en el segundo grupo que se
comunican con la primera entrada. Así, tales tubos en el primer
grupo pueden tener típicamente un diámetro interno de 1,3 a 3 veces
el diámetro interno de tales tubos en el segundo grupo.
Particularmente, cuando son los tubos internos los que se comunican
con la primera entrada, tal configuración facilita, en operación,
el envío proporcional de más oxígeno o aire enriquecido con oxígeno
a la primera etapa de la llama que a la segunda etapa, ayudando así
particularmente a alcanzar una temperatura alta en la primera etapa.
En tal configuración, es conveniente que el diámetro interno de los
tubos en el primer grupo que se comunican con la segunda entrada sea
del mismo diámetro interno que los tubos en el segundo grupo que se
comunican con la segunda entrada.
La colocación de las salidas del primer grupo de
los tubos internos y externos generalmente anterior a las salidas
del segundo grupo, neutraliza la tendencia del fondo del horno a ser
más susceptible al daño térmico que otras regiones del horno.
El gas de alimentación es típicamente una mezcla
de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono. También pueden estar
presentes vapor de agua, hidrocarburos y/o amoníaco. Si se desea, el
gas de alimentación puede ser gas de amina de una refinería de
petróleo o una mezcla de un gas de amina con un gas resisual de
aguas ácidas. El gas de amina comprende típicamente al menos 70% en
volumen de amoníaco y además contiene al menos 10% de dióxido de
carbono. El gas resisual de aguas ácidas es una mezcla de sulfuro de
hidrógeno, amoníaco y vapor de agua. Otros gases pueden estar
presentes también en el gas resisual de aguas ácidas. Si se desea
tratar ambos gases por el método y los aparatos de acuerdo con la
invención, pueden estar premezclados. Una desventaja potencial de
tal premezcla, sin embargo, es que algo de amoníaco tenderá a fluir
a la etapa de temperaturas bajas o a las etapas de la llama y puede
surgir el riesgo de que no todo el amoníaco será destruido. En la
práctica, sin embargo, con la operación de oxígeno, la etapa de
temperaturas bajas o las etapas pueden ser mantenidas típicamente a
una temperatura superior al mínimo para la destrucción del amoníaco.
En cualquier caso, una desventaja potencial puede ser evitada si el
quemador está configurado de tal forma que haya dos segundas
entradas, una que estando asociada exclusivamente con el primer
grupo de tubos, y otra asociación exclusivamente con el segundo
grupo de tubos. De esta forma, el gas que contiene amoníaco (el gas
resisual de aguas ácidas) puede ser dirigido todo a la etapa rica en
oxígeno de temperaturas alta o a las etapas de la llama. Tal
configuración puede hacer más fácil alcanzar la eliminación total
del amoníaco del gas de alimentación.
Dependiendo de su tamaño, el aparato de acuerdo
con la invención puede tener de 6 a 30 primeros tubos.
Preferiblemente, tiene de 8 a 20 primeros tubos.
Preferiblemente, todos los tubos internos y
externos terminan en una normal al plano común al eje del quemador.
Tal configuración ayuda a reducir la erosión termal del quemador. De
ser deseado, puede darse a cada uno de los tubos una punta de
aleación resistente al calor y a la corrosión, pero esto no es
necesario generalmente. En realidad, el quemador puede seguir
funcionando eficazmente hasta con erosión de los tubos.
El paso principal del quemador está definido
convenientemente por un puerto por el que el quemador se enciende en
el horno. De forma alternativa, el quemador puede tener una carcasa
externa que define el paso que está separado desde el horno.
No hay ninguna necesidad generalmente de ningún
sistema de refrigeración especial para el quemador. Esto es porque
puede configurarse fácilmente el quemador tal que, en operación, el
flujo del gas que ayuda a la combustión que contiene aire es
suficiente para proporcionar la refrigeración adecuada para el
quemador.
Un aparato de acuerdo con la invención también
ofrece las mismas ventajas en la construcción mecánica que el del
documento EP-A-0 486 285. Así, los
tubos del quemador pueden estar fabricados a partir de materiales
relativamente baratos, por ejemplo, de acero inoxidable. En segundo
lugar, la fabricación es particularmente simple porque, al no haber
ningún plato extremo, no surge ninguna necesidad de taladrar
orificios oblicuos. Tercero, el quemador es capaz de abarcar fuentes
causadas por la expansión y la contracción termal ya que los
elementos tubulares internos y externos sólo son fijados típicamente
a sus extremos próximos y tienen tres extremos distales.
Mediante una distribución apropiada para ayudar
a la combustión y los gases que contienen sulfuro de hidrógeno entre
las etapas diferentes de la llama, es posible asegurar que la
relación molar de sulfuro de hidrógeno a dióxido de azufre en el gas
efluente del quemador está en el orden de 2 a 1 y que, por lo tanto,
es capaz de satisfacer los requisitos de un procedimiento de Claus
convencional que emplea unidades catalíticas de reacción de Claus
así como el horno. Además, pueden ser mantenidas temperaturas
suficientemente bajas en la carcasa protectora o en la segunda
etapa o en las etapas de la llama para evitar cualquier riesgo de
daño a la camisa interior de refracción, que es empleada típicamente
para proteger las paredes internas del horno sin comprometer la
destrucción de amoníaco si aquel gas está presente. Además, hay
bastante flexibilidad para seleccionar la estequiometría de las
etapas diferentes de la llama. De hecho, generalmente es preferible
operar la primera etapa o graduarla tal que reciban moléculas de
oxígeno a una velocidad de al menos (110x/300+y+z) m^{3} s^{-1}
y más preferiblemente en el intervalo de (120x/300+y+z) a
(240x/300+y+z) m^{3} s^{-1} en la que:
x es el caudal estequiométrico de moléculas de
oxígeno requeridas para la oxidación completa del sulfuro de
hidrógeno que entra en la primera etapa:
y es el caudal estequiométrico de moléculas de
oxígeno requeridas para la oxidación completa de cualquier amoníaco
que entra en la primera etapa:
z es el caudal estequiométrico de moléculas de
oxígeno requeridas para la oxidación completa de cualquier
hidrocarburo que entra en la primera etapa anterior.
La temperatura del gas efluente que deja la
salida del horno puede ser mantenida fácilmente por debajo de
1650ºC.
Otra ventaja del aparato de acuerdo con la
invención es que tiene la capacidad de proveer para flujos de gas
bastante variables del gas de alimentación que contiene sulfuro de
hidrógeno. A velocidades de suministro del gas de alimentación
inferiores, puede reducirse la fracción molar en el oxígeno o el
aire enriquecido con oxígeno que es suministrado a la primera etapa
o a las etapas de la llama. De hecho, a velocidades de suministro
del gas de alimentación más bajas, el aire puede ser sustituido por
oxígeno o aire enriquecido con oxígeno suministrado a la primera
etapa o a las etapas de la llama. A condición de que tal sustitución
no perjudique la destrucción completa de amoníaco, particularmente
en la segunda etapa o etapas. Los ejemplos de quemadores que
permiten que todo el amoníaco sea alimentado a la primera etapa o
etapas son preferidos, por lo tanto, cuando se requieran buenas
características de retroceso.
Los aparatos de acuerdo con la invención serán
descritos a continuación mediante un ejemplo con referencia a los
dibujos que acompañan, en los que:
La figura 1 es una vista lateral esquemática,
parcialmente en sección, de un aparato en el que el quemador está
situado axialmente;
La figura 2 es una vista esquemática a partir de
su extremo distal de un quemador para uso en el aparato mostrado en
la figura 1;
La figura 3 es una vista esquemática a partir de
su extremo distal de un quemador alternativo para uso en el aparato
mostrado en la figura 1;
La figura 4 es una sección esquemática a través
del horno mostrado en la figura 1 que ilustra la distribución de
temperaturas dentro de una sección por una llama producida por el
quemador mostrado en la figura 2 o la que se muestra en la figura
3;
La figura 5 es una vista en sección lateral
esquemática de un quemador para uso en el método y aparatos de
acuerdo con la invención que ilustra la canalización del flujo de
gas a los tubos respectivos y a los pasos del quemador en la figura
1;
La figura 6 es una vista esquemática de un
aparato de acuerdo con la invención en el que el quemador es montado
tangencialmente.
La figura 7 es una vista esquemática a partir de
su extremo distal de un primer quemador adecuado para uso en el
aparato mostrado en la figura 6;
La figura 8 es una vista esquemática posterior a
partir de su extremo distal de un segundo quemador para uso en el
aparato mostrado en la figura 6; y
La figura 9 es una vista esquemática transversal
del horno mostrado en la figura 6 que ilustra la forma de la llama
generalmente producida por la operación del quemador mostrado en la
figura 7 o la figura 8.
Los dibujos no están en escala.
En referencia a la figura 1 de los dibujos, un
horno 102 para la oxidación parcial de sulfuro de hidrógeno tiene un
puerto de admisión axial 104 en un extremo y un puerto de salida
axial 106 en su extremo opuesto. El puerto de admisión 104 recibe un
quemador 108. El extremo distal 110 del quemador 108 está retirado
ligeramente en el puerto 104. El quemador 108 es de una estructura
de carcasa-y-tubo. De ser deseado,
la pared interior del puerto 106 puede formar la carcasa del
quemador 108. El quemador 108 está asociado operativamente con las
tuberías 110, 112 y 114 para el suministro, respectivamente, de
oxígeno, aire y una corriente de gas que contiene sulfuro de
hidrógeno. De ser deseado, aunque no se muestre en la figura 1,
puede haber dos tuberías separadas 114 para el suministro a las
partes diferentes del quemador 108 de diferentes corrientes de gas
que contienen sulfuro de hidrógeno.
En operación, el quemador 108 se enciende en el
horno 102. Una llama 116 es producida. La llama 116 tiene una región
interior relativamente caliente rica en oxígeno o etapa 118 y una
región externa de temperaturas bajas o etapa 120 que rodea la etapa
interior 118. Las temperaturas dentro de la etapa interior de
temperaturas altas 118 pueden exceder los 2000ºC. Típicamente, las
moléculas de oxígeno entran en la etapa 118 a una velocidad en el
intervalo de (120x/300+y+z) a (240x/300+y+z) m^{3} s^{-1} en la
que x, y y z todas tienen los significados indicados
anteriormente.
Varias reacciones químicas ocurren en el horno
2. En primer lugar, hay reacciones de combustión en las cuales
cualquier hidrocarburo presente en el gas que contiene sulfuro de
hidrógeno es oxidado completamente a dióxido de carbono y vapor de
agua y cualquier amoníaco presente en el gas que contiene sulfuro de
hidrógeno es oxidado completamente a nitrógeno y vapor de agua. La
reacción de combustión principal es, sin embargo, la quema de
sulfuro de hidrógeno para formar vapor de agua y dióxido de azufre.
Parte del dióxido de azufre resultante reacciona con sulfuro de
hidrógeno residual para formar vapor de azufre y vapor de agua. Otra
reacción importante que ocurre en la zona de la llama 116 del horno
102 es la disociación termal de parte del sulfuro de hidrógeno en
vapor de hidrógeno y azufre. Esta reacción es favorecida a altas
temperaturas. Además, un poco del amoníaco también se disocia
termalmente en nitrógeno e hidrógeno. Otras reacciones secundarias
pueden ocurrir también en el horno 102.
El quemador 108 tiene típicamente de 8 a 20
tubos externos (no mostrados) y de 8 a 20 tubos internos (no
mostrados). Una configuración de los tubos y de la carcasa externa
es mostrada en la figura 2. En referencia ahora a la figura 2, un
quemador 200 tiene una carcasa externa 202. La carcasa 202 define un
paso principal 204 para el flujo de aire. El aire preferiblemente no
está enriquecido, ni agotado de oxígeno, sino que es, en cambio,
aire atmosférico normal. Hay 18 tubos externos abiertos 208 que se
extienden a lo largo del paso principal 204. Los tubos externos 208
son todos paralelos entre sí y respecto al eje longitudinal de la
carcasa 202. Cada tubo externo 208 rodea, al menos en su extremo
distal, a un tubo interno 210. Cada tubo interno 210 es coaxial al
tubo externo 208 en el que es recibido. Todos los extremos distales
de los tubos 208 y 210 terminan en el mismo plano normal respecto al
eje longitudinal del quemador 200. No hay, por lo tanto, ninguna
mezcla de sulfuro de hidrógeno con aire u oxígeno corriente arriba
del extremo distal del quemador. Todos los tubos internos 210 se
comunican con una fuente de oxígeno o aire enriquecido con oxígeno.
Preferiblemente, el oxígeno es al menos 80% puro, más
preferiblemente al menos 90%, y más preferiblemente al menos 99%
puro. Todos los tubos externos 208 se comunican con una fuente de
gas que contiene sulfuro de hidrógeno. Este gas también puede
contener amoníaco e hidrocarburos así como componentes no
combustibles tales como vapor de agua, nitrógeno, dióxido de carbono
y argón.
Los pares de tubos externos 208 y tubos internos
210 están configurados en un primero grupo interno 212 y un segundo
grupo externo 214. El grupo externo de los pares de tubos 208 y 210
están dispuestos tal que todas sus salidas descansan sobre la
circunferencia de un círculo teórico. Como se muestra en la figura 2
hay 14 pares de tubos 208 en el segundo grupo 214. Los tubos
externos 208 en el segundo grupo 214 están igualmente espaciados
circularmente entre sí. Hay, por otra parte, sólo cuatro pares de
tubos externos 208 y tubos internos 210 en el primer grupo 212. Cada
par de tubos 208 y 210 en el grupo 212 puede ser visto como
descansando en una esquina de un cuadrado teórico, por el centro de
tal cuadrado el eje longitudinal del quemador se extiende. Como se
muestra en la figura 2, el espacio entre los pares individuales de
tubos en el grupo interior 212 es mayor que el espacio entre los
pares individuales de tubos en el grupo externo 214. Ya que todos
los tubos externos 208 son del mismo diámetro entre sí, como son
todos los tubos internos 210, puede apreciarse fácilmente que el gas
que contiene sulfuro de hidrógeno que abandona las salidas de los
tubos 208 en el grupo interior 212 entran en contacto
proporcionalmente con más moléculas de oxígeno que el sulfuro de
hidrógeno que abandona los tubos 208 formando parte del grupo
externo 214. Por consiguiente, puede ser mantenida una llama que
tenga una etapa interior enriquecida con oxígeno de temperaturas
altas y una etapa externa de temperaturas bajas. Como el primer
grupo 212 de salidas está rodeado por el segundo grupo 214, la etapa
de temperaturas altas está rodeada por la etapa de temperaturas
bajas y, por lo tanto, es una cosa simple manipular los flujos
relativos de gases al quemador 200 tal que la etapa segunda o
externa de la llama protege eficazmente toda la superficie interior
de la camisa refractaria del horno de la etapa interior de
temperaturas altas de la llama. Además, pueden disponerse flujos
para alcanzar la velocidad necesaria de suministro de moléculas de
oxígeno a la primera etapa de la llama y así alcanzar una
temperatura promedio, típicamente superior a 1700ºC, en la primera
etapa, que promueve el craqueo termal o la disociación de sulfuro de
hidrógeno, manteniendo la temperatura promedio de la segunda etapa
típicamente por debajo de 1650ºC para evitar el daño a las paredes
refractarias del horno en las que el quemador 200 se enciende.
El quemador mostrado en la figura 2 alcanza su
graduación por una distribución desproporcionadamente grande de aire
al primer grupo 212 de tubos. El nivel de graduación que puede ser
alcanzado por este medio, sin embargo, es limitado. Otra
consecuencia de la manera en la cual los tubos son agrupados juntos
en el quemador mostrado en la figura 2, es que la graduación del
quemador tiende a hacerse más pronunciada cuanta más baja es la
pureza del oxígeno que fluye por los tubos internos 210. Esto es
porque cuando la pureza de este oxígeno es más baja, hay mayores
necesidades de tener un flujo de aire por el paso principal 204 y,
por lo tanto, es más pronunciado el efecto de la distribución
desproporcionada del aire entre los primeros y segundos grupos de
tubos.
En referencia ahora a la figura 3, el quemador
300 mostrado tiene muchas semejanzas con el quemador 200 mostrado en
la figura 2. Así, el quemador 300 tiene una carcasa externa 302 que
define un paso principal 304 para el flujo de aire. Hay trece tubos
externos abiertos 308 que se extienden a lo largo del paso 304
paralelos entre sí y al eje del quemador 300. Todos los tubos 308
son del mismo diámetro entre sí. Cada tubo 308 rodea al menos en su
extremo distal un tubo interno respectivo abierto coaxial 310. Las
salidas de los pares de tubos 308 y 310 están dispuestas en dos
grupos análogamente a los pares de tubos en el quemador 200. Así,
hay un grupo interior 312 de cuatro pares de salidas dispuestas de
la manera del grupo 212 del quemador 200 y un grupo dispuesto
circularmente externo 314 de pares de salidas de tubo. Sin embargo,
hay sólo nueve pares de salidas de tubos en el grupo 314. Además, el
espacio entre las salidas adyacentes de los tubos externos 308 en
el grupo externo 314 es el mismo que el espacio entre las salidas
adyacentes de los tubos 308 en el grupo interior 312. En
consecuencia, el aire que fluye por el paso 304 es distribuido igual
aproximadamente a los flujos individuales del gas que contiene
sulfuro de hidrógeno que abandona las salidas de los tubos 308,
estando ellos en el primer grupo 312 o en el segundo grupo 314.
Los diámetros de los tubos 310 no son todos
iguales Los tubos 310, cuyas salidas forman el primer grupo 312, son
de mayor diámetro interno que los tubos 308 cuyas salidas están en
el segundo grupo 314. Típicamente, el diámetro interno de los de
diámetro más grandes de los tubos 310 es al menos dos veces él del
diámetro interno de los más pequeños de diámetro de los tubos
308.
En contraste con el quemador mostrado en la
figura 2, la graduación de la llama resultante se hace más
pronunciada a mayor pureza del oxígeno suministrado a los tubos 308.
Además, dado que el quemador mostrado en la figura 3 se basa en una
disparidad entre las velocidades de suministro a los tubos de
oxígeno respectivos 310 de los primeros y segundos grupos 312 y
314, respectivamente, en general, pueden ser alcanzadas temperaturas
de llama más altas en la etapa primera o interior de la llama con el
quemador mostrado en la figura 3 que con el mostrado en la figura
2.
De ser deseado, ambos medios de alcanzar una
etapa interior de temperaturas altas y una etapa externa de
temperaturas bajas pueden ser empleados en el mismo quemador. Así,
el quemador mostrado en la figura 2 podría emplear en el primer
grupo 212 de pares de tubos de oxígeno 208 un diámetro más grande
que los tubos de oxígeno correspondientes 208 en el grupo segundo o
externo 214.
El quemador mostrado en la figura 2 o el que se
muestra en la figura 3 es capaz de producir una llama que en su
diámetro máximo, tiene una sección transversal generalmente como la
que se muestra en la figura 4, produciéndose una zona central de
temperaturas relativamente altas 402 y un área anular externa de
temperaturas bajas 404. La llama ocupa la mayor parte de la sección
transversal del quemador para mantener la utilización máxima del
espacio allí disponible.
La construcción de quemadores de la clase
mostrada en las figuras 2 y 3 se ilustra en la figura 5. Para
facilitar la ilustración, sólo se muestran tres pares de tubos
internos y externos en la figura 5. El quemador mostrado en la
figura 5 tiene una carcasa tubular alargada 502 que está abierta en
su extremo distal y que tiene en su extremo próximo una entrada 504
capaz de ser conectada a un suministro de aire comprimido (no
mostrado). La carcasa 502 está fijada herméticamente a una placa
trasera 506. La placa trasera 506 forma una pared de una primera
cámara de distribución de gas generalmente cilíndrica 508, la placa
trasera 506 está formada con aberturas en cuyos extremos próximos de
tubos externos abiertos 510, que son paralelos entre sí y al eje
longitudinal de la carcasa, son engranados herméticamente. Los
gases, por lo tanto, son capaces de fluir de la cámara de
distribución de gas 508 por los tubos 510 de sus extremos próximos a
sus distales. La cámara de distribución de gas 508 tiene una entrada
512 para el gas que contiene sulfuro de hidrógeno. Así, los tubos
externos 508 reciben el gas que contiene sulfuro de hidrógeno en la
operación del quemador. La cámara 508 está provista de otra placa
514 parte opuesta a la placa 508. La placa 514 forma una pared común
compartida por la cámara de distribución de gas 508 con una segunda
cámara de distribución de gas 516 que tiene una entrada 518 capaz
de ser conectada a una fuente de oxígeno comercialmente puro. La
placa 514 tiene aberturas en las cuales están engranados
herméticamente los extremos próximos de los tubos internos abiertos
520 por los que para la mayor parte de su longitud se extienden y
son coaxiales con los tubos externos 510. El oxígeno es capaz de
fluir de la cámara 516 por los pasos internos 520.
Como se muestra en la figura 5, los extremos
distales de todos los tubos internos 520 y todos los tubos internos
510 terminan en la misma normal al plano del eje del quemador. Debe
ser apreciado que los tubos internos 520 no están fijados a ninguna
placa o elemento similar en sus extremos distales. Para
proporcionarles soporte, cada tubo interno 520 puede estar provisto
de una cruceta 522 unida a ellos, haciendo un engranaje friccional
con la superficie interior del tubo externo 510 respectivo.
Análogamente, los tubos externos 510 están provistos de crucetas
524 unidas además, haciendo un engranaje friccional los extremos de
cada cruceta 524 con la superficie interior de la carcasa 502 o con
la superficie externa del otro tubo externo 510.
Típicamente, todas las partes del quemador
mostrado en la figura 5 están fabricadas de acero, típicamente, de
acero inoxidable. No hay ninguna comunicación entre la primera
cámara de distribución de gas 508 y la segunda cámara de
distribución de gas 516. Asimismo, no hay ninguna comunicación de
gas entre la cámara de distribución de gas 508 y el paso 502
definido por la carcasa 500. En consecuencia, no hay ninguna
premezcla de sulfuro de hidrógeno con aire o con oxígeno.
En referencia ahora a la figura 6, se muestra un
horno 700 que tiene un quemador 702 que se enciende generalmente
tangencialmente en el horno. Las paredes internas del horno 700
tienen una camisa refractaria. El quemador 702 tiene las entradas
704, 706 y 708 para oxígeno, aire y gas que contiene sulfuro de
hidrógeno, respectivamente. En general, la operación del horno
mostrado en la figura 6 es análoga a la mostrada en la figura 1. Sin
embargo, la llama (no mostrado) que se emite desde el quemador 702
tiende a tener una forma generalmente arqueada que se extiende a
través del horno 700. Como consecuencia de la forma de llama, la
camisa refractaria en el fondo del horno tiende a hacerse más
caliente que en lo alto. Es particularmente deseable asegurar que el
refractario en el fondo del horno 700 no se vuelve recalentado.
Otra propiedad de la configuración mostrada en la figura 6 es que la
carcasa del quemador es de corte transversal rectangular.
En referencia a la figura 7, un quemador 800
tiene una carcasa externa 802 de corte transversal rectangular que
define un paso principal 804 para el aire. El quemador 800 debe ser
para caldeo tangencial en un horno (no mostrado en la figura 7) de
la manera ilustrada en la figura 6. La extensión dentro del paso de
aire principal 804 en paralelo entre ellos es una multiplicidad de
tubos externos abiertos 806. Cada tubo externo 806 rodea a un tubo
interno coaxial 808 al menos al extremo distal del quemador 800. Los
tubos 806 comunican sus extremos próximos con una fuente del gas que
contiene sulfuro de hidrógeno; los tubos 808 comunican sus extremos
próximos con una fuente de oxígeno comercialmente puro o aire
enriquecido con oxígeno.
Los pares de tubos 806 y 808 están localizados
entre un grupo superior 810 y un grupo inferior 812. Hay ocho pares
de tubos en el grupo superior 810 y once en el grupo inferior 812.
Los tubos externos 806 son todos del mismo diámetro interno entre sí
que todos los otros tubos internos 808. Los tubos externos 806 en el
grupo superior 810 están, sin embargo, más extensamente espaciados
que los del grupo inferior 812.
En operación, toda la mezcla de sulfuro de
hidrógeno con oxígeno y aire ocurre corriente abajo del extremo
distal del quemador 800. La configuración de las salidas de los
tubos externos 806 y los tubos internos 808 es tal que permite
mantener en el horno, en operación, una llama estable con una
primera etapa de temperaturas altas que recibe moléculas de oxígeno
a una velocidad en el intervalo de (120x/300+y+z) a (240x/300+y+z)
m^{3} s^{-1} en la que todas las x, y y z tienen los
significados asignados anteriormente a ellas. Los pares de tubos en
el grupo inferior 812 alimentan con oxígeno o el aire enriquecido
con oxígeno y el gas que contiene sulfuro de hidrógeno a la etapa de
temperaturas bajas de la llama. Esta etapa de temperaturas bajas
protege las paredes internas del horno de la etapa superior de
temperaturas relativamente altas. Una forma de llama típica que
puede ser alcanzada por la operación del quemador 802 en el horno
mostrada en la figura 6 se ilustra esquemáticamente en la figura 9.
En referencia a figura 9, el quemador 802 se enciende en un horno
1000 y produce una llama generalmente arqueada 1002 que tiene una
etapa interior de temperaturas altas 1004 que tiene típicamente una
temperatura promedio en el intervalo de 1700 a 2300ºC y un área
externa de temperaturas bajas 1006 que tiene típicamente una
temperatura promedio por debajo de 1650ºC que protege una región
escogida de la pared interior del horno 1000 de la etapa 1004.
En referencia de nuevo a la figura 7, la
graduación de la llama es el resultado del hecho de que la emisión
de sulfuro de hidrógeno de los tubos externos 806 en el grupo
superior 810 es capaz de mezclar en proporción más aire que la
emisión de sulfuro de hidrógeno de los tubos externos 806 en el
grupo inferior 812. Por consiguiente, la etapa interior 1004 de la
llama 1000 es más rica en oxígeno que la etapa externa 1006.
En referencia ahora a la figura 8, se muestra un
quemador 900 que es generalmente similar al mostrado en la figura 7.
Así, el quemador 900 tiene una carcasa externa 902 de corte
transversal rectangular. La carcasa 902 define el paso principal 904
para el flujo de aire. Hay una multiplicidad de tubos externos
abiertos 906 que se extienden en paralelo entre sí. Cada tubo
externo 906 rodea un tubo interior abierto 908 al menos al extremo
distal del quemador 900. Todos los tubos 906 y 908 terminan en su
extremo distal en una normal al plano común al eje del quemador 900.
Los pares de tubos están situados en un grupo superior 910 y un
grupo inferior 912. Los tubos externos 906 en el grupo inferior 912
están situados más juntos que los tubos externos 906 en el grupo
superior 912. Por consiguiente, la clase de forma de llama mostrada
en la figura 9 es capaz de ser producida con un área caliente
interior 1004 y un área externa de temperaturas bajas 1006. Una
diferencia significativa, sin embargo, entre el quemador 900
mostrado en la figura 8 y el quemador 800 mostrado en la figura 7 es
que el diámetro interno de los tubos internos 908 del grupo superior
910 es mayor que el diámetro interno de los tubos internos 908 del
grupo inferior 912. La emisión de sulfuro de hidrógeno, por
consiguiente, de cada tubo externo 908 del grupo superior 910 es
capaz de mezclar proporcionalmente el oxígeno comercialmente más
puro que la emisión de sulfuro de hidrógeno de los tubos externos a
908 del grupo inferior 912. Una etapa de llama interior de
temperaturas más alta 1004 es, por lo tanto, capaz de ser producida
que en la operación del quemador mostrado en la figura 7.
Temperaturas promedios superiores a 2000ºC son fácilmente capaces de
ser creadas en la etapa interior 1004 sin exceder una temperatura
promedio de etapa interior de 1650ºC.
Nótese que en tales términos como
"110x/300", usados en este documento, el símbolo "/" es un
signo de división.
Claims (11)
1. Aparatos para la oxidación parcial de sulfuro
de hidrógeno que comprenden un horno (700, 1000) y un quemador de
sulfuro de hidrógeno de oxígeno de aire (702, 800, 900) que se
enciende en el horno (700, 1000), en el que el quemador (702, 800,
900) comprende un paso principal para el gas que ayuda a la
combustión y que contiene el aire, una multiplicidad de tubos
abiertos que conducen fluidos alargados externos espaciados (806,
906) que se extienden en paralelo entre sí a lo largo del paso
principal, cada uno de los tubos externos (806, 906) rodeando al
menos al extremo distal del quemador (702, 800, 900) un tubo
respectivo abierto que conduce fluidos alargado interior (808, 908),
extendiéndose los tubos internos (808, 908) en paralelo entre ellos,
una primera entrada (704) al quemador (702, 800, 900) para oxígeno o
aire enriquecido con oxígeno, y una segunda entrada (708) al
quemador (702, 800, 900) para alimentar el gas que contiene sulfuro
de hidrógeno, comunicándose una de la primera y segunda entradas
(704, 708) con los tubos externos (806, 906), y comunicándose la
otra de la primera y segunda entradas (704, 708) con los tubos
internos (808, 908), en el que las salidas de los tubos internos y
externos (808, 908; 806, 906) están dispuestas de tal forma que, en
operación, toda la mezcla de sulfuro de hidrógeno con oxígeno y aire
ocurre esencialmente corriente abajo del extremo distal del quemador
(702, 800, 900) y, caracterizado porque las salidas de los
tubos internos y externos (808, 908; 806, 906) también están así
yuxtapuestas y dimensionadas para permitir que sea mantenida en el
horno (700, 1000), en operación, una llama estable (1002) con al
menos una primera primera etapa de temperaturas altas (1004) y al
menos una segunda etapa de temperaturas bajas (1006), estando la
primera etapa (1004) más lejos que la segunda etapa (1006) de un
área escogida de la pared interior o de las paredes del horno (700,
1000), siendo protegida el área así escogida de la primera etapa
(1004) por la segunda etapa (1006), porque hay un primer grupo (810,
910) de los tubos internos y externos (808, 908; 806, 906) que, en
operación, alimentan la primera etapa (1004) de la llama (1002), y
un segundo grupo (812, 912) de los tubos internos y externos (808,
908; 806, 906) que, en operación, alimentan la segunda etapa (1006)
de la llama (1002), porque el quemador (702, 800, 900) tiene una
posición tangencial en relación con el horno (700, 1000), y porque
las salidas del primer grupo (810, 900) de los tubos internos y
externos (808, 908; 806, 906) están colocadas anteriores a las
salidas del segundo grupo (812, 912) de los tubos internos y
externos (808, 908; 806, 906).
2. Los aparatos según se reivindican en la
reivindicación 1, en el que los tubos internos (808, 908) se
comunican con la primera entrada (704).
3. Los aparatos según se reivindican en la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, en los que las salidas de
los tubos externos (806, 906) en el primer grupo (810, 910) están
más espaciadas que las salidas de los tubos externos (806, 906) en
el segundo grupo (812, 912).
4. Los aparatos según se reivindican en
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en los que hay al
menos dos veces tantos tubos (806, 808; 906, 908) en el primer grupo
(810, 910) que en el segundo grupo (812, 912).
5. Los aparatos según se reivindican en
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en los que los tubos
(806, 808; 906, 908) en el primer grupo (810, 910) que se comunican
con la primera entrada (704) son de un diámetro interno mayor que
los tubos (806, 808; 906, 908) en el segundo grupo (812, 912) que se
comunican con la primera entrada (704).
6. Los aparatos según se reivindican en en la
reivindicación 5, en los que los tubos (806, 808; 906, 908) en el
primer grupo (810, 910) que se comunican con la segunda entrada
(708) son del mismo diámetro interno que los tubos (806, 808; 906,
908) en el segundo grupo (812, 912) que se comunican con la segunda
entrada (708).
7. Los aparatos según se reivindican en
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en los que hay de 6
a 30 tubos (806, 808; 906, 908) en el primer grupo (810, 910).
8. Los aparatos según se reivindican en
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en los que los tubos
internos (808, 908) y los tubos externos (806, 906) todos terminan
en una normal al plano común al eje del quemador.
9. Los aparatos según se reivindican en
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en los que el paso
principal está definido por un puerto por el que el quemador se
enciende en el horno (700, 1000).
10. Los aparatos según se reivindican en
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en los que la
configuración del quemador (702, 800, 900) es tal que, en operación,
el flujo del gas que ayuda a la combustión que contiene aire es
suficiente para proporcionar la refrigeración adecuada para el
quemador (702, 800, 900).
11. Los aparatos según se reivindican en
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en los que la
primera etapa (1004) de la llama (1002) recibe moléculas de oxígeno
a una velocidad igual o mayor que (110x/300+y+z) m^{3} s^{-1},
en la que:
x es un caudal estequiométrico de moléculas de
oxígeno requeridas para la oxidación completa del sulfuro de
hidrógeno que entra en la primera etapa (1004),
y es un caudal estequiométrico de moléculas de
oxígeno requeridas para la oxidación completa de cualquier amoníaco
que entra en la primera etapa (1004),
z es un caudal estequiométrico de moléculas de
oxígeno requeridas para la oxidación completa de cualquier
hidrocarburo que entra en las primeras etapas (1004).
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