Anexo A: Normas de emisiones
D.S. 112, 113, 114, 115 /03 - MINSEGPRES
Estas normas de calidad ambiental tienen por objetivo proteger la salud de la población de aquellos efectos generados por la exposición a niveles de concentración de ozono (O3), anhídrido sulfuroso (SO2), dióxido de nitrógeno (NO2) y monóxido de carbono (CO) en el aire.
Las concentraciones máximas permitidas (calidad primaria de aire), según los decretos, son:
O3 : 120 μg/m3 (8 horas)
SO2: 80 μg/m3 (anual) y 250 μg/m3 (24 horas)
NO2: 100 μg/m3 (anual) y 400 μg/m3 (1 hora)
CO: 10 mg/m3 (8 horas ) y 30 mg/m3 (1 hora).
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Anexo B: Propiedades químicas (REFPROP)
H2S PM 34.081 g/mol Densidad (27 C, 1.43 BAR) 1.9738 kg/m3 Viscosidad (27 C, 1.43 BAR) 0.01248 cP Densidad (27 C, 1 BAR) 1.3758 kg/m3 Entalpía de formación -20.63 kJ/mol
CO2 PM 44.01 g/mol Densidad (27 C, 1.43 BAR) 2.5395 kg/m3 Viscosidad (27 C, 1.43 BAR) 0.01503 2 cP Densidad (27 C, 1 BAR) 1.7721 kg/m3 Entalpía de formación -393.51 kJ/mol
H2O PM 18.015 g/mol Densidad (27 C, 1.43 BAR) 996.53 kg/m3 Viscosidad (27 C, 1.43 BAR) 0.85098 cP Densidad (27 C, 1 BAR) 996.52 kg/m3 Densidad (44 C, 1 BAR) 990.63 kg/m3 Entalpía de formación -285.83 kJ/mol Capacidad calorífica (44 C) 75.236 J/mol°K Hidrocarburos PM 55.257 g/mol Densidad (27 C, 1.43 BAR) 4.1603 kg/m3 Viscosidad (27 C, 1.43 BAR) cP Densidad (27 C, 1 BAR) 2.6481 kg/m3 NaOH PM 39.99711 g/mol Densidad (44 C, 1 BAR) 2099.9 kg/m3 Entalpía de formación -425.93 kJ/mol Capacidad calorífica (44 C) 60.12 J/mol°K
NaSH
PM 56.06271 g/mol
Densidad (44 C, 1 BAR) 1790 kg/m3 Entalpía de formación -237.6 kJ/mol Capacidad calorífica (44 C) -50.9 J/mol°K
Na2S
PM 78.04454 g/mol
Densidad (44 C, 1 BAR) 1860 kg/m3 Entalpía de formación -372.38 kJ/mol Capacidad calorífica (44 C) 79.696 J/mol°K
Na2CO3 PM 105.9884 g/mol Densidad (44 C, 1 BAR) 2540 kg/m3 Entalpía de formación - 1.13E+03 kJ/mol Capacidad calorífica (44 C) 113.89 J/mol°K
G1 L2 27 °C, 1.43 Bar 44 °C, 1 Bar Densidad [kg/m3] 0.9828 Densidad [kg/m3] 1508.06 Viscosidad [cP] 0.013429 Viscosidad [cP] 20.92008 PM [g/mol] 17.137 PM [g/mol] 24.841 G2 L1 27 °C, 1.43 Bar 44 °C, 1 Bar Densidad [kg/m3] 2.2435 Densidad [kg/m3] 1276.165 Viscosidad [cP] 0.013429 Viscosidad [cP] PM [g/mol] 38.926 PM [g/mol] 27.149
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Anexo C: Balance de masa del reactor
F1 Composición Fondo
mols/hr mol% kg/h peso% m3/h
H2S 291.06 60.65% 9.92 56.65% CO2 154.39 32.17% 6.79 38.80% H2O 29.75 6.20% 0.54 3.06% Hidrocarburos 4.71 0.98% 0.26 1.49% TOTAL 479.91 100% 17.51 100% 17.82 F2 Composición Tope
mols/hr mol% kg/h peso% m3/h
NaOH 307.47 31.05% 12.30 50.00%
H2O 682.66 68.95% 12.30 50.00%
TOTAL 990.13 100% 24.60 100% 0.016
F3 Composición Tope
mols/hr mol% kg/h peso% m3/h
NaSH 261.95 20.34% 14.69 42.00%
H2O 1003.21 77.89% 18.07 51.69%
Na2S 7.32 0.57% 0.57 1.63%
Na2CO3 15.44 1.20% 1.64 4.68%
F4 Composición Tope
mols/hr mol% kg/h peso% m3/h
H2S 21.7852 13.07% 0.74 10.40%
CO2 138.951 83.37% 6.12 85.65%
H2O 1.229423 0.74% 0.02 0.31%
Hidrocarburos 4.71 2.83% 0.26 3.65%
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Anexo D: Balances de reacciones (kmol/h)
H2S NaOH NaSH H2O
0.29 0.262
0.262 0.262 0.262 0.262
0.029 0.000 0.262 0.262
CO2 2NaOH Na2CO3 H2O
0.154 0.031
0.015 0.031 0.015 0.015
0.139 0.000 0.015 0.015
H2S 2NaOH Na2S 2H2O
0.029 0.015
0.007 0.015 0.007 0.015
Anexo E: Balance de energía (kJ/h)
H2S NaOH NaSH H2O ∆HRX kJ/h ∆HE 25°C
0.262 0.262 0.262 0.262 -20136.4 -299225
CO2 2NaOH Na2CO3 H2O ∆HRX kJ/h ∆HE 25°C
0.015 0.031 0.015 0.015 -2643.62 -35271.3
H2S 2NaOH Na2S 2H2O ∆HRX kJ/h ∆HE 25°C
0.007 0.015 0.007 0.015 -523.803 -16724.8 ∆HRX kJ/h ∆HE 25°C ∆Htotal kJ/h ∆HS -23303.8 -351221 -374525 -374525 TE,liq [°C] 44 TS [°C] 59
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Anexo F: Modelo para reacciones gas-líquido basado en la teoría del film
( → ) ( ) → Las ecuaciones gobernantes son las siguientes:
Aquí, x es la distancia real dentro del film con x = 0 representando la interface gas- líquido.
A continuación se introducen los siguientes parámetros adimensionales:
⁄
En donde es la solubilidad de equilibrio del gas A en el líquido, correspondiente a la presión parcial de A en la interface del gas.
⁄
Donde es la constante de la ley de Henry para la especie A.
⁄
Donde es la concentración de B en el bulk del líquido.
Finalmente, es la distancia adimensional en el film ( ⁄ ). Con estas variables, las ecuaciones gobernantes son las siguientes:
⁄ Donde y son dos cantidades adimensionales.
y
Notando que ⁄ , el número de Hatta se puede expresar también como:
Las condiciones de borde para la especia A son: Para , y por ende .
Para , tiene un valor específico dependiendo del proceso en el bulk del líquido. En otras palabras, dependerá del grado de las reacciones en el bulk, flujo dispersivo o convectivo, etc. Pero incluso para reacciones moderadamente rápidas, la concentración en el bulk del gas disuelto resulta ser cero, por lo que se toma este valor como cero. Por ende, para será usado como segunda condición de borde.
Un balance en la fase gas entrega la siguiente condición de borde:
( )
50 Notar también que la presión parcial interfacial de A ( ) está relacionada con la concentración interfacial de A en el líquido por la ley de Henry. Usando esto las condiciones de borde se pueden expresar en forma adimensional como:
( ) ( )
En donde ⁄ es el número de Biot para la transferencia de masa en fase gaseosa.
La condición de borde para la especie B se especifica de acuerdo a lo siguiente:
Para , ⁄ ya que B no es volátil y por lo tanto el flujo es cero. Para ,
Esto completa la definición del problema. Para resolver esto usando Matlab, las ecuaciones gobernantes se presentan como cuatro ecuaciones diferenciales de primer orden (de acuerdo a la sintaxis).
El programa de Matlab para realizar este cálculo se muestra abajo. El programa se usa para calcular la velocidad de absorción o para observar como cambia el régimen de absorción con los parámetros adimensionales.
Resumen
En el presente trabajo, se desarrolló un enfoque simplificado integral para diseñar de manera rápida y fiable una torre de absorción de lecho relleno para la producción de sulfhidrato de sodio al 42% a partir de un gas ácido de refinería con un alto contenido de ácido sulfhídrico y un contenido menor de dióxido de carbono. El diseño consideró la absorción selectiva de H2S sobre CO2, el cual estando presente no se necesita remover. Debido a las diferencias en las velocidades de absorción y actividad de los gases de H2S y CO2 en soluciones cáusticas y particularmente en soluciones de NaOH frescas, la selectividad de la absorción de H2S se vio favorecida por la reacción en la interface gas-líquido. Del mismo modo, la absorción de H2S se favoreció sobre la absorción de CO2 por tiempos cortos de contacto entre las fases gas y líquida. La absorción indeseada de CO2 se limitó por debajo del 10%, a pesar de la alta concentración a la cual se lleva a cabo el proceso.
Para el diseño de la torre se utilizó la teoría del film, que postula una película entre el bulk del gas (que se supone de composición homogénea) y la interfase en la cual se da la transferencia del reactante. A su vez, del lado del líquido se postula la existencia de una película contra la interfase en la que se da la transferencia de materia hasta el bulk del fluido (donde se asume una composición homogénea), con un decaimiento lineal en la concentración. Se determinó que la reacción es infinitamente rápida y de pseudo-primer orden en la interfase, al comprobarse que el factor de incremento (Ei) es mayor que cinco veces el módulo de Hatta (MH). De este modo, se aplicó la aproximación de que Ei ≈ MH para el posterior dimensionamiento del equipo. La transferencia de calor en la fase gaseosa se despreció.
Finalmente, a partir de la conversión de H2S en NaSH del 90%, el diseño de la torre arrojo los siguientes resultados:
Altura de lecho: 5,95 m
Diámetro: 1,33 m
Caída de presión: 19,5 in H2O