Generación de Energía de Forma Segura

La tecnología de recuperación de calor SAFEHR® de Clark Solutions es un nuevo enfoque para la producción de ácido sulfúrico que aborda cuestiones y preocupaciones con respecto a corrosión, paradas, y describe la tecnología SAFEHR®, sus beneficios y usos para ayudar al operador de la planta de ácido a recuperar energía de manera eficiente y segura.
Las plantas de ácido sulfúrico son generadoras de energía. Las plantas de combustión de azufre y recuperación de ácido gastado queman azufre o combustible para producir gases SO₂ mientras generan calor. La reacción de oxidación de SO₂ a SO₃ también es exotérmica y produce calor. Finalmente, tanto la humedad como la absorción de SO₃ en el ácido fuerte generan calor a lo largo de los empaques de las torres.
Las principales reacciones exotérmicas en las que se genera calor en plantas típicas son:

Combustión de azufre: S + O₂ → SO₂
Oxidación de SO₂: SO₂ + ½ O₂ → SO₃
Absorción de SO₃: SO₃ + H₂O → H₂SO₄

En una planta típica de combustión de azufre, el calor se genera en muchas unidades de proceso. La Tabla 1 muestra el calor generado en diferentes etapas en una planta típica de 1.000 t/d, operando con 11,5% de concentración de SO₂.
La tecnología estándar de recuperación de calor utiliza las fuentes 1 a 5 para generar energía normalmente produciendo vapor sobrecalentado de alta presión, hasta 63 bar abs y 480 °C. La energía de las fuentes 6 a 8 se rechaza normalmente a la atmósfera a través de torres de enfriamiento de agua.
La Tabla 2 muestra la recuperación de calor en una planta estándar de combustión de azufre de alta eficiencia.

La fracción de calor recuperada se convierte en vapor de alta presión que, a su vez, se usa para generar energía eléctrica y/o se usa para otros fines térmicos, como la evaporación de ácido fosfórico, etc.

Este fue el estándar de recuperación de calor en plantas de ácido sulfúrico hasta principios de la década de 1980. Como regla general, una planta de ácido sulfúrico de doble absorción muy eficiente recuperaría no más del 65% del calor total generado en la planta.

Con el advenimiento de los procesos de recuperación de calor para recuperar calor a partir de la etapa de absorción intermedia de la reacción:

 

SO3+H2O → H2SO4

 

La recuperación total de calor de las plantas de ácido sulfúrico aumentó de 65% a 90%.

El éxito y el rápido retorno de la inversión en las torres intermedias en algunas ocasiones fue seguido por preocupaciones de corrosión, paradas y explosiones.

En los pocos casos en que el agua en ebullición se filtró hacia el ácido fuerte y caliente, el efecto fue muy perjudicial para la operación. La reacción agua–ácido a altas temperaturas es muy exotérmica y muy rápida; conforme ocurre la reacción, el ácido se diluye y se calienta y, particularmente en el punto de fuga, se vuelve más corrosivo, acelerando el proceso de corrosión.

La falla de la caldera de recuperación de calor puede ser catastrófica; además de la falla en sí, como regla general, la planta de ácido y, en consecuencia, todo el complejo debe apagarse, lo que hace que los costos de la falla se incrementen.

A veces, las paradas son mucho más críticas que los costos del equipo dañado. Algunas plantas, para evitar paradas inesperadas, han construido torres independientes de recuperación de calor y sistemas de recuperación de calor para protegerse contra tal falla.

La falla de una caldera o del enfriador de ácido sigue siendo un problema crítico que puede potencialmente cerrar la planta en caso de explosiones de hidrógeno.

 

El problema de la generación de hidrógeno

La corrosión del hierro por el ácido sulfúrico genera hidrógeno de acuerdo con:

 

H2SO4 + Fe  → FeSO4 + H2(g)

 

La tasa de formación de hidrógeno aumenta con las temperaturas de operación del ácido.

El hidrógeno puede dañar equipos por varios mecanismos, tales como endurecimiento por solución sólida, fragilización por hidrógeno, formación de ampollas y otros. También puede acumularse en puntos altos de la planta e inflamarse, provocando explosiones.

La literatura reciente registra varios eventos de explosiones de hidrógeno en los cinco continentes. Todos ellos fueron seguidos de enormes daños a equipos, propiedades y, en algunos casos, personas.

En operaciones normales, dentro de la tasa estándar de corrosión <1 mil/año, la generación de hidrógeno es mínima. A medida que el ácido fuerte se diluye, su corrosividad aumenta y la generación de hidrógeno crece en consecuencia.

Por lo tanto, para eliminar definitivamente la formación de hidrógeno en el ácido y sus consecuencias perjudiciales, sin perder los beneficios de la recuperación de calor, es importante evitar la formación de ácido débil.

Con este concepto en mente, Clark Solutions desarrolló y patentó la tecnología de recuperación de calor SAFEHR®.

 

El concepto SAFEHR®

El concepto detrás de la tecnología SAFEHR® es el uso de una familia de fluidos inertes propietarios, los fluidos CS, para funcionar como medios intermedios entre el ácido caliente y el agua de alimentación de la caldera.

Los productos de fluido CS presentan una serie de propiedades que los hacen únicos para funcionar como medios intermedios en tales sistemas:

• Inertes al ácido y al agua: el fluido es totalmente inerte al ácido (en cualquier concentración) y al agua.
•  No corrosivos: pueden usarse con prácticamente cualquier material sin riesgo de corrosión, siendo compatibles con ácidos fuertes, agua, fluidos orgánicos, entre otros.
• No tóxicos: el fluido está aprobado por la FDA y su manejo y almacenamiento no requieren medidas especiales.
• No inflamables: no se incendia, incluso si una fuente de ignición entra en contacto con el fluido caliente.
• Altos puntos de ebullición: los puntos de ebullición variarán entre 200°C y 300°C dependiendo del fluido y de la aplicación seleccionada.
• Densidad entre el agua y el ácido: las densidades del fluido a temperaturas de operación estarán entre 1,3 g/cm³ y 1,5 g/cm³, entre las densidades del agua líquida (880–980 g/cm³) y del ácido fuerte (1,6–1,8 g/cm³), manteniendo las fases separadas incluso en situaciones de fuga.
• Bajas presiones de vapor: normalmente inferiores a 20 mm c.a., lo que minimizará las pérdidas por evaporación.
• Olor: el fluido es inodoro y no requiere máscara ni otros dispositivos respiratorios mientras se manipula..

 

Básicamente, los sistemas SAFEHR® son un circuito cerrado, donde el ácido caliente es enfriado por el fluido CS, que a su vez calienta el agua de alimentación de la caldera:

La Fig. 2 muestra el circuito cerrado SAFEHR® para condiciones de alta temperatura.

El fluido CS es un fluido polimérico, inerte e inmiscible tanto con el agua como con el ácido sulfúrico.

Los sistemas de fluido CS se mantienen a una presión inferior a los sistemas de ácido y de agua; por lo tanto, en caso de una fuga, el fluido que se fuga seguirá hacia el circuito del fluido CS, lo que permitirá que se identifique la fuga.

La tensión interfacial y las diferencias de densidad entre los fluidos hacen que un coalescedor líquido‑líquido en un excelente tanque de almacenamiento.

El ácido se asentará en el fondo del coalescedor y el agua permanecerá arriba, de modo que, incluso en el caso improbable de que ambos fluidos se filtren, todavía no habría contacto entre ellos. El tanque coalescedor/decantador está diseñado para segregar fácilmente los fluidos. El control de conductividad y nivel garantiza que se identifique rápidamente una fuga.

La Fig. 3 muestra la corrosión promovida por ácido sulfúrico con contacto de agua (izquierda) y contacto con fluido CS 270 (derecha).

Aplicaciones SAFEHR®

Las explosiones de hidrógeno no se limitan a plantas convencionales de recuperación de calor. En Brasil, en los últimos diez años, tres plantas de ácido han registrado explosiones de hidrógeno. Dos de ellas estuvieron relacionadas con fugas en el enfriador de ácido. Ninguna de ellas produjo lesiones al personal, pero todas causaron importantes daños a equipos y pérdidas por producción.

Plantas convencionales

SAFEHR® como concepto puede usarse en plantas existentes, como un ciclo intermedio en el circuito de enfriamiento de ácido (ver Fig. 4).

En estos casos, el sistema de ácido fuerte estará protegido de fugas, incluso en condiciones perturbadas.

El enfriador de ácido fuerte puede ser una unidad casco y tubo o una unidad de placas; esta última requerirá menores cargas de fluido refrigerante. El calentador de agua será una unidad de placas construida en acero inoxidable 304/3016, ya que no existe riesgo de corrosión en este lado del proceso.

El lado del agua del enfriador de ácido fuerte estará protegido y libre de corrosión o incrustación al estar solo en contacto con el fluido CS, inerte y térmicamente estable. En tal caso, el propósito de SAFEHR® es añadir confiabilidad al sistema(s) de enfriamiento de ácido y eliminar el riesgo de explosión de hidrógeno.

Sistemas existentes de recuperación de calor

Un sistema existente de recuperación de calor puede beneficiarse de un sistema SAFEHR® montado sobre skid como reemplazo del intercambiador entre el ácido fuerte y el agua de alimentación de la caldera.

Esto agregará seguridad al proceso y permitirá que la caldera se construya con materiales menos costosos.

Mientras que en un sistema convencional una fuga de agua de alimentación de la caldera fluiría hacia el sistema de ácido, requiriendo el cierre de toda la planta de ácido o la unidad de recuperación de calor, en una unidad SAFEHR® la fuga fluirá hacia el skid SAFEHR®, sin contacto entre los fluidos, permitiendo al operador planificar el mantenimiento con anticipación.

 

Sistema completo

SAFEHR® también puede implementarse como un sistema completo (ver Fig. 5). En este caso, Clark Solutions eligió diseñar el sistema utilizando ácido sulfúrico 99,0–99,5% como medio absorbente, ya que esto permitirá el uso de materiales de acero inoxidable 310S menos costosos. Nada impide, sin embargo, que el sistema se construya para ácido 98,0–98,5% utilizando acero inoxidable Alloy 33 o CSX (UNS32615).

El sistema completo está básicamente compuesto por:

• Una torre de absorción de dos etapas con cámara de bombas integrada
• Una bomba de ácido
• El sistema SAFEHR®

El SO₃ admitido en la parte inferior de la torre se absorbe en la cama inferior de empaques donde la reacción calienta el ácido a 220–225 °C. Los gases que salen de esta etapa pasan por una bandeja colectora donde se vuelven a mezclar antes de llegar a la cama superior de empaques.

El ácido concentrado caliente del fondo de la torre es bombeado desde la cámara de bombas por una bomba centrífuga vertical hacia el enfriador intermedio, donde intercambia calor con el fluido CS. El fluido circula en un sistema cerrado y calienta agua de alimentación de caldera u otros fluidos en este circuito.

La bandeja colectora aporta un beneficio sustancial a la recuperación de energía ya que evita que el ácido frío se mezcle con el ácido de la sección inferior, enfriándose y reduciendo la temperatura inferior.

En la parte superior de la cama superior, se irriga ácido frío para condensar la niebla y absorber cualquier traza de SO₃ no absorbido de la cama inferior. Esto garantiza absorción máxima y mínimo arrastre de niebla ácida.

Una vez que el ácido del nivel superior — proveniente de la torre de secado o de la torre final dependiendo del arreglo de la planta — alcanza la cima de la bandeja colectora, se recoge y se reenvía por gravedad de vuelta a la torre de donde vino.

La cama superior, así como el sistema de tuberías conectado a ella, puede diseñarse para absorción completa de SO₃, permitiendo que la torre opere con o sin el circuito intermedio.

Los gases, libres de SO₃, fluyen a través de eliminadores de niebla tipo vela donde las finas nieblas ácidas son capturadas y el gas continúa hacia el proceso o hacia la chimenea/scrubber en sistemas de absorción simple.

El sistema de enfriamiento intermedio

El sistema de enfriamiento intermedio puede suministrarse como un skid separado para una planta existente o como parte de un nuevo sistema de recuperación de calor.

Está compuesto por:

• Un intercambiador de calor ácido‑fluido
• Un coalescedor líquido‑líquido
• Una bomba
• Un intercambiador fluido‑agua
• Y un vaso buffer

 

El intercambiador de calor ácido‑fluido puede ser un intercambiador de placas, un intercambiador casco y tubo o un intercambiador Alfa‑Laval Compabloc totalmente soldado. La elección del intercambiador depende de la temperatura del ácido y de los niveles de presión del agua en el sistema.

Las presiones se controlan para que el circuito de fluido opere en la condición de menor presión. En caso de fugas eventuales, las diferencias de presión obligan a los líquidos a entrar en el circuito intermedio. Las fugas de ácido llegarán al coalescedor, mientras que las fugas de agua circularán al vaso buffer o coalescedor. Las fugas de ácido se detectarán en el fondo del coalescedor por conductividad, mientras que las fugas de agua se indicarán por un aumento del nivel de líquido en el sistema.

Las fugas de ácido no se acelerarán ya que no hay calor de dilución o ácido débil formado en el área de la fuga, condicionando el proceso de corrosión localizado a involucrar más lentamente, dando tiempo para una parada planificada.

 

Materiales de construcción

SAFEHR® está diseñado para ser seguro y durar muchas décadas. Los materiales de construcción son elegidos en consecuencia. La Fig. 6 muestra el rango operativo de SAFEHR®.

La torre SAFEHR® está construida con tres secciones de materiales diferentes.

La sección inferior y la cámara de bombas, donde se almacena el ácido fuerte caliente, están revestidas con ladrillos y acero inoxidable 310S. El 310S es extremadamente resistente a las condiciones de operación, pero el cuidado adicional con el revestimiento de ladrillos garantizará la confiabilidad a largo plazo y reducirá el riesgo de generación de hidrógeno y presencia de níquel y cromo en el ácido producto.

La bandeja colectora está construida en acero inoxidable 310S.

Desde la bandeja colectora hacia arriba, hasta la placa de tubos de las velas, la construcción es en SX®. En esta región, el ácido a 80 °C no representa riesgo para SX. Esta sección podría construirse usando acero inoxidable 310S, pero, como muestra la Fig. 6, la operación se acercaría a la línea de 1 mil/año y, por principio de diseño, Clark Solutions optó por mantener la corrosión por debajo de ese límite siempre que fue posible.

La placa de tubos, la carcasa de las velas y el conducto de salida están construidos en acero inoxidable 316L.

Entrando al sistema intermedio, los intercambiadores ácido‑fluido son construidos en 310S (Compabloc) o 310S (tubos y colectores) y 304S (casco) en el caso cabo y tubo.

El intercambiador fluido‑agua puede ser acero al carbono/304/316, intercambiador de placas en espiral o casco y tubo, dependiendo de cómo se distribuirá el calor. Es importante notar que la caldera SAFEHR® puede construirse con materiales menos costosos ya que manejará agua en lugar de ácido sulfúrico.

El coalescedor líquido‑líquido es un recipiente cilíndrico vertical de 3 fases equipado con un coalescedor tipo plate‑pack en 316/310S para mantener las fases (agua/ácido/fluido) separadas incluso en casos de fuga.

La bomba principal de ácido es CD4MCu, mientras que la bomba del circuito intermedio es una bomba centrífuga en 316 SS, al igual que la tubería y el tanque de expansión.

Sistema de vapor

Con SAFEHR® no hay límites en cuanto a cómo usar el calor recuperado. Por ejemplo, parte de la energía podría usarse para calentar agua de alimentación de caldera de alta presión, como se muestra en la Fig. 7.

Como ejemplo, una planta de ácido que produce 1.000 t/d sin un sistema de recuperación de calor produciría aproximadamente 54 t/h de vapor a 40 bar y 400 °C.

Si tuviese un sistema de recuperación de calor convencional, se podría producir 20 t/h adicionales de vapor saturado a 10 bar.

Con SAFEHR® parte de la energía utilizada para producir vapor de baja presión podría realmente desplazarse a alta presión. Por ejemplo, si todo el calor disponible pudiera aprovecharse habría un aumento del 20% en la cantidad de alta presión (ver Tabla 4 y Fig. 8).

El calor SAFEHR®, en forma de agua caliente o vapor, puede usarse para otros fines.

 

Conclusión

SAFEHR® es un nuevo enfoque para la producción de ácido. Mientras agrega una gran cantidad de seguridad al proceso y reduce el riesgo de corrosión, esto se logra sin ninguna pérdida sustancial de energía. Por el contrario, dependiendo de la configuración, el sistema SAFEHR® puede mejorar la calidad del vapor, una ventaja particularmente interesante para plantas que generan energía eléctrica.