¿Las Pequeñas Plantas Modulares Encajan en un Mundo de Megaplants?

Las plantas de ácido sulfúrico han incrementado su capacidad en las últimas décadas. Hace treinta años, una planta con una capacidad de 2000 MTPD se consideraba grande. Actualmente, las plantas con más de 4500 MTPD se están volviendo más comunes. En el escenario actual, ¿existe interés en plantas con capacidad de 100–250 MTPD?

Mientras que grandes metalúrgicas y complejos industriales de fertilizantes requieren la producción a gran escala de ácido sulfúrico para el control de la contaminación y como insumo de proceso, los pequeños consumidores enfrentan dificultades en la logística de adquisición y en la fiabilidad del suministro de ácido sulfúrico.

Un consumidor de ácido sulfúrico en Brasil, Kalium Mineração, decidió construir su propia planta de ácido sulfúrico en lugar de comprar ácido. Debido a su ubicación remota, se decidió adquirir una planta modular de 150 MTPD.

Esta alternativa proporciona mayor flexibilidad y menor dependencia en la adquisición de ácido por parte de Kalium, un insumo importante dentro de su proceso productivo. Las ventajas en costos logísticos y de insumos también son factores impactantes, ya que se sustituye el azufre por ácido como insumo básico.

Otros beneficios están asociados con esta alternativa, como la reducción de gastos en combustibles para la generación de vapor necesario en el proceso, dado que el vapor es un coproducto de la planta modular de ácido sulfúrico.

Las ventajas económicas y estratégicas se han mostrado favorables para la utilización del concepto de plantas más compactas, con inversión mínima y capacidad productiva suficiente para atender la demanda local o el consumo propio. Esta alternativa podría aplicarse en Brasil entre los diversos consumidores de ácido sulfúrico de escala media.

La Planta

Clark Solutions diseñó una planta con combustión de azufre con una capacidad de 150 MTPD de ácido sulfúrico de tipo absorción simple con scrubber de peróxido. Según la estructura del sitio, la opción fue construir la planta de manera modular, interconectando los módulos después de su instalación.

La planta consiste en 9 (nueve) módulos, cada uno con dimensiones inferiores a un contenedor de 40 pies:

• 01 Módulo de fusión y filtración de azufre: consiste en un tanque de fusión y filtrado y un filtro de azufre diseñado para procesar más de 2 toneladas por hora de azufre sólido.
  • 01 Módulo de circulación de ácido: consiste en un tanque de acero inoxidable para la circulación de ácido, torre de secado, torre de absorción y tuberías.
  • 01 Módulo de compresión: con un soplador.
  • 01 Módulo de combustión de azufre: un horno horizontal revestido con boquillas de inyección fijas seguido de una caldera. Se produce vapor saturado a 10 bar para consumo en el proceso.
  • 01 Módulo de conversión #1: los gases del horno se alimentan a un conversor oblong de 2 pases diseñado con CFD.
  • 01 Módulo de conversión #2: los gases del conversor #1 se alimentan al conversor #2, de dimensiones similares. El enfriamiento de los pases se realiza con aire de dilución. El gas proveniente del conversor se enfría en una caldera antes de ser alimentado a la torre de absorción.
  • 02 Módulos de calderas: las calderas están posicionadas después de los pases de conversión para generar vapor a 10 bar.
  • 01 Módulo de Scrubber de H₂O₂: el arreglo de absorción simple no permite conversiones muy por encima del 98,5%. El SO₂ no convertido se dirige a un scrubber de peróxido de plástico, produciendo ácido diluido. Este ácido se consume como dilución en la planta.

El área requerida por la planta de ácido de Kalium es pequeña. Con espacio abierto para facilitar el acceso para mantenimiento y operación, con grandes corredores entre los módulos, el área total requerida por la planta es menor de 500 m².

Este modelo permite el (des)comisionamiento de la planta de acuerdo con la necesidad de producción y dentro de la planificación logística entre diferentes unidades. En caso de parada definitiva de operación, la planta puede transportarse fácilmente a otra unidad productiva.

La adición de más módulos también permite aumentar la capacidad de producción de una unidad con menores costos e intervenciones en campo en comparación con una planta convencional.

Operación

La planta de ácido presenta alta integración con el proceso, suministrando la necesidad de ácido y vapor de la operación de Kalium. Sin la planta de ácido, Kalium necesitaría comprar ácido en el mercado y quemar combustibles para generar vapor.

Al ser una planta de absorción simple con scrubber, hay consumo de H₂O₂ como agente de absorción para producir ácido débil, proporcionando emisiones por debajo de 100–200 ppm y turn-down por debajo del 50%, ya que no hay circuito intermedio que afecte el balance térmico de los lechos de conversión. La planta opera sin intercambiadores gas-gas.

Una aproximación interesante bajo evaluación, dada la demanda de vapor a 10 bar, es el uso del sistema de recuperación de energía indirecta patentado por Clark Solutions, el SAFEHR®.

En SAFEHR®, ácido concentrado (99,0–99,5%) a 200 °C se usa para absorber SO₃ en la torre de absorción. Este ácido, debido al calor de reacción, se calienta hasta cerca de 220 °C y se enfría en un intercambiador de calor 310SS mientras calienta el fluido propietario de Clark Solutions, el CS 270.

El fluido es totalmente inerte al ácido y al agua, por lo que en un evento de fuga no existe riesgo de propagación catastrófica de corrosión como ocurre en casos de dilución de ácido en fugas de sistemas convencionales. De hecho, como la fuga no presentará aumento, y no habrá dilución ni calentamiento del ácido, la planta puede incluso operar con el ácido filtrándose dentro del sistema con el fluido, pudiendo programar una parada para mantenimiento sin necesidad de paradas de emergencia. El sistema cuenta con un sistema de drenaje especial, que permite separar el ácido o el agua del fluido, que son inmiscibles

SAFEHR® es un sistema que consiste en:

• Una cama inferior de absorción de SO₃ con ácido caliente, generando calor en un rango de temperaturas que permite el aprovechamiento del calor en la generación de vapor a 10 bar;
• Una cama superior con ácido frío a moderado, condensando vapores de ácido y SO₃ provenientes de la cama inferior y reduciendo la temperatura del gas dirigido al scrubber;
• Un plato colector para evitar la mezcla de ácido caliente y frío;
• Y un sistema de intercambiadores de calor con circulación intermedia de fluido térmico para evitar el contacto entre ácido y agua, manteniendo el sistema libre de corrosión y explosión por H₂.
  Los demás componentes del SAFEHR® son similares a los utilizados en torres de absorción convencionales, salvo el material utilizado (310SS).

SAFEHR® proporciona el aumento de generación de vapor en aproximadamente 40%, y por cada tonelada de ácido el SAFEHR® puede producir 0,5 toneladas adicionales de vapor. Además del aumento de generación de vapor, SAFEHR® también reduce el requerimiento de agua de enfriamiento que sería utilizada en una torre de absorción convencional.

Beneficios

• Productos secundarios: el vapor es un coproducto del proceso y un insumo valioso. El scrubber también puede diseñarse para producir diferentes coproductos como sulfato de amonio, sulfato de sodio y otros.
  • Costo reducido de transporte: el transporte, especialmente en lugares de difícil acceso, tiene un impacto económico considerable. La planta de ácido reduce el volumen de transporte en aproximadamente 3 veces y también los riesgos asociados. Los accidentes con transporte de ácido son más peligrosos y dañinos que los accidentes con transporte de azufre sólido.
  • Menor costo de almacenamiento: el azufre puede almacenarse en pilas abiertas y consumirse según lo requiera, mientras que el ácido requiere tanques grandes y mantenimiento y riesgos asociados.
  • Seguridad en la construcción: el concepto modular reduce riesgos inherentes de construcción en campo. Los módulos pueden fabricarse en condiciones de trabajo mucho más controladas y seguras.
  • Calidad de construcción: los módulos son fabricados y probados en fábrica para garantizar calidad superior..

Conclusión

Aunque las plantas de ácido sulfúrico presentan capacidades cada vez mayores, las pequeñas plantas modulares continuarán encontrando aplicaciones para aquellos que necesitan 50–250 MTPD de consumo propio de ácido, beneficiándose también del vapor o energía generados en tales plantas.