IT386-2014 - Gases Industriais H2, CO2, SO2, NH3, C2H2

DISCIPLINA – IT 386PROCESSOS QUÍMICOS E

BIOQUÍMICOS

CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

PROFESSORES: DILMA ALVES COSTA e MARIA ALICE C. LOPES DE OLIVEIRA

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO

INSTITUTO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

- QUÍMICA E PETROQUÍMICA

Produção de Hidrogênio – H2 - Origem

O hidrogênio é matéria-prima importante na indústria petroquímica, sendo usado por exemplo na síntese de amônia e metanol.

Os processos de hidrotratamento e hidrocraqueamento das refinarias também empregam hidrogênio em abundância, e algumas o produzem nas unidades de reforma catalítica.

No entanto, não sendo possível a síntese de H2 em

quantidades suficientes ao consumo, pode-se instalar uma unidade de geração de hidrogênio, operando segundo reações de oxidação parcial das frações pesadas ou de reforma das frações leves com vapor d’água.

Geração de H2 – Reforma com vapor d’ água

A reforma com vapor (Steam reforming), em particular, é a rota escolhida pela Petrobrás. Nela, hidrocarbonetos são rearranjados na presença de vapor e catalisadores, produzindo o gás de síntese (CO e H2).

Mais hidrogênio é posteriormente gerado através da reação do CO com excesso de vapor, após a absorção do CO2

produzido em monoetanolamina (MEA).

As reações envolvidas na reforma com vapor são as seguintes:

n C +n H2O → n CO + n H2 (reação extrem. endotérmica)

CnHm +n H2O → n CO + (n + m/2) H2 (reação endotérmica)

CO + H2O → CO2 + H2



Geração de Hidrogênio

Uma unidade de geração de hidrogênio Steam reforming é subdividida em três seções principais:

Seção de Pré-tratamento: Visa principalmente à remoção de compostos de enxofre e cloro, por hidrogenação, em um reator constituído de quatro leitos de catalisadores (ZnO; CoO-MoO3 e

alumina ativada); Seção de Reformação: Opera com fornos e conversores de alta e baixa temperatura, para produção do gás de síntese. Os catalisadores empregados são à base de (NiO-K2O, Fe3O4-Cr2O3 e

CuO-ZnO); Seção de Absorção de CO2: Promove a remoção do CO2 através

de absorção por MEA, produzindo correntes de H2 com pureza

superior a 95%.


Geração de H2 – Fluxograma de Reforma com

vapor d’ água do propano.


Geração de Gás de síntese - CO e H2

Produzido principalmente pela reforma a vapor do gás natural, o gás de síntese é um termo usado para misturas de H2 e CO.

A reforma é o processo de produção mais importante quando o metano é a fonte de carbono e hidrogênio. É obtido também a partir do esterco, do carvão e de resíduos de óleo cru.

A proporção entre H2 e CO na mistura é variável e depende

do tipo de carga, do método de produção e do destino a ser dado ao gás.


Tratamento do Gás Natural (retirada de H2S)

A retirada do H2S pode ser realizada por processo de adsorção

(carvão ativado) ou absorção (solução de MEA ou DEA), ou ainda hidrotratamento.

O carvão é um adsorvente bastante utilizado tanto na remoção dos odores (gases) originados dos alimentos de uma geladeira, bem como na remoção de substâncias orgânicas, durante a purificação da água ou de gases, em filtros com carvão ativado.

O Carvão Ativado normalmente é 100 vezes mais poroso que o carvão comum. A porosidade esta diretamente ligada à purificação que o material sofre na ativação, removendo substâncias contidas nos poros obstruídos do carvão comum.


Adsorção de H2S

O processo de purificação do carvão (ativação) é realizado em fornos ativadores a uma temperatura de aproximadamente 800 ºC, e atmosfera redutora; deixando pontes de ligação abertas no interior dos poros.


Fontes de Gás de síntese


Diagrama de blocos da produção do gás de síntese


Produção de Amônia

A amônia é produzida através da reação do hidrogênio com o nitrogênio atmosférico.

N2 (g) + 3 H2 (g) → 2 NH3 (g)

Neste processos os gases nitrogênio e hidrogênio são combinados diretamente, sob pressão e temperatura, na presença de catalisador.

O nitrogênio é obtido do ar atmosférico e o hidrogênio a partir do gás natural.

http://www.ambientebrasil.com.br/composer.php3?base=./energia/petroleo/index.html&conteudo=./energia/petroleo/petroleo.html


Produção de Amônia - Condições de processo

A reação entre nitrogênio e hidrogênio é reversível, portanto, o rendimento na produção do amoníaco depende de algumas condições:

Temperatura: A formação da amônia é um processo exotérmico, portanto, baixas temperaturas favorecem a produção do NH3 , e o aumento da temperatura tende a deslocar

o equilíbrio da reação no sentido inverso.

Por outro lado, a redução da temperatura diminui a velocidade da reação, deste modo, uma temperatura intermediária é a ideal para favorecer o processo. Experiências demonstraram que a temperatura ideal é a de 450ºC.



Pressão: O aumento da pressão favorece a formação da amônia, devido a contração de volume (diminuição do número de moléculas). Portanto, o aumento da pressão aumenta o rendimento de formação do produto.

O aumento da pressão deve ser economicamente viável e não tornar os custos de produção demasiadamente elevados.

A pressão considerada tecnicamente e economicamente viável está acima de 200 atmosferas.



Catalisador: O catalisador não afeta o equilíbrio, porém acelera a velocidade da reação para atingir o equilíbrio.

A adição de catalisador permite que o processo se desenvolva favoravelmente em temperaturas mais baixas.

No início, para a reação Haber-Bosch , usava-se o ósmio e urânio como catalisadores.

Atualmente utiliza-se de maneira extensiva o ferro.


A amônia formada é um gás, porém quando refrigerado e sob alta pressão pode ser liquefeito.

Nestas condições, sob a forma líquida, não ocorre a reversibilidade, ou seja, a reação a decomposição em nitrogênio e hidrogênio não acontece.

Muito usada em ciclos de refrigeração devido ao seu elevado calor de vaporização e temperatura crítica. Também é utilizado em processos de absorção em combinação com a água.

O amoníaco e seus derivados uréia, nitrato de amônio e outros são usados na agricultura como fertilizantes. Também é componente de vários produtos de limpeza.

Produção de Amônia - Aplicações


Produção de Amônia – Fluxograma


Produção de CO2

Apesar de serem muitas as fontes de CO2, as mais

importantes na produção comercial são:

- Gases de combustão de materiais carbonáceos (óleos combustíveis, gás combustível, coque), contendo de 10 a 18% de CO2;

- Co-produtos da indústria de fermentação, resultante da decomposição da dextrose em álcool e CO2, o gás contém cerca de

99% de CO2;

- Co–produção de gás H2.

Nas produções, à partir da combustão de carbonáceos ou como co-produtos de H2, utiliza-se um sistema de absorção

para concentrar o CO2 até 99%.

Em todos os casos o CO2 deve sofrer tratamentos químicos

para redução de impurezas menores, que contaminam o gás.


Produção de CO2

1 - Combustão de materiais carbonáceos (óleos combustíveis, gás combustível, coque).

Queima-se o óleo, gás natural ou coque para gerar vapor a 14 atm namométricas e obtém-se 10 a 15% de CO2, a 350ºC,

O CO2 é removido pela absorção seletiva, numa solução aquosa de

DEA (dietanolamina),

O CO2 e o vapor da solução aquosa saem pelo topo da coluna

(reativador), são resfriados, para condensar o vapor, que retorna à torre como refluxo,

O CO2, a 2 atm manométricas, é purificado num lavador a

permanganato de potássio, ficando isento de traços de H2S e de

aminas, posteriormente o CO2 é seco, comprimido, resfriado e

liquefeito.


Produção de CO2

2 – Co-produto do processo fermentativo para produção de álcool.

Oxidação de impurezas orgânicas e desidratação, na presença de compostos químicos, sob a forma líquida. O gás proveniente dos fermentadores, passa por 03 torres lavadoras, recheadas com espirais de cerâmica, seguindo para o gasômetro.

Essas torres contém solução alcoólica diluída, que remove a maior concentração de álcool carreado pelo gás. As duas torres seguintes contém água desaerada e removem quase todas as impurezas solúveis na água.

Ao sair do gasômetro, o gás é conduzido a um depurador contendo uma solução de K2Cr2O7 que vai oxidar os álcoois e aldeídos

residuais. O gás é então resfriado e segue para uma torre contendo H2SO4 para completar a oxidação e é neutralizado numa torre

contendo Na2CO3.


Produção de CO2 -

Fluxogramas (Combustão de

óleos combustíveis e co-produto de

processo fermentativo)


Produção de Acetileno Existem dois processos empregados para produção de

acetileno.

O processo mais antigo de reação de carbeto de cálcio com água ainda é usado nas indústrias de pequeno porte.

Produção de acetileno pela reação de CaC2 e H2O.

CaC2 + 2H2O - Ca (OH)2 + C2H2

Existem dois métodos para gerar acetileno a partir do carbeto de cálcio. O método descontínuo, ou úmido, que ocorre num vaso cilíndrico contendo água, onde o carbeto de cálcio é adicionado, numa velocidade controlada. O hidróxido de cálcio é descarregado sob a forma de leite de cal (90% de água). A geração de acetileno “a seco”, é um processo contínuo, com alimentação automática. Neste processo 0,45 kg de água é adicionada a cada 0,45 kg de carbureto de cálcio e o calor de reação é dissipado pela evaporação da água. A cal residual fica na forma seca.


Produção de Acetileno

Para as indústrias onde a produção é muito alta, utiliza-se o processo de craqueamento do gás natural ou de hidrocarbonetos líquidos, sob oxidação parcial.

Oxidação parcial de hidrocarbonetos

CH4 + O2 - CO2 + H2O

CH4 - C2H2 + 3H2

CH4 - C + 2H2

A decomposição do CH4 começa em torno de 580ºC e compete com a

degradação do acetileno. Para diminuir esta decomposição, depois de se elevar a carga (gás natural ou outro hidrocarboneto) a uma temperatura alta - 1500ºC, durante um curtíssimo tempo (cerca de milissegundos), estanca-se a reação instantaneamente.



Produção de Acetileno – Processo de Oxidação parcial de hidrocarbonetos

CH4 + O2 - CO2 + H2O

CH4 - C2H2 + 3H2

CH4 - C + 2H2

O oxigênio (90-98%) e o gás natural são aquecidos separadamente até 650ºC;

Os dois gases quentes são conduzidos até o queimador (reator) e misturados numa razão molar de 0,6/100 - O2/GN;

O queimador é constituído de 03 compartimentos: uma câmara de mistura, uma zona de conversão e uma câmara de extinção ou arrefecimento;

A conversão química é uma combustão parcial do GN (2/3) quase instantânea;

A reação global do GN (combustão e cisão) atinge 90 – 95%, enquanto que o O2 é 100% convertido. O tempo de residência é - 0,001 a 0,1 segundos;

Os gases produzidos e o acetileno residual são resfriados rapidamente, até 40ºC.



Produção de Acetileno – Processo de Oxidação parcial de hidrocarbonetos (continuação)

CH4 + O2 - CO2 + H2O

CH4 - C2H2 + 3H2

CH4 - C + 2H2

A composição do produto final é em média de: 8,5% de C2H2, 57% de H2, 25,5% de

CO, 3,3% de CO2, 4% CH4, 0,6% de Acetileno superiores, 1,2% de Inertes;

A fuligem é removida em um filtro para carvão;

Os gases limpos são comprimidos a 11,2 atm manométricas;

O acetileno é removido em uma coluna recheada por um solvente seletivo (dimetilformamida);

O CO2 é evaporado e extraído da solução rica em acetileno, em uma coluna de

fracionamento. A solução absorvedora é recuperada e reciclada ao processo;

os acetilenos superiores e a H2O são extraídos sob pressão reduzida.


Fluxograma de Produção de Acetileno - Processo de oxidação parcial de

hidrocarbonetos


Produção de SO2

As fontes principais para a produção de SO2 são:

- S (depósitos naturais de enxofre);

- Pirita (CuFeS2; FeS);

- Petróleo bruto e gás natural (H2S)

A seleção da matéria prima a ser processada na obtenção de SO2, depende da influência de diversos fatores, tais como:

- Disponibilidade da matéria prima;

- Aproveitamento de subprodutos;

- Custos de secagem e de limpeza do gás (SO2).


Produção de SO2

De uma forma geral, o efeito combinado desses fatores conduz, na maioria dos casos, à seleção de piritas e enxofre como matéria prima preferencial.

O SO2 é obtido por:

Combustão do enxofre:

S(s) + O2(g) - SO2(g)

Ustulação de piritas (sulfureto de ferro) ou outros sulfuretos metálicos:

4 FeS(s) + 7 O2(g) - 2 Fe2O3(s) + 4 SO2(g)

Combustão de sulfureto de hidrogênio (sub-produto):

2 H2S(g) + 3 O2(g) - 2 SO2(g) + 2 H2O(g)


Produção de SO2

Para obtenção do SO2, o enxofre sofre um processo de

combustão, no qual são utilizados, como agentes comburentes, o oxigênio ou, mais comumente ar previamente submetido a uma operação de secagem com ácido sulfúrico.

Tal operação de secagem visa basicamente a impedir a formação de ácidos sulfurosos ou sulfúrico, mediante reação do SO2 e do SO3 com a umidade do ar nas tubulações e

equipamentos da unidade não protegidos para suportar a agressividade química desses produtos.

A utilização de oxigênio em lugar de ar seco, no processo de combustão do enxofre, proporciona as seguintes vantagens:

- redução considerável das dimensões dos equipamentos da instalação;- diminuição substancial de gases residuais poluentes, com conseqüente

aumento de eficiência global do processo.


Produção de SO2

Em contrapartida a essas vantagens, a utilização de enriquecimento de oxigênio na combustão do enxofre exige o emprego de materiais especiais, e consequentemente mais caros, para a fabricação de equipamentos, que os exigidos quando é utilizado ar seco na referida reação de combustão.

A exigência de materiais mais nobres, na alternativa de uso de oxigênio é devida aos níveis mais elevados de temperatura em que se processa a combustão do enxofre.


Produção de SO2 (Processo Claus) A unidade de recuperação de enxofre (URE) utiliza como

carga as correntes de gás ácido (H2S) produzidas no

tratamento com DEA ou outras unidades, como as de hidrotratamento (tratamento na presença de hidrogênio), hidrocraqueamento, reforma catalítica e coqueamento retardado.

As reações envolvidas consistem na oxidação parcial do H2S

através do processo Claus, com produção de enxofre elementar, segundo as equações químicas:

H2S + 3/2 O2 - SO2 + H2O

2 H2S + SO2 - 2 S + 2 H2O (cat. Al2O3)

Na URE, mais de 93% do H2S é recuperado como enxofre líquido de pureza superior a 99,8%.


Produção de SO2 (Processo Claus)H2S + 3/2 O2 - SO2 + H2O

2 H2S + SO2 - 2 S + 2 H2O (cat. Al2O3)

O enxofre é removido das correntes gasosas provenientes das unidades de processo de refino: Unidade de Craqueamento Catalítico Fluido (FCC) pelo tratamento DEA, Unidade de Hidrodessulfurização (HDS) e Unidade de Hidrotratamento (HDT).

Essa remoção é necessária para que a legislação ambiental seja obedecida, no que diz respeito às emissões de SO2.

Também é desejável que se recupere o enxofre elementar que pode ser vendido.


Produção de SO2 (Processo Claus)H2S + 3/2 O2 - SO2 + H2O

2 H2S + SO2 - 2 S + 2 H2O (cat. Al2O3)

O Processo Claus consiste da combustão de parte da corrente rica em gás sulfídrico, com 1/3 da quantidade estequiométrica de ar necessária, e posterior reação de dióxido de enxofre resultante dessa queima com gás sulfídrico restante, na presença de um catalisador de alumina, a fim de se produzir o enxofre elementar.

A determinação da razão de ar para a queima do H2S é baseada em análises da

corrente de gás ácido que entra na unidade, que é realizada uma vez ao dia por cromatografia gasosa em base seca. O gás ácido proveniente das unidades de tratamento (DEA, HDT e HDS) que é processado na URE possui uma composição como a apresentada na Tabela seguinte.


Produção de SO2 (Processo Claus)

* SOMA DE HC: soma do percentual de hidrocarbonetos presente no gás** % de CO2 - Máximo: 76 Mínimo: 0*** % de H2S - Máximo: 96 Mínimo: 46**** percentagem adotada. As análises realizadas na URE são feitas em base seca, tendo-se a conversão para base úmida.

Substância Percentagem em volume (%)

SOMA DE HC* 1,4

O2 + N2 + CO 0,6

HIDROGÊNIO 5,0

CO2 25,1**

H2S 64,9***

H2O 3,0****

RELAÇÃO AR/GÁS 2,0

Tabela – Composição volumétrica do gás rico em H2S


Produção de SO2 (Processo Claus)

A partir dos resultados de análises, obtém-se a quantidade teórica necessária de oxigênio para queimar todos os hidrocarbonetos, mais 1/3 do H2S, que é

então convertida numa quantidade equivalente de SO2. É queimado 1/3 do H2S

presente, reagindo o restante com SO2 formado, conforme as reações (1) e (2).

Para que a máxima produção de enxofre possa ser obtida é importante que a vazão de ar necessária à reação (1) seja estequiometricamente controlada.

As reações (1) e (2) são exotérmicas, e o calor liberado é aproveitado para a geração de vapor d’água de média pressão (- 17,5 kgf/cm2) e baixa pressão (- 3,5 kgf/cm2) superaquecidos.

O enxofre gerado na fase gasosa é condensado para ser recuperado na forma líquida. A recuperação de enxofre expressa a eficiência do processo.


Produção de SO2 (Processo Claus)H2S + 3/2 O2 - SO2 + H2O (1)

2 H2S + SO2 - 2 S + 2 H2O (cat. Al2O3) (2)

A produção de SO2 e subseqüente compressão e resfriamento é realizada com

um controle rígido da quantidade de ar de entrada na câmara de combustão;

O SO2 pode ser produzido até uma concentração de 18% em volume, na

temperatura de 1200ºC;

Os gases produzidos são resfriados em trocadores de calor e provocam aquecimento de água para caldeira;

Os gases resfriados, contendo 16-18% de SO2 são bombeados para

absorvedores, mediante bombas à prova de ácidos. A concentração da solução dos absorvedores depende da temperatura e da concentração dos gases afluentes (- 1,3%, a T - 30ºC);

Perde-se uma quantidade pequena de SO2 na descarga da segunda absorvedora

(cerca de 0,02%);

Os vapores que saem das absorvedoras e apresentam uma temperatura em torno de 70ºC, são resfriados e secos em uma torre à H2SO4;

O SO2 é liquefeito por compressão, a 7 atm e resfriado.



2 H2S + SO2 - 2 S + 2 H2O (cat. Al2O3) (2)

O gás ácido (H2S) é a carga da URE, entrando na unidade a uma pressão absoluta de -1,29 kgf/cm2 e temperatura de 90ºC.

A carga de gás que chega a URE é dividida em duas correntes: uma delas, em maior quantidade, segue para uma câmara de combustão, indo o restante para o 1º conversor, onde a temperatura é controlada pela admissão de gás ácido.

Na câmara de combustão, a carga de gás ácido recebe a quantidade de ar requerida para a combustão do total de hidrocarbonetos e de 1/3 do H2S, presentes no gás ácido.

A queima de 1/3 do H2S ocorre segundo as reações (1) e (2). O SO2, produzido pela reação (1) reagirá parcialmente segundo a reação (2), produzindo cerca de 60% do total de enxofre recuperável. A temperatura no interior da câmara de combustão pode atingir valores superiores à 1200ºC. Assim, no interior da câmara, o enxofre formado se encontra na fase vapor (ponto de ebulição do enxofre 446,6°C), juntamente com vapor d’água, SO2 e H2S gasoso. Esta primeira etapa é responsável pela produção de enxofre por meio de uma conversão térmica na ausência de catalisadores.



2 H2S + SO2 - 2 S + 2 H2O (cat. Al2O3) (2)

O gás da câmara principal passa através de uma caldeira recuperadora de calor, para ser resfriado, e, ao mesmo tempo, gera vapor de média pressão. A temperatura é então reduzida para 300ºC, provocando a condensação do enxofre. Este produto vai para um vaso separador que remove o vapor remanescente da fase líquida, e na seqüência escoa para o tanque de enxofre, onde ele é armazenado.

O gás remanescente da câmara principal é aquecido e misturado à parte do H2S, que foi desviado da câmara de combustão, e é aqui utilizado como combustível, sendo aquecidos a uma temperatura de cerca de 230ºC, seguindo diretamente para o primeiro conversor, sendo que esta temperatura é controlada pela divisão de gás ácido na entrada da unidade.

Neste reator, há um leito de catalisador de alumina (Al2O3), e ocorre a conversão do H2S e o SO2 remanescente em enxofre. O gás efluente do primeiro conversor, a uma temperatura próxima a 300ºC, é resfriado no condensador de enxofre, ocorrendo mais uma condensação de enxofre, uma vez que a temperatura dos gases é reduzida a 180ºC.



2 H2S + SO2 - 2 S + 2 H2O (cat. Al2O3) (2)

O gás proveniente do condensador flui para o 2º conversor, onde sua temperatura é elevada para 220ºC. Em face do menor teor de reagentes, a temperatura atinge apenas cerca de 250ºC. As reações (1) e (2) novamente ocorrem, formando um pouco mais de enxofre elementar.

O efluente do segundo conversor é resfriado no 2º condensador, havendo mais uma condensação de enxofre, que, após passar pelo vaso separador, vai para o tanque. Nesse equipamento, o líquido condensado e os gases são resfriados a 165ºC.

Todas as correntes de enxofre condensadas são reunidas indo para o tanque de enxofre. O enxofre é liquefeito nos condensadores às custas da produção de vapor de baixa pressão, de 3,5 kgf/cm2 e 180oC.


Produção de SO2 (Processo Claus)H2S + 3/2 O2 - SO2 + H2O (1) -52.980 cal/mol de S

2 H2S + SO2 - 2 S + 2 H2O (cat. Al2O3) (2) -11.670 cal/mol de S

S2 + O2 - 2 SO2 (3) -70.940 cal/mol de S

Influência da Temperatura na Conversão de Gás Ácido a Enxofre

As reações de formação de enxofre são exotérmicas. Na câmara de combustão tem-se elevada temperatura (1200°C) devido à grande liberação de calor destas reações. Com isto, nesta câmara tem-se a destruição dos compostos orgânicos do carbono pela queima completa dos mesmos no forno, com formação de CO2 e H2O.

A combustão do H2S puro com a quantidade estequiométrica de ar para formar enxofre pode atingir a temperatura de 1400°C.

Na conversão térmica, a formação do enxofre é favorecida com o aumento da temperatura. Esta conversão atinge um máximo de 75% a aproximadamente 1300°C. Na prática, as temperaturas do forno permanecem entre 1100°C e 1200°C, sendo que, nesta faixa de temperaturas, a conversão é de aproximadamente 60%.

A temperatura do processo também influencia a conversão catalítica. Aumentando-se a temperatura, cujo ajuste é feito pela vazão de carga de gás ácido, a conversão cai a menos de 60% em aproximadamente 450°C, com um mínimo de conversão catalítica a 550°C. Na prática, a temperatura ótima de conversão situa-se em cerca de 250°C.




S2 + O2 - 2 SO2 (3) -70.940 cal/mol de S

Influência da Temperatura na Conversão de Gás Ácido a Enxofre

Um catalisador novo possui atividade em toda sua área. Com seu uso, ele fica com a superfície inativa. Esta área inativa contribui para o aumento de temperatura da carga, até que esta penetre na região ativa do catalisador. Esse aumento de temperatura reduz a conversão do H2S e SO2 a enxofre, ficando estes compostos sem reagir no processo.

Mesmo quando pequenas quantidades de hidrocarbonetos aromáticos e alifáticos (compostos de elevado peso molecular) conseguem chegar ao catalisador, estes provocam a desativação contínua pelo depósito de coque na superfície externa do catalisador, servindo para pré-aquecer os gases, antes de atingir as camadas ativas. Este aquecimento se opõe ao fato de que os gases devem entrar no reator em temperatura só um pouco acima da temperatura de condensação do enxofre, pois em temperaturas elevadas a eficiência da reação é menor e menos enxofre será formado.




S2 + O2 - 2 SO2 (3) -70.940 cal/mol de S

Influência do Volume de Ar na Conversão de Gás Ácido para Enxofre

O aumento do volume de ar (oxigênio) na unidade provoca a elevação da temperatura da reação. Pode-se, pela observação da temperatura do forno, estimar a proporção entre H2S e O2 em reação. Essa proporção pode ser estimada pela variação da oxidação do H2S com O2 em função do volume do gás e da quantidade de calor liberada na reação (Bersou, 1967).

Quando a relação é de 0,5 mol O2: mol de H2S a temperatura da reação é de 1400°C, o volume é aproximadamente 68 m3/kmol H2S e a quantidade de calor liberado é por volta de 50 kcal/kmol H2S enquanto se a relação subir para 1,0 mol de O2: mol de H2S a temperatura da reação é de aproximadamente 1680°C, o volume por volta de 120 m3/kmol H2S e o calor liberado de 90 kcal/kmol H2S.




S2 + O2 - 2 SO2 (3) -70.940 cal/mol de S

Influência das Impurezas na Produção de Enxofre

Os principais gases que podem acompanhar o H2S são gás carbônico (CO2), os hidrocarbonetos e o vapor d’água presente na carga da URE, e aqueles resultantes de reações secundárias indesejáveis como: o sulfeto de carbonila (COS), o sulfeto de carbono (C2S), o etil mercaptan (C2H5SH), o butil mercaptan (C4H9SH) e o ácido cianídrico (HCN). Em casos especiais, tem-se ainda H2, N2 e CO.

Os hidrocarbonetos afetam as reações de formação do enxofre elementar por várias maneiras. Em primeiro lugar, modificam a quantidade de ar necessária para a queima do H2S. Assim, é necessária uma quantidade de ar maior entrando no sistema pra queimar a quantidade estequiométrica de H2S em conjunto com todo o hidrocarboneto presente, sendo necessária uma quantidade de ar maior entrando no sistema pra queimar a quantidade estequiométrica de H2S em conjunto com todo o hidrocarboneto presente.




S2 + O2 - 2 SO2 (3) -70.940 cal/mol de S

Influência das Impurezas na Produção de Enxofre

A presença de hidrocarbonetos também contribui para o aumento da porcentagem de CO2 e água no sistema, aumentando assim o teor de umidade da carga. Além disso, a combustão incompleta do hidrocarboneto forma carbono que se deposita nos poros do catalisador diminuindo a produção de enxofre e ocasionando um excedente de H2S no sistema sem reagir.

Conforme a quantidade de carbono que se incorpora ao enxofre formado, este toma uma cor escura que pode ir de cinza a preto. Se a quantidade de hidrocarboneto for excessivamente grande, o enxofre condensado pode apresentar inclusive descoloração, isto é, tornar-se esbranquiçado. Esta ocorrência prejudica a qualidade do enxofre produzido.

Explica-se a presença do sulfeto de carbono em alguns gases do processo Claus, pela combinação do enxofre elementar em estado de vapor com o carbono de um hidrocarboneto.




S2 + O2 - 2 SO2 (3) -70.940 cal/mol de S

Influência da Pressão na Produção de Enxofre

Na faixa catalítica, isto é, até a temperatura aproximada de 550ºC, um aumento de pressão aumenta a conversão e um aumento da temperatura diminui a conversão. Na faixa térmica dá-se o inverso: um aumento de pressão diminui a conversão e o aumento da temperatura aumenta a conversão.

A pressão total do sistema em condições ideais, isto é, sem levar em conta a presença de impurezas voláteis, pode ser representada pela soma das pressões parciais dos gases em reação:

Pressão Total: P H2S + P SO2 + ΣP S + P H2O


Fluxograma de Produção de SO2 Processo Claus


Fluxograma de Produção de SO2

S + O2 (Ar) - SO2 (18% vol.; 1200ºC)

IT386-2014 - Gases Industriais H2, CO2, SO2, NH3, C2H2

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