Conception du réacteur thermique SRU
Sreeram Krishnan, de Zeeco Inc. expose les principes fondamentaux de la conception des réacteurs thermiques SRU.
Se soufre est le onzième élément le plus abondant dans le corps humain et le dixième élément le plus abondant dans l'univers (Hobart M. King, 2025). La majeure partie du soufre élémentaire mondial est cependant récupérée à partir du sulfure d'hydrogène (H2S) produit dans les raffineries de pétrole brut ou les usines de traitement du gaz naturel. Ces installations utilisent une méthode de conversion connue sous le nom de procédé Claus pour récupérer le soufre élémentaire à partir des effluents gazeux contenant du soufre. Le soufre élémentaire récupéré par le procédé Claus peut ensuite être distribué pour être utilisé dans de nombreuses applications, telles que la production d'engrais ou de produits chimiques.
Informations générales
Le procédé Claus est mis en œuvre dans une unité de récupération du soufre (SRU) composée d'un large éventail de cuves de traitement et d'équipements qui convertissent le gazH2Sen soufre élémentaire par un procédé de combustion pauvre en oxygène, avant d'être condensé à l'état liquide et stocké dans une fosse à soufre en vue de sa distribution finale. Une unité de production de soufre de Claus utilise généralement plusieurs types d'équipements de combustion, tels que des réacteurs thermiques, des réchauffeurs en ligne et des incinérateurs de gaz de queue, comme le montre la figure 1.
Figure 1. Unité de récupération du soufre (SRU) typique de Claus.
Les générateurs de gaz réducteurs (GGR) peuvent également être présents dans une SRU Claus, même s'ils ne sont pas représentés dans la figure 1. Les GGR sont couramment utilisés dans des systèmes de récupération et de traitement plus complexes tels que le processus de traitement des effluents gazeux de Shell Claus (SCOT), qui est généralement mis en œuvre dans des installations qui exigent des niveaux plus élevés de récupération du soufre (≥ 99,9 %) et des niveaux plus faibles d'émissions de SO2 produites (≤ 150 mg/Nm3).
Cet article se concentre toutefois sur les principes de conception fondamentaux associés à un ensemble typique de réacteur thermique Claus SRU (les éléments soulignés en rouge dans la figure 1), et sur la manière dont ces principes de conception peuvent être utilisés pour s'assurer que tous les équipements sont exploités de la manière la plus sûre et la plus efficace possible.
Aperçu général du processus
Deux des gaz résiduaires riches enH2Sles plus couramment traités dans une unité de SRU Claus sont le gaz acide et le gaz de stripage à l'eau acide (SWS). Les figures 2 et 3 illustrent les compositions typiques de ces flux de déchets.
Figure 2. Composition typique d'un gaz acide.
Figure 3. Composition typique d'un gaz de strippeur d'eau acide (SWS).
Il convient de noter que les compositions de gaz indiquées dans les figures 2 et 3 peuvent varier en fonction des applications individuelles. L'objectif de ces figures est de mettre en évidence les concentrations élevées deH2Set de NH3qui sont généralement présentes dans chaque gaz résiduaire.
Les réactions primaires qui convertissent leH2Sen soufre élémentaire dans un réacteur thermique Claus SRU peuvent être décrites par les réactions chimiques suivantes :
- Première réaction : une quantité d'air suffisante est introduite dans le système pour brûler ⅓ duH2Scontenu dans le gaz acide entrant en SO2et H2Otout en détruisant simultanément tous les contaminants qui peuvent être présents dans le flux, c'est-à-dire NH3, BTEX, etc.
H2S+ 3 O2 → SO2+ H2O
- Deuxième réaction : les ⅔ restants deH2Sréagissent avec le SO2produit dans la première réaction pour donner de la vapeur de soufre élémentaire (S2).
2H2S+ SO2⇄ 3 S2+ 2H2O
Le soufre élémentaire produit par le réacteur thermique est ensuite refroidi dans la chaudière à chaleur perdue avant de passer dans un condenseur, où il est liquéfié et collecté dans la fosse à soufre couverte avant d'être distribué. Les gaz de combustion restants du réacteur thermique, qui contiennent encore des quantités importantes de soufre élémentaire récupérable, passent ensuite par une série de réchauffeurs en ligne, de réacteurs catalytiques et de condenseurs en aval, où du soufre supplémentaire est récupéré.
Bien qu'une unité de SRU Claus soit capable d'éliminer la majorité du soufre contenu dans les flux de gaz résiduaires traités, il est toujours nécessaire de poursuivre la combustion et la destruction d'un flux de déchets sous-produits communément appelé gaz résiduaires. Les flux de gaz résiduels contiennent des quantités résiduelles de composés liés au soufre, ainsi que du monoxyde de carbone et de l'hydrogène, qui doivent tous être entièrement oxydés avant d'être rejetés. Ce processus est réalisé par un incinérateur de gaz de queue, qui brûle et détruit entièrement les sous-produits de déchets à des niveaux d'émissions acceptables avant qu'ils ne soient rejetés dans l'atmosphère.
Considérations critiques sur la conception
Les éléments de conception critiques suivants doivent être évalués et mis en œuvre au sein d'un ensemble de réacteurs thermiques afin d'optimiser l'efficacité et les performances globales de l'ensemble du SRU de Claus.
Dynamique de mixage
Les dispositifs de mélange intense doivent être pris en compte dans la conception du réacteur thermique afin de garantir les performances globales de la SRU Claus. En raison de la nécessité de fonctionner dans des conditions sous-stœchiométriques (privées d'oxygène), des quantités excessives d'air ne peuvent pas être utilisées pour compenser les inefficacités du mélange. Les réactions 1 et 2 décrites plus haut doivent se produire dans des conditions stœchiométriques soigneusement équilibrées afin d'obtenir un rapport optimal entreH2Set SO2pour maximiser le rendement en soufre élémentaire. Un mauvais mélange peut entraîner une stratification où leH2Set le SO2peuvent être déséquilibrés dans différentes zones, empêchant la conversion idéale en soufre élémentaire.
C'est pourquoi des dispositifs de mélange statique, tels que des anneaux d'étranglement et/ou des parois en damier, sont couramment mis en œuvre dans le four du réacteur thermique. Des dispositifs de mélange supplémentaires, tels que des ensembles d'aubes stabilisées par rotation pour les gaz acides et l'air de combustion, sont également couramment envisagés dans les brûleurs des réacteurs thermiques SRU afin de garantir un mélange et une turbulence adéquats. Il est recommandé d'effectuer des analyses CFD supplémentaires pour évaluer les profils de vitesse à l'intérieur d'un ensemble de réacteurs thermiques afin de valider davantage la dynamique de mélange, comme le montre la figure 4.
Figure 4. Modèle CFD des profils de vitesse dans un réacteur thermique SRU.
Formation de suie
La formation de suie est un résultat négatif potentiel d'une mauvaise dynamique de mélange dans le réacteur thermique. Un mauvais mélange peut entraîner la formation de poches ou de zones dans le réacteur thermique contenant des hydrocarbures exposés à des quantités insuffisantes d'O2. Par conséquent, ces hydrocarbures ne peuvent pas s'oxyder complètement enCO2 ou partiellement en CO, ce qui augmente la probabilité de formation de suie. Les dépôts de suie dans les réacteurs catalytiques du SRU en aval pourraient également réduire l'efficacité globale de l'ensemble du SRU Claus, réduisant ainsi le potentiel global de récupération du soufre. Des dépôts de suie excessifs peuvent également entraîner une décoloration visible du soufre liquide condensé, ce qui le rend moins souhaitable pour la distribution ou la vente.
Afin d'éviter ces résultats, des sociétés de conception réputées effectueront une analyse CFD des concentrations d'acétylène (C2H2) dans le profil interne du réacteur thermique SRU. Des données expérimentales antérieures ont indiqué que des fractionsmolaires deC2H2supérieures à 10-8 sont nécessaires pour produire une formation de suie observable à l'intérieur de l'unité.
Stratification de l'oxygène
L'O2qui n'a pas réagi à la sortie du réacteur thermique SRU ou des réchauffeurs en ligne n'est pas souhaitable car il risque de réagir avec leH2Sou le soufre condensé en aval dans le SRU Claus, ce qui entraîne une augmentation desconcentrations de SO2 et une réduction de l'efficacité de la récupération du soufre. L'oxygène non réagi peut également provoquer des incendies de soufre dans le système, ce qui présente des risques supplémentaires pour la sécurité du personnel et de l'équipement. Pour ces raisons, il est recommandé d'effectuer des analyses CFD supplémentaires pour simuler lesconcentrations d'O2 tout au long du profil interne d'un ensemble de réacteurs thermiques SRU.
Distribution uniforme de la température
Il est important d'évaluer les profils de distribution de la température dans le four du réacteur thermique SRU afin d'optimiser les performances globales de la SRU Claus. Les réactions 1 et 2 doivent se dérouler à une température appropriée et avec un temps de séjour suffisant pour mener à bien chaque réaction. La température a un impact sur les produits d'équilibre de chaque réaction, ce qui affecte la récupération globale du soufre élémentaire dans le système.
La stratification de la température qui se produit dans des poches ou des zones spécifiques du réacteur thermique, en particulier près de la face du brûleur, peut entraîner un mélange incorrect ou insuffisant, ce qui réduit le rendement potentiel du soufre élémentaire. Les températures des gaz de combustion à un endroit donné du four du réacteur thermique sont régies par la température d'équilibre de la stœchiométrie locale des réactifs. La libération de l'énergie de la réaction exothermique est également limitée par la disponibilité de l'oxygène. Les zones présentant des concentrations d'oxygène plus élevées seront sujettes à des températures plus élevées susceptibles d'endommager les composants réfractaires internes et/ou les brûleurs. La gestion uniforme de la température maximale de la flamme à l'intérieur du système repose en grande partie sur les dispositifs de mélange du brûleur du réacteur thermique. L'aérodynamique du brûleur et l'injection de gaz inerte sont utilisées pour atténuer les pics de température, en particulier dans les systèmes qui peuvent fonctionner avec des flux d'air enrichis en oxygène. Les modèles CFD peuvent être utilisés pour vérifier la distribution uniforme de la température sur le profil du brûleur du réacteur thermique et du four, comme le montre la figure 5.
Figure 5. Modèle CFD des contours de température à l'intérieur d'un réacteur thermique SRU.
Efficacité de l'élimination de la destruction des contaminants (DRE)
Les contaminants indésirables tels que NH3, BTEX et autres hydrocarbures résiduels doivent être détruits dans le réacteur thermique afin d'éviter tout dommage en aval dans le SRU Claus. Le NH3à la sortie du réacteur thermique peut potentiellement réagir avec le SO2, entraînant la formation de sels de sulfate d'ammonium. Ces sels peuvent alors précipiter, boucher ou encrasser les réacteurs catalytiques en aval et avoir des conséquences similaires à celles évoquées précédemment pour la formation de suie. Pour ces raisons, les contaminants doivent être détruits dans une atmosphère réductrice où la disponibilité de l'oxygène est limitée.
Des dispositifs de mélange supérieurs et des températures de fonctionnement du réacteur thermique supérieures à 1250°C (2370°F) sont recommandés pour s'assurer que ces contaminants sont suffisamment détruits à la sortie du réacteur thermique. La cocombustion du gaz naturel ou la division de l'injection du gaz de traitement dans différentes zones du four peuvent également être effectuées pour augmenter la température du four où le NH3doit être détruit.
Capacité de réduction du brûleur
La chute de pression du brûleur à l'intérieur du réacteur thermique fournit l'énergie de mélange nécessaire pour mélanger correctement les gaz. Un mélange insuffisant peut entraîner des limitations de performance, comme nous l'avons vu. Les flux contribuant le plus à la masse du système sont les flux d'air de combustion et de gaz de procédé. Ensemble, ces flux doivent fournir suffisamment d'énergie de mélange pour assurer le bon fonctionnement du système dans des conditions d'exploitation données, compte tenu des variations de débit et de composition propres à l'URS Claus.
Prévention du retour en arrière
Le retour de flamme est un autre problème courant associé à de faibles taux de fonctionnement dans l'ensemble du réacteur thermique. Le maintien d'une vitesse appropriée dans le col du brûleur permet d'éviter d'endommager les composants internes du brûleur en limitant l'exposition à tout rayonnement incident provenant du four du réacteur thermique situé en aval.
L'aérodynamisme d'un brûleur stabilisé par rotation produit naturellement une zone de recirculation centrale, semblable à l'œil d'une tornade ou d'un typhon. Cette zone de recirculation ramène les gaz de combustion vers la face du brûleur, ce qui peut endommager les composants internes. Le maintien d'un débit minimum dans les injecteurs permet également d'éviter les dommages, quelle que soit la vitesse dans le col du brûleur.
Dans certains cas, les conditions de fonctionnement à l'intérieur du bloc réacteur thermique peuvent entraîner un débit faible ou nul dans les pointes de gaz combustible ou les injecteurs de gaz acide. Dans ce cas, la vapeur peut être utilisée comme méthode alternative pour maintenir une vitesse minimale dans les injecteurs à la place du gaz de procédé ou du gaz combustible. Des transmetteurs de pression différentielle sur le four du réacteur thermique SRU (PFurnace) et la buse d'entrée d'air de combustion sur le brûleur (PCombustion Air) peuvent également être utilisés pour surveiller la chute de pression dans le brûleur comme mesure préventive supplémentaire pour le retour de flamme, comme l'indique la figure 6.
Figure 6. Mesures de la pression critique à l'intérieur d'un brûleur et d'un four de réacteur thermique SRU.
Conclusions
Les ensembles de réacteurs thermiques SRU doivent à la fois maximiser la récupération du soufre et minimiser lesémissions de SOx produites par le SRU Claus dans une raffinerie ou une usine de traitement du gaz naturel donnée. Tous les éléments d'un réacteur Claus SRU doivent être soigneusement conçus et exploités pour fonctionner comme le stipule le concédant de licence du procédé. Compte tenu des principes de conception et des caractéristiques critiques qui doivent être spécifiquement pris en compte pour un ensemble de réacteur thermique SRU, il est important de consulter un fournisseur SRU de confiance et éprouvé pour toute question spécifique liée à la conception détaillée, à la fabrication ou à l'exploitation des ensembles SRU.