Approccio multiscala per la modellazione di unità di recupero zolfo

Modeling and optimization of Sulfur Recovery Units is important from an environmental point of view, due to the increasingly strictness of the regulations concerning sulfur emissions from Claus plants. In addition to this, the general trend is to avoid the costruction of new production sites, preferring to intensificate the existing ones. Modeling such process is also problematic, due to the involvement of different scale phenomena, from the kinetic-molecular micro-scale to the unit operation and process meso and macro-scale. The possibility to have at the disposal an approach for SRU simulation permits to encounter the need for regulamentation and to supply for the well known lack of instrumentation for not so economically appealing plants, such as the case of Claus plants. In this way there is the possibility to inference variables not easy to be measured, such as species composition along the furnace, and to eventually operate data reconciliation and outliers identification. In the first part of this work a description of Claus Process and the “Sulphur Cycle” is presented. Then, aspects connected to the micro-scale phenomena and the detailed kinetic scheme for the modeling of reacting systems containing carbon, nitrogen and sulfur compounds, validated under experimental data, are shown. This kinetic scheme is used in the central part of the work for modeling thermal section of the process, through the use of a reactor network analysis, validated with industrial data. Connected to this topic, a discussion on the utilization of detailed kinetics for simulation of waste heat boiler is presented, taking in consideration the reversible reactions occurring within this unit operation. The model obtained for the termal section of the process is then included in a process-scale simulation, based on data for a typical SRU plant, that includes also the catalytic reactors and the sulfur condensers, considering low and medium pressure steam production. This model is finally used for a process optimization, based on a sensitivity analysis for some of the operating variables and then finalized to the maximization of sulfur recovery and steam generation, costituting an initial approach for a total and integrated plant optimization.

La modellazione ed ottimizzazione di una Unità di Recupero Zolfo (SRU) è importante dal punto di vista ambientale, in quanto le norme che regolano le emissioni di zolfo da impianti Claus diventano via via sempre più stringenti. A questo si aggiunge l’attuale trend di evitare la costruzione di nuovi siti produttivi, preferendo l’intensificazione dei siti già esistenti. Essa è inoltre problematica poiché coinvolge scale differenti di modellazione, da quella dei fenomeni cinetico-molecolari (microscala) a quella delle operazioni unitarie e del processo (mesoscala e macroscala). La possibilità di avere a disposizione un approccio per la simulazione di SRU permette di andare incontro alle esigenze di regolamentazione e di sopperire alla nota mancanza di strumentazione per impianti non economicamente attraenti, quali appunto gli impianti Claus. Si ha quindi la possibilità di inferenziare grandezze difficilmente stimabili, come ad esempio le composizioni intermedie in fornace, e di operare eventualmente la riconciliazione di misure e l’identificazione di outliers. Nella prima parte di questo lavoro è presentata una descrizione del Processo Claus e del cosiddetto “Ciclo dello Zolfo”. Di seguito si trattano gli aspetti connessi ai fenomeni di microscala e allo schema cinetico dettagliato per le reazioni dei composti di carbonio, azoto e zolfo, convalidato su dati sperimentali. Questo schema è stato poi utilizzato nella parte centrale del lavoro per la modellazione della sezione termica del processo tramite l’utilizzo di una rete di reattori ideali, a sua volta convalidata tramite l’ausilio di dati provenienti da impianti industriali. Viene presentata quindi una annessa discussione sull’utilizzo di cinetica dettagliata per la simulazione del waste heat boiler e l’analisi degli effetti di ricombinazione di alcune specie ad opera di reazioni reversibili in caldaia. Il modello così ottenuto per la sezione termica del processo viene incluso in una simulazione di più ampia scala basata su dati da una tipica SRU che comprende anche il treno catalitico e gli stadi di condensazione dello zolfo, considerando la annessa produzione di vapore a media e bassa pressione. Questo modello viene infine utilizzato per una ottimizzazione di processo, basata su analisi di sensitività per alcune variabili operative e finalizzata alla massimizzazione del recupero zolfo e della generazione di vapore, costituendo un approccio iniziale per una possibile ottimizzazione totale e integrata d’impianto.