Получение элементной серы.

Получение серы из SO₂-содержащего газа проводят при высокой температуре 1250 0 1350 °С с применением природного газа в качестве восстановителя с последующей обработкой газа, содержащего H₂S, COS и SO₂ в каталитических реакторах (при низкой температуре 900 – 950 °С за счет применения катализаторов) методом Клауса.

При взаимодействии сернистого ангидрида с природным газом протекают химические реакции:

2SO₂ + СH₄ = S₂ + СO₂ +2H₂O

2SO₂ + 1,5СH₄ = 2Н₂S + 1,5СO₂ +H₂O

Равновесный выход серы на стадии восстановления сернистого ангидрида природным газом и углеродом в присутствии водяных паров выход серы снижается. Использование угля и природного газа в качестве восстановителей диоксида серы дает относительно близкие значения выхода серы.

В первоначальном процессе сероводород и определенное количество воздуха, содержащего стехиометрическое количество кислорода, сжигались в огнеупорной печи, заполненной бокситным катализатором. Полученные при этом газы охлаждались до температуры конденсации серы

H₂S + O₂ = S_x + H₂O

Прямая реакция в таком равновесии является экзотермической. Поскольку теплота реакции рассеивалась благодаря получению серы, температура в массе катализатора стабилизировалась в диапазоне
200 – 350 °С. При такой температуре равновесная конверсия сероводорода в серу составляла 80-9- % даже при очень низкой объемной скорости подачи сероводорода.

Химизм процесса. Термическая стадия аключается в высокотемпературном сжигании сероводорода в топочной части реактора-генератора при подаче стехиометрического количества воздуха согласно реакции

2H₂S + O₂ = S₂ + 2H₂O

В топочной части печи-реактора протекают следующие целевые реакции:

H₂S +3/2 O₂ = SО₂ + H₂O

H₂S + SO₂ = 3/2 S₂ + 2H₂O

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

Присутствующие в кислом газе так называемые нежелательные компоненты (СО₂, пары воды и углеводороды) могут вступать в побочные реакции, приводящие к снижению конверсии сероводорода в серу и образованию соединений, которые не могут вступать в реакции образования серы на последующих (каталитических) стадиях процесса. Так, при температуре 900 – 1100 °С довольно активно протекают реакции с образованием COS и CS₂:

 

CH₄ + 2Н₂S ↔ CS₂ + 4H₂

CH₄ + S₂ ↔ CS₂ + 2H₂

CH₄ + 2S₂ ↔ CS₂ + 2H₂S

2CS + Н₂O ↔ COS + H₂S

2CS₂ + SO₂ ↔ 2COS + 3/2 S₂

CH₄ + 3/2 O₂ ↔ CO + 2H₂O

CO + ½ S₂ ↔ COS

2CH₄ + 3SO₂ ↔ 2COS + 1/2S₂ + 4H₂O

2CO₂ + 3/2 S₂ ↔ COS + SO₂

 

Повышение температуры выше 1100 °С приводит к уменьшению CS₂ в продуктах термической стадии процесса Клауса.

На каталитических ступенях на катализаторе – активной окиси алюминия, при температуре 200-300 °С происходит взаимодействие сероводорода и диоксида серы с образованием элементной серы по реакциям

2H₂S + SO₂ = 3/6 S₆ + 2H₂O

2H₂S = SO₂ = 3/8 S₈ + 2H₂O

3 S₈ = 4S₆ = 12S₂

После каждой ступени процесса осуществляется конденсация образовавшейся серы путем охлаждения технологических газов в конденсаторах-генераторах. Подогрев технологического газа перед каждой каталитической ступенью производится одним из способов:

1. Путем сжигания части исходного кислого газа (1 – 2 %) и смешения в смесительной камере продуктов сгорания с технологическим газом, отводимым из конденсаторов серы предыдущей стадии.

2. Путем смещения технологического газа с расчетным количеством продуктов печи-реактора.

3. В печи подогрева за счет тепла продуктов сгорания природного газа (передача тепла через стенки труб).

4. В рекуперативных теплообменниках за счет тепла продуктов реакции термической или каталитической ступеней.

С последней каталитической ступени после извлечения образовавшейся серы отходящий газ направляют на установки доочистки газов процесса Клауса. На эффективность процесса влияют состав кислого газа, температура процесса, давление, время контакта, эффективность катализаторов и эффективность работы конденсатов серы.