9.2. Окислительная конверсия сероводорода в элементную серу (процесс Клауса)

Сероводород, получаемый с гидрогенизационных процессов пе­реработки сернистых и высокосернистых нефтей, газоконденсатов и установок аминной очистки нефтяных и природных газов, обычно используют на НПЗ для производства элементной серы, иногда для производства серной кислоты.

Наиболее распространенным и эффективным промышленным методом получения серы является процесс каталитической окисли­тельной конверсии сероводорода Клауса.

Процесс Клауса осуществляется в две стадии:

1) стадия термического окисления сероводорода до диоксида серы

H₂S + 3/2 0₂ "*=> S0₂ + Н₂0 + (0,53-0,57) МДж/моль ;

2) стадия каталитического превращения сероводорода и диокси­ да серы

2 H₂S + S0₂ **=>■ 3/n S_n + 2 H₂0 + (0,087-0,145) МДж/моль .

По реакции 1 расходуется до 70 % масс, сероводорода и при этом выделяется значительное количество тепла, которое перед катали­тической стадией должно быть утилизировано. Тепло, выделяющее-

17 — 1908

513

с я по реакции 2 (1/5 от все­го тепла), позволяет вести каталитический процесс при достаточно низких температурах и большой объемной скорости без си­стемы съема тепла.

Рис. 9.4. Зависимость степени конверсии HjS в серу от температуры при различном давлении паров в системе : 1-0,05 МПа; 2-0,1 МПа; 3-0,2 МПа; 4-0,1 МПа (из газа удалена вся сера); I - зона свободнопламен-ного горения; II - зона реакции на катализа­торе

204 315 426 537 648 760 871 Температура, 'С

Процесс термического окисления H₂S осуществля­ют в основной топке, смон­тированной в одном агрега­те с котлом-утилизатором. Объем воздуха, поступаю­щего в зону горения, дол­жен быть строго дозирован, чтобы обеспечить для вто­рой стадии требуемое соот­ношение S0₂ и H₂S (по сте­хиометрии реакции 2 оно должно быть 1:2). Темпера­тура продуктов сгорания при этом достигает 1100-1300 °С в зависи­мости от концентрации H₂S и углеводородов в газе.

Вывод серы из реакционной системы, образовавшейся при реак­ции 2, благоприятствует увеличению степени конверсии H₂S до 95%. Поэтому стадию каталитической конверсии принято проводить в две ступени с выводом серы на каждой ступени.

Зависимость степени конверсии H₂S в серу от температуры и давления на обеих стадиях представлена на рис. 9.4. На графике по­казаны две зоны, разделенные пунктиром: высокотемпературная термического окисления (870-426 °С) и низкотемпературная ката­литическая (426-204 °С).

Элементная сера существует в различных модификациях - S₂, S₆ и S_g: при высоких температурах газообразная сера в основном состо­ит из S₂, а при снижении температуры она переходит в S₆, затем в S₈. Жидкая сера представлена преимущественно модификацией S₈.

В высокотемпературной зоне с повышением давления степень превращения H₂S в серу снижается. В каталитической зоне повыше­ние давления, наоборот, ведет к увеличению степени конверсии, так как давление способствует конденсации элементной серы и более

514

полному выводу из зоны реакции. На практике увеличение степени конверсии H₂S достигается применением двух или более реакторов-конверторов с удалением серы конденсацией и последующим подо­гревом газа между ступенями. При переходе от одного реактора к другому по потоку газа температуру процесса снижают.

Традиционным катализатором в процессах Клауса вначале яв­лялся боксит. На современных установках преимущественно при­меняют более активные и термостабильные катализаторы на основе из оксида алюминия.

Технологическая схема установки производства серы по методу Клауса приведена на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Принципиальная технологическая схема установки получения серы из сероводорода по методу Клауса: I - сероводород; II - воздух; III - сера; IV - водяной пар; V - газы дожила; VI - конденсат

Продукты термической конверсии H₂S из печи-реактора П-1 про­ходят котел-утилизатор Т-1, где они охлаждаются до =160 °С (при которой жидкая сера имеет вязкость, близкую к минимальной). Скон­денсированная сера поступает через гидрозатвор в подземный сбор­ник серы. В Т-1 генерируется водяной пар с давлением 0,4 - 0,5 МПа, используемый в пароспутниках серопроводов. Далее в реакторах Р-I и Р-2 осуществляется двухступенчатая каталитическая конверсия I l₂S и S0₂ с межступенчатым нагревом газов в печах П-2 и П-3 и ути­лизацией тепла процесса после каждой ступени в котлах-утилиза­торах Т-2 иТ-3. Сконденсированная в Т-2 и Т-3 сера направляется в сборник серы.

Газы каталитической конверсии второй ступени после охлажде­ния в котле-утилизаторе Т-3 поступают в сепаратор-скруббер со сло-гм насадки из керамических колец С-1, в котором освобождаются от механически унесенных капель серы.

17*

515

! • Отходящие из сероуловителя газы направляют в печь П-4, рабо­тающую на топливном газе, где при 600 - 650 °С дожигают непроре-аШровавшие соединения серы в избытке воздуха.

Жидкая сера из подземного сборника откачивается насосом на открытый наземный склад комовой серы, где она застывает и хра­нится до погрузки в железнодорожные вагоны.

Технологический режим установки

Давление избыточное, МПа 0,03-0,05

Температура газа, °С

в печи-реакторе П-1 1100-1300

на выходе из котлов-утилизаторов 140-165

на входе в Р-1 260-270

на выходе из Р-1 290-310

на входе в Р-2 225-235

на выходе из Р-2 240-250

в сепараторе С-1 150

Сера широко применяется в народном хозяйстве - в производ­стве серной кислоты, красителей, спичек, в качестве вулканизирую­щего агента в резиновой промышленности и др.