Обзор и принципы процесса Клауса

 

В 1883 году британский химик Клаус разработал метод получения серы окислением H2S, а именно:

3 H2S + 3/2 O2 = 3/x Sx + 3 H2O + 615 кДж/моль

В 1930‑е годы немецкая компания I.G. Farben развила процесс Клауса, превратив его в модифицированный процесс Клауса; частичное окисление H2S осуществляется в две стадии:

Первая стадия — это реакция горения, при которой 1/3 H2S окисляется до SO2:

3H2S + 3/2O2 = SO2 + 2H2S + H2O （1）

Вторая стадия — каталитическая реакция между оставшимися 2/3 H2S и образовавшимся в первой стадии SO2 под действием катализатора:

2H2S + SO2 = 2H2O + 3/x Sx (2)

В реальном устройстве сырьё, содержащее в кислых парах также NH3, HCN, углеводороды, CO2, воду и другие компоненты, под воздействием высоких температур в реакционной печи вступает в химические реакции, образуя COS, CS2, CO и H2:

NH3 = 1,5 H2 + 0,5 N2 (3)

HCN + H2O = 1,5 H2 + CO + 0,5 N2 (4)

CnHm + O2 = n CO + 0,5m H2O （5）

CO2 + H2S = COS + H2O (6)

2 H₂S + CO₂ = CS₂ + 2 H₂O (7)

……

Реакции (3)–(5) протекают в клаус‑печи при высокой температуре (950–1300 °C) в присутствии никелевого катализатора с полным разложением; реакции (1)–(2) — при оптимальном соотношении подачи кислорода и в присутствии клаус‑катализатора — с частичным окислением с образованием серы.

Ввиду сложности протекающих процессов безопасная эксплуатация установки и выход серы зависят от контроля атмосферы внутри реакционной системы.

Исходный газ поступает в клаусовскую печь, температура в которой поддерживается в диапазоне 950–1300 °C. Благодаря подаче воздуха происходит, с одной стороны, разложение NH₃, HCN и углеводородов, содержащихся в исходном газе, под действием никелевого катализатора, что предотвращает коррозию и засорение оборудования и трубопроводов; с другой стороны, осуществляется частичное окисление H₂S, при этом в печи примерно 60% сероводорода преобразуется в элементарную серу. В соответствии с основными равновесными процессами, в печи также образуются COS и CS₂.

Воздух, необходимый для реакции, подаётся в горелку воздушным нагнетателем. Необходимый для нагрева природный газ подаётся в горелку газовым компрессором.

В реакторе засыпан катализатор на основе никеля; в передней и задней частях слоя катализатора установлены инертные шары, предотвращающие прямой контакт пламени с катализатором.

Процессный газ, пройдя через слой катализатора в клаус‑печи, поступает в парогенератор с отходящим теплом, где за счёт непрямого теплообмена с подогретой водой образуется пар; конденсированные капли серы, образующиеся при охлаждении процессного газа, после сепарации направляются в ёмкость для жидкой серы; выходящий из парогенератора процессный газ поступает в серный реактор. Внутри серного реактора размещён катализатор для улавливания серы, при его действии протекает реакция Клауса.

Процессный газ на выходе из серного реактора поступает в серный конденсатор, где за счёт непрямого теплообмена с подогретой водой образуется пар, а также осуществляется отделение и отвод в резервуар для жидкой серы конденсированных капель серы, образующихся при охлаждении процессного газа. Процессный газ, из которого удалены капли серы, называется отходящим газом и направляется за пределы установки. На линии отходящего газа установлен анализатор кислорода; с его помощью осуществляется контроль средовой атмосферы внутри установки.

Все трубопроводы для отвода серы оборудованы паровой рубашкой.

Во время всего срока эксплуатации установки Клауса она постоянно находится в состоянии, при котором имеются одновременно горючее вещество, окислитель и температура, достаточная для воспламенения; кроме того, на установке предусмотрены системы продувки инертным газом и отключения подачи горючего газа.

 

Схема технологического процесса