alla esitetään 2+1-perusreaktorin (Muuntimen) SuperClaus-yksikön prosessivirtauskaavio:
Claus-tekniikka voidaan jakaa kahteen prosessivaiheeseen, lämpö-ja katalyyttiseen.
Lämpöaskel
lämpöaskeleessa rikkivetykaasu reagoi alikiometrisessä palamisessa yli 850 °C: n lämpötilassa siten, että alkuaine rikki saostuu prosessikaasun jäähdyttimessä.
H2S-pitoisuus ja muiden palavien komponenttien (hiilivetyjen tai ammoniakin) pitoisuus määrittävät syöttökaasun palamispaikan. Claus-kaasut (happokaasut), jotka eivät H2S: ää lukuun ottamatta ole enää palavia, poltetaan keskussumua ympäröivissä peiteissä seuraavalla kemiallisella reaktiolla:
2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O (ΔH = -518 kJ mol−1)
tämä on voimakkaasti eksotermisellä vapaaliekillä tapahtuva rikkivedyn kokonaishapetus tuottaen rikkidioksidia, joka reagoi pois myöhemmissä reaktioissa. Tärkein on Claus-reaktio:
2 H2S + SO2 → 3 S + 2 H2O
yleinen yhtälö on:
2 H2S + O2 → 2 S + 2 H2O
lämpötila Claus-uunin sisällä pidetään usein yli 1050°C. Tämä takaa BTEX: n (bentseeni, tolueeni, etyylibentseeni ja ksyleeni) tuhoutumisen, joka muutoin tukkisi Claus-katalyytin alajuoksulla.
ammoniakkia sisältävät kaasut, kuten jalostamon hapanvesistrippausyksikön (SWS) kaasu tai hiilivedyt, muunnetaan polttimen muhvissa. Muhveliin ruiskutetaan riittävästi ilmaa kaikkien hiilivetyjen ja ammoniakin täydelliseen palamiseen. Ilman ja happokaasun suhdetta säädellään siten, että yhteensä 1/3 kaikesta rikkivedystä (H2S) muuttuu SO2: ksi. Näin saadaan aikaan stoikiometrinen reaktio Claus-reaktiolle toisessa katalyyttivaiheessa (katso seuraava jakso alla).
polttoprosessien erottamisella varmistetaan syöttökaasukoostumuksen funktiona tarvittavan Ilmamäärän tarkka annostelu. Prosessikaasun tilavuuden pienentämiseksi tai korkeamman palamislämpötilan saavuttamiseksi ilman tarve voidaan kattaa myös ruiskuttamalla puhdasta happea. Teollisuudessa on saatavilla useita korkean ja matalan tason happirikastusta hyödyntäviä tekniikoita, mikä edellyttää erityisen polttimen käyttöä reaktiouunissa tätä prosessivaihtoehtoa varten.
yleensä 60-70% prosessissa syntyvän alkuainerikin kokonaismäärästä saadaan lämpöprosessivaiheessa.
palotilasta tulevan kuuman kaasun pääosa virtaa prosessikaasun jäähdyttimen putken läpi ja jäähdytetään siten, että reaktiovaiheessa muodostunut rikki tiivistyy. Prosessikaasun synnyttämä lämpö ja kehittynyt kondensaatiolämpö hyödynnetään keski-tai matalapaineisen höyryn tuottamiseen. Kondensoitunut rikki poistetaan prosessikaasujäähdyttimen nestemäisessä ulostulokohdassa.
rikki muodostaa termisessä vaiheessa erittäin reaktiivisia S2-diradikaaleja, jotka yhdistyvät yksinomaan S8-allotrooppiin:
4 S2 → S8
sivureaktioita
muut Claus-reaktion lämpövaiheessa tapahtuvat kemialliset prosessit ovat:
- vetykaasun muodostuminen:
2 H2S → S2 + 2 h2 (ΔH > 0) CH4 + 2 H2O → CO2 + 4 H2
- karbonyylisulfidin muodostuminen:
H2S + CO2 → S=C = O + H2O
- hiilidisulfidin muodostuminen:
CH4 + 2 S2 → S=C=S + 2 H2S
katalyyttinen vaihe
Claus-reaktio jatkuu katalyyttisessä vaiheessa aktiivialumiini(III) tai titaani(IV) oksidilla ja edistää rikin saantoa. Enemmän rikkivetyä (H2S) reagoi reaktiouunissa palamisen aikana muodostuneen SO2: n kanssa Claus-reaktiossa ja tuloksena on kaasumaista, alkuaineista rikkiä.
2 H2S + SO2 → 3 S + 2 H2O (ΔH = -1165.6 kJ mol−1)
yksi ehdotettu mekanismi on, että S6 ja S8 desorb katalyytin aktiivisista kohdista, jolloin muodostuu samanaikaisesti vakaata syklistä alkuainerikkiä.
rikin katalyyttinen talteenotto koostuu kolmesta ala-asteesta: lämmityksestä, katalyyttisestä reaktiosta ja jäähdytyksestä sekä kondensaatiosta.Nämä kolme vaihetta toistetaan yleensä enintään kolme kertaa. Jos Claus-laitoksen alajuoksulle lisätään poltto-tai jäännöskaasun käsittely-yksikkö (TGTU), siihen asennetaan yleensä vain kaksi katalyyttivaihetta.
katalyyttivaiheen ensimmäinen prosessivaihe on kaasulämmitysprosessi. On tarpeen estää rikin tiivistyminen katalyyttikerroksessa, mikä voi johtaa katalyytin likaantumiseen. Vaadittu sängyn käyttölämpötila yksittäisissä katalyyttivaiheissa saavutetaan kuumentamalla prosessikaasua uudelleen lämmittimessä, kunnes haluttu käyttölämpötila saavutetaan.
teollisuudessa käytetään useita uudelleenlämmitysmenetelmiä:
- kuumakaasun ohitus: jossa sekoitetaan kaksi prosessikaasuvirtaa prosessikaasujäähdyttimestä (kylmä kaasu) ja Ohitus (kuuma kaasu) hukkalämpökattilan ensimmäisestä läpiviennistä.
- epäsuorat höyrynlämmittimet: kaasua voidaan lämmittää myös korkeapaineisella höyryllä lämmönvaihtimessa.
- Kaasunvaihtimet: jossa prosessikaasujäähdyttimestä peräisin oleva jäähdytetty kaasu kuumennetaan välillisesti katalyyttireaktorin yläjuoksulla olevasta kuumasta kaasusta kaasunvaihtimessa.
- Suoralämmittimet: happoa tai polttokaasua käyttäviä lämmittimiä, joita poltetaan alikiitometrisesti, jotta vältetään Claus-katalysaattoria vahingoittava hapen läpilyönti.
ensimmäisen katalyyttivaiheen tyypillisesti suositeltu käyttölämpötila on 315-330 °C (pohjan lämpötila). Korkea lämpötila ensimmäisessä vaiheessa auttaa myös hydrolysoida cos ja CS2, joka on muodostettu uunissa ja ei muuten muunnetaan modifioitu Claus prosessissa.
katalyyttinen muunnos on maksimoitu alemmissa lämpötiloissa, mutta on huolehdittava siitä, että jokaista vuodetta käytetään rikin kastepisteen yläpuolella. Seuraavien katalyyttisten vaiheiden käyttölämpötilat ovat tyypillisesti 240 °C toiselle vaiheelle ja 200 °C kolmannelle vaiheelle (pohjalämpötilat).
rikkilauhduttimessa katalyyttisestä reaktorista tuleva prosessikaasu jäähdytetään 150-130 °C: n lämpötilaan.kondensaatiolämpöä käytetään höyryn tuottamiseen lauhduttimen kuoripuolella.
ennen varastointia prosessikaasujäähdyttimestä, rikkilauhduttimista ja lopullisesta rikkierottimesta johdetaan nestemäiset rikkivirrat kaasunpoistoyksikköön, jossa rikiin liuenneet kaasut (pääasiassa H2S) poistetaan.
Claus-prosessin jäännöskaasu, joka vielä Sisältää palavia komponentteja ja rikkiyhdisteitä (H2S, H2 ja CO), joko poltetaan polttoyksikössä tai rikotaan edelleen jäännöskaasun käsittelyyksikössä.
sub dew point Claus processEdit
edellä kuvattu tavanomainen Claus-prosessi on muunnokseltaan rajallinen, koska reaktiotasapaino on saavutettu. Kuten kaikki eksotermiset reaktiot, suurempi konversio voidaan saavuttaa alemmissa lämpötiloissa, mutta kuten mainittiin, Claus-reaktoria on käytettävä rikin kastepisteen (120-150 °C) yläpuolella, jotta nestemäinen rikki ei deaktivoi katalyyttiä fyysisesti. Tämän ongelman ratkaisemiseksi sub kastepiste Clauss reaktorit ovat suuntautuneet rinnakkain, yksi toiminnassa ja yksi varalla. Kun yksi reaktori on kyllästetty adsorboituneella rikillä, prosessivirta ohjataan valmiusreaktoriin. Tämän jälkeen reaktori regeneroidaan lähettämällä 300-350 °C: n lämpötilaan kuumennettua prosessikaasua rikin höyrystämiseksi. Tämä virta lähetetään lauhduttimeen rikin talteenottoa varten.