ett schematiskt processflödesschema för en grundläggande 2 + 1-reaktor (omvandlare) SuperClaus-enhet visas nedan:
Claus-tekniken kan delas in i två processteg, termiska och katalytiska.
termisk stepEdit
i det termiska steget reagerar vätesulfidbelastad gas i en substoikiometrisk förbränning vid temperaturer över 850 C C så att elementärt svavel fälls ut i nedströmsprocessen gaskylare.
H2S-halten och koncentrationen av andra brännbara komponenter (kolväten eller ammoniak) bestämmer platsen där matningsgasen bränns. Claus-gaser (syrgas) utan ytterligare brännbart innehåll bortsett från H2S bränns i lansar som omger en central muffel genom följande kemiska reaktion:
2 H2S + 3 O2 2 oc 2 SO2 + 2 H2O (UB = -518 kJ mol−1)
detta är en starkt exoterm fri flamma Total oxidation av vätesulfid som genererar svaveldioxid som reagerar bort i efterföljande reaktioner. Den viktigaste är Claus-reaktionen:
2 H2S + SO2-2 S + 2 H2O
den totala ekvationen är:
2 H2S + O2-2 S + 2 H2o
temperaturen inuti Claus-ugnen hålls ofta över 1050-C. Detta säkerställer btex (bensen, toluen, etylbensen och xylen) förstörelse som annars skulle täppa nedströms Claus-katalysator.
gaser som innehåller ammoniak, såsom gasen från raffinaderiets survattenborttagare (SWS) eller kolväten omvandlas i brännarmuffeln. Tillräcklig luft injiceras i muffeln för fullständig förbränning av alla kolväten och ammoniak. Förhållandet mellan luft och syragas styrs så att totalt 1/3 av all vätesulfid (H2S) omvandlas till SO2. Detta säkerställer en stökiometrisk reaktion för Claus-reaktionen i det andra katalytiska steget (se nästa avsnitt nedan).
separationen av förbränningsprocesserna säkerställer en noggrann dosering av den erforderliga luftvolymen som behövs som en funktion av matningsgaskompositionen. För att minska processgasvolymen eller få högre förbränningstemperaturer kan luftbehovet också täckas genom att injicera rent syre. Flera tekniker som använder syreberikning på hög nivå och låg nivå finns i industrin, vilket kräver användning av en speciell brännare i reaktionsugnen för detta processalternativ.
vanligtvis erhålls 60 till 70% av den totala mängden elementärt svavel som produceras i processen i det termiska processteget.
huvuddelen av den heta gasen från förbränningskammaren strömmar genom röret i processgaskylaren och kyls ner så att svavel som bildas i reaktionssteget kondenserar. Värmen som avges av processgasen och kondensationsvärmen som utvecklats används för att producera medel-eller lågtrycksånga. Den kondenserade svavel avlägsnas vid vätskeutloppssektionen av processgaskylaren.
svavelformerna i den termiska fasen som mycket reaktiva S2-diradikaler som uteslutande kombineras med S8-allotropen:
4 S2 cu S8
Sidoreaktionerredigera
andra kemiska processer som äger rum i det termiska steget i Claus-reaktionen är:
- bildandet av vätgas:
2 H2S s2 + 2 H2 (S2H > 0) CH4 + 2 H2O C2 + 4 H2
- bildandet av karbonylsulfid:
H2S + CO2 CB S=C=O + H2O
- bildandet av koldisulfid:
CH4 + 2 S2 msk S=C=S + 2 H2S
katalytisk stepEdit
Claus-reaktionen fortsätter i det katalytiska steget med aktiverad aluminium(III) eller titan(IV) oxid och tjänar till att öka svavelavkastningen. Mer vätesulfid (H2S) reagerar med SO2 som bildas vid förbränning i reaktionsugnen i Claus-reaktionen och resulterar i gasformig, elementär svavel.
2 H2S + SO2 3 S + 2 H2O (11165,6 kJ mol−1)
en föreslagen mekanism är att S6 och S8 desorberar från katalysatorns aktiva ställen med samtidig bildning av stabilt cykliskt elementärt svavel.
den katalytiska återvinningen av svavel består av tre substeg: uppvärmning, katalytisk reaktion och kylning plus kondensation.Dessa tre steg upprepas normalt högst tre gånger. Om en förbrännings-eller svansgasbehandlingsenhet (tgtu) läggs nedströms om Claus-anläggningen installeras vanligtvis bara två katalytiska steg.
det första processteget i det katalytiska steget är gasuppvärmningsprocessen. Det är nödvändigt att förhindra svavelkondensation i katalysatorbädden, vilket kan leda till katalysatorfouling. Den erforderliga bäddens Driftstemperatur i de enskilda katalytiska stadierna uppnås genom uppvärmning av processgasen i en eftervärmare tills önskad driftsbädd-temperatur uppnås.
flera metoder för uppvärmning används i industrin:
- Hot-gas bypass: vilket innebär att blanda de två processgasströmmarna från processgaskylaren (kall gas) och bypass (varm gas) från det första passet av spillvärmepannan.
- indirekta ångvärmare: gasen kan också värmas upp med högtrycksånga i en värmeväxlare.
- Gas / gasväxlare: varvid den kylda gasen från processgaskylaren indirekt upphettas från den heta gasen som kommer ut ur en uppströms katalytisk reaktor i en gas-till-gas-växlare.
- direkteldade värmare: avfyrade värmare som använder sur gas eller bränslegas, som bränns substoichiometrically för att undvika syre genombrott som kan skada Claus katalysator.
den rekommenderade driftstemperaturen för det första katalysatorsteget är 315 C till 330 c (temperatur i bottenbädden). Den höga temperaturen i det första steget bidrar också till att hydrolysera COS och CS2, som bildas i ugnen och annars inte skulle omvandlas i den modifierade Claus-processen.
den katalytiska omvandlingen maximeras vid lägre temperaturer, men man måste se till att varje bädd drivs över svavelens Daggpunkt. Driftstemperaturerna för de efterföljande katalytiska stadierna är typiskt 240 CCX för det andra steget och 200 CCX för det tredje steget (bottenbäddstemperaturer).
i svavelkondensorn kyls processgasen som kommer från den katalytiska reaktorn till Mellan 150 och 130 C. kondensvärmen används för att generera ånga på kondensorns skalsida.
före lagring dirigeras flytande svavelströmmar från processgaskylaren, svavelkondensatorerna och från den slutliga svavelavskiljaren till avgasningsenheten, där gaserna (främst H2S) upplösta i svavel avlägsnas.
slutgasen från Claus-processen som fortfarande innehåller brännbara komponenter och svavelföreningar (H2S, H2 och CO) bränns antingen i en förbränningsenhet eller vidare avsvavlas i en efterföljande slutgasbehandlingsenhet.
sub Daggpunkt Claus processEdit
den konventionella Claus-processen som beskrivs ovan är begränsad i sin omvandling på grund av att reaktionsjämvikten uppnås. Liksom alla exoterma reaktioner kan större omvandling uppnås vid lägre temperaturer, men som nämnts måste Claus-reaktorn drivas över svaveldaggpunkten (120-150 kub C) för att undvika att flytande svavel fysiskt avaktiverar katalysatorn. För att övervinna detta problem är de Sub Daggpunkt Clauss reaktorer orienterade parallellt, med en drift och en reserv. När en reaktor har blivit mättad med adsorberat svavel avleds processflödet till standbyreaktorn. Reaktorn regenereras sedan genom att skicka processgas som har värmts upp till 300-350 C för att förånga svavel. Denna ström skickas till en kondensor för att återvinna svavel.