способ получения элементарной серы

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ СЕРЫ из сероводородсодержащего газа, включающий гетерогенно-каталитическое окисление последнего при 150 - 350^oС в реакторе, разделенном на две зоны по ходу газа, первая из которых содержит псевдоожиженный слой катализатора, и отвод тепла реакции с помощью теплообменных поверхностей, отличающийся тем, что катализатор во второй зоне поддерживают в псевдоожиженном состоянии с циркуляцией частиц катализатора между зонами и с дополнительной подачей по крайней мере одного из реагентов во вторую зону, а в первую зону реагенты подают в соответствии со значением отношения



находящимся в диапазоне от -1 до мин. 0,92 и от 0,36 до 1, где - молярный расход сероводорода на входе в первую зону, - молярный расход кислорода на входе в первую зону.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения элементарной серы и может быть применено при получении элементарной серы из высококонцентрированных по Н₂S газов в газоперерабатывающей, химической, нефтеперерабатывающей, кокосохимической и других отраслях промышленности.

Известен способ получения элементарной серы путем гетерогенно-каталитического окисления сероводорода [1] в соответствии с которым процесс ведут в неподвижном слое катализатора при температуре 265^оС. Продукты реакции направляют в конденсатор, где производят их охлаждение и конденсацию серы и воды.

Известен способ [2] по которому очистку сероводородсодержащего газа проводят путем гетерогенно-каталитического окисления сероводорода в две стадии: на первой стадии в псевдоожиженном слое катализатора при 250-300^оС и на второй стадии в стационарном слое катализатора при 140-155^оС при отношении молярных расходов кислорода и сероводорода, равном 0,5-0,51 на первой стадии. В данном способе обеспечивается возможность эффективного отвода избыточного тепла с помощью псевдоожиженного слоя и теплообменников, что позволяет избежать дезактивации катализатора, т.е. управлять температурой в реакторе. Способ позволяет осуществлять очистку высококонцентрированных газов, содержащих до 30 об. сероводорода при нормальном давлении.

Недостатком рассматриваемого способа является прежде всего то, что при высоких концентрациях сероводорода в смеси газа тепловыделение на первой стадии в реакторе велико настолько, что требуется большая площадь теплообменных поверхностей. В то же время объем псевдоожиженного слоя на первой стадии определяется его высотой, которая ограничивается определенным временем контакта реагентов с катализатором (0,5-1 с). Эти обстоятельства приводят к тому, что возникает необходимость размещать большую теплообменную поверхность в ограниченном объеме псевдоожиженного слоя. Это приводит к удорожанию изготовления реактора, а иногда и к невозможности его изготовить. Снижение в этой ситуации площади теплообменных поверхностей за счет уменьшения их температуры путем охлаждения более холодной жидкостью не является выходом. Это действие может привести к осаждению на этих поверхностях конденсированной серы, прилипанию частиц, выходу реактора из строя.

Цель изобретения повышение экономичности способа путем снижения трудоемкости изготовления реактора окисления Н₂S в серу за счет увеличения объема (высоты) реактора, занятого псевдоожиженным слоем, и предотвращения возможности отложения конденсированной серы на теплообменных поверхностях.

Поставленная цель достигается тем, что гетерогенно-каталитическое окисление сероводорода производят при температуре 150-350^оС в реакторе, разделенном на две зоны по ходу газа, первая из которых содержит псевдоожиженный слой катализатора, операции: дополнительной подачи по крайней мере одного из реагентов во вторую зону; отвода тепла реакции с помощью теплообменных поверхностей; псевдоожижения частиц катализатора во второй зоне; циркуляции частиц катализатора между зонами; подачи реагентов в соответствии со значением отношения (G-2G)/(G+2G), находящимся в диапазонах от -1 до -0,92 и от 0,36 до 1, где G расход сероводорода на входе в первую секцию; G расход кислорода на входе в первую секцию.

Само по себе псевдоожижение катализатора во второй зоне приводит к уменьшению площади необходимых теплообменных поверхностей ввиду того, что коэффициенты теплоотдачи от газа к теплообменным поверхностям на порядок выше в псевдоожиженном слое, чем в засыпке. Но это уменьшение ограниченное, если используется значение отношения между расходом кислорода и сероводорода для первой зоны, представленное в способе-прототипе (0,5-0,51). Это значение характеризует стехиометрическую смесь компонентов, при введении которой (для того, чтобы селективность процесса была достаточно высокой) необходимо поддерживать определенное время контакта газа с катализатором (например, не более 1 с). Это означает, что суммарная высота псевдоожиженных слоев в первой и второй зонах ограничивается величиной, при которой время контакта не превышает 1 с. Выполнение такого ограничения при подаче в реактор смеси с концентрацией Н₂S более 50% затруднительно ввиду необходимости устанавливать теплообменные поверхности с большой плотностью, что удорожает изготовление реактора или делает изготовление невозможным.

Эта проблема решается в предлагаемом способе путем уменьшения или прекращения подачи одного из компонентов реакции, с тем чтобы смесь в первой зоне сделать в большой степени нестехиометрической. Для характеристики смеси в первой зоне удобно использовать отношение: (G- -2G)/( G+ 2G ), где G расход сероводорода на входе в первую зону; G расход кислорода на входе в первую зону. Если это соотношение равно 1, то в первой зоне не осуществляют подвод кислорода; если отношение равно (-1), то в первой зоне не подводится сероводород; если отношение равно 0, то в первой зоне подводится стехиометрическая смесь компонентов; если значения отношения попадают в промежутки от -1 до 0 и от 0 до 1, то один из реагентов поступает в первую зону с недостатком.

Для того, чтобы селективность процесса окисления принимала значения, близкие к 100% при больших временах контакта реагирующей смеси и катализатора (больше 1 с), необходимо, чтобы значение отношения (G 2G)/(G + 2G) лежало в двух диапазонах: (0,36)-(1) и (-0,92)-(-1).

Для того, чтобы отвести избыточное тепло реакции, которое не удается снять во второй зоне, осуществляют циркуляцию частиц катализатора между зонами. Избыточное тепло в этом случае снимается теплообменными поверхностями первой зоны. Это можно сделать, например, установив вместо непровальной газораспределительной решетки второй зоны провальную перегородку или выполнив две зоны в одном псевдоожиженном слое, т.е. убрав газораспределительную решетку второй зоны. Имеются и другие возможности осуществить циркуляцию катализатора между зонами (например, с помощью переточных труб).

П р и м е р 1. Эксперимент по проверке предлагаемого способа проводился на лабораторной установке, схема которой представлена на чертеже. Рабочий участок состоит из корпуса 1, который представляет собой колонку из кварцевого стекла с внутренним диаметром 50 мм, газораспределительной решетки 2, трубки 3 для подвода реагентов, теплообменника 4, охлаждаемого водой, засыпки катализатора 5.

Пунктирной линией показано, как отделяется зона I от зоны II в соответствии с изобретением. Циркуляция частиц между зонами осуществляется за счет того, что обе зоны находятся в одном псевдоожиженном слое.

Средний диаметр частиц катализатора (Na X-цеолита) 0,3 мм. Под газораспределительную решетку подают газ, состав которого 50% сероводорода и 50% СО. Частицы катализатора псевдоожижаются, а газ реагирует с кислородом, подаваемым в трубку 3. Температура псевдоожиженного слоя поддерживается на уровне 280^оС. Объем насыпанного в реактор катализатора 0,45 л. Расход газа 6,4 х 10^-5 нм³/с, расход кислорода 1,6 х 10^-5 нм³/с. Площадь змеевиковой теплообменной поверхности 4,73 x х 10^-3 м². Высота псевдоожиженного слоя составляет приблизительно 300 мм. Высота первой зоны (т.е. расстояние от газораспределительной решетки до трубки 3 подвода реагентов) 214 мм. Вся теплообменная поверхность располагается в первой зоне на высоте 10-210 мм от газораспределительной решетки. Таким образом, плотность теплообменной поверхности равняется 1,2 м²/м³.

Исходя из вышесказанного, отношение (G-2G)/(G+2G) в условиях эксперимента равняется 1, что соответствует предлагаемому способу.

Исходный газ, а также газообразные продукты реакции анализируются на хроматографе ЛХМ-8МД. Содержание серы определяют по разнице веса трехслойного фильтра до и после эксперимента. Степень извлечения серы в результате эксперимента 99,4%

П р и м е р 2. Через трубку 3 осуществляют ввод сероводорода, расход которого 3,2 х 10^-5 нм³/с. Окислитель воздух, который подают под газораспределительную решетку 2. Расход воздуха 8 х 10^-5 нм³/с. Температура 250^оС. Остальные условия аналогичны примеру 1.

Исходя из вышесказанного, отношение (G-2G)/(G+2G) в условиях эксперимента равняется -1, что соответствует предлагаемому способу. Степень извлечения серы 99,2%

П р и м е р 3. Процесс окисления Н₂S ведут при температуре 320^оС. Остальные условия аналогичны примеру 1. Степень извлечения серы 99,5%

Если бы окисление сероводорода производилось в сходных условиях по способу-прототипу, то для того, чтобы поддержать необходимое время контакта фаз, равное 1 с, высоту псевдоожиженного слоя катализатора необходимо было бы установить в два раза меньшую, чем составляла высота первой зоны на предлагаемой установке, а значит, плотность теплообменной поверхности необходимо было бы увеличить в 2 раза.

Эффект изобретения еще более показателен в случае его использования на крупномасштабных, промышленных установках, где плотность теплообменных поверхностей определяет трудоемкость изготовления реакторов.