Разработка предложений по очистке природного газа и переработки кислых газов с получением товарной продукции (серы) (на примере Карачаганакского месторождения) (стр. 15 из 18)

4.2 Механизм превращения сероводорода в элементарную серу

Получение элементарной (товарной) серы из кислых газов основано на окислении сероводорода. Наиболее общепринятым считается двухстадийное окисление сероводорода в серу. В первой стадии кислый газ смешивается с воздухом, при этом часть сероводорода окисляется в SO₂ по реакции

Н₂S + 1,5О₂⇄Н₂О + SO₂ + Q (4.1)

Во второй стадии SO₂ окисляются до элементарной серы.

2Н₂S + SО₂⇄ 2Н₂О + 3/nSn + Q (4.2)

где n – число атомов в молекуле, n = 2-8

Q – теплота реакции.

Одновременно в процессе протекает также реакций прямого окисления Н₂S в серу.

Н₂S + 0,5О₂→ Н₂О + S + Q (4.3)

Описанные в технической литературе данные реакции именуются реакциями Клауса, по имени ученого, предложившего их механизм /16/.

Основная часть тепла, получаемая по реакции Клауса на промышленных установках, рекуперируются, за счет чего производится водяной пар. Наряду с реакциями (4.1) – (4.3) при взаимодействии Н₂S с кислородом и природным газом, протекают также следующие реакции:

СО₂ + Н₂S → COS + Н₂О (4.4)

СН₄ + 2S₂ → CS₂ + 2Н₂ (4.5)

СО₂ + Н₂S⇄CO + Н₂О + СОS (4.6)

СО + Н₂О ⇄Н₂О + СО₂ (4.7)

Установки получения серы, основанные на реализации реакции (4.1) – (4.3), в технической литературе принято называть установками Клауса. В общем случае установка Клауса включает в себя термическую и каталитическую ступени.

В термической ступени сероводород сгорает в присутствии воздуха. При этом преимущественно образуются элементная сера и диоксид серы. Температура горения прежде всего зависит от концентрации Н₂S в кислом газе и составляет 900-1200^оС. Эта температура зависит также от соотношения "воздух: кислый газ", которое, как правило, поддерживается на уровне 1,7-1,9. Степень конверсии Н₂S в элементную серу в термической ступени должна быть как выше, то есть ближе к термодинамическому уровню.

При пониженных значениях степени конверсии на термической ступени, при сохранении общего значения этого параметра в целом по установке увеличивается нагрузка на каталитические ступени.

Одним из основных факторов, оказывающих влияние на эффективность работы термической ступени, является продолжительность пребывания в ней газа τ_s. Зависимость между τ_s и степенью конверсии Н₂S в S для реактора-генератора подробно изучена П.А.Теснер и др. /16, 29/.

Степень конверсии Н₂S в серу зависит также от температуры в реакторе: чем выше температура, тем выше степень конверсии Н₂S. Это хорошо видно из графической зависимости, представленной на рисунке 12, полученной на установке Калуса Мубаренского ГПЗ /16/. Практическая степень превращения Н₂S в серу в реакторе составляет не более 60-65%.

Дальнейшая конверсия Н₂S в серу происходит в каталитических ступенях установки Клауса – в конверторах.

Основным параметром, влияющим на степень конверсии Н₂S, является соотношение расходов воздуха и кислого газа на выходе из реакционной печи, оно должно обеспечивать объемное соотношение Н₂S : SO₂ на входе газа в конвертор, равное 2 : 1. Любое отклонение от данного соотношения влечет за собой снижение выхода элементарной серы.