Установка производства серы – процесс Клауса

Назначение

Установки производства серы преобразуют H2S, содержащийся в потоках кислых газов из установок регенерации аминов и установок нейтрализации сернисто-щелочных стоков, в жидкую серу. Обычно двух или трехступенчатый процесс Клауса восстанавливает более 92% H2S в виде элементарной серы.

Большинство нефтеперерабатывающих заводов требуют извлечения серы более чем на 98,5%, поэтому третья ступень Клауса работает ниже точки росы серы. Третья ступень может содержать катализатор селективного окисления, иначе в состав установки производства серы необходимо предусматривать установку дожигания хвостовых газов. Становится все более популярным дегазировать полученную расплавленную серу. Крупные компании предлагают запатентованные процессы, которые дегазируют расплавленную серу до 10-20 мас. ppm H2S.

Применение серы

  • производство крупных резинотехнических изделий (покрышек и т.п.):
  • производство модифицированных асфальтовых покрытий и бетонов с особыми характеристиками
  • в качестве фумигатора: горящая сера выделяет сернистый газ, которым окуривают оборудование и собранный для переработки виноград.
  • использование тонкоизмельчённой серы в качестве универсального инсектицида и акарицида.
  • производство спичечных головок, чёрного пороха и различных пиротехнических составов.

Химизм процесса

Основные реакции

Процесс состоит из многостадийного каталитического окисления сероводорода по следующей общей реакции:

2H2S+ O2 → 2S +2H2O

Процесс Клауса включает сжигание одной трети H2S с воздухом в реакторной печи с образованием диоксида серы (SO2) в соответствии со следующей реакцией:

2H2S+3O2 → 2SO2+2H2O

Оставшиеся несгоревшие две трети сероводорода подвергаются реакции Клауса (реакция с SO2) с образованием элементарной серы следующим образом:

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Термический крекинг

2H2S + SO2 ←→ 3S + 2H2O

Побочные реакции

Образование газообразного водорода:

2H2S → S2 + 2H2

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

Образование карбонилсульфида:

H2S + CO2 → S=C=O + H2O

Образование сероуглерода:

CH4 + 2S2 → S=C=S + 2H2S

Технологическая схема

Технологию Клауса можно разделить на две стадии процесса:

  1. термическая
  2. каталитическая
Принципиальная технологическая схема установки производства серы
Принципиальная технологическая схема установки производства серы

Термическая стадия

Сепарация

Кислый газ поступает в сепаратор для отделения увлеченных примесей, таких, как вода и монотаноламин с установок аминовой очистки, после чего поступает в реакционную печь.

Реакционная печь

Процесс термического окисления протекает в основной реакционной печи, смонтированной в одном агрегате с котлом-утилизатором.

Реакционная печь является важнейшим элементом оборудования в процессе Клауса. Минимальная температура для эффективной работы реакционной печи на “чистом” кислом газе должна контролироваться на уровне выше 925°C.

Котел-утилизатор

Продукты сгорания охлаждаются в котле-утилизаторе и конденсаторе серы. Пар поднимается на паровой барабан, связанный с котлом-утилизатором. Как правило, от 60 и более процентов серы извлекается в термической секции установки Клауса.

Конденсация серы

Основная часть горячего газа из камеры сгорания проходит через трубу охладителя технологического газа и охлаждается таким образом, что образующаяся на стадии реакции сера конденсируется. Тепло, выделяемое технологическим газом, и выделяющееся тепло конденсации используются для получения пара среднего или низкого давления. Полученная жидкая сера удаляется в секции конденсатора и самотеком поступает в резервуар для хранения серы. Здесь она поддерживается в расплавленном состоянии при температуре около 140 °C паровыми змеевиками. Сера, накопленная в этом резервуаре, перекачивается на грузовые или железнодорожные вагоны для отправки.

Каталитическая стадия

Каталитическое восстановление серы состоит из трех технологических операций:

  • нагрев,
  • каталитическая реакция
  • охлаждение и конденсация.

Эти три шага обычно повторяются максимум три раза. Там, где после установки Клауса добавляется установка сжигания или очистки хвостового газа (ТГТУ), обычно устанавливаются только две каталитические ступени.

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Депарафинизация дизельных топлив

Нагрев газа

Первая технологическая стадия в каталитической стадии – это процесс нагрева газа. Необходимо предотвратить конденсацию серы в слое катализатора, что может привести к загрязнению катализатора. Требуемая рабочая температура слоя в отдельных каталитических стадиях достигается нагреванием технологического газа в печах подогрева до достижения желаемой рабочей температуры слоя.

Первый каталитический реактор

Каталитические реакторы работают при более низких температурах – от 200 до 315°C. В качестве катализатора иногда используют глинозем или бокситы. Каждая каталитическая ступень может восстановить от половины до двух третей поступающей серы. Количество каталитических стадий зависит от желаемого уровня конверсии. По оценкам, общее восстановление серы может составить от 95 до 97 процентов.

Каталитическая конверсия максимизируется при более низких температурах, но необходимо позаботиться о том, чтобы каждый слой работал выше точки росы серы.

Общий вид установки производства серы
Общий вид установки производства серы

 Второй и третий каталитические реакторы

Рабочие температуры последующих каталитических ступеней обычно составляют 240 °C для второй ступени и 200 °C для третьей ступени (температура нижнего слоя).

Очистка хвостовых газов

Хвостовой газ из процесса Клауса, все еще содержащий горючие компоненты и соединения серы (H2S, H2 и CO), либо сжигается в установке для сжигания, либо подвергается дальнейшей очистке в последующей установке для очистки хвостового газа.

Дегазация серы

Получаемая на установках Клауса сера содержит растворенный сероводород (до 200–300 ppm по массе) в виде свободного сероводорода и химически связанного полисульфида водорода. При перемешивании и понижении температуры полисульфиды, содержащиеся в жидкой сере, разлагаются с выделением сероводорода.

В настоящее время в производстве газовой серы все более широко используется процесс дегазации жидкой серы путем ее продувки воздухом.

Грануляция серы

Основным условием потребителей элементарной серы является поставка ее в виде прочных малопористых гранул. Удобство обращения с гранулированной серой связано с тем, что она не слеживается, сохраняет сыпучесть и не образует пыли при хранении и перевозках, легко транспортируется и дозируется.

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Вакуумный блок установки АВТ

Сущность известных способов получения гранулированной серы сводится к истечению расплава серы через отверстие в виде отдельных капель, которые в процессе свободного падения охлаждаются воздухом, сырым водяным паром или струями воды.

Материальный баланс

Сырье % масс. кг/ч
Сероводород 100,0 291,92
Всего: 100,0 291,92
Продукты
Сера элементарная 97,0 283,18
Потери 3,0 8,73
Всего: 100,0 291,92

Достоинства и недостатки

Достоинства

  1. Простота технологического оформления установки.
  2. Удаление H2S из газов сжигания, что позволяет соблюдать экологические стандарты предприятия.
Коррозия трубопровода на установке производства серы
Коррозия трубопровода на установке производства серы

Недостатки

  1. Непреднамеренная конденсация и накопление серы может привести к таким проблемам, как затруднение прохода потока технологического газа, закупорка твердой серой, пожар и повреждение оборудования.
  2. Превышение предложения серы на рынке над ее спросом.
  3. Коррозия и загрязнение оборудования вследствие присутствия аммиака, H2S, CO2 возможного образования серной кислоты.

Существующие установки

В настоящее время основными производителями серы являются газоперерабатывающие заводы (ГПЗ), нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) и нефтегазохимические комплексы (НГХК). Сера на этих предприятиях производится из кислых газов, образующихся при аминовой очистке высокосернистого углеводородного сырья. Подавляющее количество газовой серы выпускается по известному методу Клауса.

Установка производства серы. Орский НПЗ
Установка производства серы. Орский НПЗ

Из данных, представленных в табл.1–3, видно, какие виды товарной серы выпускают сегодня российские предприятия, производящие серу.

Таблица 1 – Нефтеперерабатывающие заводы России, производящие серу

Таблица 2 – Нефтегазохимические комплексы России, производящие серу

Таблица 3 – Газоперерабатывающие заводы России, производящие серу

Вам будет интересно:

Добавить комментарий