СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И СЕРЫ ПУТЕМ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ СЕРОВОДОРОДА

Способ получения водорода и серы путем плазмохимической диссоциации сероводорода.

Изобретение относится к технологии переработки сероводородсодержащих газов, позволяющей получать в результате процесса диссоциации сероводорода в качестве продуктов водород и серу. Применение изобретения наиболее предпочтительно для процессов нефте- и газопереработки, в том числе для сероочистки нефти.

Известны различные способы диссоциации сероводорода - плазмохимические (Givotov V.K, et al. «Plasmochemical methods of hydrogen production» - Int. J. Hydrogen Energy, 6 (5), p. 441-449), электрохимические (Eletcher F.A., Nring J.E., Murray J.P. «Hydrogen Sulfide as Sourse of Hydrogen» - Int. J. Hydrogen Energy, 1984, v. 9, № 7, p. 587-593), термохимические (Kiuchi h., Funaki K., Naka Y., Tanaka T. «Termochemical Decomposition Cycle of H₂S with Nickel Sulfide» - Int. J. HydrogenEnergy, 1984, v. 9, №8, p. 701-705), термокаталитические (Sugioka M., Aomura K. «A Possible Mechanism for Catalytic Decomposition of Hydrogen Sulfide over Molybdenum Disulfide» - Int. J. HydrogenEnergy, 1984, v. 9, №11 p. 891-894), фотокаталитические (Naman S.A., Alivi S.M. Al-Emara K. - Int. J. HydrogenEnergy, 1986, v. 11, №1, p. 33-38) и фотохимические (Василевский B.B и др. «Селективная фотодиссоциация сероводорода в смеси с метаном в потоке газа. ХВЭ, 25, 283-284, 1991»).

В настоящее время наиболее перспективной для практического применения как по технико-экономическим параметрам, так и по практической реализации является плазмохимическая технология (Багаутдинов А.З. и др. «Плазмохимический блок опытного стенда по переработке сероводородсодержащих газов на Оренбургском газоперерабатывающем заводе». - в сб.: Вопросы атомной науки и техники, серия АВЭ и Т, М.: ИАЭ, 1989, вып. 3, с. 59-60).

Известны различные устройства для реализации процесса плазмохимической диссоциации сероводорода, основанные на применении электродных (дуговых) и безэлектродных электрических разрядах.

Варианты термической диссоциации сероводорода с применением дуговых разрядов рассмотрены в патентах: DE 3526787 «Process for producing sulphur from hydrogen sulphide», UNION RHEINISCHE BRAUNKOHLEN, cl. C01B 3/04, 1987-01-29, FR 2639630 «Process for the electrical conversion of hydrogen sulphide used as plasmogenic gas and equipment for the implementation of this process», CALLEC GILLES; OUNNAS DANIEL. cl. B01J 12/00; C01B 3/04, 1990-06-01, FR 2620436, С01 В 17/027, C01B 3/04, 1989, А.С. №2075431, cl. C01B 3/04, 1994.10.26 «Способ производства водорода и серы». Основным недостатком применения дуговых разрядов по сравнению с безэлектродными разрядами является проблема эрозии электродов в разряде сероводорода, а также высокие энергозатраты. Преодолению этого недостатка посвящены исследования профессора А. Черняховского, который предложил использовать для этой цели скользящий дуговой разряд (glidarc). Этот метод изложен в многочисленных патентах: FR 2620436, «Process for the electrical conversion of hydrogen sulphide to hydrogen and sulphur and equipment for implementing this process», JORGENSEN PIERRE; CZERNICHOWSKI ALBIN; CHAPELLE JOSEPH; MEGUERNES KHELIFA, cl. B01J 12/00; C01B 17/04, 1989-03-17, EP 0394141 «Process for the electrochemical treatment of an hydrogen sulfide containing gas», CZERNICHOWSKI ALBIN (FR); CZERNICHOWSKI ISABELLE (FR); CHAPELLE JOSEPH (FR); FOUILLAC CHRISTIAN (FR); LESUEUR HERVE (FR), cl. B01D53/32; C01B17/04, 1990-10-24, FR2775864 «Apparatus for producing non equilibrium electric discharges useful for purification, destruction or chemical conversion or metal surface treatment», CZERNICHOWSKI ALBIN; CZERNICHOWSKI PIOTR, cl. B01D 53/32; B01J 19/08, 1999-09-10, French Patent №2817444, A. Czernichowski, B. Hnatiuc, P. Pastva, A. Ranaivosoloarimanana «Generateurs et circuits electriques pour alimenter des decharges instables de haute tension», US №8110155, «Vortex reactor and method of using it», Fridman Alexander et al., August 23, 2007. Однако, энергозатраты в этих процессах по прежнему остаются высокими, при этом до конца проблему эрозии электродов разрешить не удалось.

В авторских свидетельствах А.С. SU 1226783 А; кл. С01В 17/94, 31/18; 08.06.1984 «Метод производства водорода и серы» и A.C. SU 1271006 кл.. С01В 3/00, 18.02.1985 «Метод производства водорода и серы», а также в патентах US 5211923, B01D 53/52; С01В 3/04; С01В 17/04, 1993-05-18, «Hydrogen and sulfur recovery from hydrogen sulfide wastes», HARKNESS JOHN В L (US); GORSKI ANTHONY J (US); DANIELS EDWARD J (US), заявлены основные принципы и описаны параметры проведения процесса в безэлектродных разрядах (энерговклад, степень диссоциации, энергозатраты) обеспечивающие выполнение требований необходимых для практической реализации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) является способ получения водорода и серы путем плазмохимической диссоциации сероводорода заключающийся в том, что процесс диссоциации сероводорода на водород и серу проводят в плазме безэлектродного разряда при удельных энерговкладах в диапазоне 0.5-1.0 эВ/мол. сероводорода, из полученной парогазовой смеси состоящей из непродиссоциировавшего сероводорода, водорода и паров серы выделяют элементарную серу путем сероконденсации, а сероводород отделяют от водорода и рециркулируют в зону диссоциации (патент US 7455828 В2 «Process and apparatus for converting hydrogen sulfide into hydrogen and sulfur»).

Известный способ предполагает, что процесс сероконденсации проводится после охлаждения парогазовой смеси (ПГС), образующейся на выходе зоны диссоциации сероводорода, до температуры кипения элементарной серы.

Проведенные заявителем исследования показали, что при такой организации процесса сероконденсации резко снижается эффективность серосбора (отношение количества сконденсированной серы к общему количеству серы содержащейся в парогазовой смеси), ввиду того, что при достижении ПГС точки росы образуются аэрозоли серы. Таким образом, недостатком прототипа является низкая величина серосбора в процессе сероконденсации.

Предлагаемое изобретение решает задачу оптимизации серосбора при плазмохимической диссоциации сероводорода.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе получения водорода и серы путем плазмохимической диссоциации сероводорода заключающемся в том, что процесс диссоциации сероводорода на водород и серу проводят в плазме безэлектродного разряда при удельных энерговкладах в диапазоне 0.5-1.0 эВ/мол. сероводорода, из полученной парогазовой смеси состоящей из непродиссоциировавшего сероводорода, водорода и паров серы выделяют элементарную серу путем сероконденсации, а сероводород отделяют от водорода и рециркулируют в зону диссоциации, согласно изобретению процесс сероконденсации проводят непосредственно в послеразрядной зоне при температуре парогазовой смеси не ниже 800°C.

Моделирование процесса сероконденсации из парогазовой смеси образующейся на выходе зоны плазмохимической диссоциации сероводорода в сероконденсаторе-теплообменнике показало, что величина эффективности серосбора существенно зависит от температуры ПГС. На фигуре 1 приведена зависимость эффективности серосбора от температуры начала процесса сероконденсации и степени (α) диссоциации сероводорода. Видно, что эффективный серосбор происходит при температурах от 800°C и выше.

Способ получения водорода и серы путем плазмохимической диссоциации сероводорода осуществляется следующим образом.

Исходный сероводород направляют в плазмохимический реактор на основе безэлектродного высокочастотного индукционного разряда. При этом для одновременного обеспечения условий стабильного горения разряда и оптимального энерговклада в процесс диссоциации на уровне 0.5-1.0 эВ/мол., часть сероводорода направляют в послеразрядную зону плазмохимического реактора. Процесс сероконденсации из получаемой в процессе диссоциации парогазовой смеси осуществляют с помощью сероконденсатора-теплообменника, интегрированного с послеразрядной зоной плазмохимического реактора в области температур не ниже 800°C. При этом вблизи теплообменных поверхностей теплообменника - сероконденсатора, имеющих температуру в диапазоне 130-150°C, возникает резкий градиент температуры ПГС, благодаря чему пары серы эффективно конденсируются без образования аэрозолей, что обеспечивает степень серосбора не менее 80%. Выбор диапазона температур теплообменных поверхностей 130-150°C обеспечивает быстрое стекание сконденсированной жидкой серы, поскольку в этом диапазоне температур жидкая сера имеет минимальную вязкость. При этом равновесная температура парогазовой смеси на выходе из плазмохимического реактора находится в диапазоне 400-600°C. Оставшуюся часть аэрозольной серы улавливают с помощью электрофильтра. Далее непродиссоциировавший сероводород отделяют от водорода и рециркулируют в плазмохимический реактор.