Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗА ОТ СЕРОВОДОРОДА

Изобретение относится к способам очистки газа от сероводорода и может найти применение в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Известны способы очистки газа от сероводорода, представляющие собой поглощение сероводорода из газа адсорбентами. При этом адсорбция может быть чисто физическая, либо одновременно с адсорбцией сероводород подвергается окислению /1/. Эти способы очистки газа имеют такие недостатки, как периодичность процесса очистки (адсорбция - десорбция), громоздкость оборудования, необходимость большого количества адсорбента, применимость только для очистки газов с низким содержанием сероводорода (до 0,5%).

Известны способы очистки газа от сероводорода путем окисления сероводорода до серы кислородом воздуха и диоксидом серы. Из этих способов наибольшее применение в промышленности получил процесс Клауса /1/. Данный процесс представляет собой:

- разделение потока очищаемого газа на первую и вторую части в заданном соотношении (обычно в соотношении 9:2);

- окисление сероводорода H₂S первой части потока очищаемого газа до серы и диоксида серы при пламенном сжигании сероводорода кислородом воздуха:

- извлечение полученной при этом серы из потока очищаемого газа;

- окисление до серы сероводорода второй части потока очищаемого газа диоксидом серы, полученным в первой части данного потока:

- извлечение полученной при этом серы из потока очищаемого газа;

- доочистка потока очищаемого газа.

Реакция (1) протекает путем пламенного сжигания сероводорода при 900-1300°С и стехиометрическом количестве кислорода. При этом частично протекает и реакция (2), а некоторая часть сероводорода вообще не реагирует. Реакция (3) протекает при 250-270°С на катализаторе - боксите.

Процесс Клауса, являющийся наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, имеет следующие недостатки. Во-первых, окисление сероводорода кислородом воздуха до серы и диоксида серы путем пламенного сжигания сероводорода применяется лишь при высоком содержании H₂S в газе (более 30%). Это связано с тем, что при низком содержании H₂S в газе количества выделяемого тепла по реакции (1) недостаточно для автотермичности пламенного сжигания H₂S. Во-вторых, технологическая схема процесса Клауса является многостадийной, энергоемкой, сложной и громоздкой (в частности, она включает в себя реактор-генератор, конденсатор-генераторы, камеры смешения, подогреватели, конверторы, заполненные бокситовым катализатором, конденсатор-экономайзер, сероуловитель, печь дожига). В-третьих, выхлопные газы содержат до 1% сернистых соединений (то есть схема является незавершенной в экологическом отношении).

Решаемой технической задачей изобретения является упрощение, снижение громоздкости и энергоемкости, повышение экологичности технологии очистки газа от сероводорода, расширение диапазона применимости данной технологии (предлагаемое изобретение позволяет очищать газы с низким содержанием сероводорода (до 0,01%) в очищаемом газе).

Решаемая техническая задача в предлагаемом способе очистки газа от сероводорода, включающем разделение потока очищаемого газа на первую и вторую части, окисление сероводорода первой части потока очищаемого газа кислородом воздуха, далее окисление сероводорода второй части потока очищаемого газа до серы диоксидом серы, полученным в первой части данного потока и смешанным со второй частью потока очищаемого газа, извлечение полученной серы из потока очищаемого газа достигается тем, что разделение потока очищаемого газа на первую и вторую части осуществляют в соотношении 1:2, окисление сероводорода первой части потока очищаемого газа осуществляют до диоксида серы стехиометрическим количеством кислорода воздуха путем ввода первой части потока очищаемого газа и соответствующего количества воздуха снизу в вертикально установленный и заполненный сыпучим инертным материалом реактор, окисления сероводорода первой части потока очищаемого газа до диоксида серы кислородом воздуха в среде сыпучего инертного материала при пропускания этой части потока очищаемого газа и соответствующего количества воздуха снизу вверх через данную среду, далее окисление сероводорода второй части потока очищаемого газа до серы диоксидом серы, полученным в первой части данного потока, осуществляют путем ввода второй части потока очищаемого газа в среду сыпучего инертного материала на заданной высоте реактора и окисления сероводорода диоксидом серы при движении очищаемого газа снизу вверх в данной среде, а извлечение полученной серы из потока очищаемого газа осуществляют путем периодического или непрерывного перемещения в реакторе сверху вниз сыпучего инертного материала под действием его силы тяжести.

Ввод первой и второй частей потока очищаемого газа и воздуха в реактор могут осуществлять равномерно по периметру поперечного сечения реактора.

В качестве сыпучего инертного материала реактор могут заполнять строительным песком.

Размеры реактора, высоту ввода второй части потока очищаемого газа в реактор и скорость периодического или непрерывного движения в реакторе сверху вниз сыпучего инертного материала под действием силы тяжести могут определять из условия минимального суммарного содержания сероводорода и диоксида серы в очищенном газе на выходе из реактора.

Окисление сероводорода первой и второй части потока очищаемого газа в среде сыпучего инертного материала внутри реактора могут осуществлять путем поддержания заданного вертикального распределения температуры стенки данного реактора.

Температуру стенки реактора между сечениями ввода первой и второй частей потока очищаемого газа могут поддерживать в диапазоне 250-320°С.

На чертеже представлена принципиальная схема установки для реализации предложенного способа очистки газа от сероводорода, где 1 - реактор, заполненный сыпучим инертным материалом 2 - строительным песком. Реактор 1 снабжен: размещенными в его нижней части штуцерами 3 и 4 для ввода снизу в данный реактор 1 соответственно первой части потока очищаемого газа и воздуха; размещенными на заданной его высоте штуцерами 5 для ввода второй части потока очищаемого газа в данный реактор 1; размещенным в верхней части реактора 1 штуцером 6 для вывода из реактора 1 потока очищенного от сероводорода газа; нагревателем 7 и датчиком температуры 8, позволяющими поддерживать заданное вертикальное распределение температуры стенки реактора 1; клапаном 9 для подачи сверху в реактор в периодическом или непрерывном режиме чистого сыпучего инертного материала; клапаном 10 для вывода из реактора в периодическом или непрерывном режиме смеси сыпучего инертного материала с серой; распределителем 11 для разделения потока очищаемого газа на первую и вторую части в заданном соотношении. Реактор 1 выполнен в виде вертикально установленного и заполненного чистым строительным песком металлического цилиндра, отношение высоты которого к его диаметру составляет от 8 до 10. При этом отношение высоты ввода в реактор второго потока очищаемого газа к высоте реактора составляет от 0,15 до 0,3. Сечение ввода в реактор 1 второй части потока очищаемого газа условно разделяет объем сыпучего инертного материала на нижний и верхний слой. Нагреватель (электрический) 7 и датчик температуры 8 размещены между сечениями ввода первой и второй частей потока очищаемого газа в реактор 1 и позволяют поддерживать температуру стенки реактора 1 между данными сечениями в диапазоне 250-320°С.

Рассмотрим осуществление предлагаемого способа. Предварительно нижний слой песка 2, до подачи очищаемого газа в реактор 1, нагревают нагревателем 7 до 250°С. Поток очищаемого газа распределителем 11, выполненным в виде тройника, снабженного вентилями и расходомерами, разделяют на первую и вторую части в соотношении 1:2. Первую часть потока очищаемого газа и соответствующее стехиометрическое количество воздуха вводят в нижний слой песка 2 через соответственно штуцера 3 и 4, расположенные равномерно по периметру нижнего поперечного сечения реактора 1, и пропускают снизу вверх через данный слой.

Испытания показали, что в объеме нижнего слоя песка 2, нагретого свыше 200°С, при смешении в этом объеме сероводорода с достаточным количеством воздуха, начинается интенсивное окисление данного сероводорода кислородом воздуха до диоксида серы SO₂ (реакция (2)). При этом сразу происходит интенсивное охлаждение продуктов этой реакции (2) развитой и относительно холодной поверхностью частиц песка 2 (песок 2 имеет достаточно высокие значения плотности, теплоемкости и теплопроводности). При таких температурах реакция (1) в нижнем слое песка 2 практически не протекает.

Вторую часть потока очищаемого газа вводят в верхний слой песка 2 через штуцера 5, расположенные на заданной высоте реактора 1 равномерно по периметру его поперечного сечения, и пропускают снизу вверх через данный слой. Испытания показали, что отношение высоты расположения штуцеров 5 (точнее, расстояния между сечениями ввода в реактор первого и второго частей потока очищаемого газа) к высоте реактора 1 может составлять от 0,15 до 0,3.

Известно, что с понижением температуры возрастает степень протекания реакции окисления сероводорода диоксидом серы (реакции (3)) /1/. Отсюда следует, что диоксид серы, образовавшийся в нижнем слое песка 2, при попадании в верхний относительно холодный слой песка 2 начинает интенсивно окислять сероводород второй части очищаемого потока газа до серы. При этом если поток очищаемого газа разделить, как следует из реакций (2) и (3), на первую и вторую части в отношении 1:2, то на выходе из верхнего слоя песка 2 суммарное содержание H₂S и SO₂ в очищенном газе будет минимальным. Очевидно также, что количество кислорода воздуха, вводимого в объем нижнего слоя песка 2, должно быть достаточным для полного окисления сероводорода первой части потока очищаемого газа до диоксида серы (то есть стехиометрическим по реакции (2) к количеству сероводорода первой части потока очищаемого газа).

Одновременно с вышеуказанным процессом окисления сероводород второй части очищаемого потока газа до серы происходит осаждение образовавшейся серы развитой поверхностью частиц песка 2. А так как температура песка 2 во всем объеме реактора 1 не превышает 350°С, испарение серы из поверхности песка не происходит (температура кипения серы равна 445°С). Поэтому данная сера может быть легко выведена из реактора 1 путем периодического или непрерывного перемещения в нем песка 2 сверху вниз под действием его силы тяжести. При этом нагретый и очищенный газ оставляет основную часть своей тепловой энергии в слое песка 2 вследствие интенсивного охлаждения данного газа через развитую контактную поверхность с поступающим сверху холодным песком 2. По мере движения сверху вниз песок 2 нагревается и при достижении нижнего слоя будет иметь относительно высокую температуру (то есть происходит возвращение и повторное использование тепла уже очищенного газа), что способствует снижению энергоемкости технологии очистки газа от сероводорода.

Перемещение песка 2 в реакторе 1 сверху вниз осуществляют выводом снизу из реактора 1, например, шнеком, в периодическом или непрерывным режиме заданного количества песка 2 через клапан 10, и синхронным вводом сверху в реактор 1, например шнеком, в периодическом или непрерывным режиме такого же количества песка 2 через клапан 9.

Осажденная на песке 2 сера на выходе из реактора 1 имеет температуру около 350°С и, как следствие, является пластичной. При остывании до комнатной температуры песок с осажденной на нем серой может быть легко превращен в экологичный твердый строительный материал (например, в строительные блоки).

Примеры реализации способа очистки газа от сероводорода. Эксперименты были проведены в реакторе 1, представляющем собой металлический цилиндр с диаметром 20 мм и высотой 220 мм, заполненный строительным песком. Расстояние между сечениями ввода первой и второй частями потока очищаемого газа составило 30 мм. Состав газа на входе и выходе колонны измерялся газоанализатором.

Достижения технического результата были проверены экспериментально.

В первом примере конкретной реализации предлагаемого способа концентрация сероводорода в очищаемом газе составляла 9%. Данный газ с расходом 6 литр/мин был разделен на первую и вторую части с расходами 2 и 4 л/мин соответственно. Количество воздуха, вводимого в нижний слой песка 2, составляло 0,65 л/мин. Температура стенки реактора 1 между сечениями ввода первой и второй частей потока очищаемого газа поддерживалась в диапазоне 300÷310°С. При этом в очищенном газе на выходе из верхнего слоя песка 2 сероводород отсутствует, а содержание диоксида серы составляет менее 0,01%. На песок 2 осаждается пластичная сера. Периодичность смены песка 2 в реакторе 1 составляла 140 часов.

Во втором примере конкретной реализации предлагаемого способа концентрация сероводорода в очищаемом газе составляла 63%. Данный газ с расходом 6 л/мин был разделен на первую и вторую части с расходами 2 и 4 л/мин соответственно. Количество воздуха, вводимого в нижний слой песка 2, составляло 4 л/мин. Температура стенки реактора 1 между сечениями ввода первой и второй частей потока очищаемого газа поддерживалась в диапазоне 270÷280°С. При этом в очищенном газе на выходе из верхнего слоя песка 2 также отсутствует сероводород, содержание диоксида серы составляет менее 0,01%, на песок 2 осаждалась пластичная сера. Периодичность смены песка 2 в реакторе 1 составляла 20 часов.

Таким образом, предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, позволяет добиться более высокой степени очистки газа от сероводорода, снизить энергоемкость технологии очистки газа от сероводорода, расширить диапазон применимости данной технологии в сторону очистки газов с низким содержанием сероводорода (до 0,01%) в очищаемом газе, свести многостадийную, сложную, громоздкую технологическую схему очистки газа от сероводорода к одному и простому процессу пропускания очищаемого газа через реактор, заполненный сыпучим инертным материалом.

1. Менковский М.А., Яворский В.Т. Технология серы. - М.: Химия, 1985, 328 с., ил.