Смесь кислых газов в природном газе по объему состоит из сероводорода более чем на 50%.
Основной объем остальной части составляет углекислый газ, и есть небольшое количество серооксида углерода и углеводородов (метан, этан).
Эту смесь кислых газов обычно выделяют на промысле, в процессе очистки и подготовки газа для транспортировки.
Сера является побочным продуктом этого процесса.
Сначала из смеси кислых газов выделяется сероводород.
Затем его перерабатывают основным на сегодняшний день методом Клауса в элементную серу.
Английский химик К. Клаус, запатентовал в 1883 г основанный на окислении способ получения серы из сероводорода.
Различают 4 основных технологии Клауса:
Прямоточный процесс Клауса (пламенный способ) применяют при объемных долях сероводорода в кислых газах выше 50% и углеводородов менее 2%.
При этом весь кислый газ подается на сжигание в печь-реактор термической ступени установки Клауса, выполненный в одном корпусе с котлом-утилизатором.
В топке печи-реактора температура достигает 1100-1300°С и выход серы до 70%.
Дальнейшее превращение сероводорода в серу осуществляется в 2-3 ступени на катализаторах при температуре 220-260°С.
После каждой ступени пары образовавшейся серы конденсируются в поверхностных конденсаторах.
Тепло, выделяющееся при горении сероводорода и конденсации паров серы, используется для получения пара высокого и низкого давления.
Выход серы - 96-97%.
Разветвленный процесс (1/3 - 2/3) применяют при низкой объемной доле сероводорода в кислых газах (30-50%) и углеводородов менее 2% .
1/3 кислого газа подвергается сжиганию с получением сернистого ангидрида, а 2/3 - поступают на каталитическую ступень, миную печь-реактор.
Серу получают, подавая серный ангидрид в каталитические ступени для взаимодействия с находящимся в 2/3 кислого газа сероводородом.
Выход серы - 94-95%.
Разветвленный процесс с предварительным подогревом кислого газа и воздуха применяют при объемной доле сероводорода в кислом газе 15-30%, когда при использовании обычной разветвленной схемы не достигается минимально допустимая температура 930°С в топке печи-реактора.
Дело в том, что при содержании сероводорода менее 45% стабильность горения кислого газа снижается, и подогрев газа и воздуха стабилизирует горение.
Выход серы - 94-95%.
Процесс прямого окисления применяют при объемной доле сероводорода в кислом газе 10-15%.
При этом, высокотемпературная стадия окисления (сжигания) газа не применяется.
Кислый газ, смешивается с расчетным количеством воздуха, вернее, говоря простым химическим языком, стехиометрическим количеством, и подается сразу на каталитическую ступень конверсии.
Выход серы - 86%.
Содержание углеводородов в кислом газе обычно составляет до 5%.
Чем больше содержание углеводородов, тем больше расход воздуха для горения, объем газов после горения и необходимые для процесса размеры оборудования.
Качество серы снижает углеводород, образующийся при горении углеводородов образуется углерод.
За счет реакций с сероводородом углерод образует CS2 и COS, которые уменьшают выход серы.
Для повышения степени извлечения серы до 99,0-99,7% используют 3 процесса доочистки отходящих газов метода Клауса:
- продолжение реакции Клауса, для превращения H2S и SO2 в серу на твердом или жидком катализаторе,
- восстановление всех сернистых соединений в сероводород с последующим его извлечением,
- окисление всех сернистых соединений до SO2 или до элементарной серы с последующим их извлечением.
Степень конверсии сероводорода в процессе Клауса является очень важным параметром, поскольку определяет выход серы и содержание вредных примесей в хвостовом газе.
Наиболее высокая конверсия сероводорода в процессе Клауса до 99,8% (содержание серы в газе на выходе - 0,05-0,15 г/м3 , основная часть - в твердом виде) достигается при 110-120оС.
