СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНОЙ СЕРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C01B17/04 

Изобретения относятся к процессам переработки сероводородосодержещих газов с получением элементарной серы и могут найти применение при утилизации сероводорода путем его газофазного окисления.

Известен способ получения элементарной серы из сероводорода по авт. св.N 1627507, МПК C 01 B 17/04, опубликованному 15.02.91 г.

Способ включает каталитическое окисление сероводорода кислородом в две стадии, первую из которых осуществляют при 250-300^oC в псевдоожиженном слое, а вторую - при 140-155^oC в стационарном слое катализатора.

Способ осуществляют в известном из того же авторского свидетельства устройстве, содержащем реактор первой стадии с псевдоожиженным слоем катализатора и конденсатор, реактор второй стадии со стационарным слоем катализатора и, соответственно, конденсатор.

Вследствие сложного аппаратурного оформления описанные способ и устройство малоэффективны.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения элементарной серы, который заключается в одностадийном газофазном окислении сероводорода кислородом в реакторе на твердых катализаторах, селективном отделении серы из продуктов реакции путем ее конденсации, улавливании несконденсированных капель, а также улавливании мелкодиспергированной серы с помощью фильтров, с последующим сбросом оставшейся газовой фазы (см. Ф.Р. Исмагилов "Способ утилизации сероводорода в кипящем слое катализатора", журнал "Газовая промышленность", 1993 г. N 1, с 23-24).

Недостатком указанного способа являются потери целевого продукта на фильтрах и энергетические потери из-за повышения гидравлического сопротивления на фильтрах при их забивании мелкодиспергированной серой.

В вышеуказанной статье описано устройство для получения элементарной серы, наиболее близкое к предлагаемому.

Известное устройство включает нагреватели, реактор с охлаждающими змеевиками и газораспределительной решенной, на которую насыпан слой катализатора, конденсатор с пучком труб, омываемых хладогентом, серосборник с патрубками подвода и отвода жидкой серы, каплеуловитель и фильтры.

Недостатком устройства является низкая его надежность из-за забивания труб конденсатора сконденсированной жидкой серой, которая при охлаждении, достигая температуры 188^oC, теряет текучесть в силу аномальности ее реологических свойств, в результате величина ее вязкости достигает значения 93,1 Па с, что приводит к повышению гидравлического сопротивления трубного пучка конденсатора до значений, приводящих к аварийным остановкам процесса.

Предлагаемыми изобретениями решается задача повышения эффективности способа путем сокращения уноса мелкодисперсной серы, снижения гидравлических потерь и повышения безопасность процесса, упрощения его аппаратного оформления, а также снижения металлоемкости.

Это достигается тем, что в известном способе получения элементарной серы, включающем газофазное окисление сероводорода кислородом в реакторе на твердых катализаторах и селективное отделение серы из продуктов реакции, отвод ее и сброс оставшейся газовой фазы, согласно изобретению, селективное отделение серы осуществляют путем барботирования продуктов реакции сквозь жидкую серу с температурой от 127 до 158^oC с последующим улавливанием капель серы размером более 1000 мкм из зоны "над барботажным слоем", отвод серы производят из зоны "под барботажным слоем", одновременно поддерживая при этом уровень последнего в заданных пределах, сброс газовой фазы осуществляют из зоны "над барботажным слоем", а температуру продуктов реакции поддерживают равной температуре жидкой серы в барботажном слое путем ввода в них воды на выходе из реактора.

Для достижения названного технического результата предлагается устройство, которое, как и наиболее близкое к нему известное, содержит нагреватели газов, реактор с охлаждающими змеевиками и газораспределительной решеткой и насыпанным на нее слоем катализатора, серосборник с патрубками отвода жидкой серы и очищенных от нее продуктов реакции и каплеуловитель.

В отличие от известного, в предлагаемом устройстве в серосборнике установлены барботер, сообщенный с реактором, и регулятор верхнего уровня барботажного слоя.

Устройство усовершенствовано и тем, что верхний открытый торец реактора помещен в серосборник соосно с его обечайкой, не доходит до верхнего днища серосборника и образует с его обечайкой и днищами кольцевой барботажный отсек, в котором коаксиально установлена труба, прикрепленная к верхнему днищу серосборника, при этом на нижнем торце трубы закреплен решетчатый барботер, а верхний открытый торец реактора находится выше уровня барботажного слоя.

Устройство усовершенствовано и тем, что каплеуловитель установлен в серосборнике над барботажным слоем.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где приведена схема устройства для осуществлении предложенного способа.

Способ осуществляют следующим образом.

Подогретые воздух и сероводородосодержащей газ в стехиометрическом соотношении подают в реактор, при этом воздух подают непосредственно в нижние слои катализатора, насыпанного на газораспределительную решетку, а газ - под решетку. Температуру в реакторе, возрастающую за счет тепла, выделяющегося в результате реакции окисления, поддерживают в диапазоне 150-350^oC за счет охлаждения зоны реакции хладогентом, подаваемым в змеевики, расположенные в реакционной зоне. Выходящие из зоны реакции газообразные продукты с диспергированной в них серой на выходе из реактора охлаждают до 127 - 158^oC путем регулируемого ввода в них воды и затем барботируют сквозь жидкую серу, имеющую ту же температуру. Мелкодиспергированная в продуктах реакции сера улавливается в барботажном слое, после чего ее отводят из зоны "под барботажным слоем", верхний уровень которого поддерживают при этом в заданных пределах.

Очищенная от мелкодисперсной серы газовая фаза продуктов реакции поступает в зону "над барботажным слоем", увлекая за собой капли, образовавшиеся в результате разрушения газовых пузырей на поверхности барботажного слоя. Преимущественный размер капель составляет 1000 мкм. Капли оседают на каплеуловителе, через который осуществляется сброс продуктов реакции из указанной зоны с последующей утилизацией тепла, выносимого ими. Капли, осевшие на каплеуловителе, стекают в серосборник.

Барботирование продуктов реакции с диспергированной серой, благодаря идеальной лиофильности капелек серы к ее расплаву, создает наилучшие условия для их улавливания, а также способствует дегазации жидкой серы со снижением уровня содержания растворенного в ней сероводорода до 10-15 мг/л. Интенсивное перемешивание в течение достаточного времени расплава жидкой серы в серосборнике потоками газовой фазы продуктов реакции способствует удалению растворенного в жидкой сере сероводорода. В результате этого снижается его парциальное давление в газовой фазе, что приводит к ускорению процесса физической десорбции растворенного сероводорода вследствие сдвига вправо равновесия реакции по уравнению (1)
H₂S(раств.) ---> H₂S(газ)
Удаление сероводорода способствует распаду гидрополисульфидов (полимерных соединений со слабыми связями), образующихся при взаимодействии сероводорода с серой. Распад их протекает по реакции (2)
H₂Sx(жидк.) ---> H₂S(раств.) + (х - 1)S(жидк.)
В представленных примерах показано улавливание мелкодисперсной серы, подаваемой потоком продуктов реакции с пилотной установки окисления сероводорода кислородом воздуха под слой жидкой серы с постоянной величиной их расхода на входе в барботер и изменяющимися величинами температуры жидкой серы и глубины погружения барботера в нее.

Качество процесса улавливания мелкодисперсной серы проверялось путем замера преимущественных размеров частиц диспергированной серы в потоке продуктов реакции на входе в барботер и на выходе из барботажного слоя. Замер производился с помощью прибора "Клатроникс".

Пример 1. Продукты реакции при постоянной величине их расхода подавали в барботер, погруженный в жидкую серу с температурой 158^oC на глубину 100 мм, при этом на входе в барботер количество частиц размером 1-2 мкм составило 30% от общего количества частиц, а на выходе из барботажного слоя 98% частиц имели размеры 1000 мкм.

Пример 2. Аналогичен примеру 1, только температуру жидкой серы поддерживали равной 130^oC.

Пример 3. Аналогичен примеру 1, только температуру жидкой серы поддерживали равной 140^oC, а глубина погружения барботера составляла 50 мм.

Пример 4. Аналогичен примеру 1, только температуру жидкой серы поддерживали равной 140^oC, а глубина погружения барботера составляла 30 мм, при этом количество частиц размером 1000 мкм на выходе из барботажного слоя составило 70%, размером 20-30 мкм - составило 10% и размером 1-2 мкм - составило 20%.

Этот пример показал, что такая глубина погружения барботера не обеспечивает улавливание мелкодиспергированных частиц серы.

Данные примеров сведены в таблицу (см. в конце описания).

Как следует из представленной таблицы, указанные интервалы температур жидкой серы, в которую барботируют продукты реакции, а также значение высоты барботажного слоя в примерах 1-3 обеспечивают улавливание мелкодиспергированных частиц. Размеры капель на выходе из барботажного слоя составляют в основном 1000 мкм, а их улавливание сложности с помощью типовых каплеуловителей не представляет большой сложности. Кроме того, предлагаемый процесс улавливания диспергированной серы обеспечивает незначительные потери давления барботируемых продуктов реакции.

Предлагаемое устройство включает реактор 1 и серосборник 2.

В нижней части реактора 1 установлена газораспределительная решетка 3, на которую насыпан гранулированный катализатор 4. Под решеткой 3 к реактору 1 подсоединены нагреватель 5 сероводородосодержащих газов, а над ней - нагреватель 6 воздуха. Внутрь реактора 1 вмонтированы змеевики 7, предназначенные для регулирования температуры в реакционной зоне за счет подачи хладогента (например, воды).

Серосборник 2 снабжен патрубком 8 вывода жидкой серы и патрубком 9 отвода газовой фазы, установленными соответственно на нижнем 10 и на верхнем 11 днищах.

Верхняя часть реактора 1 с открытым торцом 12 размещена в осевой части серосборника 2, не доходит до его верхнего днища 11 и образует с обечайкой 13 и днищами серосборника кольцевой барботажный отсек 14.

В барботажном отсеке 14 коаксиально размещена труба 15, верхний конец которой закреплен на верхнем днище 11 серосборника 2, а нижний - не доходит до нижнего днища 10.

К нижнему концу трубы 15 прикреплен кольцевой решетчатый барботер 16.

Общий зазор, образованный между реактором 1, верхним днищем серосборника 2 и грубой 15, образует пространство, для прохода продуктов реакции из реактора в барботажный отсек 14 под решетчатый барботер 16.

В барботажном отсеке 14 установлен регулятор 17 верхнего уровня барботажного слоя, взаимодействующий с исполнительным механизмом 18 на патрубке 8 вывода жидкой серы. Над уровнем жидкой серы в кольцевом пространстве между обечайкой 13 серосборника 2 и трубой 15 установлен каплеуловитель 19. Над открытым торцом 12 реактора 1 размещен узел 20 ввода воды, взаимодействующей с исполнительным механизмом 21 регулятора 22 температуры жидкой серы, установленного в нижней части серосборника 2.

Устройство работает следующим образом.

Исходный сероводородосодержащий газ через нагреватель 5 подают в реактор 1 под газораспределительную решетку 3. Одновременно через нагреватель 6 подают воздух. Смешение сероводородосодержащего газа и воздуха происходит в присутствии катализатора 4.

В зоне реакции поддерживают тепловой режим путем подачи хладогента в змеевики 7.

Пройдя через катализатор 4, газовая смесь, состоящая из газа, пара и диспергированной в них жидкой серы, поступает вверх к открытому торцу 12 реактора 1, и здесь ее охлаждают за счет впрыска воды через узел 20.

Охлажденная до температуры от 127 до 158^oC газовая смесь по зазору между реактором 1 и трубой 15 проходит вниз под решетчатый барботер 16 и барботирует сквозь слой жидкой серы, находящейся в барботажном отсеке 14 серосборника. Газ и пар проходят в виде пузырей через отверстия в барботере 16, образуя барботажный слой.

Очищенные от мелкодиспергированной серы продукты реакции через каплеотбойник 19, в котором улавливаются крупные капли жидкой серы, образующиеся на выходе из барботажного слоя, сбрасываются из серосборника 2 с последующей утилизацией тепла, уносимого с ними.

Из зоны серосборника 2 ниже барботера 16 производят регулируемый отвод жидкой серы через исполнительное устройство 18 регулятора 17 верхнего уровня барботажного слоя и сброс ее через патрубок 8 для дальнейшего ее разлива, формования и хранения.

Поддержание теплового режима в реакторе осуществляют путем регулируемой подачи хладогенга в змеевики 7, расположенные в зоне реакции.

Использование предлагаемых способа и устройства позволяет обеспечить следующие преимущества:
- увеличение выхода целевого продукта - серы;
- разгазирование серы;
- снижение металлоемкости оборудования;
- повышение надежности и безопасности процесса.

Использование: переработка сероводородсодержащих газов, утилизация сероводорода. Подогретый воздух подают в нижние слои катализатора, насыпанного на газораспределительную решетку реактора. Сероводородсодержащий газ подают под решетку. Зону реакции охлаждают хладоагентом, подаваемым в змеевики. Газообразные продукты реакции с диспергированной серой охлаждают на выходе из реактора до 127-158^oС путем ввода воды. Затем барботируют их через барботажную решетку сквозь жидкую серу в серосборнике, имеющую ту же температуру. Уровень жидкой серы в серосборнике поддерживают путем отвода жидкой серы. Газовая фаза продуктов реакции поступает в зону "над барботажным слоем" через каплеуловитель. Она очищается от капель серы размером 1000 мкм и сбрасывается. Результат изобретения: исключаются потери целевого продукта, энергетические потери, повышается надежность устройства. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ получения элементарной серы путем газофазного окисления сероводорода кислородом в реакторе на твердых катализаторах и селективного отделения серы из продуктов реакции, отвода ее и сброса оставшейся газовой фазы, отличающийся тем, что селективное отделение серы осуществляют путем барботирования продуктов реакции сквозь жидкую серу с температурой от 127 до 158^oС с последующим улавливанием капель серы размером более 1000 мкм из зоны "над барботажным слоем", отвод серы производят из зоны "под барботажным слоем", одновременно поддерживая при этом верхний уровень последнего в заданных пределах, сброс газовой фазы осуществляют из зоны "над барботажным слоем", а температуру продуктов реакции поддерживают равной температуре жидкой серы в барботажном слое путем ввода в них воды на выходе из реактора. 2. Устройство для получения элементарной серы, содержащее нагреватели газов, реактор с охлаждающими змеевиками и газораспределительной решеткой с насыпанным на нее слоем катализатора, серосборник с патрубками отвода жидкой серы и очищенных от нее продуктов реакции и каплеуловитель, отличающееся тем, что в серосборнике установлены барботер, сообщенный с реактором, и регулятор верхнего уровня барботажного слоя. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что верхняя часть реактора с открытым торцом размещена в серосборнике соосно с его обечайкой, не доходит до верхнего днища серосборника и образует с обечайкой и днищами барботажный отсек, в котором коаксиально установлена труба, прикрепленная к верхнему днищу серосборника, при этом на нижнем торце трубы закреплен решетчатый барботер, а верхний открытый торец реактора находится выше уровня барботажного слоя. 4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что каплеуловитель установлен в серосборнике над барботажным слоем.