Способ и установка для получения серы и водорода из сероводородсодержащего газа Российский патент 2020 года по МПК C01B17/04 C01B3/04 

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к термическому разложению газообразного сероводорода с использованием высокотемпературной термической диссоциации для извлечения водорода и товарной серы из газов с низким содержанием сероводорода.

Известен способ получения серы S₂ и водорода H₂ из сероводорода методом термического разложения (Патент США №4302434, НКИ-573, 1981). В данном способе газ, содержащий сероводород, пропускают через зону разложения при температуре 950-1600°С, а выделенный из нее продукт охлаждают до 110-150°С в результате чего высаждается элементарная сера. Затем газ отделяют от серы, нагревают от 100-400°С и пропускают над катализатором гидрирования, а из газового потока выделяют промывкой сероводород, который возвращают в зону разложения, а остаточный газ, с высоким содержанием водорода, выпускают в атмосферу.

Недостатком известного способа является попадание несработанного сероводорода H₂S, в атмосферу, высокая энергоемкость технологии и сложность ее осуществления.

Известен способ получения водорода из диссоциации сероводорода (Патент США №5843395, 1999 г.). В данном способе для извлечения водорода и товарной серы из потоков промышленных отходов, содержащих сероводород (H₂S) использовалась высокотемпературная термическая диссоциация, происходящая в термоэлектрическом реакторе при температуре 1900°С для достижения и поддержания высокой степени диссоциации сероводорода.

Недостатком известного способа является сложность осуществления и невозможность эффективного использования в качестве сырья газов с низким содержанием сероводорода ввиду чрезмерного повышения удельных энергозатрат на конверсию сероводорода в таких смесях. В частности, применение сульфидов калия K₂S, натрия Na₂S, кальция Ca₂S и сульфата калия K₂SO₂ и благородных газов таких как аргон Аr и гелий Не.

Известен способ получения серы и водорода методом электроконверсии (см. заявку Франции №2639630, С01В 17/046 1990.

Способ характеризуется тем, что сероводород является рабочим газом плазмы, который разлагается на серу, поступающую в соответствующий приемник, и водород, который поступает через абсорбционную башню для извлечения неконверсированного сероводорода, и затем используются в промышленных целях.

Недостатком известного способа является низкий КПД конверсии и невозможность эффективной переработки газов с низким содержанием сероводорода для получения элементарной серы, а также наличие примеси сероводорода в получаемом водороде и быстрое разрушение электродов плазматрона под действием серосодержащих соединений.

Известен способ получения серы и водорода из сероводорода (Франция №2620436, С01В 17/027, С01В 3/04, 1989).

Способ заключается в том, что создают плазму с помощью плазменной горелки и смешивают с сероводородсодержащим газом в разрядном промежутке плазматрона. Образующиеся продукты реакции выводят из зоны реакции и разделяют.

Недостатком известного способа является невозможность эффективного использования в качестве сырья газов с низким содержанием сероводорода в таких смесях.

Известен способ, наиболее близкий (прототип) к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату получения серы и водорода из сероводорода (патент РФ №2131396, С1 МПК С01В 17/04, С01В 3/04, 1999), в котором в качестве плазмообразующего газа используют молекулярный водород в термически диссоциированном состоянии, а сероводородсодержащий газ смешивают с плазмой в быстропроточном реакторе вне пределов электрического разряда в условиях неравновесного плазмохимического процесса.

Недостатком известного способа (прототипа) является отсутствие в схеме установки элементов, обеспечивающих возможность получения целевых продуктов при их разделении и снижающих энергозатраты, учитывая, что представленный на фиг. 1 в прототипе быстропроточный реактор обеспечит значительные потери энергии при температуре газовой смеси в реакторе равной 400°С.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка способа и установки для получения серы и водорода из сероводородсодержащего газа, обеспечивающих возможность получения целевых продуктов при минимальных затратах энергии.

Технический результат представленного изобретения достигается тем, что в заявленном способе сероводородсодержащий газ подают тангенциально в кольцевой зазор между внутренним и внешним корпусами реактора, что обеспечивает предварительный нагрев сероводородсодержащего газа и снижение потерь тепла, затем сероводородсодержащий газ подают на вход вихревого смесителя,, при этом, проходя через вихревой смеситель, сероводородсодержащий газ и термодиссоциированный водород образуют противоположено вращающиеся потоки, перемешиваются, при этом в реакторе температура не выше 400°С.

Технический результат данного изобретения достигается доработкой конструкции реактора установки для получения серы и водорода из сероводородсодержащего газа, а именно, установка содержит реактор, состоящий из внутреннего и внешнего корпусов, между которыми выполнен зазор для подачи и предварительного нагрева сероводородсодержащего газа, поступающего в вихревой смеситель, выполненного в виде двух щелевых завихрителей, формирующих два потока газа, закрученных встречно во взаимопротивоположных направлениях, внутренний корпус реактора с входными отверстиями, расположенными под углом 45° к его оси по диаметру конического профиля входного сечения, конфузор, завихритель, выполненный в виде патрубка для подачи сероводородсодержащего газа в реактор, который установлен тангенциально к образующей внутренней поверхности внешнего корпуса реактора в конфузорной части внутреннего корпуса реактора, диффузор, скруббер.

Подача сероводородсодержащего газа в конфузорную часть камеры и его закрутка в условиях неравновесного плазмохимического процесса в быстропроточном реакторе обеспечивает смешение плазмы водорода с сероводородсодержащим газом и полную конверсию сероводорода в серу и водород по брутто-формуле: H₂S+Н → 1,5Н₂+0,5S₂.

Способ получения серы и водорода из сероводородсодержащего газа включает введение сероводородсодержащего газа в плазму и вывод продуктов реакции из реактора, в качестве газа плазмы используют молекулярный водород в термически диссоциированном состоянии, а сероводородсодержащий газ смешивают с плазмой вне пределов электрического разряда в быстропроточном реакторе в условиях неравновесного плазмохимического процесса.

Закрутка сероводородсодержащего газа на входе в конфузорную часть реактора позволяет снижать температуру на выходе реактора до 200-300°С, обеспечивая при этом возможность поддержания температуры в скруббере в пределах от 120 до 250°С.

Разделение водорода и газообразных СО₂/Н₂О производится на мембранных сепараторе и очистителе.

Сущность изобретения поясняется конструктивной схемой, где на фиг. 1 изображены основные компоненты установки; на фиг. 2 - вихревой смеситель; на фиг. 3. - скруббер.

Установка для получения серы и водорода из сероводородсодержащего газа (фиг. 1) включает следующие позиции: электродуговой плазматрон, 1 (на схеме не представлен), вихревой смеситель 2, внутренний корпус реактора 3, с входными отверстиями 5, расположенными под углом 45° к оси реактора; внешний корпус реактора 4, конфузор реактора 6, завихритель 7, выполненный в виде патрубка, установленного тангенциально к образующей внутренней поверхности внешнего корпуса реактора, кольцевой зазор между внутренним и внешним корпусом реактора 8, обеспечивающее охлаждение реакционных газов в диффузоре исходными газами H₂S+СО₂, диффузор реактора 9, тангенциальный вход в скруббер 10 для разделения фракций, прошедших плазмохимический процесс, труба 11 для отвода парогазообразных фракций, мембранный коллектор для подачи воды 12, сепаратор 13, контейнер для сбора жидкой серы 14.

Работа установки осуществляется следующим образом.

Поток сероводородсодержащего газа, например, смесь H₂S/CO₂, вводят в плазмохимический реактор совместно с потоком плазмы, состоящей преимущественно из атомов водорода Н при температуре 3500-4500 К, причем сероводородсодержащий газ подают через патрубок завихрителя 7 в кольцевой зазор между внутренним и внешним корпусом реактора 8, откуда он поступает на вход вихревого смесителя 2 и отверстия 3, расположенные под углом 45° к оси по диаметру конического профиля внутреннего корпуса реактора.

Поток плазмы термически диссоциированного водорода поступает из электроннодугового плазмотрона 1 в вихревой смеситель 2, где под воздействием двух противоположно вращающихся потоков и струй сероводородсодержащего газа, истекающих через отверстия 3, происходит перемешивание всех компонентов потока и снижение температуры до рабочего состояния смеси примерно равной 400°С.

Вихревой смеситель выполнен в виде двух щелевых завихрителей, формирующих два потока газа, закрученных встречно во взаимопротивоположных направлениях. При движении сероводородсодержащего газа в кольцевом зазоре между внутренним и внешним корпусом реактора 8 происходит его предварительный нагрев за счет температурного обмена между газом и внешней поверхностью стенки внутреннего корпуса реактора 5.

Высокотемпературный поток диссоциированного газа при прохождении через диффузор 9 снижает температуру за счет теплообмена с его относительно холодной стенкой и поступает в тангенциальный вход скруббера 10. Температура неконденсирующихся газов в скруббере поддерживается в пределах 120°С…250°С.

На вход в скруббер подают распыленную воду через коллектор 12. Поток несконденсированного газа поступает через трубу 11 в мембранный сепаратор 13 (или очиститель), где он разделяется на два потока: водорода H₂ и СО₂/Н₂О.

Группа изобретений может быть использована в химической промышленности. Способ получения серы и водорода из сероводородсодержащего газа включает введение сероводородсодержащего газа в плазму в быстропроточном реакторе вне предела электрического разряда в условиях неравновесного плазмохимического процесса и последующий вывод продуктов реакции из реактора. В качестве плазмообразующего газа используют молекулярный водород в термически диссоциированном состоянии. Сероводородсодержащий газ подают тангенциально в кольцевой зазор между внутренним и внешним корпусами реактора для обеспечения предварительного нагрева сероводородсодержащего газа и снижения потерь тепла. Затем сероводородсодержащий газ подают на вход вихревого смесителя. Проходя через вихревой смеситель, сероводородсодержащий газ и термодиссоциированный водород образуют противоположено вращающиеся потоки, перемешиваются. В реакторе поддерживают температуру не выше 400°С. Предложена также установка для получения серы и водорода из сероводородсодержащего газа. Изобретения позволяют получить целевые продукты при минимальных затратах энергии. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ получения серы и водорода из сероводородсодержащего газа, включающий введение сероводородсодержащего газа в плазму в быстропроточном реакторе вне предела электрического разряда в условиях неравновесного плазмохимического процесса и последующий вывод продуктов реакции из реактора, при этом в качестве плазмообразующего газа используют молекулярный водород в термически диссоциированном состоянии, отличающийся тем, что сероводородсодержащий газ подают тангенциально в кольцевой зазор между внутренним и внешним корпусами реактора, что обеспечивает предварительный нагрев сероводородсодержащего газа и снижение потерь тепла, затем сероводородсодержащий газ подают на вход вихревого смесителя и отверстия, при этом, проходя через вихревой смеситель, сероводородсодержащий газ и термодиссоциированный водород образуют противоположено вращающиеся потоки, перемешиваются, при этом в реакторе температура не выше 400°С.

2. Установка для получения серы и водорода из сероводородсодержащего газа для осуществления способа по п. 1, содержащая электродуговой плазмотрон, реактор, трубу, мембранный коллектор, сепаратор, контейнер для сбора жидкой серы, отличающаяся тем, что она содержит реактор, состоящий из внутреннего и внешнего корпусов, между которыми выполнен зазор для подачи и предварительного нагрева сероводородсодержащего газа, поступающего в вихревой смеситель, выполненный в виде двух щелевых завихрителей, формирующих два потока газа, закрученных встречно во взаимопротивоположных направлениях, внутренний корпус реактора с входными отверстиями, расположенными под углом 45° к его оси по диаметру конического профиля входного сечения, конфузор, завихритель, выполненный в виде патрубка для подачи сероводородсодержащего газа в реактор, который установлен тангенциально к образующей внутренней поверхности внешнего корпуса реактора в конфузорной части внутреннего корпуса реактора, диффузор, скруббер.