Способ разложения сероводорода

Изобретение относится к области газо- и нефтепереработки, а именно к способам разложения и утилизации сероводорода, и может применяться для производства водорода и серы из сероводорода, а также для очистки от сероводорода газовых смесей.

Сероводород является основным побочным продуктом нефтепереработки и гидрометаллургии, в больших количествах (до 50%) содержится в газоконденсатных месторождениях природного газа, является основным продуктом разложения многих минеральных и органических веществ. Одновременно с этим сероводород является сильным токсическим ядом, вызывающим отравление живых организмов. Поэтому отходящие газы всех промышленных производств должны быть тщательно очищены от сероводорода. В то же время сероводород может быть исходным сырьем для производства ценного химического продукта - водорода.

Прямое термическое разложение сероводорода на водород и серу по реакции

H 2 SH 2 +S-Q (1)

является сильно эндотермическим процессом и может с заметной скоростью протекать лишь при высоких температурах.

Известен способ термического разложения сероводорода на водород и серу, включающий пропускание сероводородсодержащего газа через реакционную зону при температуре 850-1600°С, где происходит разложение сероводорода H 2 S на водород и серу, и последующее охлаждение указанного газа до температуры 110-150°С для конденсации образовавшейся серы (US 4302434, С 01 В 17/04, 24.11.81). Недостатками известного способа являются: высокая температура, требуемая для достижения высокой степени разложения сероводорода; высокое потребление энергии на осуществление реакции и компенсацию возможных теплопотерь; возможность снижения степени разложения сероводорода за счет обратного взаимодействия водорода и серы при охлаждении газа; невозможность применения способа для переработки газов, содержащих углеводороды и другие примеси, которые могут подвергаться пиролизу при высокой температуре; низкая эффективность процесса при снижении концентрации сероводорода в исходном сероводородсодержащем газе; необходимость применения специальных дорогостоящих конструкционных материалов с повышенной термостойкостью для оформления высокотемпературной реакционной зоны. Кроме того, проведение реакции разложения сероводорода при высокой температуре приводит к образованию газообразной серы, состоящей из энергонасыщенных молекул S 2 . Последнее обстоятельство неблагоприятно сказывается на общей термодинамике всего процесса, поскольку известно, что получение менее энергонасыщенных продуктов в конденсированном жидком или твердом состоянии благоприятствует смещению равновесия реакции в сторону образования продуктов реакции.

Известно, что катализаторы не влияют на смещение равновесия реакции (1), однако их использование позволяет в ряде случаев сместить равновесие реакции (1) в сторону образования продуктов.

Один из известных приемов демонстрирует способ каталитического разложения сероводорода на водород и серу, включающий циркуляцию сероводородсодержащего газа через слой катализатора при температуре 450-800°С с отводом образовавшейся серы из циркулирующего газа (US 3962409, С 01 В 17/04, 08.06.76). Достоинством способа является относительно низкая температура осуществления реакции разложения сероводорода. Недостатком известного способа является низкая равновесная степень разложения сероводорода в указанном диапазоне температур (не более 15%).

Наиболее близким является способ разложения сероводорода на водород и серу, включающий периодическое пропускание сероводородсодержащего газа через слой сорбента, содержащего сульфиды железа, кобальта или никеля, при температуре 258-536°С, которое чередуют с периодическим нагревом сорбента до температур около 700°С для его регенерации (US 2979384, 423/573, 01.04.61). Во время пропускания сероводородсодержащего газа указанные компоненты сорбента взаимодействуют с сероводородом с образованием газообразного водорода и твердых полисульфидов указанных металлов. Во время регенерации сорбента происходит термическое разложение указанных полисульфидов с образованием исходных сульфидов и паров элементарной серы. Достоинством известного способа является возможность достижения высокой степени разложения сероводорода.

Недостатком известного способа является относительно высокая температура разложения сероводорода, дальнейшее снижение которой лимитируется малой скоростью протекания указанных химических реакций при пониженной температуре, а также высокая температура регенерации сорбента.

Изобретение решает задачу оптимизации процесса за счет снижения температуры разложения сероводорода и снижения температуры регенерации сорбента.

Задача решается способом разложения сероводорода с получением водорода и серы, который включает пропускание сероводородсодержащего газа через слой твердого материала, способного разлагать сероводород с выделением водорода и образованием серосодержащих соединений на поверхности материала, периодическую регенерацию материала путем разложения указанных серосодержащих соединений и выделения серы, стадию разложения осуществляют в хемосорбционно-каталитическом режиме при температуре ниже температуры плавления серы с получением водорода и поверхностных хемосорбированных серосодержащих соединений, реактивацию осуществляют при температуре ниже температуры плавления серы, а регенерацию осуществляют при температуре выше температуры плавления серы.

Использование катализаторов позволяет направить реакцию (1) по новому маршруту, что может существенно понизить температуру реакции (1). Именно эта возможность заложена в данном изобретении. Сущность разработанного способа заключается в сочетании сопряженного хемосорбционно-каталитического процесса разложения сероводорода на поверхности катализатора при температуре ниже температуры плавления серы с последующим периодическим удалением серы с поверхности катализатора при температуре выше температуры ее плавления. Разработанный способ позволяет снизить температуру хемосорбционно-каталитической стадии ниже температуры плавления серы (110-120°С), причем снижение температуры благоприятствует увеличению степени покрытия поверхности диссоциативно хемосорбированным сероводородом, а следовательно, увеличивается емкость катализатора по отношению к адсорбированному сероводороду. Кроме того, термодинамический эффект достигается путем получения серы в конденсированном состоянии, поэтому существенно снижается температура регенерации катализатора (выше 110°С, но ниже 350°С) и конденсации твердой серы. Это позволяет значительно упростить процесс и удешевить оборудование для осуществления способа, существенно снизить энергетические затраты на его осуществление, а также дает возможность переработки сероводородсодержащих газов без предварительного концентрирования H 2 S и без удаления из них углеводородов и других примесей.

Способ осуществляют следующим образом.

Сероводородсодержащий газ с исходной температурой ниже температуры плавления серы пропускают через слой твердого катализатора, обладающего способностью диссоциативно хемосорбировать сероводород в этой области температур. При этом происходит сопряженная хемосорбция сероводорода с образованием газообразного водорода и твердых серосодержащих продуктов хемосорбции на поверхности твердого катализатора. Выходящий из слоя твердого катализатора водородсодержащий газ направляют на выделение продуктового водорода или используют каким-либо другим способом. По мере заполнения хемосорбционной емкости катализатора и появления сероводорода в газовой фазе на выходе из слоя твердого катализатора пропускание сероводородсодержащего газа через слой твердого катализатора прекращают и начинают пропускать через указанный слой реактивирующий газ, не содержащий сероводород, или содержащий его в концентрации, не превышающей его концентрацию в исходном сероводородсодержащем газе. Температура реактивирующего газа должна быть ниже температуры плавления серы 110-120°С, поэтому сера не удаляется с поверхности катализатора, но конденсируется на поверхности катализатора, освобождая каталитически активные центры. Таким образом, происходит реактивация катализатора. Затем вновь подают исходный сероводородсодержащий газ, после заполнения поверхности катализатора хемосорбированным сероводородом начинают вновь пропускать реактивирующий газ при температуре ниже температуры плавления серы, при этом происходит накопление твердой серы на поверхности катализатора. Этот цикл хемосорбция - реактивация катализатора продолжают многократно без изменения хемосорбционной емкости катализатора, при этом твердая сера накапливается на поверхности катализатора в количестве до 50-100% от массы катализатора. После того, как твердая сера заблокирует активные центры катализатора, температуру регенерации повышают до температуры выше плавления серы, жидкая сера стекает с поверхности катализатора и конденсируется в конденсаторе, расположенном непосредственно за слоем катализатора. Таким образом происходит регенерация катализатора. Цикл процессов хемосорбция - реактивация - регенерация осуществляется многократно без изменения хемосорбционной емкости и активности катализатора. При этом конечным продуктом являются водород и твердая сера. Для обеспечения непрерывности способ ведут параллельно в не менее чем двух слоях твердого катализатора, в каждом из которых попеременно чередуются режимы пропускания исходного сероводородсодержащего газа, реактивирующего и регенерирующего газа.

Одним из вариантов осуществления разработанного способа является реактивация катализатора в замкнутом объеме с циркуляцией газовой фазы через слой хемосорбента - катализатора или без таковой. Аналогично стадию регенерации катализатора можно также осуществлять в замкнутом объеме с циркуляцией газовой фазы через слой хемосорбента - катализатора или без таковой.

Основным преимуществом предлагаемого способа является возможность разложения сероводорода при низкой температуре, например комнатной и ниже, при этом образующаяся сера накапливается на поверхности катализатора, однако не дезактивируя активный компонент катализатора. По мере заполнения поверхности катализатора твердой серой до такого уровня, когда начинается блокировка активного компонента твердой серой, катализатор нагревают в атмосфере регенерирующего газа до температуры выше температуры плавления серы. Жидкая сера стекает с поверхности катализатора и конденсируется в конденсаторе, расположенном непосредственно за каталитической зоной. Таким образом, освобождается поверхность катализатора и происходит регенерация активного компонента.

Переработке подвергают природный газ, содержащий 3 об.% сероводорода, а также азот, углекислый газ и пары воды. Газ пропускают при температуре 25°С через слой гранулированного графитоподобного углеродного материала, полученного по известному способу (US 4978649, С 01 В 31/10, 18.12.90). Выходящий из слоя указанного материала газ содержит водород в концентрации до 3%, а также азот, углекислый газ и пары воды, сероводород отсутствует. Через 45 мин после начала пропускания сероводородсодержащего газа, когда в выходящем из слоя указанного катализатора газе начинает снижаться концентрация водорода, а также появляется непрореагировавший сероводород, прекращают пропускание сероводородсодержащего газа и начинают пропускание реактивирующего газа, содержащего азот, метан и углекислый газ, с температурой 40°С. Реактивацию заканчивают через 30 мин, катализатор охлаждают до комнатной температуры и вновь начинают подавать исходный сероводород, содержащий газ. Разложение сероводорода продолжается в течение 45 мин, когда на выходе из слоя катализатора появляется сероводород, поэтому подачу газа прекращают. Через катализатор начинают пропускать реактивирующий газ при температуре 40°С, через 30 мин реактивацию прекращают и вновь начинают подавать исходный сероводород содержащий газ при комнатной температуре. Емкость катализатора по сероводороду не изменяется. Эту процедуру хемосорбция - реактивация продолжают многократно без уменьшения емкости катализатора по сероводороду. После накопления на поверхности катализатора твердой серы в количестве более 20 мас.% емкость катализатора по сероводороду начинает уменьшаться, поэтому проводят процедуру регенерации катализатора. Для этого через слой катализатора начинают пропускать реактивирующий газ при температуре 150°С, при этом жидкая сера стекает с поверхности катализатора и конденсируется в конденсаторе, расположенном непосредственно за слоем катализатора и охлажденном до комнатной температуры. Пропускание регенерирующего газа осуществляют в течение 30 минут, после чего вновь производят пропускание сероводородсодержащего газа и т. д.

Переработке подвергают газ, содержащий 5 об.% сероводорода, а также азот, кислород и смесь легких углеводородов. Газ пропускают при температуре 0°С через слой дисульфида молибдена МоS 2 . Выходящий из слоя указанного материала газ содержит водород в количестве 5 об.%, а также азот, кислород и смесь легких углеводородов, сероводород отсутствует. Через 40 мин, после начала пропускания сероводородсодержащего газа на выходе из слоя указанного материала появляется сероводород, поэтому подачу исходного газа прекращают и начинают подавать реактивирующий газ - азот - при температуре 50°С. Через 20 мин реактивацию заканчивают, и вновь начинают подавать исходный сероводород, содержащий газ при 0°С. Циклы хемосорбция - реактивация повторяют многократно до заполнения поверхности дисульфида молибдена твердой серой. Затем через слой указанного материала подают регенерирующий газ азот при температуре 175°С, жидкая сера стекает с поверхности катализатора и конденсируется в конденсаторе, расположенном непосредственно после каталитического слоя и охлажденном до 0°С. Регенерацию проводят в течение 15 мин, затем через слой указанного материала дисульфида молибдена МоS 2 при 0°С вновь начинают подачу исходной смеси газов, содержащих сероводород. Данный цикл хемосорбционно-каталитическое разложение сероводорода - реактивация твердого катализатора - регенерация катализатора с конденсацией серы в конденсаторе, расположенном непосредственно за каталитической зоной, осуществляют многократно со 100% конверсией сероводорода и без потери качества газа, выходящего из слоя твердого материала.

Переработке подвергают природный газ, содержащий 40% сероводорода. Газ пропускают через слой хемосорбционно-каталитического материала сульфид кобальта CO x S y , при температуре - 5°С. Выходящий из слоя сульфидного катализатора природный газ содержит до 40% водорода, сероводород отсутствует. Через 20 мин после начала пропускания указанного газа на выходе из слоя сульфидного катализатора начинает уменьшаться концентрация водорода и появляется сероводород, поэтому пропускание исходного газа прекращают и изолируют реакционный объем известными способами. После этого начинают циркулировать газовую фазу через слой катализатора при температуре 45°С. Через 40 мин реактивацию заканчивают и вновь начинают подавать исходный сероводород содержащий газ при -5°С. Циклы хемосорбция - реактивация повторяют многократно до заполнения поверхности катализатора твердой серой. Затем через слой указанного катализатора подают регенерирующий газ азот при температуре 190°С, жидкая сера стекает с поверхности катализатора и конденсируется в конденсаторе, расположенном непосредственно после каталитического слоя и охлажденном до 0°С. Через 10 мин после начала регенерации катализатора подачу регенерирующего газа прекращают и вновь подают исходный сероводород, содержащий газ. Процесс проводят в периодическом режиме многократно без уменьшения 100% конверсии сероводорода и без уменьшения хемосорбционной емкости катализатора.

Переработке подвергают газ, состоящий из смеси синтез-газа (CO+H 2) и 0.1% сероводорода. Указанный газ пропускают через слой сульфидного катализатора состава Co x MO y S z , охлажденного до -10°С. На выходе из слоя указанного материала перерабатываемый газ содержит СО и водород, сероводород отсутствует. Через 45 мин после начала пропускания в выходящем газе появляется сероводород, поэтому подачу исходного газа прекращают и начинают подавать реактивирующий газ азот при температуре 60°С. Через 20 мин реактивацию заканчивают и начинают вновь подавать исходную газовую смесь при температуре -10°С. Циклы хемосорбция - реактивация повторяют многократно до заполнения поверхности катализатора твердой серой. Затем слой указанного катализатора изолируют и нагревают при температуре 120°С, жидкая сера стекает с поверхности катализатора и конденсируется в конденсаторе, расположенном непосредственно после каталитического слоя и охлажденном до 0°С. Через 50 мин после начала регенерации катализатора вновь подают исходный сероводород, содержащий газ. Процесс проводят в периодическом режиме многократно без уменьшения 100% конверсии сероводорода и без уменьшения хемосорбционной емкости катализатора.

Переработке подвергают газ, состоящий из смеси 90% азота и 10% сероводорода. Газ пропускают через слой хемосорбционно-каталитического материала - пористый металлический никель, охлажденного до -20°С. На выходе из слоя указанного материала перерабатываемый газ содержит азот и водород, сероводород отсутствует. Через 100 мин после начала пропускания в выходящем газе появляется сероводород, поэтому подачу исходного газа прекращают и начинают подавать реактивирующий газ водород при температуре 60°С. Через 20 мин реактивацию заканчивают и начинают вновь подавать исходную газовую смесь при температуре -20°С. Циклы хемосорбция - реактивация повторяют многократно до заполнения поверхности катализатора твердой серой. Затем через слой указанного катализатора подают регенерирующий газ азот при температуре 300°С, жидкая сера стекает с поверхности катализатора и конденсируется в конденсаторе, расположенном непосредственно после каталитического слоя и охлажденном до 0°С. Через 50 мин после начала регенерации катализатора подачу регенерирующего газа прекращают и вновь подают исходный сероводород содержащий газ при температуре -20°С. Процесс проводят в периодическом режиме многократно без уменьшения 100% конверсии сероводорода и без уменьшения хемосорбционной емкости катализатора.

Переработке подвергают газ, состоящий из смеси кислорода и 0.01% сероводорода. Газ пропускают через слой хемосорбционно-каталитического материала - пористый борид никеля, охлажденного до 20°С. На выходе из слоя указанного материала перерабатываемый газ содержит кислород и водород, сероводород отсутствует. Через 10 мин после начала пропускания в выходящем газе появляется сероводород, поэтому подачу исходного газа прекращают и начинают подавать реактивирующий газ - азот при температуре 60°С. Через 20 мин реактивацию заканчивают и начинают вновь подавать исходную газовую смесь при температуре 20°С. Циклы хемосорбция - реактивация повторяют многократно до заполнения поверхности катализатора твердой серой. Затем через слой указанного катализатора подают регенерирующий газ азот при температуре 140°С, жидкая сера стекает с поверхности катализатора и конденсируется в конденсаторе, расположенном непосредственно после каталитического слоя и охлажденном до 0°С. Через 20 мин после начала регенерации катализатора подачу регенерирующего газа прекращают и вновь подают исходный сероводород, содержащий газ. Процесс проводят в периодическом режиме многократно без уменьшения 100% конверсии сероводорода и без уменьшения хемосорбционной емкости катализатора.

Таким образом, как видно из приведенных примеров предлагаемый способ позволяет осуществлять разложения сероводорода при низкой температуре, например комнатной, при этом отсутствует необходимость частой регенерации катализатора после каждой стадии хемосорбции.

Формула изобретения

Способ разложения сероводорода с получением водорода и серы, включающий контактирование сероводородсодержащего газа через слой твердого материала, способного разлагать сероводород с выделением водорода и образованием серосодержащих соединений на поверхности материала, периодическую регенерацию материала путем разложения указанных серосодержащих соединений и выделения серы, отличающийся тем, что стадию разложения осуществляют в хемосорбционно-каталитическом режиме при температуре ниже температуры плавления серы с получением водорода и поверхностных хемосорбированных серосодержащих соединений, реактивацию осуществляют при температуре ниже температуры плавления серы, а регенерацию осуществляют при температуре выше температуры плавления серы.

Похожие патенты:

Изобретение относится к области газо- и нефтепереработки, а именно к способам разложения и утилизации сероводорода и/или меркаптанов, и может применяться для производства водорода и серы из сероводорода, а также для очистки от сероводорода и меркаптанов газовых смесей

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в любых микробиологических лабораториях, проводящих работу с анаэробными микроорганизмами

Изобретение относится к способу приготовления CdS-фотокатализатора для получения водорода и к способу получения водорода из воды фотохимической реакцией с его применением

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к способу получения серы и водорода из сероводородсодержащих газов. Сущность изобретения заключается в введении сероводородсодержащего газа в плазму и последующем выводе продуктов реакции из реактора, при этом 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. Согласно изобретению снижаются энергозатраты на осуществление способа и обеспечивается возможность получения целевых продуктов из газов с низким содержанием сероводорода. 2 ил.

Изобретение относится к химической промышленности и в частности к технологии получения серы из сероводородсодержащих газов. Известен способ получения серы S 2 и водорода H 2 из сероводорода методом термического разложения (см. описание к патенту США N 4302434, НКИ 423-573, 1981 /1/). Способ заключается в том, что газ, содержащий сероводород пропускают через зону разложения при температуре 850-1600 o C, а выведенный из нее - охлаждают до 110-150 o C, в результате чего высаждается элементарная сера. Газ отделяют от серы, нагревают до 100-400 o C и пропускают над катализатором гидрирования. Затем из газового потока выделяют промывкой сероводород, который возвращают в зону разложения, а остаточный газ, с высоким содержанием водорода, выпускают в атмосферу. Недостатком известного способа являются сложность осуществления, высокая энергоемкость, неполнота извлечения сероводорода из исходного газа, попадание сероводорода в атмосферу. Известен способ получения серы и водорода методом электроконверсии (см. заявку Франции N 2639630, C 01 В 17/04, 1990 /2/). Способ характеризуется тем, что подлежащий конверсии сероводород является рабочим газом плазмы. Сероводород разлагается на серу, которая поступает в соответствующий приемник, и водород, который пропускают через абсорбционную башню для извлечения неконверсированного сероводорода, и затем используют в промышленных целях. Недостатком известного способа является наличие примеси сероводорода в получаемом водороде, быстрое разрушение электродов плазмотрона под действием серосодержащих соединений, низкий КПД конверсии и невозможность эффективной переработки газов с низким содержанием сероводорода для получения элементарной серы. Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является способ получения серы и водорода из сероводорода, известный из описания к заявке Франции N 2620436, C 01 В 17/027, C 01 В 3/04, 1989 /3/. Способ заключается в том, что создают с помощью плазменной горелки плазму и смешивают с сероводородсодержащим газом в разрядном промежутке плазмотрона. Образующиеся продукты реакции выводят из зоны реакции и разделяют. Недостатком известного способа является невозможность эффективного использования в качестве сырья газов с низким содержанием сероводорода ввиду чрезмерного повышения удельных энергозатрат на конверсию сероводорода в таких смесях. Заявляемый в качестве изобретения способ получения серы и водорода из сероводорода направлен на обеспечение возможности получения целевых продуктов из газов с низким содержанием сероводорода и снижение энергозатрат на его осуществление. Указанный результат достигается тем, что в способе получения серы и водорода из сероводорода, включающем 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. Отличительными признаками заявляемого способа являются использование молекулярного водорода в термически диссоциированном состоянии в качестве исходного газа плазмы; смешивание сероводородсодержащего газа с плазмой в быстропроточном реакторе за пределами разрядного промежутка; смешивание сероводородсодержащего газа с плазмой в условиях неравновесного плазмохимического процесса. Использование водорода в термически диссоциированном состоянии в качестве газа для создания плазмы позволяет снизить энергозатраты на проведение процесса и обеспечить полную конверсию сероводорода в газовых смесях с низким его содержанием в серу и водород в условиях неравновесной химической кинетики. Смешивание сероводородсодержащего газа с плазмой водорода, состоящей при 3600-4600 К на 50-95% из атомов H (см. Сурис А.Л. Термодинамика высокотемпературных процессов //Справочник. -М.: Металлургия, 1985 /4/), в быстропроточном реакторе в условиях неравновесного плазмохимического процесса позволяет обеспечить полную конверсию сероводорода в серу и водород по схеме, описываемой следующими химическими реакциями (см. Реализация базы данных "Процесс" системы АВОГАДРО на вычислительных средствах PC/AT // Отчет N 4120 НИИ Механики МГУ, 1991 /5/):

H 2 S + H ---> HS + H 2 ,

K 1 = 10 12,9 exp(-850/Т) см 3 /(мольс); (1)

HS + H ---> H 2 +S,

K 2 = 10 14,65 exp(-1000/Т) см 3 /(мольс); (2)

HS + S ---> H + S 2 ,

K 3 = 10 13,5 см 3 /(мольс); (3)

HS + HS ---> H 2 +S 2 ,

K 4 = 10 10,5 см 3 /(мольс); (4)

HS + HS ---> H 2 S + S,

K 5 = 10 13 см 3 /(мольc); (5)

S + H 2 ---> HS + H,

K 6 = 10 14,3 T 0,68 exp(-10000/T) см 3 /(мольc); (6)

H 2 S + M ---> HS+H+M,

K 7 = 10 16,1 exp(-46000/T) см 3 /(мольc); (7)

H+H+M ---> H 2 +M,

K 8 = 10 15,7 см 6 /(моль 2 с); (8)

S+S+M ---> S 2 +M,

K 9 = 10 15 см 6 /(моль 2 c); (9)

HS+H+M ---> H 2 S+M,

K 10 = 10 14,1 см 6 /(моль 2 с). (10)

Здесь T - температура смеси газов в реакторе, K. Исходными компонентами являются H 2 S, H 2 , H; конечными продуктами (в случае полной конверсии) - H 2 и S 2 ; промежуточные вещества реакции - радикалы S и HS. Приведенные реакции условно можно разделить на три группы: (1) - (4) - реакции образования конечных продуктов H 2 и S 2 ; (5) - (6)- промежуточные реакции; (6) - (10) - реакции гибели активных частиц. Условия осуществления неравновесного плазмохимического процесса в быстропроточном реакторе подбираются таким образом, чтобы обеспечить смешение плазмы водорода с сероводородсодержащим газом, сопровождаемое реакциями (1) - (4), за времена значительно более короткие, чем времена рекомбинации активных частиц H, S, HS в группе реакций (8)-(10). В этом случае взаимодействие H 2 S и H условно может быть описано брутто-формулой

H 2 S+H ---> 1,5H 2 + 0,5S 2 , (11)

А энергетические затраты на электрохимическую конверсию сероводорода в заявляемом способе будут обусловлены затратами на получение термически диссоциированного водорода в плазмотроне, расходуемого в реакторе согласно (11) в соотношении

H/H 2 S 1 (12)

Известно осуществление различных промышленных технологий в условиях неравновесных плазмохимических процессов (см. Химическая энциклопедия, 1992, т. 3, с. 1098 - 1102, статья "Плазмохимическая технология" /6/). Неравновесные плазмохимические процессы осуществляют при пониженных давлениях (менее 50 кПа) и в реакторах периодического действия. Однако, если осуществлять конверсию сероводорода в плазме водорода в реакторе периодического действия, т.е. при малых скоростях потока, то полезные реакции идут с малой скоростью из-за преобладания процесса рекомбинации над процессом образования требуемых компонентов, в результате возрастают удельные энергетические затраты на конверсию H 2 S и снижается производительность процесса. Поэтому смешение сероводородсодержащего газа с плазмой предлагается осуществлять в условиях неравновесного плазмохимического процесса (при пониженных давлениях), но в быстропроточном реакторе, как это обычно осуществляют при реализации квазиравновесных плазмохимических процессов (см. /6/), т.е. при скоростях течения потока в реакторе от 100 до 1000 м/с. Сущность заявляемого способа поясняется примером реализации и графическими изображениями. На фиг. 1 представлен схематично продольный разрез установки для осуществления способа; на фиг.2 представлен график зависимости химического состава смеси от времени. Пример. Установка для реализации способа содержит электродуговой плазмотрон 1 с источником питания, сопловой блок 2 реактора, быстропроточный реактор 3 с рабочей длиной L, диффузор 4. В общем случае способ реализуется следующим образом. С помощью известного плазмотрона (см. с. 1099 в /6/) с использованием водорода в качестве плазмообразующего газа создается поток плазмы с температурой 3500-4500 К. Поток плазмы, состоящий преимущественно из атомов H, и перерабатываемый сероводородсодержащий газ, например смесь H 2 S/CO 2 , вводят в плазмохимический реактор и перемешивают в условиях повышенной турбулентности при давлении в реакторе P = 5-50 кПа и скоростях потока 100-1000 м/с. Скорость определяют расчетным путем в зависимости от других параметров процесса - расхода плазмообразующего газа, температуры плазмы, содержания сероводорода в перерабатываемом газе, состава перерабатываемого газа и т.п. Для обеспечения пониженного давления в зоне смешения и вывода продуктов реакции без использования принудительных средств (насосов и т.п.) в реакторе может быть организован сверхзвуковой режим течения смеси, а на выходе реактора устанавливают диффузор, восстанавливающий давление истекающей струи до атмосферного. Соотношение объемов плазмообразующего газа (водорода) и сероводородсодержащего газа выбирается в соответствии с соотношением (H/H 2 S) вход 1 (см. (12)) и зависит от содержания сероводорода в перерабатываемом газе, т.е. отношения H 2 S к химически инертному газу CO 2 и температуры плазмы. При содержании сероводорода в перерабатываемом газе, равном 10%, и температуре плазмы 4500 К мольное отношение расхода водорода к расходу сероводородсодержащего газа будет находиться в пределах H 2 /(H 2 S+CO 2) = 0,05-0,06. В результате перемешивания плазмы и сероводородсодержащего газа начинается протекание цепной химической реакции с участием трех радикалов: H, S, HS. Реакция проходит в две стадии (фиг. 2). На ранней стадии в результате быстрых химических реакций происходит почти полное химическое разложение H 2 S и образование конечного продукта H 2 . Далее следует медленная стадия образования конечного продукта S 2 , а на временах порядка 10 -3 с происходит полное разложение исходного продукта H 2 S в H 2 и S 2 . В результате образуется струя газовой смеси с температурой 770 К, содержащая в качестве полезных продуктов молекулярный водород H 2 и молекулярную серу S 2 и не содержащая сероводорода H 2 S. При скорости движения газовой смеси вдоль реактора, равной 500 м/с, длина реактора L составит 0,5 м. Энергозатраты на электрохимическую конверсию одного моля H 2 S составляют 350 кДж/моль и практически не зависят от концентрации H 2 S в сероводородсодержащем газе. На выходе из реактора продукты реакции подвергают охлаждению одним из известных методов - затапливанием потока реагирующей смеси струями холодной жидкости (например воды) или в трубчатых теплообменниках (см. с. 1100 в /6/). Из газовой смеси известным способом (см. /1/) извлекают элементарную серу и молекулярный водород, используемые в промышленных целях. Последний частично возвращается в плазмотрон для повторного использования в процессе. Преимущества заявляемого способа. 1. Степень конверсии H 2 S составляет 99,9%. 2. Удельные энергозатраты на электрохимическую конверсию составляют 350 - 450 кДж на 1 моль H 2 S и практически не зависят от концентрации H 2 S в сероводородсодержащем газе, что позволяет эффективно перерабатывать газовые смеси с содержанием H 2 S в широком диапазоне концентраций - от долей до десятков процентов. 3. Скорость потока смеси в реакторе лежит в пределах 100-1000 м/с, а необходимая длина реактора не превышает 1 м, что позволяет создавать компактные и высокоэффективные промышленные установки. 4. Способ может быть использован для очистки метана и других углеводородов от примеси сероводорода, поскольку скорость взаимодействия атомарного водорода с сероводородом существенно выше скорости взаимодействия с метаном и другими углеводородами (см. Кондратьев В.Н. Константы скоростей газофазных реакций // Справочник. -М.: Наука, 1971 /7/). 5. При работе плазмотрона на чистом водороде по сравнению с другими химически активными частицами достигается наибольшая продолжительность работы электродов (200 и более часов) благодаря использованию вольфрамовых термокатодов (см. Гордеев В.Ф., Пустогаров А.В. Термоэмиссионные дуговые катоды. -М.: Энергоатомиздат, 1988 /8/). Литература

1. Патент США N 4302434, 423-573, 1981. 2. Заявка Франции N 2639630, C 01 В 17/04, 1990. 3. Заявка Франции, N 2620436, C 01 В 17/27, 1989. 4. Сурис А.Л. Термодинамика высокотемпературных процессов. Справочник. - М.: Металлургия, 1985. 5. Реализация базы данных "Процесс" системы АВОГАДРО на вычислительных средствах PC/AT. Отчет N 4120 НИИ Механики МГУ, 1991. 6. Плазмохимическая технология. Химическая энциклопедия. - М.: Большая российская энциклопедия, т. 3, с. 1098-1102, 1992. 7. Кондратьев В.Н. Константы скоростей газофазных реакций. Справочник. - М.: Наука, 1971. 8. Гордеев В.Ф., Пустогаров А.В. Термоэмиссионные дуговые катоды. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения серы и водорода из сероводорода, включающий введение сероводородсодержащего газа в плазму и последующий вывод продуктов реакции из реактора, отличающийся тем, что 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.
Похожие статьи

© 2019 evently.ru. Все о канализации и водоснабжении.