Proces Clausa

Proces Clausa – proces odsiarczania gazu poprzez odzyskiwanie elementarnej siarki z siarkowodoru (H₂S). Został opracowany przez chemika Carla Friedricha Clausa. Zmodyfikowany proces Clausa stał się standardowym procesem stosowanym w instalacjach przemysłowych.

Historia

Proces wynalazł Carl Friedrich Claus, któremu pod koniec 1883 roku został przyznany patent. Metoda została znacząco zmodyfikowana przez niemiecką firmę IG Farben. Zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak i na całym świecie przetwarza się większość otrzymywanego kwaśnego gazu. Szacuje się, że na świecie około 90 do 95% odzyskanej siarki pochodzi z instalacji wykorzystujących proces Clausa.

Opis metody

Proces opiera się na utlenieniu siarkowodoru do wolnej siarki. Wyróżnia się w nim dwa etapy – termiczny oraz katalityczny. Etap termiczny przebiega w tzw. kotle Clausa w wysokiej temperaturze (1000 – 1400 °C). Do palników kotła wprowadzona zostaje mieszanina gazu kwaśnego z powietrzem. Około jednej trzeciej siarkowodoru spala się według reakcji:

3H₂S + 1.5O₂ → 2H₂S + SO₂ + H₂O

Nieprzereagowany siarkowodór przechodzi do etapu katalitycznego i reaguje z wytworzonym w etapie termicznym dwutlenkiem siarki w niższej temperaturze (200-350 °C) tworząc siarkę. Proces przebiega zgodnie z równaniem (nazywanym często w literaturze reakcją Clausa):

2H₂S + SO₂ ↔ 3S + 2H₂O

Zasadniczo reakcja z dwutlenkiem siarki zachodzi w etapie katalitycznym, jednak jej początek może obejmować etap termiczny. Do uzyskania konwersji na poziomie 94-98% potrzebne są od 2 do 4 etapów katalitycznych.

Instalacje Superclaus

Z uwagi na odwracalność reakcji Clausa istniała potrzeba modyfikacji procesu bazowego. W celu zwiększenia stopnia przereagowania H₂S i SO₂ opracowano udoskonaloną wersję procesu Clausa o nazwie Superclaus. Istotą modyfikacji było opracowanie selektywnego katalizatora tej reakcji. Jako katalizator został zastosowany aktywny tlenek metalu na nośniku, zapewniający całkowite przereagowanie siarkowodoru do siarki i minimalizację powstawania dwutlenku siarki. Instalacje, w których wykorzystano tę zmianę, to Superclaus-99 i Superclaus-99,5.

Superclaus-99

Istotą technologii zastosowanej w instalacji Superclaus-99 jest wprowadzenie dodatkowego reaktora, w którym odbywa się selektywne katalityczne utlenianie H₂S do siarki. Zmienia się również wymagany stosunek H₂S do SO₂ w pracy instalacji. Dla klasycznego układu opartego na procesie Clausa wynosi on 2:1, natomiast instalacja Superclaus-99 przystosowana jest do pracy z nadmiarem siarkowodoru.

Superclaus-99,5

W instalacji Superclaus-99,5 wprowadza się dwa dodatkowe reaktory. W pierwszym z nich odbywa się katalityczne uwodornienie do siarkowodoru tlenku siarki, siarczku karbonylu oraz innych związków siarki, a w drugim selektywne katalityczne utlenianie siarkowodoru do siarki. Dopuszcza się pracę przy stosunku H₂S do SO₂ charakterystycznego dla instalacji opartej na klasycznym procesie Clausa, jednak nie jest wymagane dokładne utrzymywanie takiej wartości.

Stopień odzysku siarki

W klasycznym procesie Clausa uzyskuje się stopień odzysku siarki na poziomie 98-98,5%, natomiast w instalacjach Superclaus-99 i Superclaus-99,5 wzrasta on odpowiednio do 99,1% i 99,5-99,7%.

Udoskonalenia w przyszłości

W 2009 roku holenderski producent katalizatorów i sorbentów Hermes Catalysts opublikował dokument wskazujący potencjalne ulepszenia, które mogą być wykorzystane w instalacjach Claus projektowanych w przyszłości. Wyróżniono w nim elementy instalacji zapewniające zniszczenie CS₂. Dwusiarczek węgla powstaje jako produkt uboczny reakcji w piecu. W wyniku badań laboratoryjnych wykazano, że pewne katalizatory mogą zniszczyć CS₂ zanim dostanie się on do reaktorów katalitycznych. Nie wykluczono również stworzenia modyfikacji dotyczących optymalizacji temperatur w końcowych reaktorach. Stopień konwersji H₂S rośnie wraz ze wzrostem temperatury, jednak nie wykazano, czy podnoszenie bądź obniżanie temperatury, jest rzeczywiście potrzebne.