Способ дожигания отходящих газов
Изобретение относится к области химической технологии и может найти применение для очистки отходящих газов от сернистых соединений, монооксида углерода и органических соединений на предприятиях газовой, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслей промышленности. Способ дожигания отходящих газов от сернистых соединений, монооксида углерода и органических веществ включает пропускание обрабатываемого газа и молекулярного кислорода и/или воздуха через слой катализатора при повышенной температуре и объемной скорости 7000-18000 ч-1. Процесс осуществляют в две стадии с использованием, по крайней мере, двух слоев различных катализаторов. На первой стадии при температуре 130-250С осуществляют окисление сероводорода, а на второй стадии при температуре 450-550С осуществляют окисление монооксида углерода и органических веществ. Изобретение позволяет снизить энергозатраты на проведение процесса. 2 табл.
Изобретение относится к области химической технологии и может найти применение для очистки отходящих газов от сернистых соединений, таких как H2S, COS, CS2, монооксида углерода и органических соединений на предприятиях газоперерабатывающей, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслей промышленности.
Процесс каталитического газофазного окисления сероводорода до серы и SO2 на известных катализаторах может протекать при температурах 100-300С [Алхазов Т.Г., Амиргулян Н.С. Сернистые соединения природных газов и нефтей. - М.: Недра, 1989, 189 с.; Грунвальд В.Р. Технология газовой серы. М: Химия, 1992, 272 с.]. Однако при этих температурах не происходит окисления монооксида углерода и органических веществ. В присутствии соединений серы температура эффективной работы катализаторов окисления СО и органических веществ должна быть не ниже 450-500С [Кундо Н.Н. Каталитическое дожигание выбросов, содержащих соединения серы, и перспективы его применения - Химия в интересах устойчивого развития, 1999, т.7, с.259-267.]Известен способ очистки отходящих газов процесса Клауса, содержащих примеси H2S, COS, CS2, SO2, CO, в присутствии оксидного алюмомедно-хромового катализатора, содержащего, мас.%: 15-20 CuCr2O4, 5-7 CuO, 10-12 Сr2О3, остальное - Аl2О3. Способ осуществляют в температурном диапазоне 450-550С при объемных скоростях 7000-18000 ч-1 [А.с. СССР 1583350, C 01 B 17/54, 1990]. Описанный способ принят по наибольшему количеству сходных с предлагаемыми признаков за прототип изобретения, а именно, способа дожигания отходящих газов производств получения и переработки серы.Недостатком прототипа является необходимость нагревания смеси отходящих газов, имеющих температуру 130-150С, до 450С. Нагревание осуществляют за счет сжигания природного газа в газовых горелках, что требует большого расхода топливного газа для подогрева. Помимо большого расхода природного газа, при этом происходит вторичное загрязнение атмосферы монооксидом углерода и оксидами азота.Изобретение решает задачу экономии топливного газа и снижения количества продуктов вторичного загрязнения атмосферы за счет снижения температуры нагревания отходящих газов до температуры 130-250С.Задача решается тем, что способ дожигания отходящих газов от сернистых соединений, монооксида углерода и органических веществ, включающий пропускание обрабатываемого газа и молекулярного кислород и/или воздуха через слой катализатора при повышенный температуре и объемной скорости 7000-18000 ч-1, осуществляют в две стадии с использованием, по крайне мере, двух слоев различных катализаторов. Соотношение объемной концентрации кислорода к объемной концентрации окисляемых реагентов не меньше стехиометрического значения.На первой стадии при температуре 130-250С осуществляют окисление сероводорода, при этом в качестве катализатора первой стадии используют катализатор окисления сероводорода кислородом. На этой стадии происходит окисление сероводорода и паров элементной серы до диоксида серы и происходит разогрев газовой смеси до температур, позволяющих на второй стадии использовать катализаторы дожигания монооксида углерода и органических веществ без дополнительного подогревания.На второй стадии при температуре 450-550С осуществляют окисление монооксида углерода и органических веществ, нагревание обрабатываемой газовой смеси до температуры 450-550С осуществляют за счет тепла, которое выделяется в реакции окисления сероводорода на первой стадии процесса. В качестве катализатора второй стадии используют катализаторы окисления, устойчивые к действию диоксида серы.В качестве катализаторов первой стадии можно применять промышленные катализаторы окисления сероводорода кислородом или катализаторы "защитного слоя", используемые в процессе Клауса. Это могут быть катализаторы на основе оксида ванадия (V) либо оксида железа (III), нанесенные на Аl2О3, TiO2, SiO2.Катализаторами второй стадии могут быть катализаторы, устойчивые к действию диоксида серы, такие как хромиты переходных металлов либо нанесенные платиновые катализаторы. Платиновые катализаторы можно использовать только при проведении процесса дожигания по предлагаемому способу. В случае проведения процесса дожигания по способу-прототипу катализаторы, содержащие платину, будут дезактивироваться в присутствии сероводорода.Способ осуществляют следующим образом.Газ, содержащий Н2S, COS, CS2, CO, SO2, углеводороды CnHm и органические вещества, содержащие серу, смешивают с воздухом и/или кислородом таким образом, чтобы в полученной газовой смеси, названной здесь обрабатываемым газом, выдерживалось отношение объемной концентрации кислорода к объемным концентрациям реагентов (H2S, COS, CS2, СО, углеводороды CnHm, органические вещества, содержащие серу) не меньшее стехиометрического значения. Далее обрабатываемый газ направляют в каталитический реактор и при объемной скорости 7000-18000 ч-1 пропускают через слой катализатора окисления сероводорода, поддерживая в нем температуру 130-250С. Уровень температуры в слое катализатора поддерживают известными методами. Так, при недостатке тепла в обрабатываемый газ добавляют горючее вещество или нагревают либо его, либо слой катализатора. В результате выделения тепла в реакции окисления сероводорода обрабатываемый газ разогревается и направляется на вторую стадию, проходит через второй слой катализатора дожигания СО и органических соединений, нагревая его. Температура разогрева определяется содержанием сероводорода в обрабатываемом газе. При содержании сероводорода в обрабатываемой смеси, достаточном для нагревания газовой смеси до 450С, процесс дожигания на второй стадии протекает без дополнительного подогревания обрабатываемого газа. В случае, когда содержание сероводорода в газовой смеси недостаточно для разогревания смеси до температуры 450С, применяют дополнительное подогревание обрабатываемого газа до этой температуры. В этих условиях обеспечивается высокая производительность процесса и экономия топливного газа.Реакции окисления сероводорода и монооксида углерода кислородом проводят в проточном режиме с неподвижным слоем катализатора при атмосферном давлении на катализаторах фракции 0,4-0,8 мм при температуре 130-300С, объемной скорости 7000-18000 ч-1, составе исходной газовой смеси, об.%: 0,5-3 H2S, 4-20 O2, 5 СО, 10 СО2, 20 Н2О, инертный газ - до баланса, соотношении объемной концентрации кислорода к объемным концентрациям реагентов (H2S, COS, CS2, CO), не меньшем стехиометрического значения, варьируя состав исходной газовой смеси, объемную скорость и температуру. Состав исходной и конечной газовой смесей анализируют хроматографически.Эффективность предлагаемого способа оценивают по величинам конверсии сероводорода, селективности по диоксиду серы, адиабатического изменения температуры газовой смеси (T), происходящего за счет выделения теплоты реакции, и количества сэкономленного тепла.Термохимические расчеты были проведены для 1 моля газовой смеси следующим образом.Тепловой эффект реакции окисления сероводорода до диоксида серы (1) рассчитывают по формулам (2)-(5) с использованием величин энтальпии образования и теплоемкости реагентов и продуктов реакции (1). Значения термодинамических характеристик приведены в табл. 1. где Но298кон, Но298нач - алгебраическая сумма энтальпий образования продуктов реакции (кон) и реагентов (нач) из простых веществ при температуре 298К. где НоTреакц - тепловой эффект реакции при температуре Т, кДж; Но298реакц - то же, при температуре 298К, кДж; Ср - изменение теплоемкости газовой смеси в результате реакции, кДж/град. теплоемкости реагентов и продуктов реакции, рассчитанные по уравнению зависимости теплоемкости от температуры Величины адиабатического разогрева рассчитывали по формулам (6) и (7) где Q - количество теплоты, вносимое обрабатываемым газом, кДж, n - количество обрабатываемого газа, моль; Т - температура обрабатываемой смеси, К; Ср - теплоемкость обрабатываемой смеси, кДж/моль град К. Температуру газовой смеси после реакции окисления сероводорода T1 рассчитывали по формуле (8) где Cp1, n1 - теплоемкость и количество молей газовой смеси, образующейся после реакции окисления сероводорода, соответственно.Адиабатическое изменение температуры газовой смеси (Т), происходящего за счет выделения теплоты реакции, рассчитывают по формуле (9): где Т и T1 - температуры обрабатываемой газовой смеси до и после реакции окисления сероводорода, соответственно.Количество сэкономленного тепла на 1 моль обрабатываемой смеси равно тепловому эффекту реакции окисления сероводорода Htреак, кДж.Конкретные условия реакции, величины конверсии сероводорода, селективности по диоксиду серы, адиабатическому изменению температуры газовой смеси (Т) и количества сэкономленного тепла представлены в приведенных ниже примерах.Пример 1. Газовую смесь состава, об.%: 2.7 Н2S, 10,0 O2, 5.0 СО, 0,5 СН4, 10,0 СO2, 20,0 Н2О, остальное N2, нагретую до 130С, пропускают с объемной скоростью 18000 ч-1 через слой катализатора состава, мас.%: 5 V2O5 + 95 TiO2. Проводят реакцию окисления сероводорода. Далее смесь после реакции, имеющую температуру 548С, без дополнительного нагревания пропускают с объемной скоростью 18000 ч-1 через слой катализатора ИКТ- 12-8 состава, мас.%: 15 CuCr2O4 + 5 CuO + 10 Сr2O3 + 70 Аl2О3. Проводят реакцию окисления СО. После реакции выделяется 4,95 об.% СO2, что составляет 99% от количества монооксида углерода, присутствующего в обрабатываемой смеси.Показатели эффективности способа:конверсия H2S - 100%,селективность по диоксиду серы - 100%,Т - 418С,количество сэкономленного тепла – 15,56 кДж.Пример 2. Газовую смесь состава, об.%: 2.2 H2S, 10,0 O2, 5.0 СО, 1.0 С3Н8, 10,0 CO2, 20,0 Н2О, остальное N2, нагретую до 130С, пропускают с объемной скоростью 18000 ч-1 через слой катализатора состава, мас.%: 5 V2O5 + 95 Аl2О3. Проводит реакцию окисления сероводорода. Далее смесь после реакции, имеющую температуру 465С, без дополнительного нагревания пропускают с объемной скоростью 18000 ч-1 через слой катализатора ИКТ- 12-8 состава, мас.%: 15 CuCr2O4 + 5 CuO + 10 Сr2O3 + 70 Аl2О3. Проводят реакцию окисления СО. После реакции выделяется 4.85 об.% CO2, что составляет 97% от количества монооксида углерода, присутствующего в обрабатываемой смеси.Показатели эффективности способа:конверсия H2S - 100%,селективность по диоксиду серы - 100%,Т-335С,количества сэкономленного тепла - 10,37 кДж.Пример 3. Газовую смесь состава, об.%: 1 Н2S, 10 O2, 5 СО, 10 СO2, 20 Н2O, остальное N2, нагретую до 200°С, пропускают с объемной скоростью 18000 ч-1 через слой катализатора состава, мас.%: 5 V2O5 + 30 Аl2О3 + 65 ТiO2. Проводят реакцию окисления сероводорода. Далее смесь после реакции, имеющую температуру 358С, дополнительно нагревают до температуры 450С и пропускают с объемной скоростью 18000 ч-1 через слой катализатора ИКТ- 12-8 состава, мас.%: 15 CuCr2O4 + 5 CuO + 10 Сr2O3 + 70 Аl2О3. Проводят реакцию окисления СО. После реакции выделяется 4.85 об.% CO2, что составляет 97% от количества монооксида углерода, присутствующего в обрабатываемой смеси.Показатели эффективности способа:конверсия H2S - 100%,селективность по диоксиду серы - 100%,Т - 158С,количество сэкономленного тепла - 5,19 кДж.Пример 4. Газовую смесь состава, об.%: 0,5 H2S, 10 O2, 5 СО, 10 CO2, 20 H2O, остальное N2, нагретую до 250С, пропускают с объемной скоростью 18000 ч-1 через слой катализатора КУ-16 состава, мас.%: 25 Fе2О3 + 26 ZnO + 49 Сr2O3. Проводят реакцию окисления сероводорода. Далее смесь после реакции, имеющую температуру 336С, дополнительно нагревают до температуры 450С и пропускают с объемной скоростью 18000 ч-1 через слой катализатора ИКТ- 12-8 состава, мас.%: 15 CuCr2O4 + 5 CuO + 10 Сr2O3 + 70 Аl2O3. Проводят реакцию окисления СО. После реакции выделяется 4,85 об.% СO2, что составляет 97% от количества монооксида углерода, присутствующего в обрабатываемой смеси.Показатели эффективности способа:конверсия H2S - 100%,селективность по диоксиду серы - 100%,Т - 86С,количество сэкономленного тепла - 2,60 кДж.Пример 5. Газовую смесь состава, об.%: 3 H2S, 6 СО, 1 COS, 1.5 С3Н8, 15 СO2, 30 H2O, остальное N2 смешивают с воздухом в соотношении 1:2. Полученную газовую смесь состава, об.%: 1 H2S, 14 O2, 2 СО, 0,33 COS, 0,5 C3H8, 5 СO2, 10 Н2O, остальное N2, нагретую до 150С, пропускают с объемной скоростью 18000 ч-1 через слой катализатора состава, мас.%: 5 V2O5 + 95 Аl2О3. Проводят реакцию окисления сероводорода. Далее смесь после реакции, имеющую температуру 310С, дополнительно нагревают до температуры 450С и пропускают с объемной скоростью 18000 ч-1 через слой катализатора ИКТ- 12-8 состава, мас.%: 15 CuCr2O4 + 5 CuO + 10 Сr2O3 + 70 Аl2О3. Проводят реакцию окисления СО, С3Н8, COS. Конверсия пропана и сероксида углерода составляет 100%, конверсия монооксида углерода составляет 97%.Показатели эффективности способа:конверсия H2S - 100%,селективность по диоксиду серы - 100%,Т - 160С,количество сэкономленного тепла - 5,18 кДж.Исходные условия и результаты экспериментов сведены в табл. 2.Таким образом, как видно из примеров, предлагаемый способ позволяет снизить температуру зажигания процесса отходящих газов производств получения и переработки серы на 200-300С с сохранением высокой степени конверсии реагентов и может найти широкое применение на предприятиях газовой, нефтеперерабатывающей, химической отраслях промышленности, а также на предприятиях цветной металлургии.Формула изобретения
1. Способ дожигания отходящих газов от сернистых соединений, монооксида углерода и органических веществ, включающий пропускание обрабатываемого газа и молекулярного кислорода и/или воздуха через слой катализатора при повышенной температуре и объемной скорости 7000-18000 ч-1, отличающийся тем, что процесс осуществляют в две стадии с использованием по крайней мере двух слоев различных катализаторов, при этом на первой стадии при температуре 130-250С осуществляют окисление сероводорода, а на второй стадии при температуре 450-550С осуществляют окисление монооксида углерода и органических веществ.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение объемной концентрации кислорода к объемной концентрации окисляемых веществ не меньше стехиометрического значения.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве катализатора первой стадии используют катализатор окисления сероводорода кислородом.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагревание обрабатываемой газовой смеси до температуры 450-550С осуществляют за счет тепла, которое выделяется в реакции окисления сероводорода на первой стадии процесса.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве катализатора второй стадии используют катализаторы окисления, устойчивые к действию диоксида серы: хромиты переходных металлов либо нанесенные платиновые катализаторы.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Дата, с которой действие патента восстановлено: 27.03.2007
Извещение опубликовано: 27.03.2007 БИ: 09/2007