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Es klaus prozess ist der Hauptweg schwefelhaltig um Komponenten aus Industrieabgasen zu entfernen. Der Schwefel wird schließlich in molekularen Schwefel (S₈) erhalten. Obwohl der Prozess bereits in Gang ist 1883 entdeckt wurde, ist es immer noch eine weit verbreitete Methode in der Industrie. Schwefel spielt in der chemischen Industrie eine wichtige Rolle. Der überwiegende Teil der im Jahr 2007 weltweit produzierten 71 Millionen Tonnen wurde durch das Claus-Verfahren gewonnen.^[1][2] Schwefel wird dann umgewandelt in converted Schwefelsäure oder angewendet in Medikamente, Kosmetika, Dünger und vulkanisiertGummi.

Geschichte

Der Claus-Prozess wurde entdeckt und benannt nach Carl Friedrich Claus, ein Chemiker, der in Großbritannien. Im 1883 wurde er a Patent gewährt. Das Verfahren wurde später von der deutschen Firma erheblich verbessert I.G.Farbenindustrie A.G.^[3]

Chemie Hintergrund

Der Claus-Prozess ist im Wesentlichen ein mehrstufiger Prozess. Die fragliche gasförmige Schwefelverbindung ist hauptsächlich Schwefelwasserstoff, ein übelriechendes und entzündbares giftiges Gas. Die Gase, aus denen es entfernt wird, sind Erdgas, Raffination von Fraktionen aus roh Petroleum oder Nebenprodukte der Ölraffination. Im letzteren Fall sollte man an Abfallstoffe denken, die bei den chemischen und physikalischen Prozessen anfallen, die verwendet werden, um Benzin, Diesel- und dergleichen, die zur Verwendung in den verschiedenen Motoren geeignet sind. Neben Schwefelwasserstoff, Blausäure, Kohlenwasserstoffe, Schwefeldioxid und Ammoniak in diesem Abgasgemisch vorkommen.

Schwefelwasserstoff entsteht bei der Raffination von Naphtha und andere Erdölprodukte. Beim klassischen Verfahren musste der Schwefelwasserstoffgehalt des Gases mindestens 25 % betragen. Heutzutage ist es möglich, sogenannte geteilter FlussTechniken (Vorwärmen des Gasstroms und der verbrauchten Luft) können auch aus Gasgemischen mit einem geringeren Gehalt isoliert werden.^[4]

Die grobe Reaktion des Claus-Prozesses betrifft die partielle Oxidation von Schwefelwasserstoff zu Schwefel und Wasser:^[5]

${displaystyle mathrm {2 H_{2}S O_{2} longrightarrow 2 S 2 H_{2}O} }$

Der eigentliche Prozess erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird der Schwefelwasserstoff vollständig zu Schwefeldioxid oxidiert:

${displaystyle mathrm {2 H_{2}S 3 O_{2} longrightarrow 2 SO_{2} 2 H_{2}O} }$

Diese Reaktion ist stark exotherm (H = -1036,7 kJ/mol). Das entstehende Schwefeldioxid wird dann mit einem Überschuss an Schwefelwasserstoff zu Schwefel reduziert:

${displaystyle mathrm {2 H_{2}S SO_{2} longrightarrow 3 S 2 H_{2}O} }$

Im ersten Schritt ist die Kontrolle der Sauerstoffmenge wichtig, damit im zweiten Schritt noch genügend Schwefelwasserstoff übrig bleibt.

Der Prozess

Im Diagramm unten ist es Flussdiagramm für den gezeigten Klauselprozess:^[6]

Der Claus-Prozess kann in zwei Schritte unterteilt werden: einen thermischen und einen katalytisch Schritt.

Thermischer Schritt

Im thermischen Schritt reagiert das schwefelwasserstoffreiche Gas in einer Verbrennungsreaktion mit a stöchiometrisches DefizitSauerstoffgas:

${displaystyle mathrm {2 H_{2}S 3 O_{2} longrightarrow 2 SO_{2} 2 H_{2}O} }$

Die verwendete Temperatur ist höher als 850 °C.

Der Gehalt an Schwefelwasserstoff und die Mengen anderer brennbarer Gase (wie Kohlenwasserstoffe und Ammoniak) bestimmen die Durchführung der Verbrennung. Wenn Claus-Gas Ammoniak (wird verwendet, um saures Gas aus Abfallströmen zu entfernen) oder Kohlenwasserstoffe enthält, ist mehr Sauerstoffgas erforderlich. Die genaue Menge hängt dann von der genauen Zusammensetzung des verwendeten Gases ab. Wesentlich für den nächsten Schritt ist, dass nur noch ein Drittel des Schwefelwasserstoffs in Schwefeldioxid und Wasser umgewandelt wird.

Damit die Reaktion kontrolliert ablaufen kann, ist es oft erforderlich, die unterschiedlichen Arten von Claus-Gasen getrennt zu verbrennen. Manchmal ist es erforderlich, die Gesamtgasmenge zu reduzieren oder eine höhere Verbrennungstemperatur zu erreichen, indem bei der Verbrennungsreaktion reiner Sauerstoff anstelle von Luft verwendet wird.

Katalytischer Schritt

Der Claus-Prozess wird mit dem katalytischen Schritt fortgesetzt. Je nach Reaktionsbedingungen findet dieser Schritt auch teilweise während des thermischen Teils statt, meist 60 bis 70 %. Die Reaktion zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid erfolgt mit einem festen Katalysator, in der Regel aktiviert Aluminiumoxid oder Titan(IV)oxid.

${displaystyle mathrm {2 H_{2}S SO_{2} longrightarrow 3 S 2 H_{2}O} }$

Das heiße Gasgemisch wird abgekühlt, wodurch der gebildete Schwefel kondensiert. Das größte technische Problem in diesem Schritt besteht einerseits darin, eine ausreichende Kühlung zu realisieren und andererseits zu verhindern, dass der gebildete Schwefel aus solide ausfällt. Als Nebenprodukt entsteht Dampf. Außerdem wird oft ein Teil des Gasstroms zu Beginn des Prozesses zurückgeführt, um das einströmende Gas auf die richtige Reaktionstemperatur zu bringen.

Technische Aspekte

Die Umwandlung von schwefelhaltigen Verbindungen zu festem Schwefel erfolgt üblicherweise in drei Zyklen. Nach einem Zyklus sind noch zu viele schwefelhaltige Verbindungen übrig, wie z Schwefeldioxid, Schwefelkohlenstoff und Carbonylsulfid.

Obwohl die katalytische Reaktion bei einer niedrigeren Temperatur als die thermische Reaktion abläuft, beträgt die Standardtemperatur für dieses Verfahren immer noch 315°C bis 330°C. Schließlich werden bei dieser Temperatur Carbonylsulfid und Schwefelkohlenstoff umgewandelt. Diese beiden Stoffe werden auch bei der Verbrennungsreaktion gebildet.

Bei niedrigeren Temperaturen (als 315 °C) wird ein besserer Umsatz erreicht, es besteht jedoch die Gefahr, dass sich Schwefel auf dem Katalysator niederschlägt, wodurch Katalysatorvergiftung auftritt und die Produktionserträge sinken. Außerdem läuft die Reaktion bei niedrigeren Temperaturen langsamer ab. Die Standardbetriebstemperaturen im Prozess betragen 240°C für den zweiten und 200°C für den dritten Zyklus.

Im Schwefelkondensator wird der Schwefel schließlich aus dem Gasstrom entfernt. Die Kondensationswärme und die Restwärme werden zur Dampferzeugung genutzt. Bevor der entstehende Schwefel eingelagert wird, werden die letzten Gasspuren entfernt, bei denen es sich hauptsächlich um Schwefelwasserstoff handelt.

Das Gas, das schließlich den Reaktor verlässt, enthält noch eine Reihe von brennbaren Bestandteilen (wie z Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid) sowie einige schwefelhaltige Verbindungen (Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid). Dieses Gas wird verbrannt oder als Input für einen nächsten Zyklus des Clause-Prozesses wiederverwendet.

Prozesseffizienz

Zwei katalytische Schritte entfernen typischerweise mehr als 97 % des Schwefels aus dem einströmenden Gasstrom. Darüber hinaus werden mehr als 2,6 Tonnen Dampf (ca. 140 m³) pro Tonne produzierten Schwefels. Zur Steigerung der Prozesseffizienz wird das SCOT-Verfahren (a Akronym für die Engländer Shell Claus Abgasbehandlung) entwickelt: die restlichen Mengen an Schwefeldioxid, Schwefelkohlenstoff und Carbonylsulfid werden mit Wasserstoffgas Wasserstoff vermischt reduziert zu Schwefelwasserstoff. Der Schwefelwasserstoff wird mit einer Aminlösung in Kontakt gebracht und dies bewirkt, dass der Schwefelwasserstoff von der Lösung absorbiert wird. Die Aminlösung wird in einem Regenerator regeneriert. Die saubere Aminlösung wird zum Absorber zurückgeführt und das Gas aus dem Regenerator wird dem Claus-Prozess zugeführt.

${displaystyle mathrm {SO_{2} 3 H_{2} longrightarrow H_{2}S 2 H_{2}O} }$

Als Katalysator im SCOT-Prozess Kobalt-Molybdän auf Aluminiumoxid verwendet. Der Gesamtwirkungsgrad des Claus- und SCOT-Verfahrens beträgt im Allgemeinen 98 bis 99,9 %.