УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРЫ
DEVICE TO PRODUCE SULFUR

Изобретение относится к устройствам для получения серы из сероводородсодержащих газов и для очистки газов от сероводорода с получением серы и может найти применение в нефтегазовой, нефтеперерабатывающей и химической отраслях промышленности.
Основной проблемой при промышленной реализации процессов получения серы и очистки газов от сероводорода с получением серы, например, по реакции прямого каталитического окисления сероводорода кислородом до серы (далее - прямым окислением), является необходимость отведения большого количества тепла, выделяющегося при окислении сероводорода (около 2 Гкал/т). При концентрации сероводорода выше 1,5-2 мас.% и при недостаточном отводе тепла катализатор и реакционная масса локально или в целом разогреваются до температуры выше 300°С, при которой начинают интенсивно проходить реакции, приводящие к переокислению сероводорода с образованием диоксида серы. Это снижает выход товарной серы и приводит к вторичному загрязнению очищенного газа диоксидом серы. Локальные разогревы могут привести также к дезактивации или спеканию катализатора.
Разработка устройств, позволяющих эффективно совместить химический процесс каталитического окисления сероводорода с отводом тепла реакции, является актуальной задачей.
Известен реактор для осуществления газофазных каталитических процессов [патент РФ №2393010, МПК B01J 19/24, опубл. 27.06.2010 г.], который содержит корпус, средство ввода исходных компонентов, средство вывода готового продукта, область размещения катализатора, узел подвода или отвода тепла, выполненный в виде множества тепловых труб, проходящих через область размещения катализатора. Тепловые трубы выполнены в виде клинообразных элементов, ориентированных радиально относительно оси симметрии корпуса.
Однако при получении серы прямым окислением реактор требует оснащения дополнительными внешними устройствами для подогрева сероводородсодержащего газа, для получения реакционной смеси из сероводородсодержащего газа и кислородсодержащего газа, для охлаждения тепловых труб, а также для охлаждения продуктов окисления и конденсации жидкой серы, что имеет следствием большую металлоемкость оборудования в целом. Кроме того, реактор содержит устройства для промежуточного ввода реагентов, что не позволяет эффективно регулировать процесс за счет изменения концентрации компонентов реакционной смеси. Кроме того, конструкция реактора не позволяет достаточно эффективно отводить тепло из зоны реакции при концентрации сероводорода в очищаемом газе свыше 15-20% (при котором адиабатический разогрев реакционной массы превышает 500°С), что приводит к локальным перегревам, снижению селективности окисления, уменьшению выхода серы и загрязнению очищенного газа диоксидом серы.
Наиболее близок к предлагаемому устройству по технической сущности каталитический реактор [патент РФ №2371243, МПК B01J 8/00, опубл. 27.10.2009 г.], принятый в качестве прототипа. Реактор выполнен в виде вертикального цилиндрического аппарата, внутри которого установлены один или несколько катализаторных блоков теплопередающих (теплообменных) элементов. Каждый блок образован спиралеобразными теплопередающими элементами, образующими два канала для рабочих сред - аксиальный и радиально-спиральный. По аксиальному каналу, заполненному мелкозернистым (гранулированным) катализатором, проходит реакционная масса, а по радиально-спиральному каналу (внутреннему пространству) - теплоноситель, обеспечивающий равномерный отвод тепла экзотермической реакции. Кроме того, реактор снабжен патрубками для ввода газообразного сырья и вывода газообразного продукта.
Однако реактор требует оснащения дополнительными внешними устройствами для подогрева сероводородсодержащего газа, для охлаждения и конденсации жидкой серы, для получения реакционной смеси из сероводородсодержащего газа и кислородсодержащего газа, что приводит к большой металлоемкости оборудования в целом. Реактор также не предусматривает устройств для промежуточного ввода реагентов, что не позволяет регулировать процесс за счет изменения концентрации компонентов реакции. Кроме того, конструкция реактора не применима при концентрации сероводорода в очищаемом газе свыше 25-30% (при этом адиабатический разогрев реакционной массы превышает 800°С), что также приводит к снижению селективности окисления сероводорода, уменьшению выхода серы и загрязнению очищенного газа диоксидом серы.
Задача изобретения - уменьшение материалоемкости оборудования, снижение энергозатрат, повышение селективности окисления сероводорода.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа:
- уменьшение материалоемкости за счет уменьшения количества единиц оборудования и загрузки катализатора,
- снижение энергозатрат за счет отсутствия расхода тепла на первичный и повторный нагрев реакционной смеси, а также за счет возможности отвода из реактора высокопотенциального тепла (в виде водяного пара низкого и высокого давления или нагретого теплоносителя) для нужд сторонних потребителей,
- повышение селективности окисления сероводорода за счет предотвращения локальных перегревов катализатора.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для получения серы, включающем вертикальный цилиндрический каталитический реактор, содержащий несколько катализаторных блоков, состоящих из теплообменных элементов с внутренним пространством для прохода теплоносителя, пространство между которыми заполнено гранулированным катализатором, а также патрубки для ввода газообразного сырья и вывода газообразного продукта, особенность заключается в том, что устройство дополнительно содержит паровой нагреватель сероводородсодержащего газа, секцию конденсации паров серы и термосифонное устройство для отвода тепла реакции из катализаторных блоков, при этом реактор содержит патрубки для ввода сероводородсодержащего газа, вывода очищенного газа и жидкой серы, ввода циркулирующей жидкой серы, а также патрубки для ввода кислородсодержащего газа, катализаторные блоки оснащены устройствами для распределения кислородсодержащего газа по сечению аппарата, термосифонное устройство состоит из коллектора-распределителя жидкого теплоносителя, коллектора-сборника парожидкостной смеси и сепарационного пространства, в котором размещен паровой нагреватель сероводородсодержащего газа, а секция конденсации серы расположена ниже катализаторной секции и состоит из поверхностного конденсатора паров серы, включающего орошаемые и охлаждаемые конденсационные поверхности, расположенные под углом 10-90 градусов к горизонтали, и устройства для распределения циркулирующей жидкой серы по конденсационным поверхностям, а также узла промывки очищенного газа циркулирующей жидкой серой, оснащенного противоточной массообменной насадкой.
Дополнительная комплектация устройства паровым нагревателем, секцией конденсации и термосифонным устройством позволяет уменьшить количество единиц оборудования и снизить металлоемкость оборудования.
Оснащение реактора патрубками для ввода сероводородсодержащего газа, вывода очищенного газа и жидкой серы, ввода циркулирующей жидкой серы, а также для ввода кислородсодержащего газа позволяет вводить сырьевые компоненты раздельно по высоте реактора и за счет этого регулировать соотношение компонентов в каждом каталитическом блоке, а также выводить продукты реакции.
Наличие в катализаторных блоках устройств для распределения кислородсодержащего газа по сечению аппарата обеспечивает равномерную нагрузку на катализатор по сечению аппарата, за счет чего достигается повышение селективности окисления и уменьшение загрузки катализатора.
Наличие термосифонного устройства, состоящего из коллектора-распределителя жидкого теплоносителя, коллектора-сборника парожидкостной смеси, расположенных на уровне катализаторных блоков, и сепаратора, расположенного на верху реактора, в котором размещен паровой нагреватель сероводородсодержащего газа обеспечивает не только эффективный отвод тепла из катализаторных блоков, но и позволяет подогреть сырьевой сероводородсодержащий газ до температуры прямого окисления.
Расположение секции конденсации серы ниже катализаторной секции позволяет осуществить вывод серы самотеком.
Применение поверхностного конденсатора паров серы, содержащего орошаемые и охлаждаемые конденсационные поверхности, расположенные под углом 10-90 градусов к горизонтали, и устройства для распределения циркулирующей жидкой серы по конденсационным поверхностям дает возможность избежать образования мелкодисперсного аэрозоля серы в очищенном газе.
А наличие узла промывки очищенного газа циркулирующей жидкой серой, оснащенного противоточной массообменной насадкой, позволяет удалить из очищенного газа остаточный аэрозоль серы.
Реактор состоит из катализаторных блоков 1 (условно показано два блока), термосифонного устройства 2 и секции конденсации паров серы 3 (фиг.1).
Каждый из нескольких катализаторных блоков 1 (на фиг.2 показан поперечный разрез блока) содержит теплообменные элементы 4, по внутреннему пространству 5 которых проходит теплоноситель и гранулированный катализатор 6, размещенный между ними, коллектор-распределитель сырья 7 и коллектор продуктов реакции 8, а также оснащен устройством 9 для распределения кислородсодержащего газа по сечению аппарата и патрубком для ввода кислородсодержащего газа 10.
Термосифонное устройство 2 содержит коллектор-распределитель жидкого теплоносителя 11, коллектор-сборник парожидкостной смеси 12 и сепарационное пространство 13, во внутреннем пространстве которого размещены паровой нагреватель сероводородсодержащего газа 14 и конденсатор паров теплоносителя 15.
Паровой нагреватель 14 снабжен патрубком ввода сероводородсодержащего газа 16 и соединен трубопроводом 17 с каталитической секцией.
Секция конденсации паров серы 3 (фиг.3) состоит из поверхностного конденсатора паров серы 18, включающего орошаемые и охлаждаемые конденсационные поверхности, расположенные под углом 10-90 градусов к горизонтали, распределительное устройство 19 для подачи циркулирующей жидкой серы на конденсационные поверхности, с патрубком для ввода циркулирующей жидкой серы 20, а также узла промывки продуктов окисления циркулирующей жидкой серой 21, оснащенного противоточной массообменной насадкой 22. Кроме того, имеются патрубки 23 вывода очищенного газа и вывода жидкой серы 24.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
В патрубок 16 парового нагревателя 14 подают сероводородсодержащий газ I, подогревают его до температуры "зажигания реакции" около 200°С за счет тепла конденсации паров теплоносителя в сепарационном пространстве термосифонного устройства 2 и направляют в каталитическую секцию по трубопроводу 17.
Через патрубки 10 вводится кислородсодержащий газ II, распределяется по сечению аппарата с помощью устройств 9, смешивается с сероводородсодержащим газом I и далее контактирует с гранулированным катализатором 6, размещенным между теплообменными элементами 4 катализаторных блоков 1. В результате экзотермической реакции окисления сероводорода образуются продукты окисления, содержащие пары серы, а тепло реакции за счет испарения жидкого теплоносителя III отводится во внутреннее пространство теплообменника элементов 5, испаряя кипящий теплоноситель, направляемый далее в виде парожидкостной смеси IV через коллектор-распределитель 11 в сепарационное пространство термосифонного устройства 2.
В сепарационном пространстве жидкая часть теплоносителя V отделяется от его паров, которые охлаждаются за счет нагрева сероводородсодержащего газа I в паровом нагревателе 14, а также за счет нагрева хладоагента III в конденсаторе 15 и конденсируются с образованием дополнительного количества жидкого теплоносителя, поступающего под собственным давлением через коллектор-распределитель жидкого теплоносителя 11 во внутреннее пространство 5 теплообменных элементов 4.
Пары серы, содержащиеся в продуктах окисления IV, по мере достижения давления насыщения конденсируются и жидкая сера стекает в секцию конденсации паров серы 3, где охлаждается на конденсационных поверхностях поверхностного конденсатора 18, дополнительно орошаемых циркулирующей жидкой серой VI, поступающей через патрубок 20 и распределительное устройство 19. На охлаждаемой пленке жидкой серы конденсируются пары серы, не сконденсировавшиеся в каталитической секции. Жидкую серу VII выводят из патрубка 24, расположенного внизу устройства.
Охлажденный газ VIII дополнительно промывают циркулирующей жидкой серой VI на противоточной массообменной насадке 22 и выводят их реактора через патрубок очищенного газа 23.
В качестве теплоносителя используют высокотемпературный теплоноситель, кипящий при температуре 200-250°С (при атмосферном давлении), например, воду или даутерм.
Предлагаемое устройство может найти применение в нефтегазовой, нефтеперерабатывающей и химической отраслях промышленности.