Clausproces

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie

Het Claus-proces^[1] is de belangrijkste manier om zwavelhoudende componenten uit gassen te verwijderen. De zwavel wordt uiteindelijk als elementaire zwavel verkregen. Hoewel het proces al in 1883 ontdekt werd, is het nog steeds een veel toegepaste methode, een industriestandaard.

In een meer-staps-proces worden gasvormige zwavelverbindingen verwijderd. De betreffende zwavelverbinding is vooral waterstofsulfide (of zwavelwaterstof, "rotte eieren lucht"). De gassen waaruit het verwijderd wordt zijn natuurlijk gas, raffinagefracties van ruwe aardolie of bijproducten van de olieraffinage. Bij dit laatste moet dan gedacht worden aan afvalstoffen die ontstaan bij de chemische en fysische processen die gebruikt worden om benzine, diesel, en dergelijke geschikt te maken voor gebruik in de verschillende motoren. Naast waterstofsulfide kunnen ook waterstofcyanide, koolwaterstoffen, zwaveldioxide en ammoniak in deze afvalmix voorkomen.

In het klassieke proces diende het H₂S-gehalte van het gas minimaal 25% te bedragen. Tegenwoordig is het mogelijk met behulp van "split-flow"-technieken of het vooraf verwarmen van gasstroom en gebruikte lucht, ook uit gasmengsel met een kleiner gehalte de zwavel als zwavelbloem te isoleren.^[2]

Waterstofsulfide ontstaat bijvoorbeeld tijdens het raffineren van nafta en andere aardolieproducten. De "over-all"-reactie is:^[3]

2 H₂S + O₂ → 2 S + 2 H₂O

Deze reactie verloopt in twee stappen:

1. 2 H₂S + 3 O₂ → 2 SO₂ + 2 H₂O
2. 2 H₂S + SO₂ → 3 S + 2 H₂O

In de eerste stap is controle van de hoeveelheid zuurstof belangrijk om in de tweede stap voldoende zwavelwaterstof over te hebben.

Zwavel in de chemische industrie een belangrijke rol. Het overgrote deel van de 64 miljoen ton die in 2005 wereldwijd gebruikt werd is als bijproduct in de aardolieraffinage en dus via het claus-proces verkregen. ^[4][5] De zwavel wordt vervolgens omgezet of gebruikt in zwavelzuur, medicijnen, cosmetica, kunstmest en gevulkaniseerd rubber.

Inhoud 1 Geschiedenis 2 Het proces 2.1 Katalytische stap 2.2 Technische aspecten 3 Proces efficiëntie 4 Referenties

[bewerk] Geschiedenis

Het Claus-proces is ontdekt en vernoemd naar Carl Friedrich Claus, een chemicus die (ondanks zijn naam) werkzaam was in Engeland. In 1883 werd hem een brits patent verleend. De procedure is later aanmerkelijk verbeterd door de Duitse firma I.G.Farbenindustrie A.G.^[6]

[bewerk] Het proces

In onderstaand schema is het stroomdiagram voor een basaal Claus proces weergegeven:^[7]

Het Claus-proces kan in twee stappen verdeeld worden: een thermische en een katalytische stap.

In de thermische stap reageert het H₂S-rijke gas in een verbrandingsreactie met een ondermaat zuurstof. De temperatuur moet dan hoger dan 850 °C zijn.

Het gehalte H₂S en de hoeveelheden andere brandbare gassen (koolwaterstoffen, ammoniak) bepalen op welke wijze de verbranding wordt uitgevoerd. De reactie verloopt volgens onderstaande vergelijking:

2 H₂S + 3 O₂ → 2 SO₂ + 2 H₂O

Als Claus-gas ammoniak bevat (dit wordt gebruikt bij het verwijderen van "zuur gas" uit afvalstromen) of koolwaterstoffen dan is meer zuurstof nodig. De exacte hoeveelheid hangt dan af van de precieze samenstelling van het gebruikte gas. Essentieel voor de volgende stap is dat slechts 1/3 deel van het waterstofsulfide wordt omgezet in SO₂ en water.

Om de reactie op een gecontroleerde manier te laten verlopen is het vaak nodig de verschillende soorten Claus-gas apart te verbranden. Soms is het nodig de totale hoeveelheid gas te verkleinen of een hogere verbrandingstemperatuur te realiseren door in plaats van lucht pure zuurstof te gebruiken in de verbrandingsreactie.

Afhankelijk van de reactieomstandigheden zal de volgende stap ook al voor een deel verlopen, meestal voor 60 tot 70%:

2 H₂S + SO₂ → 3 S + 2 H₂O

Het hete gasmengsel wordt gekoeld waardoor het gevormde zwavel condenseert. Het grootste technische probleem in deze stap is enerzijds voldoende koeling realiseren, anderzijds voorkomen dat het gevormde zwavel al als vaste stof neerslaat. Stoom ontstaat als bijproduct. Bovendien wordt vaak een deel van de gasstroom teruggevoerd naar het begin van het proces om het binnenkomende gas op de juiste reactietemperatuur te brengen.

[bewerk] Katalytische stap

Het Claus-proces wordt voortgezet met de katalytische stap. De reactie tussen waterstofsulfide en zwaveldioxide wordt uitgevoerd met behulp van een vaste katalysator, geactiveerde aluminiumoxide of titaniumdioxide. Deze laatste reactie is bekend als "de" Claus-reactie.

2 H₂S + SO₂ → 3 S + 2 H₂O

[bewerk] Technische aspecten

De omzetting van zwavelhoudende verbindingen in vaste zwavel wordt doorgaans in drie cycli uitgevoerd. Na één cyclus is er nog een te grote hoeveelheid zwavelhoudende verbindingen over. Dit is ook in het schema aangegeven.

Hoewel de katalytische reactie bij lagere temperatuur verloopt dan de verbranding, is de standaard temperatuur voor dit proces nog steeds 315°C tot 330°C. Bij deze temperatuur worden COS en CS₂ omgezet. Deze twee stoffen ontstaan ook tijdens de verbrandingsreactie.

Bij lagere temperaturen (dan 315°C) wordt wel een betere omzetting bereikt, maar het risico bestaat dat dan zwavel neer gaat slaan op de katalysator. Bovendien verloopt de reactie trager. Standaard werktemperaturen voor de tweede en derde cyclus in het proces zijn 240°C voor de tweede en 200°C voor de derde stap

In de zwavelcondensor wordt uiteindelijk de zwavel uit de gesstroom verwijderd. De condensatiewarmte en de restwarmte worden gebruikt om stoom op te wekken.

Voordat de ontstane zwavel wordt opgeslagen worden de laatste resten gas verwijderd. Dit is vooral H₂S

Het gas dat uiteindelijk de Claus-reactor verlaat bevat nog steeds een aantal brandbare bestanddelen, evenals wat zwavelhoudende verbindingen. (H₂S, H₂ en CO). Dit gas wordt verbrand of opnieuw gebruikt als invoer voor een volgende cyclus van het Claus-proces.

[bewerk] Proces efficiëntie

Met twee katalytische stappen wordt doorgaans meer dan 97% van het zwavel uit de binnenkomende gasstroom verwijderd. Daarnaast wordt maar dan 2,6 ton stoom (ongeveer 140 m³) per ton zwavel geproduceerd.

[bewerk] Referenties

1. ^ Inhoudelijk overgenomen uit de Engelse wikipedia dd 20080310
2. ^ Gas Processors Association Data Book, 10th Edition, Volume II, Section 22
3. ^ Gary, J.H. and Handwerk, G.E., Petroleum Refining Technology and Economics, 2nd Edition, Marcel Dekker, Inc.. 0824771508, 1984
4. ^ Sulfur production report by the United States Geological Survey
5. ^ Discussion of recovered byproduct sulfur
6. ^ Bibliographic Citation
7. ^ A publication of the Linde Gas Division of the Linde Group