Способ оценки работоспособности катализатора в реакторах установок получения серы по методу клауса и реакторов доочистки по методу сульфрен

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в особенности для оценки работоспособности катализатора в процессе получения серы из сероводорода по методу Клауса. Способ оценки работоспособности катализатора в реакторах установок получения серы по методу Клауса и реакторов доочистки по методу Сульфрен заключается в том, что осуществляют отбор и анализ исходного кислого газа и газа на входе и выходе каждого реактора Клауса и реакторов Сульфрен, измеряют температуру газа на входе каждого реактора Клауса и реакторов Сульфрен, определяют достигаемую степень конверсии сернистых соединений в каждом реакторе Клауса и реакторах Сульфрен - α_реал, определяют теоретическую степень конверсии сернистых соединений в каждом реакторе Клауса и реакторах Сульфрен в зависимости от концентрации сернистых соединений и температуры на входе в каждый реактор - α_теор, определяют степень приближения α_реал к α_теор для каждого реактора Клауса и реакторов Сульфрен по соотношению α_реал/α_теор=Y, определяют теоретическую степень конверсии исходного сероводорода в зависимости от концентрации сернистых соединений на входе в первый реактор Клауса и температуры на входе в каждый реактор Клауса и реакторы Сульфрен для произвольно выбранных значений Y в реакторах Клауса, строят график зависимости значений Y в первом и втором реакторах Клауса для условия равенства степени конверсии исходного сероводорода 99,4%, а о работоспособности катализатора судят по месту нахождения на графике точки пересечения значений Y для реакторов Клауса, работающих последовательно на одной установке, при этом если точка находится на кривой 99,4% и ниже, продолжают эксплуатацию катализатора в обоих реакторах Клауса, если выше кривой 99,4%, то заменяют катализатор в обоих реакторах Клауса, а катализатор в реакторах Сульфрен заменяют при Y менее 0,90. Изобретение позволяет определить возможность продолжения эксплуатации катализатора. 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно для оценки работоспособности катализатора в процессе получения серы из сероводорода по методу Клауса.

Наиболее близким аналогом к данному изобретению является способ определения времени службы алюмоксидного катализатора (τ в годах), работающего при 250-350°С, по формуле (см. SU №1775144, МПК 5 В 01 D 53/36, опубл. 15.11.92 г.):

τ=τ₀+к·(1-X),

где: τ₀ - время эксплуатации катализатора до анализа, год;

Х - количество сульфатов алюминия, образующихся на поверхности катализатора за время его эксплуатации, определяемое соотношением ;

к - коэффициент, характеризующий количество сульфатов алюминия, образующихся за 1 год.

Определяя величину X, можно оценить работоспособность катализатора.

Указанный способ является наиболее близким аналогом предлагаемого способа и выбран авторами в качестве прототипа.

К основным недостаткам известного способа относятся:

- узкая область применения: относится только к алюмооксидному катализатору, работающему при 250-350°С;

- из нескольких существующих факторов дезактивации катализатора выбран только уровень его сульфатации;

- сложная процедура отбора проб катализатора, требующая остановки установки.

При создании изобретения решались следующая техническая задача - опрелеление возможности продолжения эксплуатации катализатора или необходимости его замены независимо от режима работы, состава и физико-химических свойств используемого катализатора в реакторах Клауса и Сульфрен без остановки установки.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе оценки работоспособности катализатора в реакторах установок получения серы по методу Клауса и реакторов доочистки по методу Сульфрен осуществляют отбор и анализ исходного кислого газа и газа на входе и выходе каждого реактора Клауса и реакторов Сульфрен, измерение температуры газа на входе каждого реактора Клауса и реакторов Сульфрен, определение достигаемой степени конверсии сернистых соединений в каждом реакторе Клауса и реакторах Сульфрен - α_реал, определение теоретической степени конверсии сернистых соединений в каждом реакторе Клауса и реакторах Сульфрен в зависимости от концентрации сернистых соединений и температуры на входе в каждый реактор - α_теор; определение степени приближения α_реал к α_теор для каждого реактора Клауса и реакторов Сульфрен по соотношению α_реал/α_теор - Y, определение теоретической степени конверсии исходного сероводорода в зависимости от концентрации сернистых соединений на входе в первый реактор Клауса и температуры на входе в каждый реактор Клауса и реакторы Сульфрен для произвольно выбранных значений Y в реакторах Клауса и построение графика зависимости значений Y в первом и втором реакторах Клауса для условий равенства степени конверсии исходного сероводорода 99,4%, а о работоспособности катализатора судят по месту нахождения точки пересечения значений Y для реакторов Клауса, работающих последовательно на одной установке, относительно построенного графика, при этом если точка находится на кривой 99,4% и ниже, эксплуатация катализатора может быть продолжена в обоих реакторах Клауса, если выше кривой 99,4%, то заменяют катализатор в обоих реакторах Клауса, а катализатор в реакторах Сульфрен заменяют при Y менее 0,90.

Способ осуществляется следующим образом (на примере установки, состоящей из двух последовательно размещенных реакторов Клауса и реакторов, более одного, Сульфрен, соединенных между собой последовательно).

Отбирают пробы исходного кислого газа и газа на входе и выходе каждого реактора Клауса и реакторов Сульфрен в стеклянный или тефлоновый пробоотборник через соединенную с ним колонку, заполненную осушителем - пентаоксидом фосфора Р₂О₅ или магнием хлорнокислым безводным (ангидроном). Анализируют состав газа газохроматографическим методом на приборе любого типа (например, ЛХМ-8МД), позволяющем определять концентрации сернистых соединений (Н₂S, SO₂, COS, CS₂) с чувствительностью не ниже 0,001 об.%. Температуру газа определяют по показаниям термопар, установленных на входе каждого реактора Клауса и Сульфрен.

Достигаемую степень конверсии сернистых соединений, α_реал, в каждом реакторе Клауса и реакторах Сульфрен рассчитывают по формуле:

α_реал=1-ΣS_выход/ΣS_вход

где: ΣS_вход, ΣS_выход - суммарная концентрация сернистых соединений в сухом технологическом газе соответственно на входе и выходе каждого реактора, об.%.

Теоретическую степень конверсии сернистых соединений, α_теор, в каждом реакторе Клауса и реакторах Сульфрен рассчитывают по программе расчета термодинамического равновесия процесса Клауса (Gamson B.W., Elkins R.H. Sulfar from Hydrogen Sulfide. - Chem. Ing. Progr., 1953, v.49, pp.203-214.) в зависимости от концентрации сернистых соединений и температуры на входе в каждый реактор.

Степень приближения Y достигаемой степени конверсии сернистых соединений к теоретической для каждого реактора Клауса и реакторов Сульфрен рассчитывают по формуле:

Y=α_реал/α_теор

Пример результатов хроматографического анализа газа и расчетов представлен в таблице 1.

Для оценки данных хроматографического анализа газа необходимо определить, при каких показателях работы катализатора в каждом реакторе обеспечивается минимально допустимая степень конверсии исходного сероводорода после установки (для установок получения серы и сероводорода с установками доочистки газа Сульфрен минимальная степень конверсии исходного сероводорода определяется нижним пределом остаточного содержания сернистых соединений по термодинамическому равновесию реакции Клауса - 0,10-0,15 об.%, тогда для российских газоперерабатывающих заводов, работающих на кислом газе с 50-75 об.% H₂S, минимальная степень конверсии исходного H₂S будет составлять 99,4% при условии, что в реакторах Сульфрен Y больше 0,90). Для этого рассчитывают теоретическую степень конверсии исходного сероводорода в зависимости от концентрации сернистых соединений на входе в первый реактор Клауса и температуры на входе в каждый реактор Клауса и реактора Сульфрен для произвольно выбранных значений Y в реакторах Клауса. Соотношение (H₂S+COS+2CS₂)/SO₂ в газе на входе в первый реактор Клауса принимают равным 2, степень превращения сероорганических соединений (COS и CS₂) - 100%. Степень конверсии сернистых соединений в реакторах Сульфрен принимают равной теоретической. В таблице 2 представлен пример расчета для фактического состава газа из таблицы 1.

По полученным данным строят график зависимости значений Y в первом и втором реакторах Клауса для условия равенства степени конверсии исходного сероводорода 99,4% - см. график 1 на чертеже.

Для оценки работоспособности катализатора на график наносят точку пересечения значений Y для первого и второго реакторов Клауса, рассчитанных на основе фактического состава газа, - в рассматриваемом примере 0,69 для первого и 0,89 для второго реактора. Точка пересечения находится ниже кривой 99,4%, следовательно, эксплуатация катализатора в обоих реакторах Клауса может быть продолжена. Значение Y для реакторов Сульфрен составляет 0,97 - эксплуатация катализатора может быть продолжена.

Таблица 1
Точка отбора газа	Состав газа, об.%	Температура, °С	αреал, %	αтеор, %	Y
H2S	SO2	COS	CS2
Вход первого реактора Клауса	7,360	4,102	0,332	0,103	260	45,9	66,3	0,69
Выход первого реактора Клауса	4,176	2,267	0,032	0,010
Вход второго реактора Клауса	4,174	2,272	0,030	0,010	210	66,1	74,5	0,89
Выход второго реактора Клауса и вход реакторов Сульфрен	1,328	0,847	0,012	0,006	130	81,3	84,1	0,97
Выход реакторов Сульфрен	0,145	0,255	0,010	0,006
Состав исходного кислого газа, об.%: H2S - 63,00; СН4 - 0,16; СО2 - 29,89; Н2О - 6,95

Таблица 2 Степень конверсии исходного сероводорода (КH2S, %) в зависимости от степени приближения к равновесию в реакторах Клауса Суммарная концентрация (H2S+SO2+COS+2CS2) в сухом газе на входе в I реактор - 12,0 об.%; температура на входе, °С: I реактор - 260, II реактор - 210, реактора Сульфрен - 130.
Первый реактор	Второй реактор	Сульфрен	KH2S, %
Y	α, %	ΣSвыход, об.%	Y	α, %	ΣSвыход, об.%	α, %	ΣSвыход, об.%
1,00	66,3	4,04	1,00	69,9	1,22	87,0	0,159	99,62
0,50	34,9	2,62	90,4	0,252	99,40
0,90	59,7	4,84	1,00	72,1	1,35	87,8	0,165	99,61
0,64	46,1	2,61	90,4	0,251	99,40
0,80	53,0	5,64	1,00	73,7	1,48	88,5	0,170	99,60
0,73	53,8	2,61	90,4	0,251	99,40
0,70	46,4	6,43	1,00	74,9	1,61	88,9	0,179	99,57
0,80	59,9	2,58	90,4	0,248	99,41
0,60	39,8	7,23	1,00	75,8	1,75	89,2	0,189	99,55
0,84	63,7	2,62	90,4	0,252	99,40
0,50	33,2	8,02	1,00	76,5	1,88	89,5	0,197	99,53
0,88	67,3	2,62	90,4	0,252	90,40
0,40	26,5	8,82	1,00	77,0	2,03	89,9	0,205	99,51
0,91	70,1	2,64	90,4	0,253	99,40
0,30	19,9	9,61	1,00	77,3	2,18	90,0	0,218	99,48
0,94	72,7	2,62	90,4	0,252	99,40
0,20	13,3	10,40	1,00	77,6	2,33	90,2	0,228	99,46
0,96	74,5	2,65	90,4	0,254	99,40

Способ оценки работоспособности катализатора в реакторах установок получения серы по методу Клауса и реакторов доочистки по методу Сульфрен, заключающийся в том, что осуществляют отбор и анализ исходного кислого газа и газа на входе и выходе каждого реактора Клауса и реакторов Сульфрен, измеряют температуру газа на входе каждого реактора Клауса и реакторов Сульфрен, определяют достигаемую степень конверсии сернистых соединений в каждом реакторе Клауса и реакторах Сульфрен - α_реал, определяют теоретическую степень конверсии сернистых соединений в каждом реакторе Клауса и реакторах Сульфрен в зависимости от концентрации сернистых соединений и температуры на входе в каждый реактор - α_теор, определяют степень приближения α_реал к α_теор для каждого реактора Клауса и реакторов Сульфрен по соотношению α_реал/α_теор=Y, определяют теоретическую степень конверсии исходного сероводорода в зависимости от концентрации сернистых соединений на входе в первый реактор Клауса и температуры на входе в каждый реактор Клауса и реакторы Сульфрен для произвольно выбранных значений Y в реакторах Клауса, строят график зависимости значений Y в первом и втором реакторах Клауса для условия равенства степени конверсии исходного сероводорода 99,4%, а о работоспособности катализатора судят по месту нахождения на графике точки пересечения значений Y для реакторов Клауса, работающих последовательно на одной установке, при этом, если точка находится на кривой 99,4% и ниже, продолжают эксплуатацию катализатора в обоих реакторах Клауса, если выше кривой 99,4%, то заменяют катализатор в обоих реакторах Клауса, а катализатор в реакторах Сульфрен заменяют при Y менее 0,90.