بخشی از مقاله
چکیده
امروزه تأکید بر ایمن بودن محیطهای عملیاتی واحد بازیابی گوگرد به لحاظ زیستمحیطی است. کاتالیزورهای مورداستفاده در رآکتورهای این واحد قادر هستند تا سهم مهمی در کنترل و کاهش گازهای آلاینده داشته باشند. اگر نوع کاتالیزورهای انتخابی و نحوه چینش آن ها در رآکتور به گونه ای باشد که تبدیل بیشینه باشد در این صورت میزان گازهای آلاینده H2S و SO2 در جریان خروجی از واحد بهطور قابلتوجهی کاهش مییابد.
در این مقاله انواع کاتالیزورهای مورداستفاده در این واحد مورد بررسی قرار گرفته و مشخص شد که علاوه بر آلومینا و تیتانیا، کاتالیزورهایی مرسوم برای تولید گوگرد، با مقاومت و تبدیل بالا، مواد طبیعی مانند؛ فوژاسیت، سپیولیت و پامیس نیز میتوانند به عنوان کاتالیست جایگزین استفاده شوند. از بین این مواد سپیولیت به دلیل فراوانی، هزینه پایین و فعالیت بالا امکان بالقوه مناسبتری برای کاتالیست جایگزین دارد. کاتالیست سریا نیز در مقیاس آزمایشگاهی فعالیت بالایی از خود نشان میدهد.
-1 مقدمه
در جهان صنعتی امروز سولفید هیدروژن بهعنوان یک محصول فرعی در فرآیندهای مربوط به سوختهای فسیلی مانند، گاز طبیعی و نفت خام وجود دارد. این ترکیب در گاز طبیعی مهمتر ین ماده ی دارای گوگرداست. فرآیند کلاوس بهطور گسترده برای تبدیل این محصول فرعی به گوگرد مورداستفاده قرار میگیرد. × عواملی که باعث میشوند از این فرآیند استفاده شود، عبارتاند از :
- شرایط عملیاتی پیشرفته.
- انعطافپذیری در پالایشگاهها و واحدهای پالایشی گاز.
- قوانین سختگیرانه و کنترل انتشار گازهای آلاینده، بهویژه گازهای حاوی ترکیبات گوگردی.
بر طبق فرآیند کلاوس بهبود یافته که در دههی میلادی توسط یک شرکت آلمانی از تغییرات در فرآیند اولیه حاصل شد، ابتدا در کوره واکنش یک سوم سولفید هیدروژن سوزانده شده تا دیاکسید گوگرد تشکیل شود، علاوه بر این در این مرحله بخشی از سولفید هیدروژن به گوگرد عنصری تبدیل میشود.
سپس گازهای باقیمانده با دوسوم باقیماندهی سولفید هیدروژن در یک واکنش گاه کاتالیستی ترکیب شده تا گوگرد تشکیل شود. بنابراین ابتدا اکسیژن هوا با یک سوم سولفید هیدروژن طبق واکنش - ٌ - در کوره، واکنش میدهد
سرعت یک واکنش شیمیایی، شامل دو یا چند واکنش دهنده، با اضافه کردن مادهای به نام کاتالیزور بهبود مییابد. برخلاف دیگر مواد موجود در واکنش شیمیایی، کاتالیزورها مصرف نمیشوند. با استفاده از کاتالیست در واکنش شیمیایی انرژی رسیدن به حالت گذرا یا بهعبارتدیگر انرژی فعالسازی کاهش مییابد اما کل انرژی آزاد یا مصرف شده در واکنش تغییری نمی کند. در یک واکنش شیمیایی برای تبدیل مطلوب واکنشدهندهها به محصولات بدون حضور کاتالیست، دمای بالایی موردنیاز است. اما اگر واکنش در حضور یک کاتالیست انجام شود، انرژی اولیهی موردنیاز برای شروع واکنش کاهش یافته و در نتیجه هزینه تجهیزات و انرژی نیز کاهش خواهد یافت.
علاوه بر این، نوع کاتالیزورهای انتخابی نیز بسیار اهمیت دارند زیرا بازده تولید گوگرد در واحد بازیابی گوگرد به میزان قابلتوجهی به فعالیت و واکنشپذیری×کاتالیزورهای مورد استفاده در این فرآیند بستگی دارد. همچنین یکی از مشکلات عمدهی مربوط به عملیات کاتالیزورهای هتروژن، کاهش و از دست رفتن فعالیت کاتالیست همزمان با برقراری جریان خوراک است. این مشکل، غیرفعال شدن کاتالیست نامیده میشود.
این فرآیند که دارای ماهیتی فیزیکی و شیمیایی است همزمان با واکنش اصلی اتفاق میافتد. غیرفعال شدن اجتنابناپذیر است اما میتوان سرعت آن را کاهش داد یا حتی مانع از آن شد و از برخی اثرات و عواقب آن اجتناب کرد
با توجه به شناخت اهمیت استفاده از کاتالیست و مؤثر بودن نوع کاتالیزورهای انتخابی لازم است، کاتالیزورهای استفاده شده برای این فرآیند، شناسایی شده و انتخاب آن، با توجه به مؤثر و پایدار بودن کاتالیست انجام شود. همچنین با توجه به اینکه فعالیت کاتالیزورهای این واحد در حین عملیات کاهش می یابد تا اینکه درنهایت در طی یک مدتزمان مشخص غیرفعال میشود، پیشبینی عملکرد کاتالیست فرآیند کلاوس یک مسئله مهم برای کمک به شرکتها و پالایشگاهها در انتخاب کاتالیست مناسب و عیبیابی واحد گوگرد است.
در این بررسی انواع کاتالیزورهای مورد استفاده در فرآیند کلاوس، در صنعت و بهصورت آزمایشگاهی، مورد مطالعه قرارگرفته و میزان فعالیت و مؤثر بودن آنها بررسی شده است. انتظار میرود این مطالعه درک ما را نسبت به کاتالیزورهای فرآیند تولید گوگرد به روش کلاوس بهبودیافته افزایش دهد. × کاتالیزورهای مورداستفاده در فرآیند کلاوس بهبودیافته عبارتاند از :
کاتالیزورهایی که در این فرآیند به صورت صنعتی و آزمایشگاهی به کار گرفته شده و توسط محققین مختلفی مطالعه شدهاند، میتوان به شش گروه کلی تقسیم کرد :
1. کاتالیزورهای بر پایه آلومینا.
2. کاتالیزورهای بر پایه تیتانیا.
3. کاتالیزورهای بر پایه سریا.
4. زئولیت.
5. سپیولیت.
6. پامیس.
در قسمت های بعد هر یک از این کاتالیزورها به صورت تخصصی بررسی شده و برخی از پارامترها مانند، میزان فعالیت،میزان تبدیل آن ها در رآکتورها، استحکام مکانیکی، بافت کاتالیست و در نهایت هزینه و میزان فراوانی، در مورد تعدادی از کاتالیزورهای اشاره شده بررسی شده است.
-2 کاتالیزورهای بر پایه آلومینا - AL2O3 -
از نظر تاریخی اولین کاتالیستی که بهصورت تجاری در رآکتورهای دماپایین مورد استفاده قرار گرفت، کربن فعال پایدار شده با ّ/ّ % سیلیکا بوده است. این کاتالیست دارای سطح بسیار زیاد - بیش از m2 ⁄gr - و حجم بالایی از منافذ بود. باوجوداین ویژگیها کاتالیست آلومینای فعال ترجیح داده شد. ویژگیهای زیر این برتری را تائید میکند.
1. نیاز به دمای احیاء پایین، درکاتالیست آلومینا و درنتیجه صرفه جویی در انرژی.
2. امکان استفاده از ظروف فولاد کربنی با توجه به دمای پایین احیا و کاهش هزینههای سرمایهگذاری.
3. کاهش اثرات ناشی از ساییدگی با توجه به استحکام مکانیکی بهتر آلومینا نسبت به کربن.
4. ثبات کاتالیستی بهتر آلومینا.
کاتالیزورهای بر پایهیآلومینا چون فعالیت بالایی داشته و نسبتاً ارزان هستند نسبت به دیگر مواد بهطور گسترده بهعنوان کاتالیست فرآیند کلاوس بهبودیافته استفاده میشوند.]ًٍ[ در زیر بهطور جزئیتر به بررسی مطالعات و کارهای انجام شده روی این کاتالیست میپردازیم. × نقش کاتالیست آلومینا در واکنش تولید گوگرد:
در فرآیند کلاوس بهبود یافته جریان خروجی از قسمت کورهی واکنش وارد رآکتورها میشود. این جریانعمدتاً حاوی گازهای سولفید هیدروژن، دیاکسید گوگرد، گوگردهای تشکیل شده و محصولات جانبی شامل NO، NH ، SO، S، COS، CS، CO،N و H O است. مقدار زیادی از گوگردهای تشکیل شده در چگالندههای واحد جدا میشوند.
بقیهی اجزای گازی در بستر کاتالیستی واکنش داده و گوگرد به عنوان محصول مطلوب و محصولات دیگری چون آب،دی اکسید کربن و غیره تولید میشود. - شکل - 1 سینتیک و سازوکار واکنش کلاوس روی سطح کاتالیست آلومینا در برخی مطالعات بررسی شده است.
شکل - 1 - شیمی واکنشهای اصلی در رآکتور بر روی کاتالیست آلومینا
مطابق یکی از این سازوکارهای پیشنهادی - شکل - 2 یون سولفات - SO - به همراه تیوسولفات - S O - گونههای مربوط به آغاز چرخهی تبدیل H S و SO به گوگرد هستند.
