硫黄回収装置

硫黄回収装置（クラウスプロセス）

硫黄回収装置、またはクラウスプロセスは、硫化水素（H₂S）から単体の硫黄を生産するための工業的なプロセスです。この設備は1883年、ドイツの化学者カール・フリードリヒ・クラウスによって特許を取得しました。

概要

この装置では、水素化脱硫装置や合成ガス製造装置などで生成された硫化水素を原料として利用します。これらの装置では、化学反応によって得られた酸性ガスから、アミン水溶液を用いて硫化水素を高濃度で分離します。硫化水素ガスの濃度が25%を超えていれば、硫黄回収装置の原料として使うことが可能です。

原料ガスには、シアン化水素や炭化水素、二酸化硫黄、アンモニアなどの不純物が含まれることがあります。硫黄回収の総合的な反応式は以下のように表され、これをクラウス反応と呼びます。

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2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O
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プロセス

硫黄回収装置は、主に二つの部門、熱反応部と触媒反応部に分かれています。熱反応部では、850℃以上の高温で原料ガスを燃焼させます。このとき、硫化水素が約三分の一の量で二酸化硫黄に変換されるように、燃焼空気の量が調整されます。時には酸素が豊富な空気が使用されることもあります。

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2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O
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燃焼ガスは熱交換器で冷却され、ここで原料の60%から70%の硫黄が液化します。このプロセスでは、燃焼ガスがもたらす熱エネルギーを使い、水蒸気が発生し、エネルギー回収が行われます。

触媒反応部では、活性アルミナや二酸化チタンなどの触媒が用いられ、クラウス反応を促進させます。この段階で、熱反応部から残っている硫化水素と二酸化硫黄が反応し、単体の硫黄に変わります。

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2H₂S + SO₂ → rac{3}{2} S₂ + 2H₂O
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触媒反応は、加熱、反応、凝縮を順次行うプロセスです。加熱器では、処理ガスが適切な温度になるまで加熱されます。反応は発熱性なので、低温での操作が理想的ですが、硫黄の凝縮による触媒の劣化には注意が必要です。

更新された濃度の反応ガスは130℃から150℃に冷却され、硫黄が凝縮されます。この段階でも熱回収が行われます。通常、回収効率を高めるため、加熱、触媒反応、凝縮のプロセスが二回または三回繰り返されます。テールガス処理装置が設置されている場合は、二段階の処理が多く見られます。

生成された液体硫黄は、脱ガス装置を通じて不純物を取り除いた後、製品化されます。

処理後のガスは「テールガス」と呼ばれ、これには硫化水素や一酸化炭素が含まれています。このガスは燃焼炉で燃焼されるか、テールガス処理装置で処理された後、大気中に放出されます。

プロセスの性能

この二段階の触媒反応によって、原料中の硫黄の約97%が収集可能となります。また、硫黄1トンを生成するごとに、約2.6トンの水蒸気が副生します。このプロセスは、効率的な硫黄回収手段として広く利用されています。

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