Processo Claus: reazioni
Il processo Claus è utilizzato per trattare flussi di gas contenenti concentrazioni elevate di solfuro di idrogeno derivanti, ad esempio, dalla desolforazione dei prodotti di raffineria
Il processo Claus è noto e utilizzato a livello industriale dal 1936 quando il chimico tedesco Carl Friedrich Claus lo brevettò nel 1883
Esso appare oggi più che in passato di grande attualità per le disposizioni legislative che impongono limitazioni alle emissioni di composti solforati per motivi ambientali.
Inoltre il recupero dello zolfo nell’estrazione del gas naturale è oggetto di molte ricerche negli ultimi anni.
Il processo Claus produce inoltre zolfo di qualità estremamente buona ed è quindi una fonte di una sostanza chimica di base.
Tuttavia la conversione completa dell’idrogeno solforato in zolfo è precluso dai rapporti di equilibrio delle reazioni chimiche su cui si basa il processo. Come risultato di questa limitazione, il processo Claus, in molti casi, non è adeguato a ridurre le emissioni atmosferiche di composti solforati al livello richiesto dalle normative sul controllo dell’inquinamento atmosferico. In questi casi, il processo va integrato con un altro processo specificamente progettato per rimuovere i residui di zolfo dal gas di coda dell’impianto.
Reazioni nel processo Claus
Il processo si divide in due fasi: termica e catalitica.
Nella fase termica, il solfuro di idrogeno reagisce a temperature superiori a 850 °C con l’ossigeno per dare anidride solforosa e vapore acqueo:
2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O
La reazione è esotermica e la variazione di entalpia è pari a ΔH = – 518 kJ/mol
Nella fase catalitica il solfuro di idrogeno reagisce con l’anidride solforosa formatasi nella fase precedente per dare zolfo sotto forma di vapore e vapore acqueo. La reazione esotermica è catalizzata da allumina o biossido di titanio è:
4 H2S + 2 SO2 → 6 S + 4 H2O
I gas che escono dalla fornace vengono raffreddati per separare lo zolfo elementare formatosi nella fase termica. Il riscaldamento, la reazione catalitica e la condensazione dello zolfo rimuovono ulteriore zolfo.
La variazione di entalpia è pari a ΔH = – 41.8 kJ per mole di zolfo allo stato di vapore
La reazione complessiva è:
2 H2S + O2 → S2 + 2 H2O
Lo zolfo prodotto si trasforma rapidamente nell’allotropo S8:
4 S2 → S8
Nel processo Claus sono previste più fasi catalitiche per ottenere una conversione più completa dell’idrogeno solforato e ogni fase catalitica è composta da un riscaldatore di gas , un reattore e un condensatore. Dopo ogni fase sono previsti dei condensatori per condensare il vapore di zolfo e separarlo dal flusso principale.
Il recupero dello zolfo nel processo Claus dipende da fattori quali la composizione dell’alimentazione, l’età del catalizzatore e il numero di stadi del reattore. Le efficienze tipiche del recupero dello zolfo per gli impianti Claus sono del 90%-96% per un impianto a due stadi e del 95%-98% per un impianto a tre stadi. A causa delle limitazioni di equilibrio e di altre perdite di zolfo, l’efficienza complessiva del recupero dello zolfo in un’unità Claus di solito non supera il 98%.
Reazioni collaterali
Nel corso della fase termica possono verificarsi reazioni collaterali che riducono il recupero e la produzione di zolfo e la formazione di componenti indesiderati:
formazione di idrogeno gassoso:
2 H2S → S2 + 2 H2
CH4 + 2 H 2O → CO2 + 4 H2
formazione di solfuro di carbonile :
H2S + CO2 → S=C=O + H2O
formazione di solfuro di carbonio :
CH4 + 2 S2 → CS2 + 2 H2S
il 7 Agosto 2022