Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
~0<~ 2'~
~ a présente invention concerne un perfectionnement à
la production du soufre, notamment par le procédé connu SOU9 le
nom de procédé C~AUS.
~ 'importance industrielle et économique du procédé
CLAUS de production du ~oufre est bien connue, ce procédé étant
appliqué tant à la fabrication du soufre qu'à la désulfuration
de certains gaz. Dans un tel procédé, un gaz renfermant du H2s~
qui provient par exemple de la désulfuration du gaz naturel ou de
l'hydrodésulfuration de produits pétroliers, est introduit dan~
une zone de combustion, dans laquelle une partie de l'hydrogène
sulfuré est oxydée par de l'air ~ température élevée (de l'ordre
de 1000C) en soufre et S02, puis l'effluent de cette zone de
combu~tion, après condensation du soufre qu'il renferme, est
amené à une zone d'oxydation catalytique constituée de plusieurs
convertisseurs disposés en série et maintenus à des températures
èntre 200 et 400C; ceux-ci sont éventuellement suivis d'un
convertisseur additionnel, opérant à une température inférieure
au point de rosée du soufre et soumis périodiquement à une régénéra-
- tion; l'hydrogène sulfuré, contenu dans ledit effluent, est
alors oxydé en ~oufre dans cette zone catalytique, suivant la
réac$ion :
2H2S + S02~ _~ 3 Sx + 2H20 (1)
pour fournir de nouvelles quantités de soufre.
Dans ~ne variante de ce procédé, on amène directement
aux converti~seurs catalytiques le gaz renfermant H2S et S02, ce
gaz ayant été obtenu par l'addition, à un gaz contenant H~S, de la
quantité appropriée de S02 provenant d'une source quelconque,
telle que combustion du soufre, gaz résiduaires renfermant S02
ou autre.
~es catalyseurs, que l'on utilise dans les convertis-
seurs pour rendre la réaction (1) aussi complète que possible aux
températures d'opération des convertisseurs, sont le plus couram-
-- 1 --
.' lO~I~Z~
ment des oxydes, tals que l'alumine ou la bauxite activées, qui
donnent d'excellents résultats Cependant, un point faible du
procédé réside en ce que le catalyseur est très sensible à la
présence d'oxygène dans les gaz à traiter; ainsi a-t-on pu
constater qul en présence de faibles concentrations d'oxygène
dans les gaz injectés dans un convertisseur du procédé C~AUS
l'activité de l'alumine, servant de catalyseur, diminue régulière-
ment au cours du temps; cela nécessite un remplacement fréquent
des charges de catalyseur, pour éviter la baisse du rendement de
l'installation CLAUS et l'accroissement conco~itant de la pollution
atmosphérique, qui seraient provoqués par ce~te diminution d'acti-
Yité. Pour parer ~t inco~vénient~ on peut utiliser la solution
proposée par exemple dans la publication du brevet français
Z,190,517, c'est-à-dire a remplacer le catalyseur classique,
notamment celui d'alumine, par des oxydes similaires renfermant
des oxyde~, sulfures ou autres ~omposés des métaux molybdène,
cobalt, nickel, fer ou/et uranium. Cette solution n'eqt viable
qu'au-dessus de 200C et donne des rendements convenables seulement
pour des durée~ de contact, entre gaz et catalyseur, assez longues,
de 8 secondès ou plus. En outre, elle exige que toute la masse
du catalyseur à mettre en contact avec le gaz à désulfurer soit
imprégnée du composé métallique, ce qui, sur le plan économique,
se traduit par un cout supplémentaire sensible, compte-tenu des
quantités élevées de catalyseur à mettre en oeuvre dans les
installations CLAUS classiques.
La présente invention remédie à l'inconvénient de la
sensibilité des catalyseurs CLAUS à l'oxygène par une nouvelle
combinaison de traitements catalytiques, dans laquelle le cataly-
seur classique de la production du soufre est protégé contre la
~0 présence possible de l'oxygène dans les gaz traités. ~e nouveau
procédé suivant l'invention permet ainsi de pratiquer le procédé
C~AUS à toute température appropriée avec un rendement pratique-
` lO~f~Z~4
ment constant et élevé.
Le perfectionnement suivant l'invention consiste afaire passer ~es gaz à traiter d'abord à travers une couche d'un
catalyseur de desoxygénation, avant de les soumettre à la réac-
tion de CLAUS sur un catalyseur classique de celle-ci.
Une forme préfér~e de réalisation de l'invention con-
siste à modifier les réacteurs CLAUS, où a lieu la formation du
soufre à partir de 2H2S + S02, par la substitution d'un cataly-
seur d'oxyde renfermant des métaux de transition, à une partie
du catalyseur classique, à l'entrée du réacteur. Autrement dit,
dans le nouveau procédé, les gaz à traiter, en entrant dan~ le
convertisseur C~AUS, rencontrent d'abord une couche de cataly-
seur de désoxygenation, d'épaisseur appropriée, qu'ils sont
obligés de traverser avant de pénétrer dans la couche de cataly-
seur CLAUS proprement dit. Grâce à cette superposition des deux
catalyseur~, le rendement de la production du soufre ne baisse
pas avec le temps, même si les gaz à traiter contiennent plus ou
moins d'oxygène, par exemple jusqu'à environ 5,000 vpm.
Suivant une autre forme d'exécution de l'invention, le
ou les réacteurs clasique~ de la réaction (1) sont précédés d'un
réacteur de désoxygénation chargé d'un catalyseur contenant un
composé de métal de tran~ition.
Le catalyseur de désoxygénation suivant l'invention est
constitué de préférence par un support d'alumine, de bauxite, de
silice, d'un mélange de silice et d'alumine ou/et d'un silico-
aluminate renfermant un compo~é de Fe, Ni, Co, Cu ou/et Zn; ce
composé peut être un oxyde, un sulfure ou un sel d'acide minéral
ou organique, par exemple sulfate, nitrate, phosphate, acétate,
etc. Ce catalyseur contient environ 0,5 à 10%, et de préférence
2 à 6~o~ en poids de métal rapporté au catalyseur calciné. En ce
qui concerne le support, il doit présenter une aire spécifique,
déterminée par la méthode BE~, d'au moins 100 m2/g, ou mieux
` 1094~
supérieure à 150 m2/g; le volume poreux doit être supérieur à
0,20 ml/g.
~ e~ catalyseurs de désoxygénation, utilisables dan~
le procédé de l'invention, peuvent être préparés p~r une des
méthodes connues en soi, notamment imprcgnation du support avec
une solution aqueuse ou autre du composé métallique, coprecipita-
tion, etc.
Bien que certain~ de ces catalyseur~ soient déjà connus
et utilisés dans l'oxydation des compooés a base de sQufre, comme
c'est par exemple le cas de l'alumine renfermant du sulfure de
fer ou de zinc, leur application, dans la combinaison spéciale
suiYant la présente invention, est tout à fait nouvelle; en effet,
cette combinaison comprend la superposition de ces catalyseurs
de désoxygénation à ceux de la réaction (1), c'est-a-dire plus
particulièrement à l'alumine ou à la bauxite activées. Cette
combinaison nouvelle apporte des résultats inattendus, puisqu'elle
supprime tant les inconvénients du procédé classique de CLAUS que
ceux de l'utilisation des catalyseurs seuls aux métaux de transi-
tion, comme il est indiqué, par exemple, dans la publication
française 2,190,517.
Dans la nouvelle combinaison suivant l'invention, le
volume de catalyseur de désoxygénation est en général plus faible
que celui du catalyseur classique du procédé CLAUS;le plus
souvent, le volume du premier est égal à environ 5 à 50~ de celui
du second, selon la teneur en oxygène dans les gaz à traiter.
Pratiquement, le volume de l'espace catalytique désoxygénant
est en général 10 à 40 % de l'espace catalytique CLAUS lui-même.
Dans la réalisation industrielle des réacteurs confor~
mes à la présente invention, l'épaisseur de la couche du cataly-
~eur de désoxygénation peut être calculée en fonction du temps
de contact nécessaire entre les gaz et ce catalyseur, ce temps
étant généralement de 0~1 à 3 s TPN.
~o9~
Des rapports analogues sont bien entendu appliqués dans
le cas où Im ou les deux lits de catalyseur ne 50nt pas fixes,
mais fluidisé~.
~ es deux couches catalytiques peuvent fonctionner à la
même température, soit pratiquement entre 100 et 400C; il est
cependant possible de faire fonctionner la couche de~oxygénante à
une température différente de celle du convertisseur proprement
dit, selon les besoins. ~orsque la réaction de CLAUS est mise en
oe~vre a des températures inférieures au point de rosée du soufre,
la catalyseur de désoxygénation est utilisé également à ces tempé-
ratures, particulièrement entre 100 et 180C, et de préférence
entre 120 et 160C. Dans ce cas, il est avantageux de désuliurer
périodiquement le catalyseur de désoxygénation par chauffage dans
un courant renfermant de l'H2S à une température de 250 à 400C,
à la manière connue en soi, de manière à le débarrasser du soufre
retenu dans ses pore~ et à lui restituer son activité. Bien
entendu, cette opération n'est plus indispensable lor~que les
couches catalytiques sont maintenues entre 180 et 400C.
Etant donné que le catalyseur de désoxygénation présente
lui-même unè certaine activité pour la réalisation de la réaction
(1), son avantage est double, non seulement il protège le cataly-
seur classique par l'élimination de l~oxygène, mais il fait trans-
former une partie du mélange de 2H2S + S02 en soufre élémentaire.
I,es exemples, non limitatifs, qui suivent, illustrent
l'invention.
EXEMPLE 1
Un catalyseur de désoxygénation est préparé par impré-
gnation d'un litre d'alumine activée, en billes de 4 à 6 mm, avec
une solution aqueuse de sulfate ferreux à 90 g de fer métal par
litre, en milieu légèrement sulfurique. ~'imprégnation dure une
heure. Après égouttage, l'alumine est ~échée pendant 3 heures à
120C, puis calcinée sous air à 350C pendant 3 heures.
~0~ Z94
Le catalyseur, ainsi obtenu, présente une teneur pondérale en
fer égale a 4,74 %, une aire spécifique de 220 m2/g et un volume
poreux de 0,415 cm3/g
1-31 g (soit 181 cm~) de ce catalyseur sont placés dans un réac-teur
tubulaire de 25 mm de Aiamètre qui est chauffé de façon isotherme
dans un four électrique. Dans ce tube, on fait passer, avec un
débit horaire de 2 m3/h, un gaz renfermant en volume :
2,5 % H2S, 1,5 ~ S02 et 27 % H20
le reste étant de l'azote et du gaz carbonique. En outre le gaz
contient 0,2 % d'oxygène.
On détermine la teneur en oxygène dans l'effluent is~u du tube
de réaction en fonction de la température.
Les réaultats obtenus sont consignés dans le tableau I suivant :
~ABLEAU I
~empérature (C) 250 260 320
~eneur en oXygène de l'effluent (vpm) 13 12 4
Taux de conversion de l'oxygène (%) 99,35 99,4 99,8
Il en résulte que le cataly~eur suivant l'invention permet une
élimination très poussée de l'oxygène contenu dans le gaz traité.
EXEMP~E 2
685 g (913 cm3) d'alumine activée, en billes de granu-
lométrie comprise entr~ 5 et 10 mm et d'aire spécifique égale à
295 m2/g, sont introduits dans un réacteur adiabatique dont la
température d'entrée des gaz est maintenue à 250C.
On fait passer dans ce réacteur, avec un débit de ~ m3/h (rappor-
té aux conditions normales), un gaz renfermant, en volume, 2,5 %
H2S, 1,25% S02, 27 ~ H20 et 0,1 % 2' le reste étant de l'azote
et du gaz carbonique.
Après 500 heures de fonctionnement, le rendement en soufre est
3 de 28,5 %.
EXEMP~E ~
Dans un réacteur analogue à celui de l'exemple 2, on
lOg~2~4
introduit 200 g (276 cm3) du catalyseur préparé comme décrit dans
l'exemple 1, ensuite 485 g (647 cm3) de la même alumine que dans
l'exemple 2.
- On fait passer dans le r~acteur un gaz dont la composition, le
débit et la température sont les mêmes que ceux de l'exemple 2,
le gaz rencontrant successivement le catalyseur de désoxygénation,
puis l'alumine.
Après 700 heures de fonctionnement, le rendement en soufre est
~gal à 60,1 ~.
En comparant les r~sultats obtenus dans cet exemple,
dans lequel on utilise le perfectionnement suivant l'invention
(une couche de catalyseur de désoxygénation précédant la couche
de catalyseur C~AUS clas~ique), à ceux de l'exemple 2 (catalyseur
CIAUS classique uniquement), on observe qu'en opérant dans les
conditions de l'invention, la baisse d'activité du catalyseur
pour la réaction CLAUS, provoguée par la présence d'oxygène dans
les gaz t~aités, est fortement réduite.
EXE~PIE 4
On op~re dans les mêmes conditions que celles de la
mise en oeuvre de l'exemple 3, en remplaçant toutefois le cataly-
seur de désoxygénation, c'est-à-dire alumine impr~gnée de sulfate
de fer, par le même poids (correspondant à 213 cm3) de bauxite
activée commerciale, ayant une granulométrie comprise entre 3 et
6 mm.
; Après 450 heures de fonctionnement, le rendement en soufre du
; réacteur est égal à seulement 34,9 %.
~a montre que la bauxite, oxyde naturel d'aluminium renfermant
du fer, n'est pas équivalente, en tant que catalyseur de désoxy-
génation, à l'alumine imprégnée de sulfate de fer, qui constitue
un catalyseur de désoxygénation suivant l'invention.
MPIE 5
Dans un réacteur adiabatique on introduit 361 g (481cm3)
-- 7
.
~os~2~?4
de la m~me alumine qulà l'exemple 2.
~e gaz à traiter, dont le d~bit mesuré dans les condltions norma-
les est égal ~ 2 m3/h, renferme en volume:
9 % H2S, 4,5 % S02, 20 % H20 et 0,1 ~ 2'
le reste étant de llazote et du gas carbonique.
Ce gaz est injecté dans le réacteur, dont la température dlentree
est maintenue à 2S0C.
Après 350 heure~ de fonctionnement, le rendement en soufre est de
46 %.
EXEMPLE 6
Un catalyseur de désoxygénation est préparé par impré-
gnation d'un litre d'une alumine activée, en bille~ de 4 à 6 mm,
présentant une aire spécifique de 240 m2/g, avec une solution
constituée de 1500 ml d'eau, 50 ml d'acide sulfurique normal,
500 g de ~eS04, 7H20, et 95 g de Cu (N03)2 3H20; la durée d'impré-
gnation est ~gale à 1 heure.
Après égouttage, les billes imprégnées sont sèchées à 120C pen-
dant 3 heures, puis calcinées sous air à 350C pendant 3 heures
également.
~e catalyseùr obtenu présente une aire spécifique de 225 m /g et
un volume poreux de 0,42 cm3/g; il contient en poids 3,2 ~ de fer
et 1,1 ~ de cuivre.
Dans un réacteur adiabatique on introduit 150 g (195 cm3) de ce
catalyseur, puis 217 g (289 cm3) de la m~me alumine que celle ~ui
est utilisée dans l'exemple 2. On injecte ensuite, dans ce réac-
teur, à raison de 2 m3/h (mesuré dans les conditions normales),
un gaz renfermant en volume 9 ~ H2S, 4~5 ~ S02, 27 ~ d'eau, 0,1 %
d'oxygène et 5994 ~ d'azote. ~a température d'entrée du gaz dans
le réacteur est maintenue à 229C; le gaz rencontre successive-
3o ment le catalyseur de désoxygénation puis l'alumine.
Après 400 heures de fonctionnement, le rendement en soufre du
réacteur est encore de 75,3 %.
~o~i~2~4
Par contre, comme le montrent les r~sultats de l'exemple 5, san3
le catalyseur de désoxygénation, le rendement en soufre du réac-
teur, qui renferme uniquement un catalyseur CIAUS cla~sique,
n'est plus que de 46 % après 350 heures de fonctionnement.
EXEMPIE 7
On prépare un catalyseur de d~soxygénation en ~mprégnant
la même alumine activée que celle de l'exemple 6, avec une solu-
tion aqueuse à 100 g de nitrate de nickel par litre.
Le catalyseur e~t sèché à 110C pendant ~ heures, puis calciné
à 350C pendant 4 heures. Sa teneur en nickel est alors égale à
4,82 % en poids.
150 g (183 cm3) de ce catalyseur sont placés dans un réacteur
adiabatique, suivis de 361 g (481 cm3) de la même alumine activée
qui était employée dans llexemple 2.
Dans le réacteur ainsi garni, on injecte un gaz ayant la même
composition que le gaz traité dans l'exemple 6, l'in~ection étant
réalisée avec un débit de 2 m3/h (mesuré dans les conditions nor-
males), en maintenant la température d'entree des gaz dans le
réacteur à 230C; le gaz rencontre successivement le catalyseur
de désoxygénation puis l'alumine.
Après 350 heures de fonctionnement, le rendement en soufre du
; réacteur est encore égal à 74,7 %.
EXE~PLE 8
L'application concerne le cas de d~sulfuration de gaz
résiduaires, dans lequel la réaction de CIAUS se produit au con-
tact d'un catalyseur à base d'alumine, dans des conditions de
temp~rature telles que le soufre élémentaire produit reste adsorb~
sur le catalyseur; apres un certain temps de réaction, le cataly-
seur est débarrassé de son soufre par chauffage jusqu'à 300C~
On a ainsi une succession de cycles, dont chacun comprend une
phase d'adsorption de soufre et une phase de régénération, c'est-
à-dire élémination de ce dernier~
g _
%~4
1e volume de catal~5eur emplo~é est de 334 ml. Le débit gazeux
est de 182 l/h (mesuré à 20C), ce qui correspond ~ un temps de
contact de 6,6 s ~ 1~6C.
~e gaz traité contient en volume : -
H2S 0,8 % H20 29 %
S2 0'4 % N2 51,72 % ~
~2 18 ~ 2 0,08 % (800 vpm)
Chaque cycle d~adsorption à 1~6 dure 18 heures.
~a régénération comprend 1 h lJ2 de chauffage de 136 ~ 300C,
ensuite 3 h a 300C, et un refroidissement de 300 à 136C en
1 h 1/2. Pendant le chauffage et la régénération, le gaz soufflé
contient 10 % H2S, 33,6 % H20 et 56,4 % d'azote; le refroidisse-
ment est effectué avec un gaz à 37,34 % H20 et 62,66 % N2.
Deux séries de tels cycles opératoires sont effectués avec les
334 ml de catalyseur constitué par des billes d'alumine activée,
; d'une granulométrie de 2 à 5 mm. Dans la première série, la
totalité du catalyseur est constituée par cette alumine, tandis
que dans la seconde série, 25~ ml de la même alumine sont précédés
de 81 ml des mêmes billes imprégnées avec du sulfate ferreux,
comme décrit dans l~exemple 1, à concurrence de 4,5 % de Fe,
formant ~n catalyseur de désoxygénation.
~e tableau ci-après indigue les rendements moyens en soufre
recueilli dan~ chacun des cycles opératoires.
.
; '
:
-: :
10~3 ~L2~
Rendement % mo~en par c~cle
No du cycle
avec couche de
~lumine seule désoxyg~nation
I II
1 98,5 99,1
2 97t3
3 96,6 97,1
4 - 95,7
90,5
7 89,6 94,7
8 86,0 94,5
- 94-3
13 84,2
19 84,8
84,4
2~ - 94,0
Dans la série I, la concentration en H2S ~ S02 dan~ l~effluent
est de l~ordre de 1,850 vpm , apr~s le 20ème cycle, tandis que
dans la série II, elle n'atteint que 720 vpm, soit deux fois
moins, après 23 cycles.
~es chiffres de la série I montrent que les 800 vpm d'oxygène,
présents dans les gaz traités, ont fait baisser le rendement aux
environs de 84 %, après 13 cycles; par contre, le rendement dans
la série II est encore de 94 % aprèR 23 cycles, ~r~ce à la pré-
sence du catalyseur de désoxygénation avant la pénétration du
gaz dans l'alumine classique.
EXEMPIE 9
Des opérations identiques à celles de l'exemple précé-
dant sont effectuées, mais le catalyseur de désoxygénation est
consti-tué par 117 ml d'alumine activée, imprégnée de sulfate de
zinc, placée à l~entrée des 217 ml de la m~me alumine activée,
non imprégnée. ~e rendement se stabilise aux environs de 94
après 25 cycles.
~ 11 --
10~ ~2~4
Le perfectionnement suivant l'invention, a savoir la
disposition d'un catalyseur de désoxyg~nation en amont du cata-
lyseur CIAUS classique peut être encore utilisé avantageusement
lorsque les gaz à traiter, contenant H2S, So2 et de petites
quantités dloxygène, ren~ermant également de faibles concentra-
tions (généralement inférieures à 5 ~ en volume) de COS et CS2,
car dans ce cas, en opérant à des températures se ~ituant entre
180 et 400C, on observe une élimination quasi-totale (de l'ordre
de 95 ~ et plus) des composé~ COS et CS2.
Un exemple de traitement de tels gaz est donné ci-après
à titre non li~ita~
X~AP~ 10:
Une alumine activée non imprégnée, en billes de
diamètre compris entre 4 et 6mm et d'aire ~pécifique égale à 270
m2/g, est introduite dans un réacteur adiabatique dont la tempéra-
t~re d'entrée des gaz est maintenue à 250C.
On fait passer dans ce r~acteur, à raison de 2m3/h
(~P~), un gaz renfermant, en volume, ~ % H2S, 4 % S02, 0,3 % COS,
0,3 % CS29 20 % H20, 0,2 ~ 2' le reste étant de l'azote et du
gaz carbonique, le temps de contact de ce gaz avec llalumine ~tant
~gal à 5 seconde~ (TPN).
Apres 500 heures de fonctionnement la conversion de COS
est quasi-totale tandis que le rendement de conversion du CS2
n'est ~ue de 70 %.
~ n op;érant dans des conditions similaires on répète cet
essai comme préconisé par llinvention en remplaçant l'alumine
précitée par un catalyseur formé d'une premiere couche d'alumine
imprégnée de sulfate ferreux sous la forme de billes de 4 ~ 6 mm
de diam~tre ayant une teneur en fer de 4 % en poids et une aire
spécifi~ue égale à 240 m2/g, suivie d'une deuxième couche cata-
lytique constituée par l'alumine utilis~e précédemment, le gaz
à traiter rencontrant successivement l'alumine imprégnée de sulfate
109'~94
ferreux puis l'alumine non imprégnée.
~ 'épais~eur de chaque couche catalytique est telle que
les temps de contact du gaz à traiter avec l~alumine impr~gn~e
et l'alumine non imprégnée sont re~pectivement égaux à 1,5 s et
3,5 s TPN.
Apres 500 heures de fonctionnement la con~ersion de COS
est totale et le rendement de conversion du CS2 est égal à 95 %.
- 13 - :
