DE2138268C3 - Verfahren zur Herstellung von Schwefelkohlenstoff und zur Rückgewinnung von Schwefel aus dem als Nebenprodukt anfallenden Schwefelwasserstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Schwefelkohlenstoff, das hauptsächlich durch die Art der Wiedergewinnung des Schwefels aus dem als Nebenprodukt anfallenden Schwefelwasserstoff gekennzeichnet ist.

Bekanntlich erhält man bei der Umsetzung von Schwefel mit bestimmten Kohlenwasserstoffen ein Gasgemisch, das im wesentlichen aus Schwefelkohlenstoff, Schwefelwasserstoff und meistens aus dem Überschuß des ursprünglich eingesetzten Schwefels besteht Bei der Auftrennung dieses Gemisches in seine Komponenten wird allgemein zunächst der nicht umgesetzte Schwefel kondensiert, das verbleibende Gasgemisch abgekühlt, gegebenenfalls ein Hauptanteil des Schwefelkohlenstoffes kondensiert und darauf die Gesamtmenge des Schwefelkohlenstoffs durch Absorption in entsprechenden Flüssigkeiten und anschließende Desorption abgetrennt. Der Schwefelwasserstoff, der dann der Hauptbestandteil des Gases ist, wird entweder zu SO2 verbrannt oder zur Wiedergewinnung des Schwefels nach dem Claus-Verfahren behandelt, indem ein Teil des Schwefelwascerstoffes zu SO2 verbrannt und dieses mit dem restlichen H₂S bei hoher Temperatur zu Schwefel umgesetzt wird.

Weiterhin ist die Umsetzung zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid in wäßriger Lösung, bei der Schwefel entsteht, seit langem Gegenstand zahlreicher Untersuchungen; das entstehende Gemisch ist insbesondere unter dem Namen Wackenroder-Lösung bekannt. Die Anwendung dieser Umsetzung zur Abtrennung von reinem festem Schwefel trifft aber auf Schwierigkeiten: Allgemein bilden sich neben dem Schwefel, der zum Teil kolloidal gelöst ist, mehr oder weniger große Mengen Schwefelsäure und vor allem Polythionsäuren, die die Schwefelausbeute verringern. Außerdem sind solche kolloidalen Suspensionen beständig, und der Schwefel läßt sich nur sehr schwer aus ihnen zurückgewinnen. Es wurde bereits versucht, diese Schwierigkeiten zu beheben, beispielsweise durch Zusatz von Elektrolyten (FR-PS 14 30 989) oder organischen Flockungsmitteln zu dem Medium, um die Sedimentation des Schwefels zu begünstigen oder durch Neutralisieren der aus einem ersten Arbeitsgang erhaltenen flüssigen Phase, bevor diese für eine weitere Umsetzung in Umlauf gebracht wird. Gemäß einer weiteren Methode wird die wäßrige kolloidale Schwefelsuspension unter Druck auf etwa 130° C erhitzt und in eine Abstreifkolonne geführt. Hierbei schmilzt der Schwefel und läuft zu einer flüssigen Phase zusammen, die sich am Boden der Kolonne bzw. des Turmes abscheidet und von der wäßrigen Phase abgetrennt werden kann.

Im Zusammenhang damit soll Schwefeldioxid im Überschuß bei im wesentlichen Normaldruck und Temperaturen unter 100⁰C mit dem Schwefelwasserstoff enthaltenden Gemisch umgesetzt werden (US-PS 24 28 727).

Ein älterer Vorschlag (DTPS 21 35 680) befaßt sich bereits mit einem Verfahren zur Umwandlung des im Gemisch mit Schwefelkohlenstoff vorliegenden Schwefelwasserstoffes in Schwefel durch Behandlung mit Schwefeldioxid im wäßrigen Medium: Dabei wird die Umsetzung unter erhöhtem Druck durchgeführt, wobei der Schwefel sich im kondensierten Schwefelkohlenstoff löst. Dieser wird abdestilliert und der Schwefel in

J5 flüssigem Zustand in sehr guten Ausbeuten zurückgewonnen.

Erfindungsgemäß wurde nun eine andere Möglichkeit der Umsetzung eines Gasgemisches aus Schwefelkohlenstoff und Schwefelwasserstoff mit Schwefeldioxid in Gegenwart von Wasser unter Atmosphärendruck und Rückgewinnung des aus H₂S gebildeten Schwefels in fein zerteilter fester Form in praktisch quantitativer Ausbeute entwickelt. Das neue Verfahren hat gegenüber den bekannten Verfahren der Rückgewinnung von Schwefel in fester Form den Vorteil, daß keine Elektrolyten angewandt zu werden brauchen. Außerdem kann die wäßrige Phase ohne vorangehende Neutralisation in Umlauf gebracht werden. Es braucht auch nicht die wäßrige Schwefelsuspension unter Druck erhitzt und der flüssige Schwefel dann gekühlt zu werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Schwefelkohlenstoff durch Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Schwefel in der Dampfphase und zur Rückgewinnung von Schwefel aus dem als Nebenprodukt anfallenden Schwefelwasserstoff durch Umsetzen des Schwefelwasserstoffes mit Schwefeldioxid in wäßrigem Medium, bei dem das Schwefelkohlenstoff und Schwefelwasserstoff enthaltende Gemisch, gegebenenfalls nach Kondensieren des nicht umgesetzten Schwefels und eines Teiles des Schwefelkohlenstoffes, mit, gegebenenfalls durch Verbrennen des kondensierten Schwefels erzeugtem Schwefeldioxid in Gegenwart von Wasser bei einer Temperatur nicht

M über 100°C unter Normaldruck in Berührung gebracht, der Schwefelkohlenstoff praktisch vollständig im dampfförmigen Zustand abgetrennt und der entstandene Schwefel aus dem wäßrigen Medium abgetrennt und

zurückgewonnen wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man im wäßrigen Reaktionsmedium ein mindestens stöchiometrisches Molverhältnis von H₂S zu SO₂ einhält und den gebildeten Schwefel in einer weiteren Stufe durch Rühren oder Schütteln des wäßrigen Mediums in fein zerteilter fester Form ausfällt und in an sich bekannter Weise abtrennt

Das Gemisch aus Schwefelkohlenstoff und Schwefelwasserstoff kann nach einem beliebigen bisher bekannten Verfahren zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Schwefel in Gegenwart oder in Abwesenheit von Katalysatoren erhalten werden. Sehr geeignet ist das Verfahren der FR-PS 14 82 173, bei welchem als Kohlenwasserstoffe Olefine und/oder Diolefine eingesetzt werden, oder das Verfahren der FR-PS 14 93 586, wonach mit Propan gearbeitet wird, oder auch das Verfahren gemäß DT-OS 19 08 284, wonach die Kohlenwasserstoffe, und zwar Olefine und/oder Diolefine gegebenenfalls im Gemisch mit gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffen, insbesondere Methan auf eine ganz bestimmte Art und Weise in die Reaktionszone eingespritzt werden.

Bei diesen bekannten Verfahren wird der Schwefel allgemein im Oberschuß eingesetzt; erfindungsgemäß wird deshalb in den meisten Fällen zunächst der 2s überschüssige Schwefel kondensiert Hierzu wird der Gasstrom in einen Abscheider geführt und auf eine Temperatur von 120 bis 150⁰C gekühlt; dabei fällt ein niedrigviskoser flüssiger Schwefel an, der in einem Sammelbehälter aufgefangen wird.

Darauf erfolgt die Bildungsreaktion des Schwefels, indem das Gasgemisch mit Schwefeldioxid in Gegenwart von Wasser unter den erfindungsgemäßen Bedingungen zusammengebracht wird. Der kritische Faktor ist dabei vor allem das Molverhältnis H₂S/SO₂ im Reaktionsmedium. Das Molverhältnis soll gleichmäßig mindestens dem stöchiometrischen Verhältnis entsprechen, vorzugsweise aber darüber liegen. Es hat sich in der Tat gezeigt, daß vor allem die Einhaltung dieser Verfahrensmaßnahme zur selektiven Bildung von Schwefel, der sich leicht aus dem flüssigen Medium abtrennen läßt, führt Dieses Ergebnis ist ein bedeutsamer technischer Fortschritt gegenüber den bisher bekannten Verfahren, die zu kolloidal gelösten Schwefel führen. In der Praxis wird die konstante Beibehaltung des Molverhältnisses leicht erreicht, indem zunächst bei Beginn des Verfahrensschrittes Schwefelwasserstoff vor dem Schwefeligsäureanhydrid eingespeist und darauf die Einspeisungsmengen der beiden Reaktionspartner in der gewünschten Weise gesteuert werden. Auch eine homogene Verteilung des Schwefelwasserstoffes ist sehr zweckmäßig. Anstelle des streng stöchiometrischen Verhältnisses von 2 Mol Schwefelwasserstoff auf 1 Mol Schwefeldioxid kann ein leichter Überschuß von H₂S von beispielsweise von 2 bis 25%, vorzugsweise von 5 bis 10% eingesetzt werden, bezogen auf das Molverhältnis. Der richtige Reaktionsverlauf läßt sich durch Überprüfung des pH-Wertes der Flüssigkeit verfolgen. Werden die kritischen Bedingungen des Molverhältnisses ständig eingehalten, so liegt, wie sich gezeigt hat, der pH-Wert der Flüssigkeit stets bei mindestens etwa 1,8 oder darüber.

Das Schwefeldioxid wird entweder in reinem Zustand, gasförmig oder flüssig oder in Form seiner wäßrigen Lösung eingesetzt, wobei im letzteren Falle h5 die SO2-Konzentration der Lösung dem Sättigungszustand oder einer mehr oder weniger starken Verdünnung entspricht. Diese Lösung liefert dann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichzeitig SO₂ und einen Teil oder die Gesamtmenge des benötigten Wassers. Das Schwefeldioxid kann aus einer beliebigen Quelle stammen; es kann gegebenenfalls ganz oder teilweise durch Verbrennen des überschüssigen Schwefels erhalten werden, der zuvor abgetrennt worden ist.

Der Gesamt-Wassergehalt des Mediums ist nicht kritisch und kann in weiten Grenzen schwanken. Er bestimmt sich nach den praktischen Durchführungsbedingungen des Verfahrens. Allgemein wird vorzugsweise bei konstantem Volumen gearbeitet

Die Reaktionstemperatur liegt stets unterhalb 100⁰C und soll nicht unter etwa 50⁰C absinken, damit der anwesende Schwefelkohlenstoff nicht kondensiert Innerhalb dieser Grenzen wird eine höhere oder niedere Temperatur in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Gasgemisches aus Schwefelwasserstoff und Schwefelkohlenstoff gewählt Diese Zusammensetzung kann innerhalb sehr weiter Grenzen schwankende nach der Art des zur Herstellung des Gasgemisches eingesetzten Kohlenwasserstoffes. Es hat sich gezeigt daß vorteilhafterweise in einem relativ hohen Temperaturbereich gearbeitet wird, wenn das Gemisch reich an Schwefelkohlenstoff ist und daß niedere Temperaturen eingehalten werden können, wenn das Gemisch wenig CS₂ enthält. In der Tat begünstigt eine etwas höhere Temperatur die Abtrennung des Schwefelkohlenstoffs aus dem Reaktionsmedium. Allgemein läßt sich sagen — ohne daß die folgenden Angaben strenge Regeln bedeuten — daß bei einem Gasgemisch, das mehr als 50% CS₂ enthält, vorteilhafterweise bei 70 bis 8O⁰C gearbeitet wird; beträgt der Schwefelkohlenstoffgehalt weniger als 50%, so kann die Reaktion bei einer niederen Temperatur bis zur unteren Grenze von 50⁰C geführt werden. Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann der Schwefelkohlenstoffgehalt des Gemisches vor der Umsetzung zur Bildung von Schwefel durch zuvor stattfindende Kondensation eines Teiles des ursprünglich vorhandenen CS₂ gesenkt werden.

Wird unter den erfindungsgemäßen Bedingungen gearbeitet, so erfolgt die Umsetzung zwischen Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid praktisch sofort und man erhält eine 100%ige Umwandlung zu Schwefel, bezogen auf SO₂. Während des gesamten Vorgangs durchläuft der Schwefelkohlenstoff die Reaktionsflüssigkeit und wird im gasförmigen Zustand am Ausgang der Bildungszone für Schwefel aufgefangen; er enthält gegebenenfalls den eingesetzten geringfügigen Überschuß an Schwefelwasserstoff. Der Schwefelkohlenstoff wird darauf den üblichen Maßnahmen der Kondensation und Destillation unterworfen; im Verlauf dieser Maßnahmen wird der gegebenenfalls anwesende Schwefelwasserstoff abgetrennt und kann in die Bildungszone für Schwefel zurückgespeist werden.

Entsprechend einem weiterer. Merkmal des Verfahrens wird die Reaktionsflüssigkeit dann in einer weiteren Stufe einem Rühr-, Schottel- oder sonstigen Bewegungsvorgang unterworfen, durch den die Ausfällung des Schwefels in kristallinem Zustand schnell beendet wird.

Diese weitere Verfahrensstufe, die auf die eigentliche Bildungsreaktion folgt, wird in einer Zone durchgeführt, in die weder Schwefelwasserstoff noch Schwefeldioxid eingespeist werden. Diese Maßnahme kann daher entweder in dem Bildungsreaktor für Schwefel durchgeführt werden, nachdem die Einspeisung der Reaktionspartner unterbrochen worden ist oder aber in einem eigenen, von dem ersten Reaktor verschiedenen

Reaktionsbereich. Die Temperatur in dieser Verfahrensstufe kann gleich oder etwas niedriger sein als die Temperatur in der vorangegangenen Verfahrensstufe und beispielsweise etwa 40°C betragen. Der Schwefel flockt schnell in Form von Teilchen unterschiedlicher Korngröße aus; die Korngröße liegt allgemein im Bereich von 20 bis 100 μπι und reicht in jedem Falle aus, um eine leichte und praktisch vollständige Abtrennung zu gewährleisten; die Flüssigkeit wird hell und schließlich klar. Der Schwefel wird auf beliebig übliche Weise abgetrennt, insbesondere durch einfaches Filtrieren. Nach dem Trocknen liegt er als sehr helles Pulver vor und kann allen Anwendungen zugeführt werden, bei welchen reiner fein zerteilter Schwefel benötigt wird, oder er wird in den Herstellungsprozeß für Schwefelkohlenstoff und Schwefelwasserstoff aus Kohlenwasserstoffen zurückgeführt.

Die zurückbleibende wäßrige Phase enthält nur einige 200 bis 400 ppm Gesamtschwefel, ihr pH-Wert beträgt allgemein mindestens 2; sie kann unmittelbar für die Bildungsreaktion von Schwefel wieder eingesetzt werden, ohne daß sie vor dem In-Umlaufbringen neutralisiert werden muß. Sie kann auch zur Herstellung der wäßrigen SCVLösung verwendet werden, wenn das SO2 in dieser Form in die Bildungszone des Schwefels eingebracht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das diskontinuierlich und — allgemeiner — kontinuierlich geführt wird, wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt ein Fließschema einer erfindungsgemäßen Verfahrensanlage.

Der flüssige Schwefel wird über die Leitung 1 in die Schlangenroh-e des Ofens 3 eingespeist und dort verdampft; d.e Kohlenwasserstoffe werden über die Leitung 2 zugeführt. Die Gase laufen in dem Ofen um und reagieren hier und darauf im Reaktor 4. Aus dieser ersten Reaktionszone wird das Gasgemisch in den Abscheider 5 geführt und hier vom Schwefel befreit, der in der Vorlage 6 aufgefangen wird. Der auf diese Weise zurückgewonnene Schwefel wird über die Leitung 7 in den Ofen 3 zurückgespeist oder ganz oder teilweise über die Leitung 8 in eine nicht gezeigte Verbrennungsanlage zur Herstellung von SO2 geführt. Das restliche Gasgemisch mit den Hauptbestandteilen Schwefelwasserstoff und Schwefelkohlenstoff wird — gegebenenfalls nach Entspannen auf Atmosphärendruck, wenn die ersten Verfahrensmaßnahmen unter erhöhtem Druck durchgeführt wurden — über die Leitung 9 in den mit Rührwerk versehenen Reaktor 10 geführt, in welchem die Schwefelbildung erfolgt. Der Reaktor 10 wird gleichzeitig mit Wasser und SO2 gespeist, wie weiter unten näher erläutert. Am Boden des Reaktors wird die mit festem Schwefel beladene wäßrige Phase über 11 abgezogen und in den mit Rührwerk versehenen Ausflockungsbehälter 12 geführt und fließt aus diesem durch die Leitung 13 in die Filteranlage 14, in der der feste Schwefel gesammelt wird, um später getrocknet zu werden. Das Filtrat fließt durch die Leitung 15 — von der eine Abzugsleitung abzweigt zum Abtrennen des bei der Umsetzung gebildeten Wassers — in den Tank 16, wird hier abgekühlt und dann über die Leitung 17 am Kopf des Absorptionsturmes 18 eingespeist, in dessen Bodenteil über die Leitung 19 SO2-haltige Verbrennungsgase zugeführt werden. Die dabei erhaltene wäßrige, SO2-haltige Lösung wird über die Leitung 20 in den Reaktor 10 für die Schwefelbildung gespeist, am Kopf des Reaktors 10 werden über die Leitung 21 der gasförmige Schwefelkohlenstoff und der gegebenenfalls vorhandene überschüssige Schwefelwasserstoff abgezogen und in den Abscheider 22 geführt; der flüssige Schwefelkohlenstoff wird in der Vorlage 24 aufgefangen, der Schwefelwasserstoff über die Leitung 23 in den Reaktor 10 zurückgespeist. Diese Rückspeisung ermöglicht es, nach einer ersten Zufuhr von H₂S das Verfahren mit stöchiometrischen Mengenverhältnissen der Reaktionspartner weiterzuführen.

Die beschriebene Vorrichtung kann zur Anpassung an die verschiedenen Verfahrensvarianten modifiziert werden; soll mit einem schwefelkohlenstoffarmen Gasgemisch aus der Umsetzung von Schwefel mit Kohlenwasserstoffen gearbeitet werden, so wird ein Kondensor für Schwefel in der Leitung 9 vorgesehen. Es kann ohne Absorptionsturm gearbeitet werden und der Reaktor 10 mit einer Speiseleitung für reines SO2 verbunden werden und das im Tank 16 aufgefangene Wasser unmittelbar in den Reaktor 10 zurückgeführt werden. Bei diskontinuierlichem Betrieb kann der Reaktor 12 entfallen und die Ausfällung des Schwefels in dem Reaktor 10 erfolgen, nachdem die Einspeisung der Gase abgestoppt worden ist. Ebenso kann in dem Bereich der Umsetzung von Schwefel mit Kohlenwasserstoffen der Reaktor 4 durch 2 oder mehrere Reaktoren ersetzt werden; es können die Reaktoren auch vollständig entfallen; dann erfolgt die Umsetzung ausschließlich in den Schlangenrohren des Ofens.

Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung

Beispiel 1

In einer Vorrichtung gemäß der Zeichnung wurden kontinuierlich 22 kg/Stunde Kohlenwasserstoffe und 175 kg/Stunde Schwefel in den Ofen 3 eingespeist. Der überschüssige Schwefel wurde im Sammelbehälter 6 aufgefangen und in den Ofen zurückgespeist. Das übrigbleibende Gasgemisch enthielt 62,5 Gew.-% CS₂ und 37,5% H₂S und wurde in einer Menge von 182 kg/Stunde in den Reaktor 10 mit Fassungsvermögen 2 m³ eingespeist Gleichzeitig wurde der Reaktor mit einer wäßrigen Lösung enthaltend 25 g/l SO₂ gespeist, und zwar in einer Menge von 2,54 m³/Stunde. Die Verweilzeit betrug unter diesen Bedingungen eine Stunde im Reaktor 10 sowie in dem Ausflockungsbehälter für Schwefel 12. Das SO2 wurde vollständig umgesetzt Nach 32stündiger Betriebsdauer wurden 3045 kg trockener fester Schwefel erhalten; der Gesamtschwefelgehalt der umlaufenden Flüssigkeit betrug weniger als 400 ppm. Die Ausbeute bei der Wiedergewinnung von festem Schwefel betrug somit 99,9%. Aus der Vorlage 24 wurden insgesamt 3500 kg Schwefelkohlenstoff abgezogen, der 030% Schwefelwasserstoff und 1,5% Wasser enthielt Während des Betriebs wurde der nicht kondensierte Schwefelkohlenstoff kontinuierlich mit dem überschüssigem Schwefelwasserstoff in den Reaktor 10, in dem die Bildung des Schwefels erfolgt, zurückgespeist

Beispiel 2

Es wurde diskontinuierlich und mit gasförmigem SO₂ gearbeitet; die Bildung des Schwefels und das Ausfällen des Schwefels aus der wäßrigen Phase fanden im gleichen Reaktor statt

Es wurde Propylen mit Schwefeldampf zur Reaktion

6S gebracht und dann zunächst der überschüssige Schwefel und darauf Schwefelkohlenstoff kondensiert Das Gasgemisch enthielt 35,8 Gew.-% CS₂ und 64,2% H₂S.

Ein Reaktor wurde zu zwei Drittel mit Wasser gefüllt

Dann wurden unter Beibehallung einer Temperatur von 55⁰C innerhalb von 5 Stunden 720 Gew.-Teile des obigen Gasgemisches und 398 Gew.-Teile praktisch reines gasförmiges SO2 eingeleitet. Das Molverhältnis H2S/SO2 betrug 2,18. Die aus dem Reaktor austretende Dampfphase enthielt Schwefelkohlenstoff sowie Schwefelwasserstoff, war jedoch frei von SO2. Sie wurde bei 0°C kondensiert, worauf 235 Gew.-Teile CS2 zurückgewonnen wurden.

Die Gaszufuhr im Reaktor wurde unterbrochen und das Gemisch noch 30 min weitergerührt; darauf wurde das Gemisch abfiltriert. Der Filterkuchen wurde getrocknet und lieferte 596 Teile festen Schwefel entsprechend einer Ausbeute von 99,9%, bezogen auf SO₂. Das Filtrat enthielt nur 300 ppm gelösten Schwefel und besaß einen pH-Wert von 2,7.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Schwefelkohlenstoff durch Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Schwefel in der Dampfphase und zur Rückgewinnung von Schwefel aus dem als Nebenprodukt anfallenden Schwefelwasserstoff durch Umsetzen des Schwefelwasserstoffes mit Schwefeldioxid in wäßrigem Medium, bei dem das Schwefelkohlenstoff und Schwefelwasserstoff enthaltende Gemisch, gegebenenfalls nach Kondensieren des nicht umgesetzten Schwefels und eines Teiles des Schwefelkohlenstoffes, mit, gegegebenenfalls durch Verbrennung des kondensierten Schwefels erzeugtem Schwefeldioxid in Gegenwart von Wasser bei einer Temperatur nicht über 100⁰C unter Normaldruck in Berührung gebracht, der Schwefelkohlenstoff praktisch vollständig im dampfförmigen Zustand abgetrennt und der entstandene Schwefel aus dem wäßrigen Medium abgetrennt und zurückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man im wäßrigen Reaktionsmedium ein mindestens stöchiometrisches Molverhältnis von H₂S zu SO₂ einhält und den gebildeten Schwefel in einer weiteren Stufe durch Rühren oder Schütteln des wäßrigen Mediums in fein zerteilter fester Form ausfällt und in an sich bekannter Weise abtrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Schwefelwasserstoff in Überschuß von 2 bis 25% über das SO₂ einsetzt, bezogen auf das stöchiometrische Verhältnis.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Filtrat zur Herstellung der wäßrigen SO₂-Lösung verwendet.