JPH10504795A - H▲下2▼s及びso▲下2▼化合物を含有するガスの接触脱硫方法、並びに該方法を実施するための触媒 - Google Patents

H▲下2▼s及びso▲下2▼化合物を含有するガスの接触脱硫方法、並びに該方法を実施するための触媒

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Abstract

(57)【要約】 実施方法に応じて反応ガス中に形成される硫黄の露点よりも高温又は低温で炭化ケイ素担体に担持した触媒相を含む触媒に脱硫しようとするガスを接触させ、H2SとSO2の硫黄形成反応並びに場合により化合物COS及びCS2からH2Sへの加水分解反応を実施する。本発明は種々の起源のガス、特にクラウス法のガスに含まれる化合物H2S及びSO2を硫黄形態で回収するため、並びにこれらのガスに場合により含まれる化合物COS及びCS2をH2Sに加水分解するのに適用される。

Description

【発明の詳細な説明】 H2S及びSO2化合物を含有するガスの接触脱硫方法、 並びに該方法を実施するための触媒 本発明は硫黄化合物H2S及びSO2、並びに場合によりCOS及び/又はCS2 を含有するガスを接触脱硫し、前記化合物を硫黄形態で回収する方法に関する 。本発明は更に、本方法を実施するための触媒にも関する。 H2Sが例えばアルミナ又は酸化チタン等の1種以上の金属酸化物をベースと する触媒の存在下でSO2と反応し、下式: で表されるクラウス反応に従って硫黄を形成することは公知である。 H2SとSO2を含有するガスの脱硫方法の多くは、これらの化合物H2S及び SO2を硫黄形態で回収するためにガスを触媒と接触させるクラウス反応を利用 している。 このような方法は、H2SとSO2を含有する脱硫しようとするガスを、上記ク ラウス反応を促進する触媒と接触させるものであるが、この接触は反応ガス中に 形成される硫黄の露点よ りも高い温度で行ってもよいし、形成される硫黄の露点よりも低い温度で行って もよく、前者の場合には、形成される硫黄は反応からの反応混合物中に蒸気状態 で存在し、後者の場合には、硫黄は触媒上に堆積するので、200℃〜500℃ の温度の非酸化性ガスでパージすることにより、硫黄を負荷した触媒を周期的に 再生する必要がある。 特に、硫黄の露点よりも高い温度、即ち約180℃よりも高い温度でH2Sと SO2を反応させるには、アルミナ又はボーキサイト(US−A−240345 1)、アルミナと亜鉛、カドミウム、カルシウム又はマグネシウム化合物の組み 合わせ(FR−A−2126257)、活性アルミナとコバルト、ニッケル、鉄 、酸化ウラン又は硫化ウランの組み合わせ(FR−A−2190517)、アル ミナとチタン化合物の組み合わせ(FR−A−2224203)、アルミナとイ ットリウム、ランタン又は原子番号58〜71のランタン系列元素の化合物の組 み合わせ(FR−A−2242144)、酸化チタン(FR−A−248114 5)、あるいは酸化チタンとアルカリ土類金属硫酸塩の組み合わせ(EP−A− 0060741)から構成される触媒と接触させる。引用文献FR−A−212 625 7、FR−A−2190517、FR−A−2224203、FR−A−248 1145及びEP−A−0060741に記載されている触媒は、処理しようと するガスが硫黄化合物H2S及びSO2以外にCOS及び/又はCS2等の有機硫 黄化合物も含有する場合に特に有利である。 形成される硫黄が触媒上に堆積するような温度でH2SとSO2を反応させるに は、例えば活性アルミナ、シリカ、シリカとアルミナの混合物又は天然もしくは 合成ゼオライト(FR−A−2180473及びFR−A−2224196)、 アルミナと鉄、ニッケル、コバルト、銅又は亜鉛化合物の組み合わせ(FR−A −2327960)、アルミナとチタン、イットリウム、ランタン又は原子番号 58〜71のランタニド化合物の組み合わせ(WO−A−9112201)、酸 化チタンとニッケル、鉄又はコバルト化合物の組み合わせ(EP−A−0215 317及びEP−A−0218302)あるいは活性炭(FR−A−16034 52)から構成される触媒と接触させる。 H2SとSO2の間の硫黄形成クラウス反応と、場合により化合物COS及びC S2からH2Sへの加水分解を促進するた めに使用される上記のような触媒は、長期間の使用にはまだ不備がある。 温度と水の存在の複合作用下でアルミナ、シリカ、酸化チタン又は活性炭をベ ースとする触媒は経時的に変質し、触媒の表面積や多孔度が減少し、その結果と して触媒活性が失われる。更に、アルミナをベースとする触媒は経時的に硫酸化 により変化し易く、一層触媒活性を失い易い。活性炭をベースとする触媒につい ては、その使用時に活性炭が燃焼しないように注意する必要がある。また、処理 しようとするガス中に炭化水素が存在する場合には、アルミナ、シリカ、酸化チ タン又は活性炭をベースとする上記触媒はそれらのマトリックス中の炭素や炭化 水素の堆積により失活し易く、こうして失活した触媒は、例えば炭化水素物質の 直接酸化によるこれらの触媒の再活性化に必要な高温を加えると物理化学的に分 解してしまい、再生することができない。更に、クラウス反応を促進し得る触媒 相を担体に担持した(associated)触媒では、前記触媒相は担体の格子内に移動 する傾向があり、その結果、触媒活性が失われ、使用済み触媒中の触媒相を回収 することが困難になり、不可能になることも多い。最後に、上記触媒は熱伝導率 が並であり、気相 への触媒粒子の熱伝達が制限される。その結果、触媒粒子内の温度が上昇し、反 応の進行が制限される。 H2SとSO2の間の硫黄形成反応を促進するために使用されるクラウス触媒と して、H2SとSO2の間のクラウス反応と場合により化合物COS及びCS2か らH2Sへの加水分解を促進し得る触媒相を炭化ケイ素担体に担持した触媒を構 成することにより、クラウス触媒の欠点を解消し、変換率が高く、改善された硫 黄選択性を長期間維持できる方法を実現できることが今般判明した。 従って、本発明の主題は、硫黄化合物H2SとSO2の間のクラウス反応を促進 し得る触媒相を担体に担持したクラウス触媒に脱硫しようとするガスを接触させ 、H2S及びSO2を含有するガスを接触脱硫してこれらの化合物を硫黄形態で回 収する方法を提供することであり、該方法は、クラウス触媒の担体が炭化ケイ素 から構成されることを特徴とする。 本発明に係るクラウス触媒に接触させる脱硫しようとするガスは、合計濃度が ほぼ0.01〜25容量%、好ましくは0.02〜15容量%のH2SとSO2を 含有する。このガスにおいて、H2S:SO2モル比はクラウス反応の理論量に対 応する約2:1とするのが有利であり、0.2:1〜4:1又はそれ以上の範囲 をとり得る。 本発明により処理する脱硫しようとするガスは種々の起源のものでよい。特に 、このガスはH2Sを含有するクラウス理論量の酸性ガスを制御下に燃焼して生 成されたものであり得る。クラウス硫黄工場からの残留ガスから構成されるもの であってもよい。脱硫しようとするガスは更に、少量のH2Sを含有し、例えば 石炭又は重油のガス化によって生じる酸性ガスに必要量のSO2を添加したもの であってもよいし、あるいは少量のSO2を含有するガスに適量のH2Sを添加す ることによって形成されるものでもよく、H2Sを含有する酸性ガスにSO2を添 加又はSO2を含有するガスにH2Sを添加する操作は、クラウス反応を促進する 触媒との接触中に実施してもよいが、この接触よりも前に実施するほうが好まし い。脱硫しようとするガスは更に例えばCOS及び/又はCS2等の有機硫黄化 合物も含有してもいてもよく、その合計濃度はほとんどの場合、脱硫しようとす るガスの4容量%を越えないが、場合によってはこの値を越えてもよい。 本発明に係るクラウス触媒において、炭化ケイ素担体に担持 した触媒相はH2SとSO2の間の硫黄形成クラウス反応を促進することが可能な 少なくとも1種の金属を酸化物又は塩形態及び/又は元素状態で含む。脱硫しよ うとするガスが化合物H2S及びSO2以外にCOS及び/又はCS2等の1種以 上の有機硫黄化合物を含有する場合には、触媒の活性相は更に、所定の温度範囲 内で前記有機硫黄化合物からH2Sへの加水分解を促進することが可能な少なく とも1種の金属を含み、この金属は同時に酸化物又は塩形態及び/又は元素状態 でH2SとSO2のクラウス反応を促進し得るものであってもよい。特に、炭化ケ イ素担体に担持した触媒の活性相はチタン、ジルコニウム、イットリウム、ラン タン、ウラン、鉛、モリブデン、鉄、コバルト、ニッケル、カルシウム、亜鉛、 マグネシウム、カドミウム、原子番号58〜71のランタニド(例えばネオジム 、プラセオジム、サマリウム又はガドリニウム)から選択される少なくとも1種 の金属を含み、このような金属は酸化物又は塩形態及び/又は元素状態でH2S とSO2のクラウス反応を促進することが可能であり、同時に所定の温度範囲で COS及び/又はCS2等の有機硫黄化合物からH2Sへの加水分解を促進するこ とも可能である。本発明に係る触媒における炭化ケイ 素担体に担持した触媒相即ち活性相は、金属の重量で換算したとき、最も多くの 場合は前記触媒の重量の0.1〜20%、より特定的には0.2〜15%、特に 0.2〜10%に相当する。炭化ケイ素担体は有利には触媒の重量の少なくとも 40%、より特定的には少なくとも50%を構成する。 本発明による触媒の比表面積は脱硫方法の実施条件に依存して非常に広い範囲 をとり得る。前記比表面積は、窒素吸着BET法により決定した場合に2m2/ g〜600m2/gとすると有利であり得る。 本発明に係るクラウス触媒は、触媒担体を構成する固体に1種以上の金属化合 物を取込む方法として知られている種々の方法を用いて製造することができる。 特に、粉末、ペレット、顆粒、押出物、ハネカムモノリス又は他の凝集物形態の 炭化ケイ素担体に水等の溶媒中の所望の金属化合物の溶液又はゾルを含浸させた 後、含浸担体を乾燥し、乾燥物を場合により不活性雰囲気下で250℃〜500 ℃の範囲の温度で焼成すればよい。焼成した触媒を例えば200℃〜500℃で 水素下に還元処理し、その活性相内に存在する金属化合物の金属を元素状態に変 えてもよい。更に、炭化ケイ素の結晶格子に上述のような触媒 活性金属原子を挿入するように操作することにより触媒を製造することもできる 。この活性材料挿入は炭化ケイ素の製造中に実施してもよいし、後期段階で実施 してもよい。 本発明に係るクラウス触媒の担体を構成するために使用される炭化ケイ素は必 要な比表面積特性、即ちBET窒素吸着法により決定した場合に例えば2m2/ g〜600m2/gの比表面積をもつものであれば、公知炭化ケイ素の任意のも のから構成することができる。 特に、前記炭化ケイ素は引用文献EP−A−0313480(US−A−49 14070に対応)、EP−A−0440569、EP−A−0511919、 EP−A−0543751及びEP−A−0543752に記載の方法の任意の ものを利用することにより得られる。 触媒は特に、0.3mm〜15mm、より特定的には0.5mm〜10mmの 粒度をもち得る。 脱硫しようとするガスから構成されるガス反応混合物と本発明に係る触媒との 接触時間は0.2秒〜20秒、好ましくは0.4秒〜12秒であり得、これらの 値は常圧常温条件下の値である(NTP接触時間)。 本発明に係る脱硫方法は、H2OとSO2の反応中に形成される硫黄の露点より も高い温度で実施することができ、このとき、前記硫黄は触媒反応ゾーンから排 出される反応混合物中に蒸気形態で存在し、凝縮により前記反応混合物から分離 される。本発明に係る脱硫方法は、H2SとSO2の反応中に形成される硫黄の露 点よりも低い温度で実施することもでき、このとき、前記硫黄は触媒上に堆積し 、触媒反応ゾーンの出口で回収される流出ガスは実質的に硫黄を含まない。有利 には、本発明に係る方法の実施温度は30℃〜500℃で選択することができる 。反応ガス中に形成される硫黄の露点よりも高い温度で方法を実施するには、1 80℃〜500℃、より特定的には190℃〜400℃の温度を選択する。形成 される硫黄の露点よりも低い温度で方法を実施するには、120℃付近の硫黄の 凝固範囲を含む30℃〜180℃、より特定的には80℃〜160℃の温度を選 択する。 180℃〜500℃、より特定的には190℃〜400℃の温度で本発明に係 る方法を実施する場合には、H2SとSO2を含有する脱硫しようとするガスと炭 化ケイ素担体に担持したクラウス触媒との接触は、該触媒を入れた1個以上の触 媒反応 ゾーンで実施することができる。触媒反応ゾーンの数は、特に脱硫しようとする ガスの組成と所望の性能に依存する。複数の触媒反応ゾーンを使用する場合には 、これらのゾーンを直列に配置すると有利である。単一触媒反応ゾーンに存在す る触媒は、炭化ケイ素担体に担持した本発明に係るクラウス触媒のみから構成し てもよいし、このような触媒の層を例えばボーキサイト、アルミナ、ゼオライト 、酸化チタン又は酸化ジルコニウム等の1層以上の慣用クラウス触媒層と組み合 わせてもよい。上述のように直列に配置すると有利な複数の触媒反応ゾーンで操 作する場合には、これらの触媒反応ゾーンの少なくとも1個は炭化ケイ素担体に 担持した本発明に係るクラウス触媒を含み、他の触媒反応ゾーンは例えば上述の ような1種以上の慣用クラウス触媒を含む。炭化ケイ素担体に担持した本発明に 係るクラウス触媒を含む1個以上の触媒反応ゾーンにおいて、前記触媒は当該触 媒反応ゾーンの触媒層の全体を構成してもよいし、前記触媒層の1層のみを形成 し、残りは例えば上述のような1層以上の慣用クラウス触媒から構成してもよい 。単一触媒反応ゾーン又はこのようなゾーンを複数使用する場合には各触媒反応 ゾーンは、上記範囲の温度、即ち180℃〜500℃、より特定的 には190℃〜400℃で操作する。脱硫しようとするガスが硫黄化合物H2S 及びSO2以外に例えばCOS及び/又はCS2等の有機硫黄化合物も含有する場 合には、単一触媒反応ゾーン又はこのようなゾーンを複数使用する場合には触媒 反応ゾーンの少なくとも1個は、炭化ケイ素担体に担持され、H2SとSO2の間 のクラウス反応と有機硫黄化合物からH2Sへの加水分解を促進することが可能 な本発明に係るクラウス触媒、例えば炭化ケイ素担体に担持され、活性相がTi 、Zr、Zn、Cd、Ca、Mg、Mo又はLa等の少なくとも1種の金属の酸 化物をベースとする本発明に係る触媒を含み、各触媒反応ゾーンは有機硫黄化合 物からH2Sへの加水分解を行うために十分な180℃〜500℃の温度で作用 する本発明に係るこのような触媒を含む。H2SとSO2の間のクラウス反応と有 機硫黄化合物からH2Sへの加水分解を促進する本発明に係る触媒を含む各触媒 反応ゾーンにおいて、前記触媒は更に、当該触媒反応ゾーンの触媒層の全体を構 成してもよいし、前記触媒層の1相のみを形成し、残りは上述のような1層以上 の慣用クラウス触媒層から構成してもよい。 単一触媒反応ゾーンの出口又はこのようなゾーンを複数使用 する場合には触媒反応ゾーンの各々の出口において、硫黄蒸気を負荷した流出ガ スが回収され、該流出ガスは任意の後続クラウス反応の前に、このガスに含まれ る硫黄の大部分を凝縮により分離するために冷却ゾーンに送られる。 必要であれば、反応ガス中に形成される硫黄の露点よりも高い温度で操作する 際に、単一触媒反応ゾーンの出口又は複数の触媒反応ゾーンを直列に使用する場 合には最後の触媒反応ゾーンの出口で回収される流出ガスを付加精製処理しても よく、このような処理は、流出ガスが硫黄を含有している場合にはこれを分離し てから実施し、流出ガス中に残存する硫黄化合物ガスの種類と量によって異なる 。 反応ガス中に形成される硫黄の露点よりも高い温度で本発明に係る方法を実施 する場合には、引用文献FR−A−2511663及びFR−A−254009 2に記載されているような型のH2Sを含有するガスから硫黄を製造する接触法 で使用される硫黄の露点よりも高い温度のクラウス反応段階を特に構成し得る。 H2SとSO2の間の反応中に形成される硫黄の露点よりも低い温度、即ち30 ℃〜180℃、より特定的には80℃〜 160℃の範囲の温度で本発明に係る方法を実施する場合には、一般に最大5容 量%、より特定的には最大2.5容量%の合計濃度のH2SとSO2を含有する脱 硫しようとするガスを炭化ケイ素担体に担持したクラウス触媒と接触させると、 硫黄が形成され、触媒上に堆積する。 H2SとSO2の合計濃度及び/又は本発明に係るクラウス触媒に接触させる脱 硫しようとするガスの温度がクラウス反応の理論量の結果、反応の出口の反応混 合物の温度が硫黄変換率を減少傾向にする限界温度を越え易くなるような温度に なる場合には、触媒を任意の公知方法により冷却することにより前記反応により 発生した熱エネルギーを除去する。例えば、この冷却は触媒体との間接熱交換シ ステム内を循環する冷媒により実施することができる。カランドリアに配置され た管から構成される管状反応器に触媒を入れ、管に触媒を入れて冷媒をカランド リア側の管の間を循環させてもよいし、管内に冷媒を循環させてカランドリア側 の管の間に触媒を配置してもよい。更に、複数の触媒段をもつ反応器で触媒反応 を実施し、連続触媒段の間で冷媒との間接熱交換により反応混合物を冷却しても よく、熱交換は触媒反応器の内部で行っても外部で行ってもよい。 脱硫しようとするガスが硫黄化合物H2S及びSO2以外に例えば10容量%を 上回る多量の水を含有する場合には、形成される硫黄の露点よりも低い反応温度 は、脱硫しようとするガスに含まれる水の露点よりも高くなるように選択するの が好ましい。 脱硫しようとするガスが硫黄化合物H2S及びSO2以外に例えばCOS及び/ 又はCS2等の有機硫黄化合物も含有する場合には、形成される硫黄の露点より も低い温度でH2SとSO2の間のクラウス反応を実施する前にこのガスを加水分 解すると有利である。この加水分解段階は、有機硫黄化合物とこの加水分解に十 分な量の水を含有する脱硫しようとするガスを、加水分解を実施するために十分 な180℃〜500℃の範囲の温度で前記有機化合物からH2Sへの加水分解用 触媒と接触させることにより実施することができる。加水分解用触媒は、有機硫 黄化合物からH2Sへの加水分解を促進することが可能な本発明に係る触媒、特 に活性相がTi、Zr、Zn、Cd、Ca、Mg、Mo又はLaの酸化物をベー スとするこのような触媒から構成すると有利である。本発明による加水分解の実 施後、例えば引用文献FR−A−2632626及びFR−A− 2653422に記載されているように、形成される硫黄の露点よりも低い温度 でH2SとSO2の間のクラウス反応を実施することができる。 形成される硫黄の露点よりも低い温度でH2SとSO2の間の反応が進行するに つれ、クラウス触媒は徐々に硫黄を負荷される。硫黄を負荷した触媒を200℃ 〜500℃、好ましくは250℃〜450℃の範囲の温度でガスで周期的にパー ジすることにより前記触媒を再生し、触媒に残っている硫黄を蒸発させた後、再 生済み触媒を180℃以下の適当な温度のガスで硫黄の露点よりも低い温度まで 冷却し、再びH2SとSO2の間の反応を実施する。 硫黄を負荷した触媒の再生に使用されるパージガスはメタン、窒素、CO2又 はこのようなガスの混合物等でもよいし、低温クラウス反応段階からのガス流フ ラクション又は脱硫しようとするガスもしくは脱硫済みガスのフラクションから 構成してもよい。上記再生に使用されるパージガスは場合により、少なくとも最 終再生段階中、即ちクラウス触媒上に堆積した硫黄の大部分が蒸発した後に、硫 酸塩が存在する場合にはその還元及び/又は触媒の活性材料のコンディショニン グのために、例えば H2、CO又はH2S等の還元性化合物を所定の割合で含有していてもよい。 炭化ケイ素担体に担持したクラウス触媒に使用される活性相に依存して、再生 段階後に還元性化合物を使用し、触媒の活性相の金属を脱硫期間後の該金属の存 在形態である硫酸塩/亜硫酸塩形態から、クラウス触媒の活性形態を構成する形 態であって次の脱硫期間に使用する前に復元すべき形態である元素金属及び/又 は金属亜硫酸塩の形態に復元する。 形成される硫黄の露点よりも低い温度で本発明に係るクラウス反応を実施する 場合には、炭化ケイ素担体に担持したクラウス触媒を含む単一触媒反応ゾーンで クラウス反応段階と再生/冷却段階を交互に行うことができる。脱硫しようとす るガスが硫黄化合物H2S及びSO2を低い合計濃度でしか含有せず、その結果、 触媒の再生を頻繁に行う必要がない場合には、このような方法を採用する。炭化 ケイ素担体に担持した本発明に係るクラウス触媒を各々含む複数の平行に配置さ れた触媒反応ゾーンで触媒反応を実施すると有利であり、これらの触媒反応ゾー ンは該ゾーンの少なくとも1個が再生/冷却相で機能し、他のゾーンがクラウス 反応相で機能するように構成される。ある いは、1個以上のクラウス触媒反応相ゾーンと、少なくとも1個の再生相ゾーン と、少なくとも1個の冷却ゾーンをもつように構成してもよい。各触媒反応ゾー ンが例えば2又は3段といった複数の触媒段を含み、冷媒による間接熱交換によ り連続触媒段の間で反応混合物を冷却するようにしてもよく、熱交換は触媒反応 ゾーンの内部で行ってもよいし、外部で行ってもよい。上述のように複数の触媒 反応ゾーンを並列に配置すると、脱硫しようとするガスを連続処理することがで きる。 クラウス触媒の再生に使用されるガスは、加熱ゾーンから出発して再生中は触 媒ゾーンを連続的に通り、蒸発により硫黄を除去し、冷却ゾーンでこのガス内に 存在する硫黄の大部分を凝縮により分離して加熱ゾーンに戻す閉回路を循環する のが好ましい。当然のことながら、再生ガスは例えば脱硫しようとするガス又は 脱硫済みのガスを利用して前記再生ガスを構成することにより開回路で循環して もよい。脱硫しようとするガスを再生ガスとして利用する場合には、このガスは 再生で蒸発した硫黄の分離後に反応ゾーンの上流で回収される。 再生されたクラウス触媒の冷却に使用されるガスは、硫黄を負荷された触媒の 再生に使用されると同一の型である。再生ガ スと冷却ガスの回路を相互に独立させてもよい。他方、1態様によると、上記再 生ガス回路はその加熱ゾーンをバイパスすることにより再生中にその冷却ゾーン の出口を該ゾーンの入口と結ぶ分岐路を含んでもよく、こうすると、前記加熱ゾ ーンを飛び越し、再生ガスを冷却ガスとして使用することができる。 反応中に形成される硫黄の露点よりも低い温度でH2SとSO2の間の硫黄形成 反応を実施する本発明に係る方法の態様は、引用文献FR−A−2180473 、FR−A−2224196、FR−A−2277877、FR−A−2511 663、FR−A−2540092、FR−A−2589082、FR−A−2 589140、FR−A−2589141、FR−A−2632626及びFR −A−2653422に記載されている方法の硫黄の露点よりも低い温度のクラ ウス反応段階(低温クラウス反応)を構成するようにすると有利である。 H2SとSO2の反応により形成される硫黄の露点よりも高い温度とこの露点よ りも低い温度の両者で使用可能な本発明に係る方法の特定態様によると、クラウ ス触媒反応ゾーンの各々又は複数のクラウス触媒ゾーンを直列に使用する場合に は少なくとも最初のゾーンは、(i)Fe、Ni、Co、Cu及び Znから選択される少なくとも1種の金属を酸化物又は塩形態及び/又は元素状 態で含む触媒相を炭化ケイ素担体に担持した本発明に係るクラウス触媒から構成 される主層と、(ii)例えばアルミナ、ボーキサイト又はゼオライト等のアル ミナをベースとする慣用クラウス触媒の補助層を含む触媒体(catalytic mass) を備える。この特定態様は、特に処理しようとするガスが約1容量%までの少量 の酸素を含有する場合に、本発明に係る触媒の使用量を減らすことにより、H2 SとSO2の反応による硫黄の製造方法で使用されるアルミナをベースとする慣 用クラウス触媒の活性を長時間にわたって維持することができる。主層で使用さ れる炭化ケイ素担体に担持した上記触媒は、存在する酸素を除去することができ 、こうして補助層の触媒を保護する。アルミナをベースとする触媒から構成され る補助層の場合には、前記主層はアルミナの硫酸化による失活を避ける保護を形 成し、こうしてクラウス反応と化合物COS及びCS2の加水分解に対してアル ミナの触媒活性を維持することができる。 以下、非限定的な実施例により本発明を具体的に説明する。実施例1 本発明に係る触媒(本発明試験1.A.1、1.A.2及び 1.A.3)又はアルミナをベースとする対照触媒(対照試験1.B.1、1. B.2及び1.B.3)を使用し、硫黄工場で第1の触媒転炉(試験1.A.1 及び1.B.1)、第2の触媒転炉(試験1.A.2及び1.B.2)及び第3 の試験転炉(試験1.A.3及び1.B.3)に使用される条件で操作すること により、H2SとSO2の反応により形成される硫黄の露点よりも高い温度でクラ ウス反応を実施する試験を行った。 アルミナをベースとする対照触媒は、253m2/gのBET比表面積をもつ 活性アルミナの直径4〜6mmのビーズから構成した。 本発明に係る触媒は触媒の重量の4.8%のチタンを含有するようにチタン化 合物を含浸させた炭化ケイ素担体から形成した。 本発明に係る触媒は次のように製造した。まず最初に粒度0.8mm〜1mm 及び比表面積BET150m2/gの炭化ケイ素粒子に、得られる触媒に所望量 のチタンを提供するのに十分な量のオキシ塩化チタンを含浸させた。得られた含 浸物を室温で10時間、次いで120℃で15時間乾燥した後、500℃で6時 間焼成して触媒を製造した。得られた触媒は上 述のように4.8重量%のチタンを含有し、BET比表面積は132m2/gで あった。 本発明に係る触媒(本発明試験1.A.1、1.A.2及び1.A.3)又は 対照触媒(試験1.B.1、1.B.2及び1.B.3)を入れた触媒反応器で 試験の各々を実施した。各反応器は、触媒層により相互に分離された入口及び出 口と、反応器の入口に連結され且つ加熱器を備えるガス導入管と、反応器の出口 から延びており且つ蒸気冷却式硫黄冷却器を備えるガス排出管を備えるものとし た。 クラウス反応を実施するために使用されるH2SとSO2を含有する処理すべき ガスを触媒反応器に付随する加熱器に通して温度θに予熱した後、この温度で前 記反応器に注入した。前記反応器の排出管を介して触媒反応器から流出するガス を触媒反応器に付随する冷却器で約175℃に冷却し、前記流出ガスに含まれる 硫黄を分離した。触媒反応器に導入したガスと硫黄冷却器から排出される流出ガ スのH2S及びSO2含有量から反応の硫黄収率を計算した。 試験に固有の操作条件は以下の通りとした。試験1.A.1及び1.B.1 :触媒反応器に導入したH2S とSO2を含有するガスはH2S 9容量%、SO2 4.5容量%、H2O 20 容量%及びN2 66.5容量%を含有するものとした。触媒反応器の出口温度 は300℃とした。これらの条件で85.9%の熱力学的硫黄収率が得られた。試験1.A.2及び1.B.2 :触媒反応器に導入したH2SとSO2を含有する ガスはH2S 2.5容量%、SO21.25容量%、H2O 27容量%及びN2 69.25容量%を含有するものとした。触媒反応器の出口温度は250℃と した。これらの条件で78.7%の熱力学的硫黄収率が得られた。試験1.A.3及び1.B.3 :触媒反応器に導入したH2SとSO2を含有する ガスはH2S 1容量%、SO2 0.5容量%、H2O 30容量%及びN2 6 8.5容量%を含有するものとした。触媒反応器の出口温度は220℃とした。 これらの条件で70.8%の熱力学的硫黄収率が得られた。 種々の試験で得られた結果を表Iにまとめる。 表Iに示す結果を検討すると明らかなように、炭化ケイ素担体に担持したクラ ウス触媒を用いて本発明により提案するようにクラウス反応を実施すると、アル ミナ等の慣用クラウス触媒で得られるよりも非常に高い硫黄収率が同等の接触時 間で得られる。 更に、処理しようとするH2SとSO2を含有するガスに2000vpmの酸素 を導入しても本発明に係る触媒で得られる硫黄収率は変わらないが、アルミナ触 媒では、主に硫黄の露点を越える温度で作用する第2及び第3の触媒反応器で使 用される比較的低い温度のとき、これらの収率は経時的に実質的に低下する。実施例2 実施例1で使用した触媒反応器と同等の構造の触媒反応器で操作し、実施例1 に記載した炭化ケイ素担体に担持したチタン触媒と同一の本発明に係る触媒(試 験2.A.1及び2.A.2)又は実施例1で使用したアルミナをベースとする 触媒と同一の対照触媒(試験2.B.1及び2.B.2)を使用し、硫黄工場の 第1触媒転炉の操作条件で触媒処理したH2SとSO2を含有するガス中に存在す る有機硫黄化合物を加水分解 する本発明試験(試験2.A.1及び2.A.2)と対照試験(試験2.B.1 及び2.B.2)を実施した。 処理しようとするガスは、H2SとSO2以外にCS2(試験2.A.1及び2 .B.1)又はCOS(試験2.A.2及び2.B.2)から構成される有機硫 黄化合物を含有するものとした。触媒反応器から該反応器の排出管を介して排出 される流出ガスを実施例1に示したように冷却し、前記流出ガスに含まれる硫黄 を分離した。触媒反応器に導入したガスと硫黄凝縮器から排出される流出ガスの COS又はCS2含有量をクロマトグラフィー分析により得、この含有量から化 合物COS又はCS2の加水分解効率を決定した。 試験に固有の操作条件は以下の通りとした。試験2.A.1及び2.B.1 :触媒反応器に導入した処理しようとするガスは H2S 7容量%、SO2 4容量%、CO2 0.8容量%、H2O 28容量% 及びN260.2容量%を含有するものとした。触媒反応器の出口温度は320 ℃とした。試験2.A.2及び2.B.2 :触媒反応器に導入した処理しようとするガスは H2S 7容量%、SO2 3.75容量%、COS 0.5容量%、H2O 2 8容量%及びN2 60.75容量%を含有するものとした。触媒反応器の出口温度は320℃とし た。 種々の試験で得られた結果を表IIにまとめる。 表IIに示す結果を検討すると明らかなように、本発明による有機硫黄化合物C S2及びCOSの加水分解効率は、アルミナ等の慣用クラウス触媒で得られるよ りも同等の接触時間で非常に実質的に改善される。 実施例3 本発明に係る触媒(本発明試験3.A.1)又はアルミナをベースとする対照 触媒(対照試験3.B.1)を用いてH2SとSO2の反応により形成される硫黄 の露点よりも低い温度でクラウス反応を実施する試験を行った。 アルミナをベースとする対照触媒は、242m2/gのBET比表面積をもつ 活性アルミナの直径2〜4mmのビーズから構成した。 本発明に係る触媒は、触媒の重量の5%のチタンに相当するようにチタン化合 物を含浸させた炭化ケイ素担体から形成した。 本発明試験で使用した触媒は次のように製造した。まず最初に粒度2mm〜4 mm及びBET比表面積150m2/gの炭化ケイ素粒子に、得られる触媒に所 望量のチタンを提供するのに十分な量のオキシ塩化チタンを含浸させた。得られ た含浸物を室温、次いで120℃で乾燥した後、実施例1に記載したよ うに焼成して触媒を製造した。チタン触媒は上述のように5重量%のチタンを含 有し、BET比表面積は130m2/gであった。 クラウス反応助触媒の固定層により相互に分離された入口及び出口を備え、ク ロックにより転換可能な弁を介して反応相と再生/冷却相に交互に配置されるよ うに、即ち脱硫しようとする混合ガスの導入管に入口を連結するか又は窒素70 容量%及びH2O 30容量%から構成される300℃の合成混合ガスでパージ するように機能する触媒転炉で試験の各々を実施した。再生中に、触媒上に堆積 した硫黄を蒸発させてパージガスに同伴させた後、反応器の出口で凝縮してパー ジガスから分離した。再生した反応器を次にその後の精製に適した温度まで冷却 し、この冷却は約80℃の温度に維持した再生ガスでパージガスすることにより 実施した。 試験3.A.1及び3.B.1の各々において、クラウス反応相の触媒反応器 に導入したH2SとSO2を含有するガスはH2S 0.28容量%、SO2 0. 14容量%、H2O 30容量%及びN2 69.58容量%を含有するものとし 、このガスは常圧常温条件で4秒のクラウス触媒接触滞留時間に 対応する流量とした。クラウス反応相の反応器の出口温度は140℃とした。再 生後、再生された触媒を精製(クラウス反応)相に戻す前に約140℃の温度に 冷却した。 触媒反応器はクラウス触媒反応相30時間と再生/冷却相30時間(このうち 冷却8時間)で交互に運転した。 各々クラウス反応(脱硫)相と再生/冷却相を含む50サイクルの運転後、ク ラウス反応相の触媒反応器から排出される脱硫済みガスに含まれる化合物H2S 及びSO2の合計含有量は値CRで安定した。この値はクロマトグラフィー分析に より決定し、この値と処理しようとするガスに含まれる化合物H2S及びSO2の 合計含有量Coからクラウス反応の硫黄収率を計算した。 試験で得られた結果を表IIIにまとめる。 表IIIに示す結果を検討すると明らかなように、H2SとSO2の反応により形 成される硫黄の露点よりも低い温度で炭化ケイ素担体に担持した本発明に係るク ラウス触媒を用いてクラウス反応を実施すると、この場合もアルミナ等の慣用ク ラウス触媒で得られるよりも改善された硫黄収率が得られる。実施例4 炭化ケイ素担体に担持したニッケル触媒の主層とアルミナをベースとする慣用 クラウス触媒の層の組み合わせ(本発明試験4.A.1)又はアルミナをベース とする慣用クラウス触媒単独(対照試験4.B.1)から構成される触媒体(ca talyticmass)でH2SとSO2の反応により形成される硫黄の露点よりも高い温 度で操作することにより、H2SとSO2に加えて少量の酸素を含有するガスから 出発してクラウス反応を実施する試験を行った。 アルミナをベースとする対照触媒は、263m2/gのBET比表面積をもつ 活性アルミナの直径2〜4mmのビーズから構成した。 本発明に係る触媒は4重量%のニッケルを含有するようにニッケル化合物を含 浸させた炭化ケイ素担体から形成し、138m2/gのBET比表面積をもつも のとした。 本発明に係る触媒は、微孔質炭化ケイ素粒子に適量の酢酸ニッケル水溶液を含 浸させた後、含浸物を100℃で乾燥し、乾燥物を300℃で3時間焼成するこ とにより製造した。平均粒度2〜4mmの炭化ケイ素の粒子はBET比表面積1 50m2/gを有していた。 本発明に係る触媒体(試験4.A.1)又は対照触媒体(試験4.B.1)を 入れた触媒反応器で等温で試験の各々を実施し、反応器は実施例1で使用した反 応器と同等の構造をもち、温度を所与の値に維持するための手段を備えるものと した。 触媒反応器に注入した処理しようとするガスはH2S 9容量%、SO2 4. 5容量%、H2O 27容量%、酸素0.2容量%、COS 0.5容量%、C S2 0.2容量%及びN2 58.6容量%を含有するものとした。 触媒反応器は各試験中320℃の温度に維持した。 触媒反応器から該反応器の排出管を通って排出される流出ガスを触媒反応器に 付随した冷却器で約175℃に冷却し、前記流出ガスに含まれる硫黄を分離した 。800時間の運転時間後に、実施例1に記載したように反応の硫黄収率を決定 した。 試験に固有の操作条件は以下の通りとした。試験4.A.1 :処理しようとするガスと本発明に係る触媒体の主層、次いでア ルミナベース層とのNTP接触時間はそれぞれ0.5秒及び1秒とした。試験4.B.1 :処理しようとするガスとアルミナベース触媒体とのNTP接触 時間は1.5秒とした。 得られた結果を表IVにまとめる。 表IVに示す結果を検討すると明らかなように、本発明に係る触媒(NiO/S iC)はアルミナ等の慣用クラウス触媒の活 性に及ぼす酸素の有害な作用を阻止するのに有効である。実施例5 下記のように構成した試験毎に異なる触媒体でH2SとSO2の反応により形成 される硫黄の露点よりも低い温度で操作することにより、H2SとSO2以外に少 量の酸素を含有するガスから出発してクラウス反応を実施する本発明試験5.A .1と2種の対照試験5.B.1及び5.C.1を実施した。試験5.A.1(本発明) : 触媒体は実施例4に記載した炭化ケイ素担体に担 持したニッケル触媒の主層とアルミナ層から構成し、BET比表面積263m2 /g、直径2〜4mmのビーズ形態とした。試験5.B.1(対照) : 触媒体はアルミナ担体に担持した鉄触媒の主層と試 験5.A.1で使用したと同一のアルミナ層から構成した。試験5.C.1(対照) : 触媒体は試験5.A.1及び5.B.1で使用した と同一のアルミナ層単独から構成した。 触媒の4.5重量%の鉄を含有する鉄触媒は、直径2〜4mm及びBET比表 面積263m2/gの活性アルミナビーズに適量の硫酸第一鉄水溶液を含浸させ た後、含浸物を100℃ で乾燥し、乾燥物を300℃で3時間焼成することにより製造した。 試験の各々は、選択した触媒体の固定層により相互に分離された入口と出口を 備える触媒転炉で実施し、該転炉はクロックにより転換可能な弁を介して反応相 と再生/冷却相に交互に配置されるように、即ち脱硫しようとする混合ガスの導 入管に入口を連結するか又はH2S 10容量%、H2O 33容量%及びN2 57容量%から構成される300℃の合成混合ガスでパージするように運転した 。再生中に、触媒上に堆積した硫黄を蒸発させてパージガスに同伴させた後、反 応器の出口で凝縮してパージガスから分離した。再生した反応器を次にその後の 精製に適した温度まで冷却し、この冷却はH2O 38容量%及びN2 62容量 %から構成される約80℃のガスでパージすることにより実施した。 試験5.A.1、5.B.1及び5.C.1の各々ではクラウス反応相の触媒 反応器に導入したH2SとSO2を含有するガスはH2S 0.8容量%、SO2 0.4容量%、酸素0.08容量%、H20 29容量%及びN2 69.72容 量%を含有するものとした。 試験5.A.1では、処理しようとするガスとニッケル触媒の主層、次いでア ルミナ層とのNTP接触時間はそれぞれ2.2秒及び4.4秒とした。 試験5.B.1では、処理しようとするガスと鉄触媒の主層、次いでアルミナ 層とのNTP接触時間はそれぞれ2.2秒及び4.4秒とした。 試験5.C.1では、処理しようとするガスと単独アルミナ層とのNTP接触 時間は6.6秒とした。 試験の各々のクラウス反応相中の反応器の温度は136℃に維持した。再生後 、再生済みの触媒をこの温度に冷却してから精製(クラウス反応)相に戻した。 各試験で触媒反応器はクラウス触媒反応相18時間と再生/冷却相6時間(こ のうち冷却1.5時間)で交互に運転した。 各々クラウス反応(精製)相と再生/冷却相を含む20サイクルの運転後、触 媒反応器から排出される脱硫済みのガスに含まれる化合物H2S及びSO2の合計 含有量CGをクロマトグラフィー分析により決定した。この値CGと処理しようと するガスに含まれる化合物H2S及びSO2の合計含有量からクラウス反応の硫黄 収率を計算した。 試験で得られた結果を表Vにまとめる。 表Vに示す結果を検討すると明らかなように、本発明に係る触媒の主層(Ni O/SiC)はアルミナ等の慣用クラウス触媒の活性に及ぼす酸素の有害な作用 を阻止するのに有効である。また、この点で本発明に係る触媒は従来使用されて いたアルミナ担体に担持した鉄触媒よりも有効であることも明らかである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 硫黄化合物H2SとSO2の間のクラウス反応を促進することが可能な触媒 相を担体に担持したクラウス触媒に脱硫しようとするガスを接触させ、硫黄化合 物H2S及びSO2を含有するガスを接触脱硫してこれらの化合物を硫黄形態で回 収する方法であって、クラウス触媒の担体が炭化ケイ素から構成されることを特 徴とする前記硫黄化合物を含有するガスの接触脱硫方法。 2. クラウス触媒に接触させる脱硫しようとするガスが0.01〜25容量% 、好ましくは0.02〜15容量%の合計濃度のH2SとSO2を含有することを 特徴とする請求項1に記載の方法。 3. 脱硫しようとするガス中のH2S:SO2モル比が0.2:1〜4:1、好 ましくは約2:1であることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。 4. 炭化ケイ素担体に担持した触媒の触媒相が少なくともチタン、ジルコニウ ム、イットリウム、ランタン、ウラン、鉛、モリブデン、鉄、コバルト、ニッケ ル、カルシウム、亜鉛、マ グネシウム、カドミウム、原子番号58〜71のランタニドから選択される金属 を酸化物又は塩形態及び/又は元素状態で含むことを特徴とする請求項1から3 のいずれか一項に記載の方法。 5. 炭化ケイ素担体に担持した触媒相が、金属の重量で換算して触媒の重量の 0.1〜20%、好ましくは0.2〜15%、より特定的には0.2〜10%に 相当することを特徴とする請求項4に記載の方法。 6. 炭化ケイ素担体に担持した触媒が、窒素吸着BET法により決定した場合 に2m2/g〜600m2/gの比表面積をもつことを特徴とする請求項1から5 のいずれか一項に記載の方法。 7. 脱硫しようとするガスと炭化ケイ素担体に担持した触媒の接触時間が、常 圧常温条件下で決定した場合に0.2秒〜20秒、好ましくは0.4秒〜12秒 であることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。 8. 脱硫しようとするガスと炭化ケイ素担体に担持した触媒の接触温度が30 ℃〜500℃であることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の方 法。 9. 脱硫しようとするガスと炭化ケイ素担体に担持した触媒の接触温度が18 0℃〜500℃、より特定的には190℃〜400℃であることを特徴とする請 求項8に記載の方法。 10. 炭化ケイ素担体に担持した触媒に接触される脱硫しようとするガスが、 脱硫しようとするガスの4容量%以下の合計濃度の有機硫黄化合物、特にCOS 及び/又はCS2を含有しており、前記触媒の触媒相が前記有機硫黄化合物の加 水分解助触媒を含むか又はこのような助触媒であり、前記接触が前記加水分解に 十分な180℃〜500℃の範囲の温度で実施されることを特徴とする請求項9 に記載の方法。 11. 脱硫しようとするガスと炭化ケイ素担体に担持した触媒の接触温度が3 0℃〜180℃、より特定的には80℃〜160℃であり、H2SとSO2の反応 により形成される硫黄が触媒上に堆積することを特徴とする請求項8に記載の方 法。 12. 200℃〜500℃、好ましくは250℃〜450℃の温度でガスで周 期的にパージすることにより硫黄を負荷した触媒を再生し、触媒上に付着した硫 黄を蒸発させた後、再生した触媒を180℃以下の温度のガスで硫黄の露点より も低い温度まで冷却し、再び脱硫しようとするガスと接触させ、再生に 使用されるパージガスは場合により少なくとも最終再生相中に例えばH2、CO 又はH2S等の還元性化合物を含有していることを特徴とする請求項11に記載 の方法。 13. 脱硫しようとするガスが合計濃度4容量%以下の有機硫黄化合物、特に COS及び/又はCS2を含有しており、30℃〜180℃の温度で炭化ケイ素 担体に担持した触媒と接触させる前に、加水分解に十分な180℃〜500℃の 温度で接触水解し、水解触媒が特に炭化ケイ素に担持したクラウス触媒であるこ とを特徴とする請求項11又は12に記載の方法。 14. (i)Fe、Ni、Co、Cu及びZnから選択される少なくとも1種 の金属を酸化物又は塩形態及び/又は元素状態で含む触媒相を炭化ケイ素担体に 担持したクラウス触媒の主層と、(ii)クラウス反応及び/又はCOS及びC S2等の有機硫黄化合物からH2Sへの加水分解を促進するアルミナをベースとす る触媒の補助層を含む触媒体に脱硫しようとするガスを接触させることを特徴と する請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。 15. 脱硫しようとするガスと触媒体との接触を180℃〜500℃、より特 定的には190℃〜400℃の温度で実施す ることを特徴とする請求項14に記載の方法。 16. 脱硫しようとするガスと触媒体との接触を30℃〜180℃、より特定 的には80℃〜160℃の温度で実施し、H2SとSO2の反応により形成された 硫黄が触媒上に堆積することを特徴とする請求項14に記載の方法。 17. H2SとSO2の間の硫黄形成反応を促進することが可能な触媒相を担体 に担持した型のH2SとSO2の間の硫黄形成反応のクラウス助触媒であって、ク ラウス触媒の担体が炭化ケイ素から構成されることを特徴とする前記触媒。 18. 炭化ケイ素担体に担持した触媒相が有機硫黄化合物、特にCOS及び/ 又はCS2の加水分解反応の助触媒を更に含むか又はこのような助触媒でもある ことを特徴とする請求項17に記載の触媒。 19. 炭化ケイ素担体に担持した触媒相が、酸化物又は塩形態及び/又は元素 状態のチタン、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、ウラン、鉛、モリブデ ン、鉄、コバルト、ニッケル、カルシウム、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、 原子番号58〜71のランタニドから選択される少なくとも1種の金属から構成 されることを特徴とする請求項17又は18に記載の 触媒。 20. 炭化ケイ素担体に担持した、酸化物又は塩形態及び/又は元素状態のF e、Ni、Co、Cu及びZnから選択される少なくとも1種の金属から構成さ れる触媒相から構成され、クラウス反応及び/又はCOS及びCS2等の有機硫 黄化合物からH2Sへの加水分解を促進することが可能なアルミナをベースとす る触媒からなる補助層をも含む触媒体の主層を形成することを特徴とする請求項 17に記載の触媒。 21. 炭化ケイ素担体に担持した触媒相が、金属の重量で換算した場合に前記 触媒の重量の0.1〜20%、より特定的には0.2〜15%、特に0.2〜1 0%に相当することを特徴とする請求項19又は20に記載の触媒。 22. 窒素吸着BET法により決定した場合に2m2/g〜600m2/gの比 表面積をもつことを特徴とする請求項17から21のいずれか一項に記載の触媒 。 23. 炭化ケイ素担体が触媒の重量の少なくとも40%、より特定的には少な くとも50%に相当することを特徴とする請求項17から22のいずれか一項に 記載の触媒。 24. 0.3mm〜15mm、より特定的には0.5mm〜 10mmの粒度をもつことを特徴とする請求項17から23のいずれか一項に記 載の触媒。
JP53625096A 1995-05-30 1996-05-28 H▲下2▼s及びso▲下2▼化合物を含有するガスの接触脱硫方法、並びに該方法を実施するための触媒 Expired - Lifetime JP3766100B2 (ja)

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