Claus-Prozess

Der Claus-Prozess ist ein Verfahren zur industriellen Herstellung von Schwefel aus Schwefelwasserstoff. Schwefelwasserstoff entsteht beispielsweise bei der Herstellung von Steinkohlenkoks als Bestandteil des Kokereigases oder bei der Entschwefelung von Erdöl in Raffinerien. Das Verfahren wurde 1883 von dem Wissenschaftler Carl Friedrich Claus aus Marburg (arbeitete in Middlesbrough und London) patentiert.^[1][2]

Chemische Reaktion

Der grundlegende chemische Prozess besteht aus zwei Schritten:^[3]

$ {\begin{matrix}\mathrm {2\ H_{2}S+3\ O_{2}\longrightarrow 2\ SO_{2}+2\ H_{2}O} \qquad \Delta H^{0}=-1036,7\ {\frac {\mathrm {kJ} }{\mathrm {mol} }}\end{matrix}} $

Ein Drittel des Schwefelwasserstoffs wird zu Schwefeldioxid verbrannt.

$ {\begin{matrix}\mathrm {2\ H_{2}S+\ SO_{2}\longrightarrow 3\ S+2\ H_{2}O} \ \qquad \Delta H^{0}=-145,7\ {\frac {\mathrm {kJ} }{\mathrm {mol} }}\end{matrix}} $

Die restlichen 2/3 des Schwefelwasserstoffs reagieren mit dem SO₂ zu Schwefel. (Komproportionierung)

Verfahrenstechnik

Claus Prozess mit 3 katalytischen Stufen

Das technische Verfahren lässt sich in vier Stufen zerlegen:

1. Im Hauptbrenner wird durch substöchiometrisches Verbrennen des H₂S mit Luft (auch Luft/Reinsauerstoff-Gemische möglich) die benötigte Menge SO₂ erzeugt (Reaktion 1., ca. 1100 °C). Das SO₂ reagiert bereits hier zum Großteil mit dem restlichen H₂S zu Schwefel (Reaktion 2.). Hinter dem Hauptbrenner wird das Gas abgekühlt (auf ca. 140 °C), so dass der erzeugte flüssige Schwefel abgeschieden werden kann (ca. 60–70 % der erzeugten Schwefelmenge).
2. In zwei aufeinanderfolgenden katalytischen Stufen (Bauxit-Katalysator, ca. 250 °C) wird nach Reaktion 2. weiterer Schwefel gewonnen. Die gesamte Ausbeute an Schwefel beträgt für diese prozesstechnische Konstellation 95 % (Schwefelrückhaltungsgrad), denn Reaktion 2. läuft nicht vollständig ab (es existieren auch Claus-Anlagen, bei denen drei katalytische Stufen den Schwefelrückhaltungsgrad auf etwa 97 % anheben können).
3. Im Abgas hinter der zweiten katalytischen Stufe befindet sich neben SO₂ immer noch H₂S, welches anschließend entweder rein thermisch (~900 °C) oder katalytisch (~400 °C) verbrannt wird (Reaktion 1.), um Emissionen von H₂S zu vermeiden.

Die Einhaltung der Stöchiometrie ist extrem wichtig, da sonst überschüssiges SO₂ bzw. H₂S (im nachfolgenden Incinerator zu SO₂ verbrannt) die Umwelt belastet.

Um den Schwefelrückhaltungsgrad weiter zu steigern, sind diverse Verfahren entwickelt worden, die das Abgas hinter den katalytischen Stufen von Schwefelverbindungen reinigen. Das bekannteste ist das sogenannte SCOT-Verfahren (Shell Claus Offgas Treating).

SCOT-Verfahren

SO₂, das im Claus-Verfahren nicht zu Schwefel umgesetzt wurde, wird im SCOT-Verfahren zu H₂S hydriert:

$ {\begin{matrix}\mathrm {\ SO_{2}+3\ H_{2}\longrightarrow H_{2}S+2\ H_{2}O} \qquad \Delta H^{0}=-339,6{\frac {\mathrm {kJ} }{\mathrm {mol} }}\end{matrix}} $

und zusammen mit dem ebenfalls nicht umgesetzten H₂S der zweiten katalytischen Stufe über eine Aminwäsche aus dem Abgasstrom entfernt. Das absorbierte H₂S wird wieder freigesetzt und zum Einsatz der Clausanlage zurückgeführt. Das Abgas wird anschließend wegen der - wenn auch geringen - Spuren an H₂S ebenfalls verbrannt. Ein guter Schwefelrückhaltungsgrad einer Claus/SCOT-Kombination liegt bei 99,8 %.

Regenerative Rauchgasentschwefelung

Bei regenerativen Verfahren zur Rauchgasentschwefelung (z. B. Wellman-Lord-Verfahren) entsteht SO₂, das direkt in eine (vorhandene) Claus-Anlage geleitet werden kann. Hierdurch wird die zusätzliche Investition für die SO₂-Aufarbeitung (Hydrierung) gespart. Speziell für Raffinerien ist dies eine interessante Lösung.^[4]

Siehe auch

• Schwefelrückgewinnung

Einzelnachweise

Literatur

• Bernard Schreiner: Der Claus-Prozess : Reich an Jahren und bedeutender den je. Chemie in unserer Zeit 42 (2008) 378-392. doi:10.1002/ciuz.200800461
• Springer, F. P., Über Schwefel und Schwefelwasserstoff - Zur Geschichte dieser Bestandteile von Erdgasen, Erdöl-Erdgas-Kohle Heft 10 2011 S. 382-388.

Weblinks

• Schwefelemissionen (PDF; 30 kB)