Технология LO-CAT разработана в США 25 лет назад компанией Gas Technology Products LLC, которая в настоящее время является дочерним предприятием компании Merichem Chemicals & Refinery Services LLC. Ha сегодняшний день в мире успешно функционируют 149 таких установок.

Запатентованная технология LO-CAT предназначена для сероочистки кислых и природных газов и представляет собой систему окисления-восстановления жидкости, применяющую регенерируемый катализатор (раствор хелатного железа) для превращения сероводорода в безвредную элементарную серу. Применяемый в системе LO-CAT катализатор экологически безвреден, так как не содержит токсических химикатов и не производит вредных побочных отходов. Данная технология позволяет широко варьировать эксплуатационные параметры очистки и обеспечивает очень высокую эффективность удаления сероводорода (системы LO-CAT могут быть спроектированы для достижения эффективности удаления сероводорода более 99,9 %).

Производство серы.

Использование технологии LO-CAT предпочтительно в случаях планируемой мощности установки производства серы не более 25 т/день. Производство серы по этой технологии осуществляется при температуре окружающей среды. Поскольку технология позволяет получать серу в твердом виде, снимается необходимость обработки расплавленной серы и строительства для нее котлована.
Сера, полученная по технологии LO-CAT, - это готовое высококачественное удобрение, не требующее дальнейшей модификации.
В процессе LO-CAT можно перерабатывать сырье, концентрация сероводорода в котором составляет от ничтожно малого количества до 100% без ухудшения эксплуатационных характеристик, что дает возможность использовать широкий диапазон сырья. Возможно получение следующих продуктов:
♦ серной лепешки (60%) - для получения применяется вакуумный ленточный фильтр. Идеальна для применения в качестве удобрения;
♦ серной лепешки (80 % и более) - для получения применяется напорный фильтр. Рациональное потребление химикатов и сокращение затрат на химикаты;
♦ жидкой серы чистотой 99,9% (плавленая сера) - для получения применяется плавильный аппарат и фильтр для расплавленной серы. Может использоваться в качестве сырья для сернокислотных установок.

Три основные модели системы LO-CAT
Аэробная модель. В этой модели (рис. 1) насыщенный сероводородом воздух поступает в абсорбционную колонну, где контактирует с раствором катализатора, используемого в процессе LO-CAT. Практически мгновенно в результате химической реакции получается твердая сера, которая отфильтровывается из раствора катализатора. Кислород, содержащийся в воздухе, постоянно регенерирует катализатор, который используется повторно вновь и вновь.
 
Размер абсорбционной колонны определятся скоростью воздушного потока и концентрацией сероводорода. Системы LO-CAT могут быть спроектированы для работы при расходе воздуха от нескольких десятков до нескольких тысяч кубических метров в минуту и при концентрации сероводорода от 50 ррт об. до нескольких тысяч ррт об.
Обычно поток воздуха выпускается в атмосферу сразу же после удаления сероводорода.
Анаэробная модель. Данная модель (рис. 2) системы LO-CAT состоит из отдельных емкостей абсорбера и окислителя, что делает возможной регенерацию продукта. Сероводород удаляется и превращается в твердую серу в абсорбере. Истощенный раствор катализатора циркулирует в окислитель и регенерируется за счет контакта с воздухом.
 
Авто циркулирующая модель. Системы автоциркуляции (рис. 3) показали свою эффективность для очистки стоков, оставшихся от процессов извлечения кислого аминового газа при добыче природного газа, а также для очистки неконденсирующихся газов, выделяющихся в ходе производства электроэнергии на геотермических электростанциях.
 
Эти запатентованные системы обеспечивают экономически эффективную очистку анаэробных невзрывных газовых потоков. После удаления сероводорода нейтральный газовый поток вместе с воздухом окисления выпускается в атмосферу. Поскольку все химические реакции происходят в одном сосуде, процесс автоциркуляции не требует применения насосов циркуляции катализатора и использует очень низкие концентрации катализатора.
На рис. 4 представлена принципиальная технологическая схема установки LO-CAT, разработанная на основе анаэробной модели.
 

На рис. 5 приведена стандартная технологическая схема установки LO-CAT, выполненная по принципу работы автоциркулирующей модели.
 

Самая современная окислительно-восстановительная технология.

Технология окисления-восстановления LO-CAT превращает сероводород в безвредную элементарную
серу, используя экологически безвредный катализатор на основе хелатного железа.
Основной химизм идентичен для всех трех конфигураций систем LO-CAT. Процесс LO-CAT поглощает сероводород, ионизирует его и окисляет до серы, превращает (окисляет) железо, поглощает кислород, затем повторно окисляет железо. Таким образом, сероводород превращается в элементарную серу, при этом используется экологически безвредный катализатор на основе хелатного железа. Железный катализатор удерживается в растворе с помощью органических хелатных добавок, которые охватывают ион железа подобно клешне, предотвращая осаждения сульфида железа (FeS) или гидроксида железа [Fe(OH3)]. Процесс LO-CAT основан на окислительно-восстановительном химизме. Имеют место две окислительно-восстановительные реакции - одна происходит в секции абсорбера, превращая сероводород в элементарную серу, другая - в секции окислителя - регенерирует катализатор.
Реакции в абсорбере. В абсорбционной колонне сероводород абсорбируется в слабощелочной водный раствор системы LO-CAT. Сероводород ионизируется до бисульфида, который окисляется до серы путем превращения иона железа из трехвалентного в двухвалентное состояние. Превращенные ионы железа затем переносятся из абсорбера в окислитель.
Итак, в абсорбере происходят следующие реакции:

H₂S (газ) + Н₂O (жидк.) → H₂S (жидк.);
H₂S (жидк.) → HS - + H ⁺;
HS - + 2 Fe⁺⁺⁺ → S° (тверд.) + 2 Fe⁺⁺ + H⁺.

Реакции в окислителе. В окислителе атмосферный кислород абсорбируется в раствор системы LO-CAT. Двухвалентное железо повторно окисляется до трехвалентного железа, регенерируя катализатор. Регенерированный катализатор вновь готов к использованию в секции абсорбера.
Итак, в окислителе происходят следующие реакции:

½ O₂ (газ) + Н₂O (жидк.) → ½ O₂ (жидк.);
½ O₂ (жидк.) + 2Fe⁺⁺ + Н₂O → 2Fe⁺⁺⁺ + 2OН-.

Общая реакция. Общая реакция представляет собой изотермический, недорогой в эксплуатации метод осуществления модифицированной реакции Клауса. Химические добавки, необходимые для поддержания вышеуказанных реакций, -это щелочь для поддержания уровня рН, замена хелатного железа, потерянного в процессе удаления серы, и замена разрушившихся хелатных добавок.
Общая реакция такова:

                      Fe
H₂S (газ) + ½ O₂ (газ)→ Н₂O + S°.

Побочные реакции. Как и в любом химическом процессе, в процессе LO-CAT могут возникнуть побочные реакции. Например, образование тиосульфатов увеличивается, когда в сернистом газе присутствует кислород. Это происходит, когда очищаемый сернистый газ представляет собой воздушный поток или когда сернистый газ загрязнен воздухом. Тиосульфат оказывает некоторое положительное воздействие на процесс, поскольку стабилизирует хелатные добавки, уменьшая их порчу и таким образом сокращая затраты на химикаты. С другой стороны, слишком большое количество тиосульфата требует добавки щелочи для поддержания уровня рН, и в результате для предотвращения накопления солей в системе может потребоваться продувка.
Образование бикарбонатов зависит от количества углекислого газа, абсорбируемого из сернистого газа, которое, в свою очередь, зависит от парциального давления СO2 и от уровня рН в растворе. Образование бикарбоната не имеет никакого полезного эффекта. Необходимо добавлять щелочь для поддержания уровня рН, и некоторое количество СO2теряется.
Эти побочные реакции следующие:

образование тиосульфатов:
2HS- + 2КОН +3/2 O₂ →  K₂S₂O₃+ 2Н₂О;

образование бикарбонатов:
СO₂ (газ) + Н₂O (жидк.) → Н₂СО₃ (жидк.);
КОН + Н₂СO₃ → KHCO₃ + Н₂О
 

Сферы применения технологии LO-CAT. 

Технология  LO-CAT может применяться для очистки всех типов газовых потоков, включая:
• хвостовой газ с установки Клауса - увеличивается гибкость и эффективность установки Клауса на газоперерабатывающем заводе в Восточном Техасе;
• природный газ - производится сероочистка природного газа на морском основании компании Chevron;
• СО₂- контролируется выброс сероводорода на геотермических электростанциях;
• кислый аминовый газ - поглощается сероводород из кислого аминового потока на предприятии компании Chevron;.
• биогаз - производится очистка сернистого нефтяного газа, содержащего до 500 ррт сероводорода на станции очистки сточных вод в Лос-Анджелесе;
• газ из органических отходов - очищается до 15 млн куб. футов (приблизительно до 425 тыс. м3) в день газа из органических отходов в округе Броворд (Broward), штат Флорида;
• нефтезаводской топливный газ - производится сероочистка 6800 куб. футов/мин (приблизительно до 193,0 м3/мин) газа на нефтеперерабатывающем заводе в местности Country Cork в Ирландии;
• добыча нефти - удаляется сероводород из газа на устье скважины на предприятии компании Mobil в Калифорнии;
• процесс LO-CAT позволяет решить технологические проблемы на газофракционирующей установке;
• производство смазочных масел - установка LO-CAT используется на двух различных установках на предприятии Lubrizol;.
• воздух - устраняются проблемы запаха на муниципальной водоочистной станции в г. Юпитер (Jupiter), штат Флорида.

Кроме того:
• экономические преимущества - оптимизированная установка LO-CAT мощностью 3,0-5,0 т/день избавляет от необходимости использования установки аминовой очистки
и строительства котлована для серы. Капитальные затраты на установку LO-CAT будут примерно на 40 % ниже по сравнению с системой Клауса. Таким образом, при такой производительности применение технологии LO-CAT позволит сэкономить затраты и повысить технологическую гибкость;
• высокая эффективность удаления сероводорода - в большинстве случае составляет свыше 99,9 %:
• упрощенная эксплуатация по сравнению с системой Клауса:
- процесс LO-CAT может заменить собой установку аминовой очистки и систему Клауса;
- процесс LO-CAT не подвержен изменению концентрации сероводорода;
• широчайшие возможности для изменения эксплуатационных параметров системы LO-CAT:
- более высокая гибкость при выборе сырья для очистки;
- более низкие требования по операторскому обслуживанию;
-  повышенная надежность системы;
• влияние извлекающего воду кислого газа в установке Клауса:
- засоряет катализатор, используемый в системе Клауса, и снижает текущую эффективность эксплуатации;
- сокращает концентрацию сероводорода, увеличивает изменчивость концентрации сероводорода;
• влияние извлекающего воду кислого газа в установке LO-CAT:
- процесс LO-CAT не подвержен изменению концентрации сероводорода;
- при достаточном количестве аммоний заменит добавку щелочи и снизит эксплуатационные расходы.

И. Г. Сигачева, Merichem
Chemicals&Refinery Services LLC (США),
ОАО «Гипрогазоочистка» (Россия)