Добыча руды открытым способом происходит так. Шагающие экскаваторы снимают пласты пород, под которыми залегает руда. Взрывами рудный пласт дробят, после чего глыбы руды отправляют на сероплавильный завод, где из концентрата извлекают серу. В 1890 г. Герман Фраш предложил плавить серу под землей и через скважины, подобные нефтяным, выкачивать ее на поверхность. Сравнительно невысокая (113°C) температура плавления серы подтверждала реальность идеи Фраша. В 1890 г. начались испытания, приведшие к успеху.

Известно несколько методов получения серы из серных руд: пароводяные, фильтрационные, термические, центрифугальные и экстракционные. Также сера в больших количествах содержится в природном газе в газообразном состоянии (в виде сероводорода, сернистого ангидрида). При добыче она откладывается на стенках труб и оборудования, выводя их из строя. Поэтому её улавливают из газа как можно быстрее после добычи. Полученная химически чистая мелкодисперсная сера является идеальным сырьём для химической и резиновой промышленности.

Рассмотрим производство элементарной серы из кислых газов нефте- и газопереработки, включая доочистку хвостовых газов.

1. Прямой Клаус процесс, включая переработку кислого газа с повышенным содержанием аммиака.

Этот метод получения серы основан на частичном окислении сероводорода кислого газа путем сжигания его в недостаточном для полного сгорания количестве воздуха. При этом в топке термического реактора может быть получено до 75% серы, содержащейся в исходном сероводороде. Дальнейшее извлечение серы производят на катализаторе в каталитических ступенях и, если необходимо, на установке очистки отходящих газов. Процесс используется при концентрации сероводорода в кислом газе 45 – 100% моль.

Присутствие аммиака в кислом газе может отрицательно влиять на показатели работы установки. Поэтому принимаются специальные меры для сжигания его до азота в термической ступени. Степень конверсии сероводорода в серу при использовании данной технологии зависит от концентрации сероводорода в кислом газе и составляет 95 – 96% для схемы с двумя каталитическими ступенями и 97 – 98% для трехступенчатой схемы.

2. Процесс «прямого окисления» сероводорода на катализаторе в элементарную серу.

Суть процесса заключается в проведении реакции взаимодействия сероводорода с кислородом воздуха на специальном катализаторе. Процесс применяется при концентрации сероводорода в кислом газе от 0,1 - 0,5 до 9% моль. В случае малых концентраций сероводорода – до 3% моль - процесс проводится в 1 ступень, при повышении концентрации количество ступеней увеличивают. Как правило, степень конверсии сероводорода в серу на установке прямого окисления без доочистки хвостовых газов не превышает 85%.

3. Получение серы методом «1/3 – 2/3».

Процесс используется при концентрации сероводорода в кислом газе 20 – 45% моль. Суть процесса заключается в том, что часть кислого газа (до 2/3 от общего количества) байпасируют мимо термического реактора напрямую в каталитический реактор. А оставшийся кислый газ сжигается в термическом реакторе в условиях, обеспечивающих полное сгорание сероводорода. Таким образом, сера образуется только в каталитических ступенях, которых может быть несколько. Процесс имеет технологические недостатки, которые привели к ограниченному масштабу его распространения. Общая степень конверсии сероводорода в серу для данной технологии зависит от числа применяемых каталитических ступеней и состава кислого газа, подаваемого на переработку.

4. Процесс производства серы со сжиганием части образованной серы.

Процесс используется при концентрации сероводорода в кислом газе менее 20% моль. Суть процесса заключается в том, что необходимый для реакции Клауса диоксид серы образуется за счет сжигания части полученной серы. Данная технология имеет те же недостатки, что и процесс «1/3 – 2/3», однако в ряде случаев эта технология предпочтительна. Общая степень конверсии сероводорода в серу при использовании данной технологии зависит от числа применяемых каталитических ступеней и может доходить до 98%.

5. Процесс производства серы с рециркуляцией части технологического газа.

Процесс используется при пониженном содержании сероводорода в кислом газе. Суть процесса заключается в том, что для снижения избыточного разогрева каталитического реактора в процессе получения серы часть прореагировавшего газа подается на вход этого реактора. В процессе используется специальный катализатор, применяется газодувка. Степень конверсии сероводорода определяется числом каталитических ступеней.

6. Интенсификация процесса Клауса путем обогащения воздуха кислородом.

Использование кислорода или обогащенного кислородом воздуха в процессе Клауса приводит к повышению температуры сжигания газа в термическом реакторе и к уменьшению объема продуктов сгорания. Это обуславливает области применения кислорода в этом процессе: 1) для интенсификации сжигания «слабого» кислого газа, т.е. газа с низким содержанием сероводорода и 2) для снижения удельных капитальных затрат при проектировании новой установки или повышении производительности существующей. Применение кислорода имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании установки. Экономическую целесообразность использования кислорода необходимо рассчитывать для каждого случая индивидуально, исходя из условий конкретного завода.

7. Процессы очистки хвостовых газов производства серы, основанные на адсорбционно – каталитическом продолжении реакции Клауса.

Суть этой группы процессов заключается в продолжении реакции Клауса на катализаторе при пониженной температуре с одновременной конденсацией паров образованной серы. Поскольку сера адсорбируется катализатором, к нему предъявляются особые требования по сравнению с обычным катализатором процесса Клауса. Процесс является периодическим – после адсорбции определенного количества серы катализатор подвергают регенерации, путем отдувки серы горячим газом. Для непрерывной работы процесса устанавливается 2 или 3 каталитических реактора, которые работают в едином цикле: один – в фазе регенерации, другой (другие) – в фазе адсорбции. Общая степень конверсии сероводорода в серу при использовании данной технологии в значительной степени зависит от точности ведения процесса. Теоретическая степень конверсии составляет 99,6 – 99,7%, на практике этот показатель не превышает 99,5%.

8. Процессы очистки хвостовых газов производства серы, основанные на гидрировании сернистых соединений до сероводорода.

Суть этой группы процессов заключается в обработке отходящего газа процесса Клауса на специальном катализаторе в восстановительной атмосфере. При этом все соединения серы (SO₂, COS, CS₂, сера – парообразная и капельная) восстанавливаются до сероводорода. Далее, из технологического газа удаляется избыточная вода, и после этого в аминовом абсорбере происходит селективное поглощение сероводорода. При регенерации аминового раствора сероводород выделяется и направляется на сжигание в термический реактор процесса Клауса. Степень утилизации сероводорода по данной технологии может достигать 99,9% и выше. При проведении регенерации аминового раствора централизовано в рамках общезаводского хозяйства НПЗ экономические показатели процесса значительно улучшаются.

9. Процессы очистки хвостовых газов производства серы, основанные на окислении сернистых соединений до диоксида серы.

Суть этой группы процессов заключается в окислении всех газообразных соединений серы (H₂S, COS, CS₂, сера – парообразная и капельная) до диоксида серы. Далее диоксид серы в присутствии специального катализатора окисляется до серного ангидрида, который при взаимодействии с водой образует разбавленную серную кислоту. Кислота может иметь внутреннего потребителя в структуре НПЗ или может быть направлена на сжигание в топку термического реактора процесса Клауса. Степень утилизации сероводорода по данной технологии может достигать 99,9% и выше.

Значительную часть мировой добычи серы поглощает бумажная промышленность (для получения сульфитцеллюлозы). Для того чтобы произвести одну тонну целлюлозы, нужно затратить более 100 кг серы. Много элементарной серы потребляет и резиновая промышленность — для вулканизации каучуков.

В сельском хозяйстве сера применяется как в элементарном виде, так и в различных соединениях. Она входит в состав минеральных удобрений и препаратов для борьбы с вредителями (для борьбы с болезнями растений, главным образом винограда и хлопчатника). Наряду с фосфором, калием и другими элементами сера необходима растениям.

Однако основной потребитель серы — химическая промышленность. Примерно половина добываемой в мире серы идет на производство серной кислоты. Чтобы получить одну тонну H₂SО₄, нужно сжечь около 300 кг серы.

Значительное количество серы (и серной кислоты) расходуется при производстве взрывчатых веществ (черного пороха) и спичек. Чистая» освобожденная от примесей сера нужна для производства красителей и светящихся составов.

Соединения серы находят применение в нефтехимической промышленности. В частности, они необходимы при производстве антидетонаторов, смазочных веществ для аппаратуры сверхвысоких давлений; в охлаждающих маслах, ускоряющих обработку металла, содержится иногда до 18% серы.

В медицинской практике применение серы основано на ее способности при взаимодействии с органических веществами организма образовывать сульфиды и пентатионовую кислоту, от присутствия которых зависят кератолитические, противомикробные и противопаразитарные эффекты. Сера входит в состав мази Вилькинсона и других препаратов, применяемых для лечения чесотки. Очищенную и осажденную серу употребляют в мазях и присыпках для лечения некоторых кожных заболеваний (себорея, псориаз и других); в порошке - при глистных инвазиях (энтеробиоз); в растворах - для пиротерапии прогрессивного паралича и других.

C текущей ситуацией и прогнозом развития рынка серы можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков  «Рынок серы в России».

www.newchemistry.ru