Processo Claus: reazioni

Il processo Claus è utilizzato per trattare flussi di gas contenenti concentrazioni elevate di solfuro di idrogeno derivanti, ad esempio, dalla desolforazione dei prodotti di raffineria

Il processo Claus è noto e utilizzato a livello industriale dal 1936 quando il chimico tedesco Carl Friedrich Claus lo brevettò nel 1883

Esso appare oggi più che in passato di grande attualità per le disposizioni legislative che impongono limitazioni alle emissioni di composti solforati per motivi ambientali.

Inoltre il recupero dello zolfo nell’estrazione del gas naturale è oggetto di molte ricerche negli ultimi anni.

Il  processo Claus produce inoltre zolfo di qualità estremamente buona ed è quindi una fonte di una sostanza chimica di base.

rappresentazione schematica 1 da Chimicamo
rappresentazione schematica

Tuttavia la conversione completa dell’idrogeno solforato in zolfo è precluso dai rapporti di equilibrio delle reazioni chimiche su cui si basa il processo. Come risultato di questa limitazione, il processo Claus, in molti casi, non è adeguato a ridurre le emissioni atmosferiche di composti solforati al livello richiesto dalle normative sul controllo dell’inquinamento atmosferico. In questi casi, il processo va integrato con un altro processo specificamente progettato per rimuovere i residui di zolfo dal gas di coda dell’impianto.

Reazioni nel processo Claus

Il processo si divide in due fasi: termica e catalitica.

Nella fase termica, il solfuro di idrogeno reagisce a temperature superiori a 850 °C con l’ossigeno per dare anidride solforosa e vapore acqueo:
2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O

La reazione è esotermica e la variazione di entalpia è pari a ΔH = – 518 kJ/mol

Nella fase catalitica il solfuro di idrogeno reagisce con l’anidride solforosa formatasi nella fase precedente per dare zolfo sotto forma di vapore e vapore acqueo. La reazione esotermica è catalizzata da allumina o biossido di titanio è:
4 H2S + 2 SO2 → 6 S + 4 H2O

La variazione di entalpia è pari a ΔH = – 41.8 kJ per mole di zolfo allo stato di vapore

La  reazione complessiva è:
2 H2S + O2 →  S2 + 2 H2O

Lo zolfo prodotto si trasforma rapidamente nell’allotropo S8:
4 S2 → S8

Reazioni collaterali

Nel corso della fase termica possono verificarsi reazioni collaterali che riducono il recupero e  la produzione di zolfo e la formazione di componenti indesiderati:

formazione di idrogeno gassoso:

2 H2S → S2 + 2 H2
CH4 + 2 H 2O → CO2 + 4 H2

formazione di solfuro di carbonile :
H2S + CO2 → S=C=O + H2O

formazione di solfuro di carbonio :
CH4 + 2 S2 → CS2 + 2 H2S

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