Kinetics and reaction mechanism of catalytic oxidation of low concentrations of hydrogen sulfide in natural gas over activated carbon

Authors

  • Ajay K. Dalai,

    Corresponding author
    1. Catalysis and Chemical Reaction Engineering Laboratory, Department of Chemical Engineering, The University of Saskatchewan, 110 Science Place, Saskatoon, SK S7N 5C9, Canada
    • Catalysis and Chemical Reaction Engineering Laboratory, Department of Chemical Engineering, The University of Saskatchewan, 110 Science Place, Saskatoon, SK S7N 5C9, Canada
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  • Eric L. Tollefson

    1. Department of Chemical & Petroleum Engineering, The University of Calgary, 2500 University Drive, N.W., Calgary, AB T2N 1N4, Canada
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Abstract

The kinetics of the hydrogen sulfide oxidation process, producing mostly sulfur and water, was studied using 0.25 to 1.0 g Hydrodarco activated carbon catalyst and varying the O2/H2S ratio (molar basis) in the feed gas between 0.5 to 0.6 in the temperature, and pressure ranges from 125 to 200°C and 225 to 780 kPa. SO2 was obtained as an undesirable by-product during H2S oxidation reaction or as a product during regeneration of the catalyst. The feed gas contained 0.9 — 1.3 mol% H2S with approximately 80 mol% CH4. In this paper, the factors affecting the H2S conversion and SO2 formation are presented. The rate expressions for (a) H2S conversion and (b) SO2 formation were developed from the Langmuir-Hinshelwood surface control reaction model. The experimental data were well correlated by the rate equations. Also, the rate parameters were evaluated and correlated with temperature. The activation energies for H2S oxidation and SO2 production reactions were calculated to be 34.2 and 62.5 kJ/mol, respectively. Partial pressures of oxygen and H2S were found to influence H2S conversion whereas, the presence of water in the feed gas up to 10.5 mol% did not affect H2S conversion significantly. Heats of adsorption for various species on the active sites were calculated. SO2 production was, as expected, enhanced at higher temperature, and its rate was much smaller than the oxidation rate of H2S under the reaction conditions used.

Abstract

On a étudié la cinétique du procédé d'oxydation de l'hydrogène sulfuré, qui produit essentiellement du soufre et de l'eau, en recourant à un catalyseur au charbon activé Hydrodarco (de 0,25 à 1,0 g) et en faisant varier le rapport O2/H2S (base molaire) dans le gaz d'alimentation entre 0,5 et 0,6 dans les gammes de températures et de pressions de 125 à 200°C et de 225 à 780 kPa. Du SO2 a été obtenu comme sous-produit indésirable lors de la réaction d'oxydation du H-, Sou commeproduit lors de la régénération du catalyseur. Le gaz d'alimentation contient entre 0,9 et 13% en mole de H2S avec enrion 80% en mole de CH4. Dans cet article, on présente les facteurs influant sur la conversion du H2S et la formation du SO2. Les expressions de vitesse pour (a) la conversion du H2S et (b) la formation du SO2 ont été établies à partir du modèle de réaction de contrôle de surface de Langmuir-Hanshelwood. Les données expérimentales ont été correctement corrélées par les équations de vitesse. De même, les paramètres de vitesse ont été évalués et corrélés avec la température. On a calculé que les énergies d'activation pour les réactions d'oxydation du H2S et de production du SO2 étaient de 34,2 kJ/mol et de 62,5 kJ/mol, respectivement. On a trouvé que des pressions partielles d'oxygène et de H2S influençaient la conversion du H2S, tandis que la présence d'eau dans le gaz d'alimentation jusqu'à 10,5% en mole n'influait pas de manière signifcative sur la conversion du H2S. Des chaleurs d'adsorption ont été calculées pour diverses espèces sur les sites actifs. La production de SO2 a été, comme prévu, améliorée à haute température, et sa vitesse est beaucoup plus petite que la vitesse d'oxydation du H2S dans les conditions de réaction utilisées.

Ancillary