1. Bảo toàn nguyên tố trước khi tính hiệu suất
Khi H2S chuyển thành lưu huỳnh nguyên tố, nguyên tử S không được tạo thêm. Lượng lưu huỳnh tối đa do dòng nguyên liệu quyết định; hiệu suất công nghệ xác định phần nào của lượng đó thành sản phẩm và phần nào còn trong khí, chất lỏng hoặc tồn thiết bị.
AP-42 mục 8.13 của EPA, bản tháng 04/2015, trình bày phản ứng tổng quát của quá trình Claus là 2H2S + O2 → 2S + 2H2O, cùng bước tạo SO2 và phản ứng giữa SO2 với H2S.[1] Bài này dùng các phương trình như sổ bảo toàn nguyên tố. Các tỷ lệ tính toán không phải điểm đặt không khí hoặc điều kiện vận hành cho thiết bị thực.
2. Tính lượng S tối đa từ khí acid giả định
Giả định một dòng khí khô 800 kmol/h có 65% mol H2S và 35% mol CO2, không có cấu tử khác chứa lưu huỳnh. Dòng H2S bằng 800 × 0,65 = 520 kmol/h. Mỗi mol H2S mang một mol nguyên tử S, nên tải nguyên tố lưu huỳnh là 520 kmol S/h.
Để mọi phép kiểm tra khối lượng trong ví dụ khép kín bằng số đơn giản, dùng bộ khối lượng nguyên tử làm tròn H = 1, O = 16, C = 12 và S = 32 kg/kmol nguyên tử. Đây là quy ước tính của bài, không dùng để thay số phân tử khối chính xác trong một mô hình thương mại.
m_S,tối_đa = 520 × 32 = 16.640 kg/h
m_S,tối_đa = 16,640 t/h = 399,360 t/ngày
Nếu biểu diễn sản phẩm dưới dạng S8, số mol phân tử tương đương là 520/8 = 65 kmol S8/h và khối lượng mol là 256 kg/kmol, cho cùng 16.640 kg/h. Việc đổi cách ghi phân tử không làm tăng hay giảm khối lượng S. Ký hiệu S trong cân bằng nguyên tố không khẳng định lưu huỳnh hơi thực chỉ tồn tại ở dạng đơn nguyên tử.
3. Vì sao xuất hiện tỷ số H2S:SO2 bằng hai
Gọi b là lượng H2S được oxy hóa thành SO2 trong mô hình hai phản ứng lý tưởng. Sau bước thứ nhất, SO2 bằng b và H2S còn lại bằng 520 − b. Để phản ứng 2H2S + SO2 → 3S + 2H2O tiêu thụ hết cả hai:
(520 − b)/b = 2
b = 520/3 = 173,333333 kmol/h
O2_tỷ_lượng = 1,5b = 260 kmol/h
Phương trình tổng cũng cho O2 bằng 0,5 × 520 = 260 kmol/h và nước tạo thành bằng 520 kmol/h, tức 9.360 kg/h theo bộ khối lượng làm tròn. Hai con đường suy ra cùng kết quả là một phép kiểm tra tốt cho hệ số phản ứng.
Với khí oxy hóa giả định chỉ gồm 21% mol O2 và 79% mol N2, lượng hỗn hợp tỷ lượng là 260/0,21 = 1.238,095238 kmol/h, mang 978,095238 kmol/h N2. Đây là phép đổi thành phần trên giấy. Dòng thực còn có độ ẩm, nhiên liệu phụ và các cấu tử tiêu thụ oxy khác, nên không lấy kết quả này làm hướng dẫn điều chỉnh đầu đốt.
4. Phản ứng giới hạn cho thấy tác động lệch tỷ lượng
Trong mô hình chỉ gồm hai phản ứng và giả định phản ứng thứ hai đi đến hết chất giới hạn, đặt b thấp hơn giá trị cân bằng 5 kmol/h, tức 168,333333 kmol/h. SO2 là chất giới hạn; lượng S hình thành bằng 3b = 505 kmol S/h và còn 15 kmol/h H2S.
Nếu b cao hơn giá trị cân bằng 5 kmol/h, tức 178,333333 kmol/h, H2S còn lại là 341,666667 kmol/h. Nó chỉ đủ phản ứng với 170,833333 kmol/h SO2, tạo 512,5 kmol S/h và để lại 7,5 kmol/h SO2.
Hai mức lệch b đối xứng không tạo cùng số mol chất chứa S còn lại vì hệ số tỷ lượng khác nhau. Ví dụ bỏ qua cân bằng hóa học, phản ứng phụ và lưu huỳnh đã tạo ở vùng nhiệt; nó chỉ minh họa cách xác định chất giới hạn. Không dùng các mức chuyển hóa này làm dự báo hiệu suất của một lò Claus thực.
5. Hiệu suất công đoạn sau phải nhân với phần còn lại
Giả định khối Claus thu hồi 97% nguyên tố S đi vào. Sản phẩm tại khối đó là 16.640 × 0,97 = 16.140,8 kg/h, còn 499,2 kg S/h đi sang khối xử lý tiếp theo. Nếu khối sau thu hồi thêm 95% của chính phần còn lại, hiệu suất toàn chuỗi là:
η_tổng = η_1 + (1 − η_1)η_2
η_tổng = 0,97 + 0,03 × 0,95 = 0,9985
η_tổng = 99,85%
m_S,còn = 16.640 × 0,03 × 0,05 = 24,96 kg/h
Không cộng 97% và 95% thành 192%, vì mẫu số của hiệu suất thứ hai là lượng đi vào khối sau. Tương tự, nếu chỉ 98% lưu huỳnh của một ranh giới thượng nguồn được đưa tới chuỗi này, tỷ lệ thu hồi trên ranh giới thượng nguồn là 0,98 × 0,9985 = 97,853%. Cần ghi rõ điểm bắt đầu và điểm kết thúc của từng chỉ số.
Penn State mô tả xử lý khí đuôi nhằm tiếp tục xử lý các hợp chất lưu huỳnh, trong đó có COS và CS2 sinh ra do phản ứng phụ.[2] Khi lập sổ thực, phần “còn lại” cần được phân tích theo cấu tử thay vì giả định toàn bộ là H2S.
6. Khí đuôi tuần hoàn làm tải nội bộ lớn hơn tải mới
Xét một mô hình khác, không dùng hiệu suất 95% của ví dụ trước. Giả định mỗi lượt qua khối Claus thu hồi a = 0,97 lượng S đi vào lượt đó; khối sau đưa phần r = 0,90 của S chưa thu hồi quay về đầu Claus, còn phần kia rời hệ. Gọi F_S = 520 kmol S/h là dòng mới và T_S là dòng vào Claus gồm cả tuần hoàn.
T_S = F_S + r(1 − a)T_S
T_S = F_S/[1 − r(1 − a)]
T_S = 534,429599 kmol S/h
η_toàn_vòng = a/[1 − r(1 − a)] = 0,99691675
Tải S nội bộ cao hơn dòng mới khoảng 14,429599 kmol/h. Hiệu suất trên dòng mới là 99,691675%, còn hiệu suất mỗi lượt vẫn là 97%. Lấy dòng sản phẩm chia cho tải nội bộ rồi gọi là hiệu suất toàn cơ sở sẽ làm lẫn hai ranh giới.
Mô hình này giả định toàn bộ S được tuần hoàn có khả năng trở lại cùng tuyến phản ứng và không có tích lũy. Thành phần hóa học của dòng hoàn lưu, nước đi kèm và các tải nhiệt liên quan chưa được giải. Một cân bằng nguyên tố đóng không có nghĩa cấu hình đó đã đủ điều kiện vận hành.
7. Quy đổi S còn lại sang SO2 phải có giả thiết
Trong ví dụ hiệu suất toàn chuỗi 99,85%, phần chưa thu hồi là 24,96 kg S/h. Nếu giả định toàn bộ phần này được chuyển hoàn toàn thành SO2, không có dòng mất S khác và không tích lũy, khối lượng SO2 bằng:
m_SO2 = m_S × M_SO2/M_S
m_SO2 = 24,96 × 64/32 = 49,92 kg/h
Đây là khối lượng quy đổi theo nguyên tố, không phải nồng độ ppmv và không chứng minh đạt giới hạn phát thải. Muốn có nồng độ cần thêm lưu lượng khí khô hoặc ướt, điều kiện quy chiếu và cơ sở oxy nếu chỉ tiêu yêu cầu. Chuyển H2S thành SO2 cũng không làm nguyên tố S biến mất khỏi dòng khí.
Chiyoda mô tả riêng tuyến thu hồi lưu huỳnh, xử lý khí đuôi và khử khí H2S khỏi sản phẩm trước khi xuất.[3] Sự tách biệt này giúp nhận diện vì sao khối lượng sản phẩm tại một thiết bị chưa chắc bằng lượng giao nhận cuối kỳ.
8. Mở rộng sổ cho các cấu tử chứa nhiều nguyên tử S
Nếu một dòng bổ sung có 5 kmol/h COS và 2 kmol/h CS2, số mol S đi kèm là 5 + 2 × 2 = 9 kmol S/h, tương đương 288 kg/h theo bộ làm tròn. Không cộng đơn thuần 5 + 2 rồi nhân M_S, vì CS2 chứa hai nguyên tử S mỗi phân tử.
Một sổ đầy đủ cần cộng số nguyên tử S của từng cấu tử đầu vào, sản phẩm, khí đuôi, purge và thay đổi tồn. Sai lệch sổ có thể đến từ sai cơ sở khí khô/ướt, mẫu không đại diện hoặc thời điểm đo lệch nhau. Chỉ sau khi các dòng đã cùng kỳ và cùng cơ sở, hiệu suất thu hồi mới trở thành chỉ tiêu có thể đối chiếu và giải thích.
Nguồn tham khảo
[1] AP-42 Section8.13 — Sulfur Recovery — U.S. Environmental Protection Agency, final section April2015. Truy cập ngày 09/11/2026.
[2] Sulfur Recovery — Semih Eser, Pennsylvania State University, FSC432. Truy cập ngày 09/11/2026.
[3] Sulfur Recovery Unit (SRU) — Chiyoda Corporation, technical service description. Truy cập ngày 09/11/2026.
Rà soát nội dung: 09/11/2026.
Khi H2S chuyển thành lưu huỳnh nguyên tố, nguyên tử S không được tạo thêm. Lượng lưu huỳnh tối đa do dòng nguyên liệu quyết định; hiệu suất công nghệ xác định phần nào của lượng đó thành sản phẩm và phần nào còn trong khí, chất lỏng hoặc tồn thiết bị.
AP-42 mục 8.13 của EPA, bản tháng 04/2015, trình bày phản ứng tổng quát của quá trình Claus là 2H2S + O2 → 2S + 2H2O, cùng bước tạo SO2 và phản ứng giữa SO2 với H2S.[1] Bài này dùng các phương trình như sổ bảo toàn nguyên tố. Các tỷ lệ tính toán không phải điểm đặt không khí hoặc điều kiện vận hành cho thiết bị thực.
2. Tính lượng S tối đa từ khí acid giả định
Giả định một dòng khí khô 800 kmol/h có 65% mol H2S và 35% mol CO2, không có cấu tử khác chứa lưu huỳnh. Dòng H2S bằng 800 × 0,65 = 520 kmol/h. Mỗi mol H2S mang một mol nguyên tử S, nên tải nguyên tố lưu huỳnh là 520 kmol S/h.
Để mọi phép kiểm tra khối lượng trong ví dụ khép kín bằng số đơn giản, dùng bộ khối lượng nguyên tử làm tròn H = 1, O = 16, C = 12 và S = 32 kg/kmol nguyên tử. Đây là quy ước tính của bài, không dùng để thay số phân tử khối chính xác trong một mô hình thương mại.
m_S,tối_đa = 520 × 32 = 16.640 kg/h
m_S,tối_đa = 16,640 t/h = 399,360 t/ngày
Nếu biểu diễn sản phẩm dưới dạng S8, số mol phân tử tương đương là 520/8 = 65 kmol S8/h và khối lượng mol là 256 kg/kmol, cho cùng 16.640 kg/h. Việc đổi cách ghi phân tử không làm tăng hay giảm khối lượng S. Ký hiệu S trong cân bằng nguyên tố không khẳng định lưu huỳnh hơi thực chỉ tồn tại ở dạng đơn nguyên tử.
3. Vì sao xuất hiện tỷ số H2S:SO2 bằng hai
Gọi b là lượng H2S được oxy hóa thành SO2 trong mô hình hai phản ứng lý tưởng. Sau bước thứ nhất, SO2 bằng b và H2S còn lại bằng 520 − b. Để phản ứng 2H2S + SO2 → 3S + 2H2O tiêu thụ hết cả hai:
(520 − b)/b = 2
b = 520/3 = 173,333333 kmol/h
O2_tỷ_lượng = 1,5b = 260 kmol/h
Phương trình tổng cũng cho O2 bằng 0,5 × 520 = 260 kmol/h và nước tạo thành bằng 520 kmol/h, tức 9.360 kg/h theo bộ khối lượng làm tròn. Hai con đường suy ra cùng kết quả là một phép kiểm tra tốt cho hệ số phản ứng.
Với khí oxy hóa giả định chỉ gồm 21% mol O2 và 79% mol N2, lượng hỗn hợp tỷ lượng là 260/0,21 = 1.238,095238 kmol/h, mang 978,095238 kmol/h N2. Đây là phép đổi thành phần trên giấy. Dòng thực còn có độ ẩm, nhiên liệu phụ và các cấu tử tiêu thụ oxy khác, nên không lấy kết quả này làm hướng dẫn điều chỉnh đầu đốt.
4. Phản ứng giới hạn cho thấy tác động lệch tỷ lượng
Trong mô hình chỉ gồm hai phản ứng và giả định phản ứng thứ hai đi đến hết chất giới hạn, đặt b thấp hơn giá trị cân bằng 5 kmol/h, tức 168,333333 kmol/h. SO2 là chất giới hạn; lượng S hình thành bằng 3b = 505 kmol S/h và còn 15 kmol/h H2S.
Nếu b cao hơn giá trị cân bằng 5 kmol/h, tức 178,333333 kmol/h, H2S còn lại là 341,666667 kmol/h. Nó chỉ đủ phản ứng với 170,833333 kmol/h SO2, tạo 512,5 kmol S/h và để lại 7,5 kmol/h SO2.
Hai mức lệch b đối xứng không tạo cùng số mol chất chứa S còn lại vì hệ số tỷ lượng khác nhau. Ví dụ bỏ qua cân bằng hóa học, phản ứng phụ và lưu huỳnh đã tạo ở vùng nhiệt; nó chỉ minh họa cách xác định chất giới hạn. Không dùng các mức chuyển hóa này làm dự báo hiệu suất của một lò Claus thực.
5. Hiệu suất công đoạn sau phải nhân với phần còn lại
Giả định khối Claus thu hồi 97% nguyên tố S đi vào. Sản phẩm tại khối đó là 16.640 × 0,97 = 16.140,8 kg/h, còn 499,2 kg S/h đi sang khối xử lý tiếp theo. Nếu khối sau thu hồi thêm 95% của chính phần còn lại, hiệu suất toàn chuỗi là:
η_tổng = η_1 + (1 − η_1)η_2
η_tổng = 0,97 + 0,03 × 0,95 = 0,9985
η_tổng = 99,85%
m_S,còn = 16.640 × 0,03 × 0,05 = 24,96 kg/h
Không cộng 97% và 95% thành 192%, vì mẫu số của hiệu suất thứ hai là lượng đi vào khối sau. Tương tự, nếu chỉ 98% lưu huỳnh của một ranh giới thượng nguồn được đưa tới chuỗi này, tỷ lệ thu hồi trên ranh giới thượng nguồn là 0,98 × 0,9985 = 97,853%. Cần ghi rõ điểm bắt đầu và điểm kết thúc của từng chỉ số.
Penn State mô tả xử lý khí đuôi nhằm tiếp tục xử lý các hợp chất lưu huỳnh, trong đó có COS và CS2 sinh ra do phản ứng phụ.[2] Khi lập sổ thực, phần “còn lại” cần được phân tích theo cấu tử thay vì giả định toàn bộ là H2S.
6. Khí đuôi tuần hoàn làm tải nội bộ lớn hơn tải mới
Xét một mô hình khác, không dùng hiệu suất 95% của ví dụ trước. Giả định mỗi lượt qua khối Claus thu hồi a = 0,97 lượng S đi vào lượt đó; khối sau đưa phần r = 0,90 của S chưa thu hồi quay về đầu Claus, còn phần kia rời hệ. Gọi F_S = 520 kmol S/h là dòng mới và T_S là dòng vào Claus gồm cả tuần hoàn.
T_S = F_S + r(1 − a)T_S
T_S = F_S/[1 − r(1 − a)]
T_S = 534,429599 kmol S/h
η_toàn_vòng = a/[1 − r(1 − a)] = 0,99691675
Tải S nội bộ cao hơn dòng mới khoảng 14,429599 kmol/h. Hiệu suất trên dòng mới là 99,691675%, còn hiệu suất mỗi lượt vẫn là 97%. Lấy dòng sản phẩm chia cho tải nội bộ rồi gọi là hiệu suất toàn cơ sở sẽ làm lẫn hai ranh giới.
Mô hình này giả định toàn bộ S được tuần hoàn có khả năng trở lại cùng tuyến phản ứng và không có tích lũy. Thành phần hóa học của dòng hoàn lưu, nước đi kèm và các tải nhiệt liên quan chưa được giải. Một cân bằng nguyên tố đóng không có nghĩa cấu hình đó đã đủ điều kiện vận hành.
7. Quy đổi S còn lại sang SO2 phải có giả thiết
Trong ví dụ hiệu suất toàn chuỗi 99,85%, phần chưa thu hồi là 24,96 kg S/h. Nếu giả định toàn bộ phần này được chuyển hoàn toàn thành SO2, không có dòng mất S khác và không tích lũy, khối lượng SO2 bằng:
m_SO2 = m_S × M_SO2/M_S
m_SO2 = 24,96 × 64/32 = 49,92 kg/h
Đây là khối lượng quy đổi theo nguyên tố, không phải nồng độ ppmv và không chứng minh đạt giới hạn phát thải. Muốn có nồng độ cần thêm lưu lượng khí khô hoặc ướt, điều kiện quy chiếu và cơ sở oxy nếu chỉ tiêu yêu cầu. Chuyển H2S thành SO2 cũng không làm nguyên tố S biến mất khỏi dòng khí.
Chiyoda mô tả riêng tuyến thu hồi lưu huỳnh, xử lý khí đuôi và khử khí H2S khỏi sản phẩm trước khi xuất.[3] Sự tách biệt này giúp nhận diện vì sao khối lượng sản phẩm tại một thiết bị chưa chắc bằng lượng giao nhận cuối kỳ.
8. Mở rộng sổ cho các cấu tử chứa nhiều nguyên tử S
Nếu một dòng bổ sung có 5 kmol/h COS và 2 kmol/h CS2, số mol S đi kèm là 5 + 2 × 2 = 9 kmol S/h, tương đương 288 kg/h theo bộ làm tròn. Không cộng đơn thuần 5 + 2 rồi nhân M_S, vì CS2 chứa hai nguyên tử S mỗi phân tử.
Một sổ đầy đủ cần cộng số nguyên tử S của từng cấu tử đầu vào, sản phẩm, khí đuôi, purge và thay đổi tồn. Sai lệch sổ có thể đến từ sai cơ sở khí khô/ướt, mẫu không đại diện hoặc thời điểm đo lệch nhau. Chỉ sau khi các dòng đã cùng kỳ và cùng cơ sở, hiệu suất thu hồi mới trở thành chỉ tiêu có thể đối chiếu và giải thích.
Nguồn tham khảo
[1] AP-42 Section8.13 — Sulfur Recovery — U.S. Environmental Protection Agency, final section April2015. Truy cập ngày 09/11/2026.
[2] Sulfur Recovery — Semih Eser, Pennsylvania State University, FSC432. Truy cập ngày 09/11/2026.
[3] Sulfur Recovery Unit (SRU) — Chiyoda Corporation, technical service description. Truy cập ngày 09/11/2026.
Rà soát nội dung: 09/11/2026.
