专利名称：用于连续多个区质量传递的流动控制方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于使液体与多种不同的气体相继在具有多个气液接触区的气液接触设备中接触的方法和设备，每一气液接触区与单一容器内的至少一个其它气液接触区流体连通用于气体与液体之间的质量传递，以此方式通过气液接触区与中间充液降液管之间总是存在的密度差来产生溶液循环，而不使用溶液循环泵。更特定来说，本发明涉及用于从流体流连续去除硫化氢气体(H2S)的方法和设备，其通过使流体流与催化性氧化还原多价金属溶液反应以去除H2S气体，并通过使催化性溶液与含氧气体反应来连续地再生。此工·艺特定适合于在相对低的压力(例如，小于I巴表压)下处理具有相对高H2S浓度(例如，至少I体积％ )的工艺气体流，而且可用于在任一压力下的工艺气体流。
背景技术：
本发明的方法和设备改进超过先前美国专利申请案第4，238，462号和第5，160，714号中所阐述的自动循环方法和设备且可用于在分离的接触区中液体接触两种不同气体的情形下的气液质量传递。在使用铁螯合物催化剂将硫污染物(例如硫化氢)催化氧化成元素硫中所涉及的一系列反应可由以下反应表示，其中L 一般地表示所选的用于调配金属螯合物催化剂混合物的两个或两个以上特定配位体⑴H2S (气体)+H2O (
液体)
—h2s(
水性)
+H2O
(液体)(2) H2S (水性)—H++HS(3) HS +2 (Fe3+L2) — S(固体)+2 (Fe2+L2)+H+通过将反应式⑴到(3)组合，所得反应式为(4)H2S(nft)+2(Fe3+L2) — 2H++2 (Fe2+L2)+S (固体)为了在使用多价金属螯合物混合物以实现硫化氢的催化氧化时获得从气态流去除硫化氢的经济可行的工艺，必要的是使所形成的二价铁螯合物(如上文所举例证明)通过在同一或分离的接触区中接触具有溶解氧(优选呈环境空气形式)的反应溶液氧化成三价铁螯合物来连续再生。在再生金属螯合物催化剂时，在本发明的氧化器中所发生的一系列反应可由以下反应式表示(5) O2 (气体)+2H20 — 02(水性)+2H20(6) 02(水性)+2H20+4 (Fe2+L2) — 4 (OH ) +4 (Fe3+L2)通过将反应式(5)到(6)组合，所得反应式(J)为(7) 1/202+H20+2 (Fe2+L2) — 2 (OF) +2 (Fe3+L2)而且，当将反应式⑷和(7)组合时，整个过程可由以下反应式表示(8)H2S(i#)+1/202(，#) — S( _)+H20(液体)
从上述反应式将明显看出，对于所处理的每摩尔硫化氢气体来说，理论上必须将2摩尔三价铁施加到反应区，硫化氢气体在反应区中被氧化形成元素硫，且在实际应用中使用大大超过理论量的铁。在通过与催化性三价铁溶液接触来去除硫化氢的连续工艺中，使催化性溶液在吸收器区(其中H2S被催化性三价铁螯合物溶液吸收且溶液被还原为二价铁)与用于将经还原二价铁氧化回到三价铁状态的氧化器区之间连续循环。为避免在催化性溶液中使用高浓度铁，循环速率将较高。在早期自动循环参考文献中所阐述的方法和设备在商业上已成功，但所述方法和设备的商业使用具有许多缺点，包括缺乏对每一反应区中用于气液接触的停留时间的一定控制和差的液体流动控制。美国专利第5，160，714号提供使液体在单一容器内的分离的质量传递区中相继与不同气体接触的方法，由此通过在质量传递区中的充气液体密度与在前一液体降液管中的非充气液体密度的差来促进液体从一个质量传递区流动到另一个质量传递区的速率。此密度差充当“泵”来产生驱动力。在此专利中，预期液体流动速率将仅通过调整到一个或一个以上质量传递区的气体速率来控制；然而，由于气体到各个质量传递区的速率一般是由工艺要求而非液体流动速率来管控，因此已证明其并不实用。进入设备 的酸性气体的量和组成通常由上游工艺控制且因此并不取决于设备的操作。设备的操作必须能够调整入口酸性气体条件。注入氧化区中的空气的量取决于酸性气体中所含有的H2S的量，且液体循环速率最低限度必须供应足够摩尔的铁以满足反应区中的反应式3。如果不加以控制，那么实际溶液循环速率将由设备的物理特性和反应区与氧化器区的充气密度决定。如果溶液循环速率太高，那么氧可被从氧化区转移到反应区中，导致产生不想要的副产物，例如硫酸盐。如果溶液循环速率太低，那么供应到反应区的铁将不足以满足反应3，导致形成硫化铁并沉淀。为了弥补此控制不足，在使用过的试剂从吸收器再循环到氧化器的液体管道线中安装各种物件(例如，蝶形阀、节流楔形件和滑动闸门)。不幸地，由于液体中所夹带的固体(即，元素硫)造成堵塞，因此已证明所有所提出的用以控制液体流动穿过质量传递区的解决方案均是不切实际的。本发明解决了此项技术中的这些需要且特别的提供减轻先前流动控制装置中的所有问题和困难的设备和工艺步骤。从以下本发明的更详细描述中，这些和其它优点将变得更明显。
发明内容
本发明通过提供使液体试剂相继与工艺气体和第二气体接触的连续工艺克服了先前已知工艺的缺点，所述连续工艺包含将工艺气体引入到含有液体试剂的下游质量传递区中的步骤，其中质量传递区与第二降液管流体连通。工艺气体优选含有H2S且第二气体优选含有氧。来自下游质量传递区的液体试剂可任选地流入浪涌降液管中，在其中将其去除并再循环到与第一降液管流体连通的上游质量传递区。将第二气体以第一流动速率引入到上游质量传递区中，在其中其在流入到第一降液管中之前与液体试剂混合。将第三气体引入到第一降液管中，其中所述第三气体与从上游质量传递区流动而来的液体试剂混合。第三气体可(但非必需)与第二气体为相同气体。使来自第一降液管的液体试剂流入与第二降液管流体连通的中间质量传递区中。第二气体可也引入到此中间质量传递区中。
改变第三气体引入到第一降液管中的流动速率控制液体试剂从上游质量传递区到中间质量传递区的流动。此可能是由于充气溶液的密度随溶液的非充气密度成正比地变化且随穿过溶液的气体速度成反比地变化，即，气体速度越高，充气密度越低。因此，第一降液管中液体的密度(或比重)越低，液体从上游质量传递区到中间质量传递区的流动越慢。调整第三气体添加到第一降液管的速度允许增加或降低液体的流动以获得最佳硫去除。如先前所阐述，理想的溶液循环速率是供应足够摩尔的三价铁以氧化硫离子且同时供应足够摩尔的氧来氧化二价铁离子。如果溶液循环速率太高，那么可将硫离子输送到氧化器区中，导致形成副产物，例如硫代硫酸盐和硫酸盐。如果溶液循环速率太低，那么将不会有足够的三价铁离子来氧化硫离子。在此情形中，铁将被过度还原，导致形成对工艺极为有害的硫化铁。在本发明的其它实施例中，也可将第二气体的流动引入到中间质量传递区中的液体试剂中，且可将第三气体的流动引入到第二降液管中，以控制液体试剂从中间质量传递区到下游质量传递区的流动。再次，第二气体和第三气体可相同。第二气体和第三气体的流动速率可使用此项技术中已知的控制器来控制和改变。一般不会精确控制含有氧的第二气体的流动速率。系统一般设计有2或3个“空气鼓风 机”，且通过打开或关闭鼓风机来控制到单元的空气流动。此通过分析溶液的“氧化还原(REDOX) ”电位(一种所属领域的技术人员熟知的常规分析程序)来测定。如果氧化还原电位太低，此意味着铁离子氧化不充分，那么可增加含氧气体的流动速率。如果“氧化还原”电位太高，此意味着铁离子被过度氧化，那么应降低含氧气体的流动速率。低氧化还原电位的另一个原因在于未充分氧化的铁(Fe+++)被供应到反应区来满足反应式3。如果发生此种情形，那么可增加溶液的铁含量；然而，此由于来自系统的与溶液损失相关联的较高铁损失而将导致较高的操作成本。满足反应区的铁需求的另一种方法是通过增加第三气体的流动速率增加溶液循环速率。此将增加反应区和/或氧化区与对应降液管之间的密度差。再次，通过溶液的氧化还原电位的变化测定调整量。如果增加溶液循环速率以满足反应区的铁需求而且由于携带氧进入反应区中而使得副产物形成增加，那么应通过增加进入降液管的第三气体的流动与相应增加溶液铁含量相结合来降低循环速率。质量传递区或室中的每一者可分成两个或两个以上分离的接触区段用于连续的气液接触。每一气液质量传递区的分离的区段彼此通过中间降液管按顺序流体连通，中间降液管是由从一个区段下游端的上部部分向下延伸的倒堰和从随后区段的上游端向上延伸的潜堰形成，所述堰水平隔开且在液体内垂直重叠。根据优选实施例，含有气体分布器的至少一个降液管将一个气液质量传递区与另一个气液质量传递区分离，以提供在两个质量传递区之间的受控的停留时间和受控的溶液循环，优选用于按顺序在每一区中接触不同气体。在优选布置中，上游质量传递区为第一区，中间质量传递区为第二区，且下游质量传递区为第三区。然而，具有超过三个质量传递区且每一者由一个或一个以上降液管分离也在本发明的范围内。特别地，本发明提供用于以下的自动循环方法和设备通过在一个质量传递区中紧密接触催化性多价金属氧化还原溶液从工艺气体流连续去除硫化氢(H2S)气体，且通过在分离的质量传递区中与氧化性气体紧密接触以在相同容器中连续再生催化性溶液。在此将H2S氧化成硫和水的液体氧化还原过程中，液体试剂与第二气体接触导致发生氧化反应而形成元素硫。特定地，在优选实施例中，工艺气体包括硫化氢气体且液体试剂为氧化-还原溶液，由此实现硫化氢气体的氧化和氧化-还原溶液的还原以在第三质量传递区形成经还原的氧化-还原溶液和元素硫。第二气体能够氧化经还原溶液以在第一质量传递区和第二质量传递区中形成经氧化的溶液，以使经氧化的溶液能够在第三质量传递区中进一步吸收工艺气体。为执行本发明工艺， 阐述用于使液体试剂相继与工艺气体和第二气体连续接触的设备，其包含与第一降液管流体连通的第一质量传递区和与第一降液管和第二降液管流体连通的第二质量传递区。第三质量传递区与第二降液管流体连通且在第一质量传递区和第二质量传递区的下游。在第三质量传递区中引入工艺气体。浪涌降液管可在第三质量传递区的下游，且可使用连接浪涌降液管与第一质量传递区的液体试剂再循环导管以使用过的液体试剂再循环到质量传递区用于再生。个别气体分布器可提供于每一质量传递区中，但必须纳入至少一个降液管中。或者，气体分布器可提供于其它降液管中以控制其它质量传递区之间的液体流动。可使用任一类型的机械或电控制器来改变进给到质量传递区和降液管中的分布器的气体的流动速率。同样，可使用此项技术已知的任一气体分布器设计来将气体注入到充液降液管中。本发明到目前为止已特定以使用铁作为所选多价金属作为重点进行阐述；然而，也可使用与以上所阐述的配位体形成螯合物的多价金属。此等额外多价金属包括铜、钴、钒、锰、钼、钨、镍、汞、锡和铅。螯合剂一般为氨基多羧酸家族(例如EDTA、HEDTA, MGDA和NTA)或可结合本发明使用的其它任一种螯合剂。这些和其它实施例从下文所包含的优选实施例的详细说明将变得更显而易见。
本发明的以上和其它方面和优点结合附图根据本发明的以下详细说明将变得更显而易见，其中图I是本发明的气液质量传递氧化器/吸收器容器的一个实施例的侧视图；图2是本发明的气液质量传递容器呈圆形设计的另一实施例的俯视图；图3是展示4种具有不同比重的非充气溶液的充气密度与气体速度的关系的曲线图；且图4是展示有效摩擦压降与降液管中的气体速度的关系的曲线图。
具体实施例方式现在转到附图且首先到图1，图解说明展示气体分布器10插入到一个或一个以上连接两个质量传递区13的降液管12中的本发明的一个实施例。分布器10位于倒堰11底部的上方。接着将气体注入分布器10中。当注入气体的量增加时，降液管12中液体的充气密度将接近质量传递区13中液体的充气密度。分布器10可插入到降液管12中，所述降液管分离两个或两个以上氧化质量传递区和/或两个或两个以上工艺气体质量传递区。以下是关于装置如何控制溶液流动的解释。如上文所提及，充气溶液的密度随溶液的非充气密度成正比地变化且随穿过溶液的气体速度成反比地变化。换句话说，气体速度越高，充气密度越低且驱动力越低，由此流动速率越低。图3中图解说明含有各种量的无机盐(其改变溶液的比重)的水溶液的此种关系。图I中点A附近的压力平衡产生以下等式( P d) (H2) + ( P J (H1-H2) - (Fd) = ( P J (HI) - (Ftz)或者(Fd-Ftz) = (Pd) (H2) + Pna (H1-H2) - ( P tz) (HI)其中P d =降液管中的溶液密度，磅/立方英尺
·
Pna =非充气溶液密度，磅/立方英尺P tz =质量传递区中的溶液密度，磅/立方英尺Hl =质量传递区中超过分布器的溶液高度，英尺H2 =降液管中超过分布器的溶液高度，英尺Fd =降液管中由于溶液流动造成的摩擦压降，磅/平方英尺Ftz =质量传递区中由于溶液流动造成的摩擦压降，磅/平方英尺术语(Fd-Ftz)是溶液流动通过降液管和质量传递区所产生的摩擦压降的差。其与两种溶液速度的平方差有关。举例来说，假设在质量传递区中溶液速度为5英尺/分钟，对于Hl溶液高度为8英尺且对于H2为6英尺，那么增加降液管中气体速度的效应在图4中图解说明。随着有效摩擦压降增加，系统压力平衡所需的通过降液管的溶液流动速率增加。与此相反，随着更多的气体被注入到降液管分布器中，有效摩擦压降或驱动力降低，导致溶液流动较小。当使用图I的设备用于硫去除工艺时，吸收器室32通过浪涌降液管4并经由导管5流体连通式连接到氧化器34的第一质量传递区13。通过由充气所引起的液体密度差(如上文所阐述)、具体地通过由控制阀6控制气体到位于一个或一个以上降液管12中的一个或一个以上分布器10的流动来驱动循环。富含H2S的气体通过管线I引入到吸收器的底部，通过吸收器室32中的分布器9以与液体三价铁螯合物催化剂溶液14紧密接触。H2S连同经氧化的催化剂溶液从氧化器区的第三区段(stage)或最后一个区段上升到吸收区，且在经氧化的催化剂溶液在吸收区中从工艺气体中吸收H2S并将其转化成硫之后，载有硫的液体催化剂溶液在将吸收器室32与浪涌降液管4分开的挡板50上方流动，并通过导管5流到第一氧化器区段34。在一个优选实施例中，倾斜板(未展示)形成浪涌降液管4的底板以将任何沉降的硫引导到出口(未展示)。最终通过过滤将硫从系统中去除。第一氧化器区段中载有H2S的液体催化剂被通过管线2和泵3递送接着流动通过分布器15的含氧气体氧化，并在挡板8上方且在挡板11下方流到中间氧化器。中间氧化器中的经部分氧化的溶液进一步被流动通过分布器的含氧气体氧化最后流到吸收器32中。用过的氧化气体从每个氧化器质量传递区的顶部通过出口导管(未展示)排放。所有排放的气体在释放到大气中之前可经处理。图2中所展示的工艺和设备的圆形设计(一般指定为30)包括吸收器室32和分成三个由气体分离的区段34、36和38的氧化器室。安置在吸收器室32与第一氧化区段34之间的水平且垂直隔开的挡板或堰40和42界定其间的降液管44，用于在氧化载有H2S的多价金属螯合物溶液之前容纳所述螯合物溶液。类似的降液管展示为45、47和48，各自由水平且垂直隔开的挡板界定，以使得46和48安置在第一氧化器区段34和第二氧化器区段36之间；水平且垂直隔开的挡板41和43安置在第二氧化器区段36和第三氧化器区段38之间；且水平且垂直隔开的挡板49和50安置在第三氧化器区段38与吸收器室32之间。隔开的挡板或堰(weir)如同图I中所展示进行构造，以使得来自吸收器的液体在挡板40上方且在挡板42下方流动，且来自每个接连氧化器区段的液体在其邻近的挡板46、41和49上方且在邻近下一个接连区的挡板48、43或50下方流动。尽管图2中未展示，但气体分布器安置在氧化器质量传递区中、吸收器质量传递区中和一个或一个以上降液管中。优选地，图2中所展示的圆柱形吸收器/氧化器容器具有平面的水平安置的底板。
特定实施例的上述说明将如此充分地揭示本发明的一般特性，以使得其他人可通过运用现有知识在不背离一般概念的情况下容易地修改和/或调适这些特定实施例以用于各种应用，且因此这些调适和修改打算包含在所揭示实施例的等效物的含义和范围内。应了解，本文中的用语或术语是出于说明而非限制的目的。
权利要求
1.一种使液体试剂相继与工艺气体和第二气体接触的连续方法，其包含以下步骤 (a)将工艺气体引入到含有液体试剂的下游质量传递区中，其中所述下游质量传递区与第二降液管和下游降液管流体连通； (b)将液体试剂从所述下游降液管中移出并使所述经移出的液体试剂循环到与第一降液管流体连通的上游质量传递区，其中将第一流动速率的第二气体引入到所述上游质量传递区中的所述液体试剂中并与其混合； (c)以第二流动速率将第三气体引入到所述第一降液管中，在所述第一降液管中所述第三气体与从所述上游质量传递区流动而来的所述液体试剂混合；和 (d)使来自所述第一降液管的所述液体试剂流到与所述第二降液管流体连通的中间质量传递区中， 其中所述液体试剂从所述上游质量传递区到所述中间质量传递区的流动是通过改变引入到所述第一降液管中的所述第三气体的所述第二流动速率来控制。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述第二气体和所述第三气体是相同的气体。
3.根据权利要求I所述的方法，其中使用第三流动速率将所述第二气体引入到所述中间质量传递区中的所述液体试剂中。
4.根据权利要求I所述的方法，其中使用第四流动速率将所述第三气体引入到所述第二降液管中的所述液体试剂中。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述液体试剂从所述中间质量传递区到所述下游质量传递区的流动是通过改变所述第三气体的所述第四流动速率来控制。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二气体和所述第三气体是相同的气体。
7.根据权利要求I所述的方法，其中所述第一流动速率与所述第二流动速率不同。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第三流动速率与第四流动速率不同。
9.根据权利要求3所述的方法，其中所述第二气体的所述第一流动速率与第三流动速率不同。
10.根据权利要求I所述的方法，其中所述液体试剂与所述第二气体的接触引起氧化反应发生。
11.根据权利要求I所述的方法，其中所述液体试剂与所述第二气体的接触引起氧化反应发生从而形成元素硫。
12.根据权利要求I所述的方法，其中所述工艺气体包括硫化氢气体且所述液体试剂是氧化-还原溶液，从而实现所述硫化氢气体的氧化和所述氧化-还原溶液的还原并在所述第三质量传递区中形成经还原的氧化-还原溶液并形成元素硫；且其中所述第二气体能够氧化所述经还原的溶液以在所述第一质量传递区和所述第二质量传递区中形成经氧化的溶液，以使得所述经氧化的溶液能够在所述第三质量传递区中进一步吸收所述工艺气体。
13.一种用于使液体试剂相继与工艺气体和第二气体接触的连续方法的设备，其包含以下各项的组合 (a)与第一降液管流体连通的第一质量传递区； (b)与所述第一降液管和第二降液管流体连通的第二质量传递区； (C)与所述第二降液管流体连通的第三质量传递区；和(d)位于每个质量传递区中且位于所述第一降液管或所述第二降液管中的至少一者中的个别气体分布器。
14.根据权利要求13所述的设备，其进一步包含可操作地连接到至少位于所述第一降液管或所述第二降液管中的所述气体分布器的控制器。
15.根据权利要求13所述的设备，其进一步包含将与所述第三质量传递区流体连通的浪涌降液管连接到所述第一质量传递区的液体试剂再循环导管。
全文摘要
本发明涉及一种使液体在单一容器内的分离的质量传递区中相继与不同气体接触的设备和方法，所述质量传递区可操作地彼此流体连通，所述设备和方法包括使所述液体与工艺气体以同向流方式在下游质量传递区中紧密接触以实现所述液体与所述工艺气体之间的质量传递，和将所述液体与不同于所述工艺气体的第二气体引入到上游质量传递区中，从而实现所述液体与所述第二气体之间的质量传递。所述液体从所述上游质量传递区到下游质量传递区的流动速率是通过将第三气体控制式添加到一个或一个以上分离每个质量传递区的降液管中来控制，以使得所述降液管中所述液体的比密度提供控制流动的驱动力。
文档编号C01B17/05GK102917772SQ201180026442
公开日2013年2月6日 申请日期2011年6月6日 优先权日2010年6月7日
发明者大卫·阿兰·霍布森 申请人:摩瑞奇曼公司