硫脱气设备和方法与流程

本申请要求于2013年8月29日提交的美国非临时专利申请13/598,516的权益，其全部内容在此通过引用以其整体并入。

技术领域

本发明涉及一种从液态硫(硫磺)除去硫化氢和多硫化氢的改进工艺。通过质量转移将硫化氢清除至通过使空气穿过穿孔板产生的空气泡。使用挥发性催化剂使多硫化氢快速分解为硫化氢。

背景技术：

广泛使用克劳斯工艺从含硫油气或其它气态硫化氢生产液态硫。本行业中已知所产生的硫含有两种硫化氢，即物理溶解的硫化氢H₂S和多硫化氢H₂S_x，多硫化氢H₂S_x为溶解的H₂S与液态硫的反应产物。在使用克劳斯工艺的加工装置中生产的液态硫可能含500百万分重量比(ppmw，其中以H₂S等效物表示H₂S_x)以上。

现有的H₂S-硫系统包括两种关联的可逆反应，即H₂S在液态硫中的物理溶解，其随着温度而降低(由可逆反应(下面的1)表示，其中H₂S_(g)代表气相H₂S，并且H₂S_(d)代表液态硫中溶解的H₂S)，以及在溶解的H₂S和液态硫之间存在的另外的可逆反应(下面的2)，其随着温度增加。

在克劳斯装置中生产之后，所溶解的H₂S自发地脱气到贯穿处理、储存和运输链存在的罐和/或容器(例如凹坑、罐、轨车、罐车等等)的顶部空间中。随着时间推移，气相中的浓度可能达到有毒或可爆炸水平。空气中的爆炸下限约为4％的体积比；致命浓度约为600百万分体积比(ppmv)。另外，低于0.001ppmv浓度的逸出排放物可导致刺鼻气味。考虑到H₂S在处理链中的潜在积聚的危害水平，明显需要对硫进行脱气。本行业通常采用的脱气基准(通常为了避免在运输期间达到可爆炸水平)为10百万分重量比。

关于工业脱气器的主要考虑包括所溶解的H₂S从液相变为气相(反应-1)以及H₂S_x分解(反应-2)的速率。可通过下列方式最大化所溶解的H₂S的脱气率：(a)产生用于气-液质量转移的大表面；和(b)减小与交界面相邻的边界层，所溶解的H₂S扩散穿过该交界面以达到气-液表面。可通过下列方式产生大表面积：产生极大数量细小硫液滴；产生极大数量吹脱气的气泡；或装填。在使用气泡的方法中，大多数情况下优选的吹脱气为空气，因为空气比惰性气体或蒸汽更便宜，此外，空气具有另外的益处，即通过与氧气反应消耗掉一部分H₂S和H₂S_x(反应产物为硫和水)。搅拌和循环几乎总是该工艺的一部分，因为这提高了所溶解的H₂S扩散通过围绕气泡的液体边界层的速率。

虽然所溶解的H₂S直接发展为气相，但是H₂S_x通常不是如此。其中除去H₂S_x的工艺通常经由第一分解成为溶解的H₂S(反应-2)，然后所溶解的H₂S的质量转移脱气跨过气-液边界(反应-1)。分解反应趋向于非常缓慢，使得H₂S_x作为H₂S气体源长期存在。

H₂S_x的缓慢分解代表了脱气工艺中的主要障碍。出于该原因，多种脱气工艺使用催化剂，以加速分解反应。催化剂可能为液体或固体(通常为颗粒床)。已经使用了许多不同的化学类型，包括胺。过去，使用胺受到本行业的冷遇，因为随后固化的固态硫不可接受地易碎，这导致产品的灰尘非常多。

一旦H₂S变为气相，就可使用多种清除器，诸如风扇、喷射器等将其从脱气器除去。从液态硫提取的含H₂S的废液可被输送至焚化炉、尾气处理单元或者返回克劳斯处理装置的前端。

已经授予了各种脱气专利，其中一些与基于气-液接触(鼓泡)使用的方法和胺型液态催化剂的使用相关。虽然脱气率主要取决于鼓泡的效率，但是公开鼓泡气体(sparging gas)的专利几乎未提供对鼓泡设备的描述。下文确定来自相关专利的例示性实例。

美国专利4,729,887(Pendergraft)公开了一种容器，其为具有三个室的混凝土凹坑。中间室包括氧化铝床或浸渍钴-钼的氧化铝床(固态催化剂)。将空气输送给在催化剂床之下设有多个穿孔管的分配器歧管。空气有助于使硫循环穿过该床。

美国专利5,935,548(Franklin)公开了一种系统，其中使用被供以部分脱气硫的喷射器(其搅拌/混合液态硫)搅拌和混合硫。通过管供应空气，并且空气(a)在喷射器附近排出(b)排出到部分脱气硫的流中或(c)排出至喷射器之下的“鼓泡器”。鼓泡器看起来由设有多个开口的管组成。不指定管或其中的开口的直径。

美国专利6,149,887(Legas)公开了一种由多种室或挡板布置组成的设备。将经加热的气体进给至每个室中的分配器。Franklin意图使用具有多个小开口的管产生精细分开的气泡。

美国专利6,676,918(Wu)公开了一种在克劳斯倾入密封罐中脱气的方法。在一定压力下，经由具有小开口喷嘴的管线将压缩空气注入到密封罐的环状空间中。

美国专利申请2011/0182802A1(Garg)公开了一种将压缩空气供应至位于封装之下的气体扩散器的系统。该扩散器具有预定形状和尺寸，并且设有封装开口1/4的孔。也可使用烧结金属扩散器。

加拿大专利2,170,021(Ellenor)公开了配备有推进器/护罩组件的四个室。空气被推进器吸入液态硫中，并且然后混合物穿过产生小气泡的穿孔护罩以使该室充气。高湍流与细小气泡组合，导致非常快速地脱气。添加吗啉和环己胺的混合物，以催化分解H₂S_x。最后一个室专用于通过脱气除去挥发性催化剂。这样就消除了产生易碎(固态)产物的缺点。

技术实现要素：

根据本发明的一个或更多个实施方式的一方面，本发明由一种紧凑的便携式廉价设备以及一种生产具有小于10ppmw的H₂S的高质量产物的方法组成。使用一种新颖的鼓泡系统实现快速脱气。在一个实施方式中，鼓泡系统使用穿孔板以及隔室以在硫液体中产生高浓度的气泡。穿过硫升高的高浓度气泡导致大表面积并且促进有力搅动，该有力搅动导致快速除去硫化氢。使用催化剂诸如胺或胺的混合物导致从液态硫快速地除去多硫化氢。

通过下文的说明、附图和所附的权利要求将明白本发明的其它方面。

附图说明

图1示出根据本发明的一个或更多个实施方式的脱气设备的剖视立面图。

图2示出根据本发明的一个或更多个实施方式的鼓泡器设备的部件的等轴测视图。

图3示出根据本发明的一个或更多个实施方式的鼓泡器设备的部件的等轴测视图。

图4示出根据本发明的一个或更多个实施方式的鼓泡气垫的均匀间隔穿孔的分解图。

具体实施方式

现在将参考附图详细地描述本发明的特定实施方式。为了一致，以相同的附图标记指示各个图中的相同元件。此外，在下面本发明的实施方式的详细说明中，提出许多特定细节，以便提供对本发明的更透彻理解。在其它情况下，为了避免混淆本发明的实施方式的说明，未详细描述众所周知的特征。

图1示出根据本发明的一个或更多个实施方式的脱气设备的剖视立面图。脱气设备由容器1组成。图中所示的容器1的形状为盒状形状。本领域技术人员应明白，容器的形状不必为盒状，相反，重要的是将容器尺寸设定成适合生产率。在本发明的一个实施方式中，容器1为盒状，尺寸为2.1米x 6.4米x 2.5米(WxLxH)，该尺寸足够大以90吨/小时对硫脱气。可考虑更高或更低的生产量。也就是说，脱气生产量可按比例放大或缩小。能够通过并联使用超过一个脱气器来提供更高的生产量。能够对明显低于90TPH的生产量使用缩小(较小)版本，以优化效率，并且最小化建设、占地面积、能量消耗等方面的成本。考虑到，可通过使多个室具有减小的体积，诸如较小占地面积，来降低脱气工艺的生产量。

在一个实施方式中，容器1的外壁由凹坑板构成，该凹坑板由通道组成，该通道用于使蒸汽穿过并且冷凝。蒸汽用于保持容器1中的内容物高于硫的熔点。优选的液态硫温度范围为125℃至155℃。硫的温度可由PCL系统测量(设备未示出)和控制。也能够使容器1绝热。

在本发明的一个实施方式中，容器1设有隔板2、3、4和5，隔板2、3、4和5将容器1分为四个脱气室6、7、8、9和一个泵室10。

隔板2、3和4将容器1分为每个都近似为相同尺寸的多个脱气室或罐。优选实施方式包括4个脱气室。这些隔板延伸超过正常硫水平。而且，在优选实施方式中，隔板2、3和4的高度为1.6米高。隔板5的高度决定室9中的操作硫水平，所以隔板5通常低于其它室(通常高达立管(下文讨论)的水平)。在平面图中，这些室为2.1m宽x 1.5m长x 2.5m高。在一个实施方式中，随着液态硫穿过脱气室6、7、8、9，每个室的液态硫水平52(即，高度)都从一个室至另一个室稍微降低。

硫管线11(通常带蒸汽套)允许液态硫LS(具有高水平的H₂S和H₂S_x)进入至室6。在优选实施方式中，允许液态硫LS以大约恒定的速率持续地进入。硫通过立管12从室6流动到脱气室7中。同样地，液态硫通过立管13从室7流动到脱气室8，并且通过立管14从脱气室8流动到脱气室9。在液态硫在室6至9中驻留的同时，对液态硫脱气。室9还专用于除去催化剂(如下文所述)。来自室9的脱气硫在隔板5上流动到泵室10中。

经由管线11供应液态硫的硫泵可为必需或不必需(并且未示出)的。在一个实施方式中，立管12、13和14的尺寸和形状相同。立管的优选直径为0.10米至0.30米，并且进一步优选从0.15米至0.25米。立管的优选顶至底长度为0.3米至2.0米(高度可变，以获得受期望驻留时间控制的期望室液体体积)。立管由穿过隔板的隔板法兰(未示出)支撑。也考虑，在本发明的第二实施方式中，不使用立管将液态硫从一个室转移至另一室。在第二实施方式中，硫穿过隔板2、3和4中的开口(或穿孔或狭缝)从一个室流动至另一个室。开口可为位于底板附近的矩形穿孔/狭缝或圆孔，使得进入室的流趋向于被卷入到上升(如下文公开的)气泡柱中。

在优选实施方式中，硫泵15经由管线16从泵室10除去脱气硫DS。通常由控制阀47维持泵室10中的水平。不是始终需要硫泵15或其操作。在一些情况下，室10中的脱气硫DS可为仅重力地排到凹坑(未示出)中。通常，在该情况下，不严格要求泵室10中的水平控制。然而，在优选实施方式中，容器1是“密封的”。这意味着排出管的流出点始终低于凹坑中的硫水平。硫管线11设有截止阀或流量控制阀49，但不要求如此。

空气管线17与空气管线18以及室6中的鼓泡气垫19、空气管线21以及室7中的鼓泡气垫22、空气管线24以及室8中的鼓泡气垫25和空气管线27以及室9中的鼓泡气垫28流体连通。在优选实施方式中，鼓泡气垫19、22、25和28分别设有穿孔板20、23、26和29。使用鼓风机30以向管线17提供鼓泡气体70。管线17中的压力由阀31控制。优选压力为1psi至10psi(压力主要由硫高于鼓泡气垫的高度(取决于工艺要求，该水平可变)控制)。分别在管线18、21、24和27中设置阀32、33、34和35，以控制到每个相应的鼓泡气垫(如下文讨论的)的鼓泡气体的流量。

每个脱气室不必须具有相同的鼓泡气体流量，但是在优选实施方式中，鼓泡气体流量应大致相等。根据本发明的一个或更多个优选实施方式，在图2和3中示出用于每个脱气室的鼓泡气垫。鼓泡气垫200由穿孔板210组成，穿孔板210覆盖脱气室的占地面积的大部分。在本发明的一个实施方式中，鼓泡气垫200的效率取决于：(a)使室中的液态硫暴露于在室中上升的小鼓泡气泡；和(b)鼓泡气泡的向上流动导致液态硫在室中搅动和循环(例如，参见图1中用于脱气室8的诱发硫循环220)。鼓泡气泡和液态硫的暴露、循环和搅动的程度取决于空气/硫比例。当使用空气作为鼓泡气体时，优选的空气/硫比例范围为0.008m³至0.15m³空气/kg硫，并且进一步优选为0.037m³至0.094m³空气/kg硫。

参考图2和3，在一个实施方式中，鼓泡气垫200由具有内部隔板310的焊接框架300组成。在图2中示出室壁230的剖视图。隔板310产生多个隔室或腔室(在优选实施方式中，焊接框架300具有8个隔板310，产生8个隔室)。穿孔板210附接(在优选实施方式中，该板被栓固)至框架300和隔板310。鼓泡气体管220(例如，该鼓泡气体管220能够为图1中用于室6的管线18)附接在框架300的中心处。鼓泡气体管220延伸至框架300的底部，其中设置开口255用于鼓泡气体流动到穿孔板210之下的多个隔室240a、240b和240c、240d(该实施方式中未示出鼓泡气垫200的其它4个隔室)中。隔室240a-h有助于在板210的表面积上均匀地分配鼓泡气体。

鼓泡气垫200位于每个室(6、7、8和9)的中心处，并且大致中心地位于室(6、7、8和9)的底板205上。在一个实施方式中，鼓泡气垫200的尺寸为0.07米x 1.3米x 1.3米(表面积)，该尺寸大致覆盖室的底板205的占地面积的54％。优选的垫200面积范围为室(6、7、8和9)的占地面积的25％至95％。如图1中所示，来自鼓泡气垫200的鼓泡气体(例如，空气泡)400升高至其中它们从液态硫脱离的表面，以占据顶部空间50。升高空气泡400的柱导致液态硫的有力搅动和循环220。

在一个实施方式中，穿孔，诸如穿孔板210中的孔250直径为1.02mm，间隔(stagger)260为2.26mm，从而提供22％的开孔面积，该开孔面积定义为孔的面积相对于穿孔板的面积。图4例示了穿孔板210中的均匀间隔孔。在另一优选实施方式中，孔的直径为0.838mm，交错260为3.327mm，从而提供5.8％的开孔面积。较大的交错260意味着穿孔250较宽地间隔开，这与较小孔结合，降低随着气泡升高至液态硫的表面而结合的机会。期望如此，因为随着气泡升高穿过硫柱，用于质量转移的表面积(因此脱气率)不减小。

参考图1，可提供鼓泡气体加热器36，以加热在管线17中流动的鼓泡气体。当在非常冷的天气或环境中使用容器1时，可使用鼓泡气体加热器36。鼓泡气体加热器36防止液态硫LS冻住。设置管线37以除去富含H₂S的吹脱空气，以及可能存在于液态硫中的其它挥发性气体(诸如COS、CS₂和H₂O)、催化剂、水、鼓泡气体、含硫化氢(H₂S)、二氧化硫(SO₂)以及在容器1的顶部空间50外的硫蒸气。借助于将顶部空间50保持处于稍微真空下的风扇38将气体60清除至下游处理设备(未示出)。

催化剂泵40供应来自催化剂罐39的催化剂，并且将催化剂泵送至管线41。管线41与止于止回阀(未示出)的管线42、43和44流体连通。止回阀防止硫在管线中向上流动。管线42与硫管线11流体连通，以便催化剂在液态硫LS进入脱气室6之前与液态硫LS混合。管线43被布置成使催化剂流动到立管12中，以便与脱气室7中的液态硫混合。管线44被布置成使催化剂流动到立管13中，从而与脱气室8中的液态硫混合。在管线42、43和44中设置流量指示器/控制阀组件45、46和47，以单独地控制至每个脱气室的催化剂流量。在管线11中设置硫流量计48，以控制将催化剂供应至管线41的速率。可使用控制系统(未示出)以控制催化剂流速。

在优选实施方式中，通常将催化剂不等地分配给室6、7和8。大多数催化剂都被注入到管线11中，并且以逐渐降低的比率注入到脱气室7和8中。该工艺使得催化剂由于从一个室至另一室脱气而耗尽。

根据可提前已知的H₂S_x的浓度，调节每个室的催化剂剂量率。将浓度比率提供给控制系统(未示出)。在优选实施方式中，总催化剂注入比率的范围可取决于H₂S_x浓度而为从0至15ppmw。在一个实施方式中，催化剂是吗啉和环己胺的水性混合物。

可使用控制系统(未示出)控制该新颖系统中的各种部件，诸如用于引入液态硫的速率，并且如上所述，催化剂进入到系统中的比率以及引入鼓泡气体的流速和从系统除去流出气体的速率。

虽然已经关于有限数目的实施方式描述了本发明，但是获得本公开的权益的本领域技术人员应明白，不偏离本文公开的本发明的范围，能够设想其它实施方式。本领域技术人员应明白，不偏离本发明的范围，可做出各种改变，并且不应将本发明视为限于说明书和附图中所示和所述的内容。