CN101636218A - 用于气体脱臭的系统和工艺方法 - Google Patents

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Abstract

从含有硫化氢的酸性气流中除去硫化氢的方法，该方法在转化器中通过将酸性气流与水性催化溶液相接触来氧化硫化氢，从而产生脱硫的气流和含有被还原的催化剂和元素硫的液流，将氧化剂和含有被还原的催化剂和元素硫的液流导入高剪切力装置，产生了分散体系，其中分散体系中氧化剂气体的平均气泡直径小于大约5μm，将分散体系导入容器，从中移除含硫的料浆并移除再生的催化剂流，其中硫料浆含有元素硫和水性液体，并且将至少一部分再生的催化剂流重新循环到转化器中。还提供了用于执行该方法的装置系统。

Description

用于气体脱臭的系统和工艺方法
关于联邦资助的研究或开发的陈述不适用。
发明背景
技术领域
总的来说，本发明涉及含有硫化氢的气流的脱硫。更具体来说，本发明涉及用于在含有硫化氢的流体流中将硫化氢催化氧化成元素硫、并通过氧化使被还原的催化剂再生以循环利用的高剪切力的系统和方法。
发明背景
许多工艺过程产生含有硫化氢的流体流。通常情况下，在将气体排放或进一步处理之前，必须从气体中除去硫化氢。例如，硫化氢是从废水处理厂和含有反渗透系统的设施放出的讨厌的气味。硫化氢也可以是能源包括天然气、油、沼气、合成气体、地热气流等中天然存在的成分。在存在加氢脱硫催化剂的情况下通过氢气处理对液流进行加氢脱硫，通常被用于将有机含硫化合物转化成硫化氢。然后必须将硫化氢从液流中除去。硫化氢的燃烧产生二氧化硫，认为它导致了酸雨的产生和对环境的潜在破坏。此外，当与水接触时，硫化氢形成了硫酸，它对加工装置的金属具有腐蚀性。
一种商业化的脱硫工艺是LO-CAT工艺，来自Gas TechnologyProducts，LLC of Schaumberg，IL。Lo-CAT工艺是进行了修改的Claus反应的一种方法。Lo Cat工艺是一种湿法擦洗、液体氧化还原系统，使用螯合的铁溶液(均相催化，即“LoCat”溶液)将H2S转化成元素硫。
已经投入了相当多的努力来开发能够改善常规的液体氧化系统
(例如Lo-CAT系统)中氧气的利用的质量传递装置，其目的是减少所需的空气的量(运行成本)并减少氧化容器的尺寸(基建费用)。目前，使用两种类型的氧化器：低落差和高落差氧化器。在低落差氧化器中，利用装备了穿有非常小的孔的EPDM(乙烯丙烯双烯单体)套筒的喷洒器，以低于3.5m/min的表面空气速度将空气喷过大约3米的溶液。溶液流与空气流相垂直。这样的低落差氧化器是相对不良的质量传递装置。但是，低落差氧化器确实为系统的适当操作提供了许多需要的解决方案清单。
在高落差氧化器中，通过粗气泡管式喷洒器以大于10m/min的表面速度将空气喷过大约7米的溶液。在高落差氧化器中，溶液流和气流是平行流动的。这些氧化器提供的质量传递系数比低落差氧化器高大约4倍；但是，这是以鼓风机的较高输送高度为代价的。
因此，在工业中，对于用于气流脱硫(即脱臭)的改进的工艺方法，存在着需求。
发明简述
公开了用于改进从气流中除去硫化氢的高剪切力系统和方法。按照某些实施方案，提供了从含有硫化氢的酸性气流中除去硫化氢的方法作为气体脱臭的方法，该方法包括：在转化器中通过将酸性气流与水性催化溶液相接触来氧化硫化氢，从而产生脱硫的气流和含有被还原的催化剂和元素硫的液流；将氧化剂和含有被还原的催化剂和元素硫的液流导入高剪切力装置，产生了分散体系，其中分散体系中氧化剂气体的平均气泡直径小于大约5μm；将分散体系导入容器，从中移除含硫的料浆并移除再生的催化剂流，其中硫料浆含有元素硫和水性液体；以及将至少一部分再生的催化剂流重新循环到转化器中。方法还可以包括从含硫料浆中除去至少一部分水性溶液，并将至少一部分回收的水性溶液重新循环到容器中。在实施方案中，容器是含有喷雾器的氧化器，由此将附加的氧化剂气体导入容器。
本文还公开了为酸性气流脱臭的方法，方法包括：形成氧化剂气体气泡分散在含有还原性氧化还原液体催化剂的液相中的分散体系，其中气泡具有小于l微米的平均直径。气泡可以具有小于400nm的平均直径。在实施方案中，气泡具有不超过100nm的平均直径。酸性气体可以包含选自空气、天然气、二氧化碳、胺酸性气体、填埋气体、沼气、合成气体、地热气、炼油厂气的气体，以及它们的组合。在实施方案中，形成分散体系包括对氧化剂气体和液体催化的混合物相施加大于大约20,000s-1的剪切速率。形成分散体系可以包括使氧化气体和液体催化相在高剪切力装置中接触，其中高剪切力装置含有至少一个转子，其中至少一个转子在形成分散体系的过程中以至少22.9m/s(4,500ft/min)的叶尖速度旋转。高剪切力装置可以在至少一个转子的叶片尖端产生至少大约1034.2Mpa(150,000psi)的局部压力。高剪切力装置的能量消耗可能超过1000W/m3。在实施方案中，氧化还原催化剂选自有机金属化合物和铁螯合物催化剂。
还公开了从酸性气体中除去硫化氢的方法，该方法包括：在转化器中通过将酸性气体与含有氧化催化剂的液体相接触使硫化氢氧化，以产生含有硫和被还原的催化剂的转化器液体产物流；形成含有转化器液体产物流和氧化剂气体的流体混合物；将流体混合物暴露于至少大约20,000s-1的剪切速率，以在液体的连续相中形成氧化物的分散体系；以及将分散体系导入容器，从中移除硫料浆，并从中将含有再生的被氧化的液体催化剂的液体流重新循环到转化器。方法还可以包括：将硫料浆导入分离器，将料浆中的水性液体与硫分开；以及将从料浆移除的水性液体重新循环到容器。分散体系中氧化性气体的平均气泡直径可以小于1μm。分散体系在大气压下可以稳定至少大约15分钟。在实施方案中，将流体混合物暴露于大于约20,000s-1的剪切速率，包括将流体导入含有至少两个发生器的高剪切力装置。
还公开了用于从酸性气流中除去硫化氢的系统，该系统包括：转化器，含有酸性气体入口、含有被氧化的催化剂的液流的入口、以及含有硫和还原的液体催化剂的转化器液体产物的出口管路；可分散气体入口，通过它可以将氧化剂导入出口管路；位于可分散气体入口下游的外部高剪切力装置，外部高剪切力装置含有与转化器出口管路流体连通的入口，以及高剪切力装置出口；与高剪切力装置的出口流体连通的氧化器；以及将氧化器和转化器的液流入口管线流体连通的再循环管线，通过它可以将再生的被氧化的催化剂重新循环到转化器。外部高剪切力装置可以含有带有锯齿边缘的分散器，含有至少一个发生器组，由转子和定子组成，在转子和定子之间具有被称为最小间隙的剪切缝隙宽度，其中转子可以以一定的叶尖速度旋转，使得产生的由叶尖速度除以剪切缝隙宽度而定义的剪切速率为至少100,000s-1。该外部高剪切力装置可以具有大于20.3m/s(4000ft/min)的叶尖速度。在实施方案中，外部高剪切力装置能够产生氧化剂气泡在水性催化剂溶液中的分散体系，氧化剂气泡具有亚微米级别的平均气泡直径。系统可以含有至少两个高剪切力装置。
还公开了对从酸性气流中除去硫化氢的系统的改进，该系统包含吸附部件，在将硫化氢转化成元素硫后变得被还原的氧化还原催化剂，用于再生被还原的催化剂的氧化部件，以及用于将再生的催化剂返回到吸附部件的催化剂重新循环系统，改进包括：在转化器和氧化部件之间的管线中插入高剪切力装置，所述高剪切力装置包括至少两个发生器，其中至少一个发生器产生至少10,000s-1的剪切速率。一个发生器提供的剪切速率可以大于另一个发生器提供的剪切速率。
系统的某些实施方案有可能通过使用外部加压高剪切力反应器、使在不需要大体积反应器的情况下对气流进行脱臭成为可能。
上述方法或系统的某些实施方案可能提供了比常规方法可能提供的更适合的时间、温度和压力条件，有可能增加了多相工艺的速度。上述方法或系统的某些实施方案，有可能通过在较低的温度和/或压力下操作、提供每单位消耗的催化剂的产物增加、减少反应时间、和/或减少资金和/或运行成本，来提供总体成本的降低。这些以及其它的实施方案和潜在的优点，将在下面的详细描述和附图中变得明显。
附图简述
为了更详细地描述本发明的优选实施方案，现在将参考随附的图，其中：
图1是根据本公开的实施方案的包含外部高剪切力分散工艺的高剪切力气体脱臭系统的示意图。
图2是在系统的实施方案中使用的多阶段高剪切力装置的纵向剖面图。
图3是根据本公开的实施方案的高剪切力气体脱臭工艺的流程框图。
注释与命名
本文中使用的术语“分散体系”是指液态混合物，其中含有至少两种不容易混合和溶解在一起的可区分开的物质(或“相”)。本文中使用的“分散体系”包括了“连续”相(或“基质”)，其中包含了其它相或物质的不连续的液滴、气泡和/或颗粒。因此，术语分散体系可以是指含有悬浮在液体连续相中的气泡的泡沫、其中第一种液体的液滴分散在含有与第一种液体不混溶的第二种液体的连续相中的乳浊液、以及其中分布有固体颗粒的连续的液体相。本文中使用的术语“分散体系”涵盖了其中分布有气泡的连续液体相、其中分布有固体颗粒(例如固体催化剂)的连续液体相、其中分布有基本上不溶于连续相的第二种液体的液滴的第一种液体的连续相、以及其中分布有固体颗粒、不混溶的液滴和气泡中的任何一种或其组合的液体相。因此，在某些情况下，分散体系可以作为均质混合物(例如液/液相)存在，或者作为非均质混合物(例如气/液、固/液或气/固/液)存在，这依赖于所选的用于混合的物质的性质。
详细描述
概述。
涉及液体、气体和固体的化学反应的速度依赖于接触的时间、温度和压力。在需要将两种或多种不同相(例如固相和液相，液相和气相，固相、液相和气相)的原材料进行反应的情况下，控制反应速度的一种限制因素涉及反应剂的接触时间。在非均质催化反应的情况下，还有另一个限速因子，即将反应过的产物从催化剂表面移除，以允许催化剂催化其它的反应剂。反应剂和/或催化剂的接触时间通常由混合来控制，混合提供了参与化学反应的两种或多种反应剂的接触。
含有本文描述的外部高剪切力装置或混合器的反应器组件使降低质量传递限制成为可能，从而允许反应更接近方法的动力学限制。当反应速度加快时，驻留时间可以减少，由此增加了可获得的通量。作为高剪切力系统和工艺方法的结果，可以增加产品产率。可选地，如果现有工艺方法的产品产率是可接受的，通过引入适合的高剪切力降低所需的驻留时间，可以允许使用比常规工艺更低的温度和/或压力。
此外，不希望受到理论的限制，认为由含有本文描述的外部高剪切力装置或混合器的反应器组件所提供的高剪切力条件，可以允许在常规情况下预计不会发生任何显著程度的反应的总体操作条件下进行气体脱臭。
用于气体脱臭的系统。
现在将参考图1来描述高剪切力气体脱臭系统，图1是用于从含有硫化氢的气流中移除硫化氢的高剪切力系统1的实施方式的工艺流程图。高剪切力除硫系统1可以被认为具有4个处理区域：转化器(吸收器)，高剪切力装置/氧化器，氧化器/硫分离区，以及硫操作区。用于液体还原氧化脱硫的代表性的高剪切力系统的基本部件包括转化器30，外部高剪切力装置(HSD)40，容器10和泵5。如图1中所示，高剪切力装置40位于容器/反应器10的外部。这些部件中的每个在下面进一步更详细地描述。管线25将含有硫化氢的气体导入转化器30。在某些应用中，高剪切力气体脱臭系统1还包括酸性气体进料流预处理装置，例如分离罐24。分离罐24可以经过入口管线23进料，酸性气体通过入口管线进入高剪切力气体脱臭系统1。管线25可以将分离罐24与转化器30相连。
管线21可以与泵5相连，用于将液体催化剂引入转化器30。在某些实施方案中，泵5可以位于高剪切力气体脱臭系统的其它地方，例如在转化器30和HSD40之间。处理过的气体经过管线35流出转化器30。管线13将转化器30与HSD40相连，管线18将HSD40和容器10流体连通。管线22可以与管线13相连，用于将氧化剂(例如空气或富集空气)导入HSD40。可选地，管线22可以与HSD40的入口直接相连。高剪切力气体脱臭系统1还可以含有风险喷雾器45，它可以通过管线18与HSD40相连，和通过管线19与容器10相连。管线17可以与容器10相连，用于移除排出气体。如果需要，其它的部件或工艺步骤、例如热交换器，可以整合到高剪切力气体脱臭系统1中，例如在容器10和HSD40之间，或在泵5或HSD40之前。如果需要，管线21将容器10与转化器30相连，以供催化剂重新循环。
在某些应用中，高剪切力气体脱臭系统1还包含硫分离装置，例如硫沉淀池60，料浆泵70，沉淀池进料泵50，或其组合。沉淀池进料泵50可以通过管线16与氧化器容器10流体连通，由此从容器10提取硫料浆。管线51可以将沉淀池进料泵50的出口与硫沉淀池60通过管线53相连，并通过管线52与氧化器容器10相连。
硫沉淀池60可以通过管线65与料浆泵70相连。管线75可以与料浆泵70相连，可用于将硫送去进一步分离80。在沉淀池60中分离的水性催化溶液可以经过管线14返回到容器10。
高剪切力气体脱臭系统1还可以含有鼓风机90。鼓风机90可以与容器10相连，以将可选的次级空气提供给容器10。鼓风机90可以与过滤器和消音器85相连。
转化器。
转化器30含有接触器，酸性气体与均质液体催化剂溶液在其中相接触。转化器30可以被称为吸收器。在实施方案中，可以使用任何适合于氧化硫化氢以产生元素硫的液体还原氧化催化剂。这些包括例如含有铁的螯合物或其它有机金属化合物的催化剂。在实施方案中，在水相中使用螯合的铁作为催化试剂来进行脱硫反应。螯合剂是以类似爪的方式包绕着铁离子，以在两个或多个非铁原子和铁原子之间形成化学键的有机化合物。典型情况下，系统在弱碱性pH范围内运行，以确保H2S在微碱性液体催化剂溶液中的良好吸收。适合的催化剂是Gas
Technology Products LLC公司的LoCat溶液。液体均质催化溶液21可以通过泵5和转化器入口管线12导入到转化器30中。在实施方案中，液体催化溶液以与酸性气体流相反的方向流入转化器30。在实施方案中，转化器30是喷雾吸收器。在这样的实施方案中，来自管线25的酸性气体被喷洒到转化器30中。酸性气体中的硫化氢通过与催化剂反应而被氧化，以形成元素硫，而催化剂被还原。催化剂通过例如喷雾而产生的提升在转化器30中循环流通。其中已经除去硫化氢的处理过的气体通过管线35流出转化器30。含有元素硫和被还原的催化剂的转化器液体产物经过管线13流出转化器30。
高剪切力装置。
外部高剪切力装置(HSD)40，有时也被称为高剪切力装置或高剪切力混合装置，被构造成通过管线13接收含有转化器液体产物和氧化剂的入口流。氧化剂通过可分散气体管线22导入高剪切力装置40，管线22可以将氧化剂注射到HSD40上游的管线13中。可选地，HSD40可以被构造成通过分离入口管线(未显示)接收液体和氧化剂反应物流。尽管在图1中仅显示了一个高剪切力装置，但应该理解，系统的某些实施方案可以具有两个或以上串联或并联排列的高剪切力混合装置。HSD 40是利用了一个或多个含有转子/定子组合的发生器的机械装置，每个发生器在定子和转子之间具有缝隙。每个发生器组中转子和定子之间的缝隙可以是固定的，也可以是可调节的。HSD 40被构造成能够在流过装置的反应物混合物中产生亚微米或微米尺寸的气泡。高剪切力装置含有机壳或机座，使得反应混合物的压力和温度可以被控制。
一般来说，根据它们混合流体的能力，高剪切力混合装置可以分成三种主要类型。混合是减小流体中颗粒或不均质物质的大小的工艺。混合的程度或完全性的一种计量是混合装置产生的用于破坏流体颗粒的每单位体积的能量密度。可以根据投送的能量密度将不同类型区分开。具有足够的能量密度、能够连续地产生颗粒大小在亚微米到50微米范围内的混合物或乳浊液的3种类型的工业混合器包括均化阀系统、胶体磨和高速混合器。在被称为均化阀系统的第一类高能装置中，被处理的流体在非常高的压力下被泵过狭缝阀，进入压力较低的环境中。跨过阀的压力梯度以及产生的湍流和空化作用发挥作用，以打破流体中的任何颗粒。这些阀系统最通常是用于牛奶均化中，可以产生亚微米到1微米范围内的平均颗粒尺寸。
在能量密度谱的相反末端是被称为低能装置的第三类装置。这些系统通常具有在被加工的流体的储液器中以高速转动的桨叶或流体转子，它更常见的许多应用是食物制品。这些低能系统习惯上用于在被处理的流体中可以接受大于20微米的平均颗粒大小的情况中。
根据投送到流体的混合能量密度，在低能装置和均化阀系统之间的是胶体磨和高剪切力转子-定子分散器，它们被归类为中能装置。典型的胶体磨的构造包括圆锥形或圆盘状的转子，它与互补的、液体冷却的定子之间被紧密控制的转子-定子间隙隔开，该间隙通常在0.0254mm到10.16mm(0.001-0.40英寸)之间。转子通常由电动马达通过直接驱动或皮带机械驱动。当转子以高速转动时，它将流体泵到转子的外表面和定子的内表面之间，在间隙中产生的剪切力对流体进行加工。许多适当调整的胶体磨能够在被加工的流体中产生0.1-25微米的平均颗粒尺寸。这些能力使得胶体磨适合于各种不同的应用，包括胶体和基于油/水的乳浊液的加工，例如化妆品、蛋黄酱、或硅酮/银汞齐形成所需的乳浊液的加工，到屋面沥青的混合。
叶尖速度是单位时间中转子的顶端所经过的外周距离。因此，叶尖速度是转子直径和旋转频率的函数。叶尖速度(单位为例如米/分钟)可以通过用转子的顶端所经过的外周距离2πR、其中R是转子的半径(单位为例如米)、乘以旋转的频率次数(单位为例如转/分钟，rpm)来计算。胶体磨可以具有例如超过22.9m/s(4500ft/min)的叶尖速度，并可以超过40m/s(7900ff/min)。对于本公开的目的，术语“高剪切力”是指叶尖速度能够超过5.1m/s(1000ft/min)、并需要外部机械驱动的电力装置将能量驱动到被反应的产物的物流中的机械转子定子装置(例如胶体磨或转子-定子分散器)。例如，在HSD40中，可以获得超过22.9m/s(4500ft/min)的叶尖速度，并可以超过40m/s(7900ft/min)。在某些实施方案中，HSD 40能够以至少22.9m/s(4500ff/min)的叶尖速度投送至少300L/h。功率消耗可以是大约1.5kW。HSD 40将高的叶尖速度与非常小的剪切间隙相组合，在被加工的材料上产生了显著的剪切力。剪切力的量将依赖于流体的粘度。因此，在高剪切力装置运行过程中，在转子的顶端产生了压力和温度升高的局部区域。在某些情况下，局部升高的压力是大约1034.2Mpa(150,000psi)。在某些情况下，局部升高的温度是大约500℃。在某些情况下，这些局部的压力和温度升高可以持续数纳秒或数皮秒。
输入到流体中的大约能量(kW/L/min)可以通过测量马达能量(kW)和流体输出(L/min)来估算。正如上面提到的，叶尖速度是与产生了施加于反应试剂的机械力的一个或多个旋转元件的末端有关的速度(ft/min或m/s)。在实施方案中，HSD40的能量消耗大于1000W/m3。在实施方案中，HSD 40的能量消耗在大约3000W/m3到大约7500W/m3的范围内。
剪切速率是叶尖速度除以剪切间隙宽度(转子和定子之间的最小间隙)。在HSD40中产生的剪切速率可以大于20,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率是至少40,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率是至少100,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率是至少500,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率是至少1,000,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率是至少1,600,000s-1。在实施方案中，HSD40产生的剪切速率在20,000s-1到100,000s-1之间。例如，在一个应用中，转子叶尖速度是大约40m/s(7900ft/min)，剪切间隙宽度是0.0254mm(0.001英寸)，产生的剪切速率是1,600,000s-1。在另一个应用中，转子叶尖速度是大约22.9m/s(4500ft/min)，剪切间隙宽度是0.0254mm(0.001英寸)，产生的剪切速率是大约901,600s-1。
HSD 40能够将氧化剂气体高度分散或运输到含有被还原的液体催化剂的、正常情况下与气体不混溶的主要液体相(连续相)中，在这种条件下至少一部分液体催化剂被氧化。在某些实施方案中，HSD 40包含胶体磨。适合的胶体磨由例如
Figure G2008800084940D00111
Works，Inc.(Wilmington，NC)和APV North America，Inc.(Wilmington，MA)制造。在某些情况下，HSD 40包括
Figure G2008800084940D00112
Works，Inc.的Dispax
Figure G2008800084940D00113
高剪切力装置含有至少一个产生施加于反应试剂的机械力的旋转元件。高剪切力装置含有至少一个定子和至少一个定子，它们相隔一定间隙。例如，转子可以是圆锥形或圆盘形的，并可以与形状互补的定子相隔开。在实施方案中，转子和定子都含有多个位于外周的齿。在某些实施方案中，定子是可调整的，以获得每个发生器(转子/定子组)的转子和定子之间所需的剪切间隙。转子和/或定子的齿之间的沟槽在交替的级中可以交替定向，以增加湍流。每个发生器可以由任何被构造成能提供必需的转动的适合的驱动系统驱动。
在某些实施方案中，定子和转子之间的最小间隙(剪切间隙宽度)在大约0.0254mm(0.001英寸)到大约3.175mm(0.125英寸)之间。在某些实施方案中，定子和转子之间的最小间隙(剪切间隙宽度)为大约1.52mm(0.060英寸)。在某些构造中，定子和转子之间的最小间隙(剪切间隙)为至少1.78mm(0.07英寸)。高剪切力装置产生的剪切速率可以随着沿着流动途径的纵向位置而变化。在某些实施方案中，转子被设定为以与转子的直径和所需的叶尖速度相称的速度旋转。在某些实施方案中，高剪切力装置在定子和转子之间具有固定的间隙(剪切间隙宽度)。可选地，高剪切力装置具有可调节的间隙(剪切间隙宽度)。
在某些实施方案中，HSD 40包括单级分散室(即单一转子/定子组合，单一发生器)。在某些实施方案中，高剪切力装置40是多级直列式分散器，并含有多个发生器。在某些实施方案中，HSD 40含有至少两个发生器。在其它实施方案中，高剪切力装置40包括至少3个高剪切力发生器。在某些实施方案中，高剪切力装置40是多级混合器，剪切速率(正如上面提到的，它与叶尖速度成正比变化，与转子/定子间隙宽度成反比变化)随着沿着流动途径的纵向位置而变化，正如在本文下面进一步描述的。
在某些实施方案中，外部高剪切力装置的每一级具有可互换的混合工具，提供了灵活性。例如
Figure G2008800084940D00121
Works，Inc.Wilmington，NC和APVNorth America，Inc.Wilmington，MA的DR 2000/4Dispax
Figure G2008800084940D00122
含有三级分散模块。该模块可以包含最多三个转子/定子组合(发生器)，可以为每一级选择细、中等、粗和超细。这允许产生具有所需气泡尺寸(例如氧化剂气体气泡)的狭窄分布的分散体系。在某些实施方案中，每一级用超细发生器运行。在某些实施方案中，至少一个发生器组具有大于大约5.0g mm(0.20英寸)的最小转子/定子间隙(剪切间隙宽度)。在可选的实施方案中，至少一个发生器组具有大于大约1.78mm(0.07英寸)的最小转子/定子间隙。
现在参考图2，它显示了适合的高剪切力装置200的纵向剖面图。图2的高剪切力装置200是含有三级或转子-定子组合的分散装置。高剪切力装置200是含有三级或转子-定子组合220、230和240的分散装置。转子-定子组合可以被称为发生器220、230、240或级，对此没有限制。三个转子/定子组或发生器220、230和240沿着驱动轴250串联排列。
第一个发生器220含有转子222和定子227。第二个发生器230含有转子223和定子228。第三个发生器240含有转子224和定子229。对于每个发生器来说，转子由输入250可旋转地驱动，并绕着轴260以箭头265指示的方向旋转。旋转的方向可以与箭头265显示的方向相反(例如绕着旋转轴260顺时针或逆时针)。定子227、228和229与高剪切力装置200的壁255固定连接。
正如本文上面提到的，每个发生器具有剪切间隙宽度，它是转子和定子之间的最小距离。在图2的实施方式中，第一个发生器220具有第一个剪切间隙225；第二个发生器230具有第二个剪切间隙235；第三个发生器240具有第三个剪切间隙245。在实施方案中，剪切间隙225、235、245的宽度范围在大约0.025mm到大约10.0mm之间。可选地，方法包括使用高剪切力装置200，其中间隙225、235、245的宽度在大约0.5mm到大约2.5mm的范围内。在某些情况下，剪切间隙宽度被维持在大约1.5mm。可选地，剪切间隙225、235、245的宽度对于发生器220、230、240来说是不同的。在某些情况下，第一个发生器220的剪切间隙225的宽度大于第二个发生器230的剪切间隙235的宽度，后者又大于第三个发生器240的剪切间隙245的宽度。正如上面提到的，每个级的发生器是可以互换的，提供了灵活性。高剪切力装置200可以被构造成使得沿着物流260的方向剪切速率将纵向逐级增加。
发生器220、230和240可以具有粗、中等、细和超细的特征。转子222、223和224以及定子227、228和229可以具有带齿的设计。每个发生器可以具有两组或多组转子-定子齿。在某些实施方案中，转子222、223和224在每个转子的周缘含有10个以上周边分隔的转子齿。在实施方案中，定子227、228和229在每个定子的周缘含有10个以上周边分隔的定子齿。在实施方案中，转子的内径是大约12cm。在实施方案中，转子的直径是大约6cm。在实施方案中，定子的外径是大约15cm。在实施方案中，定子的直径是大约6.4cm。在某些实施方案中，转子的直径是60mm，定子的直径是64mm，提供了大约4mm的间隙。在某些实施方案中，三级中的每一级使用超细发生器运行，含有在大约0.025到大约4mm之间的剪切间隙。
高剪切力装置200被构造成在入口205处接收来自管线13的反应试剂流。反应混合物含有氧化剂气体作为可分散相，含有被还原的催化剂的液体作为连续相。进入入口205的进料流被顺序泵过发生器220、230、然后是240，使得形成了产物分散体系。产物分散体系通过出口210(以及图1的管线18)流出高剪切力装置200。每个发生器的转子222、223、224以高的速度相对于固定的定子227、228、229旋转，产生了高剪切速率。转子的旋转将流体例如进料流泵进入口205，向外通过剪切间隙(以及，如果存在的话，通过转子齿之间的空间和定子齿之间的空间)，产生了局部的高剪切力条件。高剪切力作用在剪切间隙225、235和245中(以及如果存在的话，转子齿和定子齿之间的间隙中)的流体，流体流通过它们加工流体，并产生了产物分散体系。产物分散体系经过高剪切力出口210(以及图1的管线18)流出高剪切力装置200。
产物分散体系具有小于大约5μm的平均气泡尺寸。在实施方案中，HSD 40产生了平均气泡尺寸小于大约1.5μm的分散体系。在实施方案中，HSD 40产生了平均气泡尺寸小于1μm的分散体系；优选情况下，气泡的直径是亚微米的。在某些情况下，平均气泡尺寸从大约0.1μm到大约1.0μm。在实施方案中，HSD 40产生了平均气泡尺寸小于大约400nm的分散体系。在实施方案中，HSD 40产生了平均气泡尺寸小于100nm的分散体系。高剪切力装置200产生这样的分散体系，其中包含的被分散的气泡能够在大气压下保持分散至少大约15分钟。
通过高剪切力装置200产生的产物分散体系中氧化剂气体的气泡，通过增加反应试剂的接触，促进和/或加速了催化剂的氧化。如本文上面所述，转子可以被设置成以与转子的直径和所需叶尖速度相称的速度旋转。
在某些情况下，高剪切力装置200包括
Figure G2008800084940D00151
Works，Inc.Wilmington，NC和APV North America，Inc.Wilmington，MA的Dispax
Figure G2008800084940D00152
有几种型号可用，它们具有各种不同的入口/出口连接、马力、叶尖速度、输出rpm和流速。高剪切力装置的选择将依赖于通量要求和流出高剪切力装置200的出口210的管线18(图1)中分散体系中所需的颗粒或气泡的尺寸。例如，
Figure G2008800084940D00153
DR 2000/4型，含有皮带驱动、4M发生器、PTFE密封环、入口法兰25.4mm(1英寸)卫生级卡箍、出口法兰19mm(3/4英寸)卫生级卡箍、2HP功率、输出速度7900rpm、流量容力(水)大约300-700L/h(依赖于发生器)、叶尖速度9.4-41m/s(1850ft/min到8070ft/min)。
容器。
容器或氧化器10是任何类型的容器，从中可以分离含硫产物的料浆，且可以在其中进行均质催化剂的氧化。例如，可以串联或并联使用连续的或半连续的搅拌釜式反应器，或一个或多个分批反应器。在某些应用中，容器10是氧化器。氧化剂可以通过鼓风机90和管线15从可选的第二个空气源导入容器10。氧化剂可以通过排列在容器10中沉积有硫料浆的容器底部区段上方的横断面中的喷雾器导入。硫料浆可以从容器10的锥形底部移除。可以设想任何数量的通向容器10的入口管线，其中在图1中显示了三个(管线14、15和52)。入口管线14可以是与硫沉淀池60相连的入口管线，被设计用于将从产物硫料浆分离的液体催化溶液返回到容器10。入口管线15可以用于经过鼓风机90提供可选的第二批空气。管线52可以将管线51中的泵50的出口与容器10相连。容器10可以含有用于排出气体的排出管线17，以及用于含有硫在液体溶液中的料浆的产物流的出口产物管线16。在实施方案中，容器10含有多个反应器产物管线16。管线21可以通过泵5和管线12将容器/氧化器10与转化器30相连。
在存在适合的时间、温度和压力条件的时候，均质催化剂的氧化将会发生。就此而言，如果温度和压力条件适合，催化剂的氧化可能在图1的流程图中的任何点发生。由于使用了液体催化剂，被还原的催化剂的大量氧化可能发生在图1显示的氧化器/容器10外部的点。然而，通常希望使用离散的反应器/容器10，以允许增加的驻留时间、搅拌和加热和/或冷却。在实施方案中，设想了催化剂的实质上的氧化/再生将发生在HSD 40中(或串联或并联组合的高剪切力装置40)。在这样的情况下，容器10可能主要用作分离器，硫料浆可以经过管线16从其中移除以进行硫处理，再生的(被氧化的)液体催化剂经过管线21从其中返回到转化器30以重新利用。在这样的实施方案中，可选的第二个空气源管线15、鼓风机90和过滤器/消声器85可以不存在于系统中，或者可用于经过管线22为仅仅一个或多个HSD 40提供空气。
容器10可以含有一个或多个下列部件：加热或冷却能力，压力测量仪器，温度测量仪器，一个或多个注射点，以及液位调节器(未显示)，正如在反应容器设计领域熟知的那样。加热和/或冷却装置可以包括例如热交换器。可选地，因为在某些实施方案中大部分转化反应可以在HSD40中发生，因此容器10在某些情况下可以主要用作储存或分离容器。尽管一般不太希望，但在某些应用中可以省略容器10，特别是如果多个高剪切力装置/反应器串联使用时，正如下面进一步描述的。
在可选的实施方案中，转化器液体产物流被导入HSD40上游的分离器中。在这种安排中，可以在管线13中将硫从转化器产物中移除，产生含有被还原的液体催化剂的液体催化流。被还原的液体催化剂可以与氧化剂一起导入HSD40中，以便再生液体催化剂，在转化器30中重新使用。在这样的实施方案中，在高剪切力气体脱臭系统1中可以不存在容器10，因为大部分催化剂的再生可以在HSD40中、或串联的高剪切力装置40中发生，硫的分离在高剪切力装置上游进行。
热传递装置。
除了上面提到的容器10的加热/冷却能力之外，在图1中显示的实施方案的修改中还可以考虑其它外部或内部的用于加热或冷却加工物流的热传递装置。例如，如果需要，可以通过任何本技术领域的专业人员已知的方法将热加入到容器10中，或从容器10中提取热量。也可以考虑使用外部加热和/或冷却热传递装置。一个或多个这样的热传递装置的一些适合的位置是在泵5和转化器30之间、HSD40和容器10之间、以及容器10和泵5之间。这样的热传递装置的某些非限制性的例子是壳式、管式、板式和盘管热交换器，正如本技术领域已知的。
泵。
泵5被构造成用于连续或半连续操作，可以是任何能够产生大于202.65kPa(2atm)压力、优选大于303.975kPa(3atm)压力、以允许受控的物流通过HSD40和系统1的适合的泵装置。例如，Roper泵公司(Commerce Georgia)的Roper 1型齿轮泵、Dayton Electric Co(Niles，IL)的Dayton压力倍增泵2P372E型，是适合的泵。优选情况下，泵的所有接触部分由不锈钢、例如316不锈钢构成。在系统的某些实施方案中，泵5能够产生大于大约2026.5kPa(20atm)的压力。除了泵5之外，一个或多个其它的高压泵(未显示)可以包含在图1显示的系统中。例如，在HSD40和容器10之间可以包含与泵5类似的增压泵，用于升高在容器10中的压力。作为另一个例子，可以包含与泵5类似的补料泵，用于将附加的反应试剂或催化剂导入容器10。作为另一个例子，压缩机类型的泵可以位于管线17和HSD40之间，以将气体从容器10再循环到HSD40。沉淀池泵50可以是任何适合于从容器10提取硫料浆的泵。
高剪切力脱硫工艺。
图3是显示了高剪切力气体脱臭方法中的步骤的流程框图。在组块400中，H2S被转化成元素硫，同时伴随有液相催化剂的还原。在组块500中，铁催化剂与氧化剂(例如O2、空气、富集空气)的高剪切力混合，产生了氧化剂在含有液体还原氧化催化剂的液体中的分散体系。在组块600中，铁催化剂的增加的氧化发生在容器10中、HSD40中或管线18中，可选地在风险喷雾器45和/或管线19中。在组块700中，再生的(被氧化的)催化溶液返回到H2S转化器30，通过管线21、泵5和管线12进行。在组块800中，显示了元素硫的回收、以及回收的催化溶液从硫回收装置(例如从硫沉淀池60)重新循环到氧化器10。
现在将参考图1对高剪切力气体脱臭系统1的运行进行讨论。在实施方案中，在水相中使用螯合的铁作为催化试剂进行脱硫反应。在酸性气体流的脱硫的运行过程中，酸性气体流通过管线25导入系统1。可以使用分离罐24来除去从酸性气体进料流通过管线23引入分离罐24的颗粒物质。在转化器30中，酸性气体与被氧化的液体催化溶液相接触，液体催化溶液可以通过例如管线12以相反的流向导入转化器30。
典型情况下，系统在弱碱性pH范围中运行，以确保H2S良好地吸收到催化剂溶液中，碱的注入和监测可以在高剪切力气体脱臭系统1中任何适合的地方发生。例如，碱可以加入到转化器30中。在启动过程中，液体催化剂可以作为催化剂流直接导入到容器10中。可选地或此外，催化剂可以加入到系统1中的其它地方。例如，新鲜的催化剂溶液可以注射到管线21中(未显示)或转化器30中。在实施方案中，管线21含有液体催化剂，其中至少一部分可以是例如从通过管线21与转化器30相连的容器10过来的重新循环的物流。
总的工艺反应是：
Figure G2008800084940D00191
管线25中的酸性气体流可以是任何含有硫化氢或硫的气体流，例如，管线25中的酸性气体流可以包含空气、天然气、二氧化碳、胺酸性气体、填埋气体、合成气体、地热气、沼气、炼油厂气、或其任何组合。管线23中的酸性气体流可以按照本技术领域的专业人员已知的那样进行预处理。例如，在图1中，管线23中的酸性气体流通过分离罐24。管线25中的含有硫化氢的气体流从分离罐24被送往转化器30。在转化器30中，H2S被转化成元素硫。管线35中的处理过的(即脱臭的)气体流被送去进一步加工/利用(未显示)。在实施方案中，高剪切力气体脱臭系统1可以有效地从酸性气体中除去大于99％的硫化氢。在实施方案中，高剪切力气体脱臭系统1可以有效地从酸性气体中除去大于99.9％的硫化氢。
在转化器30中，液体催化剂通过几个化学反应将H2S转化成元素硫。转化器的设计由酸性气体流和压力、以及所需的H2S移除效率所决定。对于铁催化剂来说，转化器30中的吸收可以由下列反应来描述。
H2S的吸收可以被描述为：
H2S的离子化被描述为下列反应：
Figure G2008800084940D00202
被铁离子(Fe3+)的氧化可以描述为：
HS-+2Fe3+→So(s)+2Fe2++H+.(4)
因此，总的吸收反应是：
H2S(g)+2Fe3+→2H++So+2Fe2+.(5)
含有硫和被还原的液体催化溶液的液体流通过转化器出口管线13流出转化器30。可分散的氧化剂气体经过管线22注入到高剪切力气体脱臭系统1中，管线22可以将氧化剂气体导入管线13或直接导入到HSD40中。氧化剂气体可以是空气或富集空气。在实施方案中，氧化剂气体被直接进料到HSD40中，而不是与液体反应试剂流(即经过管线13流出转化器30的含有硫的液体催化流)混合。可以操作泵5将再生的液体催化剂从管线21和容器10中通过管线12泵到转化器30中，并建立起压力，提供了高剪切力装置(HSD)40和高剪切力气体脱臭系统1中的受控的物流。在某些实施方案中，泵5将HSD入口流的压力增加到大于202.65kPa(2atm)、优选大于大约303.975kPa(3个大气压)。通过这种方式，高剪切力气体脱臭系统1可以将高剪切力与压力组合起来，以增加反应试剂内部的混合。
在实施方案中，首先在容器10中将液体催化溶液与(如果存在的)碱进行混合。反应试剂通过例如入口管线14、15和52进入容器10。可以设想任何数量的容器入口流，在图1中显示了三个(通过管线14、15和52)。
氧化剂和催化液体在HSD40中密切混合，HSD40用于产生氧化剂气体在催化液体中的细的分散体系。在HSD40中，氧化剂气体和催化液体被高度分散，使得形成了纳米气泡、亚微米尺寸的气泡和/或气体的微气泡，以较好地溶解在溶液中，并增加了反应试剂的混合。例如分散器
Figure G2008800084940D00211
DR 2000/4型，一种构造有串联排列的三个转子与三个定子的组合的高剪切力的、三级分散装置，可用于产生可分散的氧化剂气体在含有硫的液体催化介质(即“反应试剂”)中的分散体系。转子/定子组可以按照例如图2中的描述构造。混合的反应试剂通过管线13进入高剪切力装置，并进入第一级转子/定子组合。第一级的转子和定子可以分别具有四周隔开的第一级转子齿和定子齿。从第一级流出的粗的分散体系进入第二级转子/定子级。第二级的转子和定子也可以分别含有四周隔开的转子齿和定子齿。从第二级出现的气泡尺寸减小的分散体系进入第三级转子/定子组合，它可以含有分别具有转子齿和定子齿的转子和定子。分散体系通过管线19流出高剪切力装置。在某些实施方案中，剪切速率在沿着物流260的方向上纵向逐级增加。例如，在某些实施方案中，第一级转子/定子中的剪切速率大于后续级中的剪切速率。在其它实施方案中，在物流的方向上剪切速率基本上恒定，在每一级中的剪切速率基本上是相同的。
如果高剪切力装置40包含PTFE密封件，密封件可以使用本技术领域已知的任何适合的技术来冷却。例如，流入管线13的反应试剂流或管线21中的再生的液体催化剂可以被用于冷却密封件，并由此在分别进入高剪切力装置40或转化器30之前被进行了所需的预加热。
在应用中，HSD40的转子被设置为以与转子的直径和所需的叶尖速度相称的速度旋转。正如上面描述的，高剪切力装置(例如胶体磨或带有锯齿边缘的分散器)在定子和转子之间或者具有固定的间隙，或者具有可调整的间隙。HSD 40用于将氧化剂气体和含有硫产物的液体催化溶液充分地混合。在工艺的某些实施方案中，通过操作高剪切力装置降低了反应试剂的运输阻力，使得反应的速度增加了超过大约5％。在工艺的某些实施方案中，通过操作高剪切力装置降低了反应试剂的运输阻力，使得反应的速度增加了超过大约5倍。在工艺的某些实施方案中，反应的速度增加了至少大约10倍。在工艺的某些实施方案中，反应的速度增加了大约10倍到大约100倍。
在某些实施方案中，HSD 40以至少4500ft/min、可以超过7900ft/min(40m/s)的叶尖速度投送至少300L/h。功率消耗可以是大约1.5kW。尽管测量HSD 40中的旋转的剪切部件或旋转元件的尖端的即时温度和压力是困难的，但据估计在空化条件下，在充分混合的反应试剂中观察到的局部温度超过500℃，压力超过500kg/cm2。高剪切力的混合导致了氧化剂气体分散在微米或亚微米尺寸的气泡中。在某些实施方案中，得到的分散体系具有小于大约5μm、可选地小于大约1.5μm的平均气泡尺寸。在某些实施方案中，得到的分散体系具有小于1μm的平均气泡尺寸。因此，经过管线18从HSD40出来的分散体系含有微米和/或亚微米尺寸的气体气泡。在某些实施方案中，平均气泡尺寸在大约0.4μm到大约1.5μm的范围内。在某些实施方案中，平均气泡尺寸小于大约400nm，在某些情况下可以是大约100nm。在许多实施方案中，微泡分散体系能够在大气压下保持分散至少15分钟。
一旦分散后，获得的分散体系经过与容器10流体连通的管线18流出HSD 40。可选地，如果需要，分散体系在进入容器10之前可以进一步加工。例如，高剪切力气体脱臭系统1在HSD40和容器10之间还可以包括风险喷雾器45。出口管线19可以将风险喷雾器45与容器10相连。在风险喷雾器45限制了通量的情况下，可以不使用喷雾器。氧化器入口管线19与氧化器10流体连通，其中可以发生进一步的催化溶液氧化(再生)。在HSD 40被整合在含有风险喷雾器的现有气体脱臭系统中的情况下，依赖于风险喷雾器的通量限制，可以保留或取消风险喷雾器45。
排出转化器30的被还原的液体催化剂通过氧化被再生。催化剂的氧化将发生在HSD 40中，并且在驻留在容器10中的过程中可以继续进行。正如本文上面提到的，容器10可以是氧化器。对于铁螯合物催化剂来说，氧化反应(可以在HSD40、管线18、风险喷雾器45、管线19、容器10或其组合中发生)可以描述在下面的化学反应中：
O2的吸收被描述为：
Figure G2008800084940D00231
亚铁离子(Fe2+)的再生服从下列反应：
1/2O2(1)+H2O+2Fe2+→2OH-+2Fe3+.(7)
因此，总的再生反应是：
1/2O2(g)+H2O+2Fe2+→2OH-+2Fe3+.(8)
作为反应试剂在进入容器10之前充分混合的结果，相当大部分的化学反应可以在HSD 40中发生。因此，在某些实施方案中，反应器/容器10可以主要用于将产物硫从液体催化溶液中分离出去。可选地或此外，容器10可以用作主要的反应容器，在其中发生大部分氧化还原催化剂的再生/氧化。例如，在实施方案中，容器10是氧化器。在其中HSD 40被整合在含有氧化器的现有气体脱臭工艺中的实施方案中，容器10可以是氧化器。对于新安装来说，容器10可以主要用作储存/分离容器，从中除去硫产物。
容器/反应器10可以以连续的或半连续的流动方式运行，或者它可以以批式方式运行。可以使用加热和/或冷却能力(例如冷却盘管)和温度测量仪器将容器10的内含物维持在特定的反应温度。可以使用适合的压力测量仪器监测容器中的压力，容器中的反应试剂的液位可以使用液位调节器(未显示)、利用本技术领域的专业人员已知的技术来进行控制。
排出的气体通过管线17从容器10出去，并可以被进一步处理、排放和/或重新循环到高剪切力气体脱臭系统1。例如，管线17中的一部分排出气体可以被重新循环到管线13或管线22。容器10可以具有锥形的底部，以帮助从中沉积和除去硫料浆。含有硫晶体的产物硫料浆经过管线16流出容器10。产物硫料浆可以通过沉淀池泵50和管线51和53送往硫沉淀池60。一部分管线51可以通过管线52送回到容器/氧化器10。硫沉淀池60中的硫料浆沉积到沉淀池60的底部(例如锥形的部分)，并通过硫管线65和料浆泵70从锥形部分泵到硫分离单元80。例如，硫分离单元80可以使用皮带过滤系统以产生60％的硫滤饼。作为另一个例子，在某些情况下，硫分离单元80可以包括袋式过滤系统，并可用于产生30％重量比的硫滤饼。如果需要，硫滤饼可用于生产熔化的硫。与硫滤饼分离的再生的催化溶液14可以被送回到氧化器10。
在催化剂的常规氧化中使用的氧气由空气或富氧空气15提供，它在氧化器10中鼓泡进入催化剂溶液。高剪切力气体脱臭系统1可以包括通过鼓风机90和氧化剂入口管线15的第二个氧化剂源。氧化器管线15可以通过在预过滤器85处预过滤，以及经过鼓风机90和管线86从预过滤器85泵到氧化器/容器10而获得。向高剪切力气体脱臭系统1添加少量苛性碱(未显示)，可用于将催化溶液维持在弱碱性pH范围内。
该液相氧化工艺使用溶解或悬浮在液相中的氧载体，然后它们在某些实施方案中可以在环境温度下连续再生。与本文上面提到的其它系统相反，这种修改的系统含有封闭的外部高剪切力装置40，以在管线18(以及可选的风险喷雾器管线19)中产生空气/富集空气或氧气的微气泡(和/或亚微米尺寸的气泡)，它们然后进入氧化单元10。外部高剪切力装置40可以位于现有系统的风险喷雾器45的前方，允许催化剂的快速氧化和高度转化。
这种修改的系统的潜在益处包括但不限于：较快的循环时间、增加的通量、降低的运行成本和/或降低的资本消耗，这是由于有可能设计较小的容器和/或在较低温度和/或压力下操作容器。
在实施方案中，本公开的工艺方法与不含有外部高剪切力混合的脱硫相比，提供了更有效的硫消除。
在某些实施方案中，系统1的操作条件包括温度在大约100℃到大约230℃的范围内。在实施方案中，温度在大约160℃到180℃的范围内。在具体的实施方案中，容器10中的反应温度，具体来说在大约155℃到大约160℃的范围内。在某些实施方案中，容器10中的反应压力在大约202.65kPa(2atm)到大约5.6MPa-6.1Mpa(55-60atm)的范围内。在某些实施方案中，反应压力在大约810.6kPa到大约1.5
Mpa(8atm到大约15atm)的范围内。在实施方案中，容器10在大气压或接近大气压下操作。
多个高剪切力混合装置。
在某些实施方案中，两个或多个高剪切力装置(例如HSD40)或构造不同的装置被串联排列，被用于进一步增强反应。它们可以以批式或连续的方式运行。在某些需要单次通过或“一次通过”工艺的情况下，串联使用多个高剪切力装置也可能是有利的。例如，在实施方案中，管线18中的出口分散体系可以被进料到第二个高剪切力装置。当多个高剪切力装置40串联操作时，可以在每个高剪切力装置的入口物料流中注入附加的氧化剂气体。在某些实施方案中，多个高剪切力装置40并联运行，来自它们的出口分散体系被导入一个或多个容器10中。
特点。
通过HSD 40对反应试剂施加增加的混合，潜在地使液体催化剂有效再生。在某些实施方案中，增强的混合加强了处理流通量的增加。在某些实施方案中，高剪切力混合装置被整合到已建立的工艺中，由此使产量增加(即较高的通量)。与某些试图通过较大体积的氧化器来增加再生的方法相反，外部高剪切力混合提供的优势的分散和接触在许多情况下可以允许减小容器10的尺寸和/或在容器10中的驻留时间，而同时维持或甚至增加脱硫速率。不希望受限于具体的理论，认为高剪切力混合的水平或程度足以增加质量传递速率，也可能产生局部的非理想的条件，使得原本根据Gibbs自由能预测预计将不会发生的反应得以发生。认为局部的非理想条件局限在高剪切力装置内部发生，导致增加的温度和压力，其中最显著的增加认为将是局部压力。高剪切力装置中压力和温度的增加是即时和局部的，并且一旦流出高剪切力装置后，快速返回到大量或平均系统条件。在某些情况下，高剪切力混合装置诱导了足够强度的空化作用，将一种或多种反应试剂解离成自由基，它可以加剧化学反应，或允许反应在比通常需要的条件严苛性更低的条件下发生。空化作用也可以通过产生局部湍流和液体微循环(声学流动)，增加运输过程的速度。在化学/物理加工应用中使用空化现象的概述，提供在Gogate等的《空化作用：新兴的技术》中(“Cavitation：A technology on the horizon，”Current Science 91(No.1)：35-46(2006))。本发明的系统和方法的某些实施方案的高剪切力混合装置诱导了空化作用，由此使氧化剂和被还原的液体催化剂解离成游离基，它们然后进行反应使催化剂再生。
在某些实施方案中，本文描述的系统和方法允许设计出比以前不使用外部高剪切力装置40时可能的更小和/或资本强度更低的工艺方法。本公开的方法的某些实施方案的潜在的优点是与现有工艺相比降低的运行成本和增加的产量。此外，本公开的工艺的某些实施方案还提供了降低资本成本的优点，用于设计新的工艺方法。在实施方案中，用高剪切力装置40将氧化剂气体分散在含有被还原的液体催化剂的液体中，减少了未被氧化的液体催化剂的量。本用于气体脱臭的系统和方法的某些实施方案的潜在益处包括但不限于：较快的循环时间、增加的通量、降低的运行成本和/或降低的资本消耗，这是由于有可能设计出较小的氧化器10或用分离容器10代替氧化器和/或在较低温度和/或压力下运行工艺方法。
在实施方案中，使用公开的包含通过外部高剪切力装置40进行反应试剂混合的工艺，允许在容器/反应器10中使用比以前允许的更少的氧化剂。在实施方案中，该方法包括将外部高剪切力装置40整合到已建立的工艺中，由此降低外部高剪切力装置40中的运行温度和/或反应压力，和/或与不使用高剪切力装置40而运行的工艺相比使产量增加
(更高的通量)。在实施方案中，容器10主要用于硫料浆与液体催化剂的分离，因为大部分催化剂的氧化发生在外部高剪切力装置40中。在实施方案中，大多数再生氧化反应发生在外部高剪切力装置40中。
本发明的通过用液相催化剂氧化进行气体脱臭和通过氧化再生被还原的催化剂的方法和系统，使用了外部高剪切力机械装置，提供了化学成分在高剪切力装置的受控环境中的快速接触和混合。高剪切力装置降低了反应的质量传递限制，从而增加了总反应速度，可以允许催化剂在预计可能不会发生实质性反应的总体运行条件下发生实质性的氧化。
尽管已经对本发明的优选实施方案进行了显示和描述，但本技术领域的专业人员可以对其进行修改而不背离本发明的精神和教导。本文描述的实施方案仅仅是示例性的，而不是打算进行限制。本文公开的发明的许多变化和修改是可能的，并包括在本发明的范围之内。当数值范围或限度被明确陈述时，这些表述的范围或限度应该被理解为包含了例如落在明确陈述的范围或限度的量值内的重叠的范围或限度(例如从大约1到大约10，包括2、3、4等；大于0.10，包括0.11、0.12、0.13等)。对于任何要求保护的要素来说，使用术语“可选地”，目的是指目标要素是需要的，或者是不需要的。两种选择方案都打算包含在权利要求的范围之内。较宽泛的术语例如包含(comprises)、包括(includes)、具有(having)等的使用，应该被理解为为更狭义的术语例如由…组成(consisting of)、基本上由…组成(consisting essentiallyof)、基本上由…组成(comprised substantially of)等提供了支持。
因此，保护的范围不受上面提出的描述的限制，而是仅仅受限于下面的权利要求书，其范围包括权利要求书的主题内容的所有等同方式。每个和所有的权利要求被整合在说明书中作为本发明的实施方案。因此，权利要求书是进一步的描述，是本发明的优选实施方案的补充。所有本文引用的专利、专利申请和出版物的公开内容，在它们为本文提出的内容提供示例性的、程序性的或其它详细情况的补充的程度上，在此引为参考。

Claims (20)

1.从含有硫化氢的酸性气流中除去硫化氢的方法，该方法包括：
在转化器中通过将酸性气流与水性催化溶液相接触来氧化硫化氢，从而产生脱硫的气流和含有被还原的催化剂和元素硫的液流；
将氧化剂和含有被还原的催化剂和元素硫的液流导入高剪切力装置，并产生分散体系，其中分散体系中氧化剂气体的平均气泡直径小于大约5μm；
将分散体系导入容器，从中移除含硫的料浆并移除再生的催化剂流，其中硫料浆含有元素硫和水性液体；以及
将至少一部分再生的催化剂流重新循环到转化器中。
2.权利要求1的方法，还包括从含硫料浆中除去至少一部分水性溶液，并将至少一部分回收的水性溶液重新循环到容器中。
3.为酸性气流脱臭的方法，该方法包括：
形成含有氧化剂气体气泡的分散体系，其中所述氧化剂气体气泡分散在含有还原的氧化还原液体催化剂的液相中，其中气泡具有小于1微米的平均直径。
4.权利要求3的方法，其中气泡具有小于400nm的平均直径。
5.权利要求3的方法，其中酸性气体包含选自空气、天然气、二氧化碳、胺酸性气体、填埋气体、沼气、合成气体、地热气、炼油厂气的气体，以及它们的组合。
6.权利要求3的方法，其中形成分散体系包括对氧化剂气体和液体催化相的混合物施加大于大约20,000s-1的剪切速率。
7.权利要求3的方法，其中形成分散体系包括将氧化剂气体和液体催化相在高剪切力装置中接触，其中高剪切力装置含有至少一个转子，其中至少一个转子在形成分散体系的过程中以至少22.9m/s(4,500ft/min)的叶尖速度旋转。
8.权利要求7的方法，其中高剪切力装置可以在至少一个转子的叶片尖端产生至少大约1034.2Mpa(150,000psi)的局部压力。
9.权利要求7的方法，其中高剪切力装置的能量消耗超过1000W/m3。
10.权利要求3的方法，其中氧化还原催化剂选自有机金属化合物和铁螯合物催化剂。
11.从酸性气体中除去硫化氢的方法，该方法包括：
在转化器中通过将酸性气体与含有被氧化的催化剂的液体相接触使硫化氢气体氧化，以产生含有硫和被还原的催化剂的转化器液体产物流；
形成含有转化器液体产物流和氧化剂气体的流体混合物；
将流体混合物暴露于至少大约20,000s-1的剪切速率，以形成氧化剂气体气泡在液体的连续相中的分散体；以及
将分散体导入容器，从中移除硫料浆，并从中将含有再生的被氧化的液体催化剂的液体流重新循环到转化器。
12.权利要求11的方法，还包括：
将硫料浆导入分离器，将料浆中的水性液体与硫分开；以及
将从料浆移除的水性液体重新循环到容器。
13.权利要求11的方法，其中分散体系中氧化剂气体的平均气泡直径小于1μm。
14.权利要求11的方法，其中流体混合物暴露于大于大约20,000s-1的剪切速率，包括将流体导入含有至少两个发生器的高剪切力装置。
15.用于从酸性气流中除去硫化氢的系统，该系统包括：
转化器，含有酸性气体入口、含有被氧化的催化剂的液流的入口、以及含有硫和被还原的液体催化剂的转化器液体产物的出口管路；
可分散气体入口，通过它可以将氧化剂导入出口管路；
位于可分散气体入口下游的外部高剪切力装置，外部高剪切力装置含有与转化器出口管路流体连通的入口，以及高剪切力装置出口；
与高剪切力装置的出口流体连通的氧化器；以及
将氧化器和转化器的液流入口管线流体连通的再循环管线，通过它可以将再生的被氧化的催化剂重新循环到转化器。
16.权利要求15的系统，其中外部高剪切力装置含有带有锯齿边缘的分散器，分散器含有至少一个包括转子和定子的发生器组，在转子和定子之间具有定义为最小间隙的剪切缝隙宽度，其中转子可以以一定的叶尖速度旋转，使得产生的由叶尖速度除以剪切缝隙宽度而定义的剪切速率为至少100,000s-1。
17.权利要求16的系统，其中外部高剪切力装置具有大于20.3m/s(4000ft/min)的叶尖速度。
18.权利要求15的系统，其中外部高剪切力装置能够产生氧化剂气泡在水性催化溶液中的分散体，氧化剂气泡具有亚微米级别的平均气泡直径。
19.权利要求15的系统，含有至少两个高剪切力装置。
20.权利要求15的系统，其中外部高剪切力装置含有至少两个发生器，其中一个发生器提供的剪切速率大于另一个发生器提供的剪切速率。
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