CN103097494B - 原油脱硫 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从含硫石油除硫的方法，所述方法包括：使具有第一硫含量的含硫石油在至少一种脱硫剂存在下经受高剪切，以产生高剪切处理过的料流，其中所述至少一种脱硫剂选自碱和无机盐；以及从所述高剪切处理过的料流分离富硫产物和脱硫石油产物两者，其中所述富硫产物包含元素硫，并且其中所述脱硫石油产物具有低于所述第一硫含量的第二硫含量。本发明还涉及用于降低含硫石油的硫含量的系统，所述系统包含：至少一个高剪切装置，所述高剪切装置包含至少一个转子和至少一个形状互补的定子；以及至少一个分离装置，所述分离装置被构造成用于从所述高剪切处理过的料流分离富硫产物和脱硫石油。

Description

原油脱硫
关于联邦资助的研究或开发的声明不适用。
技术领域
本发明总的来说涉及从石油除硫。更具体来说，本发明涉及用于原油脱硫的系统和方法。更具体来说，本发明涉及用于通过高剪切从石油除硫的系统和方法。
背景技术
原油一般伴有显著量的硫化氢并含有各种其他有机和无机硫化合物。含有显著浓度的硫化合物例如硫化氢、二氧化硫和硫醇的天然化石燃料例如原油和天然气被称为“含硫”的。硫化合物可能随时间推移从化石燃料释放出来，并且这些化合物的释放产生显著的环境和安全性问题。包括硫化氢和二氧化硫在内的各种硫化合物的排放受到管控。由于管控和限制的加强，因此从原油去除硫化合物是合乎需要的。
天然存在的低硫原油越来越短缺。随着越来越强调污染控制以及由此产生的对低硫含量的石油原油的需要，出现了对经济地生产减硫原油的需求。
除了满足加强的管控和限制之外，需要从原油除硫还有其他原因。硫化合物从原油释放出来不仅产生了显著的环境和安全性问题，而且这些化合物还可能攻击油井的金属部件以及管线、储存罐和下游的炼油设备。这种攻击引起金属部件的腐蚀和/或变脆。此外，在炼油厂中，下游过程可能利用对硫的存在敏感的催化剂。
在常规炼油厂中，一般在将原油分馏后除硫。除硫典型地包括利用往往需要极端操作条件的各种脱硫方法，并引入往往伴有高维护费用的昂贵设备。用于常规除硫的现有技术方法的实例可见于美国专利No.1,942,054、1,954,116、2,177,343、2,321,290、2,322,554、2,348,543、2,361,651、2,481,300、2,772,211、3,294,678、3,402,998、3,699,037和3,850,745，出于与本公开不相抵触的所有目的，将所述每个专利的公开内容在此以其全文引为参考。
因此，在工业中对于从原油除硫的系统和方法存在着需求。理想情况下，所述系统和方法允许在将石油从地层取出的地点附近对原油进行脱硫。所述系统和方法还可用于提高原油的API重力，和/或用于从原油去除其他杂质例如重金属。
发明内容
本文中公开了从含硫石油除硫的方法，所述方法包括（a）使具有第一硫含量的含硫石油在至少一种脱硫剂存在下经受高剪切，以产生高剪切处理过的料流，其中所述至少一种脱硫剂选自碱和无机盐；以及（b）从所述高剪切处理过的料流分离富硫产物和脱硫石油产物两者，其中所述富硫产物包含元素硫，并且其中所述脱硫石油产物具有低于所述第一硫含量的第二硫含量。在实施方案中，使所述含硫石油在至少一种脱硫剂存在下经受高剪切（a），包括使浆料经受至少10,000s-1的剪切速率。在实施方案中，使所述含硫石油在至少一种脱硫剂存在下经受高剪切（a），包括使浆料经受至少20,000s-1的剪切速率。在实施方案中，至少一种脱硫剂选自氨、氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸铵、碳酸钙、氢气、过氧化氢、单乙醇胺（MEA）、二乙二醇胺（DGA）、二乙醇胺（DEA）、二异丙醇胺（DIPA）和甲基二乙醇胺（MDEA）。在实施方案中，至少一种脱硫剂选自硫酸铵和氢氧化铵。
在实施方案中，以约50体积%：50体积%的比率提供所述含硫石油和所述至少一种脱硫剂。在实施方案中，所述第一硫含量在约0.5至6重量%的范围内。在实施方案中，所述第二硫含量低于所述第一硫含量的50%。在实施方案中，所述第二硫含量低于所述第一硫含量的10%。在实施方案中，所述第二硫含量低于0.5重量%。在实施方案中，使含硫石油经受高剪切（a）包括将所述含硫石油和所述至少一种脱硫剂导入到高剪切装置中，所述高剪切装置包含至少一个转子和至少一个形状互补的定子。高剪切可以包含至少10,000s-1的剪切速率，其中所述剪切速率被定义为尖端速度除以剪切间隙，并且其中所述尖端速度被定义为πDn，其中D是所述至少一个转子的直径，并且n是旋转频率。在实施方案中，高剪切包含至少20,000s-1的剪切速率，其中所述剪切速率被定义为尖端速度除以剪切间隙，并且其中所述尖端速度被定义为πDn，其中D是所述至少一个转子的直径，并且n是旋转频率。
在实施方案中，使所述含硫石油经受至少10,000s-1的剪切速率在所述至少一个转子的尖端处产生至少约1034.2MPa（150,000psi）的局部压力。在实施方案中，（a）包括提供所述至少一个转子的尖端速度为至少约23m/sec，其中所述尖端速度被定义为πDn，其中D是所述至少一个转子的直径，并且n是旋转频率。在实施方案中，所述剪切间隙小于约5μm，所述剪切间隙是所述至少一个转子与所述至少一个形状互补的定子之间的最小距离。
在实施方案中，（a）包括使含硫石油在至少一种脱硫剂和API调节气体存在下经受高剪切，其中所述API调节气体包含至少一种选自以下的化合物：氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和乙烷。在实施方案中，所述含硫石油具有第一API重力，所述脱硫石油产物具有第二API重力，并且所述第二API重力大于所述第一API重力。在实施方案中，所述API调节气体选自伴生气、非伴生气、FCC废气、焦化器废气、裂解气、加氢脱硫废气、催化裂化器废气、热裂化器废气及其组合。在实施方案中，所述高剪切处理过的料流包含平均直径小于或等于约5、4、3、2或1μm的API调节气体的气泡。在实施方案中，所述API调节气体的气泡具有小于或等于约100nm的平均直径。
在实施方案中，所述含硫石油具有第一API重力，所述脱硫石油具有第二API重力，并且所述第二API重力大于所述第一API重力。所述含硫石油可以提取自位置靠近执行所述方法的位置处的地层。在实施方案中，所述富硫产物是黄色的。
在实施方案中，在（b）（从所述高剪切处理过的料流分离富硫产物和脱硫石油产物）之后的剩余物是包含至少一种脱硫剂的剩余料流，并且所述方法还包括（c）将所述剩余料流中的至少一部分所述至少一种脱硫剂再循环到（a）中。在实施方案中，在启动期间在（a）中利用氨水，在（a）中产生硫酸铵，在（b）中分离所述硫酸铵并在（c）中将所述硫酸铵再循环到（a）中作为脱硫剂，并且只在需要维持所需的第二硫含量时，才在（a）中导入氨水。
在实施方案中，所述含硫石油还包含至少一种杂质，所述杂质选自重金属和氯化物。在实施方案中，将所述至少一种杂质中的至少一种与所述富硫产物一起从所述高剪切处理过的料流中分离。在实施方案中，所述至少一种杂质选自钒、汞和氯化物。
在实施方案中，所述富硫产物作为基本上干燥的产物被分离。在实施方案中，（b）中的分离包括离心、过滤或其组合。
本文中还公开了用于降低含硫石油的硫含量的系统，所述系统包含：至少一个高剪切装置，其包含至少一个转子和至少一个形状互补的定子，并被构造成使所述含硫石油经受高剪切并产生包含脱硫石油的高剪切处理过的料流，其中所述至少一个高剪切装置被构造成使其中的内含物经受至少10,000s-1的剪切速率，其中所述剪切速率被定义为尖端速度除以剪切间隙，并且其中所述尖端速度被定义为πDn，其中D是所述至少一个转子的直径，并且n是旋转频率；以及至少一个分离装置，其被构造成用于从所述高剪切处理过的料流分离富硫产物和脱硫石油。
在实施方案中，所述至少一个转子被构造成提供至少约23m/sec的尖端速度。在实施方案中，所述至少一个转子被构造成提供至少40m/sec的尖端速度。在实施方案中，所述至少一个转子与所述至少一个定子被小于约5μm的剪切间隙隔开，其中所述剪切间隙是所述至少一个转子与所述至少一个定子之间的最小距离。在实施方案中，在运行期间由所述至少一个转子的旋转所提供的剪切速率为至少20,000s-1。
所述系统还可以包含一个或多个管线，所述管线用于将至少一种脱硫剂、至少一种API调节气体、或脱硫剂和API调节气体两者导入到在所述至少一个高剪切装置的上游的含硫石油中和/或直接导入到所述至少一个高剪切装置中，其中所述脱硫剂选自碱和无机盐，所述API调节气体包含至少一种选自以下的组分：一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷和乙烷。
所述系统还可以包含再循环管线，所述再循环管线用于将至少一种脱硫剂从所述至少一个分离装置再循环到所述至少一个高剪切装置中。在实施方案中，所述至少一个分离装置被构造成提供基本上干燥的硫产物。在实施方案中，所述至少一个高剪切装置包含至少两个发生器，其中每个发生器包含转子和形状互补的定子。由一个发生器提供的剪切速率可以大于由另一个发生器提供的剪切速率。所述至少一个分离装置可以选自离心机和过滤装置。在实施方案中，所述至少一个分离装置包含离心机。
在实施方案中，所述系统是闭环系统。所述系统可以被构造成可移动单元、模块单元或两者。在实施方案中，所述系统不包含选自以下的装置：加热装置、蒸馏装置、沉淀槽及其组合。
上述方法或系统的某些实施方案，通过提供降低的催化剂/脱硫剂用量、允许流体通量增加、允许在较低温度和/或压力下运行、和/或降低资本和/或运行成本，潜在地提供了总成本降低。在下面的详细描述和附图中，这些以及其他实施方案和潜在优点将变得显而易见。
附图说明
为了更详细地描述本发明的优选实施方案，现在将参考附图，其中：
图1是本公开的实施方案的包含外部高剪切混合器/分散器的高剪切系统的示意图。
图2是适合在本公开的系统的实施方案中使用的高剪切混合装置的纵截面视图。
图3是本公开的实施方案的用于从石油除硫的方法的流程框图。
标记和命名
在本文中使用时，术语“分散体”是指包含至少两种不容易混合并溶解在一起的可区别物质（或“相”）的液化混合物。在本文中使用时，“分散体”包含“连续”相（或“基质”），所述连续相在其中容纳有其他相或物质的不连续液滴、气泡和/或粒子。因此，术语分散体可以是指含有悬浮在液体连续相中的气泡的泡沫、其中第一液体的液滴被分散在含有与第一液体不混溶的第二液体的整个连续相中的乳液、以及其中分布有固体粒子的连续液体相。在本文中使用时，术语“分散体”涵盖了其中分布有气泡的连续液体相，其中分布有固体粒子（例如固体硫或催化剂）的连续液体相，其中分布有基本上不溶于连续相中的第二液体的液滴的第一液体的连续相，以及其中分布有固体粒子、不混溶液体的液滴、和气泡中的任一种或组合的液体相。因此，取决于所选择的用于组合的材料的性质，分散体在某些情况下可以作为均质混合物存在（例如液/液相），或作为非均质混合物存在（例如气/液、固/液或气/固/液）。分散体可以包含例如气体（例如API调节气体）和/或一种流体（例如脱硫剂或石油）在与其不混溶的相（例如石油或脱硫剂）中的气泡和/或液滴。
词组“全部或一部分”的使用，在本文中被用于指称“整体的全部或一定百分数”或“全部或一些部件”。
在本文中使用时，术语“脱硫剂”包括pH增高剂。词组“pH增高剂”是指当被添加到溶液中时改变溶液的pH的化合物。正如下文中进一步讨论的，脱硫剂可以是碱性或酸性的。在实施方案中，脱硫剂是碱。脱硫剂可以是苛性碱。在实施方案中，脱硫剂选自氨、氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸铵、碳酸钙、氢气、过氧化氢、单乙醇胺（MEA）、二乙二醇胺（DGA）、二乙醇胺（DEA）、二异丙醇胺（DIPA）和甲基二乙醇胺（MDEA）。在实施方案中，脱硫剂是氨水。在实施方案中，脱硫剂是28%的氨水（28%的NH4OH）。在实施方案中，脱硫剂包含无机盐。在实施方案中，脱硫剂包含碳酸钙。在实施方案中，脱硫剂包含硫酸铵。
详细描述
概述。本文中公开了用于石油脱硫的系统和方法。待脱硫的石油可以是原油或源自于原油的油。所述系统包含外部高剪切机械装置，以在反应器/混合器装置中的受控环境中提供反应物的快速接触和混合。通过本公开的系统和方法，石油中的硫化氢和硫化合物可以作为干燥（或基本上干燥）形式的硫被去除，而不产生不希望的排放。所述系统和方法可用于在来源处（例如在井位处）从石油除硫。理想情况下，所述系统完全是模块式和/或可移动的，并可用于在原油源附近对含硫原油进行脱硫。在实施方案中，所述系统可以作为闭环运行。
在实施方案中，所述系统和方法允许在基本上大气压的整体运行条件下进行石油脱硫。由本公开的系统和方法实现的硫含量降低，可以消除对进一步的下游脱硫过程的任何需要。
包含本文所述的外部高剪切装置（HSD）或混合器的反应器组件可以降低质量传递限制，并由此允许可能是催化性的反应更接近地达到动力学极限。相对于常规方法，通过利用高剪切增强接触可以允许通量增加和/或使用较少量的催化剂（例如某些实施方案中的氨/硫酸铵），和/或可以使原本预期不会发生的反应得以发生。
用于原油脱硫的高剪切系统。现在将参考图1描述用于从石油除硫的高剪切系统100，所述图是本公开实施方案的高剪切系统100的工艺流程图。代表性系统的基本部件包括外部高剪切装置（HSD）40和分离装置10。石油脱硫系统100还可以包含泵5和/或油源15。在下面更详细地进一步描述了这些部件中的每一个。脱硫系统100可以被构造成模块单元和/或可移动单元（例如测井拖撬装置）。作为模块单元/可移动单元的构造对于在例如井口处的应用来说可能是有用的。脱硫系统100可以被设计成用于任何所需容积流率，例如100、250、500、900、1500、2000、3000、4000或5000gpm或更高，或其中涵盖的任何范围。
管线21与泵5相连，用于将包含原油的进料导入到泵5中。管线13将泵5连接到HSD40，管线19将高剪切处理过的料流运送出HSD40。流送管线19是来自于HSD40的高剪切处理过的料流（包含脱硫石油）流入的任何管线。分离装置10经由例如高剪切处理过的产物的流送管线19与HSD40流体连通。分离装置10可以包含一个或多个出口。例如，在图1的实施方案中，分离装置10包含第一分离器出口16、第二分离器出口17和第三分离器出口20。
如果需要，可以将另外的部件或方法步骤引入到HSD40与分离装置10之间或引入到泵5或HSD40的前面，这在阅读了下文中对高剪切过程的描述后将变得明显的。例如，管线17可以与管线21、管线22或管线13连接，使得来自于分离装置10的材料（例如pH增高材料和/或脱硫材料）可以被再循环到HSD40中。可以经由例如第一分离器出口16从系统100移除脱硫的原油。
在实施方案中，一个或多个管线22被构造成将脱硫剂反应物（例如氨）和/或API调节气体导入到HSD40中。管线22可以将新鲜反应物直接导入到HSD40中，或者可以将反应物导入到管线13中。
高剪切装置40。高剪切石油脱硫系统100包含一个或多个高剪切装置40。外部高剪切装置（HSD）40，有时也被称为高剪切混合器，被构造成经由管线13接收入口料流。管线22可以被构造成将脱硫剂（例如新鲜的或从分离装置10再循环的）和/或API调节气体导入到HSD40中。可选地，HSD40可以被构造成经由分开的入口管线接收脱硫剂和原油。尽管在图1的实施方案中仅示出了一个HSD用于原油脱硫，但应该理解，系统的某些实施方案可以包含两个或更多个HSD。两个或更多个HSD可以串联或并联流动排列。在实施方案中，原油脱硫系统100包含单个HSD40。
HSD40是利用一个或多个包含转子/定子组合的发生器的机械装置，每个转子/定子组合在定子与转子之间具有间隙。每个发生器组中转子与定子之间的间隙可以是固定的，或者可以是可调的。HSD40被构造成使得能够使其中的组分以旋转速度有效地进行接触。HSD包含外壳或壳体，以便可以控制其中的流体的压力和温度。
高剪切混合装置根据其混合流体的能力一般被分为三种通用类型。混合是减小流体中的粒子或非均质物质的尺寸的过程。对混合的程度或充分性的一种度量是混合装置产生的用于破裂流体粒子的每单位体积的能量密度。所述类型根据递送的能量密度来区分。三类具有足够的能量密度来始终如一地产生粒径在亚微米至50微米范围内的混合物或乳液的工业用混合器，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，将待加工的流体在非常高的压力下泵送通过狭缝阀，进入压力较低的环境中。跨阀压力梯度以及所产生的湍流和气蚀起到打破流体中的任何粒子的作用。这些阀系统最常用于牛奶的均化中，并能够产生亚微米至约1微米范围的平均粒径。
在能量密度谱的相反一端的是被称为低能装置的第三类装置。这些系统通常具有在待加工流体的贮存器中以高速转动的桨或流体转子，所述待加工流体在许多更常见的应用中是食品。这些低能系统通常被用于在被处理的流体中可以接受大于20微米的平均粒径的情况中。
从被递送到流体的混合能量密度的角度来说，介于低能装置与均化阀系统之间的是胶体磨和其它高速转子-定子装置，它们被分类为中能装置。典型的胶体磨的构造包括圆锥形或圆盘形的转子，所述转子与互补的、液体冷却的定子被紧密控制的转子-定子间隙隔开，该间隙通常在0.025mm至10mm（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来驱动。当转子以高速旋转时，它将流体泵到转子的外表面与定子的内表面之间，并且，在间隙中产生的剪切力对流体进行加工。许多胶体磨在适当调整时在被加工的流体中产生0.1至25微米的平均粒径。这些能力使得胶体磨适合于各种不同的应用，包括胶体和油/水基乳液的加工，例如化妆品、蛋黄酱、或硅酮/银汞齐形成直至屋面沥青的混合所需的加工。
HSD包含至少一个旋转元件，所述旋转元件产生的机械力被施加到其中的反应物。HSD包含由间隙隔开的至少一个定子和至少一个转子。例如，转子可以是锥形或圆盘形的，并可以与形状互补的定子分隔开。在实施方案中，转子和定子两者都包含多个周边间隔的环，所述环具有形状互补的尖端。环可以包含环绕转子或定子的单个表面或尖端。在实施方案中，转子和定子两者都包含2个以上周边间隔的环、3个以上的环或4个以上的环。例如，在实施方案中，三个发生器中的每一个均包含各自具有3个互补环的转子和定子，由此使被加工的材料在穿过HSD40时通过9个剪切间隙或级。可选地，三个发生器中的每一个均可以包含4个环，由此使被加工的材料在通过HSD40时通过12个剪切间隙或级。在某些实施方案中，定子是可调的，以在每个发生器（转子/定子组）的转子和定子之间获得所需的剪切间隙。每个发生器可以由被构造成用于提供所需旋转的任何适合的驱动系统来驱动。
在某些实施方案中，HSD40包含单级分散腔（即单个转子/定子组合；单个高剪切发生器）。在一些实施方案中，HSD40是多级串联分散器，并包含多个发生器。在某些实施方案中，HSD40包含至少两个发生器。在其他实施方案中，HSD40包含至少3个发生器。在某些实施方案中，HSD40是多级混合器，其中剪切速率（其随尖端速度正比变化并随转子/定子间隙宽度反比变化）随着沿流动路径的纵向位置而变，正如在下文中进一步描述的。
根据本公开，HSD40内的至少一个表面可以由适合于催化所需反应的催化剂制成、或者浸渍有或涂覆有所述催化剂，如美国专利申请No.12/476,415中所述，出于与本公开不相抵触的所有目的，将所述申请在此引为参考。例如，在实施方案中，至少一个转子、至少一个定子或至少一个转子/定子组（即至少一个发生器）的全部或一部分由适合的催化剂制成、或者涂覆有或浸渍有适合的催化剂。在某些应用中，可能希望利用两种或更多种不同催化剂。在这样的情况下，发生器可以包含由第一催化剂材料制成、或者浸渍有或涂覆有第一催化剂材料的转子，并且所述发生器的相应定子可以由第二催化剂材料制成、或者涂覆有或浸渍有第二催化剂材料。可选地，转子的一个或多个环可以由第一催化剂制成、或者涂覆有或浸渍有第一催化剂，并且所述转子的一个或多个环可以由第二催化剂制成、或者涂覆有或浸渍有第二催化剂。可选地，定子的一个或多个环可以由第一催化剂制成、或者涂覆有或浸渍有第一催化剂，并且所述定子的一个或多个环可以由第二催化剂制成、或者涂覆有或浸渍有第二催化剂。定子、转子或两者的接触表面的全部或一部分可以由催化材料制成或涂覆有催化材料。
HSD40的接触表面可以由多孔烧结催化剂材料例如铂制成。在实施方案中，接触表面涂覆有多孔烧结催化材料。在应用中，HSD40的接触表面涂覆有烧结材料或由烧结材料制成，随后用所需的催化剂浸渍所述接触表面。烧结材料可以是陶瓷，或者可以由金属粉末例如不锈钢或假勃姆石制成。烧结材料的孔可以在微米或亚微米范围内。可以对孔径进行选择以便获得所需的流量和催化效果。较小的孔径可以改进包含反应物在内的流体与催化剂之间的接触。通过改变多孔材料（陶瓷或烧结金属）的孔径，可以将催化剂的可用表面积调整至所需值。烧结材料可以包含例如约70体积%至约99体积%的烧结材料或约80体积%至约90体积%的烧结材料，其余体积被孔占据。
在实施方案中，由转子/定子的尖端所限定的环不含开口（即齿或沟槽），使得基本上所有的反应物都被迫通过烧结材料的孔，而不能因通过通常存在于常规分散器中的任何开口或沟槽来绕过催化剂。通过这种方式，例如，反应物将被迫通过烧结材料，从而被迫与催化剂接触。
在实施方案中，制成接触表面的烧结材料包含不锈钢或青铜。烧结材料（烧结金属或陶瓷）可以被钝化。然后可以向其施加催化剂。催化剂可以通过本技术领域已知的任何手段来施加。然后可以将接触表面煅烧以产生金属氧化物（例如不锈钢）。可以用第二金属涂覆第一金属氧化物（例如不锈钢氧化物）并再次煅烧。例如，可以用铝涂覆不锈钢氧化物并煅烧以产生氧化铝。后续处理可以提供另一种材料。例如，可以用硅涂覆氧化铝并煅烧以提供二氧化硅。可以利用几个煅烧/涂覆步骤来提供所需的接触表面和催化剂。通过这种方式，构成接触表面或涂覆接触表面的烧结材料可以浸渍有多种催化剂。另一种涂覆技术是例如金属气相沉积或化学气相沉积，例如用金属涂覆硅片所典型使用的。
在某些实施方案中，定子与转子之间的最小间隙（剪切间隙宽度）在约0.025mm（0.001英寸）至约3mm（0.125英寸）的范围内。剪切间隙可以在约5微米（0.0002英寸）至约4mm（0.016英寸）的范围内。在实施方案中，剪切间隙在5、4、3、2或1μm范围内。在某些实施方案中，定子与转子之间的最小间隙（剪切间隙宽度）在约1μm（0.00004英寸）至约3mm（0.012英寸）的范围内。在某些实施方案中，定子与转子之间的最小间隙（剪切间隙宽度）小于约10μm（0.0004英寸）、小于约50μm（0.002英寸）、小于约100μm（0.004英寸）、小于约200μm（0.008英寸）、小于约400μm（0.016英寸）。在某些实施方案中，定子与转子之间的最小间隙（剪切间隙宽度）为约1.5mm（0.06英寸）。在某些实施方案中，定子与转子之间的最小间隙（剪切间隙宽度）为约0.2mm（0.008英寸）。在某些构造中，定子与转子之间的最小间隙（剪切间隙）为至少1.7mm（0.07英寸）。由HSD产生的剪切速率可以随着沿流动路径的纵向位置而变。在某些实施方案中，转子被设定成以与转子的直径和所需的尖端速度相称的速度旋转。在某些实施方案中，HSD在定子与转子之间具有固定的间隙（剪切间隙宽度）。可选地，HSD具有可调的间隙（剪切间隙宽度）。
尖端速度是每单位时间中转子的尖端所经过的圆周距离。因此，尖端速度是转子直径和旋转频率的函数。尖端速度（单位为例如米/分钟）可以通过用转子尖端所经过的圆周距离2πR乘以旋转频率（单位为例如转/分钟，rpm）来计算，其中R是转子的半径（单位为例如米）。旋转频率可以大于250rpm、大于500rpm、大于1000rpm、大于5000rpm、大于7500rpm、大于10,000rpm、大于13,000rpm或大于15,000rpm。可以对旋转频率、流速和温度进行调整以获得所需的产物分布情况。如果发生沟流并且除硫不充分，则可以将旋转频率提高以使不希望的沟流最小化。可选地或此外，可以将来自于第一HSD的高剪切处理过的材料导入到第二或后续的HSD40中。
在某些应用中，HSD40可以提供超过22.9m/s（4500ft/min）并可以超过40m/s（7900ft/min）、50m/s（9800ft/min）、100m/s（19,600ft/min）、150m/s（29,500ft/min）、200m/s（39,300ft/min）或甚至225m/s（44,300ft/min）或更高的尖端速度。在实施方案中，尖端速度在约5.1m/s、23m/s或50m/s至约23m/s、50m/s、100m/s、150m/s、200m/s或225m/s的范围内，或在其中的任何范围（例如约50m/s至约225m/s）内。出于本公开的目的，术语“高剪切”是指尖端速度能够超过5.1m/s（1000ft/min）或上面提供的值并需要外部机械驱动电力装置来将能量驱动到待反应的产物料流中的机械转子定子装置（例如胶体磨或转子-定子分散器）。通过将反应物与旋转元件进行接触，显著的能量被转移至反应，所述选自元件可以由固定催化剂制成、或者涂覆有或浸渍有固定催化剂。HSD40的能量消耗一般非常低。可以按照需要调节温度以实现所需的除硫。
在某些实施方案中，HSD40能够以至少22.9m/s（4500ft/min）的尖端速度递送至少300L/h。功率消耗可以为约1.5kW。HSD40将高尖端速度与非常小的剪切间隙相组合，在被加工的材料上产生显著的剪切。剪切的量取决于HDS40中流体的粘度。因此，在HSD40运行期间，在转子的尖端处产生压力和温度升高的局部区域。在某些情况下，局部升高的压力为约1034.2MPa（150,000psi）。在某些情况下，局部升高的温度为约500℃。在某些情况下，这些局部压力和温度升高可以持续数纳秒或皮秒。
输入到流体中的能量的近似值（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，尖端速度是与一个或多个正产生施加于所述流体的机械力的旋转元件的末端有关的速度（ft/min或m/s）。在实施方案中，能量消耗为至少约1000W/m3、5000W/m3、7500W/m3、1kW/m3、500kW/m3、1000kW/m3、5000kW/m3、7500kW/m3或更高。在实施方案中，HSD40的能量消耗高于1000瓦/立方米其中的流体。在实施方案中，HSD40的能量消耗在约3000W/m3至约7500kW/m3范围内。在实施方案中，HSD40的能量消耗在约3000W/m3至约7500W/m3范围内。需要的实际能量输入是HSD内发生的反应的类型例如吸热和/或放热反应、以及分散和混合原料材料所需要的机械能量的函数。在某些应用中，存在在HSD内发生的放热反应降低了需要从马达输入的一些或基本上所有的反应能量。当将气体分散在液体中时，能量需求显著较少。
剪切速率是尖端速度除以剪切间隙宽度（转子与定子之间的最小间隙）。HSD40中产生的剪切速率可以大于20,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率为至少30,000s-1或至少40,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率高于30,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率为至少100,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率为至少500,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率为至少1,000,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率为至少1,600,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率为至少3,000,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率为至少5,000,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率为至少7,000,000s-1。在某些实施方案中，剪切速率为至少9,000,000s-1。在转子具有较大直径的实施方案中，剪切速率可能超过约9,000,000s-1。在实施方案中，由HSD40产生的剪切速率在20,000s-1至10,000,000s-1的范围内。例如，在一个应用中，转子尖端速度为约40m/s（7900ft/min）并且剪切间隙宽度为0.0254mm（0.001英寸），产生了1,600,000s-1的剪切速率。在另一个应用中，转子尖端速度为约22.9m/s（4500ft/min）并且剪切间隙宽度为0.0254mm（0.001英寸），产生了约901,600s-1的剪切速率。
在某些实施方案中，HSD40包含胶体磨。适合的胶体磨由例如Works,Inc.Wilmington,NC和APVNorthAmerica,Inc.Wilmington,MA制造。在某些情况下，HSD40包含Works,Inc.的DISPAX
在某些实施方案中，外部HSD的每一级具有可互换的混合工具，提供了灵活性。例如，Works,Inc.Wilmington,NC和APVNorthAmerica,Inc.Wilmington,MA的DR2000/4DISPAX包含三级分散模块。该模块可以包含多达三个转子/定子组合（发生器），为每一级提供有细、中等、粗和超细的选择。这允许剪切速率沿着流动方向变化。在某些实施方案中，每一级使用超细发生器来运转。
在实施方案中，利用规模放大版本的反应器。例如在实施方案中，HSD40包含SUPERDISPAXDRS2000。HSD装置可以是流量容力为125,000升/小时的DR2000/50装置，或流量容力为40,000升/小时的DRS2000/50。由于在DRS装置中的停留时间增加，因此，其中的流体经受更多的剪切。现在参考图2，图中示出了适合的HSD200的纵截面。图2的HSD200是包含三个级或转子-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。
第一发生器220包含转子222和定子227。第二发生器230包含转子223和定子228。第三发生器240包含转子224和定子229。对于每个发生器来说，转子由输入250进行可旋转式驱动，并如箭头265所示绕着轴260旋转。旋转的方向可以与箭头265所示的方向相反（例如绕着旋转轴260顺时针或逆时针）。定子227、228和229可固定地连接至HSD200的壁255。正如上文中提到的，每个转子和定子可以包含形状互补的尖端的环，在每个发生器内产生数个剪切间隙。
正如上文中提到的，每个发生器具有剪切间隙宽度，所述剪切间隙宽度是转子与定子之间的最小距离。在图2的实施方案中，第一发生器220包含第一剪切间隙225；第二发生器230包含第二剪切间隙235；第三发生器240包含第三剪切间隙245。在实施方案中，剪切间隙225、235、245具有在约0.025mm至约10mm范围内的宽度。可选地，所述方法包括利用其中间隙225、235、245具有在约0.5mm至约2.5mm范围内的宽度的HSD200。在某些情况下，剪切间隙宽度被维持在约1.5mm。可选地，发生器220、230、240的剪切间隙225、235、245的宽度是不同的。在某些情况下，第一发生器220的剪切间隙225的宽度大于第二发生器230的剪切间隙235的宽度，后者又大于第三发生器240的剪切间隙245的宽度。正如上面提到的，每一级的发生器是可互换的，提供了灵活性。HSD200可以被构造成使得剪切速率沿着流动方向260保持相同或纵向逐级增加或降低。
发生器220、230和240可以包含粗、中、细和超细的特征，在转子和互补的定子上具有不同数目的互补环或级。转子222、223和224以及定子227、228和229可以是齿状设计。每个发生器可以包含两组或更多组互补的转子-定子环。在实施方案中，转子222、223和224包含3组以上互补的转子/定子环。在实施方案中，转子和定子不含齿，由此迫使反应物流过烧结材料的孔。
HSD40可以是大规模或小规模装置。在实施方案中，系统100被用于加工低于100加仑/分钟至超过5000加仑/分钟。在实施方案中，一个或多个HSD40加工至少100、500、750、900、1000、2000、3000、4000、5000gpm或更高。大规模装置可以产生1000加仑/小时（24桶/小时）。转子的内径可以是适合于所需应用的任何尺寸。在实施方案中，转子的内径为约12cm（4英寸）至约40cm（15英寸）。在实施方案中，转子的直径为约6cm（2.4英寸）。在实施方案中，定子的外径为约15cm（5.9英寸）。在实施方案中，定子的直径为约6.4cm（2.5英寸）。在某些实施方案中，转子的直径为6.0cm（2.4英寸），定子的直径为6.4cm（2.5英寸），提供了约4mm的间隙。在某些实施方案中，三级中的每一级使用包含多组互补的转子/定子环的超细发生器来运转。
HSD200被构造成用于在入口205处接收来自管线13的流体混合物。所述混合物包含如下文中进一步讨论的反应物。在实施方案中，反应物包含石油和脱硫剂。在实施方案中，反应物包含原油和脱硫剂。在实施方案中，反应物包含原油和氨水。在实施方案中，反应物包含原油和硫酸铵。在实施方案中，反应物包含原油和氢氧化钾。在实施方案中，反应物包含原油和苛性碱。在实施方案中，反应物还包含如下文中进一步讨论的至少一种API调节气体。进入入口205的进料流被连续泵送通过发生器220、230，然后是240，以便产生产物脱硫石油。产物经由出口210（和图1的管线19）离开HSD200。每个发生器的转子222、223、224相对于固定的定子227、228、229以高速旋转，提供了高剪切速率。转子的旋转将流体例如进入入口205的进料流向外泵送通过剪切间隙（并且，如果存在的话，泵送通过转子齿之间的空隙和定子齿之间的空隙），产生了局部的高剪切条件。作用在流体流经的剪切间隙225、235和245（以及如果存在的话，在转子齿与定子齿之间的间隙）中的流体上的高剪切力对所述流体进行加工并产生脱硫石油产物。产物可以包含含有脱硫石油和释放出的硫的乳液。高剪切处理过的料流19可以包含用过的脱硫剂、过量的脱硫剂、改变的脱硫剂或其某些组合，正如将在下文中讨论的。产物经由高剪切出口210（图1的管线19）离开HSD200。
正如上面提到的，在某些情况下，HSD200包含Works,Inc.Wilmington,NC和APVNorthAmerica,Inc.Wilmington,MA的DISPAX有几种型号可用，它们具有各种不同的入口/出口连接、马力、尖端速度、输出rpm和流速。HSD的选择将取决于例如通量选择。例如，DR2000/4型号含有皮带驱动、4M发动机、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）约300-700L/h（取决于发生器），尖端速度9.4-41m/s（1850ft/min至8070ft/min）。通过使用多个HSD或通过利用较大的HSD，可以进行规模放大。很容易执行使用较大型号实现的规模放大，并且来自于较大HSD装置的结果在某些情况下可以提供相对于实验室规模装置的效率来说提高的效率。大规模装置可以是2000/装置。例如，DRS2000/5装置具有51mm（2英寸）的入口尺寸和38mm（1.5英寸）的出口尺寸。
在实施方案中，HSD40或其部分由耐火/耐腐蚀材料制成。例如，可以使用烧结金属、合金、材料。例如，脱硫剂可能是非常苛性的，因此在多种应用中，HSD40的转子、定子和/或其他部件可以由耐火材料（例如烧结金属）制成。
分离装置10。石油脱硫系统100包含一个或多个分离装置10。分离装置10可以是被构造成用于分离不同密度的相和/或材料的任何类型的分离容器。在实施方案中，分离装置10选自离心机、滗析器和过滤装置。在实施方案中，分离装置10包含一个或多个离心机。在实施方案中，分离装置10包含单个离心机。在实施方案中，分离装置10包含一个或多个过滤装置。分离装置10可以连续、半连续或分批运行。一个或多个分离装置10可以被构造为串联或并联式。对于并联运行来说，出口管线19可以分开以将高剪切处理过的产物导入到多个分离装置10中。在实施方案中，在分离装置10中分离的组分选自硫、脱硫石油、脱硫剂或其任何组合。在图1的实施方案中，分离装置10包含第一分离器出口管线16、第二分离器出口管线17和第三分离器出口管线20。
正如在分离器设计领域中已知的，分离装置10可以包括一个或多个下面的部件：加热和/或冷却能力、压力测量仪器、温度测量仪器、一个或多个注入点、以及液面调节器。例如，加热和/或冷却装置可以包含例如热交换器。
传热装置。在所述系统的变化形式中，还设想了用于加热待处理流体的内部或外部传热装置。例如，可以通过本技术领域的技术人员已知的任何方法对反应物进行预加热。一个或多个这样的传热装置的一些适合位置是在泵5与HSD40之间、在HSD40与流送管线19之间，以及当第二分离器出口17中的流体被再循环到HSD40中时在流送管线17与泵5之间。HSD可以包含内部轴，所述内部轴可以被冷却例如被水冷却，以部分或完全控制HSD内的温度。这样的传热装置的一些非限制性的实例是壳式、管式、板式和盘管式热交换器，正如本技术领域中已知的。
泵。高剪切石油脱硫系统100可以包含泵5。泵5被构造成用于连续或半连续运行，并可以是能够提供通过HSD40和系统100的受控流动的任何适合的泵送装置。在应用中，泵5提供高于202.65kPa（2个大气压）的压力或高于303.97kPa（3个大气压）的压力。泵5可以是RoperPumpCompany（CommerceGeorgia）的Roper1型齿轮泵，DaytonElectricCo（Niles,IL）的Dayton增压泵2P372E型号是一种适合的泵。优选情况下，泵的所有接触部分均由不锈钢例如316不锈钢构成。在所述系统的某些实施方案中，泵5能够产生高于约2026.5kPa（20个大气压）的压力。除了泵5之外，一个或多个附加的高压泵可以被包含在图1中所示的系统中。例如，在HSD40与流送管线19之间可以包含可能与泵5类似的增压泵，用于升高进入流送管线19中的压力。当油源15是油井时，即当高剪切系统100位于油井附近时，可以在压力下导入原油，并且可以不使用泵5。
用于生产合成气体的高剪切方法。现在将参考图3描述用于石油脱硫的方法，所述图3是本公开的实施方案的生产脱硫石油的方法300的示意图。方法300包括310处的提供石油和脱硫剂；320处的将石油与脱硫剂密切混合以产生高剪切处理过的料流；以及330处的从高剪切处理过的料流提取脱硫石油。所述除硫系统可以作为闭环运行。在实施方案中，通过本公开的方法实现石油脱硫不需要蒸馏、沉淀槽和/或外部加热。
提供待脱硫的石油和脱硫剂310。方法300包括提供待脱硫的石油以及提供脱硫剂310。待脱硫的石油可以是原油。待处理的石油可以在从油井提取后被直接导入，并因此可能处于升高的温度和/或压力下。在实施方案中，不使用加热，并且所述系统暴露于环境温度。在实施方案中，油源15包括油井。在实施方案中，将待脱硫的石油装在储存装置中。因此，在实施方案中，油源15包括本技术领域中已知的储存容器。
待脱硫的石油可能包含有机和/或无机形式的硫。例如，待脱硫的石油可包含例如硫化氢、有机硫化物、有机二硫化物、硫醇和芳香环化合物例如噻吩、苯并噻吩和相关化合物。芳香环化合物中的硫在本文中也被称为“噻吩硫”。从油页岩提取的液体石油以及源自于沥青砂的液体石油被称为合成原油。待脱硫的石油可以是石油或合成原油。待脱硫的石油可以是精炼油或用过的精炼油。待处理的石油还可以包含氯化物、汞、钒和/或其他重金属，它们在本公开的除硫方法期间也可以被有利地去除，正如在后文中进一步讨论的。
在实施方案中，提供待脱硫的石油包括提供一种或多种原油。原油是天然存在的复杂的烃混合物，其典型地包含少量的烃的硫、氮和氧衍生物以及痕量金属。原油含有许多不同的烃化合物，在不同油田之间的原油在外观和组成上不同。原油在粘稠度上从水到沥青样固体不等，颜色为透明至黑色。“平均的”原油含有约84%碳、14%氢、1%-3%硫，并且氮、氧、金属和盐中的每一种均小于1%。根据相似烃分子的占优势的比例，原油一般被分类成链烷族、环烷族或芳香族原油。混合基原油含有不同量的每种类型的烃。精炼原油基础油通常含有两种或更多种不同原油的混合物。
使用相对简单的原油测定法将原油分类为链烷族、环烷族、芳香族原油或混合原油。一种测定方法（美国矿业局（UnitedStatesBureauofMines））是基于蒸馏，另一种方法（UOP“K”因子）是基于重力和沸点。可以利用更加综合性的原油测定法来估算原油的值（即有用产物的产率和质量）和加工参数。原油典型地按照产率结构进行分组。
还可从API（美国石油协会（AmericanPetroleumInstitute））重力的角度来定义原油。API重力是表示石油产品密度的任意标度。API重力越高，原油越轻。例如，轻质原油具有高的API重力和低的比重。具有低碳、高氢和高API重力的原油通常富含链烷烃，并倾向于产生更高比例的汽油和轻质石油产品，而具有高碳、低氢和低API重力的原油通常富含芳香烃。
含有可察觉量的硫化氢或其他反应性硫化合物的原油被称为“含硫”的。含有较少硫的原油被称为“脱硫”的。该规则的值得注意的例外是西德克萨斯（WestTexas）原油，其无论硫化氢含量如何总是被当作“含硫”的，以及阿拉伯高硫原油，其不被当作“含硫”的，因为其中的硫化合物不具有高反应性。310处的提供原油包括提供一种或多种选自含硫原油的原油。含硫原油可以是低API原油、高API原油、中API原油、链烷族原油、环烷族原油、芳香族原油、混合原油或其任何组合。表1显示了各种原油的典型特征、性质和汽油潜力。在实施方案中，310处的提供待脱硫石油包括提供一种或多种与表1中所示的那些相似的原油。
待脱硫石油可以包含约5、4、3、2或1重量%的硫。在实施方案中，待脱硫石油包含约0.2至约20ppm硫。在实施方案中，待脱硫石油包含约0.2至约10ppm硫。在实施方案中，待脱硫石油包含约5至约10ppm硫。在实施方案中，待脱硫石油包含约0.1至约5ppm噻吩硫。
310处的提供待脱硫石油和脱硫剂包括提供至少一种脱硫剂。在实施方案中，提供石油和脱硫剂包括提供石油和脱硫剂的50:50体积比的混合物。在实施方案中，脱硫剂是碱。脱硫剂可以是苛性碱。在实施方案中，脱硫剂选自氨、氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸铵、碳酸钙、氢气、过氧化氢、单乙醇胺（MEA）、二乙二醇胺（DGA）、二乙醇胺（DEA）、二异丙醇胺（DIPA）和甲基二乙醇胺（MDEA）。在实施方案中，脱硫剂是氨水。在实施方案中，脱硫剂是28%的氨水（28%的NH4OH）。在实施方案中，脱硫剂包含无机盐。在实施方案中，脱硫剂包含碳酸钙。在实施方案中，脱硫剂包含硫酸铵。硫酸铵可以在HSD40内形成（当最初将氨水作为脱硫剂导入到HSD40中时）并被作为脱硫剂进行再循环使用。可选地，可以购买硫酸铵并将其导入到HSD40中。可选地，可以在现场从例如无水硫酸铵和水生产硫酸铵。
将石油与脱硫剂密切混合320。方法300包括320处的将待脱硫石油与脱硫剂密切混合。密切混合可以包括使待脱硫石油和脱硫剂经受高剪切以产生高剪切处理过的料流。在实施方案中，使待脱硫石油和脱硫剂经受高剪切包含经受至少10,000s-1、至少20,000s-1、至少30,000s-1或更高的剪切速率，正如在下文中进一步讨论的。在实施方案中，将石油与脱硫剂密切混合320包括如图1中所示将待脱硫石油（例如经由管线21和13）和脱硫剂（例如经由管线22）导入到HSD40中。
现在参考图1，将石油与脱硫剂密切混合320可以包括将待脱硫石油从油源15导入到HSD40中。使用泵5将石油泵送至HSD40中。脱硫剂可以经由管线22被导入到管线13中或导入到整个系统100中的别处。例如，可以经由管线22导入新鲜或补充的氨。在实施方案中，将气体与待脱硫石油和脱硫剂一起导入到HSD40中。例如，气体可以经由管线22、经由另外的入口管线被导入到HSD40中，可以被直接导入到HSD40中，或者可以存在于从油源15导入的石油中。当利用管线22导入脱硫剂时，第二管线可以将气体导入到管线13中。
将气体与脱硫剂一起导入到HSD40中，可用于改变得到的脱硫原油的API。一般来说，原油的精炼产生显著量的炼油厂相关气体。在精炼操作期间，通常5%左右的原油被转化成各种气体。这样的气体典型地被用作燃料或被点燃。与点燃这样的气体相比，这样的气体用于增加API的应用可能是更加合乎需要的，特别是由于越来越严格的排放限制。此外，将API调节气体与脱硫剂一起通过HSD可用于清洁气体（即去除其中的硫（例如硫化氢））。在HSD中，显著部分的气体可以在反应中被消耗。任何剩余气体可以被再循环至HSD40中、点燃或用作燃料。
所述方法可用于通过减少原油中的挥发性组分以改变API重力和/或使原油稳定，并且也可以通过去除石油中的硫来对石油脱硫。值得注意的是，即使在不存在气体添加的情况下，将待脱硫石油与脱硫剂密切混合也可以有效提高API重力。例如，从包含噻吩化合物的原油除硫可以产生具有比导入的含硫原油高的API重力的脱硫石油。
炼油厂相关气体可以包含例如各种量的二氧化碳、一氧化碳、氢气、甲烷、乙烷和/或硫化氢。在实施方案中，API调节气体是二氧化碳或包含二氧化碳。此外，原油可能与伴生气一起从地层中提取出来。伴生气是被发现在储层中存在的高压力下溶解在原油中的气体，或者是作为气体覆盖层存在于石油上的气体。伴生气包含天然气。非伴生气也是可用的。正如本技术领域中已知的，词组“非伴生气”在本文中是指在不含石油的储层中获得的气体。与脱硫剂一起被导入到HSD中的气体可以选自但不限于：FCC废气、裂解气、伴生气、加氢脱硫废气、催化裂化器废气、热裂化器废气、非伴生气及其组合。例如，在炼油厂中FCC催化剂的再生可以产生显著量的CO和/或CO2，其可以与脱硫剂一起被导入到HSD中。所述气体可以选自伴生气、非伴生气、炼油厂相关气体、甲烷、乙烷、一氧化碳、二氧化碳、氢气及其组合。在实施方案中，将与伴生气一起从地层提取的原油通过HSD40（理想地，在压力降低之前）与脱硫剂进行密切混合，以调节其稳定性和/或API重力并去除其中的硫。在实施方案中，将从地层提取的原油（含有或不含伴生气）通过HSD40与非伴生气和脱硫剂密切混合，以调节其稳定性/API重力并去除其中的硫。在HSD40中除硫将增强气体与原油的相互作用，并且被导入到HSD40中的气体的显著部分可能被消耗。原油中存在钒和具有催化性质的其他金属，可能增强原油与API调节气体的反应。
现在参考图1，当存在泵5时，可以运行泵5以将待脱硫的石油泵送通过管线13，并建立压力且向HSD40进料，以在整个高剪切（HSD）40和高剪切系统100中提供受控流动。在某些实施方案中，泵5将管线13中HSD入口料流的压力增加至高于200kPa（2个大气压）或高于约300kPa（3个大气压）。通过这种方式，高剪切系统100可以将高剪切与压力相组合，以提高合成气体的生产。正如上面提到的，当原油在井口或井位处脱硫时，从地中提取出来的石油可能具有适合的压力，在这种情况下不使用泵5。
在高剪切装置40内，将脱硫剂和任选的API调节气体与待脱硫的石油密切混合。可以控制HSD40内的温度、剪切速率和/或停留时间以实现所需的除硫。例如，可以对运行参数进行选择/调整，以产生具有低于所需硫含量的脱硫石油。所需硫含量可以是低于2重量%硫、低于1.5重量%硫、低于1.0重量%硫、低于0.75重量%硫、低于0.5重量%硫或低于约0.25重量%硫。
使石油和脱硫剂（以及任选的API调节气体）经受高剪切，可以提供包含脱硫剂或石油的液滴或API调节气体的气泡的乳液或分散体。在实施方案中，形成了包含液体的纳米液滴和/或微米液滴和/或API调节气体的纳米气泡和/或微米气泡的乳液或分散体。在实施方案中，乳液中的液滴和/或分散体中的气泡具有小于或约5、4、3、2或1μm的平均直径。在实施方案中，乳液中的液滴和/或分散体中的气泡具有在纳米范围、微米范围或亚微米范围内的平均粒子直径。
在HSD40内，使内含物经受高剪切。在示例性实施方案中，如上所述，高剪切装置包含市售的分散器例如DR2000/4型号，这是被构造成具有串联排列的三个转子与定子组合的高剪切三级分散装置。分散器被用于使内含物经受高剪切。转子/定子组可以被构造为例如如图2中所示的。在这样的实施方案中，进料经由管线13进入高剪切装置，并进入具有周边间隔的第一级剪切开口的第一级转子/定子组合。离开第一级的粗混合物进入具有第二级剪切开口的第二级转子/定子。从第二级产生的混合物进入具有第三级剪切开口的第三级转子/定子组合。发生器的转子和定子可以具有周边间隔的形状互补的环。高剪切处理过的料流经由管线19离开高剪切装置。在某些实施方案中，剪切速率沿着流动方向260纵向逐级增加，或者从一个发生器的内部环组向同一发生器的外部环组逐步增加。在其他实施方案中，剪切速率沿着流动方向260纵向逐级减小，或者从一个发生器的内部环组向同一发生器的外部环组（从轴200向外）逐步减小。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。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或小于后续级中的剪切速率。在其他实施方案中，剪切速率沿着流动方向基本上恒定，在各个级之间是相同的。例如，如果HSD40包括PTFE密封件，则可以使用本技术领域中已知的任何适合的技术来冷却该密封件。HSD40可以包含位于中心的轴，所述轴可用于控制HSD40内的温度。例如，流入管线22的脱硫剂可用于冷却密封件，并在如此使用时在进入高剪切装置之前进行预加热。
HSD40的转子可以被设定成以与转子的直径和所需的尖端速度相称的速度旋转。如上所述，HSD（例如胶体磨或齿状缘分散器）在定子与转子之间具有固定的间隙或具有可调的间隙。
在某些实施方案中，HSD40以至少22m/s（4500ft/min）、40m/s（7900ft/min）、并可以超过225m/s（45,000ft/min）或更高的标称尖端速度递送至少300L/h。功率消耗根据需要可以为约1.5kW或更高。尽管测量在HSD40中的旋转剪切装置或旋转元件的尖端处的即时温度和压力是困难的，但据估计，在高剪切条件下，通过密切混合的反应物所观察到的局部温度可超过500℃，并且压力超过500kg/cm2。
可以调整温度、压力、空间速度、API调节气体的组成、和/或脱硫剂与待脱硫石油的比率等条件，以实现所需的除硫。当待处理原油的组成改变时，可以对这样的参数进行调整。在某些实施方案中，运行温度和压力由原油离开井口时的温度和压力决定。HSD40内的停留时间典型地是低的。例如，停留时间可以在毫秒范围内，可以为约10、20、30、40、50、60、70、80、90或约100毫秒，可以为约100、200、300、400、500、600、700、800或约900毫秒，可以在数秒的范围内，或者可以在它们之间的任何范围内。
正如上面提到的，将原油与脱硫剂密切混合可以包括使原油运行通过一个或多个HSD40。将原油与脱硫剂密切混合可以包括使原油运行通过串联或并联的两个或更多个HSD40。将原油与脱硫剂密切混合可以包括使原油运行通过串联和/或并联的三个或更多个HSD40。另外的API调节气体和/或脱硫剂可以被导入到每个后续HSD中。
不希望受到理论的限制，当将氨水和/或硫酸铵作为脱硫剂导入到HSD40中时，HSD40内存在的硫酸铵将重复地释放硫并从石油进一步提取硫。元素硫的存在将实现氯化物、汞、钒和可能已存在于待脱硫石油中的其他重金属的移除。因此，通过本公开的系统和方法，除硫可以与氯化物和/或重金属的移除相组合。
不希望受到理论的限制，据信，HSD40内的条件迫使原本在热力学上不利的反应得以发生。在实施方案中，被导入到HSD40中的脱硫剂包含氨水或硫酸铵。在HSD40内形成的或作为脱硫剂导入的（例如经由管线22导入到HSD40内或从分离装置10再循环的，如下文中进一步讨论的）硫酸铵连续地从石油中移除硫。因此，硫酸铵可以被视为脱硫中的催化剂，它连续地从石油中移除硫，释放出元素硫（由剪切/压力造成），并接着从石油中提取硫分子。
分离脱硫石油330。高剪切除硫方法300还包括330处的提取脱硫石油。提取脱硫石油330包括从高剪切处理过的料流19分离脱硫石油。在密切混合320期间，脱硫剂可以被转变成新形式。例如，当将新鲜氨水与待脱硫石油一起导入到HSD40中时，将在HSD40内形成硫酸铵。因此，提取脱硫石油可以包括将脱硫石油与硫和脱硫剂分离，所述脱硫剂可以包含与最初导入到HSD40中的相同的脱硫剂，或者可以包含在HSD40内形成的脱硫剂（例如硫酸铵）。在实施方案中，经由第二分离器出口17从分离装置10提取脱硫剂；经由第一分离器出口16从分离装置10取出脱硫石油；并且经由第三分离器出口20从分离装置10取出（固体）硫。正如上面提到的，在实施方案中，将API调节气体与脱硫剂和石油一起导入到HSD40中。然后可以在分离装置10的上游移除或从分离装置10移除任何未反应的气体或产生的气体。如果需要，可以将未反应的气体或产物气体再循环到HSD40或不同的HSD中，或用作燃料或点燃。
正如上文中讨论的，分离装置可以选自离心机、过滤装置（例如压滤机）、滗析器及其组合。在实施方案中，分离装置10是一个或多个离心机。
在实施方案中，被导入到HSD40中或在其中形成的脱硫剂在除硫过程中起到催化剂的作用。在这种情况下，例如当将包含氨水的脱硫剂导入到HSD40中（并在HSD40内形成硫酸铵）时，或当将硫酸铵导入到HSD40中时，通过将第二出口17与管线22、管线21或管线13流体连通由此可以将第二出口管线17的一部分内含物再循环到HSD40中，或通过将管线17的内含物（或其一部分）直接导入到HSD40中，可以将从高剪切处理过的料流19分离的脱硫剂从分离装置10再循环到HSD40。分离的脱硫剂可以包含与导入到HSD40中的相同的脱硫剂（例如导入到HSD40中的未反应的氨水或硫酸铵），或在HSD40内形成的脱硫剂（例如由于将氨水导入到HSD40中而在HSD40内形成的硫酸铵）。脱硫剂的再循环对于降低在脱硫中使用的脱硫剂的量可能是理想的。例如，一开始，可以将氨水经由管线22导入到HSD40中。在HSD40内形成了硫酸铵，硫酸铵重复地从待脱硫石油提取硫。将硫酸铵与脱硫石油产物（其经由第一出口16离开分离装置10）和移除的固体硫（其经由第三出口20离开分离装置）分离，并将一些或全部硫酸铵再循环到HSD40中。在这样的情况下，当足够的硫酸铵已被产生并且可用于再循环到HSD40中时，可以终止新鲜氨水的导入。这是合乎需要的，因为例如氨水必须被小心操作，并且因为特别是对于大规模运行来说，通过利用再循环的材料而不是使用大体积的新鲜脱硫剂，可以显著降低成本。如果希望将硫酸铵作为销售产品或用在别处，则硫酸铵不必进行再循环。可选地或此外，可以将硫酸铵通过系统100进行再循环，并且硫主要作为元素硫（例如硫晶体）被移除。
在其他实施方案中，脱硫剂在运行期间被耗尽，并且改变的脱硫剂没有进行再循环，而是经由第二出口17从系统100移除。例如，当使用苛性碱作为脱硫剂时，可能形成NaCl，其不会逆转并进一步从石油提取硫。在这样的情况下，在运行期间需要在必需时将新鲜苛性碱连续导入到HSD40中。
产物脱硫石油。从分离装置10移除的脱硫石油包含具有比待脱硫石油低的硫含量的石油。脱硫石油的硫含量可能低于2重量%的硫、低于1.5重量%的硫、低于1.0重量%的硫、低于0.75重量%的硫、低于0.5重量%的硫或低于约0.25重量%的硫。在实施方案中，脱硫石油的硫含量低于待脱硫石油的硫含量的90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%或10%。例如，脱硫石油可以包含被导入到HSD40中的原油的硫含量的10%。
在实施方案中，氯化物在脱硫期间被移除。氯化物可以作为例如氯化钠或氯化铵被移除。在实施方案中，脱硫石油的氯化物含量小于待脱硫石油的氯化物含量的约50%、40%、30%、20%、15%或低于约10%。
正如上面提到的，从石油除硫可以有益地改变原油的API重力。另外，将气体与待脱硫石油和脱硫剂一起导入到HSD40中，可以进一步增加石油的API重力和/或稳定性。在实施方案中，脱硫石油产物的API为待脱硫石油的至少或约1.25、1.5或2倍。在实施方案中，通过本公开的方法，原油的API增加约15至约30、约5至约20或约10至约20。
经由第三出口20从分离装置10移除的硫包含固体硫，并且外观一般为黄色。硫可以表现为规则硫或聚合硫。在移除的硫中可能存在硫的各种同素异形体，例如S8、S7、S6或其组合。当脱硫剂包含氨时，硫也作为硫酸铵被移除。硫可以作为滤饼、作为浆料或作为例如来自于离心机的干燥产物被移除。
多程运行。在图1中示出的实施方案中，系统被构造成用于单程运行。HSD40的输出物可以运行通过后续的HSD。在某些实施方案中，可能希望在第二程期间将流送管线19的内含物或其一部分通过HSD40。在这种情况下，可以将流送管线19的内含物中的至少一部分从流送管线19再循环并任选地通过泵5泵送至管线13中，从而进入HSD40中。另外的反应物（例如API调节气体和/或脱硫剂）可以经由管线22注入到管线13中，或者可以直接添加到HSD中。在其他实施方案中，出口管线19中的产物在进入分离装置10之前被进料到第二HSD中。由于在到目前为止执行的实验（参见后文中的实施例）中见证到除硫的快速性，因此，似乎多程运行可能不是必需或理想的。
多个HSD。在某些实施方案中，两个或多个与HSD40相似或构造不同的HSD被串联排列，并用于进一步促进反应。在实施方案中，反应物连续或平行流过多个HSD40。在实施方案中，可以将第二HSD置于分离装置10的上游，由此可以将经由第一出口16离开分离装置10的脱硫石油导入到后续的HSD中，以从其中移除剩余的硫。当多个HSD40串联运行时，另外的反应物可以被注入到每个HSD的入口进料流中。例如，另外的API调节气体和/或脱硫剂可以被导入到第二或后续的HSD40中。在某些实施方案中，多个HSD40并联运行，来自于它们的出口产物被导入到一个或多个流送管线19中。
特点。包含液体、气体和固体的化学反应的速率取决于接触时间、温度和压力。在希望使两种或更多种不同相的原材料或不混溶材料进行反应的情况下，控制反应速率的限制因素之一是反应物的接触时间。当反应速率加速时，可以减少停留时间，从而增加可获得的通量。
与简单混合相比，由HSD提供的反应物的密切接触可以允许和/或产生更快和/或更完全的除硫。在实施方案中，使用包括通过外部HSD对反应物进行混合的本公开方法，允许使用比常规构造和方法低的量的催化剂（例如硫酸铵），和/或增加除硫。
不希望受到具体理论的限制，据信，高剪切混合的水平或程度可能足以增加质量传递速率，并且也产生了局部非理想条件（就热力学而言），所述局部非理想条件能够使根据Gibbs自由能预测预计原本不会发生的反应得以发生，和/或增加预期反应的速率或程度。例如，在原油与氨水的常规混合中，可能形成硫酸铵，但是硫酸铵的催化效应，以及由于硫在HSD中遇到的高压力/剪切下的释放所造成的通过所述硫酸铵从待脱硫石油中连续移除其他硫，预期将不会发生。据信，在HSD内出现了局部非理想条件，导致温度和压力增加，其中最显著的被认为是局部压力的增加。HSD内压力和温度的增加是即时和局部的，一旦离开HSD后就快速返回到主体或平均系统条件。不希望受到理论的限制，在某些情况下，HSD可能诱导足够强度的气蚀，从而将一种或多种反应物解离成游离基，游离基可以加剧化学反应，或允许反应在比原本可能需要的条件严紧性更低的条件下发生。气蚀也可以通过产生局部湍流和液体微循环（声流）来增加运送过程的速率。关于在化学/物理加工应用中应用气蚀现象的概述被提供在Gogate等的《气蚀：新兴的技术》（“Cavitation:Atechnologyonthehorizon,”）CurrentScience91(No.1):35-46(2006)中。本发明的系统和方法的某些实施方案的HSD可能诱导气蚀，由此将一种或多种反应物解离成游离基，然后游离基发生反应。在实施方案中，转子/定子尖端处的极端压力引起液相反应，并且不涉及气蚀。
出于说明和示例本发明的原理的目的，使用了各种维度、尺寸、数量、体积、速率和其他数值参数和数字，但它们并不旨在将本发明限制于本文中所说明、描述或以其他方式陈述的数值参数和数字。同样地，除非具体说明，否则步骤的次序不被认为是关键的。下面讨论的实施方案的不同教导可以被单独采用或以任何适合的组合采用，以产生所需结果。
尽管已经显示和描述了本发明的优选实施方案，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，并不旨在限制。本文公开的发明的许多变体和修改是可能的并在本发明的范围之内。当明确指出数值范围或限度时，这些表述范围或限度应该被理解为包含落入所明确指出的范围或限度内的相同量值的迭代范围或限度（例如约1至约10包含2、3、4等；大于0.10包含0.11、0.12、0.13等）。对于权利要求的任何要素来说，术语“任选地”的使用旨在表示该对象要素是需要的或者是不需要的。这两种选择方案都被规定在权利要求的范围之内。较宽泛的术语例如包含、包括、具有等的使用，应该被理解为对较狭义的术语例如由……组成、基本上由……组成、基本上由……构成等提供了支持。
因此，保护范围不受上述说明书的限制，而是仅受权利要求书的限制，其范围包括权利要求书的主题内容的所有等同物。每个和各个权利要求都被整合到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。本文引用的所有专利、专利申请和出版物的公开内容，在它们为本文所述内容提供示例性、程序性或其它详细情况的补充的程度上，在此引为参考。

Claims (42)

1.从含硫石油除硫的方法，所述方法包括：
(a)使具有第一硫含量的含硫石油在至少一种脱硫剂存在下经受高剪切，以产生高剪切处理过的料流，其中，所述高剪切包括将所述含硫石油和所述至少一种脱硫剂导入到高剪切装置中，所述高剪切装置包含至少一个转子和至少一个形状互补的定子，所述至少一个转子和所述至少一个形状互补的定子被剪切间隙隔开，其中所述至少一种脱硫剂选自氨、硫酸铵、氢氧化铵及其混合物；以及
(b)从所述高剪切处理过的料流分离富硫产物和脱硫石油产物两者，其中所述富硫产物包含单质硫，并且其中所述脱硫石油产物具有低于所述第一硫含量的第二硫含量。
2.权利要求1的方法，其中(a)使含硫石油在至少一种脱硫剂存在下经受高剪切，包括使浆料经受至少10,000s-1的剪切速率。
3.权利要求2的方法，其中(a)使含硫石油在至少一种脱硫剂存在下经受高剪切，包括使浆料经受至少20,000s-1的剪切速率。
4.权利要求1的方法，其中以50体积％：50体积％的比率提供所述含硫石油和所述至少一种脱硫剂。
5.权利要求1的方法，其中所述第一硫含量在0.5重量％至6重量％的范围内。
6.权利要求5的方法，其中所述第二硫含量低于所述第一硫含量的50％。
7.权利要求5的方法，其中所述第二硫含量低于所述第一硫含量的10％。
8.权利要求1的方法，其中所述第二硫含量低于0.5重量％。
9.权利要求1的方法，其中高剪切包含至少10,000s-1的剪切速率，其中所述剪切速率被定义为尖端速度除以剪切间隙，并且其中所述尖端速度被定义为πDn，其中D是所述至少一个转子的直径，并且n是旋转频率。
10.权利要求1的方法，其中高剪切包含至少20,000s-1的剪切速率，其中所述剪切速率被定义为尖端速度除以剪切间隙，并且其中所述尖端速度被定义为πDn，其中D是所述至少一个转子的直径，并且n是旋转频率。
11.权利要求1的方法，其中使所述含硫石油经受至少10,000s-1的剪切速率在所述至少一个转子的尖端处产生至少150,000psi的局部压力。
12.权利要求1的方法，其中(a)包括提供所述至少一个转子的尖端速度为至少23m/sec，其中所述尖端速度被定义为πDn，其中D是所述至少一个转子的直径，并且n是旋转频率。
13.权利要求1的方法，其中所述剪切间隙小于5μm，所述剪切间隙是所述至少一个转子与所述至少一个形状互补的定子之间的最小距离。
14.权利要求1的方法，其中(a)包括使含硫石油在至少一种API调节气体存在下经受高剪切，其中所述API调节气体包含至少一种选自以下的化合物：氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和乙烷。
15.权利要求14的方法，其中所述含硫石油具有第一API重力，所述脱硫石油产物具有第二API重力，并且其中所述第二API重力大于所述第一API重力。
16.权利要求14的方法，其中所述API调节气体选自伴生气、非伴生气、FCC废气、焦化器废气、裂解气、加氢脱硫废气、催化裂化器废气、热裂化器废气及其组合。
17.权利要求16的方法，其中所述高剪切处理过的料流包含平均直径小于或等于5、4、3、2或1μm的API调节气体的气泡。
18.权利要求17的方法，其中所述API调节气体的气泡具有小于或等于100nm的平均直径。
19.权利要求1的方法，其中所述含硫石油具有第一API重力，所述脱硫石油产物具有第二API重力，并且其中所述第二API重力大于所述第一API重力。
20.权利要求1的方法，其中所述含硫石油提取自位置靠近执行所述方法的位置处的地层。
21.权利要求1的方法，其中所述富硫产物是黄色的。
22.权利要求1的方法，其中在(b)从所述高剪切处理过的料流分离富硫产物和脱硫石油产物之后的剩余物是包含至少一种脱硫剂的剩余料流，并且其中所述方法还包括(c)将所述剩余料流中的至少一部分所述至少一种脱硫剂再循环到(a)中。
23.权利要求22的方法，其中在启动期间在(a)中利用氨水，在(a)中产生硫酸铵，在(b)中分离所述硫酸铵并在(c)中将所述硫酸铵再循环到(a)中作为脱硫剂，并且其中只在需要维持所需的第二硫含量时，才在(a)中导入氨水。
24.权利要求1的方法，其中所述含硫石油还包含至少一种杂质，所述杂质选自重金属和氯化物。
25.权利要求24的方法，其中将所述至少一种杂质中的至少一种与所述富硫产物一起从所述高剪切处理过的料流中分离。
26.权利要求25的方法，其中所述至少一种杂质选自钒、汞和氯化物。
27.权利要求1的方法，其中所述富硫产物作为干燥的产物被分离。
28.权利要求1的方法，其中(b)的分离包括离心、过滤或其组合。
29.用于降低含硫石油的硫含量的系统，所述系统包含：
至少一个高剪切装置，其包含至少一个转子和至少一个形状互补的定子，并被构造成使所述含硫石油经受高剪切并产生包含脱硫石油的高剪切处理过的料流，其中所述至少一个高剪切装置被构造成使其中的内含物经受至少10,000s-1的剪切速率，其中所述剪切速率被定义为尖端速度除以剪切间隙，并且其中所述尖端速度被定义为πDn，其中D是所述至少一个转子的直径，并且n是旋转频率；以及
至少一个分离装置，其被构造成用于从所述高剪切处理过的料流分离富硫产物和脱硫石油；其中所述至少一个分离装置选自由离心机和过滤装置组成的组。
30.权利要求29的系统，其中所述至少一个转子被构造成提供至少23m/sec的尖端速度。
31.权利要求29的系统，其中所述至少一个转子被构造成提供至少40m/sec的尖端速度。
32.权利要求29的系统，其中所述至少一个转子与所述至少一个定子被小于5μm的剪切间隙隔开，其中所述剪切间隙是所述至少一个转子与所述至少一个定子之间的最小距离。
33.权利要求29的系统，其中在运行期间由所述至少一个转子的旋转所提供的剪切速率为至少20,000s-1。
34.权利要求29的系统，其还包含一个或多个管线，所述管线用于将至少一种脱硫剂、至少一种API调节气体、或脱硫剂和API调节气体两者导入到在所述至少一个高剪切装置的上游的含硫石油中或直接导入到所述至少一个高剪切装置中，其中所述脱硫剂选自碱和无机盐，所述API调节气体包含至少一种选自以下的组分：一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷和乙烷。
35.权利要求29的系统，其还包含再循环管线，所述再循环管线用于将至少一种脱硫剂从所述至少一个分离装置再循环到所述至少一个高剪切装置中。
36.权利要求29的系统，其中所述至少一个分离装置被构造成提供干燥的硫产物。
37.权利要求29的系统，其中所述至少一个高剪切装置包含至少两个发生器，其中每个发生器包含转子和形状互补的定子。
38.权利要求37的系统，其中由一个发生器提供的剪切速率大于由另一个发生器提供的剪切速率。
39.权利要求29的系统，其中所述至少一个分离装置包含离心机。
40.权利要求29的系统，其中所述系统是闭环系统。
41.权利要求29的系统，其被构造成可移动单元、模块单元或两者。
42.权利要求29的系统，其不包含选自以下的装置：加热装置、蒸馏装置、沉淀槽及其组合。
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