CN108883935A - 用于在碱性介质中生成h2s的系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

在碱性环境中生产硫化氢的方法。为了生成作为主要产物的硫化氢(H2S)气体和作为副产物的硫酸钠(Na2SO4)，将具有钠盐、单质硫(S)和水的混合物添加至反应器中。

Description

用于在碱性介质中生成H2S的系统及其使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年12月27日提交的美国临时申请第62/271263号和2016年1月11日提交的美国临时申请第62/276966号的权益，其内容通过引用全文并入本文。
技术领域
本发明涉及在碱性介质中生产硫化氢气体的方法。
背景技术
硫化氢是具有式H2S的化学化合物。在室温下，它是一种无色、易燃且极其危险的气体，具有臭鸡蛋特有的难闻臭味。在化学上，硫化氢起还原剂的作用，并且与金属离子反应形成金属硫化物，其可以被认为是硫化氢的盐。另外，几种金属的天然矿物形式是硫化物(例如，方铅矿、或硫化铅(II)和闪锌矿、或硫化锌)。关于健康，硫化氢既是一种刺激物，又是一种影响氧利用和中枢神经系统的化学窒息剂。在较低浓度(2-5ppm)下，其会引起恶心、眼睛流泪、头痛和/或失眠。中等浓度(5-100ppm)可导致更严重的眼睛和呼吸道刺激。在浓度较高(100+ppm)下，其可引起休克、抽搐、无法呼吸、极为快速的失去意识、昏迷和死亡。
尽管存在上述健康风险，但硫化氢具有多种有利的工业应用，如在图1中示出的。例如，其可用作石油产品的添加剂，并且可用作化学分析中的分析试剂。其还用于生产硫和硫酸。
在历史上，硫化氢最通常通过从“含硫气体”中分离而获得，所述“含硫气体”是具有高H2S含量的天然气。在大多数现代工业应用中，通过在高压(>10巴)下使氢气与约450℃的熔融单质硫反应来生产硫化氢。发明名称为“Methods for Producing Hydrogen(Bi)Sulfide and/or Removing Metals”的美国专利第6387669号描述了一种使用称为硫酸盐还原菌(SRB)的厌氧微生物制备硫化氢的方法，所述厌氧微生物将有机物或氢的氧化与将硫酸盐还原成硫化氢结合起来。
在采矿中，使用硫化氢来制备金属硫化物并在冶金过程中除去杂质。例如，C.J.N.Buisman等人在1999年的TMS大会上发表的题为“Biological Sulfide Productionfor Metal Recovery”的文章中描述了该方法。通常，在工业(采矿业、硫酸工厂)中，必须对受到金属污染的稀释硫酸流进行处理。在历史上，使用石灰石或其他碱性组分中和这些料流，导致硫酸盐和金属如石膏和金属氢氧化物分别沉淀出来，而它们必须被填埋。该工艺的操作成本高，而与硫酸盐和金属的去除相关的操作成本相对较低(硫酸盐为1500mg/l，金属为0.5ppm至5ppm)。另外，所有有价值的金属都损失在污泥中。使用生物源硫化物生产，可以对这些被污染的料流进行处理以生产硫和金属硫化物。在用作硫化氢生产源的废酸流出物中存在的金属将按照下式作为金属硫化物沉淀出来：
金属+H2S→金属硫化物+H2(g) (1)
另外，在用作硫化氢生产源的废酸流出物中存在的金属氧化物将按照下式作为金属硫化物沉淀出来：
金属氧化物+H2S→金属硫化物+H2O(l) (2)
然而，由于在生产中涉及的危险以及由于其对人类健康造成的危害，硫化氢的生产成本可能非常高。需要一种具有成本效益的、不需要昂贵试剂如纯氢气、乙醇或天然气的生产工业规模量的硫化氢的方法。另外，有利的是在热力学有利的方法中生产硫化氢，使得可以通过控制反应容器的温度来控制生产速率。
附图说明
图1是硫化氢气体的有利工业应用的图示；
图2是根据本公开各个方面的用于测试和验证硫化氢生成过程的示例性实验设计的图；
图3是根据本公开各个方面的示例性硫化氢生产系统的框图；
图4是根据本公开各个方面的另一个示例性硫化氢生产系统的框图；
图5是根据本公开各个方面的又一个示例性硫化氢生产系统的框图；和
图6是使用不同量的氢氧化钠(NaOH)和单质硫(S)进行的硫化氢生产随时间变化的图表显示。
具体实施方式
以下对实施方案的描述在本质上仅仅是示例性的，并且无论如何都不旨在限制本公开的主题、其应用或用途。
如在全文中所使用的，使用范围作为描述该范围内的各个值和每个值的简写。可以选择范围内的任何值作为范围的终点。除非另有说明，否则本文和本说明书中其他地方表达的所有百分比和量均应理解为指重量百分比。
对于本说明书和所附权利要求的目的，除非另有说明，否则在说明书和权利要求中使用的表示数量、百分比或比例的所有数字以及其他数值均被理解为在所有情况下均用术语“约”修饰。术语“约”的使用适用于所有数值，无论是否明确指出。该术语通常指本领域普通技术人员将其视为与所记载数值的合理偏差量(即具有等同功能或结果)的一系列数值。例如，该术语可以解释为包括给定数值的±10％、或者±5％、以及或者±1％的偏差，前提是这样的偏差不会改变最终功能或值的结果。因此，除非有相反指示，否则本说明书和所附权利要求中列出的数值参数均是近似值，其可以根据本发明试图获得的期望性能变化。
应注意，如在本说明书和所附权利要求中所使用的，要素前无数量词包括复数指代，除非明确且毫无疑义地限定为一个指示对象。如本文所使用的，术语“包括”及其语法变体旨在为非限制性的，使得列表中记载的项目并不排除可以替换或添加到所列项目的其他类似项目。例如，如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的(即，开放式的)并且不排除额外要素或步骤。因此，这些术语不仅旨在覆盖所记载的要素或步骤，而且还可以包括未明确记载的其他要素或步骤。此外，如本文所使用的，在与要素结合使用时单数名词的使用可以表示“一个”，但是其也符合“一个或更多个”、“至少一个”、和“一个或多于一个”的含义。因此，在没有更多限制的情况下，单数形式的要素不排除存在额外的相同要素。
对于本说明书和所附权利要求的目的，术语“连接”是指两个物体的联接或连结。连接可以是永久性的或可逆的。连接可以是直接或间接的。间接连接包括通过一个或多于一个中间物体连接两个物体。术语“流体连接”是指允许流体(即液体、溶液或气体)在两个物体之间流动的两个物体的联接或连接。术语“基本上”是指基本符合特定尺寸、形状的要素或基本上修饰的其他词语，使得该组件不需要是精确的。例如，“基本上圆形的”表示物体类似于圆形，但可以与真实的圆形具有一个或多于一个偏差。
本发明涉及在碱性环境中生产硫化氢的方法。在本文公开的方法中，将钠盐和单质硫(S)的混合物加入用于生成硫化氢(H2S)气体作为主要产物和硫酸钠(Na2SO4)作为副产物的反应器中。
在一些情况下，钠盐可以是氢氧化钠(NaOH)。可以根据下式使用NaOH作为原料来形成H2S气体：
2NaOH(s)+4S(s)+2H2O(l)→Na2SO4(aq)+3H2S(g) (3)
反应(3)的热力学在下表1中给出：
T(℃) ΔH(千卡) ΔS(卡/K) ΔG(千卡) K Log(K)
0.000 -2.610 101.583 -30.358 1.956E+024 24.291
50.000 -7.029 85.872 -34.778 3.333E+023 23.523
100.000 -8.972 80.341 -38.952 6.538E+022 22.815
150.000 -15.055 65.000 -42.560 9.620E+021 21.983
200.000 -17.420 59.713 -45.674 1.255E+021 21.099
250.000 -17.241 59.909 -48.582 1.983E+020 20.297
300.000 -22.691 50.161 -51.440 4.134E+019 19.616
表1
可以看出，基于反应化学计量比，对于所使用的每2摩尔NaOH，在热力学有利的反应中生成了3摩尔H2S和1摩尔Na2SO4(参见下表2)。
表2
在一些情况下，钠盐可以是碳酸钠(Na2CO3)。可以根据下式使用Na2CO3作为起始物料来形成H2S气体：
Na2CO3(s)+4S(s)+3H2O(l)→Na2SO4(aq)+3H2S(g)+CO2(g) (4)
在一些情况下，钠盐可以是硫化氢钠(NaHS)。可以根据下式使用NaHS作为起始物料来形成H2S气体：
2NaHS(s)+4S(s)+4H2O(l)→Na2SO4(aq)+5H2S(g) (5)
在一些情况下，钠盐可以是硫化钠(Na2S)。可以根据下式使用Na2S作为起始物料来形成H2S气体：
Na2S(s)+4S(s)+4H2O(l)→Na2SO4(aq)+4H2S(g) (6)
在用于生产硫化氢的各种方法中，可以改变操作条件如起始物料(即钠盐、H2O、和单质硫)的相对量、体积、温度和压力。反应容器的容量可以为例如约100ml至约20L，或者约250ml至约10L，或者约500ml至约5L，或者约1L至约3L。在一些情况下，可以使用2L容量的反应容器。反应容器的温度可以保持在约200℃至约300℃、或者约210℃至约280℃、或者约220℃至约260℃、或者约230℃至约240℃的温度。反应容器的压力可以保持在约500psi至约700psi、或者约520psi至约680psi、或者约540psi至约660psi、或者约560psi至约640psi、或者约580psi至约620psi、或者约600psi的压力下。
有利地，生成H2S(g)所需的氢取自反应容器系统中的H2O，而不同于必须进料昂贵试剂例如纯氢气、乙醇或天然气的其它方法。本发明公开了一种仅使用廉价试剂如氢氧化钠和单质硫在碱性过程中生产硫化氢气体的新型方法，从而保持低的总生产成本。所要求保护方法的另一个主要优点是可以通过改变如本文所述的反应器温度来控制反应速率。
图2是根据本公开各个方面的用于测试和验证硫化氢生成过程的示例性实验设计的图。为了通过测量由上述反应生成的H2S(g)来验证所提出的方法，可以使用以下材料和输入来测试和验证该方法及其机理：
1.用于容纳实验的排气罩；
2.具有例如2L容量的不锈钢压力反应器(例如Parr Instrument Company制造的高压釜或高压反应器)，其用于使预定质量的钠盐与预定质量的单质硫和预定质量的水反应；
3.玻璃反应器或烧杯，其具有例如2L至10L容量并且配置为接纳在不锈钢压力反应器中产生的H2S(g)；
4.用于搅拌玻璃反应器或烧杯内容物的变速搅拌器或搅拌子(M)；
5.溶于预定量的去离子(DI)水中以形成CuSO4溶液的预定质量的硫酸铜(CuSO4)，例如1000克；CuSO4溶液被置于玻璃反应器或烧杯中。在一些情况下，硫酸铜可以是水合物的形式，例如五水合物(CuSO4·5H2O)；
6.将压力反应器的输出端与玻璃反应器或烧杯连接起来的软管；
7.除去未反应的CuSO4溶液的过滤系统；和
8.样品干燥箱，其用于干燥通过真空过滤系统除去未反应的CuSO4溶液之后所形成的CuS。
可以将所产生的H2S(g)从位于压力反应器顶部或上部的出口移出，然后可以在容纳硫酸铜(CuSO4)溶液的玻璃反应器中反应，从而形成CuS和H2SO4。在一些情况下，将压力反应器的出口端口与玻璃反应器或烧杯连接的软管的端部可止于玻璃反应器或烧杯的顶部，并且H2S(g)可借助于搅拌或搅动渗透到CuSO4溶液中。在一些情况下，软管可以具有直接插入CuSO4溶液的端部，使得可以在借助于或不借助于搅拌或搅动的情况下通过鼓泡进入CuSO4溶液来溶解H2S(g)。通过使H2S(g)和CuSO4接触按下式发生反应：
CuSO4(aq)+H2S(g)→CuS(s)+H2SO4(aq) (7)
当使用硫酸铜五水合物(CuSO4·5H2O)时，反应按下式进行：
CuSO4.5H2O(aq)+H2S(g)→CuS(s)+H2SO4(aq)+5H2O(l) (8)
利用实验的该最后部分，通过确定所形成的CuS的重量和确定溶液中剩余的CuSO4，可以获得验证硫化氢生成的主要反应发生的所有元素。
图2还示出了根据本公开各个方面的用于测试和验证硫化氢生成过程的替代或额外方法。在替代或额外方法中，可以确定所产生的硫酸钠的量。例如，在完成H2S(g)形成反应之后，可以移出位于压力反应器中的剩余反应混合物。可以通过过滤系统从反应混合物中除去固体，例如未反应的单质硫。过滤系统可以是例如真空过滤系统，其包括具有过滤材料的瓷布氏漏斗、真空瓶和真空泵。此时可以将包含Na2SO4水溶液的剩余反应混合物干燥以除去过量的水，留下未反应的钠盐和Na2SO4副产物。可以使用随后的硫酸盐含量分析来间接确定由于已知的反应化学计量而形成的H2S(g)的量。
现在参考图3，框图显示了根据本公开各实施方案使用钠盐作为试剂的H2S形成系统和方法的主要组件，除了待控制的主要参数如温度、压力、pH，还显示了反应物和Na2SO4的浓度。可以经由泵322从硫进料源320向反应容器310中传输通过搅拌分散在水中的单质硫，并且可以经由泵332从钠盐进料源330传输钠盐的水溶液。钠盐可以是例如NaOH、Na2CO3、NaHS或Na2S。单质硫分散液和钠盐水溶液可以在反应容器310中反应预定的时间段(例如约30分钟)。利用内部或外部加热元件，可以将反应容器310的温度维持在约室温至约400℃、或者约室温至约350℃、或者约室温至约300℃的温度。内部加热元件可以是例如具有加热的流体或气体循环通过其中的盘管或管道。外部加热元件可以是例如热板、加热套、沙浴、油浴和外部热套。反应容器310的压力可以维持在约500psi至约1500psi、或者约600psi至约1400psi、或者约700psi至约1300psi、或者约800psi至约1200psi、或者约900psi至约1100psi、或者约1000psi的压力下。可以搅动或搅拌反应容器310内的内容物。例如，在一些情况下，可以使用放置在反应容器310中并且通过例如磁力搅拌器/热板作用的磁力搅拌棒来搅拌反应容器310内的内容物。在一些情况下，反应容器中可以结合有叶轮(例如螺旋桨或桨叶)，该叶轮由位于反应容器外部的电机致动。在其他情况下，可以使用与反应容器的外表面连接的振动器或超声波仪来实现反应的搅动。
在反应容器310中产生的气态H2S作为料流315排出并储存在储存容器340中。在反应器310中产生的包含Na2SO4副产物的溶液作为排出流350排出并任选地通过与其连接的pH计(未示出)监测。排出流350与热交换器360连接。冷水源370与热交换器360连接。所产生的Na2SO4从排出流350传输至热交换器360并在热交换器360中冷却。可以将在热交换器360中加热的水再循环并传输至硫进料源320和钠盐进料源330。然后将冷却的Na2SO4传输至结晶器380。最后，将结晶的Na2SO4从结晶器380传输至储存器390以用于处理或进一步纯化和销售。
现在参考图4，框图显示了根据本公开各实施方案使用Na2S作为试剂的H2S形成系统和方法的主要组件，除了待控制的主要参数如温度、压力、pH，还显示了反应物和Na2SO4的浓度。可以经由泵422从硫进料源420向反应容器410中传输通过搅拌分散在水中的单质硫，并且可以经由泵432从Na2S进料源430传输Na2S的水溶液。单质硫分散液和钠盐水溶液可以在反应容器410中反应预定的时间段(例如约30分钟)。利用内部或外部加热元件，可以将反应容器410的温度维持在约室温至约400℃、或者约室温至约350℃、或者约室温至约300℃的温度。内部加热元件可以是例如具有加热的流体或气体循环通过其中的盘管或管道。外部加热元件可以是例如热板、加热套、沙浴、油浴和外部热套。反应容器310的压力可以维持在约500psi至约1500psi、或者约600psi至约1400psi、或者约700psi至约1300psi、或者约800psi至约1200psi、或者约900psi至约1100psi、或者约1000psi的压力下。可以搅动或搅拌反应容器410内的内容物。例如，在一些情况下，可以使用放置在反应容器410中并且通过例如磁力搅拌器/热板作用的磁力搅拌棒来搅拌反应容器410内的内容物。在一些情况下，反应容器410中可以结合有叶轮(例如螺旋桨或桨叶)，该叶轮由位于反应容器外部的电机致动。在其他情况下，可以使用与反应容器410的外表面连接的振动器或超声波仪来实现反应的搅动。
在反应容器410中产生的气态H2S作为料流415排出并储存在储存容器440中。在反应器410中产生的包含Na2SO4副产物的溶液作为排出流450排出并任选地通过与其连接的pH计(未示出)监测。排出流450与热交换器460连接。冷水源470与热交换器460连接。所产生的Na2SO4从排出流450传输至热交换器460并在热交换器460中冷却。可以将在热交换器460中加热的水再循环并传输至硫进料源420和Na2S进料源430。然后将冷却的Na2SO4传输至结晶器480。最后，将结晶的Na2SO4从结晶器480传输至Na2SO4还原系统490。还原系统490将结晶的Na2SO4转化成液体Na2S并产生作为副产物的CO2。在一些情况下，还原系统490可以是例如在美国专利第4198385号中描述的碳热还原系统；该专利的内容通过引用全文并入本文。然后将液体Na2S传输至容器492，其中可以通过引入水而形成Na2S水溶液。容器492可以与还原系统490流体连接。容器492可以基本上类似于进料源430。可以将水从热交换器460、冷水源470、结晶器480或不同的水源提供至容器492。然后可以通过泵494将Na2S水溶液传输至反应容器410。因此，图4的系统允许将Na2SO4副产物转化成Na2S，其为用于H2S形成的试剂之一。
在一些情况下，除了Na2S以外的钠盐可以用于图4的系统和方法中。例如，在一些情况下，可以在方法开始时将NaOH、NaHS或Na2CO3的水溶液从进料源430传输至反应容器410。然后，随着Na2SO4副产物形成并在还原系统490中还原成Na2S，可以使用Na2S继续进行该方法，而不是通过提供额外的NaOH、NaHS或Na2CO3来继续进行。
现在参考图5，框图显示了根据本公开各实施方案使用钠盐作为试剂的H2S和氢气即H2(g)形成系统和方法的主要组件，除了待控制的主要参数如温度、压力、pH，还显示了反应物和Na2SO4的浓度。可以经由泵522从硫进料源520向反应容器510中传输通过搅拌分散在水中的单质硫，并且可以经由泵532从钠盐进料源530传输钠盐的水溶液。钠盐可以是例如NaOH、Na2CO3、NaHS或Na2S。单质硫分散液和钠盐水溶液可以在反应容器510中反应预定的时间段(例如约30分钟)。利用内部或外部加热元件，可以将反应容器510的温度维持在约室温至约400℃、或者约室温至约350℃、或者约室温至约300℃的温度。内部加热元件可以是例如具有加热的流体或气体循环通过其中的盘管或管道。外部加热元件可以是例如热板、加热套、沙浴、油浴和外部热套。反应容器510的压力可以维持在约500psi至约1500psi、或者约600psi至约1400psi、或者约700psi至约1300psi、或者约800psi至约1200psi、或者约900psi至约1100psi、或者约1000psi的压力下。可以搅动或搅拌反应容器510内的内容物。例如，在一些情况下，可以使用放置在反应容器510中并且通过例如磁力搅拌器/热板作用的磁力搅拌棒来搅拌反应容器510内的内容物。在一些情况下，反应容器510中可以结合有叶轮(例如螺旋桨或桨叶)，该叶轮由位于反应容器510外部的电机致动。在其他情况下，可以使用与反应容器510的外表面连接的振动器或超声波仪来实现反应的搅动。
在反应容器510中产生的气态H2S作为料流515排出并储存在高压储存容器540中。在反应器510中产生的包含Na2SO4副产物的溶液作为排出流550排出并任选地通过与其连接的pH计(未示出)监测。排出流550与热交换器560连接。冷水源570与热交换器560连接。所产生的Na2SO4从排出流550传输至热交换器560并在热交换器560中冷却。可以将在热交换器560中加热的水再循环并传输至硫进料源520和钠盐进料源530。然后将冷却的Na2SO4传输至结晶器580。最后，将结晶的Na2SO4从结晶器580传输至储存器590以用于处理或进一步纯化和销售。
随后可以通过流体连接将H2S从高压储存容器540传输至H2S分解反应器542。在分解反应器542中，H2S转化为单质硫和H2(g)。分解反应器可以是例如超绝热的H2S分解反应器，如Rachid B.Silimane等人在“Production of Hydrogen by SuperadiabaticDecomposition of Hydrogen Sulfide”中描述的(Proceedings of the 2002 U.S.DOEHydrogen Program Review,NREL/CP-610-32405)。可以将H2(g)传输至高压储存容器544。然后可以将单质硫传输至容器546，其中通过搅拌将单质硫分散在水中以形成含水的硫溶液。可以将水从热交换器560、冷水源570、结晶器580或不同的水源提供至容器546。容器546可以基本上类似于硫进料源520。然后可以通过泵548将含水硫溶液传输至反应容器510以连续形成H2S。
在一些情况下，可以将图4系统的要素和图5系统的要素进行组合以产生兼具Na2SO4还原系统和H2S分解反应器两者的系统。
在上述实施方案的任何实施方案中，可以过量使用单质硫以确保在H2S合成期间完全转化钠盐。
可以基于主要试剂(NaOH、Na2CO3、或Na2S)和S的消耗来计算H2S形成过程的收率。关于不同变化方案的收率的这种信息汇总在表3中。
表3.H2S生成过程中不同变化方案的收率。
根据所使用的H2S生成方法的变化方案进行的每次测试的试剂要求总结汇总于表4中。
表4.根据用于生产H2S的变化方案进行的实验程序的试剂要求。
本公开的声明包括：
声明1：一种用于生产硫化氢气体的方法，所述方法包括：将包含钠盐的单质硫和钠盐溶液置于反应容器中的水中；和使所述单质硫与所述钠盐溶液反应形成硫化氢(H2S)和硫酸钠(Na2SO4)。
声明2：根据声明1所述的方法，其中所述反应容器构造成被加压至约500磅/平方英寸(psi)至约700psi的压力，并且被加热至约200℃至约300℃的温度。
声明3：根据声明1或声明2所述的方法，其还包括将所述反应容器加压至约600psi的压力。
声明4：根据声明1至3中任一项所述的方法，其还包括将所述反应容器加热至约230℃至约240℃的温度。
声明5：根据声明1至4中任一项所述的方法，其还包括搅拌所述反应容器中的单质硫和氢氧化钠溶液。
声明6：根据声明1至5中任一项所述的方法，其还包括从所述反应容器中取出所形成的硫酸钠；和利用结晶器使所述硫酸钠结晶。
声明7：根据声明6所述的方法，其还包括还原结晶的硫酸钠以产生Na2S；利用所产生的Na2S形成Na2S溶液；将单质硫和Na2S溶液置于所述反应容器中；和使所述单质硫与Na2S溶液反应以形成硫化氢和硫酸钠。
声明8：根据声明1至7中任一项所述的方法，其还包括使所形成的硫化氢与硫酸铜水溶液反应以形成CuS，用于确定H2S的有效收率。
声明9：根据声明1至8中任一项所述的方法，其中所述钠盐为氢氧化钠(NaOH)、碳酸钠(Na2CO3)、硫氢化钠(NaHS)和硫化钠(Na2S)中的任一种。
声明10：根据声明9所述的方法，其中所述钠盐是NaOH。
声明11：根据声明9所述的方法，其中所述钠盐是Na2S。
声明12：根据声明11所述的方法，其还包括从所述反应容器中移出所形成的硫酸钠；利用结晶器使所述硫酸钠结晶；还原结晶的硫酸钠以形成Na2S；利用所形成的Na2S形成Na2S溶液；将单质硫和Na2S溶液置于所述反应容器中；和使所述单质硫与Na2S溶液反应以形成硫化氢(H2S)和硫酸钠(Na2SO4)。
声明13：根据声明1至12中任一项所述的方法，其还包括：使所述硫化氢分解以产生氢气和单质硫；将所产生的单质硫和包含钠盐的钠盐溶液置于所述反应容器中的水中；和使所产生的单质硫与钠盐溶液反应以形成硫化氢(H2S)和硫酸钠(Na2SO4)。
声明14：一种用于生产硫化氢(H2S)气体和硫酸钠(Na2SO4)的系统，所述系统包括：反应容器；与所述反应容器流体连接的硫进料源；与反应容器流体连接的钠盐溶液进料源；和与所述反应容器流体连接以用于储存所产生的H2S气体的储存容器。
声明15：根据声明14所述的系统，其中所述反应容器构造成被加压至约500磅/平方英寸(psi)至约700psi的压力，并且被加热至约200℃至约300℃的温度。
声明16：根据声明14或声明15所述的系统，其中所述反应容器由内部加热元件加热。
声明17：根据声明14或声明15所述的系统，其中所述反应容器由外部加热元件加热。
声明18：根据声明14至17中任一项所述的系统，其中所述反应容器构造成用于搅动或搅拌所述反应容器内的内容物。
声明19：根据声明14至18中任一项所述的系统，其还包括与所述反应容器流体连接的热交换器，其用于冷却包含在所述反应容器中产生的Na2SO4的溶液。
声明20：根据声明19所述的系统，其还包括与所述热交换器流体连接以使Na2SO4结晶的结晶器。
声明21：根据声明20所述的系统，其还包括Na2SO4还原系统，其用于还原结晶的Na2SO4以形成液体Na2S。
声明22：根据声明21所述的系统，其还包括与所述还原系统流体连接以用于形成Na2S水溶液的容器，所述容器还与所述反应容器流体连接。
声明23：根据声明14至22中任一项所述的系统，其还包括在所述硫进料源和反应容器之间的第一泵；和在所述钠盐溶液进料源和反应容器之间的第二泵。
声明24：根据声明14至23中任一项所述的系统，其还包括与所述储存容器流体连接的H2S分解反应器，其用于分解H2S以产生氢气和单质硫。
声明25：根据声明24所述的系统，其还包括与所述分解反应器流体连接的氢气储存容器，其用于储存所产生的氢气；和与所述分解反应器连接的储硫容器，其用于储存所产生的单质硫并且用于在其中产生硫的水溶液。
声明26：根据声明25所述的系统，其中所述储硫容器与所述反应容器流体连接。
声明27：根据声明14至26中任一项所述的系统，其中所述钠盐为氢氧化钠(NaOH)、碳酸钠(Na2CO3)、硫氢化钠(NaHS)和硫化钠(Na2S)中的任一种。
声明28：根据声明27所述的方法，其中所述钠盐是NaOH。
声明29：根据声明27所述的方法，其中所述钠盐是Na2S。
实施例
实施例1
在1升反应容器中，加入128克单质硫和包含80克NaOH和650克H2O的溶液。将反应容器加热至约240℃的温度并加压至约600psi。搅拌反应2分钟。在2分钟的搅拌时间后，使用CuSO4溶液确定所产生的H2S(g)的量，如图2所述的。重复上述过程4分钟、6分钟、8分钟、10分钟、15分钟、20分钟、25分钟和30分钟。在上述时间段内产生的H2S(g)的量显示在下表5中。
表5
实施例2
在1升反应容器中，加入192克单质硫和包含120克NaOH和500克H2O的溶液。将反应容器加热至约240℃的温度并加压至约600psi。搅拌反应2分钟。在2分钟的搅拌时间后，使用CuSO4溶液确定所产生的H2S(g)的量，如图2所述的。重复上述过程4分钟、6分钟、8分钟、10分钟、15分钟、20分钟、25分钟和30分钟。在上述时间段内产生的H2S(g)的量显示在下表6中。
表6
实施例3
在1升反应容器中，加入160克单质硫和包含256克NaOH和500克H2O的溶液。将反应容器加热至约240℃的温度并加压至约600psi。搅拌反应2分钟。在2分钟的搅拌时间后，使用CuSO4溶液确定所产生的H2S(g)的量，如图2所述的。重复上述过程4分钟、6分钟、8分钟、10分钟、15分钟、20分钟、25分钟和30分钟。在上述时间段内产生的H2S(g)的量显示在下表7中。
表7
图6是使用不同量的氢氧化钠(NaOH)和单质硫(S)进行的硫化氢生产随时间变化的图表显示。底线对应于实施例1中获得的数据，中线对应于实施例2中获得的数据，并且顶线对应于实施例3中获得的数据。从以上数据可以得出结论，使用本公开的方法，可以在1升反应容器中每小时生产约232克H2S(g)，其等于5.568kg H2S(g)/天。使用1000升容器，使用本公开方法的按比例放大的反应可以生产超过6吨H2S(g)/天。
尽管已经详细描述了本发明及其目的、特征和优点，但是本发明还涵盖其他实施方案。最后，本领域技术人员应该领会，他们可以容易地使用所公开的概念和具体实施方案作为设计或修改用于实现本发明的相同目的的其他结构的基础，而不偏离由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (26)

1.一种用于生产硫化氢(H2S)气体的方法，所述方法包括：
将单质硫和包含钠盐的钠盐溶液置于反应容器中的水中；和
使所述单质硫与钠盐溶液反应形成硫化氢(H2S)和硫酸钠(Na2SO4)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应容器构造成被加压至约500磅/平方英寸(psi)至约700psi的压力，并且被加热至约200℃至约300℃的温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其还包括将所述反应容器加压至约600psi的压力。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括将所述反应容器加热至约230℃至约240℃的温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其还包括搅拌所述反应容器中的单质硫和钠盐溶液。
6.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
从所述反应容器中移出所形成的硫酸钠；和
使用结晶器使所述硫酸钠结晶。
7.根据权利要求6所述的方法，其还包括：
还原结晶的硫酸钠以产生Na2S；
利用所产生的Na2S形成Na2S溶液；
将单质硫和Na2S溶液置于所述反应容器中；和
使所述单质硫与Na2S溶液反应以形成硫化氢和硫酸钠。
8.根据权利要求1所述的方法，其还包括使所形成的硫化氢与硫酸铜水溶液反应以形成CuS，用于确定H2S的有效收率。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述钠盐为氢氧化钠(NaOH)、碳酸钠(Na2CO3)、硫氢化钠(NaHS)和硫化钠(Na2S)中的任一种。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述钠盐是NaOH。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述钠盐是Na2S。
12.根据权利要求11所述的方法，其还包括：
从所述反应容器中移出所形成的硫酸钠；
使用结晶器使所述硫酸钠结晶；
还原结晶的硫酸钠以形成Na2S；
利用所形成的Na2S形成Na2S溶液；
将单质硫和Na2S溶液置于所述反应容器中；和
使所述单质硫与Na2S溶液反应以形成硫化氢和硫酸钠。
13.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
使所述硫化氢分解以产生氢气和单质硫；
将所产生的单质硫和包含钠盐的钠盐溶液置于所述反应容器中的水中；和
使所产生的单质硫与钠盐溶液反应以形成硫化氢(H2S)和硫酸钠(Na2SO4)。
14.一种用于生产硫化氢(H2S)气体和硫酸钠(Na2SO4)的系统，所述系统包括：
反应容器；
与所述反应容器流体连接的硫进料源；
与所述反应容器流体连接的钠盐溶液进料源；和
与所述反应容器流体连接以用于储存所产生的H2S气体的储存容器。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述反应容器构造成被加压至约500磅/平方英寸(psi)至约700psi的压力，并且被加热至约200℃至约300℃的温度。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述反应容器由内部加热元件加热。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述反应容器由外部加热元件加热。
18.根据权利要求14所述的系统，其中所述反应容器构造成用于搅动或搅拌所述反应容器内的内容物。
19.根据权利要求14所述的系统，其还包括与所述反应容器流体连接的热交换器，其用于冷却包含在所述反应容器中产生的Na2SO4的溶液。
20.根据权利要求19所述的系统，其还包括与所述热交换器流体连接以使Na2SO4结晶的结晶器。
21.根据权利要求20所述的系统，其还包括：
Na2SO4还原系统，其用于还原结晶的Na2SO4以形成液体Na2S。
22.根据权利要求21所述的系统，其还包括：
与所述还原系统流体连接以用于形成Na2S水溶液的容器，所述容器还与所述反应容器流体连接。
23.根据权利要求14所述的系统，其还包括：
在所述硫进料源和反应容器之间的第一泵；和
在所述钠盐溶液进料源和反应容器之间的第二泵。
24.根据权利要求14所述的系统，其还包括与所述储存容器流体连接的H2S分解反应器，其用于分解H2S以产生氢气和单质硫。
25.根据权利要求24所述的系统，其还包括：
与所述分解反应器流体连接的氢气储存容器，其用于储存所产生的氢气；和
与所述分解反应器连接的储硫容器，其用于储存所产生的单质硫并且用于在其中产生硫的水溶液。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述储硫容器与所述反应容器流体连接。
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