JP2009530072A - 液体流から金属硫化物粒子を除去する方法及び装置 - Google Patents

液体流から金属硫化物粒子を除去する方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】溶剤及び金属硫化物粒子を含有する液体流から簡単かつ効率的な方法で金属硫化物粒子を除去すること。
【解決手段】溶剤及び金属硫化物粒子を含有する液体流を、少なくとも1つの膜を有する濾過システムの該膜と接触させて、金属硫化物粒子を液体流から膜表面に移行させ、これにより金属硫化物の稀薄な液体流と、金属硫化物粒子の豊富な膜を有する濾過システムとを得る、前記液体流からの金属硫化物粒子の除去方法;及び少なくとも1つの入口及び2つの出口を有する溶剤再生塔(1)と、該溶剤再生塔に接続し、少なくとも1つの膜を有すると共に、少なくとも1つの入口及び1つの出口を備えた濾過システム(2)と、該濾過システムに接続し、少なくとも1つの入口及び2つの出口を備えた分離塔(3)とを有する、前記液体流からの金属硫化物粒子の除去装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、溶剤及び金属硫化物粒子を含有する液体流から金属硫化物粒子を除去する方法及び装置に関する。
金属硫化物粒子は、金属カルボニルが硫黄化合物と反応する際、形成できる。金属硫化物粒子は、処理装置の表面、例えば分離塔のトレー、及び/又は閉塞可能となるような液体通路の表面に沈着、被覆又は焼付きにより汚染を生じる可能性がある。金属硫化物粒子の沈着により、処理装置の全体又は一部は操作不能になり得る。したがって、液体流から金属硫化物粒子を除去することが望ましい。
当該技術分野では液体流から金属硫化物粒子を除去する方法が知られている。例えばUS2005/0035326には、メタノールスクラビング溶液から金属硫化物を除去する方法が記載されている。US2005/0035326に記載の方法では、コロイド状金属硫化物を含有するメタノールスクラビング溶液を沈殿容器に導入し、ここで、溶液を加熱して、溶液中の金属硫化物粒子を成長、凝集させる。次いで、凝集した金属硫化物粒子をメタノール/水分離容器に導入し、水の下降流に対し向流でメタノール蒸気の濯ぎ流を通して、メタノールが豊富な生成物、及び金属硫化物を含有する、水が豊富な生成物が得られる。これら2種の生成物は分離され、最後に、金属硫化物を含有する、水が豊富な生成物から金属硫化物が除去される。
US2005/0035326に記載の方法は幾つかの欠点を有する。一欠点は、方法を行なうのに時間がかかることである。これは、金属硫化物粒子の除去を可能にするため、粒子を成長、凝集させる必要があるからである。他の欠点として、この方法は煩雑なことである。即ち、金属硫化物の除去を行なうには、数工程を必要とする。更に他の欠点は、加熱工程を必要とし、したがって、別途にエネルギー入力及び加熱手段の追加が必要なことである。
US2005/0035326 WO−A−9627430
今回、膜を備えた濾過システムを用いて簡単かつ効率的な方法で金属硫化物粒子が除去できることが見出された。
この目的のため、本発明は、少なくとも1つの膜を有する濾過システムを用いて溶剤及び金属硫化物粒子を含有する液体流から金属硫化物粒子を除去する方法において、該液体流を該膜と接触させて、金属硫化物粒子を液体流から膜表面に移行させ、これにより金属硫化物の稀薄な液体流と、金属硫化物粒子の豊富な膜を有する濾過システムとを得ることを特徴とする該方法を提供する。
本発明は更に、少なくとも1つの入口及び2つの出口を備えた溶剤再生塔(1)と、該溶剤再生塔に接続し、少なくとも1つの膜を有すると共に、少なくとも1つの入口及び1つの出口を備えた濾過システム(2)と、該濾過システムに接続し、少なくとも1つの入口及び2つの出口を有する分離塔(3)とを有する、溶剤及び金属硫化物粒子を含有する液体流からの金属硫化物粒子の除去装置を提供する。
本発明の方法及び装置は、金属硫化物を低レベルまで、更にはppbvの範囲にまで除去できる。金属硫化物の成長及び/又は凝集を待つ必要がないので、金属硫化物の除去に要する時間は非常に短い。更に、金属硫化物の除去は、金属硫化物粒子を含有する液体流の精製を必要とする現存の工業プロセスに容易に取入れることができる。金属硫化物粒子が豊富な膜は最終的に再生できる。したがって、2つ以上の濾過システムを使用し、一方の濾過システムを金属硫化物粒子の除去に使用し、他方の濾過システムを再生に使用すれば、浄化のため濾過システムをオフラインにする必要なしに連続プロセスが可能である。
本方法は、溶剤及び金属硫化物粒子を含有するいずれの液体流にも適用できる。このような液体流は、例えば金属カルボニル及び硫黄化合物、特に硫化水素等の汚染物を含有するガス流からこれら汚染物の除去に液体を使用する製油所プロセスから誘導される液体流であってよい。汚染物の除去により、更に処理可能な精製ガス流と、今度は金属カルボニル及び硫黄化合物を含有する液体流とが得られる。金属カルボニルは、硫黄汚染物との反応により、相当する金属に転化できる。
したがって、好ましい実施態様では液体流は、
(i)硫化水素及び金属カルボニルを含有するガス流を溶剤と接触させて、硫化水素及び金属カルボニルの豊富な溶剤を得る工程、
(ii)該硫化水素及び金属カルボニルの豊富な溶剤を加熱、減圧して、金属カルボニルの少なくとも一部を金属硫化物粒子に転化し、これにより前記溶剤及び金属硫化物粒子を含有する液体流を得る工程、
により得られる。
工程(i)は、−70〜40℃、好ましくは−60〜0℃の範囲の温度で行なわれる。この好ましい温度範囲は、ガス流から金属硫化物及び硫化水素の更に良好な溶剤への移行を確保する。
工程(ii)は、好ましくは60〜110℃、更に好ましくは70〜90℃の範囲の温度で行なわれる。このような好ましい温度では、金属カルボニルの金属硫化物への高度の転化が起こる。
硫化水素及び金属カルボニルを含有するガス流は、例えば合成ガス流であってよい。
合成ガスの主成分は一酸化炭素及び水素である。合成ガスは、供給原料として石炭、石油残留物又は天然ガスを用いる合成ガス発生ユニット、例えば高温改質器、自熱式改質器又はガス化器で製造できる。合成ガスの一般的製造法については、Maarten van der Burgt等の“シェル中間蒸留物合成法、Petroleum Review、1990年4月、204〜209頁”参照。
合成ガス発生器を出る合成ガス中には、合成ガスの発生に使用される供給原料によって、硫化水素、硫化カルボニル、シアン化水素及び少量の二硫化カルボニルのような不純物が存在する。なお、合成ガス発生ユニットでの条件は、通常、金属カルボニルが形成され、このような金属カルボニルが合成ガス発生ユニットを出る合成ガス中に汚染物としても存在するような条件である。
合成ガスは一般に接触転化反応において更に処理されるので、これら汚染物を低レベルまで除去することが望ましい。前述のように、合成ガス中の汚染物除去の一方法は、合成ガスを溶剤と接触させて、汚染物を合成ガスから溶剤に移行させ、これにより生成合成ガス流と、溶剤、金属カルボニル及び硫化水素を含有する液体流とを得ることである。テトラカルボニルニッケル及びペンタカルボニル鉄のような金属カルボニルは、特に硫化水素との組合わせで、熱的及び/又は化学的分解を受けて金属硫化物となる可能性がある。低濃度の金属カルボニルでも低濃度の金属硫化物に変移するのは、問題となる可能性がある。
金属硫化物粒子が4ppmv以上、特に5ppmv以上の濃度で存在すると、金属硫化物粒子による汚染の程度は特に厄介になることが見出された。したがって、本方法は、金属硫化物粒子を少なくとも4ppmv、特に少なくとも5ppmv含有する液体流に対し特に好適である。なお、前記濃度は、ガス流中の金属カルボニルの同様な濃度に相当する。
溶剤は、工業プロセスに使用されるいずれの溶剤も可能である。溶剤という用語は、当業者に公知で、汚染物と(化学)反応しないか、又は殆ど反応しないで、汚染物を吸収できる溶剤に使用される。好適な溶剤としては、スルホラン(シクロ−テトラメチレンスルホン及びその誘導体)、脂肪族酸アミド、N−メチルピロリドン、N−アルキル化ピロリドン及び相当するピペリドン、メタノール、エタノール、及びポリエチレングリコールのジアルキルエーテルが挙げられる。好ましい溶剤はメタノールである。
膜材料は、普及している条件下で使用される溶剤に容易に溶解してはならないことは理解されよう。したがって、膜材料と溶剤との組合わせは、膜が溶剤に対し殆ど又は全く溶解性を示さないように選択しなければならない。
本方法は、溶剤がメタノールで、金属硫化物粒子がニッケル硫化物粒子及び/又は鉄硫化物粒子である。
少なくとも1つの膜を有する濾過システムが使用される。
液体流は膜と接触させ、膜を通過させる。膜の、液体流と接触させる側は、膜の供給側という。膜としては、金属硫化物粒子の通過を阻止する目的に対し好適ないかなる種類の膜も可能である。
一実施態様では、膜は多孔質で、膜の細孔サイズは、最小の金属硫化物粒子のサイズよりも小さい。本発明を特定粒度の金属硫化物粒子の除去に限定したくないが、金属硫化物粒子の平均粒度についての通常の範囲は、10nm〜5μ、好ましくは10nm〜1μであると考えられる。したがって、金属硫化物粒子が膜の細孔を通過するのを阻止するように、細孔サイズが0.1μ未満、好ましくは0.01μ未満の多孔質膜を使用することが好ましい。
好適な多孔質膜としては、限外濾過、ナノ濾過又は逆浸透、特に限外濾過に汎用の種類の膜がある。このような膜は、セルロース、セラミック材料、金属メッシュ、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリアミドイミド+二酸化チタン(PAI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリビニリデンジフルオリド(PVDF)及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の群から選ばれた1種以上から作製される。
ポリビニリデンジフルオリド(PVDF)から作製した膜は、金属硫化物粒子の除去に優れた結果を与えることが見出された。
例えばWO−A−9627430に記載されるように、架橋構造を有する多孔質膜を使用するのが好ましい。架橋構造は、機械的強度が一層高い、及び/又は膜を暴す溶剤に対する耐溶解性が一層良好であると考えられる。
或いは緻密な膜を使用してもよい。緻密膜は当業者に公知で、膜構造中への溶解及び/又は拡散により溶剤を通過させる特性を有する。溶剤の通過に充分な浸透性を有する緻密膜を使用するのが好ましいことは、理解されよう。これは、緻密膜の特性として膜への溶解及び/又は拡散可能であるような特性を意味する。好適な緻密膜としては、ポリシロキサン、特にポリジメチルシロキサン(PDMS)から作製した膜が挙げられる。
例えば前記WO−A−9627430に記載されるような架橋構造を有する緻密膜を使用するのが好ましい。
好ましい実施態様では、束(flux)を溶剤量として表して少なくとも1200kg/m/日透過させる膜が使用される。これより低い値は、経済的に魅力的であるとはみなされない。
金属硫化物粒子含有液体流を膜と接触後、金属硫化物粒子は、供給側の膜表面に沈着し、金属硫化物粒子の豊富な膜を生じ、金属硫化物粒子の稀薄な液体は膜を通過する。膜の他の側は裏側と言われる。本方法を連続式で行なうには、一定時間後、膜表面から金属硫化物粒子の少なくとも一部を除去することが好ましい。
膜から沈着金属硫化物粒子を除去する一方法は、膜の他、振動により移動可能な及び/又は回転可能なフィルターエレメントを更に備えた濾過システムを用いることである。このようなフィルターエレメントとしては、プレート、管状又は渦巻き状に巻いた金属エレメントが挙げられる。好ましい実施態様では、膜材料を被覆したクリケット状中空管が使用される。この中空管にガス、例えば窒素ガスを吹込めば、金属硫化物粒子は膜表面から除去できる。フィルターエレメントは、膜を取付けるための中空濾過板を1つ以上備えることができる。2つ以上の濾過板を使用する場合、濾過板は積重ねてもよく、液体流は積重ねた濾過板に垂直方向に案内できる。
金属硫化物粒子含有膜の浄化方法は、フィルターエレメントを、金属硫化物豊富膜の接線方向に激しい振動作用で動かし、これにより膜表面から金属硫化物粒子を剥離させる。この浄化工程は、特にフィルターエレメントが1つ以上の平坦な円板を有し、これら円板は互いに平行方向に向き、複数の膜がこれら円板の上側に取付けられている場合、特に好適である。次いで、積重ねた円板は振動運動を行なうため、振動させる。
或いは、金属硫化物粒子豊富膜は、フィルターエレメントを回転させて該膜上に剪断力を作り、膜表面から金属硫化物粒子を剥離することにより浄化される。この浄化工程を適用すれば、引続き液体流から金属硫化物粒子を再び除去するのに使用可能な膜が得られる。振動運動及び回転運動の組合わせも膜の浄化に利用できる。
膜表面からの金属硫化物粒子の除去は、特に緻密膜を使用する場合、プレコート膜を使用しても達成できる。このようなプレコート膜は、金属硫化物粒子が付着する物質を塗布したものである。一定時間後、金属硫化物粒子を含む塗膜を膜表面から濯ぎ落として廃棄する。塗膜の濯ぎは、いかなる好適な溶剤を用いても行なえる。溶剤としては、液体流中に存在する溶剤と同じ溶剤を用いるのが好ましい。好適には、塗膜を濯ぎ落とすため、短時間間隔(時間パルス)で濃厚量の濯ぎ溶剤を膜の裏面に接触させる。金属硫化物含有塗膜を廃棄後、次の濾過への使用に用意できるように、膜表面に新しい塗料を塗布することが好ましい。こうして、膜が可逆的に汚染される危険性は最小化するか、又は完全な回避さえ可能である。
本方法の制御を容易にするため、好ましい実施態様では、膜に沈着した金属硫化物の程度を検出する手段が使用される。このような手段としては、清浄膜が金属硫化物粒子の存在しない液体と接触する位置を出発点として用いて、膜の両側の液圧を測定するシステムが可能である。圧力差の増大は、金属硫化物が膜に沈着したことを示す。この場合、圧力差は、膜の濯ぎが必要な時期を決める指示計として使用できる。
液体流は、好適には−20〜100℃、好ましくは10〜100℃、更に好ましくは30〜85℃の範囲の温度で膜と接触させる。
本発明は、更に図に示すような、溶剤及び金属硫化物粒子を含有する液体流からの金属硫化物粒子の除去装置を提供する。この装置は、少なくとも1つの入口及び2つの出口を備えた溶剤再生塔(1)と、該溶剤再生塔に接続し、少なくとも1つの膜を有すると共に、少なくとも1つの入口及び1つの出口を備えた濾過システム(2)と、該濾過システムに接続し、少なくとも1つの入口及び2つの出口を備えた分離塔(3)、好ましくは通常の蒸留塔とを有する、
この装置の好適な実施態様では、溶剤再生塔(1)の中、又は上流のいずれかで金属硫化物粒子が形成されると共に、溶剤再生器の底部から溶剤、金属硫化物粒子及び任意に水のような溶解汚染物を含有する液体流が取出され、ライン(4)経由で、少なくとも1つの膜を備えた濾過システム(2)に案内される。濾過システム(2)において液体流は、膜と接触し、これにより金属硫化物粒子を液体流から膜表面に移行させて、金属硫化物粒子の稀薄な液体流と、金属硫化物粒子の豊富な膜とが得られる。金属硫化物粒子の稀薄な液体流は、ライン(5)経由で分離塔(3)に案内され、ここで溶剤と、水のような汚染物との分離が起こる。分離塔は、溶剤と汚染物との分離を高める複数の内蔵物を有する。内蔵物への金属硫化物粒子の沈着は、問題を作る可能性があることは理解されよう。濾過システムを有する装置を使用すれば、このような問題は回避される。
好適には、金属カルボニル及び硫化水素及び/又は金属硫化物を含有する溶剤は、ライン(6)経由で溶剤再生塔(1)に案内され、この再生塔内での加熱により、金属硫化物粒子が形成される。
溶剤及び任意に水及び金属硫化物粒子のような溶解汚染物を含む液体流は、溶剤再生塔(1)の底部から取出され、ライン(7)経由でどこか他の所に案内され、一方、他の流れはライン(4)経由で濾過システム(2)に案内される。溶剤再生器からの流れの一部を濾過システムに案内するだけで、金属硫化物の除去は一層早く行なわれ、しかも小型の濾過システムで充分である。濾過システムでは、金属硫化物粒子の除去が行なわれ、こうして金属硫化物粒子の稀薄な液体流が得られる。
特に硫化水素を含有するガス流は、ライン(8)経由で溶剤再生器の頂部から好適には硫化水素処分ユニット(図示せず)に案内するのが好ましい。
ライン(7)からの再生溶剤は、例えば金属カルボニル及び硫化水素を含有するガス流から金属カルボニル及び硫化水素を除去するため、再度使用することが好ましい。
分離塔(3)で分離された溶剤は、ライン(9)経由で溶剤再生器(3)に戻すことが好ましい。水及び/又は他の汚染物は、ライン(10)経由で分離塔(3)から案内することが好ましい。
本装置は、2つ以上の分離塔を備えてもよい、及び/又は2つ以上の再生塔を備えてもよいことは理解されよう。
更に好ましい実施態様では、分離塔(3)の全部又は一部は、再生塔(1)の全部又は一部と一体化される。最も好ましい実施態様では、再生塔の底部は分離塔の頂部に機能的に延び、その結果、分離塔(3)は再生塔(1)と全体的に一体化される。
本方法及び装置は、金属硫化物粒子の沈着する危険性が最小限で、汚染物から溶剤が分離できるような程度まで溶剤から金属硫化物粒子を除去できる。例えばメタノールと、硫化鉄粒子及び硫化ニッケル粒子の両粒子200mg/リットルとを含む液体流を2m/hrの流量で、トレーを備えた分離塔に供給すると、20%の沈着率でさえ、24時間の操業で1日当たり1.9kgの固形分の堆積量(encrustation)がトレーに生じる。その結果、分離塔の補修及びメンテナンスを必要とすることが多く、かなりの作業休止時間を伴う。本発明の方法及び装置は、堆積量を実用上、ゼロに減らし、これにより分離塔の作業休止時間は大幅に短縮される。
本発明による溶剤及び金属硫化物粒子を含有する液体流からの金属硫化物粒子の除去装置である。
符号の説明
1 溶剤再生塔
2 濾過システム
3 分離塔

Claims (22)

  1. 少なくとも1つの膜を有する濾過システムを用いて溶剤及び金属硫化物粒子を含有する液体流から金属硫化物粒子を除去する方法において、該液体流を該膜と接触させて、金属硫化物粒子を液体流から膜表面に移行させ、これにより金属硫化物の稀薄な液体流と、金属硫化物粒子の豊富な膜を有する濾過システムとを得ることを特徴とする該方法。
  2. 前記金属硫化物粒子の粒度が、10nm〜5μ、好ましくは10nm〜1μの範囲である請求項1に記載の方法。
  3. 前記膜が多孔質であり、かつ該膜の最小の細孔サイズが、最小の金属硫化物粒子のサイズよりも小さい請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記膜の細孔サイズが0.1μ未満、好ましくは0.01μ未満である請求項3に記載の方法。
  5. 前記膜が、限外濾過、ナノ濾過又は逆浸透、特に限外濾過に汎用の種類である請求項1〜4に記載の方法。
  6. 前記膜が、ガラス繊維、セルロース、酢酸セルロース、セラミック材料、金属メッシュ、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリアミンイミド+二酸化チタン(PAI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリビニリデンジフルオリド(PVDF)及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の群から選ばれた1種以上から作製される請求項1〜5に記載の方法。
  7. 前記膜が、前記溶剤に対し充分な浸透性を有する緻密膜である請求項1又は2に記載の方法。
  8. 前記膜がポリシロキサン、好ましくはポリジメチルシロキサンから作製される請求項7に記載の方法。
  9. 前記液体流が、少なくとも4ppmv、好ましくは少なくとも5ppmvの金属硫化物粒子を含有する請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記溶剤がメタノールを含有する請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 前記金属硫化物粒子が、ニッケルカルボニル及び/又は鉄カルボニルを含有する請求項1〜10に記載のいずれか1項に記載の方法。
  12. 金属硫化物粒子が豊富な塗布物質の層を得るため、前記膜に塗布物質の層が塗布され、前記液体流から前記膜に移行した金属硫化物粒子が塗布物質に付着する請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 前記金属硫化物粒子が豊富な塗布物質の層が、前記膜から濯ぎ落とされ、金属硫化物粒子と一緒に廃棄される請求項12に記載の方法。
  14. 前記金属硫化物粒子が豊富な塗布物質の層を濯ぎ落とした後、新たな塗布物質の層が前記膜に施工される請求項13に記載の方法。
  15. 前記濾過システムがフィルターエレメントを更に備え、該方法が、金属硫化物粒子の豊富な膜の表面に対し接線方向の激しい振動運動でフィルターエレメントを動かして、金属硫化物粒子の豊富な膜を浄化し、これにより金属硫化物粒子を膜表面から剥離する工程を更に含む請求項1〜14のいずれか1項に記載の方法。
  16. 前記濾過システムがフィルターエレメントを更に備え、該方法が、フィルターエレメントを回転させて、金属硫化物粒子の豊富な膜に対し剪断力を作り、これにより金属硫化物粒子を膜表面から剥離する工程を更に含む請求項1〜15のいずれか1項に記載の方法。
  17. 前記溶剤及び金属硫化物粒子を含有する液体流が、
    (i)硫化水素及び金属カルボニルを含有するガス流を溶剤と接触させて、硫化水素及び金属カルボニルの豊富な溶剤を得る工程、
    (ii)該硫化水素及び金属カルボニルの豊富な溶剤を加熱、減圧して、金属カルボニルの少なくとも一部を金属硫化物粒子に転化し、これにより前記溶剤及び金属硫化物粒子を含有する液体流を得る工程、
    により得られる請求項1〜16のいずれか1項に記載の方法。
  18. 工程(i)が、−70〜40℃、好ましくは−60〜0℃の範囲の温度で行なわれる請求項17に記載の方法。
  19. 工程(ii)が、60〜110℃、好ましくは70〜90℃の範囲の温度で行なわれる請求項17又は18に記載の方法。
  20. 少なくとも1つの入口及び2つの出口を備えた溶剤再生塔と、該溶剤再生塔に接続し、少なくとも1つの膜を有すると共に、少なくとも1つの入口及び1つの出口を備えた濾過システムと、該濾過システムに接続し、少なくとも1つの入口及び2つの出口を備えた分離塔とを有する、溶剤及び金属硫化物粒子を含有する液体流からの金属硫化物粒子の除去装置。
  21. 2つ以上の再生塔及び/又は2つ以上の分離塔を有する請求項20に記載の装置。
  22. 分離塔の全部又は一部が再生塔の全部又は一部と一体化される請求項20又は21に記載の装置。

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