JP5134634B2 - 気体脱臭用の装置及び方法 - Google Patents

Description

連邦政府に支援された研究又は開発に関する記述
適用不可

本発明は、概して硫化水素を含むガスストリームの脱硫に関連する。より詳細には、本発明は、硫化水素を含有する液体ストリーム中の硫化水素を硫黄原子へと触媒作用により酸化し、再利用するために還元状態の触媒を酸化によって再生するための高剪断システム及び方法に関する。

多くの方法が硫化水素を含む流体ストリームを生成する。多くの場合、硫化水素は、廃棄又は更なる処理のために気体を放出する前に気体から除去されなければならない。例えば、硫化水素は排水処理プラントからの悪臭であり、逆浸透装置の設置を促進する。また硫化水素は、天然ガス、原油、バイオガス、合成ガス、地熱ガスストリームなどを含むエネルギー源中に天然に存在する成分でもある。水素化脱硫触媒の存在下における水素処理による液体ストリームの水素化脱硫は、有機硫黄化合物を硫化水素に変換するためにしばしば用いられる。その後、硫化水素は液体ストリームから除去されなければならない。硫化水素の燃焼は二酸化硫黄を産生し、それは酸性雨の生成及び環境の潜在的な破壊をもたらすと考えられている。さらに、水と接触した場合、硫化水素は処理装置の金属を腐食させる硫酸を形成する。

一つの商業的な脱硫方法は、イリノイ州のシャンバーグ（Schaumberg, IL）にあるガス テクノロジー プロダクツ エルエルシー（Gas Technology Products, LLC）のＬｏ−ＣＡＴ法である。Ｌｏ−ＣＡＴ法は改良型クラウス反応を行うための方法である。Ｌｏ−ＣＡＴ法は、Ｈ_２Ｓを硫黄原子に変換するためにキレート鉄溶液（均一な触媒性の、すなわち「Ｌｏ−ＣＡＴ」溶液）を用いる湿洗浄液体レドックスシステムである。

必要な空気の量（作動コスト）を低減させ、酸化容器の大きさ（資本コスト）を低減させるために、従来の液体酸化装置（Ｌｏ−ＣＡＴ装置など）における酸素利用を改善する物質移動装置の開発に多大な努力が費やされてきた。現在、２種類の酸化装置が使用されている：低頭（low head）及び高頭（high head）酸化装置。低頭酸化装置においては、非常に小さな穴の開いたＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンモノマ）のスリーブを備えた分散装置によって、３．５ｍ／分未満の空気の見掛け速度で約３メートルの溶液を介して空気が分散される。溶液の流れは空気の流れに垂直である。そのような低頭酸化装置は、比較的質の悪い物質移動装置である。しかしながら、低頭酸化装置は装置の適切な作動のために特に必要な溶液の備蓄（solution inventory）を提供する。

高頭酸化装置においては、粗い気泡の管状分配装置によって１０ｍ／分より大きな見掛け速度である約７メートルの溶液を介して空気が分散される。溶液の流れは高頭酸化装置における空気の流れと並流である。これらの酸化装置は、低頭酸化装置の物質移動率より約４倍優れた物質移動率をもたらすが、これは送風機におけるより高い排出ヘッドに費用がかかる。

したがって、気体ストリームを脱硫する（すなわち脱臭する）ための改良された方法が産業界において求められている。

米国特許第６３６８３６６号明細書

気体ストリームからの硫化水素の除去を改善するための高剪断装置及び方法が開示されている。ある実施形態における気体の脱臭方法は、硫化水素を含有する酸性ガス（sour gas）ストリームから硫化水素を除去するための方法として提供されており、当該方法は、酸性ガスストリームを水性触媒溶液と接触させることで変換装置内において硫化水素を酸化し、それによって脱硫された気体ストリームと還元状態の触媒及び硫黄原子を含む液体ストリームとを生成すること；酸化剤と還元状態の触媒及び硫黄原子を含む液体ストリームとを高剪断装置に導入して、ディスパージョン（dispersion）中における酸化剤ガスの気泡の平均直径は約５μｍ未満であるディスパージョンを生成すること；硫黄含有スラリーが除去され且つ再生触媒ストリームが除去される容器へとディスパージョンを導入すること、ここで、硫黄スラリーは硫黄原子と水性液体を含む；及び再生された触媒ストリームの少なくとも一部を変換装置へと循環することを含む。前記方法は、硫黄含有スラリーから水性溶液の少なくとも一部を除去すること、及び回収された水性溶液の少なくとも一部を容器へと循環することを更に含んでもよい。ある実施形態において、容器は分散装置を有する酸化装置であり、そのため追加の酸化剤ガスは容器へと導入される。

同様に、本明細書中における開示内容は、酸性ガスストリームを脱臭するための方法であり、当該方法は、還元されたレドックス液体触媒を含む液相に分散された１μｍ未満の平均直径を有する酸化剤ガスの気泡を含むディスパージョンを形成することを含む。気泡は４００ｎｍ未満の平均直径を有していてもよい。ある実施形態において、気泡は１００ｎｍ以下の平均直径を有する。酸性ガスは、空気、天然ガス、二酸化炭素、アミノ酸ガス、埋立地ガス、バイオガス、合成ガス、地熱ガス、製油所ガス、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される気体を含んでいてもよい。ある実施形態において、ディスパージョンの形成は酸化剤ガスと液相触媒との混合物を約２０，０００ｓ^−１より大きい剪断速度にさらすことを含む。ディスパージョンの形成は、高剪断装置中において酸化剤ガスと液相触媒とを接触させることを含んでもよく、高剪断装置は少なくとも一つのロータを有し、少なくとも一つのロータはディスパージョンの形成中に少なくとも２２．９ｍ／ｓ（４，５００ｆｔ／分）の先端速度で回転される。高剪断装置は、少なくとも一つのロータの先端において、約１０３４．２ＭＰａ（１５０，０００ｐｓｉ）の局所圧を生じても良い。高剪断装置のエネルギー消費は１０００Ｗ／ｍ^３より大きくても良い。ある実施形態において、レドックス触媒は有機金属及び鉄キレート触媒から選択される。

また、開示内容は酸性ガスから硫化水素を除去する方法であり、当該方法は、硫黄及び還元状態の触媒を含む変換装置液体生成物ストリームを生成するために、変換装置内で酸化触媒を含む液体に酸性ガスを接触させることで硫化水素ガスを酸化すること；変換装置液体生成物ストリーム及び酸化剤ガスを含む流体混合物を形成すること；流体混合物を少なくとも約２０，０００ｓ^-1の剪断速度にさらすことで連続する液相において酸化剤のディスパージョンを生成すること；硫黄スラリーが除去されて、再生された酸化液体触媒を含む液体ストリームが変換装置へと循環される容器へとディスパージョンを導入することを含む。方法は、スラリー中の水性液体が硫黄から除去される分離装置へと硫黄スラリーを導入すること；及びスラリーから除去された水性液体を容器へと循環することを更に含んでもよい。ディスパージョン中の酸化ガスの気泡の平均直径は１μｍ未満であっても良い。ディスパージョンは大気圧で少なくとも約１５分間安定していることが可能である。ある実施形態においては、流体混合物を約２０，０００ｓ^-1より大きな剪断速度にさらすことは、少なくとも二つの生成機（generator）を有する高剪断装置へ流体を導入することを含む。

また、開示内容は酸性ガスストリームから硫化水素を除去するための装置であり、当該装置は、酸性ガス用の導入口と、酸化触媒を含む液体ストリーム用の導入口と、硫黄及び還元状態の液体触媒を含む変換装置液体生成物用の排出ラインとを有する変換装置；酸化剤が排出ラインに導入される分散性ガス導入口；分散性ガス導入口の下流に位置する外部高剪断装置であって、変換装置排出ラインと流体連通する導入口及び高剪断装置排出口を備える外部高剪断装置；高剪断装置排出口と流体連通する酸化装置；及び酸化装置と変換装置の流体ストリーム用導入ラインとを流体接続する循環ラインであって、再生された酸化触媒が変換装置へと循環される循環ラインを有する。外部高剪断装置は、ロータと固定子との間の最小の隙間として規定されている剪断間隙幅を有するロータ及び固定子を備える少なくとも一つの生成機セットを有する歯付きリム分散装置を有することができ、ロータは先端速度で回転可能であり、剪断間隙幅によって分離される先端の速度は少なくとも１００，０００ｓ^-1であると規定される剪断速度が生じる。外部高剪断装置は、２０．３ｍ／ｓ（４０００ｆｔ／分）より大きな先端速度を有することもできる。ある実施形態において、外部高剪断装置は水性触媒溶液中に酸化剤の気泡のディスパージョンを生じることができ、酸化剤の気泡はサブマイクロメータ規模における気泡の平均直径を有している。装置は、少なくとも二つの高剪断装置を有してもよい。

また、開示内容は酸性ガスストリームから硫化水素を除去するための装置における改良でもあり、当該装置は、吸収ユニット、硫化水素を硫黄原子に変換することで還元状態になるレドックス触媒、還元状態の触媒を再生するための酸化ユニット、及び再生された触媒を吸収ユニットに戻すための触媒循環装置を有し、前記改良は、高剪断装置を変換装置と酸化ユニットとの間に直列に挿入することを含み、高剪断装置は少なくとも二つの生成機を有し、少なくとも一つの生成機は少なくとも１０，０００ｓ^-1の剪断速度を生じる。一つの生成機によってもたらされる剪断速度は、別の生成機によってもたらされる剪断速度よりも大きくても良い。

装置のいくつかの実施形態は、外部加圧式高剪断反応機の使用により、大容量の反応機を必要とすることなく気体ストリームの脱臭を実現する可能性がある。

前述の方法又は装置に係るある実施形態は、他の可能なものより、より適切な時間、温度及び圧力の条件を提供できる可能性があり、複数の段階における処理の速度を向上できる可能性がある。前述の方法又は装置のある実施形態は、より低い温度及び／又は圧力で作動して、消費される触媒の単位当たりの生成物の増加、反応時間の減少、及び／又は資本コスト及び／又は作動コストの減少を提供することによって、全体的なコストの低下をもたらすことが可能である。これら及び他の実施形態及び可能な利点は、以下の詳細な説明及び図面において明らかになるであろう。

本発明の好適な実施形態のより詳細な説明のために、添付の図面が参照される。

本開示の実施形態における外部高剪断分散を有する高剪断ガス脱臭装置の図。 装置の一実施形態において用いられるマルチステージ高剪断装置の縦方向断面図。 本開示の一実施形態における高剪断ガス脱臭方法のボックス図。

表記法及び用語
本明細書においては、用語「ディスパージョン（dispersion）」は、すぐには一緒に混合及び溶解しない少なくとも二つの区別可能な物質（又は「相」）を含む液化混合物を指す。本明細書においては、「ディスパージョン」は「連続的な（continuous）」相（又は「基質」）を含み、それはその中に他の相又は物質の不連続な液滴、気泡、及び／又は粒子を保持する。したがって用語ディスパージョンは、連続する液相に懸濁された気泡を含む泡、第一の液体が混合しない第二の液体を含む連続相全体に第一の液体の液滴が分散されているエマルジョン、及び全体に固体粒子が分散された連続する液相を指すことができる。本明細書において用語「ディスパージョン」は、全体に気泡が分散された連続する液相、全体に固体粒子（例えば固形触媒）が分散された連続する液相、連続相にほぼ溶解しない第二の液体の液滴が全体に分散された第一の液体の連続相、並びに固体粒子、非混和性液体の液滴、及び気泡の一つ又は組み合わせが全体に分散された液相を包含する。それ故、ディスパージョンはいくつかの場合においては均一な混合物（例えば液相／液相）として、又は組み合わせに選択された物質の性質に応じた不均一な混合物（例えば気体／液体、固体／液体、又は気体／固体／液体）として存在することができる。

概説
液体、気体及び固体を含む化学反応の速度は、接触時間、温度及び圧力に依存する。異なる相（例えば、固体及び液体；液体及び気体；固体、液体及び気体）の二つ以上の原材料を反応させたい場合、反応速度を制御する律速因子の一つは反応物の接触時間を含む。不均一に触媒された反応の場合、触媒の表面から反応生成物を除去することで触媒が更なる反応物に触媒作用を及ぼすことを可能にするという別の速度の律速因子が存在する。多くの場合、反応物及び／又は触媒の接触時間は、化学反応に関与する二つ以上の反応物を接触させる混合によって制御されている。

本明細書において説明される外部高剪断装置又は混合機を有する反応機アセンブリは、物質移動の制限を減少させることができ、それによって動力学的限界のより近くに迫る反応を可能にする。反応速度が加速されると、滞留時間を減少でき、その結果得られる生成量を増大することができる。高剪断装置及び方法によって生産量を増加することができる。若しくは、既存の方法の生産量に満足できる場合、適切な高剪断の導入によって必要な滞留時間を短縮することで、従来の方法よりも低い温度及び／又は圧力の使用を可能にする。

さらに、理論によって制限されること無く、本明細書において説明される高剪断装置又は混合機を有する反応機アセンブリによってもたらされる高剪断状態は、有意な程度まで反応が起きることが従来期待できなかった広範な稼動条件において気体の脱臭を可能にするであろう。

気体脱臭装置
高剪断気体脱臭装置が、硫化水素を含有する気体ストリームから硫化水素を除去するための高剪断装置１の一実施形態の工程図である図１に関連して説明される。高剪断硫黄除去装置１は、変換装置（吸収装置）、高剪断装置／酸化装置、酸化装置／硫黄分離、及び硫黄処理の四つのプロセスゾーンを有すると考えることができる。液体還元酸化脱硫用の代表的な高剪断装置の基本的な構成要素には、変換装置３０、外部高剪断装置（ＨＳＤ）４０、容器１０、及びポンプ５が含まれる。図１に示されるように、高剪断装置４０は容器／反応機１０の外側に配置されている。これらの各構成要素は以下においてより詳細に更に説明される。ライン２５は硫化水素を含有する気体を変換装置３０へと導入する。いくつかの応用において、高剪断ガス脱臭装置１は、例えばノックアウトポット２４などの酸性ガス供給ストリームの前処理をさらに有する。ノックアウトポット２４は、酸性ガスが高剪断ガス脱臭装置１に供給される導入ライン２３を介して供給可能である。ライン２５はノックアウトポット２４を変換装置３０に接続可能である。

ライン２１は、液体触媒を変換装置３０に導入するためのポンプ５に接続可能である。いくつかの実施形態において、ポンプ５は、高剪断ガス脱臭装置１全体のどこにでも、例えば変換装置３０とＨＳＤ４０との間に、配置可能である。処理された気体はライン３５を介して変換装置３０から抜け出る。ライン１３は変換装置３０をＨＳＤ４０に接続しており、ライン１８はＨＳＤ４０を容器１０に流体接続している。ライン２２は酸化剤（例えば空気又は富化空気（enriched air））をＨＳＤ４０に導入するためにライン１３に接続可能である。若しくは、ライン２２はＨＳＤ４０の導入口に直接連結可能である。高剪断ガス脱臭装置１は、ライン１８を介してＨＳＤ４０に、及びライン１９を介して容器１０に接続可能なベンチャースパージャ（venture sparger）４５を更に有することができる。ライン１７は換気ガス（vent gas）の除去のために容器１０に接続可能である。追加の構成要素又は処理段階、例えば必要であれば熱交換器が、高剪断ガス脱臭装置１の全体において、例えば容器１０とＨＳＤ４０との間、又はポンプ５又はＨＳＤ４０の前に導入可能である。ライン２１は容器１０を変換装置３０に接続することによって、必要に応じて触媒の循環を行うことができる。

いくつかの応用において、高剪断ガス脱臭装置１は、硫黄分離装置、例えば硫黄沈殿槽６０、スラリーポンプ７０、沈殿槽供給ポンプ５０、又はそれらの組み合わせを更に有する。沈殿槽供給ポンプ５０は、ライン１６を介して酸化装置の容器１０に流体的に接続されているため、流体スラリーが容器１０から抽出される。ライン５１は沈殿槽供給ポンプ５０の排出口をライン５３を介して硫黄沈殿槽６０に接続し、ライン５２を介して酸化装置の容器１０に接続することができる。

硫黄沈殿槽６０は、ライン６５を介してスラリーポンプ７０に接続可能である。ライン７５はスラリーポンプ７０に接続可能であり、更なる分離装置８０に硫黄を送るために用いることができる。沈殿槽６０で分離された水性触媒溶液はライン１４を介して容器１０に戻すことができる。

高剪断ガス脱臭装置１は更に送風機９０を有することができる。送風機９０は、容器１０に任意の二次空気を供給するために容器１０に接続可能である。送風機９０はフィルタ及び消音装置８５に接続可能である。

変換装置
変換装置３０は、酸性ガスが均一な液体触媒溶液と接触される接触器を有する。変換装置３０は吸収装置とも呼ばれる。ある実施形態においては、硫黄原子を生成するために硫化水素の酸化に適した任意の液体還元酸化触媒が使用される。例えば、これらにはキレート鉄又は他の有機金属を含む触媒が含まれる。ある実施形態においては、脱硫反応は触媒試薬としてキレート鉄を用いて水相中で行われる。キレート試薬は、二つ以上の非鉄原子と鉄原子との間に化学結合を形成するよう鉄イオンの周囲を爪のように取り囲む有機化合物である。一般に装置は、弱アルカリ性の液体触媒溶液へのＨ₂Ｓの良好な吸収を保証するために弱アルカリのｐＨ範囲で作動される。好適な触媒は、ガス テクノロジー プロダクツ エルエルシーのＬｏＣＡＴ溶液である。均一な液体触媒溶液２１は、ポンプ５及び変換装置の導入ライン１２を介して変換装置３０へと導入可能である。ある実施形態において、液体触媒溶液は変換装置３０を通って酸性ガスフローへと逆流して流れる。ある実施形態においては、変換装置３０は分散吸収装置である。そのような実施形態においては、ライン２５からの酸性ガスは変換装置３０内へと分散される。酸性ガス中の硫化水素は触媒との反応によって酸化されることで硫黄原子を形成し、触媒は還元される。触媒は、例えば分散によって生じるリフトによって変換装置３０を通って循環される。硫化水素が除去された処理済の気体は、ライン３５を介して変換装置３０から出る。硫黄原子及び還元状態の触媒を含む変換装置液体生成物は、ライン１３を通って変換装置３０から出る。

高剪断装置
高剪断装置又は高剪断混合装置とも時に呼ばれる外部高剪断装置（ＨＳＤ）４０は、変換装置液体生成物及び酸化剤を含む導入ストリームをライン１３を介して受容するよう構成されている。酸化剤は、ＨＳＤ４０の上流にあるライン１３へと酸化剤を注入可能な分散性ガスライン２２を介して高剪断装置４０へと導入される。若しくは、ＨＳＤ４０は分離導入ライン（図示しない）を介して液体及び酸化剤反応物ストリームを受容するよう構成可能である。図１には一つの高剪断装置のみが示されているが、装置のいくつかの実施形態は、直列又は並列の流れに配置された二つ以上の高剪断混合装置を有することが可能であることが理解されるべきである。ＨＳＤ４０は、ロータ／固定子の組み合わせを備える一つ以上の生成機を利用する機械装置であり、前記生成機のそれぞれが固定子とロータとの間に隙間を有している。それぞれの生成機セットにおけるロータと固定子との間の隙間は固定されていても良いし、調整可能であってもよい。ＨＳＤ４０は、装置を通って流れる反応混合物中にサブミクロン及びミクロンサイズの気泡を生成することができるように構成されている。高剪断装置はエンクロージャ又はハウジングを有することによって、反応混合物の圧力及び温度が制御可能である。

高剪断混合装置は、それらの流体混合性能に基づいて三つの一般的な種類に大まかに分けられる。混合は、流体中の粒子の又は不均一な種のサイズを減少させる工程である。混合の程度又は徹底のための一つの基準は、混合装置が流体粒を崩壊させるために生じる単位体積あたりのエネルギー密度である。種類は伝達されるエネルギー密度に基づいて区分される。サブミクロンから５０ミクロンの範囲の粒子サイズである混合物又はエマルジョンを確実に生成するために十分なエネルギー密度を有する三種類の工業用混合装置には、均一化バルブシステム（homogenization valve system）、コロイドミル及び高速混合装置が含まれる。均一化バルブシステムと呼ばれる第一の種類の高エネルギー装置においては、処理される流体は非常に高い圧力下において狭い隙間のバルブを通して低圧環境へとポンプ輸送される。バルブを挟んだ圧力勾配と結果的に生じる乱流及びキャビテーションとが、流体中のあらゆる粒子を破壊するよう作用する。これらのバルブシステムは、ミルクの均一化において最も一般的に用いられており、サブミクロンから１ミクロンの範囲の平均粒子サイズを得ることができる。

エネルギー密度スペクトルの対向端に位置するのが、低エネルギー装置と呼ばれる三種類目の装置である。これらの装置は、処理される流体の貯槽に高速で回転するパドル又は流体ロータを有しており、前記流体は、多くのより一般的な用途において食料品である。これらの低エネルギー装置は、処理された流体において２０μｍより大きな平均粒子サイズが基準を満たす場合に、慣習的に用いられる。

流体に与えられる混合エネルギー密度に関して、低エネルギー装置と均一化バルブシステムとの間に位置するのが、中間エネルギー装置として分類されるコロイドミル及び高剪断ロータ−固定子分散装置である。一般的なコロイドミルの構成は円錐状又は円盤状のロータを含み、それは一般に０．０２５４ｍｍから１０．１６ｍｍ（０．００１−０．４０インチ）である厳密に調節されたロータ−固定子の隙間によって相補的に液体−冷却固定子から分離されている。通常、ロータは直接駆動又はベルト機構を介して電気モータによって駆動される。ロータが高速で回転することによって、それはロータの外面と固定子の内向面との間の流体をポンプ輸送し、隙間に生じた剪断力が流体を処理する。適切な調節装置を備える多くのコロイドミルは、処理された流体中において０．１−２５μｍの平均粒子サイズを実現する。これらの性能が、例えば化粧品、マヨネーズ又はシリコン／銀アマルガム形成などに必要なコロイド及び油／水ベースのエマルジョン処理から屋根用タールの混合といった様々な用途にコロイドミルを適合させている。

先端速度は、単位時間当たりにロータの先端が移動する円周距離である。そのため、先端速度はロータの直径及び回転数の関数である。先端速度（例えばｍ／分）はロータの先端によって描かれる円周距離、２πＲ、Ｒはロータの半径（例えばメートル）に回転数（例えば、一分あたりの回転数、ｒｐｍ）をかけることによって算出することができる。例えば、コロイドミルは２２．９ｍ／ｓ（４５００ｆｔ／分）を超える先端速度を有することができ、４０ｍ／ｓ（７９００ｆｔ／分）を超えることもできる。本開示において、用語「高剪断」は、５．１ｍ／ｓ（１０００ｆｔ／分）を超える先端速度が可能であり、反応がなされる生成物のストリームにエネルギーを伝達するための機械駆動式外部電源装置を必要とする機械式ロータ固定子装置（例えば、コロイドミル又はロータ−固定子分散装置）を指す。例えばＨＳＤ４０において、２２．９ｍ／ｓ（４５００ｆｔ／分）を超える先端速度が実現可能であり、４０ｍ／ｓ（７９００ｆｔ／分）を超えることもできる。ある実施形態においては、ＨＳＤ４０は少なくとも３００Ｌ／ｈを少なくとも２２．９ｍ／ｓ（４５００ｆｔ／分）の先端速度で輸送可能である。消費電力は約１．５ｋＷである。ＨＳＤ４０は高い先端速度を非常に小さな剪断隙間と組み合わせることによって、処理される材料に重大な剪断を生じることができる。剪断量は流体の粘度に依存するであろう。したがって、圧力及び温度が上昇した局所が、高剪断装置の稼動中にロータの先端に生じる。ある場合には、局所的に上昇した圧力は約１０３４．２ＭＰａ（１５０，０００ｐｓｉ）になる。ある場合においては、局所的に上昇した温度は約５００℃になる。ある場合においては、これらの局所的な圧力及び温度の上昇はナノ又はピコ秒の間持続するであろう。

流体へ加えられるエネルギーの概算値（ｋＷ／Ｌ／分）は、モータのエネルギー（ｋＷ）及び流体出力（Ｌ／分）を測定することによって見積もることができる。前述したように、先端速度は、反応物に加えられる機械的な力を生じる一つ以上の回転要素の端部に係る速度（ｆｔ／分又はｍ／ｓ）である。ある実施形態において、ＨＳＤ４０のエネルギー消費は、１０００Ｗ／ｍ^３より多い。ある実施形態においては、ＨＳＤ４０のエネルギー消費は約３０００Ｗ／ｍ^３から約７５００Ｗ／ｍ^３の範囲である。

剪断速度は剪断間隙幅（ロータ及び固定子間のわずかな隙間）によって分離した先端の速度である。ＨＳＤ４０において生じる先端速度は、２０，０００ｓ^−１より大きくすることができる。ある実施形態においては、剪断速度は少なくとも４０，０００ｓ^−１である。ある実施形態においては、剪断速度は少なくとも１００，０００ｓ^−１である。ある実施形態においては、剪断速度は少なくとも５００，０００ｓ^−１である。ある実施形態においては、剪断速度は少なくとも１，０００，０００ｓ^−１である。ある実施形態においては、剪断速度は少なくとも１，６００，０００ｓ^−１である。ある実施形態においては、ＨＳＤ４０によって生じる剪断速度は２０，０００ｓ^−１から１００，０００ｓ^−１の範囲である。例えばある使用例においては、ロータの先端速度は約４０ｍ／ｓ（７９００ｆｔ／分）であり、剪断間隙幅は０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）であり、１，６００，０００ｓ^−１の剪断速度を生じる。別の使用例においては、ロータの先端速度は約２２．９ｍ／ｓ（４５００ｆｔ／分）であり、剪断間隙幅は０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）であり、約９０１，６００ｓ^−１の剪断速度を生じる。

ＨＳＤ４０は、還元状態の液体触媒を含有する主液相（連続相）に、液体触媒の少なくとも一部が酸化されているような状態においては通常非混和性である酸化剤ガスを分散又は導入することができる。ある実施形態においては、ＨＳＤ４０はコロイドミルを有する。好適なコロイドミルは、例えばノースカロライナ州ウィルミントン（Wilmington, NC）のＩＫＡ（登録商標） ワークス インコーポレーテッド（IKA(R) Works, Inc.）及びマサチューセッツ州ウィルミントン（Wilmington, MA）のＡＰＶ ノース アメリカ インコーポレーテッド（APV North America, Inc.）によって製造されている。ある実施例において、ＨＳＤ４０はＩＫＡ（登録商標） ワークス インコーポレーテッドのディスパックスリアクタ（登録商標）（Dispax Reactor(R)）を有する。

高剪断装置は、反応物に加えられる機械力を生じる少なくとも一つの回転要素を有する。高剪断装置は、隙間によって分離された少なくとも一つの固定子と少なくとも一つのロータとを有する。例えば、ロータは円錐又は円盤状であってもよく、相補的な形状の固定子から分離していても良い。ある実施形態においては、ロータ及び固定子の両方が円周方向に離間した複数の歯を備えている。ある実施形態においては、それぞれの生成機（ロータ／固定子のセット）のロータ及び固定子の間に希望通りの剪断隙間を得るために、固定子が調節可能になっている。ロータ及び／又は固定子の歯の間の溝は、乱流を増加するために交互のステージにおいて方向を互い違いにすることができる。各生成機は、必要な回転を行うよう構成された好適な駆動装置によって駆動可能である。

ある実施形態において、固定子とロータとの間のわずかな隙間（剪断間隙幅）は約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）から約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の範囲である。ある実施形態においては、固定子とロータとの間のわずかな隙間（剪断間隙幅）は約１．５２ｍｍ（０．０６０インチ）である。ある構成においては、ロータと固定子との間のわずかな隙間（剪断間隙）は少なくとも１．７８ｍｍ（０．０７インチ）である。高剪断装置によって生じる剪断速度は、流路に沿った長手方向の位置によって異なる。ある実施形態においては、ロータはロータの直径と所望される先端速度に応じた速度で回転するよう設定される。ある実施形態においては、高剪断装置は固定子及びロータの間に固定された隙間（剪断間隙幅）を有する。若しくは、高剪断装置は調節可能な隙間（剪断間隙幅）を有する。

ある実施形態においては、ＨＳＤ４０は単一ステージの分散チャンバ（すなわち、単一のロータ／固定子の組み合わせ、単一の生成機）を有する。ある実施形態においては、高剪断装置４０は複数ステージの直列分散装置であり、複数の生成機を有する。ある実施形態においては、ＨＳＤ４０は少なくとも二つの生成機を有する。別の実施形態においては、高剪断装置４０は少なくとも三つの高剪断生成機を有する。ある実施形態においては、高剪断装置４０は複数ステージの混合機であり、（前述したように、先端速度に比例し、ロータ／固定子の間隙幅に反比例して変化する）剪断速度は、以下において詳述するように流路に沿った長手方向の位置に応じて変化する。

ある実施形態においては、外部高剪断装置の各ステージは交換可能な混合器具を有することで、柔軟性をもたらす。例えば、ノースカロライナ州ウィルミントンのＩＫＡ（登録商標） ワークス インコーポレーテッド及びマサチューセッツ州ウィルミントンのＡＰＶ ノース アメリカ インコーポレーテッドのＤＲ２００４／４ディスパックスリアクタ（登録商標）は、三ステージの分散モジュールを有している。このモジュールは最大で三つのロータ／固定子の組み合わせ（生成機）を有することができ、各ステージにおいて細かい、中間、粗い、及び非常に細かいを選択できる。このことは、希望の気泡サイズ（例えば酸化ガスの気泡）の限られた分散を有するディスパージョンの生成を可能にする。ある実施形態においては、各ステージは非常に細かい生成機を用いて作動される。ある実施形態においては、少なくとも一つの生成機セットが約５．０８ｍｍ（０．２０インチ）より大きなロータ／固定子の微小隙間（剪断間隙幅）を有する。ある代替形態においては、少なくとも一つの生成機セットが約１．７８ｍｍ（０．０７インチ）より大きなロータ／固定子の微小隙間を有する。

図２を参照すると、好適な高剪断装置２００の縦方向の断面図が示されている。図２の高剪断装置２００は三つのステージまたはロータ−固定子の組み合わせを有する分散装置である。高剪断装置２００は三つのステージ又はロータ−固定子の組み合わせ２２０、２３０、及び２４０を有する分散装置である。ロータ−固定子の組み合わせは、限定するのではないが、生成機２２０、２３０、２４０又はステージとして周知のものである。これらのロータ／固定子のセット又は生成機２２０、２３０、及び２４０は駆動シャフト２５０に沿って順番に配置されている。

第一の生成機２２０はロータ２２２及び固定子２２７を有する。第二の生成機２３０はロータ２２３及び固定子２２８を有する。第三の生成機２４０はロータ２２４及び固定子２２９を有する。各生成機において、ロータはインプット２５０によって回転するよう駆動されて、矢印２６５によって示されるように軸２６０を中心に回転する。回転方向は矢印２６５によって示されるのと逆（例えば、回転軸２６０を中心とする時計回り又は反時計回り）にすることもできる。固定子２２７、２２８及び２２９は高剪断装置２００の壁２５５に固定するよう連結されている。

前述したように、各生成機はロータと固定子との間の微小間隔である剪断間隙幅を有する。図２の実施形態においては、第一の生成機２２０は第一の剪断間隙２２５を有し；第二の生成機２３０は第二の剪断間隙２３５を有し；第三の生成機２４０は第三の剪断間隙２４５を有する。ある実施形態において、剪断間隙２２５、２３５、２４５は約０．０２５ｍｍから約１０．０ｍｍの範囲の幅を有する。若しくは、方法は高剪断装置２００の利用を含み、間隙２２５、２３５、２４５は約０．５ｍｍから約２．５ｍｍの範囲の幅を有する。ある実施例においては、剪断間隙幅は約１．５ｍｍに維持されている。或いは、剪断間隙２２５、２３５、２４５の幅は生成機２２０、２３０、２４０によって異なる。ある実施例においては、第一の生成機２２０の剪断間隙２２５の幅は第二の生成機２３０の剪断間隙２３５の幅よりも大きく、第二の生成機２３０の剪断間隙２３５の幅は順番に第三の生成機２４０の剪断間隙２４５の幅よりも大きい。前述したように、各ステージの生成機は交換可能であることによって、柔軟性をもたらしている。高剪断装置２００は、剪断速度が流れ２６０の方向に沿って長手方向に段階的に上昇するよう構成することもできる。

生成機２２０、２３０及び２４０は粗い、中間、細かい、及び非常に細かい特徴を有することができる。ロータ２２２、２２３及び２２４、並びに固定子２２７、２２８及び２２９は、歯付きの構造にすることができる。各生成機は、二組以上のロータ−固定子の歯を有することもできる。ある実施形態において、ロータ２２２、２２３及び２２４は、それぞれのロータの外周周りに周方向に離間した１０より多くのロータの歯を有する。ある実施形態においては、固定子２２７、２２８及び２２９は、それぞれの固定子の外周周りに円周方向に離間した１０より多くの固定子の歯を有する。ある実施形態において、ロータの内径は約１２ｃｍである。ある実施形態において、ロータの直径は約６ｃｍである。ある実施形態において、固定子の外径は約１５ｃｍである。ある実施形態において、固定子の直径は約６．４ｃｍである。ある実施形態において、直径がロータは６０ｍｍであると共に固定子は６４ｍｍであり、約４ｍｍの隙間をもたらす。ある実施形態において、三つのステージのそれぞれは、約０．０２５ｍｍから約４ｍｍの間の剪断間隙を有する非常に細かい生成機を用いて作動される。

高剪断装置２００は、導入口２０５において反応物ストリームをライン１３から受容するように構成されている。反応混合物は、分散相としての酸化剤ガスと、連続相としての還元状態の触媒を含有する液体とを含む。導入口２０５へ入る供給ストリームは、生成物ディスパージョンが形成されるように、生成機２２０、２３０、そして２４０を順番に通ってポンプ輸送される。生成物ディスパージョンは排出口２１０（及び図１のライン１８）を介して高剪断装置２００から出る。各生成機のロータ２２２、２２３、２２４が固定された固定子２２７、２２８、２２９に対して高速で回転することによって、高剪断速度を生じる。ロータの回転は、導入口２０５に入る供給ストリームなどの流体を剪断間隙を介して（及び、存在するのであれば、ロータの歯の間の空間と固定子の歯の間の空間とを介して）外側にポンプ輸送し、局所的な高剪断状態を作り出す。流体が通って流れる剪断間隙２２５、２３５及び２４５（及び存在する場合は、ロータの歯と固定子の歯との間の隙間）において流体に加わる高剪断力は、流体を処理し、生成物ディスパージョンを生成する。生成物ディスパージョンは高剪断排出口２１０（及び図１のライン１８）を介して高剪断装置２００から出る。

生成物ディスパージョンは約５μｍ未満の平均気泡サイズを有している。ある実施形態においては、ＨＳＤ４０は約１．５μｍ未満の平均気泡サイズを有するディスパージョンを生成する。ある実施形態においては、ＨＳＤ４０は１μｍ未満の平均気泡サイズを有するディスパージョンを生成し、好ましくは、気泡は直径がサブミクロンである。ある実施例において、平均気泡サイズは約０．１μｍから約１．０μｍである。ある実施形態においては、ＨＳＤ４０は４００ｎｍ未満の平均気泡サイズを有するディスパージョンを生成する。ある実施形態においては、ＨＳＤ４０は１００ｎｍ未満の平均気泡サイズを有するディスパージョンを生成する。高剪断装置２００は、大気圧において少なくとも約１５分間分散したまま維持できる分散した気泡を含むディスパージョンを生成する。

高剪断装置２００によって生成された生成物ディスパージョン中の酸化剤ガスの気泡は、反応物の接触を促進することによって触媒の酸化を促進及び／又は加速する。ロータは、前述したようにロータの直径と希望する先端速度とに応じた速度で回転するよう設定可能である。

ある実施例においては、高剪断装置２００はノースカロライナ州ウィルミントンのＩＫＡ（登録商標） ワークス インコーポレーテッド及びマサチューセッツ州ウィルミントンのＡＰＶ ノース アメリカ インコーポレーテッドのディスパックスリアクタ（登録商標）を有する。様々な導入口／排出口連結、処理能力、先端スピード、出力ｒｐｍ、及び流速を有するいくつかのモデルが利用可能である。高剪断装置の選択は、必要な処理能力と、高剪断装置２００の排出口２１０から出るライン１８（図１）におけるディスパージョン中の希望される粒子又は気泡のサイズとに依存するであろう。例えば、ＩＫＡ（登録商標）モデルＤＲ２０００／４は、ベルト駆動、４Ｍ生成機、ＰＴＦＥ密閉リング、導入口フランジ用の２５．４ｍｍ（１インチ）の清浄クランプ、排出口フランジ用の１９ｍｍ（３／４インチ）の清浄クランプ、２ＨＰの電源、７９００ｒｐｍの出力速度、約３００−７００Ｌ／ｈの（生成機に依存する）（水の）流通能力、９．４−４１ｍ／ｓ（１８５０ｆｔ／分から８０７０ｆｔ／分）の先端速度を有する。

容器
容器又は酸化装置１０は、硫黄生成物のスラリーがそこから分離可能であり且つ均一な触媒の酸化を内部で広めることができるあらゆる種類の容器である。例えば、連続的若しくは半連続的な攪拌タンク反応装置、又は一つ以上のバッチ式反応装置が直列又は並列に使用可能である。ある使用においては、容器１０は酸化装置である。酸化剤は、送風機９０及びライン１５を介して任意の二次空気源から容器１０へと導入可能である。酸化剤は、硫黄スラリーが沈殿する容器の底部の上に容器１０の断面を描く（line）分散装置を介して導入することができる。硫黄スラリーは容器の円錐型の底部から除去することができる。容器１０への多数の導入ラインが想定されており、図１に三つが示されている（ライン１４、１５及び５２）。導入ライン１４は、硫黄沈殿槽６０に連結されており且つ硫黄スラリー生成物から分離された液体触媒溶液を容器１０に戻すように設計された導入ラインであってもよい。導入ライン１５は、送風機９０を介して任意の二次空気を提供するように利用することができる。ライン５２はライン５１におけるポンプ５０の排出口を容器１０に連結できる。容器１０は換気ガス用の流出ライン１７と、液体溶液中に硫黄のスラリーを含有する生成物ストリーム用の生成物排出ラインとを有することが可能である。ある実施形態において、容器１０は複数の反応装置生成物ライン１６を有する。ライン２１は容器／酸化装置１０をポンプ５及びライン１２を介して変換装置３０に接続することができる。

均一な触媒の酸化は、適切な時間、温度、及び圧力条件が存在するか否かにかかわらず起こるであろう。この意味において、温度及び圧力の条件が適切であれば、触媒の酸化は図１のフローチャートにおけるあらゆる時点において起こるであろう。液体触媒の使用によって、還元状態の触媒の実質的な酸化は図１に示される酸化装置／容器１０の外側の箇所で起こるであろう。それにもかかわらず、大抵の場合、分離した反応装置／容器１０が滞留時間、攪拌、並びに加熱及び／又は冷却の向上を実現するために所望される。ある実施形態においては、触媒の実質的な酸化／再生は、ＨＳＤ４０（又は高剪断装置４０の直列又は並列な組み合わせ）内において起こるであろうことが想定される。そのような実施例において、容器１０は主として、硫黄スラリーがライン１６を介して硫黄を処理するために除去され且つ再生された（酸化された）液体触媒がライン２１を介して再利用のために変換装置３０へと戻される分離装置として機能することができる。そのような実施形態において、任意の二次空気源ライン１５、送風機９０、及びフィルタ／消音機８５はシステムに存在しなくてもよく、又はライン２２を介して一つ以上のＨＳＤ４０のみに空気を提供するよう機能しても良い。

容器１０は以下の構成要素を一つ以上有してもよい：反応容器の設計の分野において周知である、加熱及び／又は冷却機能、圧力測定装置、温度測定装置、一つ以上の注入ポイント、及び液位制御装置（図示しない）。加熱及び／又は冷却装置は、例えば熱交換装置を備えていても良い。或いはある実施形態において、大量の変換反応がＨＳＤ４０内で生じると、ある場合においては容器１０が主に貯槽又は分離容器として機能しても良い。一般にあまり希望されないものの、以下において更に説明されるように、複数の高剪断装置／反応装置が直列に使用される場合、ある使用において容器１０は省略することもできる。

代替形態において、変換装置液体生成物ストリームはＨＳＤ４０の上流にある分離装置に導入される。この配置においては、硫黄はライン１３における変換装置生成物から除去可能であり、還元状態の液体触媒を含む液体触媒ストリームを得ることができる。還元状態の液体触媒は酸化剤と共にＨＳＤ４０へと導入されることによって、変換装置３０内での再利用のために液体触媒を再生することができる。そのような実施形態においては、触媒再生の大部分はＨＳＤ４０、若しくは一連の高剪断装置４０内で起こり、硫黄分離は高剪断装置の上流で行われたため、容器１０は高剪断ガス脱臭装置１の中に存在しなくてもよい。

熱伝導装置
また、前述の容器１０の加熱／冷却機能に加えて、処理ストリームを加熱又は冷却するための他の外部又は内部熱伝達装置が図１に図示される実施形態の変形において想定されている。例えば、希望に応じて、当業者に周知の方法によって熱は容器１０へと加えるか、又は容器１０から取り除くことができる。また、外部加熱及び／又は冷却熱伝達装置の使用も想定される。一つ以上のそのような熱伝達装置に適したいくつかの場所は、ポンプ５と変換装置３０との間、ＨＳＤ４０と容器１０との間、及び容器１０とポンプ５との間である。そのような熱伝達装置のいくつかの非限定的な例は、当業者に周知である殻、管、板、及びコイル状の熱交換機である。

ポンプ
ポンプ５は、連続又は半連続稼動するよう構成されており、２０２．６５ｋＰａ（２気圧）より大きい圧力、好ましくは３０３．９７５ｋＰａ（３気圧）より大きな圧力を提供可能であることによって、ＨＳＤ４０及び装置１を通る流れの制御を可能にする任意の適切なポンプ装置であってもよい。例えば、ローパーポンプカンパニー（Roper Pump Company）（ジョージア州コマース（Commerce Georgia））のローパー１型ギアポンプ（Roper Type 1 gear pump）、又はデイトン エレクトリック カンパニー（Dayton Electric Co）（イリノイ州ナイルズ（Niles, IL））のデイトン プレッシャー ブースター ポンプ（Dayton Pressure Booster Pump）モデル２Ｐ３７２Ｅは一つの好適なポンプである。ポンプの全ての接触部品はステンレス鋼、例えば３１６ステンレス鋼であることが好ましい。装置のある実施形態においては、ポンプ５は約２０２６．５ｋＰａ（２０気圧）より大きな圧力とすることができる。ポンプ５に加えて、一つ以上の追加高圧ポンプ（図示しない）が図１に示される装置に含まれてもよい。例えば、ポンプ５に類似のブースターポンプが、容器１０への圧力を高めるためにＨＳＤ４０と容器１０との間に含まれていてもよい。他の例として、ポンプ５に類似の追加供給ポンプが容器１０に追加の反応物又は触媒を導入するために含まれていてもよい。さらに別の実施例として、コンプレッサ型のポンプが、容器１０からＨＳＤ４０にガスを循環させるためにライン１７とＨＳＤ４０との間に配置されていても良い。沈殿槽ポンプ５０は、容器１０から硫黄スラリーを取り出すのに適したいかなるポンプであっても良い。

高剪断脱硫処理
図３は、高剪断ガス脱臭法における工程を示したボックス図である。ブロック４００において、Ｈ_２Ｓは液相触媒の還元に合わせて硫黄原子へと変換される。ブロック５００において、鉄触媒の酸化剤（例えば、Ｏ_２、空気、富化空気）との高剪断混合は液体還元酸化触媒を含む液体中に酸化剤のディスパージョンを生成する。ブロック６００において、鉄触媒の増進された酸化が、容器１０内、ＨＳＤ４０内、又はライン１８、任意のベンチャースパージャ４５、及び／又はライン１９において起こる。ブロック７００において、Ｈ_２Ｓ変換装置３０への再生された（酸化された）触媒溶液の回帰は、ライン２１、ポンプ５及びライン１２を介して起こる。ブロック８００において、硫黄原子の回収及び硫黄回収ユニット（例えば、硫黄沈殿槽６０）から酸化装置１０への回収された触媒溶液の循環が示されている。

高剪断ガス脱臭装置１の作動が図１を参照しながら説明される。ある実施形態において、脱硫反応は触媒試薬としてのキレート鉄を用いて水相中で行われる。酸性ガスストリームの脱硫のための作動において、酸性ガスストリームはライン２５を介して装置１へと導入される。ノックアウトポット２４は、ライン２３を介してノックアウトポット２４へと導入される酸性ガス供給ストリームから粒状物質を除去するために利用可能である。変換装置３０内において、酸性ガスは、例えばライン１２を介して逆流するよう変換装置３０へと導入される酸化液体触媒溶液と接触される。

装置は、一般に弱アルカリ性のｐＨ範囲で作動されることによって、触媒溶液へのＨ_２Ｓの良好な吸収を保証することができ、アルカリの注入及びモニタリングが高剪断ガス脱臭装置１内におけるあらゆる好適な場所において行うことができる。例えば、アルカリは変換装置３０に添加されても良い。始動時に、液体触媒は触媒ストリームとして容器１０に直接導入することができる。或いは、又は更に、触媒はシステム１のどこにおいても添加することができる。例えば、新たな触媒溶液はライン２１（図示しない）又は変換装置３０内へと注入可能である。ある実施形態においては、ライン２１は液体触媒を含み、その少なくとも一部は、例えばライン２１を介して変換装置３０へと接続可能な容器１０からの循環ストリームであっても良い。

反応全体は：
Ｈ_２Ｓ（ｇ）＋１／２Ｏ_２（ｇ）⇔Ｈ_２Ｏ＋Ｓ゜ （１）
である。ライン２５内の酸性ガスストリームは、ガスストリームを含有する任意の硫化水素又は硫黄であり、例えば、ライン２５内の酸性ガスストリームは空気、天然ガス、二酸化炭素、アミノ酸ガス、埋立地ガス、合成ガス、地熱ガス、バイオガス、製油所ガス又はそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。ライン２３内の酸性ガスストリームは当業者に周知のように前処理されてもよい。例えば図１において、ライン２３内の酸性ガスストリームはノックアウトポット２４を通される。ノックアウトポット２４から出たライン２５内の硫化水素含有ガスストリームは、変換装置３０へと送られる。変換装置３０内において、Ｈ_２Ｓは硫黄原子へと変換される。ライン３５内の処理された（すなわち、脱臭された）ガスストリームは更なる処理又は利用のために輸送される（図示しない）。ある実施形態においては、高剪断ガス脱臭装置１は、９９％を超えて酸性ガスから硫化水素を除去する効果がある。ある実施形態においては、高剪断ガス脱臭装置１は９９．９％を超えて酸性ガスから硫化水素を除去する効果がある。

変換装置３０内において、液体触媒はＨ_２Ｓをいくつかの化学反応を経て硫黄原子へと変換する。変換装置の設計は、求められるＨ_２Ｓの除去効率と共に、酸性ガスの流れ及び圧力によって決められる。鉄触媒にとって、変換装置３０内における吸収は以下の反応によって表される。

Ｈ_２Ｓの吸収は：
Ｈ_２Ｓ（ｇ）＋Ｈ_２Ｏ（ｌ）⇔Ｈ_２Ｓ（ｌ）＋Ｈ_２Ｏ （２）
と表される。

Ｈ_２Ｓのイオン化は：
Ｈ_２Ｓ（ｌ）⇔Ｈ^＋＋ＨＳ⁻ （３）
の反応によって表される。

第二鉄イオン（Ｆｅ^３＋）による酸化は：
ＨＳ⁻＋２Ｆｅ^３＋→Ｓ゜（ｓ）＋２Ｆｅ^２＋＋Ｈ^＋ （４）
と表される。

したがって、吸収反応全体は：
Ｈ_２Ｓ（ｇ）＋２Ｆｅ^３＋→２Ｈ^＋＋Ｓ゜＋２Ｆｅ^２＋ （５）
である。

硫黄及び還元状態の液体触媒溶液を含有する液体ストリームは、変換装置排出ライン１３を介して変換装置３０から出る。分散性の酸化剤ガスは、ライン２２を介して高剪断ガス脱臭装置１へと注入され、ライン２２は酸化剤ガスをライン１３、又は直接ＨＳＤ４０へと導入可能である。酸化剤ガスは空気又は富化空気であってもよい。ある実施形態においては、酸化剤ガスは、液体反応物ストリーム（すなわち、ライン１３を介して変換装置３０から出る硫黄含有液体触媒ストリーム）と混合されるよりも、直接ＨＳＤ４０へと供給される。ポンプ５は、ライン２１及び容器１０からライン１２を通って変換装置３０へと再生された液体触媒をポンプ輸送するため、及び加圧するために作動可能であり、高剪断装置（ＨＳＤ）４０及び高剪断ガス脱臭装置１全体に制御された流れを供給する。ある実施形態において、ポンプ５は２０２．６５ｋＰａ（２気圧）を超える、好ましくは約３０３．９７５ｋＰａ（３気圧）を超えるまでＨＳＤ導入ストリームの圧力を増加させる。このようにして、高剪断ガス脱臭装置１は高剪断を圧力と組み合わせることによって、反応物の完全な混合を促進可能である。

ある実施形態において、液体触媒溶液、及び存在するのであればアルカリは容器１０内で最初に混合される。例えば、反応物は導入ライン１４、１５及び５２を介して容器１０へと入る。多数の容器導入ストリームが想定され、図１においては（ライン１４、１５及び５２による）三つが示されている。

酸化剤及び触媒液体はＨＳＤ４０内で完全に混合され、前記ＨＳＤ４０は触媒溶液中に酸化剤ガスの細かいディスパージョンを生成するのに役立つ。溶液中への優れた溶解及び反応物の混合の促進のために、ガスのナノサイズの気泡、サブミクロンサイズの気泡、及び／又はミクロサイズの気泡が形成されるように、ＨＳＤ４０において酸化剤ガス及び触媒液体は高度に分散される。例えば、直列に配置された固定子と組み合わされた三つのロータを備えて構成されている高剪断三ステージ分散装置である分散装置ＩＫＡ（登録商標）モデルＤＲ２０００／４が、硫黄を含む液体触媒媒体中に分散性酸化剤ガスのディスパージョン（すなわち、「反応物」）を生成するために使用可能である。ロータ／固定子のセットは、例えば図２に図示されるように構成可能である。混合された反応物は、ライン１３を介して高剪断装置へと入り、第一ステージのロータ／固定子の組み合わせへと入る。第一ステージのロータ及び固定子は、周方向に離間した第一ステージのロータの歯及び固定子の歯をそれぞれ有する。第一ステージから出た粗いディスパージョンは第二のロータ及び／固定子のステージへと移行する。第二ステージのロータ及び固定子は、周方向に離間したロータの歯及び固定子の歯をそれぞれ同様に有する。第二ステージから出た気泡サイズが低下したディスパージョンは、第三ステージのロータ／固定子の組み合わせへと移行し、前記組み合わせはロータの歯及び固定子の歯をそれぞれ備えるロータ及び固定子を有することができる。ディスパージョンはライン１９を介して高剪断装置から出る。ある実施形態においては、剪断速度は流れの方向２６０に沿って縦方向に段階的に増加する。例えばある実施形態においては、第一ステージのロータ／固定子における剪断速度は、以降のステージにおける剪断速度よりも大きい。別の実施形態においては、剪断速度は流れの方向に沿ってほぼ一定であり、各ステージにおける剪断速度はほぼ同一である。

高剪断装置４０がＰＴＦＥシールを有する場合、シールは当該分野において周知である任意の適切な技術を用いて冷却されることができる。例えば、ライン１３を流れる反応物ストリーム又はライン２１内の再生された液体触媒２１は、シールを冷却するために使用可能であり、それぞれ高剪断装置４０又は変換装置３０に入る前に必要であれば、その際に予熱可能である。

ある用途において、ＨＳＤ４０のロータは、ロータの直径及び所望される先端速度に応じた速度で回転するよう設定されている。前述したとおり、高剪断装置（例えば、コロイドミル又は歯付きリム分散装置）は、固定子及びロータ間に固定された隙間を有する又は調節可能な隙間を有する。ＨＳＤ４０は、酸化剤ガスと硫黄生成物を含む液体触媒溶液とを完全に混合するように機能する。方法に関する実施形態においては、反応速度が約５％より大きく向上されるように、反応物の輸送抵抗が高剪断装置の作動によって低減される。方法に関する実施形態においては、反応速度が約５倍より大きく向上されるように、反応物の輸送抵抗が高剪断装置の作動によって低減される。ある実施形態においては、反応速度は少なくとも１０倍に向上される。ある実施形態においては、速度は約１０から約１００倍の範囲の倍数に向上される。

ある実施形態において、ＨＳＤ４０は少なくとも４５００ｆｔ／分（２２．９ｍ／ｓ）、それは７９００ｆｔ／分（４０ｍ／ｓ）を超えても良い、先端速度で、少なくとも３００Ｌ／ｈを輸送する。電力消費は約１．５ｋＷである。ＨＳＤ４０内の回転する剪断ユニット又は旋廻要素の先端における瞬間的な温度及び圧力の測定は困難であるものの、完全に混合された反応物によって観察される局所的な温度は５００℃を超えており、キャビテーション状態において５００ｋｇ／ｃｍ^２を超えた圧力である。高剪断混合は、ミクロン又はサブミクロンサイズの気泡である酸化剤ガスのディスパージョンをもたらす。ある実施形態において、反応物ディスパージョンは約５μｍ未満、又は約１．５μｍ未満の平均気泡サイズを有する。ある実施形態においては、結果物であるディスパージョンは１μｍ未満の平均気泡サイズを有する。したがって、ライン１８を介してＨＳＤ４０から出るディスパージョンは、ミクロン及び／又はサブミクロンサイズの気泡を有する。ある実施形態において、平均気泡サイズは０．４μｍから約１．５μｍの範囲である。ある実施形態においては、平均気泡サイズは約４００ｎｍ未満であり、ある場合には約１００ｎｍである。多くの実施形態において、ミクロサイズの気泡のディスパージョンは大気圧において少なくとも１５分間分散したまま残存することができる。

分散されると、結果物であるディスパージョンは、容器１０に流体的に接続されているライン１８を介してＨＳＤ４０から出る。希望される場合には、ディスパージョンは容器１０に入る前に任意で更に処理することができる。例えば、高剪断ガス脱臭装置１はＨＳＤ４０と容器１０との間に配置されたベンチャースパージャー４５を更に有することができる。排出ライン１９はベンチャースパージャー４５を容器１０に接続することもできる。ベンチャースパージャー４５が生成量を制限する場合には、スパージャーは利用されなくても良い。酸化装置導入ライン１９は、更なる触媒溶液の酸化（再生）が起こる酸化装置１０へと流体的に接続されている。ＨＳＤ４０がベンチャースパージャーを有する既存のガス脱臭装置へと組み込まれる場合、ベンチャースパージャー４５はベンチャースパージャーによる生成量の制限に応じて保持されても、除去されても良い。

変換装置３０から出た還元状態の液体触媒は、酸化によって再生される。触媒の酸化はＨＳＤ４０内で起こり、容器１０内に滞留する間継続されてもよい。前述したように、容器１０は酸化装置であっても良い。鉄キレート触媒にとって、（ＨＳＤ４０、ライン１８、ベンチャースパージャー４５、ライン１９、容器１０、又はそれらの組み合わせ内で起こり得る）酸化反応は、以下の化学反応式で表される。

Ｏ_２の吸収は、
１／２Ｏ_２（ｇ）＋Ｈ_２Ｏ（ｌ）⇔１／２Ｏ_２（ｌ）＋Ｈ_２Ｏ （６）
で表される。

第一鉄イオン（Ｆｅ^２＋）の再生は、反応：
１／２Ｏ_２（ｌ）＋Ｈ_２Ｏ＋２Ｆｅ^２＋→２ＯＨ⁻＋２Ｆｅ^３＋ （７）
に従う。

したがって、再生反応全体は、
１／２Ｏ_２（ｇ）＋Ｈ_２Ｏ＋２Ｆｅ^２＋→２ＯＨ⁻＋２Ｆｅ^３＋ （８）
である。

容器１０に入る前の反応物の完全な混合の結果、化学反応の大部分がＨＳＤ４０内で起きることが可能である。したがってある実施形態においては、反応装置／容器１０は液体触媒溶液から生成物である硫黄の分離のために主に用いることができる。或いは又は更に、容器１０は、レドックス触媒の再生／酸化の大部分が起こる主要反応容器として機能することができる。例えばある実施形態において、容器１０は酸化装置である。ＨＳＤ４０が酸化装置を有する既存のガス脱臭法に導入された実施形態においては、容器１０は酸化装置であっても良い。新たな装置においては、容器１０は硫黄産物が除去される貯蔵／分離容器として主に機能することができる。

容器／反応装置１０は連続若しくは半連続フローモードで作動可能であり、又はバッチモードで作動可能である。容器１０の中身は、加熱及び／又は冷却機能（例えば冷却コイル）、及び温度測定装置を用いて特定の反応温度に維持可能である。容器内の圧力は、適切な圧力測定装置を用いてモニタ可能であり、容器内における反応物の水位は水位制御装置（図示しない）を用いて制御可能であり、当業者に周知の技術を採用することができる。

換気ガスは、換気ライン１７を介して容器１０から出て、さらに処理され、放出され、及び／又は高剪断ガス脱臭装置１へと循環されることができる。例えば、ライン１７における換気ガスの一部は、ライン１３又はライン２２へと循環可能である。容器１０は円錐形の底を有することによって、硫黄スラリーの沈殿及びそこからの除去を補助することができる。硫黄結晶を含む生成物硫黄スラリーはライン１６を介して容器１０から出る。生成物硫黄スラリーは、沈殿槽ポンプ５０並びにライン５１及び５３を介して硫黄沈殿槽６０へと送ることができる。ライン５１における一部は、ライン５２を介して容器／酸化装置１０へと送り戻すことができる。硫黄沈殿槽６０内の硫黄スラリーは、沈殿槽６０の底（例えば、円錐形部分）へと沈殿し、円錐部分から硫黄ライン６５及びスラリーポンプ７０を介して硫黄分離ユニット８０へとポンプ輸送される。例えば、硫黄分離ユニット８０はベルト濾過装置を用いることによって、６０％の硫黄ケーキを生成することができる。別の実施例として、ある場合には、硫黄分離ユニット８０はバッグ式濾過装置を有し、３０重量％の硫黄ケーキを生成するために使用可能である。希望される場合、硫黄濾過ケーキは溶解硫黄を生成するために用いることもできる。硫黄ケーキから分離された再生触媒溶液１４は、もとの酸化装置１０へと送られても良い。

従来の触媒の酸化において用いられている酸素は、酸化装置１０内の触媒溶液を通って泡立てられる空気又は酸素富化空気１５から供給される。高剪断ガス脱臭装置１は、送風機９０及び酸化剤導入ライン１５を介した酸化剤の第二供給源を有することもできる。酸化装置ライン１５は、前置フィルター８５における前濾過、及び送風機９０と前置フィルター８５から酸化装置／容器１０へのライン８６とを介するポンプ輸送によって得ることができる。高剪断ガス脱臭装置１（図示しない）への少量の苛性の添加が、弱アルカリのｐＨ範囲に触媒溶液を維持するために利用可能である。

この液相酸化方法は液相に溶解又は分散されている酸素キャリアを用いており、ある実施形態においては、前記酸素キャリアはその後に大気圧において連続的に再生可能である。前述した他の装置とは対照的に、この改良された装置は、その後に酸化装置１０に入るライン１８（及び任意にベンチャースパージャーライン１９）内において空気／富化空気又は酸素のミクロ気泡（及び／又はサブミクロサイズの気泡）を生成するために、密閉型外部高剪断装置４０を有する。外部高剪断装置４０は、既存装置のベンチャースパージャー４５の前に配置可能であり、触媒の急速な酸化及び高度な変換を可能にする。

本改良装置の潜在的利益には、限定するのではないが、より小さい容器を設計できる及び／又は低温及び／又は低圧において容器を作動できる可能性によって、循環時間の短縮、生産量の増加、作動コストの減少、及び／又は資本費用の減少が含まれる。

ある実施形態においては、本開示の方法は、外部高剪断混合の非存在下における脱硫と比較して、より効果的な硫黄の除去を提供する。

ある実施形態において、装置１の作動条件は約１００℃から約２３０℃の範囲の温度を含む。ある実施形態においては、温度は約１６０℃から約１８０℃の範囲である。特別な実施形態においては、容器１０内における反応温度はとりわけ約１５５℃から約１６０℃の範囲である。ある実施形態においては、容器１０内の反応圧力は約２０２．６５ｋＰａ（２気圧）から約５．６−６．１ＭＰａ（５５−６０気圧）の範囲である。ある実施形態においては、反応圧力は約８１０．６ｋＰａから約１．５ＭＰａ（８から約１５気圧）の範囲である。ある実施形態においては、大気圧で又は大気圧近くで作動される。

複数の高剪断混合装置
ある実施形態においては、ＨＳＤ４０のような又は異なる構成をされた二つ以上の高剪断装置が一列に並べられており、反応を更に促進するために使用される。それらの作動はバッチ又は連続モードのいずれであっても良い。一度の通過又は「ワンススルー（once through）法が望まれる場合、一列に並んだ複数の高剪断装置の使用が有益であろう。例えばある実施形態においては、ライン１８内の排出ディスパージョンは第二の高剪断装置へと供給可能である。複数の高剪断装置４０が連続して作動されると、追加の酸化剤ガスが各高剪断装置の導入供給ストリームへと注入可能である。ある実施形態においては、複数の高剪断装置４０が並列に作動され、そこからの排出ディスパージョンが一つ又は複数の容器１０へと導入される。

特徴
ＨＳＤ４０によって促進された反応物の混合の利用は、液体触媒の効率的な再生を実現する可能性がある。ある実施形態において、促進された混合は方法のストリームの生成量の増加を促す。ある実施形態においては、高剪断混合装置は従来の方法に導入され、それによって生産の向上（すなわち、より多くの生産量）を実現できる。大容量酸化装置によって再生を向上するよう試みる方法とは対照的に、外部高剪断混合による優れた分散及び接触は、脱硫速度を維持又はさらに向上する一方で、多くの場合においてサイズ及び／又は容器１０内の滞留時間を減少可能である。特別な理論に限定されることなく、高剪断混合のレベル又は程度は物質移動速度を向上させるのに十分であり、反応を起こすことができる局所的な理想的でない条件であって、そうでなければギブス自由エネルギーの予測に基づいて起こることが予測できないであろう条件を同様に生じると考えられる。局所的な理想的でない条件は高剪断装置内で生じると考えられ、局所的な圧力中において最も顕著に増加すると考えられる温度及び圧力の上昇をもたらす。高剪断装置内における圧力及び温度の上昇は、瞬間的及び局所的であり、高剪断装置から出ると、大部分の条件又は平均的な装置の条件へと急速に戻る。ある場合には、高剪断混合装置は一つ以上の反応物をフリーラジカルへと分離させるのに十分な強度のキャビテーションを誘導することができ、前記フリーラジカルは化学反応を促進するか、別の場合に求められるであろう条件よりもより厳しくない条件で反応が起こるようにできる。また、キャビテーションは、局所的な乱流及び液体のマイクロ循環（音響流）を生じることによって、輸送段階の速度を向上できる。化学／物理的な処理用途におけるキャビテーション現象の使用の概要は、ゴゲイト（Gogate）らの「Cavitation: A technology on the horizon」 Current Science ９１、No.1、３５−４６、２００６年によって提供されている。本システム及び方法のある実施形態における高剪断混合装置はキャビテーションを起こし、それによって酸化剤と還元状態の液体触媒とがフリーラジカルへと分離し、それはその後に反応して触媒を再生する。

ある実施形態において、本明細書中において説明されるシステム及び方法は、外部高剪断装置４０を使用することなく以前に可能であって物よりも、より小さく及び／又は少ない資本集約的な方法の設計を可能にする。開示される方法のある実施形態における潜在的な利点は、現行の方法からの稼動コストの減少及び生成の増加である。開示された方法のある実施形態は、新たな方法の設計に必要な資本コストの低下という利点を更に提供する。ある実施形態においては、高剪断装置４０によって還元状態の液体触媒を含む溶液に酸化剤ガスを分散することは、酸化されない液体触媒の量を減少させる。ガスを脱臭するための本システム及び方法のある実施形態における潜在的利益には、限定するのではないが、より小さな酸化装置１０の設計若しくは酸化装置の分離容器１０との交換、及び／又はより低温及び／又は低圧での方法の実行による、循環時間の短縮、生成量の増加、稼動コストの減少、及び／又は資本費用の減少が含まれる。

ある実施形態において、外部高剪断装置４０を介した反応物の混合を含む開示方法の使用は、従来可能であったものより容器／反応装置１０におけるより少ない酸化剤の使用を可能にする。ある実施形態において、方法は外部高剪断装置４０を従来の方法に組み込むことを含み、それによって、外部高剪断装置４０内の反応の作動温度及び／又は圧力を低下させる及び／又は高剪断装置４０無しで行われる方法からの生産の増加（より多くの生成量）を可能にする。ある実施形態においては、触媒の酸化の大部分が外部高剪断装置４０内で起こるために、容器１０は液体触媒から硫黄スラリーを分離するために主に使用される。ある実施形態においては、再生酸化反応の大部分は外部高剪断装置４０内で起こる。

液相触媒による酸化及び酸化による還元状態の触媒の再生によってガスを脱臭するための本方法及びシステムは、外部高剪断機械装置を用いることによって、高剪断装置内の制御環境において化学成分の迅速な接触及び混合を実現することができる。高剪断装置は、反応における物質移動の制限を減少することで、反応速度全体を向上し、反応の大部分が起こることが期待できない広範な作動条件において触媒の実質的な酸化を可能にする。

発明の好適な実施形態が示されて説明されたが、それらの改良が発明の精神及び教示を逸脱することなく当業者によって行われるであろう。本明細書で説明された実施形態は単なる例示であり、限定することを意図していない。本明細書において開示される発明の多くの変更及び改良が可能であり、本発明の範囲内に位置する。数値範囲又は限定が明確に記載されている部分においては、そのような明確な範囲又は限定は、明確に記載される範囲又は限定内に入る同程度の反復範囲又は限定を含む（例えば、約１から約１０は２、３、４等を含み、０．１０より大きいは０．１１、０．１２、０．１３及びそれ以上を含む）ことが理解されなければならない。クレームの構成要件に関する用語「任意」の使用は、対象要件が必要である又は必要でないことを意味するよう意図している。両方の選択肢は請求の範囲に入るよう意図されている。有する（comprise）、含む（include）、有する（having）等の境界の用語の使用は、からなる（consisting of）、から基本的になる（consisting essentially of）、から実質的になる（comprised substantially of）などのより狭い用語を支持する。

したがって、保護の範囲は前述の説明によって限定されることは無く、以下の請求項によってのみ限定され、その範囲は請求項の対象物の全ての同等物を含む。それぞれ及び全ての請求項は、本発明の実施形態として明細書に導入される。したがって、請求項は更なる説明であり、本発明の好適な実施形態への追加である。本明細書中で引用されている全ての特許、特許出願及び刊行物の開示は、本明細書において記載されている事項を補完する例示的、手続き的、又は他の詳細をそれらが提供する範囲で、参照によってここに導入される。

Claims (12)

1. 硫化水素を包含する酸性ガスストリームから硫化水素を除去する方法であって、
   酸性ガスストリームを水性触媒溶液と接触させることによって、変換装置内の硫化水素を酸化し、それによって脱硫ガスストリームと、還元状態の触媒及び硫黄原子を含む液体ストリームとを生成する段階、
   酸化剤と、還元状態の触媒及び硫黄原子を含む液体ストリームとを高剪断装置に導入してディスパージョンを生成する段階、
   硫黄含有スラリーが除去され且つ再生触媒ストリームが除去される容器へとディスパージョンを導入する段階、及び
   再生触媒ストリームの少なくとも一部を変換装置へと循環する段階
   を有し、ディスパージョン中の酸化剤ガスの気泡の平均直径は５μｍ未満であり、硫黄含有スラリーは硫黄原子及び水性液体を含む方法。
2. 硫黄含有スラリーから水性溶液の少なくとも一部を除去する段階と、回収された水性溶液の少なくとも一部を容器へと循環する段階とを更に有する請求項１の方法。
3. 酸性ガスから硫化水素を除去する方法であって、
   変換装置において酸化触媒を含む液体に酸性ガスを接触させて硫化水素ガスを酸化することによって、硫黄及び還元状態の触媒を含有する変換装置液体生成物ストリームを生成する段階、
   変換装置液体生成物ストリーム及び酸化剤ガスを含む流体混合物を形成する段階、
   流体混合物を少なくとも２０，０００ｓ^-1の剪断速度で処理することによって、液体の連続相中に酸化剤ガスの気泡のディスパージョンを生成する段階、及び
   硫黄スラリーが除去され且つ再生酸化液体触媒を含む液体ストリームが変換装置へと循環される容器へとディスパージョンを導入する段階
   を有する方法。
4. スラリー中の水性液体が硫黄から除去される分離装置に硫黄スラリーを導入する段階、及び
   スラリーから除去された水性液体を容器に循環する段階
   を有する請求項３の方法。
5. ディスパージョン中の酸化剤ガスの気泡の平均直径が１μｍ未満である請求項３の方法。
6. 流体混合物を少なくとも２０，０００ｓ^-1の剪断速度で処理することが、少なくとも二つの生成機を有する高剪断装置へと流体を導入することを含む請求項３の方法。
7. 酸性ガスストリームから硫化水素を除去する装置であって、
   酸性ガス用の導入口と、酸化触媒を含む液体ストリーム用の導入口と、硫黄及び還元状態の液体触媒を含む変換装置液体生成物用の排出ラインとを有する変換装置、
   酸化剤を排出ラインに導入可能な分散性ガス導入口、
   分散性ガス導入口の下流に位置する外部高剪断装置であって、変換装置排出ラインに流体連通する導入口と、高剪断装置排出口とを有する外部高剪断装置、
   高剪断装置排出口と流体連通する酸化装置、及び
   酸化装置と変換装置の液体ストリーム用導入ラインとを流体接続し且つ再生酸化触媒が変換装置へと循環可能にする循環ライン
   を有する装置。
8. 外部高剪断装置はロータ及び固定子を備える少なくとも一つの生成機セットを有する歯付きリムの分散装置を有し、ロータ及び固定子はロータ及び固定子の間に微小隙間として規定される剪断間隙幅を有し、ロータは先端速度で回転可能であるため、剪断間隙幅によって分離される先端速度として規定される剪断速度は少なくとも１００，０００ｓ^-1である請求項７の装置。
9. 外部高剪断装置は２０．３ｍ／ｓ（４０００ｆｔ／分）を超える先端速度を有する請求項８の装置。
10. 外部高剪断装置は水性触媒溶液中に酸化剤の気泡のディスパージョンを生成することができ、酸化剤の気泡はサブマイクロメートル（１／１０μｍ）スケールの気泡の平均直径を有する請求項７の装置。
11. 少なくとも二つの高剪断装置を有する請求項７の装置。
12. 外部高剪断装置は少なくとも二つの生成機を有しており、一つの生成機の剪断速度は別の生成機の剪断速度より大きい請求項７の装置。

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