JP5882224B2 - 界面制御を備えた三相硫黄分離器システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、２００９年１２月１４日に出願された米国非仮出願第１２／６３７，３０１号の利益を主張するものである。

本発明は、気相区域に気体を加える、又は気相区域から気体を除去することにより、分離器の中の圧力を一定に維持することによって、より密度の低い液体から、より密度の高い液体を分離するために３つの流体相が使用される分離器システムに関する。より具体的には、本発明は、溶融硫黄及びレドックス溶液の両方を含む気体流れ及び液体流れから硫黄を回収するための改善された硫黄分離器システムとして使用され得る。

多くの脱硫レドックスプロセスの副生成物は、液体レドックス溶液の中に浮遊する固体硫黄元素を含む。いくつかの液体レドックスプロセスでは、高品質で市販可能な硫黄製品を生産するために、硫黄溶融装置を使用して固体硫黄元素を溶融することが望ましく、かつ必要である。しかし、鉄及びバナジウムなど、レドックス溶液の中の金属イオンは、集合的に「反応性溶質」と呼ばれる、水硫化物、チオ硫酸塩、及び重炭酸イオンと高温で反応し、金属多硫化物を形成する。これらの金属多硫化物は、高品質の硫黄元素を生成するという状況には好ましくない。多量の金属多硫化物の形成が、硫黄を使用に適さないものにする可能性があり、また溶融装置の中に汚染を引き起こし、その後に溶融装置の管の洗浄が必要となる。

金属イオンが硫黄と反応する速度は、レドックス溶液の中の金属イオンの量、溶融装置の温度、硫黄がレドックス溶液と高温で接触している時間量、及び溶融硫黄とレドックス溶液との間の界面の表面積の関数である。溶液の中により多くの金属イオンが存在すれば、より多くの多硫化物が形成される。溶融装置の温度が上昇するにつれて、硫黄と金属イオンとの間の反応活性が増加し、より多くの多硫化物が形成される。高温での溶融硫黄とレドックス溶液との間の接触時間が増加するにつれて、より多くの多硫化物が形成される。溶融硫黄とレドックス溶液との間の界面は、溶融硫黄と金属イオンの一定の接触をもたらす。したがって、溶融硫黄とレドックス溶液との間の界面の表面積が小さくなれば、金属多硫化物の形成が制限される。

ろ過／洗浄／リスラリーシステムは、硫黄溶融装置に入る金属イオン及び反応性溶質を低減するために適用され得る。また、硫黄溶融装置は、硫黄の融点を超える可能な限り低い温度で運転され得る。ろ過を介して溶融装置に入る金属イオン及び反応性溶質を制限すること、及び溶融装置を低い温度で運転することは、硫黄の品質を改善するには効果的な技術であるが、滞留時間及び界面表面積も、金属多硫化物の形成、及びその結果として硫黄の品質において重要な役割を果たす。溶融装置の温度が、ろ過／洗浄／リスラリーシステムと連動して可能な限り低い温度に維持されたとしても、長い滞留時間及び大きな界面面積が適用されれば、硫黄の品質は悪化する。

従来の硫黄分離器の設計では、滞留時間は、硫黄の品質に影響を与えるが、ほとんど制御できない変数のうちの１つである。一般的に、硫黄分離器は、ユニットの硫黄最大処理量に相当する、相分離のための特定の滞留時間を提供するように設計されており、主として水溶液体積流量によって決定される。滞留時間が、最大量の硫黄生成の間に予期される時間を超えて増加すると、硫黄液滴はレドックス溶液から分離する時間をより多く有することになるので、硫黄分離は改善される。さらに、レドックス溶液と溶融硫黄との間の界面レベルは、よりはっきりと画定され、したがって界面レベル制御が改善される。しかし、滞留時間が増加すると、多硫化物の形成も増加する。したがって、最適な滞留時間は、これらの考慮すべき事項の間の妥協に基づいて生成される。

従来の既知の設計では、溶融硫黄の流量は、界面レベルをある垂直レベルに維持することによって制御される。これらの設計の例が、米国特許第４，７３０，３６９号及び米国特許第５，６５１，８９６号に記載されている。これらの既知の分離器は、液体で満たされた容器であり、気相を有していない。その原理は、容器の運転圧力が、ある圧力設定点に維持されて、硫黄の融点以上で運転する時に、水相が気化しないように保たれるということである。しかし、実際の運転では、溶融硫黄制御値（界面レベル制御）又は水溶液制御値（圧力制御）が開放されると、容器内の圧力が降下し、水相の一部が気化する。気化によって、容器の上部からの溶融硫黄のキャリーオーバ、及び下流の機器や配管の中で溶融硫黄が凍結するために結果として生じる閉塞などの重大な運転問題が引き起こされる。そこで、本発明は、水相又は溶融硫黄相のレベルにかかわらず容器の圧力を維持するための分離制御システムを備えた主分離容器の中に、第３の流体相、すなわち気相を含むことによって、この問題及び他の問題を解決する。これらの及び他の利点は、以下に続く本発明のより詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の好適な実施形態によって図示されるように、主要な観点において、本発明は液体分離器システムに関する。システムは、上部部分及び底部部分を備えた容器を含む。容器は、底部部分よりも上部部分にてより大きい径を有し、容器の断面積は、容器の上部部分から底部部分へ下方に向かって縮小する。システムは、２つの液体の混合物を容器の中に導入するための第１の入口を含み、第２の液体は、第１の液体より高密度である。上部部分に位置付けられた入口／出口によって、容器の運転圧力を一定に維持するために、加圧された気体流れを容器の中に導入すること、又は過剰に加圧された気体を除去することが可能である。一定圧力を維持することによって、水相が気化してより密度の高い液体のキャリーオーバを引き起こすことが防止される。容器の底部部分の近辺の出口によって、容器からのより密度の高い液体の流れが可能となる。界面制御構造体は、２つの液体の間の界面レベルを感知し、出口からのより密度の高い液体の流れを制御する。界面制御構造体の設定点を調整することによって、容器内の界面レベルの垂直高さは、より密度の高い液体の処理量が減少するときに、容器の中のより密度の高い液体の滞留時間が増加しないように最適に変更され得る。また、これは、処理量が減少するときに２つの液体の界面面積を縮小させる。界面構造体は、より密度の高い液相の除去を制御するために開閉する制御弁（システムの要求によって、開／閉とするか、又は調節することが可能である）を含む。容器の中の水溶液レベルは、水相の最上のレベル及び気体の界面との間のレベル制御によって維持される。水相制御装置は、水相のレベルを維持するために調節する制御弁と連通する。容器の内部圧力は、より密度の高い液体及び水相制御弁の位置にかかわらず、所定又は所望の一定レベルに維持される。これは、気体の流入流量及び容器からの気体の流出流量を調整して容器内の気相の圧力を調整することによって達成される。気相として使用される特定の気体は、本発明にとって重要ではなく、空気、窒素、燃料ガス、又は任意の不活性ガス、経済的なガス、非凝縮性ガスからなる群から選択されることが可能であり、気体は所望の圧力にある。本発明の特定の実施形態では、システムは、液体レドックス溶液及び／又はリスラリー水から溶融硫黄を分離するために使用される。

したがって、本発明の目的は、三相分離器システムを使用して水溶液液体から分離されたより密度の高い液体の品質を改善することである。また、本発明の目的は、レドックス処理から回収された硫黄の品質を改善することである。本発明のさらなる目的は、硫黄分離器の中の溶融硫黄の滞留時間が硫黄処理量にしたがって変化し得るシステムを提供することである。本発明の別の目的は、界面表面積及び滞留時間を変化させる利点を達成しながら、より正確な界面レベル制御を可能にする、改善された硫黄分離器デバイスである。本発明の別の目的は、液体レドックス溶液及び／又はリスラリー水と溶融硫黄との間の界面面積が変化させられることを可能にするシステムである。本発明のさらなる目的は、既存技術との使用に適応可能な改善された硫黄分離器システムである。一層さらなる目的は、容器の中の一定圧力を維持することによって硫黄のキャリーオーバを防止することである。本発明のさらに別の目的は、高品質の硫黄元素を回収する、より費用効果の高い方法である。

本発明の特徴は、以下に続く発明の詳細な説明を検討することによって、より良く理解され得る。本明細書において、添付の図面が参照される。

スラリーから硫黄元素を除去する従来技術方法の概略ブロック線図である。 スラリーから硫黄元素を除去する別の従来技術方法の概略ブロック線図である。 本発明の好適な実施形態の図である。 本発明の別の好適な実施形態の図である。

本発明の背景を明らかにするために、液体レドックスプロセスから溶融硫黄を生成する既知のプロセスを示す図１及び図２を参照する。これらの既知のシステムは、いずれも三流体相分離器を使用していない。２で示された液体レドックス処理からの硫黄スラリーは、レドックス溶液に浮遊する固体硫黄元素を含み、硫黄フィルター４を通過する。スラリーは、沈殿容器等の濃縮デバイスで生成されるような相対的に濃縮されたスラリー（約１５重量％）であるか、又は濃縮デバイスが適用されなかった場合に生じるような相対的に低濃度のスラリー（０．１重量％）であり得る。硫黄ろ過工程において、レドックス溶液の大半が除去され、８に示すように、ろ過液としてプロセスへ戻される。ろ過液が除去された後の固体硫黄は、硫黄ケーキ又はろ過ケーキと称され、５に示されている。いくつかの適用例では、７に示されるように、清浄水がろ過ケーキに噴霧され、硫黄ケーキとレドックス溶液との間のより良好な分離が達成される。この工程は、「洗浄」と呼ばれる。固体硫黄５は、いくらかのレドックス溶液及び洗浄水を伴ってリスラリータンク６に入る。１０に示されるように、水がリスラリータンク６に加えられ、硫黄溶融装置又は熱交換器１２を通過する硫黄スラリーが作られる。４、６、及び１０に示されたろ過／洗浄／リスラリーシステムは、鉄及びバナジウムなどの金属イオン並びに反応性溶質をスラリーから除去し、結果として溶融プロセスにおいて形成される望ましくない多硫化物の量を低減するのに有用である。ろ過／洗浄／リスラリーシステムを適用せず、したがってプロセス２からのスラリーが硫黄溶融装置１２へ直接進入するシステムもある。

既知のプロセスでは、硫黄スラリーは、硫黄溶融装置１２において、蒸気又は熱伝達流体を用いた間接的な熱交換によって、硫黄の融点を超える温度に加熱される。したがって、硫黄が溶融し、硫黄溶融装置１２から出る高温溶液は、レドックス水溶液、リスラリー水、及び溶融硫黄を含む。溶融硫黄は、レドックス溶液及びリスラリー水と混ざらず、レドックス溶液及びリスラリー水より高密度である。高温溶液は、溶融装置流出物とも称されるが、次に、入口を介して容器又は硫黄分離器１４又は４０へ入る。硫黄分離器の内部において、より密度の高い溶融硫黄の液滴が、より密度の低いレドックス溶液及びリスラリー水から重力によって分離され、より密度の高い溶融硫黄の液滴は硫黄分離器の底部へ落ちる。より密度の高い溶融硫黄、及びレドックス溶液又はリスラリー水は、線３６で示されるように界面を形成する。

溶融硫黄は、硫黄分離器の底部から流れ出し、出口弁２８又は６２によって除去される。本発明とは異なり、既知のシステムの硫黄分離器の中の圧力は、分離器からの水相、すなわちリスラリー水及びレドックス溶液の流量を制御する圧力制御弁２４又は４７によって制御される。これは、水が沸騰し、結果として溶融硫黄のキャリーオーバが、プロセス配管の中に引き起こされ、そこで凍結し、閉塞を引き起こすことを防止するために行われる。硫黄分離器から流れ出るリスラリー水は、リスラリータンクに戻されるか、又は廃棄に向けて送られる。ろ過／洗浄／リスラリーシステムが適用されない適用例では、硫黄分離器の水相区域を離れる液体は、レドックス溶液であり、それがユニットへ戻される。硫黄分離器から出てくる溶融硫黄の流量は、自動制御弁によって制御され、自動制御弁は、典型的には、（オン・オフ制御のための）蒸気ジャケット付きのプラグ弁（又は調節制御のための蒸気ジャケット付きのｖボール弁）である。分離器内の溶融硫黄のレベルを間接的に計測する界面レベル制御ユニットは、制御弁を制御する。図１に示されたような従来の設計では、設計水相流量の設計硫黄負荷での相分離に十分な大きさの単一の容器が使用される。典型的に、水溶液流量が、必要とされるサイズを支配する。界面レベル制御は、分離ステップとして同一径を使用するので、これらの容器の中の硫黄滞留時間は非常に多大であった。さらに、深い下降において、分離体積は、必要とされるものよりも大きかったが、体積を変化させることはできなかった。さらに、処理量にかかわらず、界面レベルの下の硫黄の体積は一定である。したがって、運転温度にさらされた硫黄の滞留時間は、下降状態においてかなり多大である。

図２に示されるように、第２の従来のプロセスにおいて、細いブーツ部４６が、レベル制御の位置になっている。細くなる円錐部分４４によって、分離区域の滞留時間を変化させることが可能であるが、最初に運転員が、界面が円錐領域にくるように界面レベルの設定値を変化させることが必要とされる。極端に処理量が低いとき、界面は実際にブーツ部に位置付けられ、したがって硫黄の滞留時間を最小化することが可能である。

ここで、本発明の多くの好適な実施形態の１つを示す図３を参照すると、システムは、硫黄溶融装置１０１からの溶融硫黄レドックス溶液を含む硫黄溶融装置流出物を、好ましくは２つの別個の流れ１０２及び１０３として受け入れる容器又は硫黄分離器１００を含む。硫黄液滴は、水溶液液滴の約２倍の密度であるので、２つの液相の間の初期分離によって、熱交換器の流出口において、大部分が水溶液である流れ１０２、及び大部分が溶融硫黄である流れ１０３が生じる。これら２つの流れを熱交換器から別個に除去することによって、分離器１００の中でより効率的な分離が生じる。硫黄分離器１００は、３つの区域、すなわち、気相区域１０５、水相区域１０６、及びより密度の高い液相区域１０７を含む。気相区域及び水相区域の両方は、形状が円筒形状であり、より密度の高い液相区域よりも径が大きい。

溶融装置流出物が硫黄分離器に入った後、より密度の低い水溶液は、硫黄分離器の中間近辺のレベルへ上昇するが、より密度の高い硫黄の液滴は、重力によって硫黄分離器の底部に沈む。溶融装置流出物を含む入口は、容器１００のどこにでも位置付けることが可能であるが、硫黄分離器が相対的に大きい径を有する位置に最適に位置付けられた１つの流れ入口によって、流出物を分けることが好ましい。これによって、流出物が硫黄分離器に導入されるとき、上部のレドックス溶液の速度が減少し、硫黄液滴が、沈んでより大きな液滴へ凝集し、最終的に、硫黄分離器の底部において連続的な溶融硫黄の相へ凝集することが可能となる。第２の流出物入口は、分離容器のより密度の高い液相区域の中間近辺に位置付けられることが好ましい。溶融硫黄及び液体のレドックス溶液が、点線１０８で示されるように、界面を形成する。容器１００の底部は、図３及び図４に示されるようにブーツ部を有することが可能であり、又は図２に示されたように、ブーツ部に終端するさらにテーパの付いた円錐底部を有することが可能である。

硫黄分離器１００の中の圧力は、制御弁１１０及び１１１を作動させる圧力制御装置１０９によって制御される。圧力制御装置は、分離器１００の中の圧力を感知し、必要に応じて弁１１０又は１１１を開閉し、予め設定された又は所望の圧力、すなわち設定点圧力を維持する。もし、圧力制御装置が設定点圧力よりも低い圧力を感知したときは、圧力制御装置は弁１１０を開けて、所望の圧力の加圧された気体、好ましくは空気、窒素、燃料ガス、又は他の任意の非凝縮性ガスからなる群から選択されたガス状流体を導入する。次に、もし、感知された圧力が設定点圧力よりも高いときは、圧力制御装置は、弁１１０を閉めて弁１１１を開けて、分離器の気相区域から気体を除去又は放出する。この除去された気体は、他のプロセスで使用されるか、又は炎の中で燃焼されることが可能である。

また、本発明のシステムは、弁１１４及び１１５をそれぞれ制御する２つの液体レベル制御装置１１２及び１１３を使用する。制御装置１１２は、気相区域１０５と水溶液区域１０６との間のレベルを感知し、制御装置１１３は、水相区域１０６とより密度の高い液相区域１０７との間のレベルを感知する。弁１１４は、硫黄分離器からの水溶液の流量を制御し、水溶液が分離器内で沸騰することを防止する。出口１１７を介して硫黄分離器から流れ出る水溶液は、ユニット若しくはリスラリータンク、又は廃棄に戻される。本システムで使用される界面レベル制御機構は、任意のタイプの信頼できる制御機構であり得る。好ましい機構では、気相及び水相の界面レベルの上方及び下方、並びに水相及びより密度の高い液相の界面レベルの下方及び上方に位置付けられた圧力センサにおける圧力を計測することによって、硫黄分離器の中の界面を計測する。２つのセンサの間の圧力差は、界面レベルを表す。

また、本システムは出口１１６を含み、出口１１６を通って、溶融硫黄が硫黄分離器から制御弁１１５を通って流れ出る。硫黄分離器からの溶融硫黄の流量は、硫黄の処理量を規定する。入口１０２及び１０３において硫黄分離器の中へ溶融硫黄を導入する時間と、出口１１６を介して溶融硫黄を除去する時間との間の時間量が、本システムの溶融硫黄の滞留時間を規定する。溶融硫黄の流量は、界面レベル制御機構１１３によって制御される出口弁１１５によって制御される。界面レベル制御機構１１３及び出口弁１１５が、協調して１つの出口制御機構又は構造を形成する。界面レベル制御機構１１２及び制御弁１１４が、協調して第２の制御機構を形成する。ユニットが設計硫黄処理量で運転されているとき、界面１０８を、分離器１００の小さい径の上部近辺に維持することが好ましい。硫黄処理量が減少すると、界面制御機構１１３の設定点（複数可）を調整することによって界面レベル１０８が下げられる。

また、本発明は、硫黄分離器の変形例を含むことが可能であり、例えば、図４に示された硫黄分離器は、形状が横になっている。別法として、分離器の内部壁の傾斜が、より密度の高い液相区域と水相区域との間のテーパの付いた移行部を規定することも可能である。また、本システムは、リスラリー水などの、レドックス溶液以外の液体に使用されることも可能である。同様に、本システムは、溶融硫黄以外の液体に使用されることも可能である。

特定の実施形態についての上述の本明細書によって、本発明の全体的な性質が十分に明らかとなったので、現状の知識を適用することによって、包括的な概念から離れることなく、特定の実施形態のような様々な適用例に、容易に修正及び／又は適合させることが可能であり、したがって、そのような適合及び修正は、開示された実施形態の均等の意義及び範囲内で理解されることが意図されている。本明細書の表現又は用語は、説明を目的とするものであって、限定を目的とするものでないということを理解されたい。

開示された様々な機能を果たすための手段、材料、及びステップは、本発明から離れることなく、様々な代替形態をとることが可能である。したがって、「・・・する手段」及び「・・・するための手段」という表現、又は上記の明細書若しくは下記の特許請求の範囲に見られるような、その後に機能的な記載が続く任意の方法ステップ用語は、上記の明細書に開示された１つ若しくは複数の実施形態と正確に同等であるか否かにかかわらず、すなわち、同一の機能を果たす他の手段若しくはステップが使用され得るか否かにかかわらず、あらゆる構造的、物理的、化学的、若しくは電気的な要素若しくは構造の全て、又は、現在若しくは将来存在し、記載された機能を果たす可能性があるあらゆる方法ステップの全てを規定し包含することが意図されており、そのような表現は、次に続く特許請求の範囲の条件の範囲内で、その最も広い解釈をされることが意図されている。

Claims (8)

1. （ａ）上部部分、底部部分、気相区域、水相区域、及びより密度の高い液体区域を備え、前記底部部分よりも前記上部部分にて、より大きい径を有する容器と、
   （ｂ）第１の液体及び第２の液体を前記容器の中に導入するための入口であって、前記第２の液体が前記第１の液体より高密度である、入口と、
   （ｃ）前記容器からの前記第２の液体の流れを可能にする、前記容器の前記底部部分の近辺の第１の出口と、
   （ｄ）前記水相区域と流体連通した第２の出口と、
   （ｅ）前記気相区域と連通し、気体入口弁及び気体出口弁を制御する圧力制御装置であって、それぞれの弁が前記容器の前記上部部分の近辺の入口／出口に流体連通する、圧力制御装置と、
   （ｆ）前記容器内の前記第１の液体と前記第２の液体との間の界面レベルを感知し、前記第１の出口からの前記第２の流体の前記流れを制御し、前記流れの増加又は減少それぞれに応答して、前記界面レベルを上昇又は低下させるように構成及び配置された界面制御構造体とを組み合わせて含む、液体分離器システム。
2. 前記第１の液体が、レドックス工程からのレドックス溶液及びリスラリー水であり、前記第２の液体が、溶融硫黄である、請求項１に記載の液体分離器システム。
3. 前記容器の前記上部部分が円筒形状であり、前記容器の前記底部部分が円筒形状である、請求項１に記載の液体分離器システム。
4. 前記界面レベルが、前記容器の前記底部部分内に維持される、請求項３に記載の液体分離器システム。
5. 前記容器内の前記水相区域と前記気相区域との間の界面レベルを感知し、前記第２の出口からの前記第１の流体の流れを制御し、前記第１の液体の前記流れの増加又は減少それぞれに応答して、前記第２の界面レベルを上昇又は低下させるように、第２の界面制御構造体が構成及び配置される、請求項１に記載の液体分離器システム。
6. 第１の液体及び第２の液体を含む混合物から硫黄を分離する硫黄分離器システムであって、
   （ａ）上部部分、底部部分、気相区域、レドックス溶液区域、及び溶融硫黄区域を備え、前記底部部分よりも前記上部部分にて、より大きい径を有する容器と、
   （ｂ）前記レドックス溶液及び前記溶融硫黄の混合物を硫黄溶融装置から前記容器の中に導入するための入口であって、前記溶融硫黄が前記レドックス溶液より高密度であり、前記混合物が、前記容器内のある垂直レベルにおいて、前記レドックス溶液と前記溶融硫黄との間の界面を形成する、入口と、
   （ｃ）前記容器からの前記溶融硫黄の流れを可能にする、前記容器の前記底部部分の近辺の第１の出口であって、前記流れが硫黄処理量を規定する、第１の出口と、
   （ｄ）前記容器からの前記レドックス溶液の流れを可能にする、前記レドックス溶液区域と流体連通した第２の出口と、
   （ｅ）前記気相区域と連通し、気体入口弁及び気体出口弁を制御する圧力制御装置であって、それぞれの弁が前記容器の前記上部部分の近辺の入口／出口に流体連通する、圧力制御装置と、
   （ｆ）前記容器の前記底部部分の前記界面の前記垂直レベルを感知し、前記硫黄処理量の増加又は減少それぞれに応答して、前記界面レベルを上昇又は低下させるように構成及び配置された界面制御構造体とを組み合わせて含む、硫黄分離器システム。
7. 前記第１の入口が、前記レドックス溶液区域と連通し、第２の入口が前記溶融硫黄区域と連通する、請求項６に記載の硫黄分離器システム。
8. 前記硫黄溶融装置からの前記混合物が、前記第１の入口と前記第２の入口との間で分割される、請求項７に記載の硫黄分離器システム。

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