KR102684782B1 - 흡수 및 멤브레인 확산 단계를 포함하는 합성가스 혼합물로부터 개선된 황 포집 공정 - Google Patents

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아이비 후앙
아흐마드 에이. 바함단
파이살 디. 알-오타이비
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Abstract

합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정으로서, 상기 공정은: 합성가스 스트림을 비선택적 아민 흡수 유닛에 제공하는 단계, 사워 합성가스 스트림은 합성가스, 이산화탄소 및 황화수소를 포함함; 비선택적 아민 흡수 유닛에서 합성 가스 스트림을 분리하여 오버헤드 합성 가스 스트림 및 산성 가스 스트림을 얻는 단계; 산성 가스 스트림을 멤브레인 분리 유닛에 도입하는 단계, 산성 가스 스트림은 황화수소 및 이산화탄소를 포함함; 멤브레인 분리 유닛에서 산성 가스 스트림을 분리하여 농축물 스트림 및 투과물 스트림을 생성하는 단계, 여기서 농축물 스트림은 황화수소를 포함하고, 투과물 스트림은 이산화탄소를 포함함; 농축물 스트림을 황 회수 유닛에 도입하는 단계; 황 회수 유닛에서 농축물 스트림을 공정처리하여 황 스트림 및 테일 가스 스트림을 생성하는 단계를 포함하고, 여기서 황 스트림은 액체 황을 포함한다.

Description

흡수 및 멤브레인 확산 단계를 포함하는 합성가스 혼합물로부터 개선된 황 포집 공정
기재된 시스템 및 방법은 황화수소 및 이산화탄소 회수를 개선시키는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 조합된 아민 흡수 및 멤브레인 기체 분리 기술을 위한 시스템 및 방법이 제공된다.
가스화 공정은 황화수소와 같은 다양한 수준의 황-함유 오염 물질을 갖는 가스를 생성한다. 황-함유 오염 물질은 합성가스 스트림에서 반응성이 있고 유독할 수 있으므로, 황-함유 오염 물질을 제거하는 것이 중요하다.
황-함유 오염물질을 제거하는 현재의 방법은 비선택적 흡수 기술 후 아민 흡수를 통해 클라우스 플랜트로 공급되는 피드의 황화수소 농도를 농축시키는 방법을 포함한다. 그러나 황화수소 농축의 범위는 제한적이다.
가스화 공정으로부터 발생하는 가스 스트림은, 합성 가스가 사용되기 위해 또한 제거해야 하는, 이산화탄소를 또한 함유할 수 있다. 제거된 이산화탄소가 0.1 mol% 미만의 황화수소를 함유할 때, 이산화탄소 스트림은 처리되고 및 대기로 배출될 수 있다.
30 mol% 미만 농도와 같이 낮은 농도의 황화수소를 갖는 산성 가스 스트림은 클라우스 유닛에서 문제를 일으킬 수 있다. 낮은 농도의 황화수소는 클라우스 퍼니스에서 낮은 온도를 결과할 수 있다. 이러한 낮은 온도에서 벤젠, 톨루엔, 크실렌 및 이들의 조합(BTX)과 같은 오염 물질; 메르캅탄; C2+ 탄화수소는 파괴되지 않을 수 있다. 파괴되지 않은 오염 물질은 클라우스 유닛의 다른 부분에서 촉매가 비활성화를 결과할 수 있다.
선택적 아민 흡수 기술은 클라우스 플랜트 피드의 황화수소 농도를 농축시키데 사용될 수 있으나, 그러나 이러한 공정은 황화수소 농도를 증가시키는 제한된 결과와 함께 크고 비싼 컬럼을 요구하는 경향이 있다.
기재된 시스템 및 방법은 황화수소 및 이산화탄소 회수를 개선하는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 조합된 아민 흡수 및 멤브레인 가스 분리 기술을 위한 시스템 및 방법이 제공된다.
제1 관점에서, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정이 제공된다. 상기 공정은: 합성가스 스트림을 비선택적 아민 흡수 유닛에 공급하는 단계, 상기 합성가스 스트림은 합성가스, 이산화탄소 및 황화수소를 포함함; 상기 비선택적 아민 흡수 유닛에서 합성가스 스트림을 분리하여 오버헤드 합성가스 스트림 및 산성 가스 스트림을 얻는 단계; 상기 산성 가스 스트림을 멤브레인 분리 유닛에 도입하는 단계, 상기 산성 가스 스트림은 황화수소 및 이산화탄소를 포함함; 상기 멤브레인 분리 유닛에서 산성 가스 스트림을 분리하여 농축물 스트림 및 투과물 스트림을 생성하는 단계, 여기서 농축물 스트림은 황화수소를 포함하고, 여기서 투과물 스트림은 이산화탄소를 포함함; 상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에 도입하는 단계; 황 회수 유닛에서 농축물 스트림을 공정처리하여 황 스트림 및 테일 가스 스트림을 생성하는 단계를 포함하고, 여기서 황 스트림은 액체 황을 포함한다.
농축물 스트림에서 황화수소의 농도는 20 내지 95 mol%, 바람직하게는 약 50 내지 95 mol%, 보다 바람직하게는 약 80 내지 95 mol%, 훨씬 더 바람직하게는 약 90 내지 95 mol%일 수 있다. 농축물 스트림에서 황화수소의 농도는 90 mol% 초과일 수 있다. 투과물 스트림에서 황화수소의 농도는 0.01 mol% 내지 0.1 mol%일 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 상기 공정은 상기 투과물 스트림을 어떠한 추가적인 황화수소 분리에 적용시키지 않고, 상기 투과물 스트림을 대기로 배출하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 상기 오버헤드 합성가스 스트림에서 황화수소의 농도는 1 ppm 내지 1,000 ppm일 수 있다. 상기 오버헤드 합성가스 스트림에서 이산화탄소의 농도는 1 mol% 내지 3 mol%일 수 있다. 상기 멤브레인 분리 유닛은 이산화탄소-선택성 멤브레인을 포함할 수 있다. 상기 멤브레인은 적어도 5, 대안적으로 적어도 10, 대안적으로 적어도 20, 대안적으로 적어도 30의 이산화탄소-황화수소 선택도를 가질 수 있다. 상기 멤브레인은 퍼플루오르화(perfluorinated) 중합체를 포함할 수 있다. 상기 멤브레인 분리 유닛은 제1 멤브레인 분리 스테이지 및 제2 멤브레인 분리 스테이지를 포함하고, 제1 및 제2 멤브레인 분리 스테이지는 농축물-직렬(retentate-in series) 구성으로 배열될 수 있다. 상기 멤브레인 분리 유닛은 제1 멤브레인 분리 스테이지 및 제2 멤브레인 분리 스테이지를 포함하고, 제1 및 제2 멤브레인 분리 스테이지는 투과물-직렬(permeate-in series) 구성으로 배열될 수 있다.
적어도 하나의 구현예에 따르면, 상기 공정은 상기 투과물 스트림을 선택적 아민 흡수 유닛에 공급하고 아민 흡수 공정을 사용하여 투과물 스트림을 처리하여 오버헤드 이산화탄소 스트림 및 회수된 황화수소 스트림을 얻는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 상기 공정은 상기 오버헤드 이산화탄소 스트림을 어떠한 추가적인 황화수소 분리에 적용시키지 않고, 상기 오버헤드 이산화탄소 스트림을 대기에 적용시키지 않고, 상기 오버헤드 이산화탄소 스트림을 대기로 배출하는 단계를 또한 포함할 수 있다.
제2 관점에서, 합성가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하는 공정이 제공된다. 상기 공정은: 합성가스 스트림을 비선택적 아민 흡수 유닛에 공급하는 단계, 상기 합성가스 스트림은 합성가스, 이산화탄소, 및 황화수소를 포함함; 상기 비선택적 아민 흡수 유닛에서 아민 흡수 공정을 사용하여 합성가스 스트림을 분리하여 오버헤드 합성가스 스트림 및 산성 가스 스트림을 생성하는 단계; 상기 산성 가스 스트림을 선택적 아민 흡수 유닛에 도입하는 단계; 상기 선택적 아민 흡수 유닛에서 산성 가스 스트림을 공정처리하여 오버헤드 이산화탄소 스트림 및 회수된 황화수소 스트림을 얻는 단계; 상기 회수된 황화수소 스트림을 멤브레인 분리 유닛에 도입하는 단계, 상기 회수된 황화수소 스트림은 황화수소 및 이산화탄소를 가짐; 상기 멤브레인 분리 유닛에서 상기 회수된 황화수소 스트림을 분리하여 농축물 스트림 및 투과물 스트림을 생성하는 단계, 여기서 농축물 스트림은 황화수소를 포함하고, 투과물 스트림은 이산화탄소를 포함함; 상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에 도입하는 단계; 및 황 회수 유닛에서 농축물 스트림을 공정처리하여 황 스트림 및 테일 가스 스트림을 생성하는 단계를 포함하고, 여기서 황 스트림은 액체 황을 포함한다.
농축물 스트림에서 황화수소의 농도는 80 내지 95 mol%일 수 있다. 상기 오버헤드 이산화탄소 스트림에서 황화수소의 농도는 0.01 mol% 내지 0.1 mol%일 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 상기 공정은 상기 오버헤드 이산화탄소 스트림을 어떠한 추가적인 황화수소 분리에 적용시키지 않고, 상기 오버헤드 이산화탄소 스트림을 대기로 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 멤브레인 분리 유닛은 이산화탄소-선택성 멤브레인을 포함할 수 있다. 상기 멤브레인은 적어도 5의 이산화탄소-황화수소 선택도를 가질 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 상기 멤브레인 분리 유닛은 제1 멤브레인 분리 스테이지 및 제2 멤브레인 분리 스테이지를 포함하고, 제1 및 제2 멤브레인 분리 스테이지는 농축물-직렬(retentate-in-series) 구성으로 배열될 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 상기 멤브레인 분리 유닛은 제1 멤브레인 분리 스테이지 및 제2 멤브레인 분리 스테이지를 포함하고, 제1 및 제2 멤브레인 분리 스테이지는 투과물-직렬(permeate-in-series) 구성으로 배열될 수 있다.
본 구현예의 이들 및 다른 특징, 관점, 및 이점은 다음의 설명, 청구 범위 및 첨부된 도면과 관련하여 보다 잘 이해될 것이다. 그러나, 도면은 몇몇 구현예만을 예시하고 따라서 다른 효과적인 구현예를 허용할 수 있기 때문에 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 점에 유의해야 한다.
도 1은 선택적 아민 흡수 유닛에 대한 피드 가스 내의 황화수소의 함수로서의 황화수소-농축된 산성 가스 내 황화수소 농도의 플롯이다.
도 2는 다양한 멤브레인 물질에 대한 이산화탄소-황화수소 선택도 및 이산화탄소 투과도의 플롯이다.
도 3은 상이한 멤브레인 스테이지 구성의 다양한 공정 흐름도의 예시이다.
도 4는 비선택적 아민 흡수 유닛 및 멤브레인 분리 유닛을 사용하여 합성 가스로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정의 구현예의 공정 흐름도이다.
도 5는 비선택적 아민 흡수 유닛, 멤브레인 분리 유닛, 및 선택적 아민 흡수 유닛을 사용하여 합성 가스로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정의 구현예의 공정 흐름도이다.
도 6은 비선택적 아민 흡수 유닛, 선택적 아민 흡수 유닛, 및 멤브레인 분리 유닛을 사용하여 합성 가스로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정의 구현예의 공정 흐름도이다.
도 7은 비선택적 아민 흡수 유닛, 및 투과물-직렬 구성으로 배열된 2개의 멤브레인 스테이지를 사용하여 합성가스로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정의 구현예의 공정 흐름도이다.
도 8은 비선택적 아민 흡수 유닛, 선택적 아민 흡수 유닛, 및 농축물-직렬 구성으로 배열된 2개의 멤브레인 스테이지를 사용하여 합성가스로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정의 구현예의 공정 흐름도이다.
도 9는 비선택적 아민 흡수 유닛, 농축물-직렬 구성으로 배열된 2개의 멤브레인 스테이지, 및 선택적 아민 흡수 유닛을 사용하여 합성가스로부터 황 및 이산화탄소를 회수하기 위한 공정의 구현예의 공정 흐름도이다.
여러 구현예가 기재될 것이지만, 관련 분야의 통상의 기술자는 본원에 기재된 장치 및 방법에 대한 많은 예, 변형 및 변경이 본 구현예의 범위 및 사상 내에 있음을 이해한다. 따라서, 본원에 기재된 예시적인 구현예는 청구된 구현예에 대한 일반성의 손실 없이, 및 제한의 부과 없이 설명된다.
본원에 기재된 구현예는 스위트닝된 합성가스, 농축된 황화수소 가스 스트림, 및 농축된 이산화탄소 가스 스트림을 생성하기 위한 멤브레인 유닛 및 아민 흡수 공정을 모두 함유하는 하이브리드 공정 및 시스템에 관한 것이다. 유리하게는, 하이브리드 공정은 통상적인 공정과 비교하여 향상된 효율성 및 경제성을 갖는 전체적인 황 회수 공정을 결과한다. 유리하게는, 본원에 기재된 공정 및 시스템은 이산화탄소를 제거하여 황 회수 유닛에 대해 농축된 황화수소 스트림을 결과할 수 있으며, 이는 클라우스 플랜트의 테일 가스 처리 공정에서의 이산화탄소의 양을 감소시킬 수 있으며, 테일 가스 처리 공정의 작동을 위한 복잡성 및 비용을 감소시킨다. 유리하게는, 멤브레인 유닛 및 아민 흡수 공정의 조합은, 클라우스 플랜트 피드가 높은 농도의 이산화탄소를 가질 때, 클라우스 플랜트에서 재순환 가스로 인한 이산화탄소의 축적을 감소 또는 제거할 수 있다. 유리하게는, 멤브레인 유닛 및 아민 흡수 공정의 조합은 테일 가스 처리 유닛에서 흡수 공정의 사용을 제거하여 개선된 황 회수 및 감소된 설비투자 저축을 결과할 수 있다. 유리하게는, 멤브레인 유닛 및 아민 흡수 공정의 조합은, 아민 흡수 공정 단독의 사용과 비교하여, 향상된 오일 회수 작업 및 보다 효율적인 이산화탄소의 격리에서의 사용을 위한 이산화탄소의 증가된 회수를 결과한다. 유리하게는, 아민 흡수 공정에 대한 피드로부터 오염 물질의 제거는 아민 흡수 공정에서 발포 및 다른 작동성 문제를 감소시키거나 제거할 수 있다. 유리하게는, 멤브레인 유닛 및 아민 흡수 공정의 조합은 클라우스 유닛 작동성 및 효율성을 개선하여 개선된 황 회수 및 소각로 스택으로부터의 최소화된 이산화황 배출을 결과한다. 유리하게는, 멤브레인 유닛 및 아민 흡수 공정의 조합을 통해 이산화탄소를 제거하는 것은 클라우스 유닛의 퍼니스에서의 오염 물질의 증가된 파괴 및 개선된 효율성을 결과한다.
본원에 사용된 바와 같은, "합성가스(syngas)"는 수소와 일산화탄소의 혼합물을 지칭한다.
본원에 사용된 바와 같은, "황의 전체 회수" 또는 "황 회수"는 산성 가스 피드 스트림에 존재하는 황의 양에 기초한 감소된 황의 퍼센트를 지칭한다. 99.0%의 회수는 산성 가스 피드 스트림 내의 황의 99.0%가 회수된 황 스트림의 일부로 회수됨을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같은, 동사로서 "투과하다"는 멤브레을 통해 퍼지거나 유동하거나 통과하는 것을 의미한다. 예를 들어, 액체 및 가스는 멤브레인을 투과할 수 있다. 명사로서, 투과물은 멤브레인 유닛의 멤브레인을 투과한 액체 및 가스를 지칭할 수 있다.
석탄, 석유 코크스, 및 바이오매스 및 생활 폐기물과 같은 유기 물질과 같은 탄소질 연료의 가스화로부터 얻은 합성가스 스트림은 일반적으로 제거되어야 하는 일정량의 황화수소를 포함한다. 합성가스가 다양한 적영에 사용될 수 있도록, 다량의 이산화탄소가 또한 제거되어야 한다. 합성가스 스트림으로부터 분리되는 황화수소-스트립된 이산화탄소-농축된 스트림은, 스트림 내의 황화수소 농도가 0.1 mol% 미만, 바람직하게는 0.01 mol% 미만; 예를 들어 약 0.001 내지 0.1 mol%의 황화수소, 대안적으로 약 0.01 내지 0.1 mol%인 경우, 황화수소를 이산화황으로 전환시킨 후 배출될 수 있다.
적어도 하나의 구현예에 따르면, 황화수소-스트립된 이산화탄소-농축된 스트림은, 스트림 내의 황화수소를 덜 유해한 황 화합물로 전환시킨 후, 대기로 안전하게 배출될 수 있다. 예를 들어, 황화수소-스트립된 이산화탄소-농축된 스트림은 산화되어 스트림내의 황화수소를 이산화황으로 전환시킨 다음, 선택적으로(optionally) 이산화황을 제거한 후, 대기로 배출될 수 있다. 바람직하게는, 황화수소-스트립된 이산화탄소-농축된 스트림은 어떠한 추가적인 황화수소 분리 없이(예를 들어, 흡수, 멤브레인 분리, 증류, 또는 흡착에 의해) 대기로 배출하기에 적합하다.
황화수소의 농도가 0.1 mol%보다 크면, 합성가스에서 대부분의 황화수소는 황으로 전환되어야 한다. 일반적으로, 이를 위해서는 황화수소를 적어도 20 mol%의 황화수소를 함유하는 스트림으로 농축하여, 클라우스 플랜트에서 처리될 수 있어야 한다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 개시된 공정은 약 0.001 내지 약 0.1 mol% 황화수소, 대안적으로 약 0.01 내지 0.1 mol%를 함유하는 황화수소-스트립된 이산화탄소-농축된 스트림을 생성할 수 있다.
적어도 하나의 구현예에 따르면, 공정의 생성물은 약 5ppm 미만의 황화수소, 바람직하게는 약 1ppm 미만의 황화수소, 및 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.5 ppm의 황화수소를 갖는 합성가스 스트림; 및 약 5 mol% 미만의 이산화탄소, 바람직하게는 약 2 mol% 미만의 이산화탄소, 보다 바람직하게는 약 1 mol% 미만의 이산화탄소를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 공정의 생성물은 적어도 약 20 mol% 황화수소, 바람직하게는 적어도 약 50 mol% 황화수소, 및 보다 바람직하게는 약 90 mol% 초과를 함유하는 황화수소-농축된 스트림을 포함할 수 있다.
본 개시는 비선택적 흡수 공정 및 선택적 흡수 공정을 논의한다. 비선택적 흡수 공정은 일반적으로 합성가스와 같은 피드 스트림으로부터 황화수소 및 이산화탄소를 분리하여 하류에서 사용하기에 적합한 생성물 스트림을 생성하는 데 사용된다. 선택적 흡수 공정은 특정 산성 가스 성분(예를 들어, 황화수소)의 대부분 또는 전부를 우선적으로 제거하도록 구성되며, 다른 산성 가스 성분(예를 들어, 이산화탄소)의 일부만 제거할 수 있다.
합성가스로부터 산성 가스 성분(예를 들어, 황화수소, 이산화탄소, 황화카르보닐, 등)을 선택적으로 제거하기 위한 액체 용매는 황화수소, 이산화탄소, 및 기타 오염물을 제거하기 위한 흡수 공정에서 사용될 수 있다. 상기 공정의 효율성은 상기 용매의 소정의 흡수 특성에 의해 결정될 것이다. 흡수는 가스의 단순한 물리적 용해(solution)일 수 있거나 또는 특정 가스와 용매 혼합물의 몇몇 성분 사이의 가역적인 화학 반응을 포함할 수 있다.
이산화탄소 분리를 위한 적합한 물리적 용매는 -20 내지 -30　℃의 온도에서의 메탄올(렉티졸® 공정), 폴리에틸렌 글리콜의 디메틸 에테르, DMPEG (셀렉솔® 공정), 및 n-메틸피롤리돈, (NMP; 푸리솔® 공정)을 포함한다. 적합한 화학적 용매는 모노- 및 디에탄올아민(MEA; DEA), 메틸 디에탄올아민(MDEA), 및 디이소프로판올아민(DIPA)의 수성 아민 용액을 포함한다. 메틸 디에탄올아민은 가장 통상적으로 사용되는 화학 용매이다.
화학적 흡수는, 가스 내의 이산화탄소의 농도가 상대적으로 낮고(즉, 약 15　mol　% 미만) 및 온화한 압력(즉, 약 10-30　bar)에서인 경우, 이산화탄소-함유 가스로부터 이산화탄소를 제거하는데 적합하다. 그러나, 물리적 흡수는, 이산화탄소-함유 가스가 약 15　mol % 초과인 이산화탄소의 농도를 갖거나 또는 약 30　bar 초과의 압력을 갖는 경우, 바람직할 수 있다. 예를 들어, 렉티졸®, 셀렉솔®, 또는 푸리솔®과 같은 물리적 흡수 공정은 약 20　mol　% 초과의 이산화탄소의 농도 또는 약 40　bar 초과의 압력을 갖는 가스에 대해서 바람직할 수 있다.
몇몇 비선택적 아민 흡수 공정은 약 1　내지 2　mol% 이산화탄소 및 약 1　ppm 미만의 황화수소를 함유하는 생성물 가스를 생성하기 위하여 이산화탄소 및 황화수소를 제거하기 위한 MEA를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 제거된 산성 가스는 넓게 변하는 황화수소의 농도를 갖는 스트림에서 전형적으로 수집된다. 몇몇 경우에서, 상기 스트림 내의 황화수소의 농도는 황 회수 유닛으로 바로 보내지기에 충분히 높다. 그러나, 황 회수 공정을 위하여 황화수소를 농축하도록 스트림이 처리되는 것이 통상적이다.
선택적인 아민 흡수 공정의 예는 황화수소 및 이산화탄소 둘다를 함유하는 스트림으로부터 황화수소를 선택적으로 분리하기 위하여 MDEA를 사용하는 단계를 포함한다. 도 1은 상기 공정으로의 피드 가스 내의 황화수소의 농도의 함수로서 선택적 아민 흡수 공정으로부터 회수된 황화수소-농축된 가스 내의 황화수소 농도의 플롯을 나타낸다. 이러한 공정에서, MDEA는 피드 가스 내의 이산화탄소의 일부와 함께 피드 가스 내에 거의 모든 황화수소를 선택적으로 흡수한다. 이산화탄소의 일부가 또한 흡수되기 때문에, 상기 공정은 황화수소의 부분적 농축만을 결과한다. 스트립된 피드 가스 내의 황화수소의 농도는 전형적으로 20-50　ppm 미만, 또는 50-100　ppm 미만일 것이다. 몇몇 경우에서, 스트립된 피드 스트림은 촉매적으로 또는 열적으로 산화될 수 있으며, 이후 부가적인 처리 없이 안전하게 대기로 배출될 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 아민 흡수 공정은 상대적으로 낮은 농도(즉, 약 20 mol% 미만)의 황화수소를 갖는 피드 가스를 처리하는데 가장 효율적이다. 더 큰 농도의 황화수소를 갖는 스트림에 대해서, 상기 공정의 효율성은 오히려 미미하다.
멤브레인 분리 생산성은 플럭스 또는 멤브레인을 통하는 투과물의 체적 흐름(시간 당 면적 당 부피의 단위)에 의해 기재된다. 멤브레인의 투과도는 멤브레인을 가로지르는 압력(또는 트랜스멤브레인 압력)의 평균 차이에 대한 플럭스 민감도를 지칭한다. 멤브레인의 분리력의 유용한 측정은 이의 선택도(aij)이며, 이는 투과물 스트림 내의 성분 i 및 j의 상대 농도 대 피드 스트림 내의 것들의 비이다. 관례에 따라, 멤브레인을 보다 많이 통과하는 성분은 선택도 계수가 1을 초과하도록 성분 i로 지정된다. 멤브레인의 선택도는 식 1에 나타낸 바와 같이 각 성분에 대해 확산 계수, Di 및 Dj, 및 가스 흡착 계수, Ki 및 Kj를 사용하여 결정될 수 있다.
식 1
두 성분에 대한 확산 계수의 비는 이동도 선택도로 지칭되고, 흡착 계수의 비는 흡착 선택도로 지칭된다. 중합체 멤브레인의 경우, 보다 작은 분자는 일반적으로 보다 큰 분자보다 좀더 쉽게 확산되며, 이는 보다 큰 확산 계수를 결과한다. 반면에, 보다 작은 분자는 일반적으로 보다 작은 흡착 계수를 결과하는데, 이는 이들이 보다 큰 분자보다는 덜 응축 가능하기 때문이다. 분리될 두 성분이 황화수소 및 이산화탄소인 경우, 이동도 선택도는 황화수소(3.6 Å의 동적 직경(kinetic diameter))보다 이산화탄소(3.3 Å의 동적 직경)를 선호하고; 흡착 선택도는 이산화탄소보다 황화수소를 선호한다.
일반적으로, 황화수소-선택성 멤브레인에 대한 흡착 선택도 항은 이동도 선택도 항보다 우세하며, 이산화탄소-선택성 멤브레인에 경우 그 반대이다. 황화수소-선택성 멤브레인의 유형의 예는 고무질 극성 멤브레인을 포함한다. 이산화탄소-선택성 멤브레인의 유형의 예는 유리질 소수성 중합체를 포함한다. 도 2는 다양한 물질에 대한 투과도 및 선택도의 로그 플롯을 나타낸다. 상기 플롯은 중합체의 퍼플루오르화된 패밀리가 적합한 이산화탄소 투과도와 조합된 적합한 이산화탄소/황화수소 선택도를 갖는다는 것을 나타낸다. 이들 물질로 제조된 멤브레인은 본 개시에 기재된 공정에서의 사용에 특히 적합하다. 일반적으로, 본 개시에 기재된 황화수소 농축 공정은 탄화수소-선택성 멤브레인 분리를 사용하지 않고 수행될 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 본 개시에 기재된 공정의 멤브레인 스테이지는 탄화수소-선택성 멤브레인(예를 들어, 실리콘 고무 폴리디메틸실록산-유형 고무질 중합체 또는 그의 등가물)의 사용 없이 수행될 수 있고, 개시된 시스템은 이러한 멤브레인의 부재하에 있을 수 있다.
몇몇 구현예에서, 멤브레인은 적어도 10의 이산화탄소/황화수소 선택도 및 적어도 500 gpu의 이산화탄소 투과도를 가질 수 있다. 몇몇 경우에서, 20의 이산화탄소/황화수소 선택도를 갖는 멤브레인이 사용된다. 몇몇 경우에서, 30의 이산화탄소/황화수소 선택도를 갖는 멤브레인이 사용된다. 몇몇 경우에서, 멤브레인은 약 10 내지 30, 바람직하게는 약 20 내지 30의 이산화탄소/황화수소 선택도를 가질 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 멤브레인은 적어도 30의 이산화탄소/황화수소 선택도를 가질 수 있다.
멤브레인 스테이지는 다양한 구성에서 하나 또는 다중 멤브레인 모듈을 포함할 수 있다. 그리고 멤브레인 분리 유닛은 다양한 구성에서 하나 또는 다중 멤브레인 분리 스테이지를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다양한 멤브레인 스테이지 구성이 도 3에 나타난다: 도 3a에서 단일-패스 멤브레인 구성; 도 3b에서 농축물-직렬로 2-스테이지 구성; 도 3c에서 투과물-직렬로 2-스테이지 구성; 및 도　3d에서 3-스테이지 구성.
도 3a는 단일 멤브레인 스테이지를 갖는 가장 단순한 구성이다. 도 3a에서, 피드-가스 스트림(301)은, 단일-패스 농축물 스트림(311) 및 단일-패스 투과물 스트림(312)을 얻기 위하여 피드-가스 스트림이 이산화탄소-선택성 막으로 도입되는, 단일-패스 멤브레인 스테이지(310)에 공급되며; 상기 단일-패스 농축물 스트림(311) 및 단일-패스 투과물 스트림(312)은 각각 황화수소 및 이산화탄소가 풍부해진다.
도 3b는 농축물이 제1 스테이지로부터 다음 스테이지로 공급되는 2개의 멤브레인 스테이지를 포함한다. 도　3b에서, 피드-가스 스트림(301)은 혼합된 피드-가스 스트림(302)을 얻기 위하여 압축된 제2-스테이지 투과물 스트림(333)과 조합될 수 있다. 혼합된 피드-가스 스트림(302)은 제1 농축물-직렬 멤브레인 스테이지(320)로 공급되며, 여기서 그것(혼합된 피드-가스 스트림)은 제1 농축물-직렬 농축물 스트림(321) 및 제1 농축물-직렬 투과물 스트림(322)을 얻기 위하여 이산화탄소-선택성 멤브레인을 사용하여 분리되며; 제1 농축물-직렬 농축물 스트림(321) 및 제1 농축물-직렬 투과물 스트림(322)은 각각 황화수소 및 이산화탄소가 풍부해진다. 제1 농축물-직렬 농축물 스트림(321)은 그 다음에 제2 농축물-직렬 멤브레인 스테이지(330)로 도입되며, 여기서 그것(제1 농축물-직렬 농축물 스트림)은 제2 농축물-직렬 농축물 스트림(331) 및 제2 농축물-직렬 투과물 스트림(332)을 얻기 위하여 이산화탄소-선택성 멤브레인을 사용하여 분리되며; 제2 농축물-직렬 농축물 스트림(331) 및 제2 농축물-직렬 투과물 스트림(332)은 각각 황화수소 및 이산화탄소가 풍부해진다. 제2 농축물-직렬 투과물 스트림(332)은 압축되고, 상기 공정을 통해서 리사이클되도록 피드-가스 스트림(301)과 조합된다.
도　3c는 제1 스테이지로부터의 투과물이 다음 스테이지로 공급되는 2개의 멤브레인 스테이지를 포함한다. 도　3c에서, 피드-가스 스트림(301)은 제1-스테이지 피드-가스 스트림(303)을 얻기 위하여 제2 투과물-직렬 멤브레인 스테이지(350)로부터 제2 투과물-직렬 농축물 스트림(351)과 조합된다. 제1-스테이지 피드-가스 스트림(303)은 제1 투과물-직렬 멤브레인 스테이지(340)로 도입되며, 여기서 이것은 제1 투과물-직렬 농축물 스트림(341) 및 제1 투과물-직렬 투과물　스트림(342)을 얻기 위하여 이산화탄소-선택성 멤브레인을 사용하여 분리되며; 상기 제1 투과물-직렬 농축물 스트림(341) 및 제1 투과물-직렬 투과물 스트림(342)은 각각 황화수소 및 이산화탄소가 풍부해진다. 제1 투과물-직렬 투과물 스트림(342)은 압축된 후 제2 투과물-직렬 멤브레인 스테이지(350)로 도입되며, 여기서 이것은 제2 투과물-직렬 농축물 스트림(351) 및 제2 투과물-직렬 투과물 스트림(352)을 얻기 위하여 이산화탄소-선택성 멤브레인을 사용하여 분리되며; 상기 제2 투과물-직렬 농축물 스트림(351) 및 제2 투과물-직렬 투과물 스트림(352)은 각각 황화수소 및 이산화탄소가 풍부해진다. 그 다음에, 상기 제2 투과물-직렬 농축물 스트림(351)은 피드-가스 스트림(301)과 조합된다.
도　3d는 도　3b 및 3c에 나타낸 시스템 및 공정의 요소들을 조합한 시스템 및 공정의 예시이다. 이는 제1 스테이지로부터의 농축물 및 투과물이 별도로 다른 2개의 스테이지와 직렬로 연결되는 3개의 멤브레인 스테이지를 포함한다. 도　3d에서, 피드-가스 스트림(301)은 혼합된 피드-가스 스트림(404)을 얻기 위하여 각각 제2 멤브레인 스테이지(370) 및 제3 멤브레인 스테이지(380)로부터의 제2 멤브레인-스테이지 투과물 스트림(372) 및 제3 멤브레인-스테이지 농축물 스트림(381)과 조합된다. 혼합된 피드-가스 스트림(304)은 제1 멤브레인 스테이지(360)로 도입되며, 여기서 이것은 제1 농축물 스트림(361) 및 제1 투과물 스트림(362)을 얻기 위하여 이산화탄소-선택성 멤브레인의 존재에서 분리된다.
제1 농축물 스트림(361)은 다음으로 제2 멤브레인 스테이지(370)로 도입되며, 여기서 이것은 제2 멤브레인-스테이지 농축물 스트림(371) 및 제2 멤브레인-스테이지 투과물 스트림(372)을 얻기 위하여 이산화탄소-선택성 멤브레인을 사용하여 분리된다. 제2 멤브레인-스테이지 농축물 스트림(371)은 황화수소가 풍부하며, 황 회수 유닛으로 보내질 수 있다. 제2 멤브레인-스테이지 투과물 스트림(372)은 이산화탄소가 풍부해지고; 이것은 압축되고 시스템을 통해서 리사이클되기 위하여 피드-가스 스트림(301)과 조합된다.
제1 투과물 스트림(362)은 압축된 다음에 제3 멤브레인 스테이지(380)로 공급되며, 여기서 이것은 제3 멤브레인-스테이지 농축물 스트림(381) 및 제3 멤브레인-스테이지 투과물 스트림(382)을 얻기 위하여 이산화탄소-선택성 멤브레인을 사용하여 분리된다. 제3 멤브레인-스테이지 투과물 스트림(382)은 이산화탄소가 풍부해지고, 어느 잔여 황화수소를 제거하기 위하여 처리될 수 있거나, 또는 일부 경우에서 적합한 산업적 적용에 사용하기 위하여 포획되거나 또는 대기로 배출된다. 제3 멤브레인-스테이지 농축물 스트림(381)은 시스템을 통해서 리사이클되기 위하여 피드-가스 스트림(301)과 조합될 수 있다.
도 3에 도시된 각각의 공정은 황화수소가 제거된(stripped) 스트림을 생산한다. 전형적으로, 이들 스트림은 약 0.1 내지 0.15　mol% (1,000-1,500　ppm) 황화수소를 함유할 수 있다. 몇몇 위치에서, 이러한 스트림들은 잔여 황화수소를 이산화황으로 전환시키기 위하여 촉매 또는 열적 산화 후 대기로 안전하게 배출될 수 있다. 약 0.1-0.15　mol% 초과의 황화수소의 농도를 갖는 스트림은 폴리싱 단계를 사용하여 적어도 일부의 잔여 황화수소를 제거하기 위하여 처리될 수 있다. 이러한 공정은 화학적 폴리싱(가령 아연 산화물과 황화수소의 반응), 분자체 흡착, 또는 선택적 아민 흡수 공정을 포함할 수 있다. 폴리싱된 가스는 촉매적으로 또는 열적으로 산화되고 배출될 수 있으며, 제거된(stripped) 황화수소는 리사이클될 수 있다.
도 3에 도시된 공정은 이들의 피쳐 중 일부를 예시하기 위하여 모사되었다. 상기 공정은 2　mol% 황화수소를 함유하는 피드 가스를 사용하고, 20　mol% 황화수소, 50　mol% 황화수소, 및 90　mol% 황화수소를 함유하는 잔류물(residue) 가스를 생산하기에 충분한 멤브레인을 사용하여 모사되었다. 사용된 멤브레인은 500　gpu 이산화탄소 투과성(permeance) 및 16.7, 25, 또는 50　gpu 황화수소 투과성을 갖도록 추정되었다. 이것은 30, 20, 또는 10의 이산화탄소-황화수소 선택도를 결과한다. 상기 공정 각각은 약 20　내지 90　mol%의 황화수소의 농도를 갖는 스트림을 생산할 수 있다. 하한값은 클라우스 플랜트에 대한 피드로서 적합한 황화수소의 최소 농도이다. 클라우스 플랜트 효율성은 좀 더 큰 농도의 황화수소로 일반적으로 증가한다. 몇몇 경우에서, 약　90　mol% 초과의 황화수소 농도가 달성될 수 있다. 상당한 자본 및 작업(operating) 비용 절감이 90　mol% 초과의 황화수소를 함유하는 클라우스 플랜트에의 피드 가스를 사용함으로써 달성될 수 있다.
도 3a의 공정을 예시하기 위하여, 2　mol% 황화수소 및 98　mol% 이산화탄소를 함유하는 피드-가스가 1,000　m3/h의 속도 및 15　bar 압력에서 도 3a에 나타낸 구성을 갖는 공정에 공급되었다. 단일-패스 투과물 스트림(312)은 1　bar 압력에서 고정되었다. 결과는 멤브레인 선택도가 5-30으로부터 증가함에 따라 단일-패스 농축물 스트림(311) 내의 황화수소의 잔류 농도가 감소함을 나타낸다. 그러나, 피드-가스 스트림(301) 내의 단지 20　mol% 황화수소를 가지며 30 선택도에서조차, 단일-패스 농축물 스트림(311)은 여전히 촉매 또는 열적 산화 후 대기로 벤트되기에 적합하지 않은 황화수소 (0.2　mol%)의 농도를 갖는다. 이들 경우에서, 단일-패스 농축물 스트림(311)은 황화수소의 농도를 허용가능한 수준으로 감소시키기 위하여 처리되어야 하거나, 또는 이것은 가스 처리 플랜트에서 편리한 스테이지(convenient stage)로 리사이클되어야 한다.
도 3a에 나타낸 단일-패스 멤브레인 구성은 가장 단순하고, 가장 적은 비용의 구성이며, 그러나, 좀 더 선택성인 멤브레인이 사용되지 않는 경우, 어느 부가적인 황화수소의 분리 없이 다른 적용에 사용되거나 안전하게 배출될 수 있는 황화수소-제거된(stripped) 스트림을 생산하기에 적합하지 않을 수 있다. 2　mol% 황화수소를 갖는 피드 가스에 대해서, 적합한 구성은 적어도 5 배, 바람직하게는 적어도 10 배 만큼 감소된 황화수소의 몰 농도를 갖는 투과물 스트림을 생산할 수 있을 것이다. 5 및 10의 멤브레인 선택도로, 황화수소의 몰 농도는 약 1.2-4 배 만큼 단지 감소된다(표 1)
(표 1) 단일-패스 멤브레인 구성 성능: 2　mol% H2S를 함유하는 피드-가스 스트림을 사용한 H2S 회수
도　3b의 공정을 예시하기 위하여, 2　mol% 황화수소 및 98　mol% 이산화탄소를 함유하는 피드-가스가 도　3b에 도시된 구성을 갖는 공정에 공급되었다 (표 2). 이 구성에서, 제1 농축물-직렬 투과물 스트림(322)은 약 0.1-0.3　mol% 황화수소를 함유한다. 제1 농축물-직렬 농축물 스트림(321)은, 피드-가스 스트림(301)으로부터 85-95%의 황화수소를 포함하는, 제2 농축물-직렬 농축물 스트림(331)에서 20-90　mol% 황화수소를 얻기 위하여 제2 농축물-직렬 멤브레인 스테이지(330) 내에서 공정처리된다(표　2). 제2 농축물-직렬 투과물 스트림(332)은 약 2　mol% 황화수소를 함유하며, 이는 피드-가스 스트림(301) 내의 황화수소의 농도와 유사하며; 이 스트림의 효율적인 사용은 상기 공정을 통해서 리사클되기 위하여 피드-가스 스트림(401)과 조합된다. 이 구성은, 20 이상의 이산화탄소-황화수소 선택도를 갖는 멤브레인이 사용되는 경우, 부가적인 황화수소 분리 없이 다른 적용에서 사용되거나 또는 안전하게 배출될 수 있는 황화수소-제거된(stripped) 스트림을 생산하기에 적합하며; 좀 더 작은 선택도를 갖는 멤브레인은 본 목적에 적합하지 않을 수 있다.
(표 2) 2-스테이지 농축물-직렬 구성 성능: 2　mol% H2S를 함유하는 피드-가스 스트림을 사용한 H2S 회수
도　3c의 공정을 예시하기 위하여, 2　mol% 황화수소 및 98　mol% 이산화탄소를 함유하는 피드-가스가 도 3c에 도시된 구성을 갖는 공정에 공급되었다. 이 구성에서, 공정은 제1 투과물-직렬 농축물 스트림(341)에서 20, 50, 및 90　mol% 황화수소 농도를 달성하도록 모사되었다(표　3). 제1 투과물-직렬 멤브레인 스테이지(340)에서의 공정 후, 스트림(342)은 압축되어 1　bar부터 15　bar까지 증가되도록 압축된 다음, 제2 투과물-직렬 멤브레인 스테이지(350)로 보내졌다. 약 2　mol% 황화수소를 함유하는 제2 투과물-직렬 농축물 스트림(351)은 피드-가스 스트림(301)과 조합되어 상기 공정을 통해서 리사이클되었다. 피드-가스 스트림(301) 내의 약 95-99%의 황화수소는 제1 투과물-직렬 농축물 스트림(341)으로 농축되었고, 단지 수 % 만이 제2 투과물-직렬 투과물 스트림(352)에서 끝났다(표　3).
적어도 10의 이산화탄소-황화수소 선택도를 갖는 이 구성에서 멤브레인을 사용하는 것은 추가적인 처리(촉매 또는 열적 산화 외의) 없이 안전한 배출을 허용하기에 충분히 낮은 황화수소 농도를 갖는 제2 투과물-직렬 투과물 스트림(352)을 생산한다. 예를 들어, 제2 투과물-직렬 투과물 스트림(352)은, 적어도 20의 이산화탄소-황화수소 선택도를 갖는 멤브레인이 이 구성에서 사용되는 경우, 단지 200-600　ppm 황화수소를 갖는다. 그러나, 좀 더 단순한 구성과 비교하여, 멤브레인 면적 및 압축기 파워의 상당한 증가의 비용에서 개선이 된다.
(표 3) 2-스테이지 투과물-직렬 구성 성능: 2　mol% H2S를 함유하는 피드-가스 스트림을 사용한 H2S 회수
도　3d의 공정을 예시하기 위하여, 2　mol% 황화수소 및 98　mol% 이산화탄소를 함유하는 피드-가스가 도 3d에 나타낸 구성을 갖는 공정에 공급되었다. 이 구성에서의 공정은 제2 멤브레인-스테이지 농축물 스트림(371)에서 20, 50, 및 90　mol% 황화수소 농도를 달성하기 위하여 모사되었다(표　4). 상기 모사에서, 제1 농축물 스트림(361)은 2　mol% 황화수소를 가졌다. 2개의 리사이클 스트림, 제2 멤브레인-스테이지 투과물 스트림(372) 및 제3 멤브레인-스테이지 농축물 스트림(381) 각각은 2　mol% 황화수소를 가졌고, 제1 농축물 스트림(361)은 약 10 mol%의 황화수소를 함유하였다. 적어도 10의 이산화탄소-황화수소 선택도를 갖는 멤브레인이 사용되는 경우, 상기 공정은 추가적인 처리 없이(촉매 또는 열적 산화 외에) 스트림을 안전하게 배출하기 위하여 제3 멤브레인-스테이지 투과물 스트림(382)에서 적절한 황화수소 농도를 달성한다. 이 구성은 제2 멤브레인-스테이지 농축물 스트림(371) 내의 황화수소를 약 90　mol%까지 농축할 수 있는 한편, 피드-가스 스트림(301)으로부터 약 95-99%의 황화수소를 회수할 수 있다(표　4). 이 공정에서, 피드-가스 스트림(301) 내의 황화수소의 몰 농도는, 제3 멤브레인-스테이지 투과물 스트림(382) 내의 황화수소의 농도와 비교하여, 20-30 배 만큼 감소된다.
(표 4) 3-스테이지 구성 성능: 2　mol% H2S를 함유하는 피드-가스 스트림을 사용한 H2S 회수
표 1-4에 정리된 공정은 2　mol% 황화수소를 함유하는 피드 가스를 사용하여 수행되었다. 좀 더 큰 농도의 황화수소를 갖는 피드를 갖는 공정의 효율성을 예시하기 위하여, 부가적인 모사가 약 10　mol% 황화수소를 갖는 피드 가스를 사용하여 수행되었다.
도　3a의 공정은 10　mol% 황화수소 및 90　mol% 이산화탄소를 갖는 피드 가스를 사용하여 수행되었다(표　5). 이 구성에서, 가장 낮은 농도의 황화수소 (20　mol%)와 사용된 이산화탄소-황화수소 분리(20)에 대한 가장 선택성인 멤브레인조차도, (촉매 또는 열적 산화 이외의)부가적인 처리 없이 대기로의 안전한 배출을 허용하도록 단일-패스 투과물 스트림(312)에서 황화수소의 농도를 충분히 감소시킬 수 없었다(표　5). 그러나, 이 구성은 부가적인 폴리싱 단계와 여전히 사용될 수 있다.
(표 5) 단일-패스 멤브레인 구성 성능: 10　mol% H2S를 함유하는 피드-가스 스트림을 사용한 H2S 회수
도　3b의 공정은 10　mol% 황화수소 및 90　mol% 이산화탄소를 갖는 피드 가스를 사용하여 수행되었다(표　6). 제1 농축물-직렬 멤브레인 스테이지(320)는 20　mol% 황화수소를 갖는 농축물 스트림, 제1 농축물-직렬 농축물 스트림(321)을 생산한다. 피드 가스로부터 약 92-98%의 황화수소가 회수되며, 제2 농축물-직렬 멤브레인 스테이지(330)에서 공정 후 제2 농축물-직렬 농축물 스트림(331)에서 농축된다(표　6). 이 스트림은 황 회수를 위해 공정처리되기 위하여 황 회수 유닛으로 보내진다. 약 0.2-0.9　mol%의 황화수소가 추가적인 처리 없이 대기로의 배출에 적합하지 않게 하는 제2 농축물-직렬 투과물 스트림(332) 내에 남는다.
(표 6) 2-스테이지 농축물-직렬 구성 성능: 10　mol% H2S를 함유하는 피드-가스 스트림을 사용한 H2S 회수
도 3c의 공정은 10　mol% 황화수소 및 90　mol% 이산화탄소를 갖는 피드 가스를 사용하여 모사되었다(표　7). 제2 투과물-직렬 멤브레인 스테이지(350)는 10　mol% 황화수소를 갖는 제2 투과물-직렬 농축물 스트림(351)을 생산하였다. 이 구성에서, 공정은 황 회수 유닛의 클라우스 플랜트 내에서 공정처리되기에 충분히 높은 황화수소의 농도를 갖는, 황화수소-농축된 스트림, 제1 투과물-직렬 농축물 스트림(341)을 생산할 수 있다. 상기 공정은 또한 (촉매 또는 열적 산화 외의)추가적인 처리 없이 대기로 안전하게 배출되기에 충분히 낮은 농도의 황화수소를 갖는, 황화수소-제거된 스트림, 제2 투과물-직렬 투과물 스트림(352)을 생산할 수 있다.
(표 7) 2-스테이지 투과물-직렬 구성 성능: 10　mol% H2S를 함유하는 피드-가스 스트림을 사용한 H2S 회수
도 3d의 공정은 또한 10　mol% 황화수소 및 90　mol% 이산화탄소를 갖는 피드 가스를 사용하여 모사되었다(표　8). 이 모사에서, 제1 농축물 스트림(361)은 20　mol% 황화수소를 함유하였다. 2개의 리사이클 스트림, 제2 멤브레인-스테이지 투과물 스트림(372) 및 제3 멤브레인-스테이지 농축물 스트림(381) 각각은 10　mol% 황화수소를 함유하였다. 상기 공정은 황 회수 유닛의 클라우스 플랜트로 보내지기에 적합한 황화수소-농축된 스트림, 제2 멤브레인-스테이지 농축물 스트림(371)을 생산할 수 있었다. 상기 공정은 또한 (촉매 또는 열적 산화 외의)부가적인 처리 없이 대기로 안전하게 배출하기에 적합한 황화수소-제거된 스트림, 제3 멤브레인-스테이지 투과물 스트림(382)을 생산할 수 있었다. 몇몇 경우에서, 상기 공정은 또한 피드 가스로부터 99-99.5% 만큼의 황화수소를 회수하고, 제2 멤브레인-스테이지 농축물 스트림(371)에서 농축할 수 있었다. 그러나, 이 구성은 도 3에 나타낸 구성의 압축기 파워 및 가장 큰 멤브레인 면적을 요구하였다.
(표 8) 3-스테이지 구성 성능: 2　mol% H2S를 함유하는 피드-가스 스트림을 이용한 H2S 회수
도 3에 도시된 멤브레인 구성은 합성가스로부터 황을 회수하는 더 큰 공정에서 사용된다. 합성가스로부터 황을 회수하기 위한 이러한 공정의 예가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서, 합성가스 스트림(401)은 비선택적 아민 흡수 유닛(410)에 도입되고, 여기서 이것은 비선택적 아민 흡수를 사용하여 처리되어 오버헤드 가스 스트림(411) 및 산성 가스 스트림(412)을 얻는다. 합성가스 스트림(401)에서 산성 가스는 황화수소, 이산화탄소, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 합성가스 스트림(401)에서 오염물은 BTX, 황화카르보닐(COS), 이황화탄소(CS2), 티올(R-SH), 물, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 구현예에서 합성가스 스트림(401)은 합성가스, 황화수소, 이산화탄소, BTX, COS, CS2, R-SH, 물, 및 이들의 조합을 함유한다.
비선택적 아민 흡수 유닛(410)에 의해 생성된 오버헤드 가스 스트림(411)은 합성가스를 함유하고, 전형적으로 또한 약 0-4 ppm의 황화수소 및 약 1-3 mol%의 이산화탄소를 함유하며, 이는 많은 공정에서 사용하기에 적합하다. 합성가스 스트림(401)에서 황화수소의 농도는 약 1 내지 1,000 ppm, 대안적으로 약 1 내지 500ppm, 대안적으로 약 1 내지 100 ppm, 대안적으로 약 1 내지 50 ppm, 대안적으로 약 1 내지 10 ppm, 대안적으로 약 1 내지 5 ppm일 수 있다. 10 ppm 초과의 황화수소를 함유한 가스는 일반적으로 다른 공정에 사용될 수 있기 전에 추가 처리가 필요하다.
산성 가스 스트림(412)은 감압(reduced pressure)에서 회수되고, 합성가스 스트림(401)에 의해 도입된 거의 모든 황화수소 및 이산화탄소를 일부 오염 물질과 함께 함유한다. 전형적인 합성가스 흐름의 예는 약 30 mol%의 이산화탄소 및 약 1 mol%의 황화수소를 포함할 수 있다. 비선택적 아민 흡수 유닛(410)에서 이러한 스트림을 공정처리함으로써 얻어진 산성 가스 스트림(412)은 약 3-5 mol% 황화수소 및 약 95-97 mol% 이산화탄소를 함유할 수 있다. 이 스트림에서 황화수소의 농도는 너무 낮아서 클라우스 플랜트에서 공정처리할 수 없고, 따라서 산성 가스 스트림(412)은 압축되고, 멤브레인 분리 유닛(420)으로 보내져 농축된 황화수소 스트림인, 농축된 황화수소 스트림(421)을 얻는다.
멤브레인 분리 유닛(420)은 도 3에 도시된 공정 중 어느 하나에 따라 구성된 하나 이상의 멤브레인 스테이지에서 적어도 하나의 이산화탄소-선택성 멤브레인을 가질 수 있다. 멤브레인 분리 유닛(420)은 농축된 이산화탄소-선택성 멤브레인을 사용하여 산성 가스 스트림(412)을 분리하여 농축된 황화수소 스트림(421) 및 황화수소-스트리립된 스트림(422)을 얻는다. 농축된 황화수소 스트림(421)은 황화수소를 함유하고, 이산화탄소 및 기타 오염물질을 함유할 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 농축된 황화수소 스트림(421)은, 어떠한 스트림도 먼저 클라우스 플랜트의 초기 퍼니스를 통과하지 않고 촉매 변환기에 직접 공급되지 않으면서, 황 회수 유닛의 클라우스 플랜트에서 완전히 공정처리될 수 있다. 농축된 황화수소 스트림(421) 내의 황화수소의 농도가 충분히 높으면(적어도 약 50 mol%, 바람직하게는 적어도 약 90 mol%), 적절한 온도가 클라우스 플랜트의 퍼니스에서 달성되어 스트림 내의 오염 물질을 파괴할 수 있다.
적어도 하나의 구현예에 따르면, 농축된 황화수소 스트림(421)은 적어도 약 20 mol%의 황화수소, 바람직하게는 적어도 약 50 mol%의 황화수소, 보다 바람직하게는 적어도 약 90 mol%의 황화수소를 함유한다. 황화수소-스트립된 스트림(422)은 이산화탄소를 함유할 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 황화수소-스트립된 스트림(422)은 적어도 약 80 mol% 이산화탄소, 보다 바람직하게는 적어도 약 90 mol% 이산화탄소, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 약 98 mol% 이산화탄소, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 약 99 mol% 이산화탄소, 가장 바람직하게는 적어도 약 99.9몰%의 이산화탄소를 함유한다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 황화수소-스트립된 스트림(422)은 약 99.95-99.99mol%의 이산화탄소를 함유할 수 있다.
황화수소-스트립된 스트림(422)은 그 조성, 규제, 경제성, 및 기타 고려 사항에 따라 다양한 적용에서 사용될 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 황화수소-스트립된 스트림(422)은 (산화 이외의) 추가 처리 없이 대기로 배출될 수 있다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 황화수소-스트립된 스트림(422)은 강화된 오일 회수 작업에 사용될 수 있다. 적어도 하나의 구현에 따르면, 황화수소-스트립된 스트림(422)은 격리(sequester)될 수 있다.
도 5에서, 도 4의 공정과 유사한 공정이 제공된다. 도 4 내지 도 5에서, 유사한 번호를 갖는 유닛 및 스트림은 유사한 설명을 갖는다. 도 5의 공정은 황화수소-스트립된 스트림(522)을 처리하기 위해 제공되는 선택적 아민 흡수 유닛(530)을 포함한다. 황화수소-스트립된 스트림(522)은 압축되고, 및 MDEA와 같은 선택적 흡수제를 사용할 수 있는 선택적 아민 흡수 유닛(530)에 공급되어, 황화수소-스트립된 스트림(522)에 남아 있는 황화수소를 제거하고, 및 이것을 회수된 황화수소 스트림(532)으로 농축하고 및 오버헤드 이산화탄소 스트림(531)을 얻는다. 적어도 하나의 구현예에 따르면, 회수된 황화수소 스트림(532) 내의 황화수소 함량은, 황화수소-스트립된 스트림(522) 내의 황화수소의 농도와 비교할 때, 약 10 배(factor)만큼 증가될 수 있다. 오버헤드 이산화탄소 스트림(531)은 황화수소가 실질적으로 없을 수 있다(즉, 약 0.01 mol% 미만). 회수된 황화수소 스트림(532)은 산성 가스 스트림(512)과 조합되어 압축되고, 및 멤브레인 분리 유닛(520)을 통해 리사이클될 수 있다. 대안적으로, 회수된 황화수소 스트림(532)은 공정을 통해 리사이클되도록 합성가스 스트림(501)과 조합될 수 있다.
유리하게는, 선택적 아민 흡수 유닛(530)의 상류에 비선택적 아민 흡수 유닛(510) 및 멤브레인 분리 유닛(520)을 갖는 것은, 선택적 아민 흡수 유닛(530)에서 선택적 아민 흡수 공정을 수행하기 위해 상대적으로 더 작은 장비를 사용하는 것을 가능하게 하여, 장비 비용을 상당히 감소시킨다.
합성가스로부터 황을 회수하는 또 다른 공정이 도 6에 제공된다. 도 4 및 도 5에서의 유닛 및 스트림과 유사한 번호를 갖는 도 6에서의 유닛 및 스트림은 또한 유사한 설명을 공유하지만, 다르게 구성될 수 있다. 도 6에서, 산성 가스 스트림(612)은 압축되고, 및 선택적 아민 흡수 유닛(630)에 공급되어 산성 가스 스트림(612)의 폴리싱을 수행한다. 그 다음에, 회수된 황화수소 스트림(632)은 압축되고, 및 멤브레인 분리 유닛(620)으로 공급되어, 황화수소-스트립된 스트림(622)을 얻으며, 이 스트림은 산성 가스 스트림(612)과 조합되어 압축되고, 선택적 아민 흡수 유닛(630) 및 멤브레인 분리 유닛(620)을 통해 리사이클된다. 대안적으로, 황화수소-스트립된 스트림(622)은 합성가스 스트림(601)과 조합되어 공정을 통해 리사이클될 수 있다.
실시예
다음의 실시예는 본 개시의 구현예를 입증하기 위해 포함되며, 비-제한적인 것으로 간주되어야 한다. 특정 실시예는 본 개시의 실행에서 잘 기능하는 것으로 발견된 기술, 시스템, 조성 및 장치를 나타내며, 따라서 이의 실행를 위한 모드를 구성하는 것으로 간주될 수 있다. 변화는 본 개시의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 실시예에서 개시되는 구현예에 대해 이루어질 수 있다. 실시예에서, 유사한 번호로 식별된 유닛 및 스트림은 유사한 설명을 가질 수 있지만, 다르게 구성될 수 있다.
실시예 1: 투과물-직렬 멤브레인을 사용한 황 농축
황 회수 유닛에 공급될 합성가스로부터 황을 농축하기 위한 공정의 모사가 도 4 및 도 3c에 도시된 구성을 사용하여 수행되었다(표 9). 시스템 및 공정은 도 7에 도시된다. 이 실시예에서, 약 1 mol% 황화수소 및 약 30 mol% 이산화탄소를 함유하는 통상적인 합성가스(701)가 비선택적 아민 흡수 유닛(710)에 공급되었다. 합성가스는 저온 메탄올 흡수 공정을 사용하여 처리되었고, 이것은 약 1.4 ppm의 황화수소 및 약 0.9 mol%의 이산화탄소를 함유하는 오버헤드 합성가스 스트림(711) 및 산성 가스 흐름을 생산하였다. 오버헤드 합성가스 스트림은 일부 석탄-화학 공정에 적합하다. 몇몇 적용에서, 오버헤드 합성가스는 합성가스를 더욱 스위트닝하기 위해 산화아연을 사용하여 추가로 처리될 수 있다. 물은 또한 분자체 또는 실리카겔을 사용하여 제거될 수 있다.
산성 가스 스트림(712)은 약 3.3 mol%의 황화수소를 함유하였고, 압축되었으며, 그 다음에 투과물-직렬 멤브레인 분리 구성을 사용하여 분리되었다. 제1 및 제2 멤브레인 스테이지(723, 725)는 약 500 gpu의 이산화탄소 투과성 및 약 25 gpu의 황화수소 투과성, 및 약 20의 이산화탄소-황화수소 선택도를 갖는 멤브레인이 장착되었다. 제1 멤브레인 스테이지(723)는 약 20 mol%의 황화수소를 함유하는 제1 농축물 스트림(724)을 생성했으며, 이는 클라우스 플랜트에서 공정처리하기에 적합하다. 제1 투과물 스트림(722)은 약 0.41 mol%의 황화수소를 함유하였고, 이는 대기로 안전하게 배출하기에 적합하지 않다. 제1 투과물 스트림(722)은 압축되었고, 제2 멤브레인 스테이지(725)로 보내져 제1 멤브레인 분리 스테이지로 리사이클하기에 적합한 제2 농축물 스트림(721) 및 제2 투과물 스트림(726)을 얻었다. 제2 투과물 스트림(726)은 약 580 ppm의 황화수소만을 함유하고, 최소한의 처리(예를 들어, 촉매 또는 열 산화 후 석회 스트리퍼를 사용하여 이산화황을 스트리핑) 후에 또는 있는 그대로 대기로 배출하기에 적합했다.
(표 9) 스트림 조성: 2-스테이지 투과물-직렬 멤브레인 스테이지 구성을 사용한 합성가스로부터 황 농축.
농도 (mol%) 유속
(103　m3/h)		 압력
(bar)a
CO2 H2S CO H2
합성가스 스트림(701) 30.0 1.0 25.0 44.0 10 50
오버헤드 합성가스 스트림(711) 0.9 1.4b 35.9 63.2 6.9 50
산성가스 스트림(712) 95.6 3.3 0.08 0.07 3.0 20
제1 농축물 스트림(724) 79.5 20.0 0.5 0.0 0.49 20
제2 투과물 스트림(726) 99.85 0.058 0.0 0.1 2.5 1.0
제1 투과물 스트림(722) 99.5 0.41 0.01 0.08 2.8 20
제2 농축물 스트림(721) 94.9 5.0 0.13 0.0 0.19 20
a 절대 압력
b 백만분의 일(parts per million)
실시예 2: 2-스테이지 투과물-직렬 멤브레인 분리와 함께 전환된(shifted) 합성가스를 사용한 황 농축
모사가 도 7에서 나타낸 실시예 1에서 사용된 구성과 함께 건식 전환된된 합성가스를 사용하여 수행되었다 (표 10). 수소(H2)는 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소 및 수소를 얻는 수성 가스 전환 반응을 사용하여 합성 가스로부터 얻을 수 있다. 수성 가스 전환 반응을 수행한 후, 건식 전환된 합성가스 스트림(701)은 약 0.5 mol%의 일산화탄소, 약 0.5 mol%의 황화수소, 약 45 mol%의 이산화탄소, 및 약 55 mol%의 수소를 함유한다. 건식 전환된 합성가스 스트림(701)은 비선택적 아민 흡수 유닛(710)에서 처리되어 약 0.9 ppm의 황화수소, 약 1.6 mol%의 이산화탄소, 약 0.9 mol%의 일산화탄소, 및 약 97.5 mol%의 수소를 함유하는 오버헤드 합성가스 스트림(711)을 얻었다. 오버헤드 합성가스 스트림(711)은 가스 터빈에 연료를 공급하는 데 사용되거나, 또는 압력 스윙 흡수를 사용하여 처리되어 연료 전지에 사용하기에 적합한 수소를 얻을 수 있다. 그 다음에, 비선택적 아민 흡수 유닛(710)으로부터의 산성 가스 스트림(712)은 2-스테이지 투과물-직렬 멤브레인 분리 유닛을 사용하여 공정처리된다. 이 실시예에서, 제1 농축물 스트림(724) 및 제2 투과물 스트림(726)에서 황화수소의 농도는 각각 약 90 mol% 및 620 ppm이다. 제2 투과물 스트림(726)은 산화 및 선택적으로는 이산화황을 제거하기 위해 스크러버를 사용한 후 대기로 안전하게 배출하는 데 적합하다.
(표 10) 스트림 조성: 2-스테이지 투과물-직렬 멤브레인 스테이지 구성을 사용한 건식 전환된 합성가스로부터의 황 농축.
농도 (mol%) 유속
(103　m3/h)		 압력
(bar)a
CO2 H2S CO H2
합성가스 스트림(701) 45.0 0.5 0.5 54.0 10 50
오버헤드 합성가스 스트림(711) 1.6 0.9b 0.9 97.5 5.5 50
산성가스 스트림(712) 98.8 1.1 0.0 0.06 4.5 5
제1 농축물 스트림(724) 9.9 90.0 0.12 0.0 0.52 20
제2 투과물 스트림(726) 99.9 620b 0.0 0.06 4.4 1.0
제1 투과물 스트림(722) 00.5 0.46 0.0 0.06 4.8 1.0
제2 농축물 스트림(721) 95.0 5.0 0.0 0.0 0.38 20
a 절대 압력
b 백만분의 일(parts per million)
실시예 3: 선택적 아민 흡수와 직렬로 비선택적 아민 흡수, 이어서 농축물-직렬 구성을 사용한 2-스테이지 멤브레인 분리
많은 위치에서, 실시예 2의 제2 투과물 스트림(726)은 산화 및 대기로의 배출에 대한 규제 한계에 가깝거나 또는 규제 한계를 초과하는 황화수소의 농도를 갖는다. 이산화탄소-농축된 스트림에서 황화수소의 농도는 선택적 아민 흡수 유닛을 사용하여 감소될 수 있습니다. 모사는 도 6 내지 도 3b와 유사한 구성을 사용하여 수행되었고, 공정은 도 8에 도시된다(표 11). 도 8에서, 합성가스 스트림(801)은 비선택적 아민 흡수 유닛(810)에서 처리되고, 산성 가스 스트림(812)은 그 다음에 압축되어 선택적 아민 흡수 유닛(830)으로 보내져 오버헤드 이산화탄소 스트림(831) 및 회수된 황화수소 스트림(832)을 얻는다. 회수된 황화수소 스트림(832)은 압축되고, 농축물이 직렬로 연결된 2개의 멤브레인 스테이지(823 및 825)를 포함하는, 멤브레인 분리 유닛으로 보내진다.
비선택적 아민 흡수 유닛(810)은 Rectisol®+ Selexol®, 또는 MEA를 사용하여 약 4ppm 미만의 황화수소를 갖는 오버헤드 합성가스 스트림(811)을 얻을 수 있으며, 이는 그 다음에 산화아연 베드 또는 다른 화학적 스크러빙 공정을 사용하여 처리되어 황화수소를 약 0-0.2 ppm으로 더욱 감소시킨다. 적합한 선택적 아민 흡수 유닛(830)의 예는 MDEA를 사용하는 아민 흡수 시스템일 수 있다. 합성가스 스트림(801)으로부터 약 65 mol%의 이산화탄소는 선택적 아민 흡수 유닛(830)을 사용하여 제거되어, 약 56 ppm의 황화수소를 함유한 오버헤드 이산화탄소 스트림(831)을 얻었다. 오버헤드 이산화탄소 스트림(831)에서 황화수소의 농도는 산화된 후 안전하게 배출될 수 있도록 충분히 낮았다.
회수된 황화수소 스트림(832)은 그 다음에 농축물이 직렬로 연결된 2개의 멤브레인 스테이지를 사용하여 처리되었다. 이 실시예에서, 멤브레인 스테이지는 약 500 gpu 이산화탄소 투과도와 약 25 gpu 황화수소 투과도를 갖는 멤브레인이 장착되었다. 제2 농축물 스트림(821)은 황화수소가 풍부하고, 클라우스 플랜트에서 공정처리하기에 적합하였다. 제1 투과물 스트림(822)은 선택적 아민 흡수 유닛(830) 및 멤브레인 스테이지(823 및 825)를 통해 압축 및 재순환될 산성 가스 스트림(812)과 조합되었고; 제2 투과물 스트림(826)은 회수된 황화수소 스트림(832)과 조합되어 멤브레인 스테이지(823 및 825)를 통해 리사이클된다.
오버헤드 이산화탄소 스트림(831)은 실시예 2의 제2 투과 스트림(726)보다 대기로 안전하게 배출하기에 더 적합한 황화수소의 농도를 갖는다. 더욱이, 이 구성의 멤브레인 분리 스테이지(823 및 825)는, 합성가스 스트림(801)에 의해 도입된 이산화탄소의 많은 양이 선택적 아민 흡수 유닛(830)에 의해 제거되기 때문에, 실시예 2에서 사용된 것보다 상대적으로 작을 수 있으며, 현저하게 감소된 장비 비용을 결과한다.
(표 11) 스트림 조성: 비선택적 아민 흡수 유닛 및 선택적 아민 흡수 유닛을 직렬로 사용하고, 농축물이 직렬로 연결된 2개의 멤브레인 스테이지를 사용한다.
농도 (mol%) 유속
(103　m3/h)		 압력
(bar)a
CO2 H2S CO H2
합성가스 스트림(801) 30.0 0.3 25.0 44.7 10 50
오버헤드 합성가스 스트림(811) 1.3 4b 35.4 63.3 7.1 50
제2 농축물 스트림(821) 10.0 90.0 0.00 0.00 0.033 20.0
오버헤드 CO2 스트림(831) 99.7 56b 0.08 0.15 2.9 2.0
회수된 H2S 스트림(832) 97.4 2.6 0.00 0.00 1.3 2.0
제1 투과물 스트림(822) 99.7 0.26 0.00 0.00 1.2 1.0
제1 농축물 스트림(824) 90.0 10.0 0.00 0.00 0.4 20.0
a 절대 압력
b 백만분의 일(parts per million)
실시예 4: 농축물-직렬을 사용한 2-스테이지 멤브레인 분리를 갖는 비선택적 아민 흡수, 다음에 선택적 아민 흡수
모사는, 도 9에 도시된 바와 같이, 도 5 및 도 3b의 구성을 이용하여 수행되어 클라우스 플랜트를 위한 고농축된 황화수소 스트림을 얻었다(표 12). 오버헤드 합성가스 스트림(911)은 약 1 ppm의 황화수소 및 약 1.3 mol%의 이산화탄소를 함유하였고, 산성 가스 스트림(912)이 발생하였다. 오버헤드 합성가스 스트림(911)은 다른 화학 공정에 사용하기에 적합했으며, 산성 가스 스트림(912)은 압축되었고, 2-스테이지 농축물-직렬 멤브레인 분리 구성을 사용하여 분리되도록 보내졌다. 제2 멤브레인 스테이지(925)로부터의 제2 농축물 스트림(921)은 약 90 mol% 황화수소를 함유하고, 이는 클라우스 플랜트에서 공정처리하기에 적합하다. 이러한 고농도의 황화수소를 갖는 스트림은 클라우스 플랜트의 피드 가스에서 오염 물질을 파괴하기에 충분한 클라우스 플랜트의 퍼니스 내의 온도에 도달하는 데 적합하다.
제1 멤브레인 스테이지(923)로부터의 제1 투과물 스트림(922)은 선택적 아민 흡수 유닛(930)으로 보내져 선택적 아민 흡수를 사용하여 분리되고 오버헤드 이산화탄소 스트림(931) 및 회수된 황화수소 스트림(932)을 얻었다. 오버헤드 이산화탄소 스트림(931)은 약 17 ppm의 황화수소를 함유하였고, 이는 대기로 직접 안전하게 배출되거나 산화 후에 배출되기에 충분히 낮다. 선택적 아민 흡수 유닛(930)으로부터 회수된 황화수소 스트림(932), 및 제2 멤브레인 스테이지(925)로부터의 제2 투과물 스트림(926)은, 산성 가스 스트림(912)과 조합되어 압축되고, 멤브레인 분리 스테이지(923, 925) 및 선택적 아민 흡수 유닛(930)을 통해 리사이클된다.
(표 12) 스트림 조성: 농축물-직렬을 사용하는 2-스테이지 멤브레인 분리를 갖는 비선택적 아민 흡수 유닛, 그 다음에 선택적 아민 흡수를 사용.
농도 (mol%) 유속
(103　m3/h)		 압력
(bar)a
CO2 H2S CO H2
합성가스 스트림(901) 30.0 1.0 25.0 44.0 10 50
오버헤드 합성가스 스트림(911) 1.29 1.44b 35.8 62.9 7.0 50
제2 농축물 스트림(921) 8.0 90.0 2.00 0.00 0.11 20.0
오버헤드 CO2 스트림(931) 99.8 17b 0.01 0.15 2.9 2.0
산성 가스 스트림(912) 96.5 3.3 0.08 0.15 3.0 2.0
압축된 스트림(919) 96.8 3.0 0.07 0.09 5.0 20.0
제1 투과물 스트림(922) 99.6 0.29 0.01 0.12 3.6 1.0
제1 농축물 스트림(924) 89.8 10.0 0.22 0.00 1.4 20.0
a 절대 압력
b 백만분의 일(parts per million)
본 구현예가 상세하게 기재되었으나, 본 개시의 원리 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화, 대체 및 변경이 이루어질 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 구현예의 범위는 다음의 청구 범위 및 이의 적절한 법적 균등물에 의해 결정되어야 한다.
단수형 "하나의" 및 "상기"는 문맥 상 명백히 달리 지시하지 않는 한 복수의 대상을 포함한다.
"선택적" 또는 "선택적으로"는 후속적으로 설명된 사건 또는 상황이 발생할 수 있거나 발생하지 않을 수 있음을 의미한다. 설명은 사건 또는 상황이 발생하는 경우 및 발생하지 않는 경우를 포함한다.
범위는 본원에서 약 하나의 특정 값으로부터 및/또는 약 또 다른 특정 값까지로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 또 다른 구현예는 상기 범위 내의 모든 조합과 함께 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지임이 이해되어야 한다.
본원 및 첨부된 청구 범위에 사용된 바와 같이, 단어 "포함하다(comprise)", "갖다(has)" 및 "포함하다(include)" 및 이들의 모든 문법적 변형은 각각 추가적인 요소 또는 단계를 배제하지 않는 개방적, 비-제한적 의미를 갖는 것으로 의도된다.
본원에 사용된 바와 같이, "제1" 및 "제2"와 같은 용어는 임의로 할당되며 장치의 둘 이상의 구성요소 사이에서 별하기 위한 것일 뿐이다. "제1" 및 "제2"라는 단어는 다른 목적을 제공하지 않으며, 구성 요소의 이름이나 설명의 일부가 아니며, 구성 요소의 상대적 위치 또는 자리를 반드시 정의하지도 않는다는 것으로 이해되어야 한다. 또한, "제1" 및 "제2"라는 용어의 단순한 사용이 어떠한 "제3" 구성요소가 있을 것을 요구하지 않는다는 것으로 이해되어야 하지만, 그러한 가능성은 본 개시의 범위 하에서 고려된다.

Claims (25)

  1. 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정으로서, 상기 공정은:
    합성가스 스트림을 비선택적 흡수 유닛에 공급하는 단계, 상기 합성가스 스트림은 합성가스, 이산화탄소 및 황화수소를 포함함;
    상기 비선택적 흡수 유닛에서 합성가스 스트림을 분리하여 오버헤드 합성가스 스트림 및 산성 가스 스트림을 얻는 단계;
    상기 산성 가스 스트림을 퍼플루오르화 중합체를 포함하는 멤브레인을 포함하는 멤브레인 분리 유닛에 도입하는 단계, 상기 멤브레인은 이산화탄소-선택성 멤브레인이고, 상기 산성 가스 스트림은 황화수소 및 이산화탄소를 포함함;
    상기 멤브레인 분리 유닛에서 산성 가스 스트림을 분리하여 농축물 스트림 및 투과물 스트림을 생성하는 단계, 여기서 농축물 스트림은 황화수소를 포함하고, 여기서 투과물 스트림은 이산화탄소를 포함함;
    상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에 도입하는 단계; 및
    상기 투과물 스트림을 선택적 아민 흡수 유닛에 공급하고 아민 흡수 공정을 사용하여 투과물 스트림을 처리하여 오버헤드 이산화탄소 스트림 및 회수된 황화수소 스트림을 얻는 단계를 포함하는, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 농축물 스트림에서 황화수소의 농도는 50 mol% 내지 95 mol%인, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 농축물 스트림에서 황화수소의 농도는 90 mol% 초과인, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 투과물 스트림에서 황화수소의 농도는 0.01 mol% 내지 0.1 mol%인, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 오버헤드 합성가스 스트림에서 황화수소의 농도는 1 ppm 내지 1,000 ppm인, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 오버헤드 합성가스 스트림에서 이산화탄소의 농도는 1 mol% 내지 3 mol%인, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인은 적어도 5의 이산화탄소-황화수소 선택도를 갖는, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인은 적어도 10의 이산화탄소-황화수소 선택도를 갖는, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인은 적어도 20의 이산화탄소-황화수소 선택도를 갖는, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인은 적어도 30의 이산화탄소-황화수소 선택도를 갖는, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  13. 삭제
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인 분리 유닛은 제1 멤브레인 분리 스테이지 및 제2 멤브레인 분리 스테이지를 포함하고, 제1 및 제2 멤브레인 분리 스테이지는 농축물-직렬(retentate-in-series) 구성으로 배열되는, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 멤브레인 분리 유닛은 제1 멤브레인 분리 스테이지 및 제2 멤브레인 분리 스테이지를 포함하고, 제1 및 제2 멤브레인 분리 스테이지는 투과물-직렬(permeate-in-series) 구성으로 배열되는, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  16. 삭제
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 오버헤드 이산화탄소 스트림을 어떠한 추가적인 황화수소 분리에 적용시키지 않고, 상기 오버헤드 이산화탄소 스트림을 대기로 배출하는 단계를 더욱 포함하는, 합성가스 스트림을 스위트닝하는 공정.
  18. 합성가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하는 공정으로서, 상기 공정은:
    합성가스 스트림을 비선택적 흡수 유닛에 공급하는 단계, 상기 합성가스 스트림은 합성가스, 이산화탄소, 및 황화수소를 포함함;
    상기 비선택적 흡수 유닛에서 흡수 공정을 사용하여 합성가스 스트림을 분리하여 오버헤드 합성가스 스트림 및 산성 가스 스트림을 생성하는 단계;
    상기 산성 가스 스트림을 선택적 흡수 유닛에 도입하는 단계;
    상기 선택적 흡수 유닛에서 산성 가스 스트림을 공정처리하여 오버헤드 이산화탄소 스트림 및 회수된 황화수소 스트림을 얻는 단계;
    상기 회수된 황화수소 스트림을 퍼플루오르화 중합체를 포함하는 멤브레인을 포함하는 멤브레인 분리 유닛에 도입하는 단계, 상기 멤브레인은 이산화탄소-선택성 멤브레인이고, 상기 회수된 황화수소 스트림은 황화수소 및 이산화탄소를 포함함;
    상기 멤브레인 분리 유닛에서 상기 회수된 황화수소 스트림을 분리하여 농축물 스트림 및 투과물 스트림을 생성하는 단계, 여기서 농축물 스트림은 황화수소를 포함하고, 투과물 스트림은 이산화탄소를 포함함;
    상기 농축물 스트림을 황 회수 유닛에 도입하는 단계를 포함하는, 합성가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하는 공정.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 농축물 스트림에서 황화수소의 농도는 50 mol% 내지 95 mol%인, 합성가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하는 공정.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 오버헤드 이산화탄소 스트림에서 황화수소의 농도는 0.01 mol% 내지 0.1 mol%인, 합성가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하는 공정.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 청구항 18에 있어서,
    상기 멤브레인은 적어도 5의 이산화탄소-황화수소 선택도를 갖는, 합성가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하는 공정.
  24. 청구항 18에 있어서,
    상기 멤브레인 분리 유닛은 제1 멤브레인 분리 스테이지 및 제2 멤브레인 분리 스테이지를 포함하고, 제1 및 제2 멤브레인 분리 스테이지는 농축물-직렬(retentate-in-series) 구성으로 배열되는, 합성가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하는 공정.
  25. 청구항 18에 있어서,
    상기 멤브레인 분리 유닛은 제1 멤브레인 분리 스테이지 및 제2 멤브레인 분리 스테이지를 포함하고, 제1 및 제2 멤브레인 분리 스테이지는 투과물-직렬(permeate-in-series) 구성으로 배열되는, 합성가스 스트림으로부터 황 및 이산화탄소를 회수하는 공정.
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