KR20160127819A - 황화수소 스트립퍼에서 황화수소 및 암모니아의 향상된 분리를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

황화수소 스트립퍼에서 황화수소 및 암모니아의 향상된 분리를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

H2S 및 NH3의 향상된 분리를 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 특히, 본 발명은 황화수소와 암모니아를 분리하는 방법으로서, i) 황화수소와 암모니아의 유체 혼합물을 황화수소 스트립퍼에 도입시키고; ii) 이산화탄소 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는 스트립핑 가스를 황화수소 스트립퍼에 도입시키고; iii) 황화수소 스트립퍼 오버헤드 스트림과 황화수소 스트립퍼 하단 스트림을 형성하는 황화수소 스트립퍼에서 스트립핑 가스를 이용하여 유체 혼합물 중의 황화수소와 암모니아 대부분을 분리하는 것을 포함하는 방법

Description

황화수소 스트립퍼에서 황화수소 및 암모니아의 향상된 분리를 위한 시스템 및 방법 {SYSTEMS AND METHODS FOR ENHANCED SEPARATION OF HYDROGEN SULFIDE AND AMMONIA IN A HYDROGEN SULFIDE STRIPPER}
관련 출원의 상호 참조
2014년 3월 5일 출원된 미국 특허 가출원 61/948,118의 우선권이 주장되며, 이의 명세서는 참조로서 본원에 통합된다.
연방 정부 지원 연구에 대한 성명서
적용되지 않음
발명의 기술분야
본 발명은 일반적으로 황화수소 (H2S) 스트립퍼에서 황화수소 (H2S) 및 암모니아 (NH3)의 향상된 분리를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 이산화탄소 및/또는 불활성 가스를 사용한 H2S 스트립퍼에서 H2S 및 NH3의 향상된 분리법에 관한 것이다.
발명의 배경
통상적인 기법은 H2S 스트립퍼 및 NH3 스트립퍼를 사용하여 산성수 (sour water)로부터 H2S 및 NH3를 각기 회수하며, 이는 종종 2-칼럼 산성수 스트립핑 공정으로 지칭된다. 이러한 공정은 50 ppmw 미만의 NH3를 갖는 산 가스 (H2S) 및 고순도 가스 또는 액체 NH3 생성물을 획득한다. 분리된 물은 코크 드럼 켄치 워터 (coke drum quench water), 미정제 유닛 담수, 및 하이드로-처리 유닛 주입수로서 재사용하기에 적합하게 하는 탁월한 품질을 갖거나 이는 배출을 위한 배수 처리로 보내질 수 있다.
2-칼럼 산성수 스트립핑 공정은 전형적으로 4개의 주요 처리 스테이지를 포함한다: 1) 탈기 및 공급물 준비; 2) H2S 스트립핑; 3) NH3 스트립핑; 및 4) NH3 정제 및 액화. 이제 도 1a 및 1b에 있어서, 통상적인 2-칼럼 산성수 스트립핑 시스템의 개략도는 4 처리 스테이지를 나타낸다. 하기 압력 및 온도는 예시적이며 단지 설명을 위한 것이다.
탈기 및 공급물 준비:
단일 또는 수개의 공급원으로부터의 산성수 공급물 (102)은 NH3 스트립퍼 (106)로부터의 재순환 스트림 (104)과 합쳐지고, 냉각되고 탈기기 (108)을 통하여 통과되며, 여기에서 용해된 수소 (H2), 메탄 (CH4) 및 기타 경 탄화수소가 탄화수소 증기 스트림 (105)으로서 제거된다. 산성수 공급물 (102)은 용해된 NH3 및 H2S를 포함한다. 재순환 스트림 (104)은 풍부한 NH3를 포함하며, 이는 탈기기 (108)에서 산 가스가 용액 중에 유지되게 하는 것을 도우며, 이에 의해 산 가스 및 가능한 공기 오염물의 방출을 최소화시킨다. 탈기된 산성수 스트림 (109)은 유수 분리기 (103)로 전달되며, 이는 탈기된 산성수 스트림 (109)으로부터 자유 오일을 제거하여 탈기된/탈오일된 산성수 스트림 (107)을 생성한다. 탈기된/탈오일된 산성수 스트림 (107)은 공급물 준비 탱크 (110)로 펌핑되며, 이는 유속 및 조성 변화를 약화시키는 작용을 하는 반면 또한 혼입된 오일 및 고형물을 제거할 기회를 제공한다. 공급물 준비 탱크 (110)는 처리된 산성수 스트림 (111)을 생성하며, 이는 공급물 코어레서 유닛 (112)으로 펌핑되고, 처리된 산성수 스트림 (111)에 잔존하는 고형물을 여과하며, 혼입된 오일을 추가로 분리하여 탄화수소 액체 (113)와 탈오일된 산성수 스트림 (115)을 생성한다. 탈오일된 산성수 스트림 (115)은 공급물/생성물 교환기 (114)로 전달되고, 이는 열 교환기로서 작용하여 탈오일된 산성수 스트림 (115)을 가열하고 NH3 스트립퍼 하단 스트림 (132)을 냉각하여 가열된 탈오일된 산성수 스트림 (116) 및 스트립핑된 워터 스트림 (134)을 생성한다. 이러한 방식으로, NH3 스트립퍼 하단 스트림 (132)을 포함하는 구성요소, 스트립핑된 워터 스트림 (134) 및 탈오일된 산성수 스트림 (115)을 포함하는 구성요소, 가열된 탈오일된 산성수 스트림 (116)은 각각 동일하나 상이한 농도 및 온도를 가질 수 있다. 이어서, 가열된 탈오일된 산성수 스트림 (116)은 H2S 스트립퍼 (118)로 전달된다.
H2S 스트립핑:
H2S 스트립퍼 (118)는 가열된 탈오일된 산성수 스트림 (116)이 통과하여 주위로 흘러 가열된 탈오일된 산성수 스트림 (116)으로부터 H2S를 분리하는 트레이 또는 패킹 (미도시됨)을 함유한다. 냉각된 환류수 스트림 (예를 들어, 워터 워시) (136)이 사용되어 열을 제거하고 H2S 스트립퍼에서 NH3 가스의 방출을 억제한다. 리보일러 (137)는 열 교환기로서 작용하여 i) 가열된 탈오일된 산성수 스트림 (116) 및 냉각된 환류수 스트림 (136)을 바람직한 온도로 가열하고; ii) 가열된 탈오일된 산성수 스트림 (116)으로부터 H2S를 제거하는데 필요한 에너지를 공급한다. 생성된 H2S 스트립퍼 오버헤드 스트림 (120)은 녹아웃 드럼(knock out drum) (138)으로 전달되어 임의의 혼입된 점적을 실질적으로 제거하고 H2S 스트림 (126)을 생성한다. H2S 스트림 (126)은 고순도이며, 황 회수 유닛 (SRU) 또는 황산 공장을 위한 탁월한 공급물이다. 이는 무시할만한 양의 NH3 (50 ppmw 미만) 및 매우 적은 탄화수소를 함유하는데, 왜냐하면 산성수 공급물 (102)이 탈기되었기 때문이다. H2S 스트림 (126)은 약 100-180 psig 및 100-120℉에서 이용가능하다. NH3 및 일부 H2S를 함유하는 생성된 H2S 스트립퍼 하단 스트림 (130)은 NH3 스트립퍼 (106)로 직접 전달된다.
NH3 스트립핑:
NH3 스트립퍼 (106)는 스팀 재비등(re-boiled)되고 환류되는 증류 칼럼이다. NH3 스트립퍼 (106)에서, 본질적으로 모든 NH3 및 임의의 잔존하는 H2S가 H2S 스트립퍼 하단 스트림 (130)으로부터 제거되며, 이는 NH3 스트립퍼 하단 스트림 (132)으로서 NH3 스트립퍼 (106)를 떠난다. NH3 스트립퍼 하단 스트림 (132)은 공급물/생성물 교환기 (114)로 전달되며, 여기에서 열이 탈오일된 산성수 스트림 (115)과 교환되고, NH3 스트립퍼 하단 스트림 (132)은 냉각되어 스트립핑된 워터 스트림 (134)을 형성한다. 스트립핑된 워터 스트림 (134)은 많은 공장 재활용 요건에 적합하거나 배출될 수 있다. 스트립핑된 워터 스트림 (134)에서 H2S 및 NH3의 오염 수준은 개별 요건에 맞춰질 수 있으며 전형적으로 10-50 ppmw NH3 및 1-25 ppmw H2S이다. 스트립핑된 워터 스트림 (134)은 약 100-200℉에서 이용가능하다. NH3 스트립퍼 (106)에서, 실질적으로 모든 NH3 및 임의의 잔존하는 H2S가 H2S 스트립퍼 하단 스트림 (130)으로부터 제거되며, 이는 NH3 스트립퍼 오버헤드 스트림 (133)으로서 NH3 스트립퍼 (106)를 떠난다. NH3 스트립퍼 오버헤드 스트림 (133)은 오버헤드 응축기로 전달되고, 여기에서 이는 NH3 증기 스트림 및 NH3 액체 스트림으로 전환된다. 녹아웃 드럼 (139)은 NH3 증기 스트림 (140)과 NH3 액체 스트림 (150)을 분리한다. NH3 액체 스트림의 일부 (150)는 NH3 스트리퍼 (106)로 환류로서 복귀되며, NH3 액체 스트림 (150)의 또 다른 부분은 재순환 스트림 (104)을 형성한다. 리보일러 (141)는 열 교환기로서 작용하여 NH3 및 임의의 잔존하는 H2S를 제거하는데 필요한 에너지를 제공한다. NH3 증기 스트림 (140)은 다양한 방법으로 처리될 수 있는 NH3-풍부 가스이다.
NH3 정제 및 액화:
이제 도 1b에 있어서, NH3 증기 스트림 (140)은 워터 워시 (142)로 전달되어 잔여량의 H2S 및 일부 탄화수소를 제거한다. 이러한 단계는 또한 워터 스크러빙으로서 불리며, 이는 스크러빙된 NH3 증기 스트림 (160)을 생성한다. NH3 회수가 요망되지 않거나 경제적이지 않은 경우, 스크러빙된 NH3 증기 스트림 (160)은 소각될 수 있다. 그러나 대부분의 경우, 스크러빙된 NH3 증기 스트림 (160)을 추가로 정제하여 상업적으로 사용하기에 적합한 수성 NH3 (180) 또는 무수성 액체 NH3 (170)을 생성하는 것이 바람직하다. 스크러빙된 NH3 증기 스트림 (160)을 추가로 정제하기 위해, 스크러빙된 NH3 증기 스트림 (160)은 가성 워시 (144)로 전달되어 일부 탄화수소를 포함하는 잔여 오염물을 제거한다. 이러한 단계는 또한 가성 스크러빙으로서 불리며, 이는 이중 스크러빙된 NH3 증기 스트림 (162)을 생성하며, 프로세스 업셋 (process upset), 이산화탄소 또는 복합 황 화합물 (예를 들어, 메르캅탄 또는 디설파이드)에 대한 문제가 예상되는 경우 필요할 수 있다. 이중 스크러빙된 NH3 증기 스트림 (162)은 응축기 (146) 또는 냉장 유닛 (148)로 전달되어 무수성 액체 NH3 (170)을 생성할 수 있으며, 이는 무시할만한 양의 H2S (5ppmw 미만)을 함유한다. 무수성 액체 NH3 (170)은 응축에 의해 액화되는 경우 약 200 psig 및 100℉ 및 냉각에 의해 액화되는 경우 대기압 및 약 -26 F에서 이용가능하다. 냉각수 및/또는 냉매는 응축된 이중 스크러빙된 NH3 증기 스트림 (162)과의 열 교환에 사용될 수 있다. 이중 스크러빙된 NH3 증기 스트림 (162)은 또한 본질적으로 또 다른 워터 워시인 NH3 흡수기 (149)에 전달되어 수성 NH3 (180)을 생성할 수 있으며, 이는 무시할만한 양의 황 (약 2ppmw 이하)을 함유한다. 수성 NH3 (180)은 약 35 psig 및 100℉에서 이용가능하다.
본 발명은 이산화탄소 및/또는 불활성 가스를 사용한 H2S 스트립퍼에서 H2S 및 NH3의 향상된 분리를 위한 시스템 및 방법을 제공함으로써 종래의 하나 이상의 단점을 극복한다.
일 구체예에서, 본 발명은 황화수소와 암모니아를 분리하는 시스템으로서, i) 황화수소와 암모니아의 분리를 위한 황화수소 스트립퍼; 및 ii) 황화수소 스트립퍼에 연결된 스트립핑 가스 스트림으로서, 이산화탄소 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는 스트립핑 가스 스트림을 포함하는 시스템을 포함한다.
또 다른 구체예에서, 본 발명은 황화수소와 암모니아를 분리하는 방법으로서, i) 황화수소와 암모니아의 유체 혼합물을 황화수소 스트립퍼에 도입시키고; ii) 이산화탄소 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는 스트립핑 가스를 황화수소 스트립퍼에 도입시키고; iii) 황화수소 스트립퍼 오버헤드 스트림과 황화수소 스트립퍼 하단 스트림을 형성하는 황화수소 스트립퍼에서 스트립핑 가스를 이용하여 유체 혼합물 중의 황화수소와 암모니아 대부분을 분리하는 것을 포함하는 방법을 포함한다.
본 발명의 추가의 양태, 이점 및 구체예는 다양한 구체예 및 관련 도면에 대한 다음의 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하기 설명되며, 여기에서 동일한 요소는 동일한 숫자로 나타낸다:
도 1a-1b는 종래의 2-칼럼 산성수 스트립핑 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 도 1a에서 H2S 스트립핑 스테이지를 도시한 개략도이다.
바람직한 구체예의 상세한 설명
본 발명의 내용은 특정하게 설명되었으나, 설명 자체는 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 따라서, 본 내용은 또한 다른 방법으로 구현될 수 있어 본원에 기술된 것과 상이한 단계 또는 유사한 단계의 조합을 다른 기법들과 함께 포함할 수 있다. 게다가, 용어 "단계"는 이용된 방법의 상이한 요소를 설명하기 위해 본원에 사용될 수 있지만, 본 용어는 달리 특정 순서에 대한 설명에 의해 명시적으로 제한되지 않는 한 본원에 기재된 다양한 단계들 간의 또는 단계들 중의 임의의 특정 순서를 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다. 하기 설명은 오일 및 가스 산업을 나타내지만, 본 발명의 시스템 및 방법은 이에 제한되지 않으며 또한 다른 산업에도 적용되어 유사한 결과를 달성할 수 있다.
본 발명은 이산화탄소 및/또는 불활성 가스를 사용한 H2S 스트립퍼에서 H2S 및 NH3의 향상된 분리를 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 스트립핑 가스로서도 불리는 이산화탄소 및/또는 불활성 가스의 목적은 i) H2S의 분압을 저하시키고; ii) 스트립핑 작용을 제공함으로써 H2S 스트립핑 스테이지 동안 H2S 및 NH3의 분리를 향상시키는 것이다.
도 2에 있어서, H2S 스트립퍼 (118)에서 H2S 및 NH3의 분리를 향상시키기 위해 스트립핑 가스 스트림 (202)을 사용하는, 도 1a의 H2S 스트립핑 스테이지의 개략도가 설명된다. 이러한 스테이지는 요망되는 NH3의 최종 농도 및 질에 따라 다양한 조각의 장비로 구성될 수 있다. 스트리핑 가스 스트림 (202)은 H2S 스트립퍼 (118)의 상단과 하단 사이에 임의 위치에 도입될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 스트립핑 가스 스트림 (202)은 H2S 스트립퍼 (118)의 하단 근처로 도입되는데, 왜냐하면 이는 더 많은 가열된 탈오일된 산성수 스트림 (116)과 접촉할 것이기 때문이다. 이러한 방식으로, H2S 스트립핑 스테이지를 포함하는 임의의 통상적인 2-칼럼 산성수 스트립핑 시스템에 스트립핑 가스의 도입이 용이하게 새로 접목될 수 있다.
스트리핑 가스 스트림 (202)은 이산화탄소 및/또는 임의의 불활성 가스를 포함할 수 있으며, 이러한 불활성 가스는 H2S 스트립퍼 (118) 또는 산성수 스트립퍼의 기타 구성요소와 반응하지 않는 가스 예컨대, 예를 들어, 수소, 헬륨, 붕소, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈, 이원자 질소, 메탄 및 에탄이다.
이산화탄소를 포함하는 스트리핑 가스 스트림 (202)를 포함하는 H2S 스트립핑 스테이지를 갖춘 2-칼럼 산성수 스트립핑 시스템의 작동에서, NH3 및 H2S의 분리는 적어도 5% 만큼 개선될 수 있다. 이러한 방식으로 H2S 및 NH3의 분리를 향상시킴으로써, 2-칼럼 산성수 스트립핑 시스템에서 유틸리티 (예를 들어, 리보일러 가열 매체) 소비가 저하되어 에너지 절약을 유도하거나 동일한 유틸리티 소비로 성능이 향상될 수 있다.
통상적인 2-칼럼 산성수 스트립핑 시스템은 1960년부터 존재하였다. 이러한 시스템의 운영자는 H2S 및 NH3의 향상된 분리에 대한 필요성을 인지하고 있지만, 이산화탄소의 특성을 산 가스의 특징과 유사하다. 이는 또 다른 산 가스 (H2S)를 갖는 2-칼럼 산성수 스트립핑 시스템의 H2S 스트립핑 스테이지에서 이산화탄소를 사용한 H2S 및 NH3의 향상된 분리에 대한 필요성이 1960년부터 왜 해소되지 않았는지를 설명해준다.

Claims (20)

  1. 황화수소와 암모니아를 분리하는 시스템으로서,
    황화수소와 암모니아를 분리하기 위한 황화수소 스트립퍼(stripper); 및
    황화수소 스트립퍼에 연결된 스트립핑 가스 스트림으로서, 이산화탄소 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는 스트립핑 가스 스트림을 포함하는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 스트립핑 가스 스트림이 황화수소 스트립퍼의 하단 근처에서 황화수소 스트립퍼에 연결된 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 스트립핑 가스 스트림이 이산화탄소만 포함하는 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 스트립핑 가스 스트림이 불활성 가스만 포함하는 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 불활성 가스가 수소, 헬륨, 붕소, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈, 이원자 질소, 메탄 및 에탄으로 구성된 군으로부터 선택되는 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 스트립핑 가스 스트림이 동일량의 이산화탄소와 불활성 가스를 포함하는 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 스트립핑 가스 스트림이 불활성 가스보다 더 많은 양의 이산화탄소를 포함하는 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 스트립핑 가스 스트림이 이산화탄소보다 더 많은 양의 불활성 가스를 포함하는 시스템.
  9. 제 1항에 있어서, 황화수소 스트립퍼가 황화수소와 암모니아의 유체 혼합물을 함유하는 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 황화수소 스트립퍼 상단에 연결된 황화수소 스트립퍼 오버헤드 스트림 및 황화수소 스트립퍼 하단에 연결된 황화수소 스트립퍼 하단 스트림을 추가로 포함하며, 황화수소 스트립퍼 오버헤드 스트림은 황화수소, 물을 포함하며, 실질적으로 암모니아를 함유하지 않으며, 황화수소 스트립퍼 하단 스트림은 물, 암모니아 및 황화수소를 포함하는 시스템.
  11. 황화수소와 암모니아를 분리하는 방법으로서,
    황화수소와 암모니아의 유체 혼합물을 황화수소 스트립퍼에 도입시키고;
    이산화탄소 및 불활성 가스 중 적어도 하나를 포함하는 스트립핑 가스를 황화수소 스트립퍼에 도입시키고;
    황화수소 스트립퍼 오버헤드 스트림과 황화수소 스트립퍼 하단 스트림을 형성하는 황화수소 스트립퍼에서 스트립핑 가스를 이용하여 유체 혼합물 중의 황화수소와 암모니아 대부분을 분리하는 것을 포함하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 황화수소 스트립퍼 오버헤드 스트림이 유체 혼합물로부터의 가장 많은 황화수소를 포함하며, 황화수소 스트립퍼 하단 스트림은 유체 혼합물로부터의 가장 많은 암모니아를 포함하는 방법.
  13. 제 11항에 있어서, 스트립핑 가스가 황화수소 스트립퍼에서 황화수소의 분압을 저하시켜 스트립핑 작용을 제공함으로써 유체 혼합물 중의 황화수소와 암모니아 대부분을 분리하는 방법.
  14. 제 11항에 있어서, 스트립핑 가스 스트림이 이산화탄소만 포함하는 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 스트립핑 가스 스트림이 불활성 가스만 포함하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 불활성 가스가 수소, 헬륨, 붕소, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈, 이원자 질소, 메탄 및 에탄으로 구성된 군으로부터 선택되는 방법.
  17. 제 11항에 있어서, 스트립핑 가스 스트림이 동일량의 이산화탄소와 불활성 가스를 포함하는 방법.
  18. 제 11항에 있어서, 스트립핑 가스 스트림이 불활성 가스보다 더 많은 양의 이산화탄소를 포함하는 방법.
  19. 제 11항에 있어서, 스트립핑 가스 스트림이 이산화탄소보다 더 많은 양의 불활성 가스를 포함하는 방법.
  20. 제 11항에 있어서, 황화수소 스트립퍼가 황화수소와 암모니아의 유체 혼합물을 함유하는 방법.
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