TWI398290B - 具有界面控制之三相硫分離系統 - Google Patents

Description

具有界面控制之三相硫分離系統

本發明係關於一種分離器系統，其中三種流體相係藉由加入或移去來自一氣相區域中之氣體而維持該分離器中之恒定壓力而用於自較不濃稠液體分離較濃稠液體。更具體言之，本發明系統可用作自一氣流及包括熔融硫及氧化還原溶液的一液流回收硫之改良硫分離系統。

許多脫硫氧化還原製程之副產物包括懸浮於液態氧化還原溶液中之固態元素硫。在一些液態氧化還原製程中，期望及必要使用硫熔爐以熔化固態元素硫以產生高品質、可市售之硫產品。然而，氧化還原溶液中之金屬離子，諸如鐵及釩會與氫硫化物、硫代硫酸根離子及重碳酸根離子(全部稱為「反應性溶質」)在高溫下反應形成金屬多硫化物。此等金屬多硫化物係在製造高品質元素硫之環境中為非期望的。形成大量金屬多硫化物可使硫不可用，且亦導致熔爐內產生積垢，需要隨後清洗熔爐管。

金屬離子與硫反應之速率係氧化還原溶液中之金屬離子的量、熔爐溫度、高溫下硫與氧化還原溶液接觸的時間數及介於熔融硫與氧化還原溶液間的界面之表面積的函數。若溶液中存在更多的金屬離子，則將形成更多的多硫化物。當熔爐溫度升高時，介於硫及金屬離子間的反應活性增加，形成更多的金屬多硫化物。當高溫下介於熔融硫與氧化還原溶液間之接觸時間增加時，將形成更多的金屬多硫化物。介於熔融硫與氧化還原間的界面提供熔融硫與金屬離子之恒定接觸。因此，介於熔融硫與氧化還原溶液間之更小界面表面積將限制金屬多硫化物之形成。

過濾/洗滌/再漿化系統可用於減少進入硫熔爐之金屬離子及反應性溶質。此外，可在高於硫熔點之儘可能最低溫度下操作硫熔爐。雖然限制經由過濾進入熔爐之金屬離子及反應性溶質且以較低之溫度操作熔爐係改良硫品質之有效技術，但滯留時間與界面表面積亦對於形成金屬多硫化物並因此對於硫品質起重要作用。即使當將熔爐溫度連同過濾/洗滌/再漿化系統維持於儘可能最低液位時，但當採用長滯留時間及大界面面積時亦會惡化硫品質。

關於習知硫分離設計，滯留時間係影響硫品質之最難以控制的變數之一。硫分離器通常係經設計以提供對應於最大單元硫產量的用於相分離之特定滯留時間，且主要由水體積流量決定。當滯留時間增長超出最大硫生產所期望之時間時，由於硫小滴有更多時間自氧化還原溶液中分離，故改良了硫分離。此外，介於氧化還原溶液與熔融硫間之界面液位係更清晰界定，因此可改良界面液位控制。然而，隨著滯留的增長，多硫化物的形成增加。因此，根據此等考量間的折中方案可得到最佳滯留時間。

先前已知設計藉由維持界面液位於特定垂直液位而控制熔爐之流量。美國專利第4,730,369及5,651,896號描述此等設計之實例。此等已知分離器係完全液體容器且並不具有氣相。其原理係將容器之操作壓力維持於壓力設定點以於硫之熔點或以上操作時保持水相不蒸發。然而，在實際操作中，當打開熔融硫控制閥(界面液位控制)或水溶液控制閥(壓力控制)時，容器內之壓力回落且一部份水相蒸發。此蒸發導致嚴重之操作問題，如熔融硫帶出容器頂部及因熔融硫在下游設備及管中凝固而產生之堵塞。本發明現藉由在具有分離控制系統之主要分離器容器中包括一第三流體相(即氣相)以便不論水相或熔融硫相之液位為何均維持容器壓力來解決此問題及其他問題。自以下更詳細的發明說明書中將明瞭此等及其他優點。

如本發明之較佳實施例所述，本發明在主要態樣中係關於一種液體分離器系統。該系統包括具有一頂部及一底部之一容器。該容器在該頂部具有較該底部更大的直徑，且該容器之橫截面自該容器之該頂部至該底部向下縮小。該系統包括將兩種液體之混合物引入該容器中之一第一進口，其中第二種液體較第一種液體更濃稠。位於該頂部之一進口/出口允許將加壓氣流引入容器或移除過多加壓氣體，以維持容器之恒定操作壓力。恒定壓力之維持可防止水相沸騰並帶出較濃稠液體。靠近容器底部之出口允許較濃稠液體自容器流出。一界面控制結構感應介於兩種液體間之界面液位並控制更濃稠液體自出口之流量。藉由調節界面控制結構的設定點，可最佳地改變容器內部之界面液位之垂直高度，以使容器中之較濃稠液體的滯留時間不隨較濃稠液體產量之減少而增加。當產量降低時，此亦減少兩種液體之界面面積。界面結構包括打開及關閉(可打開/關閉或視系統需求而調節)以控制較濃稠液相之移除的一控制閥。藉由介於水相之最上方液位及氣體界面間之液位控制維持容器中之水液位。一水相控制器係與調節維持水相之液位的一控制閥相連。不論更濃稠液體及水相控制閥之位置為何，均將容器之內壓維持於恒定預設定或所希望水準。藉由因調節流入及流出容器之氣體而調整容器內之氣相壓力可達成此。用作氣相之特定氣體並非對本發明關鍵且係選自由空氣、N₂ 、燃氣或任何惰性、經濟、不凝結氣體組成之群，其係在所希望壓力下。在本發明之特定實施例中，該系統係用以自液態氧化還原溶液及/或再漿化水中分離熔融硫。

因此，本發明之目的係利用三相分離器系統改良自水性液體分離之較濃稠液體的品質。同樣地，本發明之目的係改良自氧化還原應用回收之硫的品質。本發明之另一目的係提供一種系統，其中硫分離器中之熔融硫的滯留時間可依硫產量而變化。本發明之又一目的係一種允許更精確的界面液位控制同時獲得改變界面表面積及滯留時間的優點之經改良的硫分離裝置。本發明之又一目的係一種允許改變介於液態氧化還原溶液及/或再漿化水及熔融硫間的界面面積之系統。本發明之另一目的係一種經調適供現有技術所用之經改良的硫分離系統。本發明之又另一目的係藉由維持容器中之恒定壓力而防止硫帶出。本發明之仍又一目的係一種回收高品質元素硫之更具成本效益之方法。

藉由考量以下詳細發明描述可更好理解本發明之特徵。在說明過程中，參照附圖。

為建立本發明之內容，參考圖1及圖2，其描繪自液態氧化還原製程製造熔融硫之已知方法。此等已知系統之任一者均未使用三種流體相分離器。使來自液態氧化還原應用的硫漿液(如2 所示，其包括懸浮於氧化還原溶液中之元素固態硫)通過硫過濾器4 。漿液可係如於諸如沉降器的濃縮裝置中製造之相對濃縮漿液(約15重量%)，或係若不使用濃縮裝置可得到之相對稀釋漿液(0.1重量%)。在硫過濾操作中，移去大部分氧化還原溶液並以濾出液形式返回該製程，如8 所示。在移除濾出液後保有之固態硫係指硫濾餅或過濾濾餅，且如5 所示。在一些應用中，將清洗水，如7 所示，噴灑於過濾濾餅上以得到介於硫濾餅與氧化還原溶液間的更好分離。此操作稱為「洗滌」。固態硫5 以及一些氧化還原溶液及洗滌水進入再漿化罐6 。如10 所示，將水加入再漿化罐6 中以產生通過硫熔爐或熱交換器12 之硫漿液。如4、6 及10 所示之過濾/洗滌/再漿化系統有助於自漿液中移除金屬離子，諸如鐵及釩及反應性溶質，其因而將減少熔融製程中形成之非所需多硫化物的量。一些系統不採用過濾/洗滌/再漿化製程，因此來自製程2 之漿液直接進入硫熔爐12 。

在已知製程中，藉由與蒸氣或熱熱傳流體的間接熱交換而於硫熔爐12 中將硫漿液加熱至硫熔點以上之溫度。因此，硫熔化，且排出硫熔體12 之熱溶液含有氧化還原水溶液及再漿化水及熔融硫。熔融硫不能混溶於氧化還原溶液及再漿化水且較此二者更濃稠。亦稱為熔體排出液之熱溶液接著經由一進口進入容器或硫分離器14 或40 。在硫分離器內部，較濃稠熔融硫小滴因重力而自較不濃稠氧化還原溶液及再漿化水中分離，且較濃稠熔融硫小滴落至硫分離器之底部。較濃稠熔融硫與氧化還原溶液或再漿化水形成一界面，如線36 所描繪。

熔融硫自硫分離器底部流出並藉由出口閥28 或62 移除。不似本發明，已知系統之硫分離器中的壓力係受控於壓力控制閥24 或47 ，其控制來自分離器之水相(即再漿化水及氧化還原溶液)之流動。此係嘗試防止水沸騰，水沸騰接著會導致熔融硫被帶入製程線，於其中凝結並導致堵塞。將自硫分離器流出之再漿化水返回至再漿化罐或送至處理。在不採用過濾/洗滌/再漿化系統之應用中，離開硫分離器之水相區域的液體將係氧化還原溶液，其中其將返回至該單元。排出硫分離器之熔融硫之流量係受自動控制閥(其一般係外面覆上蒸氣夾套)、塞閥(用於接通/斷開控制或用於調節控制之外面覆上蒸氣夾套之v球形閥)控制。間接量測分離器內之熔融硫液位的界面液位控制單元控制該控制閥。如圖1所示之先前設計使用大到足以在設計硫載量下以設計水相流量用於相分離的單一容器。一般而言，水流量決定所需尺寸。由於界面液位控制使用如分離步驟之相同直徑，故此等容器中之硫滯留時間極長。此外，於深度下降(turndown)下，分離體積大於所需體積，但卻無能力改變體積。此外，不論產量為何，在界面液位下方之硫體積為恒定。因此，暴露於操作溫度之硫滯留時間在下降條件下極長。

在如圖2所示之第二個先前製程中，窄套管46 成為液位控制部份；縮小圓錐部份44 允許分離區域中之滯留時間的變化，但需要操作者首先改變界面液位設定點以使界面在圓錐區域中。在極低產量下，界面可能實際位於套管中，如此使硫滯留時間降至最低。

現參照圖3，其闡述本發明之許多較佳實施例中之一者，該系統包括接收來自硫熔爐101 之含熔融硫氧化還原溶液的硫熔爐排出液之容器或硫分離器100 ，該排出液較佳為兩個分離流102 與103 。由於硫小滴係水滴之近兩倍濃稠，故介於兩個液相間之起始分離將發生在熱交換器之出口頭-流102 ，其主要係水溶液；及流103 ，其主要係熔融硫。藉由將此等兩種流自熱交換器分別移除，可在分離器100 中出現更有效分離。硫分離器100 包括三個區域-氣相區域105 、水相區域106 及較濃稠液相區域107 。氣相與水相區域兩者係圓柱形且具有大於較濃稠液相區域之直徑。

在熔爐排出液進入硫分離器後，較濃稠硫小滴因重力沉降至硫分離器底部，而較不濃稠水溶液上升至接近硫分離器中間的液位。雖然含熔爐排出液的進口可位在容器100 之任何位置，但較佳藉由最佳地位於硫分離器具有相對較大直徑處的一流進口將排出液分流。當排出液被引入硫分離器中時，此降低氧化還原溶液之上部速度，並允許硫小滴沉降並凝聚成較大小滴並最終在硫分離器底部形成連續熔融硫相。第二排出液進口較佳係位於接近分離器容器之較濃稠液相區域中間處。熔融硫及液態氧化還原溶液形成一界面，如虛線108 所示。容器100 之底部可具有如圖3與4所示之套管，或如圖2所示之終止於套管中之錐度更大的錐形底。

硫分離器100 中之壓力係藉由操作控制閥110 與111 之壓力控制器109 所控制。壓力控制器感應分離器100 中之壓力並視需要打開或關閉閥110 或111 以維持預設定或所需壓力，即設定點壓力。若壓力控制器感應到設定點壓力以下之壓力，則其將打開閥110 以引入加壓氣體，較佳選自由空氣、氮氣、燃氣或任何其他不凝結氣體組成之群的氣態流體，其係在所需壓力下。若感應的壓力係在設定點壓力以上，則壓力控制器將關閉閥110 並打開閥111 以自分離器之氣相區域移走或排出氣體。此經移走之氣體可用於其他製程中或點燃燃燒。

本發明之系統亦使用分別控制閥114 與115 之兩個液位控制器112 與113 。控制器112 感應介於氣相區域105 與水區域106 間之液位及控制器113 感應介於水相區域106 與較濃稠液相區域107 間之液位。閥114 控制水溶液自硫分離器之流量並防止水溶液在分離器內沸騰。將經由出口117 自硫分離器流出之水溶液返回至該單元或再漿化罐或予以處理。本系統所用之界面液位控制機構可係任何類型可靠控制機構。該等較佳機構藉由量測在位於氣相與水相液位上方及下方及水相及較濃稠液相下方及上方的壓力感應處之壓力量測硫分離器中之界面。介於兩個感應器間之壓力差表明界面液位。

該系統亦包括一出口116 ，熔融硫經其自硫分離器流出通過控制閥115 。來自硫分離器之熔融硫流率界定硫產量。介於在進口102 與103 處將熔融硫引入硫分離器中與經由出口116 移除熔融硫間之時間量界定系統中之熔融硫的滯留時間。藉由受界面液位控制機構113 控制的出口閥115 控制熔融硫之流率。界面液位控制機構113 與出口閥115 一起形成一出口控制機構或結構。界面液位控制機構112 與控制閥114 一起形成一第二控制機構。當以設計硫產量操作單元時，較佳維持接近分離器100 之較小直徑頂部之界面108 。當硫產量下降時，藉由調整界面液位控制機構113 之設定點來降低界面液位108 。

本發明亦可包括硫分離器形狀之變體，例如圖4所示之硫分離器係水平形狀。或者，分離器之內壁斜率界定較濃稠液相區域與水相區域間之錐形轉變。該系統亦可用於除氧化還原溶液外(諸如再漿化水)之液體。同樣地，該系統亦可用於除熔融硫外之液體。

具體實施例之前述描述將很充分地揭露本發明之一般性質，因此其他人在不脫離一般概念下藉由應用目前知識可輕易針對此等具體實施例之各種應用做更改及/或修改，且因此此等修改及更改係意欲包括於所揭示實施例之對等物之意思及範圍內。應瞭解本文之措詞及術語係為描述而非限制目的。

在不脫離本發明下，用於進行各種所揭示功能之方法、材料及步驟可採取各種替代形式。因此，表述「意指」及「意味」或以上技術說明書或以下專利申請範圍中得到且緊接著功能陳述之任何方法步驟語言係意欲界定及涵蓋任何結構、物理、化學或電子元件或結構，或任何現在或將來存在執行所引述功能之方法步驟，不論其是否精確對等於以上技術說明書所揭示之一個實施例或多個實施例，即可使用用於執行相同功能之其他方法或步驟；且意指此等表述將給出在以下專利申請範圍術語內之最寬廣說明。

2．．．來自液態氧化還原應用之硫漿液

4．．．硫過濾器

5．．．硫濾餅或過濾器濾餅

6．．．再漿化罐

7．．．清洗水

8．．．以濾出液形式返回至製程

10．．．水

12．．．硫熔爐或熱交換器

24．．．壓力控制閥

26．．．返回至再漿化罐

28．．．出口閥

29．．．熔融硫

30．．．界面液位控制單元

36．．．線

40．．．硫分離器

44．．．圓錐部份

46．．．窄套管

47．．．壓力控制閥

52．．．界面液位控制機構

53．．．返回至再漿化罐

62．．．出口閥

64．．．熔融硫

100．．．容器或硫分離器

101．．．硫熔爐

102．．．分離流

103．．．分離流

105．．．氣相區域

106．．．水相區域

107．．．較濃稠液相區域

108．．．虛線

109．．．壓力控制器

110．．．控制閥

111．．．控制閥

112．．．液體液位控制器/界面液位控制機構

113．．．液體液位控制器/界面液位控制機構

114．．．控制閥

115．．．控制閥

116．．．出口

117．．．出口

圖1係自漿液移除元素硫之先前技術方法的概要方塊圖；

圖2係自漿液移除元素硫之另一先前技術方法之概要方塊圖；

圖3描繪本發明之較佳實施例；及

圖4描繪本發明之替代較佳實施例。

100．．．容器或硫分離器

101．．．硫熔爐

102．．．分離流

103．．．分離流

105．．．氣相區域

106．．．水相區域

107．．．較濃稠液相區域

108．．．虛線

109．．．壓力控制器

110．．．控制閥

111．．．控制閥

112．．．液體液位控制器/界面液位控制機構

113．．．液體液位控制器/界面液位控制機構

114．．．控制閥

115．．．控制閥

116．．．出口

117．．．出口

Claims (13)

1. 一種液體分離器系統，其以組合形式包含：(a)具有一頂部、一底部、一氣相區域、一水相區域及一較濃稠液體區域之一容器，該容器在該頂部具有較該底部更大之直徑；(b)用於將第一液體及第二液體引入該容器中之一進口，該第二液體較該第一液體更濃稠，且其中該氣相區域係直接位於該第二液體之上；(c)接近該容器之該底部的一第一出口，其允許該第二液體自該容器流出；(d)與該水相區域流體連通之一第二出口；(e)與該氣相區域連通之一壓力控制器，其控制一氣體進口閥與一氣體出口閥，各閥係與靠近該容器之該頂部的一進口/出口流體連通；及(f)一界面控制結構，其經構造及佈置用於感應該容器內部介於該第一液體與該第二液體間之一界面液位及用於控制來自該第一出口之該第二液體之流量及用於回應於流量之各別增加或減少而升高或降低界面液位。
2. 如請求項1之液體分離器系統，其中該第一液體係來自氧化還原操作之氧化還原溶液及再漿化水且該第二液體係熔融硫。
3. 如請求項1之液體分離器系統，其中該容器之該頂部係圓柱形且該容器之該底部係圓柱形。
4. 如請求項3之液體分離器系統，其中該界面液位係維持 於該容器之該底部內。
5. 如請求項4之液體分離器系統，其中該容器中之該第二液體之滯留時間不隨來自該出口之流量的減少而增長。
6. 如請求項1之液體分離器系統，其中一第二界面控制結構係經構造及佈置用於感應該容器內部介於該水相區域與該氣相區域間之一界面液位及用於控制來自該第二出口之該第一液體之流量及用於回應於該第一液體流量之各別增加或減少而升高或降低第二界面液位。
7. 一種用於自含第一液體及第二液體之混合物分離硫之硫分離器系統，其以組合形式包含：(a)具有一頂部、一底部、一氣相區域、一氧化還原溶液區域及一熔融硫區域之一容器，該容器在該頂部具有較該底部更大之直徑；(b)用於將來自硫熔爐之氧化還原溶液與熔融硫之混合物引入該容器中之一進口，該熔融硫係較該氧化還原溶液更濃稠，其中該混合物在該容器內一垂直液位處形成介於該氧化還原溶液與該熔融硫間之一界面，且其中該氣相區域係直接位於該氧化還原溶液之上；(c)接近該容器之該底部的一第一出口，其允許熔融硫自該容器流出，該流量界定一硫產量；(d)與該氧化還原溶液區域流體連通之一第二出口，其使氧化還原溶液可自該容器流出；(e)與該氣相區域連通之一壓力控制器，其控制一氣體進口閥與一氣體出口閥，各閥係與靠近該容器之該頂部 的一進口/出口流體連通；及(f)一界面控制結構，其經構造及佈置用於感應該容器之該底部內之界面之垂直液位及用於回應於硫產量之各別增加或減少而升高或降低界面液位。
8. 如請求項7之硫分離器系統，其中該第一進口係與該氧化還原溶液區域連通及一第二進口係與該熔融硫區域連通。
9. 如請求項8之硫分離器系統，其中來自該硫熔爐之混合物係在該第一進口及該第二進口間分流。
10. 如請求項7之硫分離器系統，其中該容器中之熔融硫滯留時間不隨硫產量之減少而增長。
11. 一種自流體分離熔融硫之方法，其包含以下步驟之組合：(a)將包含流體及熔融硫之液態混合物引入一容器中，該熔融硫沉入該容器中並與該流體於一垂直高度處形成一界面；(b)監控該容器內之壓力並不論該界面之垂直高度為何，於該容器中自一直接位於該液態物之上的氣相區域加入或移除一氣體以維持該容器內的一預設定壓力，其中該氣體係透過氣體進口閥加入且透過氣體出口閥移除，該等閥皆由一控制器所控制；(c)自該容器移除熔融硫；及(d)回應於自該容器移除熔融硫之速率改變該界面之垂直高度。
12. 如請求項11之方法，其中該流體係液態氧化還原溶液或 再漿化水。
13. 如請求項11之方法，其中該容器中之熔融硫的滯留時間回應於自該容器移除熔融硫之速率的變化而保持恒定。