DE102010034070A1

DE102010034070A1 - 4-Wegearmatur mit Leitelementen

Info

Publication number: DE102010034070A1
Application number: DE102010034070A
Authority: DE
Inventors: Michael Heisel; Axel Meier
Original assignee: Valco Ingenieur Ug (haftungsbeschrankt); VALCO INGENIEUR UG HAFTUNGSBESCHRAENKT; ITS REAKTORTECHNIK GmbH
Current assignee: Valco Ingenieur Ug Haftungsbeschraenkt De; Axens SA
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2012-02-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine 4-Wegearmatur, die insbesondere bei der Schwefelrückgewinnung nach dem Subdewpoint-Verfahren eingesetzt werden kann, und ein derartiges Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine 4-Wegearmatur, die insbesondere bei einem Verfahren zur Schwefelrückgewinnung nach dem Subdewpoint-Verfahren eingesetzt werden kann, und ein derartiges Verfahren.
Der Einsatz von Claus-Anlagen zur Behandlung von H₂S-haltigen Gasgemischen, insbesondere von H₂S-reichen Gasgemischen, ist seit langem bekannt. Eine typische Claus-Anlage umfaßt einen thermischen und katalytischen Teil. Der thermische Teil der Claus-Anlage besteht ihm Wesentlichen aus einem Claus-Ofen, in dem unter Zugabe von Sauerstoff im Rohgas enthaltenes H₂S teilweise unter Bildung von SO₂ verbrannt wird. Im folgenden katalytischen Teil der Claus-Anlage wird das H₂S-haltige Gasgemisch, das einen gewissen Anteil SO₂ enthält, in mehreren, in der Regel zwei oder drei, katalytischen Claus-Stufen umgesetzt. In diesen katalytischen Claus-Stufen wird das bei der Verbrennung gebildete SO₂ mit H₂S nach der Claus-Reaktion in Schwefel, Wasser und Wärme umgesetzt.
Die Schwefelrückgewinnungsrate einer konventionellen Claus-Anlage ist mit einem Restschwefelanteil des Claus-Abgases von 1–3% noch ungenügend. Im Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren entwickelt worden, das Claus-Abgas (Claus tail gas) weiter von Schwefel zu befreien. Bekannte rein katalytische Verfahren, die sich der Claus-Anlage anschließen, sind im Wesentlichen Subdewpoint-Verfahren (SDP-Verfahren), oder das Direktoxidations-Verfahren. Ein detaillierter Überblick über die entsprechenden Verfahren kann beispielsweise der DE 44 09 203 A1 entnommen werden.
Subdewpoint(SDP)-Verfahren sind an sich bekannt, z. B. das SULFREEN-Verfahren von Lurgi, oder das CBA-Verfahren von Amoco/BP. Diese bekannten Verfahren haben sich gut bewährt und sind in mehr als 200 Anlagen realisiert. Im Rahmen der Einführung von „clean fuels”, d. h. im wesentlichen schwefelfreien Kraftstoffen entsteht bei der Entschwefelung von Rohöl vermehrt Ammoniak als Nebenprodukt. Der Abbau des Ammoniaks erfolgt während der Entschwefelung in den Clausanlagen. Dort reagiert der basische Ammoniak mit sauren Schwefelverbindungen, insbesondere mit H₂S, SO₂ und SO₃. Es besteht jedoch das Problem, dass sich bei dieser Stufe entstehende Ammonium-Salze in Rohrleitungen ablagern und dort zu Korrosion und insbesondere in Wärmetauschern zu Verlegungen (Verstopfungen) führen. Besonders gefährdet sind Rohrleitungen, die längere Zeit nicht durchströmt werden, sog. tote Leitungen, und Toträume in von Reaktionsgas durchströmten Bereichen.
Ein Problem der genannten SDP-Verfahren ist, dass sie regelmäßig tote Leitungen beinhalten. Dies ergibt sich aus dem verfahrenstechnischen Ablauf dieser älteren Verfahren. Auf einem bei einer Temperatur von ca 125°C betriebenen Katalysator sammelt sich flüssiger Schwefel an, der langsam diesen Katalysator deaktiviert. Für die Regenerierung wird dieser Reaktor mit heißem Gas beaufschlagt, wodurch der Schwefel abgetrieben und dann in einem Kondensator gesammelt wird. In der Zeit der Regenerierung übernimmt ein parallel geschalteter Reaktor die Reaktion bei tiefer Temperatur und wird dabei seinerseits mit flüssigem Schwefel beladen. Diese beiden Reaktoren wechseln sich regelmäßig in ihrer Aufgabe ab (siehe dazu 9, Reaktoren R23 und R23'). Die Umschaltung erfolgt im Stand der Technik meist durch den Einsatz von Auf-/Zu-Ventilen, was zu toten Leitungen führt und damit zu den benannten Problemen von Korrosion und Verlegung. Auch können abgelagerte Ammoniumsalze beim Umschalten in die Ventile gelangen und dort die empfindlichen Ventilsitze beschädigen. Dies kann zum Ausfall des Ventils oder Undichtigkeiten und somit zur Verringerung der Schwefelrückgewinnungsrate des Verfahrens führen.
Die genannten Probleme werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem Einsatz der erfindungsgemäßen 4-Wegearmatur reduziert. Toträume werden in den Leitungen, und insbesondere in den Ventilen vermieden, tote Leitungen treten nicht mehr auf. Die Ammoniumsalze sind bei Temperaturen von über ca 150°C flüchtig (mit Ausnahme von Ammoniumsulfat, das jedoch nur in geringen Mengen anfällt). Im kühlen Teil der Anlage abgelagerte Salze werden nach dem Umschalten auf die höheren Temperaturen während der Regenerierung wieder flüchtig und verlassen die Anlage über das Abgas und das Schwefelprodukt.
4-Wegearmaturen, das heißt Armaturen, die vier Öffnungen aufweisen, von denen je nach Schaltungszustand der Armatur, jeweils zwei Öffnungen miteinander in Verbindung stehen, sind bekannt. In 1 ist eine konventionelle 4-Wegearmatur schematisch dargestellt. Durch die Anordnung mit zwei Einlässen und zwei Auslässen können zum Beispiel Fluidströme, die zu unterschiedlichen Teilen eines Fluidsystems gehören, umgeschaltet oder gewechselt werden. Bei Verwendung einer 4-Wegearmatur kann somit mit einer einzigen Armatur ein Paar von Einlässen und ein Paar von Auslässen so umgeschaltet werden, dass die Beziehung der Einlässe und Auslässe untereinander geändert werden. In der Ventilstellung wie in 1 angedeutet kommunizieren beispielsweise Eingang 2 mit Ausgang 5 und Eingang 3 mit Ausgang 4. Durch Umschalten der Armatur durch Drehen des inneren Verschlusselements (Sperrelements) um 90°, kann eine Kommunikation des Eingangs 2 mit Ausgang 3 und des Eingangs 4 mit Ausgang 5 erreicht werden.
Als Alternative zur Verwendung einer 4-Wegearmatur können eine Reihe von gewöhnlichen Auf-/Zu-Ventilen eingesetzt werden. So ist eine Funktionalität wie in der 4-Wegearmatur gemäß 1 auch durch vier Auf-/Zu-Ventile realisierbar. Jedoch ist die Verwendung von vier separaten Ventilen gegenüber dem Einsatz einer einzigen Armatur aufgrund der notwendigen, einzelnen Ansteuerung der Ventile, zusätzlichen Rohrleitungen und der damit verbundenen Fehleranfälligkeit und erhöhter Kosten nachteilig.
4-Wegearmaturen werden daher vorteilhaft beim Umschalten von Fluid-, insbesondere Gasströmen, beispielsweise in der chemischen Industrie eingesetzt, um beispielsweise bei Batch-Prozessen zwischen parallel arbeitenden Reaktoren umzuschalten. Wenn die Reaktion in einem Reaktor abgeschlossen ist, wird dieser außer Betrieb genommen und an seiner Stelle der andere Reaktor gestartet, in dem dann die Reaktion abläuft. Während dieser Phase wird der Reaktor, in dem die Reaktion abgeschlossen ist, entleert und anschließend mit Reaktanten neu befüllt.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren der Schwefelrückgewinnung aus schwefelhaltigen (H₂S-haltigen) Reaktionsgasen nach dem Subdewpoint-Verfahren werden erfindungsgemäß zwei Claus-Reaktoren mittels zwei 4-Wegearmaturen umgeschaltet. In diesem Verfahren, wie in 9 angedeutet, wird ein Reaktor auf höherer Temperatur und ein zweiter auf niedrigerer Temperatur hintereinander betrieben. In dem kühleren, zweiten Reaktor sammelt sich der erzeugte Schwefel an, indem er auf dem Katalysator adsorbiert wird. Bei Erreichen der maximalen Schwefelbeladung des zweiten, kälteren Reaktors wird durch Umschalten der beiden 4-Wegearmaturen (22) die Reihenfolge der Reaktoren vertauscht. Der schwefelbeladene Reaktor wird jetzt als erster Reaktor bei erhöhter Temperatur gefahren. Durch die höhere Temperatur tritt der Schwefel aus und wird in Schwefelabscheidern aufgefangen.
Bei dem Einsatz der Armaturen als Steuerelemente für Fluidströmungen in chemischen Verfahren, wie in einem Verfahren zur Schwefelrückgewinnung nach dem Subdewpoint-Verfahren, müssen die eingesetzten Bauteile, insbesondere auch die 4-Wegearmaturen, bestimmte Voraussetzungen erfüllen. So werden derartige Prozesse üblicherweise bei geringem Gasdruck, typischerweise zwischen 1 bar und 2 bar absolut, gefahren, wodurch die Volumina der Prozessgase groß sind. Dies bedingt eine gewisse Größe der Armaturen, um einen zu großen Strömungswiderstand durch zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten zu vermeiden. Die Größe bedingt bei der Anwendung im Bereich höherer Temperaturen, beispielsweise circa 260°C bis 300°C am Austritt des ersten Reaktors im genannten Verfahren zur Schwefelrückgewinnung, dass thermisch bedingte Verformungen kaum vermieden werden können, die zu Funktionsstörungen führen können.
Ein weiteres Problem ist, dass Armaturen in der chemischen Industrie möglichst dicht bezüglich Kontakt zwischen den verschiedenen Gaswegen sein müssen, weil bei einer Undichtigkeit der Armatur die Reaktionskomponenten auf die falsche Seite des Sperrelements gelangen würden. So kann beispielsweise bei dem Verfahren zur Schwefelrückgewinnung unter Umständen giftiges SO₂ in die Atmosphäre gelangen. Eine weitere Herausforderung an die Armatur ist, dass die Armaturen nur geringen Druckverlust aufweisen dürfen. Dies gilt insbesondere bei Verfahren zur Schwefelrückgewinnung aus schwefelhaltigen Reaktionsgasen, weil hier das Reaktionsgas typischerweise nur unter geringem Druck vorliegt, und ein unnötiger Druckverlust durch Gegenmaßnahmen, wie dem Einsatz von Verdichtern, ausgeglichen werden müsste. Verdichter sind jedoch teuer und fehleranfällig, da diese bewegte Bauteile aufweisen. Insbesondere besteht die Gefahr von Verlegungen durch elementaren Schwefel, der an kalten Stellen des Verdichters als Feststoff ausfallen kann, etwa in den Lagern des Rotors. Das kann leicht zu Schäden und dem Ausfall dieser Lager führen. Des weiteren bedeuten Undichtigkeiten am Gehäuse die Gefahr des Austritt giftigen schwefelhaltigen Gases, was nicht akzeptabel ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung lag somit darin, eine verbesserte 4-Wegeamatur zur Verfügung zu stellen, die die oben genannten Probleme des Stands der Technik nicht aufweist und die insbesondere in Verfahren zur Schwefelrückgewinnung nach dem Subdewpoint-Verfahren eingesetzt werden kann, d. h. bei hohen Temperaturdifferenzen, ausreichende Gängigkeit sicherstellt, und gleichzeitig minimiertem Strömungswiderstand aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Armatur, umfassend ein Gehäuse (1) mit mindestens einer ersten, zweiten, dritten und vierten Öffnung (2, 3, 4, 5) und ein Sperrelement (6), wobei mindestens zwei Räume (8, 8') innerhalb des Gehäuses (1) zwischen dem Sperrelement (6) und dem Gehäuse (1) vorgesehen sind, und das Sperrelement (6) um eine Drehachse (7) zwischen einer ersten und einer zweiten Position derart drehbar ist, dass in der ersten und in der zweiten Position die Verbindung zwischen jeweils zwei Öffnungen des Gehäuses (1) und einem der Räume (8, 8') derart ist, dass einer der Räume (8, 8') eine Verbindung zwischen den beiden Öffnungen des Gehäuses (1) herstellt, wobei mindestens einer der Räume (8, 8') mindestens ein Leitelement (9) zwischen dem Sperrelement (6) und dem Gehäuse (1) aufweist. Hierdurch werden in mindestens einem der Räume (8, 8') die Toträume durch Einbauten minimiert. Erfindungsgemäß ist die Minimierung der Toträume in der Armatur durch Vorhandensein mindestens eines Leitelements (9) zwischen dem Sperrelement (6) und dem Gehäuse (1) verwirklicht, wobei insbesondere das/die Leitelement(e) (9) im Wesentlichen entlang der jeweiligen Strömungsrichtung des Fluids angeordnet ist/sind. Alternativ oder zusätzlich ist das Sperrelement (6) derart ausgebildet, dass es, insbesondere im Bereich des Kontaktes mit dem Gehäuse (1), eine Verdickung aufweist. Die Verdickung ist vorzugsweise so ausgeführt, dass sie sich über etwa 10% bis 30% der Länge des Sperrelements (6) an mindestens einem Ende, vorzugsweise beiden Enden, erstreckt. So können sich insbesondere an den Enden des Sperrelements, d. h. im Übergang von jeweils zwei Öffnungen (2, 3, 4 und 5), nur minimiert Toträume bilden. Die Verdickung des Sperrelements ist typischerweise von etwa 100% bis etwa 300% der Dicke des Sperrelements an dessen dünnster Stelle, vorzugsweise an der Stelle der Rotationsachse, ausgeführt. Vorzugsweise ist die Verdickung so ausgeführt, dass das Sperrelement den Bereich zwischen zwei Öffnungen, d. h. den Bereich des Gehäuses (1) zwischen jeweils zwei benachbarten Öffnungen, abdeckt. D. h., das Sperrelement (6) weist etwa eine Dicke auf, die dem kürzesten Abstand zwischen zweier Schnittlinien entspricht, wobei die Schnittlinien dem Übergang zweier benachbarter Öffnungen in das Gehäuse entsprechen.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Armatur so ausgebildet, dass in der ersten Position:

a) Öffnung (2) des Gehäuses (1) in Verbindung mit dem Raum (8) ist, und Raum (8) in Verbindung mit der Öffnung (3) ist, und
b) Öffnung (4) des Gehäuses (1) in Verbindung mit dem Raum (8') ist, und Raum (8') in Verbindung mit der Öffnung (5) ist, und

c) Öffnung (2) des Gehäuses (1) in Verbindung mit dem Raum (8) ist, und Raum (8) in Verbindung mit der Öffnung (5) ist, und
d) Öffnung (3) des Gehäuses (1) in Verbindung mit dem Raum (8') ist, und Raum (8') in Verbindung mit der Öffnung (4) ist.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass ausgehend von einer bekannten 4-Wegeamatur, die sich durch ein Gehäuse mit typischerweise mindestens vier Öffnungen und einem Sperrelement auszeichnet, Toträume reduziert, und der Strömungswiderstand der 4-Wegearmatur durch Verdickungen am Sperrelement und/oder Hinzufügen von einem oder mehreren Leitelementen zwischen dem Sperrelement und dem Gehäuse in dem Hohlraum entlang der Strömungsrichtungen des Fluids weiter vermindert werden kann. Somit können die Vorteile des bekannten 4-Wegearmaturaufbaus, insbesondere der vorteilhaften Temperaturgängigkeit bei geringer Ausfall- und Klemmrate, kombiniert werden mit geringem Druckverlust und minimierten Toträumen. Dies wird erfindungsgemäß durch den Einsatz der Verdickungen und/oder der Leitelemente erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leitelemente an dem Sperrelement befestigt, das heißt, dass die Leitelemente sich bei Betätigung der Armatur durch Drehung des Sperrelements mit diesem mitbewegen. Gegebenenfalls weist die Armatur zusätzliche Leitelemente in dem Teil der Armatur, der vom Sperrelement nicht überstrichen wird, beispielsweise in mindestens einer Öffnung, bevorzugt in allen Öffnungen, auf. Die zusätzlichen Leitelemente sind somit am Gehäuse fixiert, und verändern Ihre Position beim Umschalten der Armatur nicht. Gegebenenfalls sind Querstreben zwischen den Leitelementen vorhanden. Die Querstreben führen zu einer Stabilisierung der eingebauten Leitelemente.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in der Armatur gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Räume (8, 8') vorhanden, und in beiden Räumen sind Leitelemente vorgesehen. Vorzugsweise umfassen die Räume (8, 8') den durch vollständige Rotation des Sperrelements überstrichenen Raum, der durch das Sperrelement in beide Räume (8, 8') aufgeteilt wird.
Bei den Leitelementen in der Armatur der vorliegenden Erfindung handelt es sich typischerweise um dünnwandige Bleche oder Folien, vorzugsweise Bleche aus demselben Material wie das Ventilgehäuse, und mit einer Stärke von etwa 1 mm bis etwa 5 mm. Die Bleche sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie im Wesentlichen entlang der Strömungsrichtung des Fluids in dem entsprechenden Bereich geformt sind, also insbesondere im Wesentlichen entlang der Strömungslinien, die das Fluid bei der Durchströmung des entsprechenden Raums, den das Ventilgehäuse umfasst, nachzeichnet. Bevorzugt sind die Leitelemente im Wesentlichen entlang einer oder mehrerer Strömungslinien entlang der Räume, die zwischen Sperrelement und Gehäuse gebildet werden, ausgebildet, das heißt die Leitelemente umfassen in ihrer Längsausrichtung im Wesentlichen den Raum (8, 8'), der durch vollständige Rotation (360°) des Sperrelements überstrichen wird. Vorzugsweise decken die Leitelemente somit mindestens 90%, mehr bevorzugt mindestens 95% mindestens einer Strömungslinie in dem Raum (8, 8'), der durch vollständige Drehung des Sperrelements überstrichen wird, ab. Am meisten bevorzugt sind die Leitelemente auf beiden Seiten des Sperrelements, das heißt in beiden Räumen (8, 8') vorhanden. Vorzugsweise bestehen die Leitelemente aus demselben Material wie die Armatur, beziehungsweise des Sperrelements, da thermische Belastungen durch Längenänderungen hierdurch einfacher kompensiert werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Armatur symmetrisch ausgebildet, dass heißt die Öffnungen (2, 3, 4, 5) und/oder die Leitelemente (9) sind beispielsweise symmetrisch um die Drehachse des Sperrelements (6) angeordnet. Vorzugsweise ist die Armatur zur Optimierung des Raumbedarfs mit vier Anschlüssen ausgestattet, die in einer Ebene jeweils um typischerweise 75°–105°, vorzugsweise von etwa 90°, versetzt angeordnet sind. Das vorzugsweise in etwa planar ausgebildete Sperrelement (6) schaltet typischerweise durch Rotation um etwa 90° zwischen den verschiedenen Schaltzuständen der 4-Wegearmatur um. Der symmetrische Aufbau der Armatur ermöglicht höchste Stabilität, insbesondere bei unterschiedlicher thermischer Belastung der verschiedenen Strömungswege, bei minimalem Materialaufwand.
Das Sperrelement weist typischerweise an den Kontaktstellen mit dem Gehäuse die zur Abdichtung im Stand der Technik bekannten Dichtelemente auf, wie zum Beispiel Kunststoff- oder Metalldichtungen. Entsprechende Dichtungen sind auch an der Aufhängung des Sperrelements, das heißt in den Lagern der Rotationsachse des Sperrelements, die die Rotation zum Umschalten der Schaltzustände der 4-Wegearmatur ermöglicht, vorhanden. Derartige Dichtungen sind im Stand der Technik bekannt. Auch weist die Armatur typischerweise an jeder Öffnung die im Stand der Technik gängigen Anschlüsse, beispielsweise Flansche, mit Möglichkeit zur Aufnahme von Dichtungen auf. Typische geeignete thermisch und chemisch beständige Materialien für das Gehäuse und das Sperrelement sind bekannt, beispielsweise genannt sei Edelstahl, insbesondere hochlegierte Stähle.
Typische Nennweiten von Armaturen, wie sie in den beschriebenen Prozessen eingesetzt werden, sind 50–1000 mm, vorzugsweise 500–1000 mm, beispielsweise etwa 700 mm. Vorteilhafte Gesamtabmessungen der Armaturen ergeben sich entsprechend aus den in den Figuren (insbesondere 6) angedeuteten Längenverhältnissen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse der erfindungsgemäßen Armatur beheizbar, insbesondere weist es einen Mantel zur Durchleitung eines Heizmediums auf. Der Mantel umfasst vorzugsweise im Wesentlichen das gesamte Gehäuse, die Außenseiten der Öffnungen und Zuleitungen zum Sperrelementraum, sowie die Außenseiten der Teile des Gehäuses, die mit dem Sperrelement in Kontakt treten. Bevorzugt ist auch das Sperrelement selbst beheizbar, beispielsweise durch vorhandene Kanäle im Inneren des Sperrelements, durch die ein Heizmedium geleitet werden kann. Typisches Heizmedium, beispielsweise in Verfahren zur Schwefelrückgewinnung, ist Wasserdampf, das heißt der Mantel der Armatur beziehungsweise die Kanäle des Sperrelements müssen typischerweise derart ausgelegt sein, dass sie mit Wasserdampf, beispielsweise bei Drücken von typisch 5 bis 6 bar absolut und Temperaturen von 140 bis 150°C aufgeheizt werden können. Durch die Beheizbarkeit des Armaturengehäuses und insbesondere des Sperrelements wird gewährleistet, dass keine Kondensation beziehungsweise Anhaftungen durch das die Armatur passierende Fluid die Funktion der Armatur beeinträchtigen können. So wird typischerweise bei Verfahren zur Schwefelrückgewinnung das Ankondensieren von Schwefel durch Heizen aller Elemente, die mit den Reaktionsgasen in Kontakt kommen, auf Temperaturen oberhalb des Schwefeltaupunkts gewährleistet. Typischerweise sind die Kreisläufe des Heizmediums und die von der Armatur gesteuerten Fluidströme getrennt.
Die erfindungsgemäße Armatur kann somit besonders vorteilhaft in Verfahren zur Schwefelrückgewinnung aus H₂S-haltigen Reaktionsgasen, insbesondere nach dem Subdewpoint-Verfahren, wie beispielsweise in DE 44 09 203 A1 beschrieben, verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit auch ein Verfahren zur Schwefelrückgewinnung aus einem H₂S-haltigen Gasgemisch,

a) wobei das Gasgemisch einer Claus-Anlage der Entschwefelung unter Gewinnung von elementarem Schwefel unterworfen wird, und/oder
b) das Claus-Rohgas, gegebenenfalls nach Hydrierung, einer katalytischen Direktoxidation des H₂S zu elementarem Schwefel unterzogen wird,
c) wobei das Verfahren in mindestens zwei Reaktoren durchgeführt wird, die hintereinander von Reaktionsgas durchströmt werden, und die Reihenfolge, mit der die zwei Reaktoren durchströmt werden, mittels mindestens zwei Armaturen, vorzugsweise die erfindungsgemäßen 4-Wegearmaturen wie oben beschrieben, geschaltet, d. h. vertauscht werden kann.

Gegebenenfalls werden die in dem Verfahren die noch im Claus-Abgas enthaltenen Schwefelverbindungen mittel Hydrierung und gegebenenfalls mittels Hydrolyse in H₂S umgewandelt.
Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Schwefelrückgewinnung mindestens ein Reaktor, insbesondere mindestens zwei Reaktoren, die in ihrer Reihenfolge geschaltet werden, eingesetzt, die innen gekühlt werden.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen 4-Wegearmaturen in einem Verfahren zur Schwefelrückgewinnung, insbesondere nach dem Subdewpoint-Verfahren.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Armatur werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer bekannten 4-Wegearmatur.
2 zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer bekannten 4-Wegearmatur, wobei vorhandene Toträume (14) durch Schraffur angedeutet sind.
3 zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen 4-Wegearmatur mit Verdickungen (16) des Sperrelements im Bereich der Gehäusewand.
4 zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen 4-Wegearmatur mit Verdickungen des Sperrelements im Bereich der Gehäusewand und mit Leitelementen (9) und (9').
5 zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen 4-Wegearmatur mit Verdickungen des Sperrelements im Bereich der Gehäusewand und mit Leitelementen (9) und (9'), wobei zusätzlich die Strömungslinien (15) angedeutet sind.
6 zeigt die Draufsicht einer erfindungsgemäßen 4-Wegearmatur mit Leitelementen (9) und beheizbarem Gehäuse.
7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Sperrelements (6) der erfindungsgemäßen Armatur in Seitenansicht mit Schnitt (A).
8 zeigt eine isometrische Aussenansicht eines erfindungsgemäßen 4-Wegeventils mit Leitelementen (9) und (9').
9 zeigt ein Verfahrensschema zur Schwefelrückgewinnung aus H₂S-haltigen Gasen nach dem Subdewpoint-Verfahren.
3 zeigt die Draufsicht einer bevorzugten Armatur mit vier Öffnungen (2, 3, 4, 5) und Sperrelement (6). Das Sperrelement (6) weist an den Enden im Bereich des Kontakts mit dem Gehäuse Verdickungen (16) auf. Die Verdickungen (16) sind derart ausgestaltet, dass das Sperrelement im Bereich der kürzesten Verbindungen der jeweiligen Öffnungen (2) und (3) bzw. (4) und (5) die Gehäusewand nahezu vollständig abdeckt. Hierbei werden die in 2 angedeuteten Toträume (14) vermieden.
4 zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer bevorzugten Armatur, die sowohl Leitelemente (9) innerhalb des durch das Sperrelement überstrichenen Raumes, sowie Leitelemente (9') innerhalb der Öffnungen aufweist.
5 zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht der Armatur gemäß 4, in der in der Draufsicht zusätzliche Strömungslinien (15) angedeutet sind, die das Fluid beim Durchströmen des Ventils nachzeichnet. Durch die Form des Sperrelements und der Form der Leitelemente werden insbesondere die Toträume (14), wie in 2 dargestellt, vermieden.
6 zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer bevorzugten Armatur mit Gehäuse (1), vier Öffnungen (2, 3, 4, 5) und Sperrelement (6). Das Sperrelement (6) ist um die Drehachse (7) drehbar gelagert fixiert. Durch das Sperrelement (6) wird der durch Drehung des Sperrelements überstrichene Raum innerhalb des Gehäuses (1) in zwei Räume (8, 8') aufgeteilt. Innerhalb der Räume sind Leitelemente (9), die mit dem Sperrelement (6) in mechanischem Kontakt stehen, installiert. Das Armaturengehäuse (1) weist einen Mantel (10) auf, durch den mittels Zuläufen (11) und Abläufen (12) Heizmedium zum Temperieren des Armaturengehäuses geleitet werden kann. Das Sperrelement (6) weist entsprechende Kanäle (13) zum Durchleiten des Heizmediums auf.
In 7 ist in der Seitenansicht des Sperrelements (6) die Anordnung der im Sperrelement befindlichen Kanäle (13) einschließlich Zuleitungen (11) und Ableitungen (12) des Heizmediums dargestellt. Aus dem Schnitt A wird ersichtlich, dass die Kanäle (13) im Inneren des Sperrelements angeordnet sind. Die Zu- und Abführung des Heizmediums wird vorzugsweise durch die Drehachse des Sperrelements geführt. Wie in 2 angedeutet, sind die Leitelemente (9) im Wesentlichen entlang Strömungslinien des Fluids durch die Räume (8, 8') angeordnet. Die räumliche Erstreckung der Leitelemente ist vorzugsweise derart, dass die Räume (8, 8') in etwa gleich große Unterkompartimente, beispielsweise 2, in etwa volumenmäßig gleich große Unterkompartimente, geteilt wird, wobei im Wesentlichen der gesamte vom Sperrelement (6) beim Rotation um 360° überstrichenen Raum abgedeckt wird. Durch die in 4 angedeutete Anordnung der Leitelemente wird erreicht, dass beim Durchströmen des Fluids durch die Armatur der Druckverlust minimiert wird und Totvolumnina vermieden werden.
8 ist eine isometrische Ansicht der vorliegenden Erfindung mit Gehäuse (1) und Leitelementen (9), die an dem Sperrelement befestigt sind, sowie Leitelementen (9'), die in den Öffnungen vorhanden sind. Ebenfalls angedeutet sind Querstreben (9''), die zwischen den Leitelementen (9) zu deren Stabilisierung eingefügt sind.
Die erfindungsgemäßen Armaturen werden bevorzugt in einem Verfahren zur Gewinnung von elementarem Schwefel aus einem H₂S enthaltendem Gasgemisch (auch Sauer-Gas oder Claus-Gas genannt) eingesetzt, wie es beispielsweise in 9 schematisch dargestellt ist. In einem derartigen Verfahren wird typischerweise das in einer Clausanlage durch teilweise Verbrennung von H₂S mit Sauerstoff erhaltene Clausabgas, das somit H₂S und SO₂ enthält, eine Entschwefelung unter Gewinnung von elementarem Schwefel unterzogen. Hierbei wird das Clausabgas über die Zuleitung (20) und die erste 4-Wegearmatur (22) dem Claus-Reaktor (23), der den Katalysator enthält, zugeführt. Dort findet entsprechend der Claus-Reaktion eine Umsetzung von H₂S mit SO₂ in elementaren Schwefel statt. Das vom Claus-Reaktor (23) abgezogene Gas wird über eine weitere 4-Wegearmatur (22) in einen Schwefelkondensator (24) eingespeist. Elementarer Schwefel kann über Kondensationsstufen (24) abgetrennt und in einem Produktsammelbehälter (26) aufgefangen werden. Das Claus-Abgas wird nach der (ersten) Schwefelrückgewinnung und nach Aufheizung (27) über die erste 4-Wegearmatur dem zweiten Reaktor (23') zugeführt, der bei niedrigeren Temperaturen gefahren wird. Das Abgas des zweiten Reaktors (23') wird über die zweite 4-Wegearmatur (22) und über Leitungen (21) abgeführt. Der zur Entschwefelung nötige Wärmebedarf wird über Dampfzuleitungen (25) zur Verfügung gestellt. Durch synchrones Umschalten beider 4-Wegearmaturen (22) kann somit auf einfachste Weise die Reihenfolge der Reaktoren (23) und (23') vertauscht werden. Der (im Verfahrensablauf) erste Reaktor wird gewöhnlicherweise bei Temperaturen von circa 260°C bis 300°C betrieben. Der erzeugte Schwefel wird teilweise in dem nachfolgenden Schwefelkondensator rückgewonnen. Der zweite Reaktor wird am Gasaustritt im Temperaturbereich von 100°C bis 130°C betrieben, das heißt unterhalb des Schwefeltaupunkts oder sogar des Schwefelfestpunkts. Diese tiefere Temperatur verschiebt das Claus-Gleichgewicht in Richtung der Schwefelbildung, sodass die Schwefelrückgewinnungsrate auf bis zu 99,85% ansteigt. Auch führt die niedrige Temperatur zur Ablagerung von elementarem Schwefel in dem zweiten Reaktor. Wenn der zweite, kältere Reaktor mit Schwefel beladen ist wird er durch Umschalten der 4-Wegearmaturen (22) an die Position des bisherigen ersten Reaktors geschaltet, wo er bei der hohen Temperatur regeneriert wird. Der früher erste Reaktor wird auf die tiefere Betriebstemperatur des zweiten Reaktors gekühlt. Diese Umschaltung erfolgt in großtechnischen Anlagen typischerweise einmal pro Tag. Der Einsatz der erfindungsgemäßen 4-Wegearmaturen garantiert hierbei ein reibungsloses Umschalten unter Vermeidung von Toträumen und toten Leitungen ohne die Gefahr, dass unerwünschte Reaktionsgase austreten. Auch ist der Einsatz der 4-Wegearmaturen vorteilhaft, da zu keinem Zeitpunkt ein Blockieren der Anlage durch Falschstellen der Armaturen möglich ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Armatur besteht darin, dass mit Hilfe der Leitelemente der Druckverlust durch die Armatur minimal wird. Auch werden Totvolumina in der Armatur vermieden. Des Weiteren wird durch den einfachen, symmetrischen Aufbau ein identischer Druckverlust in alle Richtungen bei beiden Schaltzuständen der Armatur gewährleistet. Auch führt der relativ einfache symmetrische Aufbau dazu, dass trotz hoher Temperaturbelastung und Temperaturunterschieden zwischen den Reaktionsgasen des ersten und zweiten Reaktors von bis zu 200°C thermische Spannungen nicht zu Problemen bei den Schaltvorgängen der Armatur führen. Durch die in 6 und 7 angedeuteten Möglichkeiten der Heizung sowohl des Gehäuses der Armatur als auch des Sperrelements wird ein Abscheiden von Material aus den Reaktionsgasen vermieden, was ebenfalls die dauerhafte Funktionstüchtigkeit der Armatur sicherstellt.
Beispiel

In einer Schwefelrückgewinnungsanlage, die nach dem Claus-Prozess betrieben wird, wurde die Gesamtmenge von 148 kmol/h an Rohgas mit folgender Zusammensetzung der Entschwefelung unterworfen:

Bestandteil des Rohgases	Anteil (mol%)
Kohlenwasserstoff mit 1 Kohlenstoff	0,26
Kohlendioxid	1,57
Kohlenwasserstoff mit 2 Kohlenstoffen	0,37
H₂S	73,54
NH₃	23,33
Kohlenwasserstoff mit 3 Kohlenstoffen	0,60
verzweigter Kohlenwasserstoff mit 4 Kohlenstoffen	0,14
verzweigter Kohlenwasserstoff mit 5 Kohlenstoffen	0,19

Die Claus-Anlage wurde mit einer stöchiometrischen Luftmenge betrieben. Es wurden Armaturen, einschließlich 4-Wege-Armaturen, mit einer Nennweite von 700 mm eingesetzt. Die 4-Wege-Armaturen wiesen Leitelemente mit einer Stärke von etwa 3 mm auf. Die Anordnung der Leitelemente war wie in 8 dargestellt. Der Druckverlust der 4-Wege-Armatur mit Leitelementen ist etwa 5–10% geringer als der Druckverlust der unter Verwendung der entsprechenden Armatur ohne Leitelemente auftritt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4409203 A1 [0003, 0024]

Claims

Armatur, umfassend ein Gehäuse (1) mit mindestens einer ersten, zweiten, dritten und vierten Öffnung (2, 3, 4, 5) und ein Sperrelement (6), wobei mindestens zwei Räume (8, 8') innerhalb des Gehäuses (1) zwischen dem Sperrelement (6) und dem Gehäuse (1) vorgesehen sind, und das Sperrelement (6) um eine Drehachse (7) zwischen einer ersten und einer zweiten Position derart drehbar ist, dass in der ersten und in der zweiten Position die Verbindung zwischen jeweils zwei Öffnungen des Gehäuses (1) und einem der Räume (8, 8') derart ist, dass einer der Räume (8, 8') eine Verbindung zwischen den beiden Öffnungen des Gehäuses (1) herstellt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Räume (8, 8') mindestens ein Leitelement (9) zwischen dem Sperrelement (6) und dem Gehäuse (1) aufweist.
Armatur gemäß Anspruch 1, wobei in der ersten Position: a) Öffnung (2) des Gehäuses (1) in Verbindung mit dem Raum (8) ist, und Raum (8) in Verbindung mit der Öffnung (3) ist, und b) Öffnung (4) des Gehäuses (1) in Verbindung mit dem Raum (8') ist, und Raum (8') in Verbindung mit der Öffnung (5) ist, und in der zweiten Position: c) Öffnung (2) des Gehäuses (1) in Verbindung mit dem Raum (8) ist, und Raum (8) in Verbindung mit der Öffnung (5) ist, und d) Öffnung (3) des Gehäuses (1) in Verbindung mit dem Raum (8') ist, und Raum (8') in Verbindung mit der Öffnung (4) ist.
Armatur gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das/die Leitelement(e) (9) im Wesentlichen entlang der jeweiligen Strömungsrichtung des Fluides angeordnet ist/sind, und/oder das Sperrelement (6), vorzugsweise im Bereich des Kontaktes mit dem Gehäuse (1), eine Verdickung (16) aufweist.
Armatur gemäß einem der vorigen Ansprüche, worin das/die Leitelement(e) (9) an dem Sperrelement (6) befestigt ist/sind.
Armatur gemäß einem der vorigen Ansprüche, worin das/die Leitelement(e) (9) in Form von Blechen ausgebildet ist/sind.
Armatur gemäß einem der vorigen Ansprüche, worin zwei Räume (8, 8') vorhanden sind, und in beiden Räumen Leitelemente (9) vorhanden sind.
Armatur gemäß einem der vorigen Ansprüche, worin das/die Leitelement(e) (9) im Wesentlichen entlang der Räume (8, 8') ausgebildet sind.
Armatur gemäß einem der vorigen Ansprüche, in dem die Öffnungen (2, 3, 4, 5) und/oder die Leitelemente (9) symmetrisch um die Drehachse (7) ausgebildet sind.
Armatur gemäß einem der vorigen Ansprüche, bei dem das Gehäuse (1) beheizbar ist, und insbesondere einen Mantel (10) zur Durchleitung eines Heizmediums aufweist.
Armatur gemäß einem der vorigen Ansprüche, bei dem das Sperrelement (6) beheizbar ist, und insbesondere Kanäle (13) zur Durchleitung eines Heizmediums aufweist.
Verfahren zur Schwefelrückgewinnung aus einem H₂S-haltigen Gasgemisch, wobei a) das Gasgemisch einer Claus-Anlage einer Entschwefelung unter Gewinnung von elementarem Schwefel unterworfen wird, b) oder wobei das Claus-Rohgas einer katalytischen Direktoxidation des H₂S zu elementarem Schwefel unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass c) das Verfahren in mindestens zwei Reaktoren durchgeführt wird, die hintereinander von Reaktionsgas durchströmt werden, und die Reihenfolge, mit der die zwei Reaktoren durchströmt werden, mittels mindestens zwei Armaturen gemäß einem der Ansprüche 1–10 geschaltet werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei mindestens ein Reaktor innen gekühlt wird.
Verwendung einer Armatur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 bei einem Verfahren zur Schwefelrückgewinnung aus H₂S-haltigen Gasen, insbesondere nach dem Subdewpoint-Verfahren.