KR920003217B1

KR920003217B1 - 산성기체로부터 황을 회수하기 위한 공정

Info

Publication number: KR920003217B1
Application number: KR1019880001984A
Authority: KR
Inventors: 게자 스제켈리 앤드류
Original assignee: 유니온 카바이드 코포레이션; 티모티 엔.비숍
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1988-02-26
Publication date: 1992-04-24
Also published as: JPS63225503A; EP0280331A3; EP0280331A2; MX167608B; KR880009865A; BR8800796A

Abstract

내용 없음.

Description

산성기체로부터 황을 회수하기 위한 공정

본 도는 본 발명의 공정의 한 구현을 개략적으로 나타낸 흐름선도이다.

본 발명은 클라우스황 회수 분야에 관한 것으로, 상세하게는 산성기체가 산소 또는 산소가 풍부한 공기로 연소되는 공정에 관한 것이다.

클라우스 공정은 황화수소를 함유하는 산성기체 및 다른 기체들로부터 황을 제조하기 위해 폭넓게 사용된다. 클라우스 공정에서, 황화수소를 함유하는 산성기체는 이산화황을 형성하기 위해 공기로 연소된다. 연소 생성물들은 냉각되고, 연소되지 않은 황화수소는 이산화황과 반응하여 황 및 물을 형성한다. 반응흐름은 냉각되고, 황을 응축시켜, 회수한다. 그 다음 반응흐름은 하나 또는 그 이상의 촉매 반응기를 통과하여 추가의 황은 사전에 반응하지 않은 황화수소와 이산화황의 반응에 의해 제조된다.

공정에 제공된 산소의 양은 유입되는 황화수소의 약

과 산성기체중의 다른 연소가능한 모든 성분들을 연소하기 위해 충분한 양이다. 공기는 약 21퍼센트의 산소를 함유하므로, 충분한 양의 불활성질소가 시스템을 통과한다. 더욱더, 산성기체중의 황화수소농도가 증가한다면 더 많은 양의 산소가 필요하고, 즉 시스템을 통과하는 더 많은 양의 불활성질소를 필요로 할 것이다. 질소의 증가된 흐름은 시스템내의 압력저하를 증가시키고, 반응기내의 반응물의 잔류시간을 감소시키고, 정제 기체 처리 유닛내에서 처리되는 기체 부피를 증가시킨다. 질소는 클라우스 공정에서 바람직하지 않게 희석되나, 산성기체가 공기로 연소되는 것을 피할 수 없다.

이 분야의 당업자들은 산화제로서 산소 또는 산소가 풍부한 공기를 사용하여 이러한 비생산적인 질소제조의 문제를 해결하였고, 이러한 기술은 시스템을 통과하는 쓸모없는 질소의 양을 감소시킬 수 있다.

그러나, 유입되는 산성기체가 약 50% 이상의 황화수소 및 다른 연소물질을 함유하는 경우에, 연소반응의 온도는 산소 또는 산소가 풍부한 공기가 산화제일때 연소지역의 내화물의 온도내성을 초과할 수 있다.

이 분야의 당업자들은 연소지역 반응물을 희석하기 위해 연소지역으로 일부분의 하류흐름을 역류 재순환시켜 높은 연소지역 온도의 문제를 해결하였고, 그 결과 연소 온도가 감소되었다. 예를 들면 후작크(Hujsak)의 미합중국 특허 3,681,024호는 마지막 황응축기로부터 연소지역으로 일부분의 기체 유출액을 재순환시키는 것을 제시하였고, 고어(Goar)의 미합중국 특허 4,552,747호는 제1황 응축기로부터 연소지역으로 일부분의 기체 유출액을 재순환시키는 것을 제안하였다.

그러나, 재순환 공정과 관련된 문제는 거의 대부분의 재순환된 기체가 질소로서 열용량 기초위에 요구되기 때문에 풍부한 산소로 대치되고, 생산속도의 중요한 증가는 단지 연소지역으로 전체 기체의 유입속도를 증가시켜 달성될 수 있다는 것이다. 그러나, 기체 유입속도의 이러한 증가는 주 기체흐름의 분획이 재순환을 위해 전환되는 지점까지 연소지역의 하부흐름 및 압력저하를 증가시킨다. 더욱더, 재순환기체의 측정, 조절 및 재가압화와 관련된 장치들이 파괴되기 쉽고, 플랜트의 연속적인 조작이 위험할 수 있다.

즉, 산소 또는 산소가 풍부한 공기가 산화제로서 사용될 수 있고, 기체 재순환이 연소지역이 과다하지 않은 온도를 유지하기 위해 필요하지 않은 클라우스공정이 바람직할 것이다.

그러므로, 본 발명의 목적은 연소지역으로 기체 재순환을 위한 요구없이 산소 또는 산소가 풍부한 공기와 더불어 산성기체의 연소에 의해 황의 회수를 위한 개량된 공정을 제공하는 것이다.

본 명세서에 의해 이 분야의 당업자들에게 명백하게될 상기 및 다른 목적들은 (A) 반응 흐름을 형성하기 위해 연소지역으로 황화수소, 산화제 및 물을 함유하는 산성기체를 제공하고; (B) 반응 흐름으로 이산화황을 제공하기 위해 물의 존재하에 산화제와 함께 황화수소를 연소하고; (C) 황을 제조하기 위해 이산화황과 황화수소를 반응시키고; (D) 반응 흐름으로부터 황을 회수하고; (E) 응축시켜 반응흐름으로부터 물을 제거하고; (F) 황을 더욱 생산하기 위해 부분적으로 수분을 제거한 반응흐름을 적어도 하나의 촉매 반응지역으로 통과시키는 것으로 구성되는 황회수를 위한 공정인 본 발명에 의해 달성되었다.

본 발명의 공정은 도면을 참고로 상세히 설명될 것이다.

본 도면을 참고로 황화수소를 함유하는 산성기체(1)은 연소지역(5)을 통과한다. 본 발명의 공정의 장점은 산성기체내에 황화수소 농도가 50몰%을 초과할때 가장 괄목할만하다. 통상적으로 산성기체는 이산화탄소, 수소, 암모니아 및 여러 가지 탄화수소를 포함하는 많은 다른 성분들을 함유한다.

산화제는 연소지역(5)에서 산성기체에서 가해진다. 산화제는 공기, 산소가 풍부한 공기 또는 순수한 산소일 수 있다. 본 발명의 공정의 장점은 산화제의 산소농도가 공기중에서 보다 높을때 가장 괄목할만하다. 산소가 풍부한 공기가 산화제로서 사용될 때, 산소는 산화제를 연소 지역으로 유입시키기 전에 공기와 사전에 혼합되거나 또는 순수한 산소 및 공기는 연소지역으로 직접 유입될 수 있다. 바람직하게는 산화제의 산소 농도는 23 내지 100퍼센트의 범위이다. 도면으로 설명된 구현에서, 공기(2)는 산화제로서 연소지역(5)를 통과하는 산소가 풍부한 공기(15)을 형성하기 위해 순수한 산소(3)과 혼합된다.

본 발명의 공정은 산성기체 및 산화제와 함께 연소지역으로 물(4)의 추가로 구성된다. 바람직하게는 물은 과다한 온도에 의해 내화물을 위태롭게 함이없이 초과될 수 없는 가장 높은 산소농도 이상으로 산화제의 산소농도의 증가에 의해 제거된 질소의 몰당 약 0.40 내지 0.45몰의 물 비율로 주변온도에서 연소지역속으로 유입된다. 제시된 산성기체 조성물을 위해 산소농도의 이러한 변화에 의해 제거된 질소 몰양은 다음 방정식으로부터 계산할 수 있다 :

N=100A(1/O₁-1/O₂)몰 N₂/몰 산성기체.

상기식에서, A는 몰/몰 산성기체로 나타낸 산성기체의 부분연소를 위해 필요한 전체산소 몰수이고, O₁은 몰 %의 몰부가 없이 산화제의 허용가능한 최대산소농도이고, O₂는 몰 %의 몰부가을 갖는 산소농도이다. 즉, 온도조절을 위해 필요한 물의 양은 연소지역에 공급된 산성기체의 몰당 0.40N 내지 0.45N몰의 물이다. 산성기체, 산화제 및 물은 연소지역(5)에서 반응흐름을 형성하기 위해 결합된다. 버나와 내화물로 구성된 연소지역에서, 일반적으로 약간의 황화수소 및 바람직하게는 약

의 양이 물의 존재하에 이산화황을 형성하기 위해 연소된다. 물은 연소지역의 온도를 약 1500℃이하로 그리고 일반적으로 내화물의 설계온도 이하로 유지하기 위해 사용된다. 재순환 기체와는 반대로 물의 높은 열용량 및 낮은 온도로 인해, 재순환기체의 단지 약

정도가 연소지역 온도조절을 동등한 정도로 유지하기 위해 필요하다.

이산화황이 황을 제조하기 위해 비연소된 황화수소와 반응하는 경우에 반응흐름은 연소지역(5)로부터 열반응기(6)으로 통과된다. 물은 이 반응의 부산물이다. 열반응기(6)의 열교환부분에서, 열교환기의 마지막 통과 온도가 일반적으로 황의 노점이상으로 유지됨으로서 황은 기체상태 및 일반적으로 중합된 상태로 유지된다.

주로 황화수소, 이산화황, 황, 물, 및 이산화탄소로 구성되는 열반응기(6)으로부터 방출되는 반응흐름(7)은 황을 응축할 수 있도록 황의 노점이하의 온도로 반응흐름이 냉각된 황응축기(8)을 통과한다. 액체 황(9)는 황응축기(8)로부터 제거되고, 회수된다. 클라우스 플랜트 조직에서 이 분야의 통상의 지식을 가진자들은 황냉각기의 조작을 잘 알고 있다. 그러므로 더 이상의 설명이 필요없다. 황응축기(8)에서 황의 수득률은 연소지역에 물의 부가에 의해 간접적으로 가능해진 질소희석을 감소시키므로 통상의 공기 수행으로 가능한 양 보다 훨씬 높다.

황응축기(8)로부터의 기체 유동액(10)은 물응축기(11)을 통과한다. 바람직하게는 물응축기(11)는 액체물을 함유하는 잘 교반되고, 간접적으로 냉각된 탱크이다. 그러나, 물응축기는 가열싱크가 반응흐름으로부터 물리적으로 분리된 간접냉각에 의해 조작되는 것과 같은 어떤 조작가능한 응축기일 수 있다. 기체(10)은 상들 사이에 우수한 물리적 접촉을 제공하기 위해 미세한 기포들로서 물배쓰에 분산된다. 이 방법에서, 물은 반응흐름 밖으로 응축되어 물배쓰속으로 유입된다. 물은 반응흐름으로부터 제거된 물의 양과 실질적으로 동일한 양으로 물탭(12)을 통해 응축기(11)로부터 제거된다. 연소지역(5)로 제공된 물의 양이 비록 작은 양이 반응흐름으로부터 제거되더라도 본 발명의 공정은 실행가능하지만 반응흐름으로부터 제거된 물의 양은 연소지역(5)에 제공된 물의 양과 바람직하게는 적어도 같고, 가장 바람직하게는 초과한다. 그러나, 반응흐름은 실질적으로나 바람직하지 않게 전체적으로 수분이 제거되지 않는다. 바람직하다면, 이러한 물의 일부 또는 전부는 연소지역에서 버너에 공급수로서 사용할 수 있다.

촉매반응지역(들)의 상부흐름물이나, 열반응기(6)의 하부 흐름물을 제거하여, 클라우스 반응에 의해 제조된 약간의 물 뿐만 아니라 연소지역속으로 유입된 물은 반응흐름이 촉매 단계로 통과하기전에 제거된다. 이것은 촉매반응기에서의 접촉시간을 길게 제공하여 하부흐름압력 저하를 감소시키고, 황수득률을 증가시켜, 그 결과 정제기체 처리 유닛에서 처리되는 기체부피를 작게 한다.

그 다음 부분적으로 수분이 제거된 반응흐름(13)은 반응흐름의 온도를 증가시키기 위해 기체 재가열기(도면에 제시되지 않음)을 통해 수행되고, 적어도 하나의 촉매 반응기(14)에서 황화수소 및 이산화황은 황을 더욱더 계속적으로 회수하면서 황과 물을 형성하기 위해 반응한다. 클라우스 플랜트조작의 분야에서 통상의 지식을 가진자들은 이러한 촉매반응 및 계속되는 황회수를 잘 이해하고 있으므로 본 발명에서는 더 상세히 설명할 필요가 없다.

본 발명의 공정은 증가된 효율 및 더 큰 용량을 갖는 클라우스 플랜트를 설비할 수 있다. 공급물에 물의 부가는 생산속도 즉 단위시간당의 산성기체의 수득률을 상당히 증가시키거나 또는 다른 온도 변형 방법으로 열반응기를 가로지르는 낮은 압력저하와 더불어 정도와 같은 생산속도보다 더 큰 정도로 공기중의 산소를 풍부하게 할 수 있다. 더욱더, 물응측기내의 약간의 공정수의 제거는 촉매반응기에서 황화수소를 황으로의 전환을 촉진하고, 즉 공정의 효율을 증가시킨다.

다음 실시예들은 본 발명의 공정을 더 상세히 설명할 것이다. 이 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서 단지 설명의 목적으로 제시되었다.

[실시예 1]

49℃의 온도에서, 85.2몰%의 황화수소를 함유하는 산성 기체는 연소지역에서 버너로 공급된다. 추가로, 공기, 순수한 산소 및 물은 모두 주변온도에서, 버너로의 공급물이 40.8몰% 산성기체, 17.9몰% 공기, 17.5몰% 순수한 산소 및 23.8몰% 물로 구성될 수 있는 양으로 버너에 공급된다. 산소가 풍부한 공기산화제중의 산소농도는 60%이다.

연소지역은 약 1387℃이하의 내화온도를 유지할 수 있는 고알루미나 형태의 내화물을 사용한다. 연소지역의 온도조절없이 23.3% 이하의 산소를 산화제로 사용하는 것이 가능할 것이다. 이러한 특정 산성기체의 특이 산소요구는 산성기체의 몰당 0.521몰의 산소이므로, 산화제내의 산소농도가 23.3%로부터 60%까지의 증가는 산성기체의 몰당 1.37몰의 질소를 제거한다. 그러므로, 버너에 공급된 산성기체 40.8몰당 물 23.8몰의 비율은 산화제의 풍부한 산소에 의해 제거된 질소의 몰당(23.8/40.8)/1.37=0.43몰의 물비에 해당한다.

연소지역으로의 공급은 황화수소의 약

이 이산화황으로 산화된 연소로 이해된다. 연소에 의해 발생한 열은 연소지역의 온도를 1386℃로 증가시킨다. 물로부터 제조한 스팀을 포함하는 뜨거운 반응 혼합물은 약 230℃로 냉각되고, 그 결과 잘 알려진 클라우스 반응에 의해 황화수소와 이산화황이 반응하여 황과 물을 형성한다.

그 다음 기체는 황이 응축되고 회수되는 황응축기를 통과하고, 그 다음 얻어진 기체는 물이 응축제거되는 물응축기를 통과한다. 1.56기압의 주변압력에서, 물응축기를 빠져나온 기체의 노점은 101℃로 감소하여 기체로부터 제거된 물의 양은 연소지역에 제공된 물과 필수적으로 동일하다.

물응축기를 빠져나온 기체는 재가열되고, 잔류황화수소 및 이산화황의 반응에 의해 더 많은 황이 제조되는 촉매반응기를 통과한다. 유출액은 황이 171℃에서 응축되고, 회수되는 제2황응축기를 통과한다. 전체적인 황회수는 황화수소와 더불어 최초 유입된 98.4%의 황이다. 단지 2개의 클라우스 반응단계후 황의 매우 높은 회수는 반응 흐름에서 황화합물(황화수소 및 이산화황)의 증가된 농도때문이다.

28.7몰%의 산성기체 및 71.3몰%의 공기로 구성된 버너에 공급된 산화제로서 공기를 사용하는 통상의 순서와 비교하여, 실시예에 예시된 바와 같은 본 발명의 공정은 버너에 전체 유입물을 증가시킴이 없이 황수득률을 42%로 증가시킬 수 있다. 더욱더, 열 반응기 및 제1황 응축기내의 압력저하가 통상의 공기중의 공정수행과 같게 남아있을 동안 압력저하는 촉매단계에서 약 55%까지 감소한다. 압력저하의 이러한 감소는 산성기체의 존재하는 공급압력에서 산출속도의 실질적인 증가를 더욱 더 허락한다.

[실시예 2]

두개의 하부흐름촉매단계들이 사용되고, 물응축기가 낮은 온도에서 조작되고, 물응축기를 빠져나온 기체의 노점이 90℃로 감소되는 것을 제외하고 실시예 1의 순서를 반복실시한다. 이것은 반응흐름으로부터의 물이 실시예 1에 제거된 양의 2배로 제거되는 효과를 갖는다. 즉, 연소지역에 제공된 모든 물이 제거되고(실시예에서처럼), 또한 클라우스 반응에 의해 형성된 같은 양의 공정수가 제거된다. 반응흐름으로부터 더 많은 물의 제거는 하부 흐름 촉매 반응기에서 반응물 온도를 증가시키고, 전체 황회수에서 99% 이상의 황이 최초로 황화수소와 더불어 유입된다. 더욱더, 압력저하는 가열단계에서 변하지 않은 압력저하로 통상의 공기 수행을 걸쳐 촉매단계당 83%까지 감소한다. 촉매단계당 압력 저하의 이러한 큰 감소는 버너에 증가된 유입을 허여하고, 즉, 산성기체의 존재하는 공급 압력에서 생산율을 60% 이상 증가시킨다.

현재, 본 발명의 공정을 사용하여 연소지역 내화물을 손상시킴없이, 산성기체의 공급압력을 증가시킬 필요없이 클라우스 플랜트의 생산율의 증가를 위해 공기중에 산소의 농도를 증가시킬 수 있다. 더욱더, 본 발명의 공정은 반응지역에서 반응물의 농도를 더 크게 하여 클라우스 플랜트 조작을 더 효율적으로 할 수 있다.

본 발명의 공정은 몇가지 특정 구현을 참고로 상세히 설명하였지만, 이 분야의 당업자들은 본 발명의 청구범위의 정신 및 영역내에 다른 구현들이 있음 인식할 것이다.

Claims

1. (A) 반응흐름을 형성하기 위해 연소지역에 황화수소, 산화제 및 물을 함유하는 산성기체를 제공하고; (B) 반응흐름에 이산화황을 제공하기 위해 물의 존재하에 산화제로 황화수소를 연소시키고; (C) 황을 제조하기 위해 이산화황과 황화수소를 반응시키고; (D) 반응흐름으로부터 황을 회수하고; (E) 응축에 의해 반응흐름으로부터 물을 제거하고; 그리고 (F) 황을 더욱더 제조하기 위해 적어도 하나의 촉매 반응지역에 부분적으로 수분이 제거된 반응흐름을 통과시킴을 특징으로 하는 황을 회수하기 위한 공정

제1항에 있어서, 산성기체가 적어도 50%의 황화수소를 함유하는 공정.

제1항에 있어서, 산화제가 순수한 산소인 공정.

제1항에 있어서, 산화제가 산소가 풍부한 공기인 공정.

제4항에 있어서, 산화제내의 산소농도가 적어도 23%인 공정.

제1항에 있어서, 물이 액체형태로 제공되는 공정.

제1항에 있어서, 산성기체, 산화제 및 물이 연소지역으로 각각 통과하는 공정.

제1항에 있어서, 연소지역내의 온도가 1500℃를 초과하지 않는 공정.

제1항에 있어서, 가열싱크가 반응흐름으로부터 물리적으로 분리된 간접 냉각에 의해 물이 응축된 공정.

제1항에 있어서, 물응축이 간접적으로 냉각되고, 교반된 물 배쓰를 통해 물을 함유하는 반응흐름을 통과하여 수행되는 공정.

제1항에 있어서, 반응흐름으로부터 제거된 적어도 약간의 응축된 물이 연소지역에 제공된 공정.

제1항에 있어서, 반응흐름으로부터 제거된 물의 양이 연소지역에 제공된 물의 양과 동일한 공정.

제1항에 있어서, 반응흐름으로부터 제거된 물의 양이 연소지역에 제공된 물의 양과 초과하는 공정.

제1항에 있어서, 물이 과다한 온도에 의해 내화물을 위험하게 하지 않고 초과할 수 없는 가장 높은 산소농도 이상으로 산화제의 산소농도를 증가시켜 제거된 질소의 몰당 약 0.40 내지 0.45몰의 몰 비율로 연소지역에 제공된 공정.