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KR20240124970A - 흡착 기반 클라우스 테일 가스 처리 - Google Patents

흡착 기반 클라우스 테일 가스 처리 Download PDF

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KR20240124970A
KR20240124970A KR1020247023547A KR20247023547A KR20240124970A KR 20240124970 A KR20240124970 A KR 20240124970A KR 1020247023547 A KR1020247023547 A KR 1020247023547A KR 20247023547 A KR20247023547 A KR 20247023547A KR 20240124970 A KR20240124970 A KR 20240124970A
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KR
South Korea
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gas stream
stream
stage adsorption
hydrogen sulfide
water
Prior art date
Application number
KR1020247023547A
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English (en)
Inventor
게오르기오스 리톡수스
세바스티엔 에이 듀발
라시드 엠. 오스만
Original Assignee
사우디 아라비안 오일 컴퍼니
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Publication date
Priority claimed from US17/945,809 external-priority patent/US11945716B2/en
Application filed by 사우디 아라비안 오일 컴퍼니 filed Critical 사우디 아라비안 오일 컴퍼니
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Abstract

황 회수 방법은, 수소화 반응기에서, 클라우스 테일 가스 스트림 중의 황 함유 화합물을 황화수소로 전환하여 수소화된 가스 스트림을 생성하는 단계; 수소화된 가스 스트림을 켄치 타워에 공급하여 액체수를 응축함으로써 켄칭된 가스 스트림을 생성하는 단계; 켄칭된 가스 스트림을 제1 단계 흡착 유닛의 제1 단계 흡착 베셀에 공급하여 켄칭된 가스 스트림으로부터 물을 흡착함으로써 제1 배출 가스 스트림을 생성하는 단계; 제1 배출 가스 스트림을 제2 단계 흡착 유닛의 제2 단계 흡착 베셀에 공급하여 제1 배출 가스 스트림으로부터 황화수소를 흡착함으로써 제2 부산물 가스 스트림을 생성하는 단계; 제2 부산물 가스 스트림을 이산화탄소 스트림 및 풍부화된 질소 스트림으로 분리하는 단계; 및 풍부화된 질소 스트림을 사용하여 제2 단계 흡착 베셀을 재생하는 단계를 포함한다.

Description

흡착 기반 클라우스 테일 가스 처리
우선권 주장
본 출원은 2021년 12월 15일에 출원된 그리스 특허 출원 번호 20210100882, 및 2022년 9월 15일에 출원된 미국 특허 출원 번호 17/945,809에 대한 우선권을 주장하며, 이들 출원의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.
황 회수는 황화수소의 원소 황으로의 전환을 지칭할 수 있다. 황화수소는 천연 가스 처리 및 황 함유 원유 정제의 부산물일 수 있다. 황 회수의 기존 방법은 클라우스 공정(Claus process)이다. 기존 클라우스 공정은 95% 내지 98%의 황화수소를 회수할 수 있다. 클라우스 공정으로부터의 테일 가스(tail gas)는 잔존(잔여) 황화수소, 예컨대 5% 미만의 황화수소를 가질 수 있다. 클라우스 테일 가스를 처리하여 이 잔존 황화수소를 회수할 수 있다.
한 측면에서, 황 회수 방법은, 수소화 반응기에서, 클라우스 테일 가스 스트림 중의 황 함유 화합물을 황화수소로 전환하여 황화수소, 물, 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 포함하는 수소화된 가스 스트림을 생성하는 단계; 수소화된 가스 스트림을 켄치 타워(quench tower)에 공급하여 액체수(liquid water)를 물 응축물 스트림(water condensate stream)으로 응축함으로써 켄칭된(quenched) 가스 스트림을 생성하는 단계; 켄칭된 가스 스트림을 제1 단계 흡착 유닛의 제1 단계 흡착 베셀(adsorption vessel)에 공급하여 켄칭된 가스 스트림으로부터 물을 흡착함으로써 제1 배출 가스 스트림을 생성하는 단계; 제1 배출 가스 스트림을 제2 단계 흡착 유닛의 제2 단계 흡착 베셀에 공급하여 제1 배출 가스 스트림으로부터 황화수소를 흡착함으로써 제2 부산물 가스 스트림을 생성하는 단계; 제2 부산물 가스 스트림의 적어도 일부를 이산화탄소 스트림 및 풍부화된(enriched) 질소 스트림으로 분리하는 단계; 및 풍부화된 질소 스트림의 일부를 제2 단계 흡착 베셀에 공급함으로써 제2 단계 흡착 베셀을 재생하여 제2 배출 가스 스트림을 생성하는 단계를 포함한다.
실시양태는 다음의 특색 중 하나 또는 둘 이상의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
방법은 극저온 분리를 사용하여 제2 부산물 가스 스트림의 제1 부분을 이산화탄소 스트림 및 풍부화된 질소 스트림으로 분리하는 단계를 포함한다.
방법은 분리막을 사용하여 제2 부산물 가스 스트림의 제1 부분을 이산화탄소 스트림 및 풍부화된 질소 스트림으로 분리하는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 상기 방법은 분리막에 진공을 적용하는 단계를 포함한다.
방법은 이산화탄소 스트림을 열 산화장치(thermal oxidizer)에 공급하는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 방법은 이산화탄소 스트림을 이젝터를 통해 열 산화장치에 공급하는 단계를 포함한다.
방법은 풍부화된 질소 스트림의 제1 부분을 제1 단계 흡착 베셀에 공급함으로써 제1 단계 흡착 베셀을 재생하여, 물을 탈착함으로써 제1 부산물 가스 스트림을 생성하는 단계를 포함한다. 일부 경우에, 방법은 제1 부산물 가스 스트림을 수소화된 가스 스트림과 합쳐져 합쳐진 스트림을 형성하고 합쳐진 스트림을 켄치 타워에 공급하는 단계를 포함한다.
방법은 풍부화된 질소 스트림을 수소화된 가스 스트림으로부터의 열로 열 교환기에서 가열하는 단계를 포함한다.
방법은 켄칭된 가스 스트림을 압축기에서 가압하고; 가압된 켄칭된 가스 스트림을 냉각하는 단계를 포함한다.
방법은 켄칭된 가스 스트림을 수집 드럼에 공급하여 제2 물 응축물 스트림을 통해 액체수를 회수함으로써 흡착 공급물을 생성하는 단계로서, 여기서 흡착 공급물이 제1 단계 흡착 베셀에 공급되는 것인 단계를 포함한다.
방법은 물 응축물 스트림을 사워 워터 스트리퍼(sour water stripper)에 공급하는 단계를 포함한다.
방법은 제2 부산물 가스 스트림의 제2 부분을 열 산화장치에 공급하는 단계를 포함한다.
방법은 제2 배출 가스를 반응로(reaction furnace)에 공급하는 단계를 포함한다.
일 측면에서, 클라우스 테일 가스로부터의 황 회수를 위한 시스템은, 클라우스 테일 가스 스트림 중의 황 함유 화합물을 황화수소로 전환하여 수소화된 가스 스트림을 생성하도록 구성된 수소화 반응기; 수소화 반응기에 유체공학적으로 연결되어 있으며 수소화된 가스 스트림을 수용하고 액체수를 물 응축물 스트림으로 응축함으로써 켄칭된 가스 스트림을 생성하도록 구성된 켄치 타워; 제1 단계 흡착 베셀을 포함하는 제1 단계 흡착 유닛으로서, 제1 단계 흡착 사이클 동안, 켄치 타워에 유체공학적으로 연결되어 있으며 켄칭된 가스 스트림을 수용하고 켄칭된 가스 스트림으로부터 물을 흡착함으로써 제1 배출 가스 스트림을 생성하도록 구성된, 제1 단계 흡착 유닛; 제2 단계 흡착 베셀을 포함하는 제2 단계 흡착 유닛으로서, 제2 단계 흡착 사이클 동안, 제1 단계 흡착 베셀에 유체공학적으로 연결되어 있으며 제1 배출 가스 스트림을 수용하고 제1 배출 가스 스트림으로부터 황화수소를 흡착함으로써 제2 부산물 가스 스트림을 생성하도록 구성된, 제2 단계 흡착 유닛; 제2 부산물 가스 스트림의 적어도 일부를 수용하고 제2 부산물 가스 스트림의 일부를 이산화탄소 스트림 및 풍부화된 질소 스트림으로 분리하도록 구성된 이산화탄소 분리 부재(seperation element)를 포함하고; 여기서 제2 단계 흡착 베셀이 제2 단계 재생 사이클 동안, 풍부화된 질소 스트림의 일부를 수용하도록 구성된다.
실시양태는 다음의 특색 중 하나 또는 둘 이상의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
이산화탄소 분리 부재는 제2 부산물 가스 스트림의 일부를 이산화탄소 스트림 및 풍부화된 질소 스트림으로 분리하도록 구성된 분리막을 포함한다.
이산화탄소 분리 부재는 극저온 분리 부재를 포함한다.
시스템은 이산화탄소 스트림을 수용하도록 구성된 열 산화장치를 포함한다. 일부 경우에, 시스템은 이젝터를 포함하며, 여기서 열 산화장치가 이젝터로부터 이산화탄소 스트림을 수용하도록 구성된다.
제1 단계 재생 사이클 동안, 제1 단계 흡착 베셀은, 풍부화된 질소 스트림의 제1 부분을 수용하고 물을 탈착함으로써 제1 부산물 가스 스트림을 생성하도록 구성된다.
시스템은 제2 부산물 가스 스트림의 제2 부분을 수용하도록 구성된 열 산화장치를 포함한다.
시스템은 제2 단계 흡착 베셀에 유체공학적으로 연결되어 있으며 제2 단계 재생 사이클 동안 제2 단계 흡착 유닛에서 생성된 제2 배출 가스를 수용하도록 구성된 반응로를 포함한다.
시스템은 풍부화된 질소 스트림으로부터의 열로 수소화된 가스 스트림을 냉각하도록 구성된 열 교환기를 포함한다.
제1 단계 흡착 베셀은 친수성 분자체를 포함한다.
제2 단계 흡착 베셀은 Cu-Y형 제올라이트를 포함한다.
제1 단계 흡착 유닛은 병렬로 유체공학적으로 연결된 여러 개의 제1 단계 흡착 베셀을 포함하고, 제2 단계 흡착 유닛은 병렬로 유체공학적으로 연결된 여러 개의 제2 단계 흡착 베셀을 포함한다.
일 측면에서, 황 회수 방법은, 수소화 반응기에서, 클라우스 테일 가스 스트림 중의 황 함유 화합물을 황화수소로 전환하여 황화수소, 물, 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 포함하는 수소화된 가스 스트림을 생성하는 단계; 수소화된 가스 스트림을 켄치 타워에 공급하여 액체수를 물 응축물 스트림으로 응축함으로써 켄칭된 가스 스트림을 생성하는 단계; 켄칭된 가스 스트림을 제1 단계 흡착 유닛의 제1 단계 흡착 베셀에 공급하여 켄칭된 가스 스트림으로부터 물을 흡착함으로써 제1 배출 가스 스트림을 생성하는 단계; 제1 배출 가스 스트림을 제2 단계 흡착 유닛의 제2 단계 흡착 베셀에 공급하여 제1 배출 가스 스트림으로부터 황화수소를 흡착함으로써 제2 부산물 가스 스트림을 생성하는 단계; 및 제2 단계 흡착 베셀을 재생하여 제2 배출 가스 스트림을 생성하는 단계로서, 여기서 제2 단계 흡착 베셀을 재생하는 단계가 제2 부산물 가스 스트림의 일부 및 질소 스트림을 제2 단계 흡착 베셀에 공급하는 단계를 포함하는 것인 단계를 포함한다.
실시양태는 다음의 특색 중 하나 또는 둘 이상의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
제2 단계 흡착 베셀을 재생하는 단계는 질소 스트림을 극저온 탱크로부터 제2 단계 흡착 베셀에 공급하는 단계를 포함한다.
제2 단계 흡착 베셀을 재생하는 단계는, 제2 부산물 가스 스트림의 일부를 제1 기간 동안 제2 단계 흡착 베셀에 공급하는 단계; 및 질소 가스 스트림을 제1 기간 후에 제2 기간 동안 제2 단계 흡착 베셀에 공급하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 구현의 세부사항은 첨부 도면 및 아래 설명에 제시되어 있다. 기타 특색 및 이점은 설명 및 도면, 그리고 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1 내지 도 6은 클라우스 테일 가스 처리를 위한 시스템의 다이아그램이다.
도 7a 및 도 7b는 흐름도이다.
도 8은 Cu 이온으로 이온 교환된 Y-제올라이트("CuY") 상에 황화수소의 시뮬레이션된 흡착 등온선의 플롯이다.
도 9 및 도 10은 공정 다이아그램이다.
도 11은 물 제거 흡착 베셀 내의 물의 시뮬레이션된 파과 곡선(breakthrough curve)의 플롯이다.
도 12는 공정 다이아그램이다.
도 13a는 황화수소 제거 흡착 베셀 내의 이산화탄소와 질소의 시뮬레이션된 파과 곡선의 플롯이다.
도 13b는 황화수소 제거 흡착 베셀 내의 황화수소의 시뮬레이션된 파과 곡선의 플롯이다.
본 명세서에 높은 수준의 황 회수를 용이하게 하는, 클라우스 테일 가스 처리 시스템에서 황화수소 흡착 베셀의 재생에 대한 접근법을 기재한다. 일부 접근법에서, 황화수소 흡착 베셀의 재생을 위해 2상 공정(two-phase process)을 이용한다. 제1 상에서, 이산화탄소 및 질소를 포함한 깨끗한 가스의 슬립 스트림(slip stream)을 황화수소 흡착 베셀에 공급하여 그 안의 흡착제 물질로부터 황화수소를 탈착한다. 그 다음에 깨끗한 가스의 공급을 중단하고, 고순도 질소 스트림을 추가 재생을 위해 황화수소 흡착 베셀에 공급한다. 일부 접근법에서, 깨끗한 가스의 슬립 스트림을, 예를 들어, 분리막에 의해, 이산화탄소 스트림 및 질소 스트림으로 분리한 다음에, 질소 스트림을 재생을 위해 황화수소 흡착 베셀로 향하게 한다. 이산화탄소 스트림은 열 산화장치에 공급할 수 있다.
클라우스 테일 가스 처리 시스템에서 흡착제 재생에 대한 이들 접근법은 흡착제 재생 동안 황화수소 스파이크의 발생을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 게다가, 이들 접근법은 높은 수준의 황 회수, 예를 들어 99% 초과, 99.5% 초과, 99.9% 초과, 또는 99.95% 초과의 황 회수를 용이하게 할 수 있으며, 회수된 황화수소는 클라우스 공급 가스로 재순환된다.
도 1은 클라우스 테일 가스 처리를 위한 시스템(100)의 개략도를 나타낸다. 클라우스 테일 가스 처리 공정 및 시스템에 대한 추가적 설명은 미국 특허 번호10,662,061에서 찾을 수 있으며, 이 특허의 내용은 본원에 그 전문이 참조로 포함된다. 시스템(100)은 제1 열 교환기(102), 수소화 반응기(104), 켄치 타워(106), 제2 열 교환기(108), 제1 단계 흡착 유닛(110), 제2 단계 흡착 유닛(112), 제3 열 교환기(114), 및 제4 열 교환기(116)을 포함한다.
테일 가스 스트림(120)은 제1 열 교환기(102)에서 가열되어 가열된 테일 가스 스트림(122)을 생성한다. 가열된 테일 가스 스트림(122)은 수소화 반응기(104)에 도입되어 수소화된 가스 스트림(124)을 생성한다. 수소화된 가스 스트림(124)은 켄치 타워(106)에 도입되어 켄칭된 가스 스트림(126) 및 물 응축물 스트림(128)을 생성한다. 켄칭된 가스 스트림(126)은 제2 열 교환기(108)에서 냉각되어 냉각된 켄칭된 가스 스트림(130)을 생성한다. 냉각된 켄칭된 가스 스트림(130)은 제1 단계 흡착 유닛(110)에 도입되어 제1 배출 가스 스트림(132) 및 제1 부산물 스트림(136)을 생성한다. 제1 배출 가스 스트림(132)은 제4 열 교환기(116)에서 냉각되어 냉각된 제1 배출 가스 스트림(134)을 생성한다. 냉각된 제1 배출 가스 스트림(134)은 제2 단계 흡착 유닛(112)에 도입되어 제2 배출 가스 스트림(140) 및 제2 부산물 스트림(138)을 생성한다.
일부 예에서, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 공급물(142)은 제3 열 교환기(114)에서 가열되어 제1 재생 가스 스트림(144) 및 제2 재생 가스 스트림(146)을 생성한다. 공급물(142)은 공기(도시된 바와 같음) 또는 이산화탄소 및 질소를 포함한 비교적 깨끗한 가스일 수 있다. 제1 재생 가스 스트림(144)은 제1 단계 흡착 유닛(110)에 도입된다. 제2 재생 가스 스트림(146)은 제2 단계 흡착 유닛(112)에 도입된다.
테일 가스 스트림(120)은 황 함유 화합물, 예를 들어, 상류 클라우스 유닛에의해 완전히 회수되지 않은 황 함유 화합물을 포함하는 클라우스 테일 가스를 포함한다. 황 함유 화합물은 원소 황, 황화수소, 황 산화물, 및 이의 음이온 대응물과 같은 형태로 존재할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "원소 황"은 S, S2, S3, S4, S5, S6, S7, 및 S8과 같은 형태로 존재할 수 있는 황의 모든 상(phase)을 지칭한다. 비제한적 예시적 황 산화물은 SO, SO2, SO3, SO4, S2O, S2O2, S6O, S6O2, S7O, S7O2, S8O, S9O, 및 S10O을 포함한다. 테일 가스 스트림(120) 중의 클라우스 테일 가스는 또한 이산화탄소, 물, 질소, 수소, 및 이의 조합을 포함할 수 있다.
제1 열 교환기(102)는 수소화 반응이 수소화 반응기(104)에서 발생할 수 있는 온도로 가스 스트림을 가열할 수 있는 임의의 열 교환기일 수 있다. 제1 열 교환기(102)는 가열된 테일 가스 스트림(122)이 약 200℃ 내지 약 300℃, 예를 들어, 약 220℃ 내지 약 280℃, 또는 약 240℃ 내지 약 260℃, 예를 들어, 약 250℃의 온도를 갖도록 테일 가스 스트림(120)을 가열할 수 있다. 가열 후, 가열된 테일 가스 스트림(122)은 여전히 테일 가스 스트림(120)에 대해 상기에 기재한 황 함유 화합물, 이산화탄소, 물, 질소, 수소, 및 이의 조합을 포함한다.
수소화 반응기(104)는 황화수소 이외의 가열된 테일 가스 스트림(122) 중의 황 함유 화합물을 황화수소로 환원할 수 있는, 임의의 촉매 또는 비촉매 반응기일 수 있다. 일부 예에서, 가열된 테일 가스 스트림(122)에 포함된 수소는 가열된 테일 가스 스트림(122) 중의 황 함유 화합물을 황화수소로 환원하는 데 사용된다. 일부 예에서, 보충(make-up) 수소 가스 스트림(도시되지 않음)이 수소화 반응기(104)에 도입된다. 일부 예에서, 물이 수소화 반응 동안 부산물로 생성된다. 결과적으로, 수소화된 가스 스트림(124)은 실질적으로 황화수소만의 황 함유 화합물을 포함한다. 수소화된 가스 스트림(124)은 또한 이산화탄소, 물, 질소, 및 이의 조합을 포함할 수 있다.
켄치 타워(106)는 수소화된 가스 스트림(124)으로부터 물을 응축하고 회수할 수 있는 임의의 기구일 수 있다. 수소화된 가스 스트림(124)에 포함된 물의 상당 부분은 응축되고 물 응축물 스트림(128)을 통해 실질적으로 회수된다. 수소화된 가스 스트림(124)에 포함된 물의 상당 부분이 제거되긴 하지만, 켄치 타워(106)로부터 산출된 켄칭된 가스 스트림(126)은 여전히 가스상 물의 잔여량을 포함할 수 있다. 예를 들어, 켄칭된 가스 스트림(126)은 약 0 mol% 내지 약 20 mol%, 예를 들어, 약 3 mol% 내지 약 15 mol%, 또는 약 4 mol% 내지 약 10 mol%, 예를 들어, 약 8 mol%의 범위의 가스상 물 함량을 가질 수 있다. 켄칭된 가스 스트림(126)은 또한 황화수소(예컨대 클라우스 테일 가스에 이미 존재하는 황화수소, 수소화 반응기(104)에서 생성된 황화수소, 또는 둘 다), 이산화탄소, 질소, 및 이의 조합을 포함할 수 있다. 켄칭된 가스 스트림(126)은 약 20℃ 내지 약 170℃, 예를 들어, 약 30℃ 내지 약 100℃, 또는 약 40℃ 내지 약 80℃, 예를 들어, 약 43℃의 범위의 온도를 갖는다.
제2 열 교환기(108)는 제1 단계 흡착 유닛(110)에서 흡착이 발생하는 온도로 가스 스트림을 냉각할 수 있는 임의의 열 교환기일 수 있다. 제2 열 교환기(108)는 냉각된 켄칭된 가스 스트림(130)이 약 0℃ 내지 약 70℃, 예를 들어, 약 10℃ 내지 약 40℃, 또는 약 15℃ 내지 약 30℃, 예를 들어, 약 21℃의 범위의 온도를 갖도록 켄칭된 가스 스트림(126)을 냉각할 수 있다. 켄칭된 가스 스트림(126)이 냉각됨에 따라, 냉각된 켄칭된 가스 스트림(130)의 가스상 물 함량은 약 0 mol% 내지 약 10 mol%, 예를 들어, 약 0 mol% 내지 약 5 mol%, 또는 약 0 mol% 내지 약 1 mol%, 예를 들어, 약 0.46 mol%의 범위로 감소한다. 냉각된 켄칭된 가스 스트림(130)은 황화수소(예컨대 클라우스 테일 가스에 미리 존재하는 황화수소, 수소화 반응기(104)에서 생성된 황화수소, 또는 둘 다), 이산화탄소, 물, 질소, 및 이의 조합을 포함할 수 있다.
제1 단계 흡착 유닛(110)은 직렬 또는 병렬로 유체적으로 연결된 하나 이상의 제1 단계 흡착 베셀(150)을 포함한다. 하나 이상의 제1 단계 흡착 베셀(150) 각각은 제1 흡착제로 채워진다.
일부 예에서, 제1 흡착제는 일반적으로 습윤 가스 스트림(예컨대 냉각된 켄칭된 가스 스트림(130))으로부터 물을 배제하면서 황화수소를 선택적으로 포집할 수 있는 임의의 흡착제를 포함한다. 제1 흡착제에 사용되는 비제한적 예시적 물질은 MFI형 또는 CHA형과 같은 프레임워크를 갖는 올-실리카(all-silica) 제올라이트를 포함한다. 올-실리카 제올라이트는 물과 같은 극성 분자를 황화수소, 이산화탄소 및 질소와 같은 덜 극성인 분자로부터 분리하는 데 사용할 수 있는 소수성 물질이다. 흡착 사이클 동안, 냉각된 켄칭된 가스 스트림(130)의 성분은 제1 단계 흡착 유닛(110)의 하나 이상의 제1 단계 흡착 베셀(150)을 통해 도입된다. 물 이외의 냉각된 켄칭된 가스 스트림의 성분(예를 들어, 황화수소)은 제1 흡착제의 기공에 포집된다. 물은 제1 흡착제를 통과한 후 제1 부산물 스트림(136)을 통해 수집된다. 재생 사이클 동안, 제1 재생 가스 스트림(144)의 성분은 하나 이상의 제1 단계 흡착 베셀(150)에 진입하여 제1 흡착제를 재생한다. 탈착은 하나 이상의 제1 단계 흡착 베셀(150)에서 발생하며, 여기서 제1 흡착제는 포집된 황화수소를 배제하여 실질적으로 물의 부재 하에 제1 배출 가스 스트림(132)을 생성한다.
일부 예에서, 제1 흡착제는 일반적으로 황화수소를 배제하면서 습윤 가스 스트림(예컨대 냉각된 켄칭된 가스 스트림(130))으로부터 물을 선택적으로 포집할 수 있는 임의의 흡착제를 포함한다. 제1 흡착제에 사용되는 비제한적 예시적 물질은 분자체, 예컨대 미국 특허 번호 9,701,537에 기재된 친수성 3A 분자체를 포함하며, 이 특허의 내용은 본원에 그 전문이 참고로 포함된다. 흡착 사이클 동안, 냉각된 켄칭된 가스 스트림(130)의 성분은 제1 단계 흡착 유닛(110)의 하나 이상의 제1 단계 흡착 베셀(150)을 통해 도입된다. 물(및 비교적 소량의 황화수소)은 제1 흡착제의 기공에서 포집된다. 물 이외의 성분(예컨대 황화수소, 이산화탄소 및 질소)은 제1 흡착제를 통과하여 실질적으로 물의 부재 하에 제1 배출 가스 스트림(132)을 생성한다. 재생 사이클 동안, 제1 재생 가스 스트림(144)의 성분은 하나 이상의 제1 흡착 베셀(150)에 진입하여 제1 흡착제를 재생한다. 탈착은 하나 이상의 제1 단계 흡착 베셀(150)에서 발생하며, 여기서 제1 흡착제는 포집된 물(및 비교적 소량의 황화수소)을 배제하고 이는 제1 부산물 스트림(136)을 통해 수집된다.
일부 예에서, 제1 단계 흡착 유닛(110)은 병렬 방식으로 유체적으로 연결되는 적어도 3개의 제1 단계 흡착 베셀(150)을 포함한다. 작동 동안 임의의 주어진 순간에, 적어도 3개의 제1 단계 흡착 베셀(150) 중 하나는 흡착 사이클을 수행하고, 적어도 3개의 제1 단계 흡착 베셀(150) 중 하나는 재생 사이클을 수행하고, 적어도 3개의 제1 단계 흡착 베셀(150) 중 하나는 대기하고 있다. 이 방식으로, 냉각된 켄칭된 가스 스트림(130)의 성분은 제1 단계 흡착 유닛(110)에 연속적으로 공급될 수 있고, 제1 배출 가스 스트림(132)의 연속 흐름은 제1 단계 흡착 유닛(110)으로부터 생성될 수 있다.
제4 열 교환기(116)는 흡착이 제2 단계 흡착 유닛(112)에서 발생하는 온도로 가스 스트림을 냉각할 수 있는 임의의 열 교환기일 수 있다. 제4 열 교환기(116)는 냉각된 제1 배출 가스 스트림(134)이 약 0℃ 내지 약 70℃, 예를 들어, 약 10℃ 내지 약 40℃, 또는 약 15℃ 내지 약 30℃, 예를 들어, 약 25℃의 범위의 온도를 갖도록 제1 배출 가스 스트림(132)을 냉각할 수 있다. 제1 배출 가스 스트림(132)은 황화수소, 이산화탄소, 질소, 및 이의 조합을 포함할 수 있으며, 이는 모두 제1 단계 흡착 유닛(110)의 생성물이다.
제2 단계 흡착 유닛(112)은 직렬 또는 병렬 방식으로 유체적으로 연결된 하나 이상의 제2 단계 흡착 베셀(152)을 포함한다. 하나 이상의 제2 단계 흡착 베셀(152) 각각은 제2 흡착제로 채워진다. 일부 예에서, 제2 흡착제는 이산화탄소 및 질소를 배제하면서 황화수소를 선택적으로 포집할 수 있는 임의의 흡착제를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 제2 흡착제는 황화수소와 이산화탄소 사이, 그리고 황화수소와 질소 사이에 파과 시간 차이를 갖는 임의의 흡착제를 포함할 수 있다. 제2 흡착제에 사용되는 비제한적 예시적 물질은 분자체(예를 들어, 분자체 4A 등); MFI형, CHA형, FAU형, MOR형, DDR형, FER형 또는 MWW형과 같은 프레임워크를 갖는 소수성 제올라이트; 및 MOF 또는 ZIF와 같은 소수성 제올라이트를 포함한다.
흡착 사이클 동안, 냉각된 제1 배출 가스 스트림(134)의 성분은 제2 단계 흡착 유닛(112)의 하나 이상의 제2 단계 흡착 베셀(152)을 통해 도입된다. 황화수소는 제2 흡착제의 기공에 포집된다. 황화수소 이외의 성분(예를 들어, 이산화탄소 및 질소)은 제2 흡착제를 통과한 후 제2 부산물 스트림(138)을 통해 수집된다. 재생 사이클 동안, 제2 재생 가스 스트림(146)의 성분은 하나 이상의 제2 단계 흡착 베셀(152)에 진입하여 제2 흡착제를 재생한다. 탈착은 하나 이상의 제2 단계 흡착 베셀(152)에서 발생하며, 여기서 제2 흡착제는 포집된 황화수소를 배제하여 실질적으로 이산화탄소 및 질소의 부재 하에 제2 배출 가스 스트림(140)을 생성한다.
일부 예에서, 제2 단계 흡착 유닛(112)은 병렬 방식으로 유체적으로 연결된 적어도 3개의 제2 단계 흡착 베셀(152)을 포함한다. 작동 중 임의의 순간에, 적어도 3개의 제2 단계 흡착 베셀(152) 중 하나는 흡착 사이클을 수행하고, 적어도 3개의 제2 단계 흡착 베셀(152) 중 하나는 재생 사이클을 수행하고, 적어도 3개의 제2 단계 흡착 베셀(152) 중 하나는 대기하고 있다. 이 방식으로, 냉각된 제1 배출 가스 스트림(134)의 성분은 제2 단계 흡착 유닛(112)에 연속적으로 공급될 수 있고, 제2 배출 가스 스트림(140)의 연속 흐름은 제2 단계 흡착 유닛(112)으로부터 생성될 수 있다.
가스 공급물(142)은 흡착제 물질을 재생하기 위한 재생 가스로 적합한 임의의 산소 함유 가스의 공기 공급물일 수 있다. 가스 공급물(142)로 사용하기 위한 비제한적 예시적 가스는 공기, 산소 풍부화된 공기, 순수 산소, 및 이의 조합을 포함한다. 일부 예에서, 공기 공급물(142)은 공기이다. 공기 공급물(142) 대신에 또는 이에 더하여 가스를 재생 가스로 이용할 수 있다. 예를 들어, 재생 가스는 질소 또는 이산화탄소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제3 열 교환기(114)는 흡착제 재생이 제1 단계 흡착 유닛(110) 및 제2 단계 흡착 유닛(112) 각각에서 발생하는 온도로 가스 스트림을 가열할 수 있는 임의의 열 교환기(예를 들어, 쉘 앤 튜브 열 교환기, 판형 열 교환기 등)일 수 있다. 제3 열 교환기(114)는 제1 재생 가스 스트림(144) 및 제2 재생 가스 스트림(146) 각각이 약 150℃ 내지 약 350℃, 예를 들어, 약 200℃ 내지 약 300℃, 또는 약 230℃ 내지 약 290℃, 예를 들어, 약 260℃의 온도를 갖도록 공기 공급물(142)을 가열할 수 있다.
제2 배출 가스 스트림(140)은 황화수소를 포함한다. 제2 배출 가스 스트림(140)은 적어도 약 95 중량%, 예를 들어, 적어도 약 98 중량%, 또는 적어도 약 99 중량%의 황화수소 함량을 갖는다. 일부 예에서, 제2 배출 가스 스트림(140)은 클라우스 유닛에 공급 가스로 사용된다.
도 2는 클라우스 테일 가스 처리를 위한 시스템(200)의 개략도이다. 시스템(200)은 수소화 반응기(204), 제1 열 교환기(205), 켄치 타워(206), 압축기(207), 제2 열 교환기(208), 수집 드럼(209), 제1 단계 흡착 유닛(210), 제2 단계 흡착 유닛(212), 및 제3 열 교환기(214)를 포함한다.
테일 가스 스트림(220)은 수소화 반응기(204)에 도입되어 수소화된 가스 스트림(222)을 생성한다. 수소화된 가스 스트림(222)은 제1 열 교환기(205)를 통해 냉각되어 냉각된 수소화된 가스 스트림(224)을 생성한다. 냉각된 수소화된 가스 스트림(224)은 켄치 타워(206)에 도입되어 켄칭된 가스 스트림(226) 및 제1 물 응축물 스트림(228)을 생성한다. 켄칭된 가스 스트림(226)은 압축기(207)에 의해 가압되어 가압된 켄칭된 가스 스트림(227)을 생성한다. 가압된 켄칭된 가스 스트림(227)은 제2 열 교환기(208)에 의해 냉각되어 냉각된 켄칭된 가스 스트림(229)을 생성한다. 냉각된 켄칭된 가스 스트림(229)은 수집 드럼(209)에 도입되어 제2 물 응축물 스트림(231) 및 흡착 공급물 스트림(230)을 생성한다.
일부 예에서, 제1 물 응축물 스트림(228) 및 제2 물 응축물 스트림(231)은 추가 처리를 위해 사워 워터 스트리퍼(260)에 도입된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "사워 워터 스트리퍼"는 황화수소를 함유하는 물(사워 워터라고 함)로부터 황화수소를 제거하는 장치 또는 기구를 지칭한다. 예를 들어, 수집 드럼에 의해 분리된 액체수는 황화수소를 포함할 수 있다. 액체수는 사워 워터 스트리퍼에 도입될 수 있으며, 여기서 증기가 사워 워터 스트리퍼에 주입되어 사워 워터를 가열하여 황화수소가 방출되도록 함으로써 화학 평형을 이동시킨다.
흡착 공급물 스트림(230)은 제1 단계 흡착 유닛(210)의 제1 단계 흡착 베셀(250)에 도입되어 제1 배출 가스 스트림(232)를 생성한다. 제1 배출 가스 스트림(232)은 제2 단계 흡착 유닛(212)의 제2 단계 흡착 베셀(255)에 도입되어 제2 부산물 스트림(238)을 생성한다. 제2 부산물 스트림(238)은 제1 부분(239) 및 제2 부분(242)으로 분리된다. 일부 예에서, 도관 피팅(예를 들어, 파이프 티)은 제2 부산물 스트림(238)의 흐름을 두 부분(239) 및 (242)으로 분할하기(나누기) 위해 제공한다. 유량 제어 밸브는 부분(239) 또는 부분(242) 또는 둘 다를 전달하는 도관을 따라 배치될 수 있다. 다른 도관/제어 배열이 적용 가능하다.
제2 부산물 스트림의 제1 부분(239) 및 제1 부산물 스트림(236)은 추가 처리를 위해 열 산화장치(262)에 도입된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 때때로 열 소각로라고도 하는, 용어 "열 산화장치"는 고온에서 특정 가스를 열 분해하여 이들을 대기 중으로 방출하는 장치 또는 기구를 지칭한다. 예를 들어, 가스 스트림은 열 산화장치에 도입될 수 있으며, 여기서 가스 스트림에 포함된 임의의 미량의 황화수소는 이산화황으로 산화된 후 대기 중으로 방출된다. 열 산화장치(262)는, 예를 들어, 직접 연소 열 산화장치, 축열식 열 산화장치(RTO), 촉매 산화장치 등일 수 있다.
제2 부산물 스트림(238)의 제2 부분(242)은 다음의 단락에 기재되는 재생 가스로 사용된다. 일부 예에서, 제2 부산물 스트림(238)의 대부분은 열 산화장치(262)로 보내지는 제1부분(239)으로 분할되고, 재생 가스로 이용되는 제2 부분(242)을 구성하는 제2 부산물 스트림(238)의 양은 제2 부산물 스트림(238)의 슬립 스트림이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "슬립 스트림"은 주요 스트림의 소량(예를 들어, 20% 미만)의 방향 전환을 의미한다.
제2 부산물 스트림(238)의 제2 부분(242)은 제1 열 교환기(205)를 통해 가열되어 수소화된 가스 스트림(222)로부터 열을 교환함으로써 제2 부산물 스트림의 가열된 제2 부분(243)을 생성한다. 일부 예에서(도 2에 도시된 바와 같이), 제2 부산물 스트림의 제2 부분(243)은 제3 열 교환기(214)를 통해 추가로 가열되어 제2 부산물 스트림의 가열된 제2 부분(245)을 생성한다. 제2 부산물 스트림의 가열된 제2 부분(245)은 제1 재생 가스 스트림(244) 및 제2 재생 가스 스트림(246)으로 분리된다. 제1 재생 가스 스트림(244)은 제1 단계 흡착 유닛(210)의 제1 단계 흡착 베셀(251)에 도입되어 제1 부산물 스트림(236)을 생성한다.
제2 재생 가스 스트림(246)은 제2 단계 흡착 유닛(212)의 제2 단계 흡착 베셀(256)에 도입되어 제2 배출 가스 스트림(240)을 생성한다. 제2 배출 가스 스트림(240)은 추가 처리를 위해 클라우스 유닛의 반응로(264)에 도입된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "반응로"는 전형적으로 클라우스 유닛의 상류 부분에 포함되는 장치 또는 기구를 지칭하며, 이는 황화수소 및 기타 황 함유 화합물의 원소 황으로의 전환을 개시한다. 반응로는 전형적으로 황화수소가 원소 황으로 전환되도록 850℃ 초과의 온도에서 작동한다.
테일 가스 스트림(220)은 황 함유 화합물, 예를 들어, 상류 클라우스 유닛에의해 완전히 회수되지 않은 황 함유 화합물을 포함하는 클라우스 테일 가스를 포함한다. 황 함유 화합물은 원소 황, 황화수소, 황 산화물, 및 이의 음이온 대응물과 같은 형태로 존재할 수 있다. 비제한적 예시적 황 산화물은 SO, SO2, SO3, SO4, S2O, S2O2, S6O, S6O2, S7O, S7O2, S8O, S9O, 및 S10O을 포함한다. 테일 가스 스트림(220) 중의 클라우스 테일 가스는 또한 이산화탄소, 물, 질소, 수소, 및 이의 조합을 포함할 수 있다.
일부 예에서, 테일 가스 스트림(220)은 수소화 반응이 수소화 반응기(204)에서 발생할 수 있는 온도로 예열된다. 예를 들어, 테일 가스 스트림(220)은 약 200℃ 내지 약 300℃, 예를 들어, 약 220℃ 내지 약 280℃, 또는 약 240℃ 내지 약 260℃, 예를 들어, 약 250℃의 온도로 예열된다.
수소화 반응기(204)는 황화수소 이외의 가열된 테일 가스 스트림(220) 중의 황 함유 화합물을 황화수소로 환원할 수 있는, 임의의 촉매 또는 비촉매 반응기일 수 있다. 일부 예에서, 테일 가스 스트림(220)에 포함된 수소는 테일 가스 스트림(220)의 황 함유 화합물을 황화수소로 환원하는 데 사용된다. 일부 예에서, 보충 수소 가스 스트림(도시되지 않음)이 수소화 반응기(204)에 도입된다. 일부 예에서, 물이 수소화 반응 동안 부산물로 생성된다. 결과적으로, 수소화된 가스 스트림(222)은 실질적으로 황화수소만의 황 함유 화합물을 포함한다. 수소화된 가스 스트림(222)은 또한 이산화탄소, 물, 질소, 및 이의 조합을 포함할 수 있다.
제1 열 교환기(205)는, 별도의 가스 스트림을 가열하는 대신에, 가스 스트림을 냉각하여 퀀치 타워(206)의 작동에 적합한 온도로 냉각할 수 있는 임의의 열 교환기(예를 들어, 쉘 앤 튜브 열 교환기, 판형 열 교환기 등)일 수 있다. 도 2의 예에서, 제1 열 교환기(205)는 수소화된 가스 스트림(222)과 제2 부산물 스트림의 제2 부분(242)(나중 단락에서 논의) 사이의 교차 교환에 의해 열 전달을 가능하게 하는 가스-가스 열 교환기이다. 제1 열 교환기(205)는 냉각된 수소화된 가스 스트림(224)이 약 20℃ 내지 약 170℃, 예를 들어, 약 30℃ 내지 약 100℃, 또는 약 40℃ 내지 약 80℃, 예를 들어, 약 43℃의 온도를 갖도록 수소화된 가스 스트림(222)을 냉각한다. 냉각된 수소화된 가스 스트림(224)은 황 함유 화합물, 이산화탄소, 물, 질소, 수소, 및 이의 조합을 포함한다. 일부 예에서, 제1 열 교환기(205)는 가열된 제2 부분(243)이 약 150℃ 내지 약 350℃, 예를 들어, 약 200℃ 내지 약 300℃, 또는 약 230℃ 내지 약 290℃, 예를 들어, 적어도 약 260℃의 온도를 갖도록 부산물 스트림의 제2 부분(242)을 가열한다.
일부 예에서, 제3 열 교환기(214)는 제1 단계 흡착 유닛(210) 및 제2 단계 흡착 유닛(212) 각각에 대한 흡착제 재생의 온도 요건을 충족시키기 위해 제2 부산물 스트림의 제2 부분(243)을 가열하는 데 사용될 수 있다. 제3 열 교환기(214)는 제1 단계 흡착 유닛(210) 및 제2 단계 흡착 유닛(212) 각각에서 흡착제 재생이 발생하는 온도로 가스 스트림을 가열할 수 있는 임의의 열 교환기(예를 들어, 쉘 앤 튜브 열 교환기, 판형 열 교환기 등)일 수 있다. 일부 예에서, 제3 열 교환기(214)는 증기(예를 들어, 응축 증기), 증기 응축물, 오일, 또는 또 다른 열전달 유체를 사용한다. 제3 열 교환기(214)는 가열된 제2 부산물 스트림(245)(및 따라서 제1 재생 가스 스트림(244) 및 제2 재생 가스 스트림(246) 각각)이 약 150℃ 내지 약 350℃, 예를 들어, 약 200℃ 내지 약 300℃, 또는 약 230℃ 내지 약 290℃, 예를 들어, 약 260℃의 온도를 갖도록 제2 부산물 스트림의 제2 부분(243)을 가열할 수 있다. 일부 예에서, 제어된 온도 램프는 재생 동안 구현되며, 이 경우에 제2 부산물 스트림의 제2 부분(243)은 시간이 지남에 따라 상이한 온도로 가열되고 최대 400℃까지 가열되며, 예를 들어 미국 특허 출원 번호 17/166,821에 기재된 바와 같으며, 이 출원의 내용은 본원에 그 전문이 참조로 포함된다.
켄치 타워(206)는 가열된 수소화된 가스 스트림(224)으로부터 물을 응축하고 회수할 수 있는 임의의 기구일 수 있다. 가열된 수소화된 가스 스트림(224)에 포함된 물의 상당 부분은 응축되고 제1 물 응축물 스트림(228)을 통해 실질적으로 회수된다. 수소화된 가스 스트림(224)에 포함된 물의 상당 부분이 제거되긴 하지만, 켄치 타워(206)로부터 산출된 켄칭된 가스 스트림(226)은 여전히 가스상 물의 잔여량을 포함할 수 있다. 예를 들어, 켄칭된 가스 스트림(226)은 약 0 mol% 내지 약 20 mol%, 예를 들어, 약 3 mol% 내지 약 15 mol%, 또는 약 4 mol% 내지 약 10 mol%, 예를 들어, 약 8 mol%의 범위의 가스상 물 함량을 가질 수 있다. 켄칭된 가스 스트림(226)은 또한 황화수소(예컨대 클라우스 테일 가스에 이미 존재하는 황화수소, 수소화 반응기(204)에서 생성된 황화수소, 또는 둘 다), 이산화탄소, 질소, 및 이의 조합을 포함할 수 있다. 켄칭된 가스 스트림(226)은 약 20℃ 내지 약 170℃, 예를 들어, 약 30℃ 내지 약 100℃, 또는 약 40℃ 내지 약 80℃, 예를 들어, 약 43℃의 범위의 온도를 갖는다. 켄치 타워(206)는 켄치 타워, 켄치 베셀, 켄치 컬럼, 켄치 응축기, 켄치 열 교환기 등일 수 있다.
압축기(207)은 켄칭된 가스 스트림(226)의 압력을 증가시킬 수 있는 임의의 유형의 가압 장치 또는 기구일 수 있다. 압축기(207)은 기계적 압축기일 수 있다. 예를 들어, 압축기(207)은 다이어프램 미터링 펌프(diaphragm metering pump)일 수 있다. 켄칭된 가스 스트림(226)의 압력은 가압된 켄칭된 가스 스트림(227)이 약 1 bar 내지 약 10 bar, 예를 들어, 약 1 bar 내지 약 5 bar, 또는 약 2 bar 내지 약 4 bar, 예를 들어, 약 3 bar의 범위의 압력을 갖도록 압축기(207)을 통해 증가된다. 본원에서 사용되는 바와 같은 단위 "bar"는 bar 게이지["bar(g)" 또는 "barg"]이다.
제2 열 교환기(208)는 제1 단계 흡착 유닛(210)에서 흡착이 발생하는 온도로 가스 스트림을 냉각할 수 있는 임의의 열 교환기(예를 들어, 쉘 앤 튜브 열 교환기, 판형 열 교환기 등)일 수 있다. 제2 열 교환기(208)는 냉각된 켄칭된 가스 스트림(229)이 약 0℃ 내지 약 50℃, 예를 들어, 약 5℃ 내지 약 40℃, 또는 약 10℃ 내지 약 30℃, 예를 들어, 약 15℃의 범위의 온도를 갖도록 가압된 켄칭된 가스 스트림(227)을 냉각할 수 있다. 가압된 켄칭된 가스 스트림(227)이 냉각됨에 따라, 냉각된 켄칭된 가스 스트림(229)의 가스상 물 함량은 약 0 mol% 내지 약 10 mol%, 예를 들어, 약 0 mol% 내지 약 5 mol%, 또는 대안적으로 약 0 mol% 내지 약 1 mol%, 예를 들어, 약 0.46 mol%로 감소한다. 냉각된 켄칭된 가스 스트림(229)은 황화수소(예컨대 클라우스 테일 가스에 미리 존재하는 황화수소, 수소화 반응기(204)에서 생성된 황화수소, 또는 둘 다), 이산화탄소, 물, 질소 및 이의 조합을 포함할 수 있다.
수집 드럼(209)은 유체 스트림을 가스상 스트림과 액체상 스트림으로 분리할 수 있는 임의의 유형의 분리 장치(예를 들어, 분리 베셀)일 수 있다. 냉각된 켄칭된 가스 스트림(229)은 수집 드럼(209)에서 분리되어 제2 물 응축물 스트림(231)(액체상 스트림) 및 흡착 공급물 스트림(230)(가스상 스트림)을 생성한다. 흡착 공급물 스트림(230)은 황화수소(예컨대 클라우스 테일 가스에 미리 존재하는 황화수소, 수소화 반응기(204)에서 생성된 황화수소, 또는 둘 다), 이산화탄소, 물, 질소, 및 이의 조합을 포함할 수 있다.
일부 예에서, 제1 물 응축물 스트림(228)은 켄치 타워(206)로부터 수집된 물에 용해된 미량의 황화수소를 포함한다. 일부 예에서, 제2 물 응축물 스트림(231)은 수집 드럼(209)으로부터 수집된 물에 용해된 미량의 황화수소를 포함한다. 제1 물 응축물 스트림(228) 및 제2 물 응축물 스트림(231) 각각은 물로부터 황화수소를 스트리핑하는 것과 같은 추가 처리를 위해 사워 워터 스트리퍼(260)에 도입될 수 있다.
제1 단계 흡착 유닛(210)은 병렬 방식으로 유체적으로 연결된 제1 단계 흡착 베셀(250, 251, 252)을 포함한다. 작동 동안 임의의 주어진 순간에, 제1 단계 흡착 베셀(250, 251, 252) 중 하나는 흡착 사이클을 거치고 있고, 제1 단계 흡착 베셀(250, 251, 252) 중 하나는 재생 사이클을 거치고 있으며, 제1 단계 흡착 베셀(250, 251, 252) 중 하나는 대기하고 있다. 이 방식으로, 흡착 공급물 스트림(230)의 성분은 제1 단계 흡착 유닛(210)에 연속적으로 공급될 수 있고, 제1 배출 가스 스트림(232)과 제1 부산물 스트림(236)의 연속 흐름은 제1 단계 흡착 유닛(210)으로부터 생성될 수 있다.
제1 단계 흡착 베셀(250, 251, 252) 각각은 제1 흡착제로 채워지고, 예를 들어, 팩킹된다. 제1 흡착제는 베셀(250, 251, 252)내의 제1 흡착제 베드에 있을 수 있다. 일부 예에서, 제1 흡착제는 황화수소, 이산화탄소 및 질소를 배제하면서 습윤 가스 스트림(예컨대 흡착 공급물 스트림(230))으로부터 물을 선택적으로 포집할 수 있는 임의의 흡착제를 포함한다. 제1 흡착제에 사용되는 비제한적 예시적 물질은 친수성 3A 분자체를 포함한다. 흡착 사이클 동안, 흡착 공급물 스트림(230)의 성분은 제1 단계 흡착 베셀(250, 251, 252)중 하나를 통해 도입된다. 물(및 비교적 소량의 황화수소)은 제1 흡착제의 기공에 포집된다. 물 이외의 성분(예를 들어, 황화수소, 이산화탄소 및 질소)은 제1 흡착제를 통과하여 실질적으로 물의 부재 하에 제1 배출 가스 스트림(232)를 생성한다. 재생 사이클 동안, 제1 재생 가스 스트림(244)의 성분(예를 들어, 이산화탄소 및 질소)은 제1 단계 흡착 베셀(250, 251, 252) 중 하나에 진입하여 제1 흡착제를 재생한다. 탈착은 제1 단계 흡착 베셀(250, 251, 252) 중 하나에서 발생하며, 여기서 제1 흡착제는 포집된 물(및 비교적 소량의 황화수소)(및 임의로 미량의 이산화탄소 및 질소)을 방출하고, 이들은 제1 부산물 스트림(236)을 통해 수집된다.
도 2의 예에서, 제1 단계 흡착 베셀(250)은 흡착 사이클을 거치고 있고, 제1 단계 흡착 베셀(251)은 재생 사이클을 거치고 있고, 제1 단계 흡착 베셀(252)은 대기 모드에 있다. 흡착 사이클 동안, 흡착 공급물 스트림(230)의 성분은 제1 단계 흡착 베셀(250)을 통해 도입된다. 물(및 비교적 소량의 황화수소)은 제1 흡착제의 기공에 포집된다. 일부 예에서, 미량의 이산화탄소 및 질소는 제1 흡착제의 기공에 포집된다. 물 이외의 성분(예를 들어, 황화수소, 이산화탄소 및 질소)은 제1 흡착제를 통과하여 실질적으로 물의 부재 하에 제1 배출 가스 스트림(232)를 생성한다.
재생 사이클 동안, 제1 재생 가스 스트림(244)의 성분(예를 들어, 이산화탄소 및 질소)이 제1 단계 흡착 베셀(251)에 진입하여 제1 흡착제를 재생한다. 탈착은 제1 단계 흡착 베셀(251)에서 발생하며, 여기서 제1 흡착제는 포집된 물과 포집된 비교적 소량의 황화수소(및 임의로 미량의 이산화탄소 및 질소)를 방출하고, 이들은 제1 부산물 스트림(236)을 통해 수집된다.
제2 단계 흡착 유닛(212)은 병렬 방식으로 유체적으로 연결된 제2 단계 흡착 베셀(255, 256, 257)을 포함한다. 작동 동안 주어진 순간에, 제2 단계 흡착 베셀(255, 256, 257) 중 하나는 흡착 사이클을 거치고, 제2 단계 흡착 베셀(255, 256, 257) 중 하나는 재생 사이클을 거치고, 제2 단계 흡착 베셀(255, 256, 257) 중 하나는 대기 중이다. 이 방식으로, 제1 배출 가스 스트림(232)의 성분은 제2 단계 흡착 유닛(212)에 연속적으로 공급될 수 있고, 제2 배출 가스 스트림(240)과 제2 부산물 스트림(238)의 연속 흐름은 제2 단계 흡착 유닛(212)으로부터 생성될 수 있다.
제2 단계 흡착 베셀(255, 256, 257) 각각은 제2 흡착제로 채워지거나 팩킹된다. 제2 흡착제는 베셀(255, 256, 257)에서 흡착제 베드로 구성될 수 있다. 일부 예에서, 제2 흡착제는 이산화탄소 및 질소를 배제하면서 황화수소를 선택적으로 포집할 수 있는 임의의 흡착제를 포함한다. 일부 예에서, 제2 흡착제는 황화수소와 이산화탄소 사이, 황화수소와 질소 사이의 파과 시간에 차이를 갖는 임의의 흡착제를 포함한다. 제2 흡착제에 사용되는 비제한적 예시적 물질은 분자체(예를 들어, 분자체 4A 등); MFI형, CHA형, FAU형, MOR형, DDR형, FER형 및 MWW형과 같은 프레임워크를 갖는 소수성 제올라이트; 및 MOF 및 ZIF와 같은 소수성 제올라이트를 포함한다. 구체적 예에서, 제2 흡착제는 Cu-Y형 제올라이트를 포함하며, 이는 구리 양이온을 반대 이온으로 포함하는 FAU형 제올라이트의 유도체이다.
흡착 사이클 동안, 제1 배출 가스 스트림(232)의 성분은 제2 단계 흡착 유닛(212)의 하나 이상의 제2 단계 흡착 베셀(255, 256, 257)을 통해 도입된다. 황화수소는 제2 흡착제의 기공에 포집된다. 황화수소 이외의 성분(예를 들어, 이산화탄소 및 질소)은 제2 흡착제를 통과한 후 제2 부산물 스트림(238)을 통해 수집된다. 재생 사이클 동안, 제2 재생 가스 스트림(246)의 성분(예를 들어, 이산화탄소 및 질소)은 하나 이상의 제2 단계 흡착 베셀(255, 256, 257)에 진입하여 제2 흡착제를 재생한다. 탈착은 하나 이상의 제2 단계 흡착 베셀(255, 256, 257)에서 발생하며, 여기서 제2 흡착제는 포집된 황화수소(및 임의로 미량의 이산화탄소 및 질소)를 방출하여 제2 배출 가스 스트림(240)을 생성한다. 제2 배출 가스 스트림(240)은 황화수소, 이산화탄소 및 질소를 포함한다.
도 2의 예에서, 제2 단계 흡착 베셀(255)은 흡착 사이클을 거치고 있고, 제2 단계 흡착 베셀(256)은 재생 사이클을 거치고 있으며, 제2 단계 흡착 베셀(257)은 대기 모드에 있다. 흡착 사이클 동안, 제1 배출 가스 스트림(232)의 성분은 제2 단계 흡착 베셀(255)을 통해 도입된다. 황화수소는 제2 흡착제의 기공에 포집된다. 일부 예에서, 미량의 이산화탄소 및 질소는 제2 흡착제의 기공에 포집된다. 황화수소 이외의 성분(예를 들어, 이산화탄소 및 질소)은 제2 흡착제를 통과하여 실질적으로 황화수소의 부재 하에 제2 부산물 스트림(238)을 생성한다. 재생 사이클 동안, 제2 재생 가스 스트림(246)의 성분(예를 들어, 이산화탄소 및 질소)은 제2 단계 흡착 베셀(256)에 진입하여 제2 흡착제를 재생한다. 탈착은 제2 단계 흡착 베셀(256)에서 발생하며, 여기서 제2 흡착제는 포집된 황화수소(그리고 임의로 미량의 이산화탄소 및 질소)를 방출하고, 이는 제2 배출 가스 스트림(240)을 통해 수집된다.
제2 배출 가스 스트림(240)은 황화수소, 이산화탄소 및 질소를 포함한다. 제2 배출 가스 스트림(240)은 약 0 중량% 내지 약 99 중량%, 예를 들어, 약 5 중량% 내지 약 70 중량%, 약 5 중량% 내지 약 50 중량%, 약 5 중량% 내지 약 30 중량%, 또는 약 10 중량% 내지 약 20 중량%, 예를 들어, 약 13.3 중량%의 범위의 황화수소 함량을 갖는다. 제2 배출 가스 스트림(240)은 약 0 중량% 내지 약 99 중량%, 예를 들어, 약 20 중량% 내지 약 95 중량%, 약 30 중량% 내지 약 90 중량%, 약 50 중량% 내지 약 80 중량%, 또는 약 60 중량% 내지 약 70 중량%, 예를 들어, 약 66.7 중량%의 범위의 이산화탄소 함량을 갖는다. 제2 배출 가스 스트림(240)은 약 0 중량% 내지 약 99 중량%, 예를 들어, 약 5 중량% 내지 약 70 중량%, 약 5 중량% 내지 약 50 중량%, 약 10 중량% 내지 약 30 중량%, 또는 약 15 중량% 내지 약 25 중량%, 예를 들어, 약 20.0 중량%의 범위의 질소 함량을 갖는다. 일부 예에서, 제2 배출 가스 스트림(240)은 클라우스 유닛에 공급 가스로 사용된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 배출 가스 스트림(240)은 클라우스 유닛의 반응로(264)에 도입된다.
도 3은 클라우스 테일 가스 처리 시스템(300)의 개략도이다. 시스템(200)과 관련하여 기재된 특색과 유사한 시스템(300)의 특색은 비슷한 참조 번호로 주어진다. 도 3의 시스템(300)은 이산화탄소와 질소의 슬립 스트림을 활용하는 온도 램핑 재생 체계를 구현한다. 온도 램핑 재생 체계에 대한 추가 설명은 미국 특허 출원 번호 17/166,821에서 찾을 수 있으며, 이 출원의 내용은 본원에 그 전문이 참조로 포함된다.
시스템(300)은 클라우스 테일 가스를 포함하는 테일 가스 스트림(320)을 수용하고 클라우스 테일 가스 중 황 함유 화합물을 황화수소로 수소화하여 황화수소, 물, 및 적어도 하나의 이산화탄소 또는 물을 포함하는 수소화된 가스 스트림(322)을 생성하는 수소화 반응기(204)(예를 들어, 반응기 베셀)를 포함한다. 일부 예에서, 수소화된 가스는 황화수소 이외의 황 함유 화합물을 포함하지 않는다. 일부 예에서, 수소화된 가스 중 황화수소 이외의 임의의 황 함유 화합물은 수소화된 가스에서 미량(또는 쉽게 측정할 수 없음)으로만 존재할 수 있다.
수소화된 가스 스트림(322)은 제1 열 교환기(205)를 통해 냉각되어 냉각된 수소화된 가스 스트림(324)을 생성한다. 켄치 타워(206)는 냉각된 수소화된 가스 스트림(324)을 수용하고 수소화된 가스의 물을 응축하여 황화물, 물 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 켄칭된 가스 스트림(326)을 생성한다. 응축된 물(일부 황화수소를 가짐)은 켄치 타워(206)에서 제1 물 응축물 스트림(328)으로 회수되며, 이는 사워 워터 스트리퍼(SWS) 컬럼(260)으로 보내질 수 있다.
켄칭된 가스 스트림(326)은 압축기(207)에 의해 가압되어 가압된 켄칭된 가스 스트림(327)을 생성한다. 가압된 켄칭된 가스 스트림(327)은 제2 열 교환기(208)에 의해 냉각되어 냉각된 켄칭된 가스 스트림(329)을 생성한다. 냉각된 켄칭된 가스 스트림(329)는 수집 드럼(209)에 도입되어 제2 물 응축물 스트림(331) 및 흡착 공급물 스트림(330)을 생성한다. 제2 물 응축물 스트림(331)은 SWS 컬럼(260)으로 보내질 수 있다.
흡착 공급물 스트림(330)은 제1 단계 흡착 유닛(210)에 도입된다. 도시된 예에서, 제1 단계 흡착 베셀(250)은 흡착 사이클을 거치고 있고, 제1 단계 흡착 베셀(251)은 재생 사이클을 거치고 있으며, 제1 단계 흡착 베셀(252)은 대기 모드에있다. 흡착 공급물 스트림(330)은 흡착 사이클에서 작동하는 제1 단계 흡착 베셀(250)에 제공되며, 흡착 공급물 스트림(330)으로부터 물을 제1 흡착제에 흡착시켜, 황화수소 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제1 배출 가스 스트림(332)을 생성한다. 일부 예에서, 흡착 공급물 스트림(330) 중 물의 상당 부분(예를 들어, 대부분 또는 실질적으로 전부)이 흡착 사이클에서 작동하는 제1 단계 흡착 베셀(250)에서 제1 흡착제에 흡착된다. 비교적 소량의 황화수소가 흡착 공급물 스트림(330)으로부터 제1 흡착제에 흡착될 수 있다. 일부 예에서, 제1 배출 가스 스트림(332)은 물을 포함하지 않거나, 단지 미량 또는 측정할 수 없는 양의 물을 포함한다.
제1 배출 가스 스트림(332)은 제2 단계 흡착 유닛(212)에 도입된다. 도시된 예에서, 제2 단계 흡착 베셀(255)은 흡착 사이클을 거치고 있고, 제2 단계 흡착 베셀(256)은 재생 사이클을 거치고 있으며, 제2 단계 흡착 베셀(257)은 대기 모드에 있다. 제1 배출 가스 스트림(332)은 제2 단계 흡착 베셀(255)에 제공되며, 이는 흡착 사이클에서 작동하면서, 제1 배출 가스 스트림(332)으로부터 황화수소를 제2 흡착제로 흡착시켜, 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제2 부산물 스트림(338)을 생성한다. 일부 예에서, 제2 부산물 스트림(338)은 황화수소를 포함하지 않거나, 미량 또는 측정할 수 없는 양의 황화수소를 포함한다.
제2 부산물 스트림(338)은 제1 부분(339) 및 제2 부분(342)으로 분리된다. 제2 부산물 스트림의 제1 부분(339)은 추가 처리를 위해 열 산화장치(262)에 도입된다. 제2 부산물 스트림(338)의 슬립 스트림이 될 수 있는, 제2 부산물 스트림의 제2 부분(342)은 재생 가스로 사용된다.
제2 부산물 스트림(338)의 제2 부분(342)은 제1 열 교환기(205)를 통해 가열되어 수소화된 가스 스트림(322)로부터 열을 교환함으로써 제2 부산물 스트림의 가열된 제2 부분(343)을 생성한다. 일부 예에서(도 3에 도시된 바와 같이), 제2 부산물 스트림의 제2 부분(343)은 제3 열 교환기(214)를 통해 추가로 가열되어 제2 부산물 스트림의 가열된 제2 부분(345)을 생성한다. 제2 부산물 스트림의 가열된 제2 부분(345)은 제1 재생 가스 스트림(344) 및 제2 재생 가스 스트림(346)으로 분리된다.
재생 사이클에서 작동하는 제1 단계 흡착 베셀(251)은 재생 가스로서 제1 재생 가스 스트림(344)을 수용한다. 제1 단계 흡착 베셀(251)의 제1 흡착제는, 예를 들어, 온도 램프에 따라 가열되어 제1 단계 흡착 베셀(251)의 제1 흡착제로부터 성분을 선택적으로 탈착시켜 탈착된 성분 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제1 부산물 스트림(336)을 생성한다. 재생 사이클에서 온도 램프 동안 온도가 서서히 증가함에 따라 황화수소가 초기에 탈착되며 한편 흡착된 물은 초기에 일반적으로 제1 흡착제에 흡착된 상태로 유지된다. 온도가 상승함에 따라, 물이 제1 흡착제로부터 탈착되기 시작한다.
제1 흡착제의 온도가 물이 제1 부산물 스트림(336)으로 탈착(파과)되기 시작하는 수준에 도달할 때 및/또는 제1 부산물 스트림(336) 중 황화수소 농도가 보다 낮을 때 일부 예에서, 온도 램프의 제2 파트 동안, 제1 흡착제로부터 탈착된 성분은 물을 포함하거나 제1 부산물 스트림(336) 중 황화수소 농도가 임계값보다 낮거나, 둘 다이다. 온도 램프의 제2 파트는 시간적으로 더 늦고 일반적으로 온도 램프의 제1 파트보다 더 높은 온도이다.
작동 시, 제1 단계 흡착 베셀(251)은 온도 램프의 제1 파트 동안 클라우스 유닛의 반응로(264)에 제1 부산물 스트림(336A)으로서 제1 부산물 스트림(336)을 방출하는데, 이때 온도 램프의 제1 파트 동안 탈착된 성분은 주로 황화수소를 포함한다. 온도 램프의 제2 파트 동안, 물이 제1 부산물 스트림(336)으로 탈착되기 시작하고/하거나 제1 부산물 스트림(336) 중의 수소 농도가 특정 값보다 낮아진다. 이 제2 파트에서, 제1 부산물 스트림(336)은 물을 취급하고 재생 가스의 불활성 성분이 클라우스 반응로(264)에 도입되는 것을 방지하기 위해 제1 부산물 스트림(336B)으로서 켄치 타워(206)로 라우팅된다.
제2 재생 가스 스트림(346)은 제2 단계 흡착 유닛(212)의 제2 단계 흡착 베셀(256)에 도입된다. 재생 사이클에서, 황화수소는 제2 단계 흡착 베셀(256)에서 제2 흡착제로부터 탈착되어, 황화수소 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제2 배출 가스 스트림(340)을 생성한다. 제2 배출 가스 스트림(340)은 추가 처리를 위해 클라우스 유닛의 반응로(264)에 도입된다.
도 4는 제2 단계 흡착 베셀에 대한 2상 재생 사이클을 구현하는 클라우스 테일 가스 처리 시스템(400)의 개략도이다. 시스템(200)과 관련하여 기재된 특색과 유사한 시스템(400)의 특색은 비슷한 참조 번호로 주어진다.
시스템(400)은 클라우스 테일 가스를 포함하는 테일 가스 스트림(420)을 수용하고 클라우스 테일 가스 중 황 함유 화합물을 황화수소로 수소화하여 황화수소, 물, 및 적어도 하나의 이산화탄소 또는 물을 포함하는 수소화된 가스 스트림(422)을 생성하는 수소화 반응기(204)(예를 들어, 반응기 베셀)를 포함한다. 일부 예에서, 수소화된 가스는 황화수소 이외의 황 함유 화합물을 포함하지 않는다. 일부 예에서, 수소화된 가스 중 황화수소 이외의 임의의 황 함유 화합물은 수소화된 가스에서 미량(또는 쉽게 측정할 수 없음)으로만 존재할 수 있다.
수소화된 가스 스트림(422)은 제1 열 교환기(205)를 통해 냉각되어 냉각된 수소화된 가스 스트림(424)을 생성한다. 켄치 타워(206)는 냉각된 수소화된 가스 스트림(424)을 수용하고 수소화된 가스의 물을 응축하여 황화물, 물 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 켄칭된 가스 스트림(426)을 생성한다. 응축된 물(일부 황화수소를 가짐)은 켄치 타워(206)에서 제1 물 응축물 스트림(428)으로 회수되며, 이는 사워 워터 스트리퍼(SWS) 컬럼(260)으로 보내질 수 있다.
켄칭된 가스 스트림(426)은 압축기(207)에 의해 가압되어 가압된 켄칭된 가스 스트림(427)을 생성한다. 가압된 켄칭된 가스 스트림(427)은 제2 열 교환기(208)에 의해 냉각되어 냉각된 켄칭된 가스 스트림(429)을 생성한다. 냉각된 켄칭된 가스 스트림(429)은 수집 드럼(209)에 도입되어 제2 물 응축물 스트림(431) 및 흡착 공급물 스트림(430)을 생성한다. 제2 물 응축물 스트림(431)은 SWS 컬럼(260)으로 보내질 수 있다.
흡착 공급물 스트림(430)은 제1 단계 흡착 유닛(210)에 도입된다. 도시된 예에서, 제1 단계 흡착 베셀(250)은 흡착 사이클을 거치고 있고, 제1 단계 흡착 베셀(251)은 재생 사이클을 거치고 있으며, 제1 단계 흡착 베셀(252)은 대기 모드에있다. 흡착 공급물 스트림(430)은 흡착 사이클에서 작동하는 제1 단계 흡착 베셀(250)에 제공되며, 흡착 공급물 스트림(430)으로부터 물을 제1 흡착제에 흡착시켜, 황화수소 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제1 배출 가스 스트림(432)을 생성한다. 일부 예에서, 흡착 공급물 스트림(430) 중 물의 상당 부분(예를 들어, 대부분 또는 실질적으로 전부)이 흡착 사이클에서 작동하는 제1 단계 흡착 베셀(250)에서 제1 흡착제에 흡착된다. 비교적 소량의 황화수소가 흡착 공급물 스트림(430)으로부터 제1 흡착제에 흡착될 수 있다. 일부 예에서, 제1 배출 가스 스트림(432)은 물을 포함하지 않거나, 단지 미량 또는 측정할 수 없는 양의 물을 포함한다.
제1 배출 가스 스트림(432)은 제2 단계 흡착 유닛(212)에 도입된다. 도시된 예에서, 제2 단계 흡착 베셀(255)은 흡착 사이클을 거치고 있고, 제2 단계 흡착 베셀(256)은 재생 사이클을 거치고 있으며, 제2 단계 흡착 베셀(257)은 대기 모드에 있다. 제1 배출 가스 스트림(432)은 제2 단계 흡착 베셀(255)에 제공되며, 이는 흡착 사이클에서 작동하면서, 제1 배출 가스 스트림(432)으로부터 황화수소를 제2 흡착제로 흡착시켜, 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제2 부산물 스트림(438)을 생성한다. 일부 예에서, 제2 부산물 스트림(438)은 황화수소를 포함하지 않거나, 미량 또는 측정할 수 없는 양의 황화수소를 포함한다.
제2 부산물 스트림(438)은 제1 부분(439) 및 제2 부분(442)으로 분리된다. 제2 부산물 스트림의 제1 부분(439)은 추가 처리를 위해 열 산화장치(262)에 도입된다. 제2 부산물 스트림(438)의 슬립 스트림이 될 수 있는, 제2 부산물 스트림의 제2 부분(442)은 재생 가스로 사용된다.
제2 부산물 스트림(438)의 제2 부분(442)은 제1 열 교환기(205)를 통해 가열되어 수소화된 가스 스트림(422)로부터 열을 교환함으로써 제2 부산물 스트림의 가열된 제2 부분(443)을 생성한다. 일부 예에서(도 4에 도시된 바와 같이), 제2 부산물 스트림의 제2 부분(443)은 제3 열 교환기(214)를 통해 추가로 가열되어 제2 부산물 스트림의 가열된 제2 부분(445)을 생성한다. 열 교환기(205, 214)는 재생 사이클에서 흡착 베셀로부터 황화수소를 탈착하기에 충분한 온도로 제2 부산물 스트림을 가열한다. 제2 부산물 스트림의 가열된 제2 부분(445)은 제2 재생 가스 스트림(444) 및 제2 재생 가스 스트림(446)으로 분리된다.
제1 재생 가스 스트림(444)은 재생 사이클을 거치고 있는 제1 단계 흡착 베셀(251)로 공급되어 제1 흡착제를 재생한다. 탈착은 제1 단계 흡착 베셀(251)에서 발생하며, 여기서 제1 흡착제는 포집된 물과 포집된 비교적 소량의 황화수소(및 임의로 미량의 이산화탄소 및 질소)를 방출하고, 이는 제1 부산물 스트림(436)을 통해 수집된다. 제1 부산물 스트림(436)은 켄치 타워(206)로 라우팅된다.
재생 사이클을 거치고 있는 제2 단계 흡착 베셀(256)의 재생은 2상 공정이다. 제1 상에서, 제2 부산물 가스의 슬립 스트림이고 이산화탄소와 질소를 포함하는 제2 재생 가스 스트림(446)이 제2 단계 흡착 베셀(256)에 도입된다. 제1 상에 이어서, 재생 가스 스트림(446)의 흐름이 중단되고 제2 재생 단계가 발생하며, 여기서 고순도 질소 가스 스트림(452)이 제2 단계 흡착 베셀(256)에 도입된다. 고순도 질소 가스는 적어도 99%, 적어도 99.5%, 적어도 99.9%, 또는 적어도 99.95%의 순도를 가질 수 있다. 고순도 질소 가스 스트림(452)은 질소 공급원, 예를 들어, 블랭킷팅 또는 퍼징을 위해 현장에서 이용 가능한 질소 공급원과 같은 극저온 질소 탱크로부터의 것이다. 재생 사이클에서, 황화수소는 제2 단계 흡착 베셀(256)에서 제2 흡착제로부터 탈착되어, 황화수소 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제2 배출 가스 스트림(440)을 생성한다. 제2 배출 가스 스트림(440)은 추가 처리를 위해 클라우스 유닛의 반응로(264)에 도입된다.
이산화탄소 및 질소를 함유하는 슬립 스트림을 먼저 사용하여 재생을 완수한 다음에 고순도 질소를 사용하는 제2 단계 흡착 베셀(256)에 대한 2상 재생 사이클은 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 이 2상 재생 사이클은 제2 단계 흡착 베셀(256)에서 황화수소의 제거를 용이하게 할 수 있으며, 이는 흡착 사이클 동안 황화수소 흡착 용량을 개선시킬 수 있다.
도 5는 클라우스 테일 가스 처리 시스템(500)의 개략도이다. 시스템(200)과 관련하여 기재된 특색과 유사한 시스템(500)의 특색은 비슷한 참조 번호로 주어진다.
시스템(500)은 클라우스 테일 가스를 포함하는 테일 가스 스트림(520)을 수용하고 클라우스 테일 가스 중 황 함유 화합물을 황화수소로 수소화하여 황화수소, 물, 및 적어도 하나의 이산화탄소 또는 물을 포함하는 수소화된 가스 스트림(522)을 생성하는 수소화 반응기(204)(예를 들어, 반응기 베셀)를 포함한다. 일부 예에서, 수소화된 가스는 황화수소 이외의 황 함유 화합물을 포함하지 않는다. 일부 예에서, 수소화된 가스 중 황화수소 이외의 임의의 황 함유 화합물은 수소화된 가스에서 미량(또는 쉽게 측정할 수 없음)으로만 존재할 수 있다.
수소화된 가스 스트림(522)은 제1 열 교환기(205)를 통해 냉각되어 냉각된 수소화된 가스 스트림(524)을 생성한다. 켄치 타워(206)는 냉각된 수소화된 가스 스트림(524)을 수용하고 수소화된 가스의 물을 응축하여 황화물, 물 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 켄칭된 가스 스트림(526)을 생성한다. 응축된 물(일부 황화수소를 가짐)은 켄치 타워(206)에서 제1 물 응축물 스트림(528)으로 회수되며, 이는 사워 워터 스트리퍼(SWS) 컬럼(260)으로 보내질 수 있다.
켄칭된 가스 스트림(526)은 압축기(207)에 의해 가압되어 가압된 켄칭된 가스 스트림(527)을 생성한다. 가압된 켄칭된 가스 스트림(527)은 제2 열 교환기(208)에 의해 냉각되어 냉각된 켄칭된 가스 스트림(529)을 생성한다. 냉각된 켄칭된 가스 스트림(529)은 수집 드럼(209)에 도입되어 제2 물 응축물 스트림(531) 및 흡착 공급물 스트림(530)을 생성한다. 제2 물 응축물 스트림(531)은 SWS 컬럼(260)으로 보내질 수 있다.
흡착 공급물 스트림(530)은 제1 단계 흡착 유닛(210)에 도입된다. 도시된 예에서, 제1 단계 흡착 베셀(250)은 흡착 사이클을 거치고 있고, 제1 단계 흡착 베셀(251)은 재생 사이클을 거치고 있으며, 제1 단계 흡착 베셀(252)은 대기 모드에있다. 흡착 공급물 스트림(530)은 흡착 사이클에서 작동하는 제1 단계 흡착 베셀(250)에 제공되며, 흡착 공급물 스트림(530)으로부터 물을 제1 흡착제에 흡착시켜, 황화수소 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제1 배출 가스 스트림(532)을 생성한다. 일부 예에서, 흡착 공급물 스트림(530) 중 물의 상당 부분(예를 들어, 대부분 또는 실질적으로 전부)이 흡착 사이클에서 작동하는 제1 단계 흡착 베셀(250)에서 제1 흡착제에 흡착된다. 비교적 소량의 황화수소가 흡착 공급물 스트림(530)으로부터 제1 흡착제에 흡착될 수 있다. 일부 예에서, 제1 배출 가스 스트림(532)은 물을 포함하지 않거나, 단지 미량 또는 측정할 수 없는 양의 물을 포함한다.
제1 배출 가스 스트림(532)은 제2 단계 흡착 유닛(212)에 도입된다. 도시된 예에서, 제2 단계 흡착 베셀(255)은 흡착 사이클을 거치고 있고, 제2 단계 흡착 베셀(256)은 재생 사이클을 거치고 있으며, 제2 단계 흡착 베셀(257)은 대기 모드에 있다. 제1 배출 가스 스트림(532)은 제2 단계 흡착 베셀(255)에 제공되며, 이는 흡착 사이클에서 작동하면서, 제1 배출 가스 스트림(532)으로부터 황화수소를 제2 흡착제로 흡착시켜, 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제2 부산물 스트림(538)을 생성한다. 일부 예에서, 제2 부산물 스트림(538)은 황화수소를 포함하지 않거나, 미량 또는 측정할 수 없는 양의 황화수소를 포함한다.
제2 부산물 스트림(538)은 제1 부분(539) 및 제2 부분(542)으로 분리된다. 제2 부산물 스트림의 제1 부분(539)은 추가 처리를 위해 열 산화장치(262)에 도입된다. 제2 부산물 스트림(538)의 슬립 스트림이 될 수 있는, 제2 부산물 스트림의 제2 부분(542)은 재생 가스로 사용된다.
제2 부산물 스트림(538)의 제2 부분(542)은 스트림의 제2 부분(542)으로부터 이산화탄소 가스(CO2)를 분리하는 CO2 분리 부재(550)를 통해 향해진다. 도 5의 예에서, CO2 분리 부재(550)는 진공 펌프(554)에 의해 제공된 진공 하에 이산화탄소 가스를 분리하는 CO2 선택적 막이다. 일부 예에서, CO2 분리 부재(550)는 극저온에서 스트림의 제2 부분(542)으로부터 CO2를 분리할 수 있는 극저온 분리 부재이다. CO2 분리 부재(550)의 산출물(예를 들어, CO2 선택적 막 또는 극저온 분리 부재로부터)은 이산화탄소의 스트림(556) 및 풍부화된 질소의 스트림(552)이다.
이산화탄소의 스트림(556)은 열 산화장치(262)로 향하게 된다. CO2 분리 부재(550)로부터 나오는 풍부화된 질소의 스트림(552)은 제1 열 교환기(205)를 통해 가열되어 수소화된 가스 스트림(522)으로부터 열을 교환함으로써 풍부화된 질소의 가열된 스트림(543)을 생성한다. 일부 예에서(도 5에 도시된 바와 같이), 풍부화된 질소의 가열된 스트림(543)은 제3 열 교환기(214)를 통해 추가로 가열되어 가열된 스트림(545)을 생성한다. 열 교환기(205, 214)는 풍부화된 질소 스트림을 재생 사이클에서 흡착 베셀로부터 황화수소를 탈착하기에 충분한 온도로 가열한다. 풍부화된 질소의 가열된 스트림(545)은 제1 재생 가스 스트림(544) 및 제2 재생 가스 스트림(546)으로 분리되는데, 이들 둘 다 풍부화된 질소 스트림이다.
제1 재생 가스 스트림(544)(풍부화된 질소 스트림)는 재생 사이클을 거치고 있는 제1 단계 흡착 베셀(251)로 공급되어 제1 흡착제를 재생한다. 탈착은 제1 단계 흡착 베셀(251)에서 발생하며, 여기서 제1 흡착제는 포집된 물과 포집된 비교적 소량의 황화수소(및 임의로 미량의 이산화탄소 및 질소)를 방출하고, 이는 제1 부산물 스트림(536)을 통해 수집된다. 제1 부산물 스트림(536)은 켄치 타워(206)로 라우팅된다.
재생 사이클을 거치고 있는 제2 단계 흡착 베셀(256)의 재생을 위해, 제2 재생 가스 스트림(546)(풍부화된 질소 스트림)이 재생을 위해 제2 단계 흡착 베셀(256)에 도입된다. 재생 사이클에서, 황화수소는 제2 단계 흡착 베셀(256)의 제2 흡착제로부터 탈착되어 황화수소 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제2 배출 가스 스트림(540)을 생성한다. 제2 배출 가스 스트림(540)은 추가 처리를 위해 클라우스 유닛의 반응로(264)에 도입된다.
풍부화된 질소 스트림을 사용하여 제1 단계 흡착 베셀(251) 및 제2 단계 흡착 베셀(256)을 재생하는 것은, 예를 들어, 제1 및 제2 단계 흡착 베셀(251, 256)로부터 황화수소의 제거를 용이하여, 흡착 사이클 동안 황화수소 흡착 용량을 개선할 수 있는 이점을 가질 수 있다.
도 6은 클라우스 테일 가스 처리 시스템(600)의 개략도이다. 시스템(200)과 관련하여 기재된 특색과 유사한 시스템(600)의 특색은 비슷한 참조 번호로 주어진다.
시스템(600)은 클라우스 테일 가스를 포함하는 테일 가스 스트림(620)을 수용하고 클라우스 테일 가스 중 황 함유 화합물을 황화수소로 수소화하여 황화수소, 물, 및 적어도 하나의 이산화탄소 또는 물을 포함하는 수소화된 가스 스트림(622)을 생성하는 수소화 반응기(204)(예를 들어, 반응기 베셀)를 포함한다. 일부 예에서, 수소화된 가스는 황화수소 이외의 황 함유 화합물을 포함하지 않는다. 일부 예에서, 수소화된 가스 중 황화수소 이외의 임의의 황 함유 화합물은 수소화된 가스에서 미량(또는 쉽게 측정할 수 없음)으로만 존재할 수 있다.
수소화된 가스 스트림(622)은 제1 열 교환기(205)를 통해 냉각되어 냉각된 수소화된 가스 스트림(624)을 생성한다. 켄치 타워(206)는 냉각된 수소화된 가스 스트림(624)을 수용하고 수소화된 가스의 물을 응축하여 황화물, 물 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 켄칭된 가스 스트림(626)을 생성한다. 응축된 물(일부 황화수소를 가짐)은 켄치 타워(206)에서 제1 물 응축물 스트림(628)으로 회수되며, 이는 사워 워터 스트리퍼(SWS) 컬럼(260)으로 보내질 수 있다.
켄칭된 가스 스트림(626)은 압축기(207)에 의해 가압되어 가압된 켄칭된 가스 스트림(627)을 생성한다. 가압된 켄칭된 가스 스트림(627)은 제2 열 교환기(208)에 의해 냉각되어 냉각된 켄칭된 가스 스트림(629)을 생성한다. 냉각된 켄칭된 가스 스트림(629)은 수집 드럼(209)에 도입되어 제2 물 응축물 스트림(631) 및 흡착 공급물 스트림(630)을 생성한다. 제2 물 응축물 스트림(631)은 SWS 컬럼(260)으로 보내질 수 있다.
흡착 공급물 스트림(530)은 제1 단계 흡착 유닛(210)에 도입된다. 도시된 예에서, 제1 단계 흡착 베셀(250)은 흡착 사이클을 거치고 있고, 제1 단계 흡착 베셀(251)은 재생 사이클을 거치고 있으며, 제1 단계 흡착 베셀(252)은 대기 모드에있다. 흡착 공급물 스트림(630)은 흡착 사이클에서 작동하는 제1 단계 흡착 베셀(250)에 제공되며, 흡착 공급물 스트림(630)으로부터 물을 제1 흡착제에 흡착시켜, 황화수소 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제1 배출 가스 스트림(632)을 생성한다. 일부 예에서, 흡착 공급물 스트림(630) 중 물의 상당 부분(예를 들어, 대부분 또는 실질적으로 전부)이 흡착 사이클에서 작동하는 제1 단계 흡착 베셀(250)에서 제1 흡착제에 흡착된다. 비교적 소량의 황화수소가 흡착 공급물 스트림(630)으로부터 제1 흡착제에 흡착될 수 있다. 일부 예에서, 제1 배출 가스 스트림(632)은 물을 포함하지 않거나, 단지 미량 또는 측정할 수 없는 양의 물을 포함한다.
제1 배출 가스 스트림(632)은 제2 단계 흡착 유닛(212)에 도입된다. 도시된 예에서, 제2 단계 흡착 베셀(255)은 흡착 사이클을 거치고 있고, 제2 단계 흡착 베셀(256)은 재생 사이클을 거치고 있으며, 제2 단계 흡착 베셀(257)은 대기 모드에 있다. 제1 배출 가스 스트림(632)은 제2 단계 흡착 베셀(255)에 제공되며, 이는 흡착 사이클에서 작동하면서, 제1 배출 가스 스트림(632)으로부터 황화수소를 제2 흡착제로 흡착시켜, 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제2 부산물 스트림(638)을 생성한다. 일부 예에서, 제2 부산물 스트림(638)은 황화수소를 포함하지 않거나, 미량 또는 측정할 수 없는 양의 황화수소를 포함한다.
제2 부산물 스트림(638)은 제1 부분(639) 및 제2 부분(642)으로 분리된다. 제2 부산물 스트림의 제1 부분(639)은 추가 처리를 위해 열 산화장치(262)에 도입된다. 제2 부산물 스트림(638)의 슬립 스트림이 될 수 있는, 제2 부산물 스트림의 제2 부분(642)은 재생 가스로 사용된다.
제2 부산물 스트림(638)의 제2 부분(642)은 스트림의 제2 부분(642)으로부터 이산화탄소 가스(CO2)를 분리하는 CO2 분리 부재(650)를 통해 향해진다. 도 6의 예에서, CO2 분리 부재(650)는 스트림(642)으로부터 이산화탄소 가스를 분리하는 CO2 선택적 막이다. 일부 예에서, CO2 분리 부재(650)는 극저온에서 스트림의 제2 부분(642)으로부터 CO2를 분리할 수 있는 극저온 분리 부재이다. CO2 분리 부재(650)의 산출물(예를 들어, CO2 선택적 막 또는 극저온 분리 부재로부터)은 이산화탄소의 스트림(656) 및 풍부화된 질소의 스트림(652)이다.
이산화탄소의 스트림(656)은 이젝터(650)을 통해 열 산화장치(262)로 향하게 된다. CO2 분리 부재(650)로부터 나오는 풍부화된 질소의 스트림(652)은 제1 열 교환기(205)를 통해 가열되어 수소화된 가스 스트림(622)으로부터 열을 교환함으로써 풍부화된 질소의 가열된 스트림(643)을 생성한다. 일부 예에서(도 6에 도시된 바와 같이), 풍부화된 질소의 가열된 스트림(643)은 제3 열 교환기(214)를 통해 추가로 가열되어 풍부화된 질소의 가열된 스트림(645)을 생성한다. 열 교환기(205, 214)는 풍부화된 질소 스트림을 재생 사이클에서 흡착 베셀로부터 황화수소를 탈착하기에 충분한 온도로 가열한다. 풍부화된 질소의 가열된 스트림(645)은 제1 재생 가스 스트림(644) 및 제2 재생 가스 스트림(646)으로 분리되는데, 이들 둘 다 풍부화된 질소 스트림이다.
제1 재생 가스 스트림(644)(풍부화된 질소 스트림)는 재생 사이클을 거치고 있는 제1 단계 흡착 베셀(251)로 공급되어 제1 흡착제를 재생한다. 탈착은 제1 단계 흡착 베셀(251)에서 발생하며, 여기서 제1 흡착제는 포집된 물과 포집된 비교적 소량의 황화수소(및 임의로 미량의 이산화탄소 및 질소)를 방출하고, 이는 제1 부산물 스트림(636)을 통해 수집된다. 제1 부산물 스트림(636)은 켄치 타워(206)로 라우팅된다.
재생 사이클을 거치고 있는 제2 단계 흡착 베셀(256)의 재생을 위해, 제2 재생 가스 스트림(646)(풍부화된 질소 스트림)이 재생을 위해 제2 단계 흡착 베셀(256)에 도입된다. 재생 사이클에서, 황화수소는 제2 단계 흡착 베셀(256)의 제2 흡착제로부터 탈착되어 황화수소 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유하는 제2 배출 가스 스트림(640)을 생성한다. 제2 배출 가스 스트림(640)은 추가 처리를 위해 클라우스 유닛의 반응로(264)에 도입된다.
풍부화된 질소 스트림을 사용하여 제1 단계 흡착 베셀(251) 및 제2 단계 흡착 베셀(256)을 재생하는 것은, 예를 들어, 제1 및 제2 단계 흡착 베셀(251, 256)로부터 황화수소의 제거를 용이하여, 흡착 사이클 동안 황화수소 흡착 용량을 개선할 수 있는 이점을 가질 수 있다.
도 7a를 참조하면, 클라우스 테일 가스로부터 황화수소를 제거하기 위한 예시적 공정에서, 클라우스 테일 가스 스트림 중의 황 함유 화합물을 수소화 반응기에서 황화수소로 전환하여 수소화된 가스 스트림을 생성한다(700). 수소화된 가스 스트림은 황화수소, 물, 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유한다. 수소화된 가스 스트림을 켄치 타워에 공급하여 액체수를 물 응축물 스트림으로 응축함으로써 켄칭된 가스 스트림을 생성한다(702). 켄칭된 가스 스트림은 황화수소, 물, 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유한다.
켄칭된 가스 스트림을 압축기에서 가압하고, 냉각하고, 제1 흡착 유닛의 제1 단계 흡착 베셀에 공급하여 제1 단계 흡착 베셀의 흡착제 상에 켄칭된 가스 스트림으로부터 물을 흡착함으로써 제1 배출 가스 스트림을 생성한다(704). 일부 예에서, 냉각되고 가압되고 켄칭된 가스 스트림은 수집 드럼에 공급되어 액체수를 회수함으로써 흡착 공급물을 생성하고, 흡착 공급물은 제1 단계 흡착 베셀에 공급된다. 제1 배출 가스 스트림은 황화수소 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 포함한다. 제1 배출 가스 스트림을 제2 흡착 유닛의 제2 단계 흡착 베셀에 공급하여 제2 단계 흡착 베셀의 흡착제 상에 황화수소를 흡착함으로써 제2 부산물 가스 스트림을 생성한다(706). 제2 부산물 가스 스트림은 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유한다.
제2 부산물 가스 스트림의 제1 부분을 이산화탄소 스트림 및 풍부화된 질소 스트림으로 분리한다(708). 일부 예에서, 제2 부산물 가스 스트림의 제2 부분을 질소 스트림 및 이산화탄소 스트림으로 분리하는 것은 이산화탄소 분리막에 진공을 적용하여 완수된다. 일부 예에서, 분리는 이젝터를 통해 이산화탄소 스트림을 열 산화장치로 흘려보냄으로써 완수된다. 일부 예에서, 분리는 극저온 분리 공정이다.
이산화탄소 스트림을 열 산화장치로 향하게 한다(710). 풍부화된 질소 스트림은 예를 들어 수소화된 가스 스트림으로부터의 열로, 상류에서 가열될 수 있다. 풍부화된 질소 스트림의 제1 부분을 제1 단계 흡착 베셀에서 흡착제로부터 물의 탈착에 의해 제1 단계 흡착 베셀에서 흡착제의 재생을 위해 제1 단계 흡착 베셀에 공급하여, 제1 단계 흡착 베셀에서 흡착제로부터 물을 탈착함으로써 제1 부산물 가스 스트림을 생성한다(712). 제1 부산물 가스 스트림은 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유한다. 일부 예에서, 제1 부산물 가스 스트림은 켄치 타워에 공급되는 수소화된 가스 스트림과 합쳐진다.
풍부화된 질소 스트림의 제2 부분은 제2 단계 흡착 베셀에서 흡착제의 재생을 위해 제2 단계 흡착 베셀에 공급된다(714). 제2 부산물 가스 스트림의 제2 부분 재생 사이클 동안 제2 단계 흡착 베셀로부터의 산출물은 황화수소를 함유하는 제2 배출 가스이다. 제2 배출 가스는 클라우스 테일 가스를 생성한 클라우스 유닛의 반응로와 같은 반응로에 공급될 수 있다.
제2 부산물 가스 스트림의 제3 부분은 열 산화장치에 공급된다. 일부 예에서, 제2 부산물 가스 스트림의 제1 및 제2 부분은 함께 제2 부산물 가스 스트림의 슬립 스트림이다.
도 7b를 참조하면, 클라우스 테일 가스로부터 황화수소를 제거하기 위한 예시적 공정에서, 클라우스 테일 가스 스트림 중의 황 함유 화합물을 수소화 반응기에서 황화수소로 전환하여 수소화된 가스 스트림을 생성한다(750). 수소화된 가스 스트림은 황화수소, 물, 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유한다. 수소화된 가스 스트림을 켄치 타워에 공급하여 액체수를 물 응축물 스트림으로 응축함으로써 켄칭된 가스 스트림을 생성한다(752). 켄칭된 가스 스트림은 황화수소, 물, 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유한다.
켄칭된 가스 스트림을 압축기에서 가압하고, 냉각하고, 제1 흡착 유닛의 제1 단계 흡착 베셀에 공급하여 제1 단계 흡착 베셀의 흡착제 상에 켄칭된 가스 스트림으로부터 물을 흡착함으로써 제1 배출 가스 스트림을 생성한다(754). 일부 예에서, 냉각되고 가압되고 켄칭된 가스 스트림은 수집 드럼에 공급되어 액체수를 회수함으로써 흡착 공급물을 생성하고, 흡착 공급물은 제1 단계 흡착 베셀에 공급된다. 제1 배출 가스 스트림은 황화수소 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 포함한다. 제1 배출 가스 스트림을 제2 흡착 유닛의 제2 단계 흡착 베셀에 공급하여 제2 단계 흡착 베셀의 흡착제 상에 황화수소를 흡착함으로써 제2 부산물 가스 스트림을 생성한다(756). 제2 부산물 가스 스트림은 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 함유한다. 제2 부산물 가스 스트림은, 예를 들어, 수소화된 가스 스트림의 열로 가열된다.
제2 부산물 가스 스트림의 제1 부분을 제1 단계 흡착 베셀에서 흡착제로부터 물의 탈착에 의해 제1 단계 흡착 베셀에서 흡착제의 재생을 위해 제1 단계 흡착 베셀에 공급하여, 제1 단계 흡착 베셀에서 흡착제로부터 물을 탈착함으로써 제1 부산물 가스 스트림을 생성한다(758). 제1 부산물 가스 스트림은 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 예에서, 제1 부산물 가스 스트림은 켄칭 타워에 공급되는 수소화된 가스 스트림과 합쳐진다.
제2 부산물 가스 스트림의 제2 부분은 제2 단계 흡착 베셀에서 흡착제의 재생을 위해 제2 단계 흡착 베셀에 공급된다(760). 일정량의 시간이 경과한 후, 제2 단계 흡착 베셀로 제2 부산물 스트림의 제2 부분의 공급을 중단하고(762), 고순도 질소 스트림을, 예를 들어 극저온 탱크로부터, 제2 단계 흡착 베셀에 공급한다(764). 재생 사이클 동안 제2 단계 흡착 베셀의 산출물은 황화수소를 함유하는 제2 배출 가스이다. 제2 배출 가스는 클라우스 테일 가스를 생성한 클라우스 유닛의 반응로와 같은 반응로에 공급할 수 있다.
실시예
실시예 1: 제2 단계 흡착제 물질로서의 CuY 제올라이트
이 실시예에서, Cu 이온으로 이온 교환된 Y-제올라이트("CuY 제올라이트" 또는 "CuY"라고 함)를 제2 단계 흡착 사이클을 위한 흡착제 물질로 사용하여, 황화수소를 이산화탄소로부터 분리한다. CuY의 높은 극성은 흡착제 물질과 황화수소 사이의 높은 친화도를 초래한다.
어떤 화학 공정도 일어나지 않는다는 가정을 기반으로 하여 그랜드 캐노니컬 몬테 카를로(Grand Canonical Monte Carlo)(GCMC) 시뮬레이션 기법을 수행하여 CuY 상에 황화수소의 흡착을 결정하였다. 고체와 가스의 전체 시스템에 대한 GCMC 시뮬레이션의 경우, 6x106 몬테 카를로 단계를 수행하여 시스템이 평형에 도달하도록 하고 추가적인 6x106 단계를 수행하여 통계적 평균을 수득하였다. 혼합물에 어떤 다른 경쟁 가스가 존재하지 않는다는 가정 하에 시뮬레이션을 수행하였다.
각각의 열역학적 지점에서 시스템 상에 흡착된 가스 분자의 흡착 용량(그램(g)당 밀리몰(mmol), mmol/g)이 계산되었다. 결과는 도 8에 나타냈다. 이들 결과는 CuY 상에 1% H2S의 흡착 용량이 1 barg 및 298 켈빈(K)에서 0.8 mmol/g에 접근함을 나타낸다.
실시예 2: 흡착 기반 테일 가스 처리 공정의 시뮬레이션
Aspen 시뮬레이션을 수행하여 동시 연소 및 3단계 클라우스 구성을 갖춘 초희박 가스 플랜트(20% H2S 산성 가스 스트림)의 클라우스 테일 가스 조성을 결정하였다. 산성 가스 유량은 5000만 표준 입방 피트/일(MMSCFD)로 정의되었다. 시뮬레이션은 수소화 반응기로부터 물 제거 단계까지의 흡착 기반 테일 가스 처리 공정을 다루었다.
도 9는 이 시뮬레이션에 대한 공정 흐름도(900)을 나타낸다. 수소화 반응기로부터의 황 회수 유닛(SRU) 공급물 스트림(910)은 압축기(902)에 진입하고, 압축기로부터의 압축된 가스 산출물은 냉각기(904)에 공급된다. 냉각기로부터의 냉각된 가스 산출물은 분리기(905)에 의해 물 흡착 베셀로 향하게 되는 제1 스트림(906) 및 사워 워터 스트리퍼로 향하게 되는 제2 스트림(908)으로 분리된다. 표 1은 공급물 스트림으로부터 물 흡착 베셀로의 시뮬레이션된 가스 조성 유량을 나타낸다.
[표 1]
시뮬레이션된 가스 유량 조성
실시예 3: 흡착 기반 테일 가스 처리 공정의 시뮬레이션
테일 가스 처리 공정의 물 제거 단계에 대한 Aspen 시뮬레이션을 수행하여 특정 가스 유량 및 24시간 흡착 사이클에 대한 흡착 베셀의 크기를 결정하였다.
도 10은 이 시뮬레이션에 대한 공정 흐름도(950)를 나타낸다. 분리기(905)로부터의 제1 스트림(906)(도 9 참조)을 흡착제 물질로서 분자체 3A를 갖는 물 흡착 베셀(952)로 향하게 한다. 흡착 베셀(952)은 3.3 미터(m)의 직경 및 8.6 m의 높이를 갖는다. 흡착 사이클은 24시간(86400초)이었다.
도 11은 86400초 흡착 사이클 동안 물 제거 흡착 베셀(952)에서의 물의 파과 곡선을 나타낸다. y축 라벨은 molH2O/moltot(가스 혼합물의 총 mol로 나눈 물의 mol)이다. 표 2는 분리기(905)로부터 물 흡착 베셀(952)(스트림 S1)로의 시뮬레이션된 가스 조성 유량 및 물 흡착 베셀(952)로부터 황화수소 흡착 베셀(스트림 S2)로의 시뮬레이션된 가스 조성 유량을 나타낸다.
[표 2]
시뮬레이션된 가스 유량 조성
실시예 4: 흡착 기반 테일 가스 처리 공정의 시뮬레이션
테일 가스 처리 공정의 황화수소 제거 단계에 대한 Aspen 시뮬레이션을 수행하여 특정 가스 유량 및 24시간 흡착 사이클에 대한 흡착 베셀의 크기를 결정하였다.
도 12는 이 시뮬레이션에 대한 공정 흐름도(50)를 나타낸다. 물 흡착 베셀(952)(도 10)로부터의 스트림 S1을 흡착제 물질로 CuY 제올라이트를 갖는 황화수소 흡착 베셀(52)로 향하게 한다. 흡착 베셀(52)은 4.63 미터(m)의 직경 및 12.1 m의 높이를 갖는다. 흡착 사이클은 24시간(86,400초)이었다.
도 13a는 86,400초 흡착 사이클 동안 황화수소 흡착 베셀(52)에서 질소(곡선 54) 및 이산화탄소(곡선 56)의 파과 곡선을 나타낸다. 도 13b는 황화수소 흡착 베셀(52)에서 황화수소의 파과 곡선을 나타낸다. 도 13a 및 13b의 경우 y축 라벨은 molH2O/moltot(가스 혼합물의 총 mol로 나눈 물의 mol)이다. 표 3은 물 흡착 베셀(952)로부터 황화수소 흡착 베셀(52)(스트림 S3)로의 시뮬레이션된 가스 조성 유량 및 황화수소 흡착 베셀(952)로부터 열 산화장치로의 및/또는 재생 슬립 스트림(스트림 S4)으로서의 시뮬레이션된 가스 조성 유량을 나타낸다.
[표 3]
시뮬레이션된 가스 유량 조성
주제의 특정한 실시양태가 기재되어 있다. 다른 실시양태는 다음의 청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (29)

  1. 황 회수 방법으로서,
    수소화 반응기에서, 클라우스 테일 가스(Claus tail gas) 스트림 중의 황 함유 화합물을 황화수소로 전환하여 황화수소, 물, 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 포함하는 수소화된 가스 스트림을 생성하는 단계;
    수소화된 가스 스트림을 켄치 타워(quench tower)에 공급하여 액체수(liquid water)를 물 응축물 스트림(water condensate stream)으로 응축함으로써 켄칭된(quenched) 가스 스트림을 생성하는 단계;
    켄칭된 가스 스트림을 제1 단계 흡착 유닛의 제1 단계 흡착 베셀(adsorption vessel)에 공급하여 켄칭된 가스 스트림으로부터 물을 흡착함으로써 제1 배출 가스 스트림을 생성하는 단계;
    제1 배출 가스 스트림을 제2 단계 흡착 유닛의 제2 단계 흡착 베셀에 공급하여 제1 배출 가스 스트림으로부터 황화수소를 흡착함으로써 제2 부산물 가스 스트림을 생성하는 단계;
    제2 부산물 가스 스트림의 적어도 일부를 이산화탄소 스트림 및 풍부화된(enriched) 질소 스트림으로 분리하는 단계; 및
    풍부화된 질소 스트림의 일부를 제2 단계 흡착 베셀에 공급함으로써 제2 단계 흡착 베셀을 재생하여 제2 배출 가스 스트림을 생성하는 단계
    를 포함하는, 황 회수 방법.
  2. 제1항에 있어서, 극저온 분리를 사용하여 제2 부산물 가스 스트림의 제1 부분을 이산화탄소 스트림 및 풍부화된 질소 스트림으로 분리하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 분리막을 사용하여 제2 부산물 가스 스트림의 제1 부분을 이산화탄소 스트림 및 풍부화된 질소 스트림으로 분리하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 분리막에 진공을 적용하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 이산화탄소 스트림을 열 산화장치에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 이젝터를 통해 이산화탄소 스트림을 열 산화장치에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 풍부화된 질소 스트림의 제1 부분을 제1 단계 흡착 베셀에 공급함으로써 제1 단계 흡착 베셀을 재생하여, 물을 탈착함으로써 제1 부산물 가스 스트림을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제1 부산물 가스 스트림을 수소화된 가스 스트림과 합쳐서 합쳐진 스트림을 형성하고 합쳐진 스트림을 켄치 타워에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 풍부화된 질소 스트림을 수소화된 가스 스트림으로부터의 열로 열 교환기에서 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 켄칭된 가스 스트림을 압축기에서 가압하고; 가압된 켄칭된 가스 스트림을 냉각하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 켄칭된 가스 스트림을 수집 드럼에 공급하여 제2 물 응축물 스트림을 통해 액체수를 회수함으로써 흡착 공급물을 생성하는 단계로서, 여기서 흡착 공급물이 제1 단계 흡착 베셀에 공급되는 것인 단계를 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 물 응축물 스트림을 사워 워터 스트리퍼(sour water stripper)에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 제2 부산물 가스 스트림의 제2 부분을 열 산화장치에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 제2 배출 가스를 반응로(reaction furnace)에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 클라우스 테일 가스로부터의 황 회수를 위한 시스템으로서,
    클라우스 테일 가스 스트림 중의 황 함유 화합물을 황화수소로 전환하여 수소화된 가스 스트림을 생성하도록 구성된 수소화 반응기;
    수소화 반응기에 유체공학적으로 연결되어 있으며 수소화된 가스 스트림을 수용하고 액체수를 물 응축물 스트림으로 응축함으로써 켄칭된 가스 스트림을 생성하도록 구성된 켄치 타워;
    제1 단계 흡착 베셀을 포함하는 제1 단계 흡착 유닛으로서, 제1 단계 흡착 사이클 동안, 켄치 타워에 유체공학적으로 연결되어 있으며 켄칭된 가스 스트림을 수용하고 켄칭된 가스 스트림으로부터 물을 흡착함으로써 제1 배출 가스 스트림을 생성하도록 구성된, 제1 단계 흡착 유닛;
    제2 단계 흡착 베셀을 포함하는 제2 단계 흡착 유닛으로서, 제2 단계 흡착 사이클 동안, 제1 단계 흡착 베셀에 유체공학적으로 연결되어 있으며 제1 배출 가스 스트림을 수용하고 제1 배출 가스 스트림으로부터 황화수소를 흡착함으로써 제2 부산물 가스 스트림을 생성하도록 구성된, 제2 단계 흡착 유닛;
    제2 부산물 가스 스트림의 적어도 일부를 수용하고 제2 부산물 가스 스트림의 일부를 이산화탄소 스트림 및 풍부화된 질소 스트림으로 분리하도록 구성된 이산화탄소 분리 부재(separation element)
    를 포함하고;
    여기서 제2 단계 흡착 베셀이 제2 단계 재생 사이클 동안, 풍부화된 질소 스트림의 일부를 수용하도록 구성된 것인, 클라우스 테일 가스로부터의 황 회수를 위한 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 이산화탄소 분리 부재가 제2 부산물 가스 스트림의 일부를 이산화탄소 스트림 및 풍부화된 질소 스트림으로 분리하도록 구성된 분리막을 포함하는 것인 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 이산화탄소 분리 부재가 극저온 분리 부재를 포함하는 것인 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 이산화탄소 스트림을 수용하도록 구성된 열 산화장치를 포함하는 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 이젝터를 포함하며, 여기서 열 산화장치가 이젝터로부터 이산화탄소 스트림을 수용하도록 구성되는 것인 시스템.
  20. 제15항에 있어서, 제1 단계 흡착 베셀이, 제1 단계 재생 사이클 동안, 풍부화된 질소 스트림의 제1 부분을 수용하고 물을 탈착함으로써 제1 부산물 가스 스트림을 생성하도록 구성된 것인 시스템.
  21. 제15항에 있어서, 제2 부산물 가스 스트림의 제2 부분을 수용하도록 구성된 열 산화장치를 포함하는 시스템.
  22. 제15항에 있어서, 제2 단계 흡착 베셀에 유체공학적으로 연결되어 있으며 제2 단계 재생 사이클 동안 제2 단계 흡착 유닛에서 생성된 제2 배출 가스를 수용하도록 구성된 반응로를 포함하는 시스템.
  23. 제15항에 있어서, 풍부화된 질소 스트림으로부터의 열로 수소화된 가스 스트림을 냉각하도록 구성된 열 교환기를 포함하는 시스템.
  24. 제15항에 있어서, 제1 단계 흡착 베셀이 친수성 분자체를 포함하는 것인 시스템.
  25. 제15항에 있어서, 제2 단계 흡착 베셀이 Cu-Y형 제올라이트를 포함하는 것인 시스템.
  26. 제15항에 있어서, 제1 단계 흡착 유닛이 병렬로 유체공학적으로 연결된 여러 개의 제1 단계 흡착 베셀을 포함하고, 제2 단계 흡착 유닛이 병렬로 유체공학적으로 연결된 여러 개의 제2 단계 흡착 베셀을 포함하는 것인 시스템.
  27. 황 회수 방법으로서,
    수소화 반응기에서, 클라우스 테일 가스 스트림 중의 황 함유 화합물을 황화수소로 전환하여 황화수소, 물, 및 이산화탄소 또는 질소 중 적어도 하나를 포함하는 수소화된 가스 스트림을 생성하는 단계;
    수소화된 가스 스트림을 켄치 타워에 공급하여 액체수를 물 응축물 스트림으로 응축함으로써 켄칭된 가스 스트림을 생성하는 단계;
    켄칭된 가스 스트림을 제1 단계 흡착 유닛의 제1 단계 흡착 베셀에 공급하여 켄칭된 가스 스트림으로부터 물을 흡착함으로써 제1 배출 가스 스트림을 생성하는 단계;
    제1 배출 가스 스트림을 제2 단계 흡착 유닛의 제2 단계 흡착 베셀에 공급하여 제1 배출 가스 스트림으로부터 황화수소를 흡착함으로써 제2 부산물 가스 스트림을 생성하는 단계; 및
    제2 단계 흡착 베셀을 재생하여 제2 배출 가스 스트림을 생성하는 단계로서, 여기서 제2 단계 흡착 베셀을 재생하는 단계가 제2 부산물 가스 스트림의 일부 및 질소 스트림을 제2 단계 흡착 베셀에 공급하는 단계를 포함하는 것인 단계
    를 포함하는, 황 회수 방법.
  28. 제27항에 있어서, 제2 단계 흡착 베셀을 재생하는 단계가 질소 스트림을 극저온 탱크로부터 제2 단계 흡착 베셀에 공급하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  29. 제27항에 있어서, 제2 단계 흡착 베셀을 재생하는 단계가,
    제2 부산물 가스 스트림의 일부를 제1 기간 동안 제2 단계 흡착 베셀에 공급하는 단계; 및
    질소 가스 스트림을 제1 기간 후에 제2 기간 동안 제2 단계 흡착 베셀에 공급하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
KR1020247023547A 2021-12-15 2022-12-15 흡착 기반 클라우스 테일 가스 처리 KR20240124970A (ko)

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