Установка для получения элементарной серы из сероводорода
UNIT FOR PRODUCING ELEMENTAL SULPHUR FROM HYDROGEN SULPHIDE

Изобретение относится к области нефтегазодобывающей промышленности, в частности к установкам для получения элементарной серы из сероводорода или сероуглерода, или при очистке нефтяного, природного газов от серосодержащих соединений типа сероводорода или сероуглерода путем их разложения с получением элементарной серы, и также может найти применение в других отраслях промышленности: химической, нефтехимической, газоперерабатывающей и металлургической.
Известен способ получение серы (см. патент США №4592905, дата публ. 03.06 1986 г.) путем контактирования и взаимодействия газообразного сероводорода с антрахиноном, растворенным в полярном органическом растворителе, с получением серы и соответствующего антрагидрохинона. При этом сера осаждается из раствора и извлекается в виде продукта. Оставшийся антрагидрохиноновый раствор подают в реактор дегидрогенирования, где его термически или каталитически регенирируют до получения исходной формы антрахинона в растворе и газообразного водорода. Антраохиноновый раствор рециклизуют обратно в реактор с водородом, а водород извлекают в виде продукта.
Недостатком известного способа является то, что он для его осуществления требуется сложное оборудование, использование полярного органического растворителя, в котором растворяют газообразный сероводород с антрахиноном, что также требует принятия мер по защите здоровья обслуживающего персонала и безопасности окружающей среды.
Известен также способ получения элементарной серы и молекулярного водорода (см.описания к заявке №94040929 от 08.11.1994 г., МПК С01В 17/04, опубл. в Б.И. от 20.09.1996 г. под названием «Способ получения элементарной серы и молекулярного водорода из сероводородосодержащей исходной смеси газов и устройство для его осуществления»), предусматривающий диссоциацию электромагнитным воздействием в реакционной зоне с последующим разделением продуктов диссоциации на серу и водород и отвод их из реакционной зоны. При этом электромагнитное воздействие осуществляют непрерывно, путем подачи в реакционную зону направленного электромагнитного излучения сверхвысокой частоты (СВЧ), при температуре 135°С, причем направление перемещения исходной смеси в реакционной зоне совпадает с векторной диаграммой излучателя СВЧ-излучения, а базовое разделение продуктов диссоциации осуществляют на выходе из реакционной зоны путем изменения направления перемещения исходной смеси продуктов диссоциации.
Указанный способ для осуществления требует нагрева исходной смеси до 135°С, что увеличивает энергозатраты, он технологически сложный и требует сложного оборудования для его осуществления.
Известен также способ получения элементарной серы из сероводорода или сероуглерода и установка для его осуществления (см. описание к патенту №2287617 от. 08.04.2005 г., опубл. 20.11.2006 г., Бюл. №32) путем их диссоциации с последующим отделением серы. При этом диссоциацию осуществляют растворением их в дистиллированной воде в герметичных емкостях и далее путем электролиза осаждают элементарную серу на аноде, а водород выделяют на катоде с последующей транспортировкой его вместе с очищенным нефтяным газом от серы к потребителю.
Указанная установка для получения элементарной серы из сероводородосодержащего нефтяного газа путем электролиза включает установленные на основаниях две герметичные емкости с вмонтированными внутри электродами - анодом и катодом, присоединенными к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного тока соответственно, входные патрубки в нижних частях емкостей, снабженные запорными элементами, измеритель давления, измеритель уровня дистиллированной воды в емкостях и газоотводящую линию сообщающую верхние части первой емкости с нижней частью второй емкости с водой, и патрубок с запорным элементом для отвода выделившегося газа - водорода - вместе с нефтяным при электролизе к сборному пункту потребителя.
Известная установка по технической сущности более близка предлагаемой и ее можно принять в качестве прототипа.
Ее недостатком является низкая эффективность. Объясняется это тем, что диссоцируемый газ, поступающий в емкость через входной патрубок, не успевает тотчас растворится в дистиллированной воде, большая его часть может всплывать на поверхность воды, поскольку давление поступающего газа должно быть больше, чем статическое давление воды в емкости по определению, что приводит к снижению эффективности ее работы. Кроме того, при отложении большого слоя элементарной серы на аноде в результате электролиза сероводорода анод постепенно начинает терять свою способность принимать серу и при достижении определенной толщины на его поверхности перестает выполнять свою функцию, а оперативное извлечение его из емкости и замена его на новый электрод не предусмотрена, следовательно, установка также нуждается в устранении этого недостатка. В установке не предусмотрен также контроль за температурой воды в емкостях. Известно, что в процессе электролиза в них находящаяся вода нагревается, что приводит к замедлению разложения сероводорода.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности работы установки.
Поставленная техническая задача решается предлагаемой установкой, включающей установленные на основаниях две герметичные емкости с вмонтированными внутри электродами - анодом и катодом, присоединенными к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного тока соответственно, снабженные запорными элементами, входные патрубки в нижних частях емкостей для подвода газа, измерители давления газа в емкостях, уровня дистиллированной воды и газоотводящую линию, сообщающую верхнюю часть первой емкости с нижней частью второй емкости, патрубок с запорным элементом для отвода выделившегося газа к сборному пункту
Новым является то, что установка дополнительно снабжена и третьей емкостью с вмонтированными внутри электродами - анодом и катодом - и с объемом меньшим, чем объем второй, а вторая емкость выполнена с объемом меньшим или равным объему первой, причем каждая емкость снабжена измерителем температуры воды, а нижние части каждой емкости - усилителями контактирования газа с водой, выполненными в виде перфорированной трубы, разделенной на несколько участков в порядке возрастания диаметров отверстий на участках, начиная со стороны входа газа, а труба выполнена из антикоррозийного материала, такого как полиэтилен, полипропилен, или из нержавеющей стали, сообщенными с газоподводящей линией, снабженной запорным элементом, с подключенной к ней обводной газовой линией для подвода диссоциируемого газа к усилителям контактирования газа с водой второй и третьей емкости и снабженной запорными элементами, установка снабжена также дополнительной газовой линией, сообщенной с источником сжатого инертного газа и с верхними частями каждой емкости с помощью отводов, снабженных запорными элементами.
Другим отличием установки является и то, что в качестве измерителя температуры может быть использован термометр или датчик температуры в случае необходимости автоматизации системы управления.
Другим отличием установки является и то, что в качестве инертного газа для источника сжатого газа выбран азот.
Другим отличием установки является также и то, что в качестве запорного элемента газоподводящей и газоотводящей линий может быть использован обратный клапан, работающий на открытие со стороны подвода и отвода газа, или кран.
Патентные исследования ретроспективностью 20 лет проводились в патентной библиотеке института «ТатНИПИнефть» с целью определения технического уровня и предварительной экспертизы на новизну. Результаты патентных исследований показали, что объекты аналогичного назначения с такой совокупностью существенных признаков, как у заявляемого, не обнаружены, Анализ обнаруженных известных технических решений в данной области техники показал, что заявляемое техническое решение имеет признаки, которые отсутствуют в аналогах, а их использование в заявляемой совокупности существенных признаков позволяют получить новый технический результат. Следовательно, можно предположить, что заявляемое техническое решение соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень», а его практическая применимость подтверждается описанием реализации установки
Представленные чертежипоясняют суть предлагаемой установки, где на фиг. 1 изображена предлагаемая установка с тремя емкостями, внутри которых вмонтированы усилители контактирования газа с дистиллированной водой, видны также электроды, присоединенные к источнику постоянного тока, видны отводы, вмонтированные к верхним частям емкостей и присоединенные к линии, сообщенной с источником сжатого инертного газа, который изображен в виде баллона, видна обвязка газоподводящей и газоотводящей линии с запорными элементами, а также уровнемер, измерительные приборы.
На фиг. 2 - вид на А по фиг. 1, где изображена горловина емкости для ввода электрода - анода, закрытая с помощью фланцев, видна втулка с уплотнителем, через которую пропущен электропровод из положительного полюса источника постоянного тока к аноду.
На фиг. 3 - усилитель контактирования газа с дистиллированной водой, выполненный в виде перфорированной трубы, разделенной на участки Б, В, и Г, где видны отверстия, выполненные в порядке возрастания диаметров на участках, начиная от участка Б со стороны входа газа с наименьшими по диаметру отверстиями.
На фиг. 4 - заземленная емкость со спущенными в нее несколькими электродами - анодами, подключенными к положительному полюсу источника постоянного тока, а также виден катод, видно усилитель контактирования газа с водой.
Установка для получения элементарной серы из сероводорода (см. фиг. 1) включает установленные на основаниях 1, 2 и 3 в количестве не менее трех заземленных емкостей 4, 5 и 6 с вмонтированными внутри них электродами 7 и 8, служащими анодом (+) и катодом (-) соответственно, присоединенными к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного тока. Емкости по форме могут быть выполнены в виде цилиндра, как это изображено на фиг. 1 и 4, или прямоугольными, квадратными в сечении и снабжены измерителями давления 9 газа, уровнемерами 10, анализаторами 11 сероводорода, измерителями температуры 12. Емкость 6 выбрана с меньшим объемом, чем емкость 5, а емкость 5 выполнена с объемом меньшим или равным, чем емкость 4, к которой подводится диссоциируемый газ (далее газ) по газоподводящей линии 13, снабженной фильтром 14 и запорным элементом 15, который может быть выполнен в виде крана или обратного клапана, работающего на открытие со стороны входа газа. Предпочтительно использование обратного клапана. Каждая емкость заземлена и снабжена входным для газа патрубками 16, 17 и 18 с запорными элементами 19, 20 и 21 (далее краны) соответственно, к которым с помощью фланцев (фланцевое соединение не показано) вмонтированы усилители 22 (см. фиг. 1 и 3) контактирования газа с дистиллированной водой 23 (далее вода), присоединенные с газоподводящей линией 13, к которой в свою очередь присоединена обводная газовая линия 24 с кранами 25 и 26, которая имеет сообщение с емкостями 5 и 6 через усилители 27 и 28 контактирования газа с водой (далее усилитель). Один из возможных вариантов выполнения усилителя приведена на фиг. 3. Он выполнен в виде перфорированной трубы и для повышения эффективности растворения газа в воде условно разделена на несколько участков Б, В и Г (см. фиг. 3) в порядке возрастания диаметров отверстий 29 на его участках, начиная с участка Б со стороны входа газа, и выполнена из антикоррозионного материала типа полиэтилена, полипропилена или из нержавеющей стали.
2
2
Установка дополнительно снабжена газовой линией 30, сообщенной с источником 31 сжатого инертного газа, который изображен в виде баллона, и с верхней частью каждой емкости 4, 5 и 6 с помощью отводов, 32, 33 и 34, снабженных кранами 35, 36 и 37. При этом в качестве инертного газа может быть использован азот. Емкости 4 и 5 снабжены газоотводящими линиями 38 и 39 с запорными элементами 40 и 41 соответственно, которые могут быть выполнены в виде обратного клапана, работающими на открытие со стороны входа газа, или крана для отвода выделившегося водорода в смеси с некоторым количеством всплывшего сероводорода, в случае если это случится, из верхних частей емкостей 4 и 5 в нижние части емкостей 5 и 6 соответственно. Третья емкость 6 снабжена патрубком 42 с краном 43 для отвода отделившегося водорода к потребителю. При необходимости аналогичными патрубками с краном могут быть снабжены и емкости 4 и 5. Емкости можно снабдить несколькими анодами 44, 45 и 46 (см. фиг. 4) для ускорения отделения серы из HS или когда объем поступающего газа большой. Нижние части емкостей снабжены технологическими патрубками 47, 48 и 49 с кранами. В процессе проведения операции электролиза емкости нагреваются, что фиксируется термометром 12 или датчиком температуры, и процесс диссоциации HS замедляется, и эффективность установки снижается. Поэтому для поддержания оптимальной температуры воды в емкостях их необходимо снабдить рубашкой охлаждения (рубашка охлаждения не изображена)
Установка работает следующим образом.
2
1
2
2
2
2
2
Перед включением установки в работу проверяют наличие дистиллированной воды 23 в емкостях 4, 5 и 6 по уровнемеру 10, герметичность обвязки, запорных элементов, заземления емкостей, наличие и исправность измерительных приборов, а также надежность герметизации стержня 50 (см фиг. 2 и 1), электродов с головкой 51 для захвата крюком 52 подъемного механизма и фланцевых соединений Объем дистиллированной воды в емкостях берут с учетом того, чтобы оказываемое ею статическое противодавление Р было меньше, чем давление P поступающего в емкость 4 HS или сероводородсодержащего нефтяного газа, подаваемого по газоподводящей линии 13. Из источников информации также известно (см. также описание к патенту №2287617, стр. 5), что дистиллированная вода является единственным исходным химическим соединением, не изменяющим своих химических и физических свойств в ходе выделения элементарной серы из HS и его содержащих газов и может быть использовано длительно. После окончания подготовительных работ к электродам 7 и 8 емкости 4 (см. фиг. 1), а также к электродам емкостей 5 и 6 подают постоянный электрический ток, открывают краны 19, 20 и 21 входных патрубков 16, 17 и 18, а затем и кран 15 газоподводящей линии 13 при закрытых кранах 25 и 26 обводной газовой линии 24, тем самым в емкость 4 подают дисоциируемый HS или НС содержащий нефтяной газ. При этом происходит следующее. Газ HS, проходя через фильтр 14, контактируя с водой емкости 4, частично увлажняется и растворяется и далее попадает в усилитель 22 контактирования газа с водой, где происходит максимальное его растворение и дальнейшая диссоциация с образованием ионов серы и водорода
2
+
+
2
HS↔H+HS↔H+S
2
В усилителе HS проходит несколько участков Б, В и Г, сначала попадая в участок Б с малым диаметром отверстий 29 (см Фиг. 3), затем он попадает в участок В с большим диаметром, чем в первом, и так в возрастающем порядке диаметров отверстий в других участках, что не позволяет газу всплыть и оказаться в пространстве над жидкостью. Известно, что из всех газов, входящих в состав нефтяного и попутного газов, только сероводород и сероуглерод растворимы в воде, превращая дистиллированную воду в электролит, при котором под действием электрического поля постоянного тока отрицательно заряженные ионы серы направленно перемещаются к положительному электроду 7 (аноду), образуя на нем нерастворимую в воде элементарную серу, а на отрицательно заряженном электроде 8 – катоде - выделяется нерастворимый в воде водород:
+
2
(2H+2e)+(S-2е)→H2↑+S↓
и он всплывает на поверхность воды.
2
2
2
2
2
2
При этом периодически проверяют состав выделившегося газа водорода на присутствие HS по показанию газоанализатора 11 сероводорода или путем взятия пробы для экспресс анализа через патрубок 53 с краном 54 для отвода Н к потребителю В случае обнаружения в составе выделившегося водорода HS выше ПДК, предусмотренной в нормативных документах, тогда по газоотводящей линии 38, предварительно открыв кран 40 и усилитель контактирования 27, направляют в емкость 5 для более тонкого выделения S, где осуществляется аналогичный процесс, что и в емкости 4. Если HS в емкости 5 не обнаружится или в пределах ПДК, то через патрубок 53 для отвода газа Н, открыв кран 54, направляют к потребителю.
2
2
2
2
2
2
С течением времени из-за отложения на аноде 7 большого количества вязкой нерастворимой элементарной серы его действие ослабевает, в результате чего присутствие HS в выделившимся водороде неизбежно и даже он может перестать выполнять свою функцию. В этом случае кран 19 на входе газа HS в емкость 4 закрывают, открывают краны 20 и 24 и при закрытом кране 26 HS направляют в емкость 5 по обводной линии 24. Далее осуществляют замену анода 7 с налипшей вязкой серой - S на новый. Для этого имеющийся над уровнем воды в емкости газ - Н - вытесняют в емкость 5 по газоподводящей линии 38 при открытом кране 40 (вместо крана желательно установить обратный клапан) с помощью сжатого инертного газа, поступающего из баллона 31 открытием крана 35 отводного патрубка 32. Затем втулку 55 (см. фиг. 2) отвинчивают от фланцевого соединения и зацепляют головку 51 электрода-анода 7 крюком 52 (см. Фиг. 1 и 2) подъемного механизма и извлекают из емкости 4 и направляют его для очистки от налипшей серы, Тем временем в емкость 4 спускают запасной электрод и закрепляют его втулку 55 к флацевыму соединению. После окончания монтажа HS снова направляют в емкость 4. Для этого кран 19 открывают, а кран 25 обводной газовой линии 24 закрывают и далее цикл повторяется.
Технико-экономическое преимущество предложения заключается в следующем.
Предлагаемая установка в сравнении с аналогами обладает повышенной эффективностью и надежностью в работе, не требует больших энергозатрат и использования сложного комплектующего оборудования, проще и безопасен в обслуживании оператором. Установка обеспечивает отделение элементарной серы не только из сероводорода, но и из сероводород- и сероуглеродсодержащих нефтяных и природных газов, что позволит защитить нефтепромысловое технологическое оборудование от коррозии, приведет к оздоровлению экологии на нефтяных промыслах, положительно скажется и на здоровье населения, проживающего в районах нефтегазодобычи, поскольку сероводород и сероуглерод являются сильнодействующими ядовитыми веществами нервно-паралитического действия. Кроме того, в процессе электролиза выделенный водород или водород в смеси с очищенным нефтяным газом от серы можно использовать как топливо и как ценное сырье для нефтегазоперерабатывающей и химической промышленности. Использование предлагаемой установки позволит получить ощутимые экономические выгоды.