Обезвоживание серы
SULFUR DEHYDRATION

Область техники
Типичные и неограничивающие примеры воплощения относятся в основном к обезвоживанию серы.
Уровень техники
Для удаления частиц из потоков воздуха, газа или жидкости без использования фильтров можно применять разделение в циклоне, посредством вихревого разделения. При циклонном разделении используют эффекты вращения и силу тяжести для разделения смесей твердых веществ и текучих сред. Циклонное разделение можно также использовать для отделения мелких капель жидкости от газообразного потока. Внутри цилиндрической или конической емкости, которую можно назвать циклоном, создают поток газа, вращающийся с высокой скоростью. Газ протекает по спирали, начиная сверху (широкий конец) циклона и заканчиваясь на дне (узкий конец), перед тем как выйти из циклона прямым потоком через верхнюю центральную часть циклона. Более крупные (обладающие более высокой плотностью) частицы во вращающемся потоке имеют слишком высокую инерцию, чтобы следовать по плотно закрученной кривой газового потока, поэтому они ударяются о внешнюю стенку, а затем перемещаются ко дну циклона, где их можно собрать. В коническом циклоне радиус вращения потока уменьшается по мере перемещения вращающегося потока в направлении узкого конца циклона, что позволяет, таким образом, отделять все более и более мелкие частицы.
Фракции элементарной серы могут включать избыточное количество влаги. Очистка/отмывка фракций элементарной серы является одной из проблем в промышленности.
Сущность изобретения
Таким образом, целью является создание способа и устройства, позволяющих уменьшить вышеуказанный недостаток. Этих целей достигают с помощью способа и устройства, которые отличаются тем, что изложено в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные примеры воплощения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
В одном из аспектов предложен способ обезвоживания серы, включающий подачу газообразной смеси в циклон при повышенной температуре, при этом газообразная смесь содержит газообразную серу и водяной пар, а также проведение циклонного разделения газообразной серы и водяного пара, которые содержатся в газообразной смеси, с получением обогащенной газообразной серой фракции из патрубка на нижнем отверстии циклона, а обогащенной водяным паром фракции - из разгрузочной насадки (выхлопной трубы) циклона. В другом аспекте предложено устройство для обезвоживания серы, включающее по меньшей мере один циклон, выполненный с возможностью принимать газообразную смесь, подаваемую в циклон при повышенной температуре, при этом газообразная смесь содержит газообразную серу и водяной пар, где по меньшей мере один циклон выполнен с возможностью осуществления циклонного разделения газообразной серы и водяного пара, содержащихся в газообразной смеси, так что обогащенную газообразной серой фракцию получают из патрубка на нижнем отверстии циклона, а обогащенную водяным паром фракцию - из разгрузочной насадки циклона.
Преимуществом является возможность удаления избыточной влаги из газообразной серы, облегчая, таким образом, повторное использование серы.
Краткое описание чертежей
Далее данное решение будет описано более подробно, посредством предпочтительным примеров воплощения, со ссылкой на прилагаемый чертеж, в котором:
Фиг. 1 иллюстрирует устройство циклона по одному из примеров воплощения.
Подробное описание некоторых примеров воплощения
Последующие примеры воплощения являются типичными. Хотя данное патентное описание может в нескольких местах ссылаться на «какой-либо», «один из» или «некоторые» примеры (пример) воплощения, это не обязательно означает, что каждая такая ссылка относится к одному и тому же примеру воплощения (примерам воплощения), или что данный признак применим только к единственному примеру воплощения. Отдельные признаки различных примеров воплощения можно также комбинировать, чтобы обеспечить другие примеры воплощения. Кроме того, слова «содержащий» и «включающий» следует понимать так, что они не ограничивают описанные примеры воплощения как состоящие только из указанных признаков, и такие примеры воплощения могут содержать также признаки/структуры, которые не были конкретно указаны. Все слова и выражения следует интерпретировать в широком смысле; предполагается, что они только иллюстрируют, а не ограничивают пример воплощения.
В одном из примеров воплощения очистку фракций серы проводят посредством процесса испарения. В процессе испарения испаряются и сера, и вода, и водяной пар отделяют в газовой фазе от газообразной серы.
6
7
5
Газообразная сера при температуре 450°С включает молекулы серы и имеет примерно следующее распределение по массе: 48% S, 15% S, 14% S и 1% S. Средняя молекулярная масса молекул серы составляет около 187 г/моль. Для сравнения, молекулярная масса воды составляет только 18,016 г/моль. Если поведение данных газов близко к поведению идеального газа, молекулы серы имеют плотность, примерно в десять раз превышающую плотность водяного пара (в действительности газообразная сера в большей степени отличается от идеального газа, чем водяной пар, и, таким образом, относительная плотность газообразной серы еще больше). В циклоне, под действием значительных центробежных сил, плотный материал (сера) перемещается к боковым стенкам циклона, а легкий материал (вода) - в середину циклона.
2
2
В одном из примеров воплощения способ получения (обезвоживания) серы включает подачу в циклон газообразной смеси, содержащей газообразную серу и водяной пар, при повышенной температуре (например, 450°С). Газообразная смесь может также содержать небольшое количество SO и/или HS ввиду химического равновесия реакции:  Проводят циклонное разделение газообразной серы и водяного пара, содержащихся в газовой смеси. Циклонное разделение включает получение обогащенной газообразной серой фракции из отверстия в конической части циклона и фракции, обогащенной водяным паром, - из выпускной (выхлопной) трубы циклона. Разделение может быть частичным; таким образом, полученная обогащенная газообразной серой фракция может содержать некоторое количество водяного пара, а полученная обогащенная водяным паром фракция может содержать некоторое количество газообразной серы.
Фиг. 1 иллюстрирует устройство циклона по данному изобретению. Устройство содержит по меньшей мере один циклон 1, включающий цилиндрическую секцию 11 и коническую секцию 9 на одном из концов цилиндрической секции 11. Циклон 1 выполнен с возможностью принимать, через впускное отверстие 7, газообразную смесь 2 (то есть питающий газ 2) из газообразной серы и водяного пара. Циклон 1 выполнен с возможностью осуществления циклонного разделения, так чтобы обогащенную газообразной серой фракцию 3 можно было получать из выпускного отверстия 5 (то есть из патрубка 5 на нижнем отверстии циклона) в конической части циклона 1, а обогащенную водяным паром фракцию 4 - из выпускной трубы 10 (то есть разгрузочной насадки 10) на другом конце циклона 1. Внутри корпуса 13 циклона создается поток газа, вращающийся с высокой скоростью. Газ протекает по спирали, начиная с «верха» циклона и заканчиваясь на «нижнем конце», после чего более легкий газ выходит из циклона в виде прямого потока и/или центрального турбулентного потока через выпускную трубу 10 (то есть разгрузочную насадку 10) циклона 1. Более плотный газ во вращающемся потоке обладает слишком большой инерцией, чтобы следовать по кривой малого радиуса газового потока, поэтому более плотный газ ударяется о стенку 8, стекает ко «дну» циклона 1 и выходит из циклона 1 через патрубок 5 нижнего отверстия конической части 9 (на конце конуса).
Можно применять различные виды циклонов. Например, циклон может включать тангенциальный, эвольвентный (то есть спиральный), частично эвольвентный (то есть частично спиральный) или аксиальный подающий канал; при этом впускное отверстие 7 позволяет, соответственно, осуществлять тангенциальную, эвольвентную, частично эвольвентную или направленную по оси подачу газообразной смеси в циклон. Впускное отверстие 7 может включать отверстие в цилиндрической секции 11 (имеющее, например, высоту 1D или менее, и ширину 0,5D или менее, где D = диаметр цилиндрической секции 11 циклона). Отверстие может быть прямоугольным или иметь любую другую форму. Высота цилиндрической секции может составлять, например, от 1D до 2D. Выпускная труба 10 включает трубообразный элемент 10, присоединенный к цилиндрической секции 11, и этот трубообразный элемент 10 проходит из внутренней части цилиндрической секции 11 (ниже впускного отверстия 7) за пределы цилиндрической секции 11. Этот трубообразный элемент 10 можно также назвать разгрузочной насадкой 10. Высота воронки (конуса) 9 (вместо воронки можно использовать и другие формы) может составлять, например, от 2D до 3D. Газ расширяется внутри циклона 1, поэтому суммарная площадь сечения разгрузочной насадки 10 и отверстия 5 (которое также называют патрубком 5) может быть больше, чем площадь сечения впускного отверстия 7. Площадь сечения патрубка 5 может быть (а может и не быть) больше, чем площадь сечения разгрузочной насадки 10, в зависимости от состава газа и противодавлений, используемых на выпусках 5, 10.
Подаваемый в циклон 1 поток газа может быть ламинарным потоком, с отсутствием турбулентности или с небольшой турбулентностью. Циклонное устройство включает подающий канал 12 (имеющий длину, например, порядка 0,5 м), внутри которого давление газа уменьшается, и получается быстрый поток газа (уменьшение давления ускоряет газ). Подающий канал 12 соединен с цилиндрической секцией 11 циклона 1 по эвольвенте (в альтернативном случае подающий канал 12 соединен с цилиндрической секцией 11 тангенциально, аксиально или частично эвольвентно). Циклон 1 включает разгрузочную насадку 10, выполненную с возможностью собирать более легкий газ и предотвращать прямое соединение (перепуск). Корпус 13 циклона включает цилиндрическую секцию 11 и коническую секцию 9. На конце конической секции 9 имеется отверстие патрубка 5, через которое более тяжелый материал выходит из циклона 1.
Обычно внутри циклона образуются два раздельных вихревых потока. Внешний вихревой поток проходит вблизи стенок 8 циклона, а внутренний вихревой поток находится в центре циклона 1. Разгрузочная насадка 10 «находит» внутренний (то есть центральный) вихревой поток и выбрасывает материал, находящийся во внутреннем вихревом потоке, из циклона 1 (через разгрузочную насадку 10).
На начальной стадии разгрузочная насадка 10 вынуждает поток газа перемещаться в направлении отверстия патрубка 5, таким образом вызывая исходное движение газа в направлении конической секции 9 (то есть в направлении области низкого давления вблизи отверстия патрубка 5).
2
2
2
2
2
2
Таким образом, в одном из примеров воплощения обогащенную водяным паром фракцию 4 можно извлечь через разгрузочную насадку 10 циклона 1, а обогащенная газообразной серой фракция 3 попадает на стенку 8 циклона 1, и ее можно отобрать через отверстие патрубка 5. Питающий газ 2/ полученная обогащенная газообразной серой фракция 3 могут также содержать HS и/или SO. HS имеет плотность, лишь в два раза превышающую плотность водяного пара, поэтому значительное количество HS может оказаться в обогащенной водяным паром фракции 4. SO имеет плотность почти в четыре раза выше, чем плотность водяного пара, тем не менее значительное количество SO может оказаться в обогащенной водяным паром фракции 4.
2
2
2
2
2
2
В одном из примеров воплощения «верхняя» часть циклона может включать несколько концентрических выходных отверстий (выпускных труб (разгрузочных насадок)), предназначенных для легких газовых фракций (таких как HO, HS, SO) (не показаны на Фиг. 1). Таким образом, более легкие газы (такие как HO, HS, SO) можно по меньшей мере частично отделить друг от друга посредством предназначенных для этого выпускных труб.
В одном из примеров воплощения используют несколько циклонов, соединенных последовательно, при этом разделение фракций может быть улучшено путем использования нескольких последовательно соединенных циклонов. В этом случае обогащенную газообразной серой фракцию (и/или обогащенную водяным паром фракцию), полученную из первого циклона, используют в качестве газообразной смеси для подачи во второй циклон в циклонном устройстве.
В одном из примеров воплощения для увеличения производительности циклонного устройства применяют несколько циклонов в параллельном соединении.
Например, циклон диаметром 2 см, имеющий впускное отверстие 7 высотой 3 мм, можно использовать для достижения достаточного разделения газов. Размеры выпускных отверстий и величины противодавления могут зависеть от желаемого диапазона снижения содержания. Для создания скорости вращения может потребоваться повышенное давление питающего газа 2, чтобы создать градиент давления. Например, можно использовать диапазон давления питающего газа от 0,05 до 2 МПа (от 0,5 до 20 бар), предпочтительно от 0,3 до 1 МПа (от 3 до 10 бар), более предпочтительно от 0,3 до 0,6 МПа (от 3 до 6 бар).
2
2
В циклоне газообразная сера может иметь среднюю плотность примерно 14 г/л, водяной пар может иметь плотность около 1,4 г/л, SO может иметь плотность около 5 г/л, и HS может иметь плотность около 2,5 г/л. Высокое центробежное ускорение в циклоне способно преодолеть термодинамически обусловленные силы смешивания и разделить газы по плотности.
2
2
Газ также можно рассматривать как отдельные молекулы, каждая из которых имеет определенный объем при одинаковых температуре и давлении. В циклоне 1 центробежные силы действуют на молекулы. Ускорение, вызываемое центробежной силой, можно рассчитать по формуле a = v/r, где a = ускорение, v = тангенциальная скорость массы и r = расстояние массы от оси вращения. При скорости на входе 250 м/с (газовую смесь 2 подают тангенциально по отношению к краю (то есть стенке 8) циклона 1) и при максимальном радиусе r = 0,01 м получают ускорение 625000 м/с. В циклоне 1 более плотный газ прижимается к стенкам 8 циклона 1 и выходит из циклона 1 через отверстие патрубка 5. Более легкий газ оказывается в центре циклона 1 и выходит из циклона 1 через разгрузочную насадку 10.
Более высокая тангенциальная скорость и относительно малый диаметр циклона могут увеличить уровень разделения газов для центробежного процесса в результате повышенного ускорения. Например, можно применять диаметр циклона от 2 см до 10 см и давление подаваемого газа 1 МПа (10 бар). Часть давления используют для получения желаемой скорости (например, тангенциальной скорости 250 м/с). В процессе промышленного масштаба можно применять большое количество параллельно соединенных циклонов, чтобы можно было переработать большие количества газообразной серы 3. В случае диаметра циклона 2 см можно получить более высокий уровень отделения по сравнению с циклоном с диаметром 10 см. Для процессов промышленного масштаба более приемлемо использовать давление 1 МПа (10 бар) или менее, поскольку такое давление легче получить; можно использовать более низкие температуры (риск конденсации серы отсутствует), и для сжатия расходуется меньше энергии. Однако также можно использовать и давление выше или ниже 1 МПа (10 бар).
Полученная обогащенная водяным паром фракция 4 может содержать более легкие молекулы газообразной серы. Если обогащенная водяным паром фракция 4 имеет возможность достичь равновесия по газу, более легкие молекулы газообразной серы реагируют с образованием более тяжелых молекул газообразной серы; при этом их можно отделить от водяного пара посредством нескольких циклонов, соединенных последовательно. Если обогащенная водяным паром фракция 4 не имеет возможности достичь равновесия по газу перед подачей ее в следующий циклон, отделение газообразной серы от водяного пара все еще достигается, но с пониженной эффективностью.
2
8
2
2
В одном из примеров воплощения размер (то есть диаметр, высоту, ширину) выпускных отверстий 5, 10 и впускного отверстия 7 в циклоне 1 можно выбрать на основе характеристик питающего газа 2 (например, на основании относительных количеств различных молекул (HO, S, HS, SO и т.д.) в питающем газе 2).
2
8
2
2
В одном из примеров воплощения величины противодавления на выпусках 5, 10 в циклоне 1 можно регулировать на основе характеристик питающего газа 2 (например, на основании относительных количеств различных молекул (HO, S, HS, SO и т.д.) в питающем газе 2).
Таким образом, в одном из примеров воплощения поток 2 газообразной серы/ водяного пара можно разделить на поток 3, обогащенный газообразной серой, и поток 4, обогащенный водяным паром. Это является предпочтительным, особенно если процесс, в котором впоследствии используют полученный обогащенный газообразной серой поток 3, не способен справиться с избыточной влагой.
В одном из примеров воплощения используют температуру питающего газа, превышающую температуру конденсации серы (так что сера не конденсируется), но близкую к температуре конденсации серы. Эту температуру можно выбрать исходя из парциального давления серы в питающем газе и общего давления газовой смеси. Например, если парциальное давление серы составляет примерно 0,4 МПа (4 бар), можно использовать температуру около 630°С. При парциальном давлении серы 2 МПа (20 бар) температура может быть еще выше. Типичное парциальное давление серы может составлять 0,2 МПа (2 бар), при этом может быть достаточной температура около 530°С. При высоком содержании водяного пара и/или низком давлении подаваемого сырья может быть достаточна температура 450°С или даже ниже.
В одном из примеров воплощения можно использовать вертикальный циклон, горизонтальный циклон или циклон любого другого типа.
2
2
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
Следующий далее пример приведен для иллюстрации одного из примеров воплощения, но не для его ограничения. Если предположить, что поток подаваемого газа, при температуре 520°С, содержит, например, 30 кг/ч газообразной серы, 7 кг/ч водяного пара, 3 кг/ч SO и 0,3 кг/ч HS, то при атмосферном давлении, при температуре 520°С, объемы этих веществ составляют: 10 м/ч газообразной серы, 20 м/ч водяного пара, 3 м/ч SO и 0,4 м/ч HS. Если для подачи в циклон подаваемый газ сжать до абсолютного давления 0,5 МПа (5 бар), то общий объем можно сократить до 7 м/ч. Прямой подающий канал с сечением 4 мм на 8 мм может увеличить скорость газа (за счет снижения давления) и подавать его в циклон через вход в форме эвольвенты (впускное отверстие 7). Циклон может иметь диаметр 2 см. Обогащенная водяным паром фракция, выходящая из циклона, может содержать 3 кг/ч газообразной серы, 5 кг/ч водяного пара, 1 кг/ч SO и 0,2 кг/ч HS, а обогащенная газообразной серой фракция, выходящая из циклона, может содержать 27 кг/ч газообразной серы, 2 кг/ч водяного пара, 2 кг/ч SO и 0,1 кг/ч HS. Таким образом, мольное отношение вода/сера может снизиться от 0,41 до 0,13.
Для специалиста очевидно, что по мере развития технологии замысел данного изобретения можно будет осуществить различными способами. Формы воплощения не ограничены вышеописанными примерами, но могут изменяться в пределах объема формулы изобретения.