深度冷却器

本发明涉及从气体流中去除元素硫的领域。特别地，本发明涉及将气体流冷却至低于元素硫的固化温度，从而可以选择性地从气体流中去除硫。

某些气体流，例如来自Claus方法的尾气流，含有应尽可能多地去除的元素硫以减少总硫排放。通常，尾气方法如Superclaus或基于胺的尾气处理单元(TGTU)使用在约130℃的温度的硫冷凝来去除元素硫蒸气。尾气中的任何硫物质(例如SO

US5807410和US5897850描述了通常基于将气体流引导通过管壳式热交换器的管以将气体流冷却至远低于固化温度的温度的方法。为了便于从热交换器中去除固化的硫，热交换器可以倾斜地或垂直地放置，以便借助于重力使硫脱落。然而，没有发生据信导致硫脱落的固化硫的预期收缩。

此外，发现常规方法由于对所使用的冷却空气的温度的控制不良而在低于水露点下进行操作。这又导致在Claus尾气的存在下的高腐蚀速率。此外，观察到由于冷管板导致的管入口堵塞。通常，超过一半的管入口被冷冻固体硫阻塞，增加了通过其余管的总速度。此外，气体流的高速度产生固体硫的厚且致密的层，这是难以去除的。最后，通过加热整个壳在线进行热交换器的再生(即从一个或多个管去除固化的硫)。这导致暂时低得多的脱硫速率。

用于去除能够升华的物质的管壳式热交换器在其它领域也是已知的。例如，尽管不直接适用且不直接与硫的回收有关，但在US2018/0021693中描述了基于管壳式构造的不连续操作的凝华器，用于邻苯二甲酸酐的升华。在US 2018/0021693中描述的设备的缺点是它必须以不连续的方式操作，这意味着它经由加载阶段和卸载阶段操作。在卸载阶段期间，加载阶段中断，并且不能暂时回收回收产品。这不利地影响工艺效率。

EP0666104公开了包括反应器的设备，其中至少在第一区中存在多个热交换装置。热交换装置包括由至少一个管道形成的管。值得注意的是，EP0666104使绝热焦炭在热交换装置上的沉积最小化的目的与本发明在热交换装置上沉积固体元素硫的目的相反。

本发明的目的在于提供用于从含硫气体流中去除元素硫的改进方法和改进设备，其解决了至少一个或多个上述缺点。

令人惊讶的是，本发明人发现，保持含硫气体流通过管壳式热交换器的层流可以改善硫的去除。这是特别令人惊讶的，因为在其它回收方法中，层流通常比湍流产生更差的结果；与关于其它系统中的传质速率的一般理论和观察一致，其它系统通常通过达到或改善系统的湍流而显示出传质系数和传质速率的增加。然而，对于本方法，发现层流产生高得多的硫去除。

此外，本发明人出人意料地发现，根据本发明保持含硫气体流的层流产生更有利形式的固化硫，即针状晶体结构。这种有利的形式允许通过晶体的熔化更容易地从热交换器中去除固化的硫。相反，在US5807410和US5897850中描述的使用湍流气体流的方法中，通常形成厚且致密的固体硫饼，固体硫饼由于在去除期间形成绝缘层而更难以通过熔化去除。

因此，在一个方面，本发明涉及用于从含硫气体流中回收元素硫的方法，所述方法包括引导所述含硫气体流(在本文也称为气体流)穿过贯穿管壳式热交换器的流动路径，以及将所述流冷却至低于元素硫的固化温度的温度以获得固化的元素硫，其中将所述含硫气体流以在流动路径的基本上整个长度上为基本上层流的流动引导穿过流动路径。

可以用雷诺数来描述诸如层流和湍流的流型。流型和雷诺数可以受到各种方法参数和设备选择的影响，例如本文进一步详述的管壳式热交换器的设计和流速。

在另一方面，本发明涉及用于回收元素硫的设备。

图1例示出根据本发明的优选实施方案的设备。

图2例示出根据本发明的优选实施方案的具有处于卸载模式的区段和处于加载模式的多个区段的设备。

如图1所示，设备包括管壳式热交换器(100)，该管壳式热交换器(100)包括限定回收室(2)的壳(1)和用于引导冷却流体通过的一个或多个管(30-33)，其中管(30-33)基本上平行地定位在回收室(2)中。此外，管壳式热交换器(100)包括气体入口(6)和气体出口(7)，它们分别允许气体流的流入和流出。在热交换器中，还在气体入口与气体出口之间设置用于含硫流的流动路径(4)。流动路径(4)设置在管(30-33)周围。

为了具有元素硫可以在其上固化的足够大的冷却表面，管优选地包括冷却表面区域，该冷却表面区域至少部分地由向外延伸的突起(5)形成，该突起远离管延伸到回收室中的含硫气体流的流动路径中。通常，突起从管的表面垂直延伸。突起可以具有各种形状，例如翅片(例如直翅片、华夫翅片和/或弯曲翅片)、长钉、杆等。可以选择突起的形状以优化硫回收收率。对于每个管，突起可以独立地不存在或存在，并且如果存在在管上，突起可以在管的长度上具有不同的形状。在具体实施方案中，所有的突起基本上是类似的形状。此外，突起可以在两个或多个管之间形成桥。

优选地，冷却表面区域在流动路径的长度上增加。发现通过递增的冷却表面区域，可以提供足够的硫去除以及硫载荷在各个管上的良好分布。通过增加冷却表面区域和同时增加去除效率，可以补偿降低的硫浓度和由此产生的气体流中的传质驱动力。

可以通过各种方式实现增加冷却表面区域。例如，可以增加回收室中的冷却管的密度，或者可以在流动路径的长度上增加管的每个表面区域的向外延伸的突起的密度或数量。也可以增加突起的长度。在优选实施方案中，突起的密度随着流动路径而增加。例如，沿着流动路径(4)的方向的每个管(30-33)的突起(5)的量增加。甚至更具体地，如图1所示，第一管(30)可以具有比随后的管(31-33)更少的突起(5)。

此外，也如图1所示，根据本发明的设备优选地构造成使得管壳式热交换器包括在流动路径的流动方向上的两个或更多个区段(70-73)。这些区段中的每一个都包括回收室的一部分和一个或多个管。设备还构造成使得每个区段中的管可以独立于其它区段地容纳和引导冷却流体或加热流体。如果管引导冷却流体，则该管能够从气体流中回收硫，而如果管引导加热流体，则该管能够从管所定位的区段中卸载硫。因此，通过能够独立地操作这些区段，该设备可以以连续的方式操作。

如上文所述，含硫气体流在流动路径的基本上整个长度上基本上是层流。流动流的流型可以用雷诺数表示。对于本方法，雷诺数优选小于2000，更优选小于1800，甚至更优选小于1500，甚至更优选小于1000，最优选小于500。令人惊讶地发现，降低雷诺数对应于增加收率。这是本领域中不常见的发现。

通过选择适当的方法参数和适当的设备设置，可以实现根据本发明保持层流。这些参数之一是含硫气体流在流动路径上的气体速度。通过保持该速度足够低，气体流型可以基本上保持为层流。然而，气体速度也不应太低，以至于不利于方法效率和/或经济可行性，因为太低的气体速度需要太大且不经济的壳来保持一定的方法效率。因此，在优选实施方案中，在流动路径上的含硫气体流具有0.05至5m/s，优选0.1至1m/s的气体速度。

此外，在如本文所述的设备中进行该方法对流型和方法具有积极的影响。因此，方法优选在管壳式热交换器中进行，该管壳式热交换器包括限定回收室的壳和引导通过冷却流体的管，并且其中所述含硫气体流的所述流动路径位于所述回收室中围绕所述管。此外，管优选地定位成基本上彼此平行并且其轴向方向基本上垂直于回收室中的含硫气体流的流动路径。

为了固化含硫气体流中的硫，通常在管壳式热交换器中将该气体流冷却至水的露点与元素硫的固化温度之间的温度。该温度避免了水的冷凝(其在典型的应用中导致过高的腐蚀速率)，并且允许高纯度的硫的结晶。温度优选允许足够的传质驱动力。在这方面，在大气压下的优选温度通常是90℃至114.9℃，更优选100℃至110℃，最优选100℃至105℃。发现温度可以直接影响方法的效率。特别地，进入的含硫气体流的温度与其在管壳式热交换器中冷却到的温度之间的差可以影响效率。通常，较大的温度差得到较高的效率。然而，需要小心地防止冷却温度达到方法气体的水露点。

气体流的冷却通过流经管壳式热交换器中的管的冷却流体来实现。冷却流体原则上可以是任何类型的合适流体，例如水、蒸汽、含醇液体、空气等。冷却气体流导致热交换器加载固化的硫。为了提高冷却液体的有效性，管包括冷却表面区域，该冷却表面区域至少部分地由向外延伸的突起，优选翅片形成，该向外延伸的突起远离管延伸到回收室中的含硫气体流的流动路径中，如上文所述。此外，如上所述，冷却表面区域优选地在流动路径的长度上增加。这可以通过增加在流动路径的长度上向外延伸的突起的数量来实现。

尽管其中管也可用于输送加热流体的实施方案，但优选在整个管壳式热交换器中在基本上相同的温度下进行冷却。换而言之，优选将回收室中的所有管中的冷却流体保持在具有±10℃，优选±5℃的容差的基本上相同的温度下。

当一个管或一组管加载有固化的硫时，该管可用于卸载硫。为此，可以将加热流体引导通过管。加热流体可以是任何类型的合适流体。例如，低压蒸汽或热油是合适的。因此，方法可以包括加载模式和/或卸载模式。

在卸载模式中，加热流体通常具有高于120℃，优选高于130℃，例如约150℃的温度。在这些温度下，固化的硫熔化成液态硫，液态硫与其在那里固化的冷却表面区域分离。然后可以将液态硫作为液态硫流引导出回收室。可选择地或另外地，固化的硫可以通过重力与其在那里固化的冷却表面区域分离，此后可以在回收室外回收它。

为了能够同时进行加载和卸载模式，在优选实施方案中，所述管壳式热交换器包括在流动路径的流动方向上的两个或更多个区段。如此，在每个区段中，可以独立地控制冷却流体或加热流体以液化固化的元素硫流。每个区段包括回收室的一部分以及管或一组管。有利地，在优选实施方案中，当在一个或多个区段中使用时，加热流的温度不太高以至于不会妨害仍然处于加载模式中的其它区段的冷却能力。如此，加热流体优选地保持低于200℃。然而，可以采取另外的措施，例如区段之间的绝热(例如通过足够的间隔)，以限制卸载区段对正在加载的区段的影响。

在图2中，示出了根据本发明的方法的优选实施方案。在如图1所示的管壳式热交换器中，含硫气体流(10)通过入口(6)进入，之后它继续穿过流动路径(4)通过回收室。在图2中，当加热流体(13)在150℃下被引导通过管(30)时，第一区段(70)处于卸载模式。在该区段(70)中，硫(11)是液态并且与管(30)分离。其它区段(71-73)处于加载模式，因为冷却流体(14)在110℃下被引导通过相应的管(31-33)。在这些管(31-33)的表面区域上加载固化的硫(12)。此外，如图2所示，贫硫气体流(15)通过出口(7)离开管壳式热交换器。

本方法提供回收的硫和贫硫气体流。含硫气体流中存在的硫的量通常是50至2000ppmv。在从该气体流中回收硫之后，贫硫气体流通常含有10至25ppmv的硫。

可以进行本方法以从来自硫脱气和/或储存区段的基本上任何类型的排出气体中去除元素硫。对来自所述Claus车间的尾气流可以特别有利地进行本方法。因此，优选将根据本发明的管壳式热交换器设置在Claus车间之后。

如本文所用，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任一和所有组合。应理解，术语“包括”和/或“包含”指明所述特征的存在，但不排除一个或多个其它特征的存在或增添。

出于清楚和简明描述的目的，本文将特征描述为相同或单独实施方案的一部分，然而，应理解，本发明的范围可以包括具有所描特征的全部或一些的组合的实施方案。

可以用以下非限制性实施例说明本发明。

实施例

实施例1

在管壳式热交换器中，在160-200℃的温度下，使用元素硫饱和的N

通过重量分析，可以建立系统上的质量平衡，允许确定硫去除。结果显示在表1中。

表1

*未检测到

实施例2

用包括以9行串联构造的18个翅片化管(总高度为30cm)的管束重复实施例1的实验。翅片密度增加到每2.54cm 8个翅片，翅片以与实施例1类似的5.2mm的高度延伸。通过降低管数，热交换面积保持与实施例1的设置相同。

通过重量分析，可以建立系统上的质量平衡，允许确定硫去除。

结果显示在表2中。

表2

实施例1和2的测试结果说明了降低速度对硫去除效率的积极影响。

比较例1

参考专利US5807410的实施例。

在热交换器的33根长度为2.3m且内径为45mm的管的内部，将138℃的方法气体冷却至105℃，同时用冷却空气将管保持在76℃。气体的雷诺数为11300，速度为5m/s。硫去除为92％。

比较例2

构造了专利US5807410和US5897850的商业中试装置。在几年的操作之后在该装置上运行的性能测试数据列于表3中。

表3

在检验期间观察到，由于管板温度低于硫固化温度，许多管的入口被元素硫阻塞。

该结果说明了较低的气体速度和相应较低的雷诺数的益处。