用於處理克勞斯單元中含有BTEX的低至中摩爾百分比的硫化氫氣體供料的改進的硫回收工藝的製作方法

2023-08-07 08:53:06

本發明涉及一種處理酸性氣流的系統和方法。具體而言，本發明提供一種用於處理含有低摩爾百分比硫化氫的酸性氣流的系統和方法。更具體而言，本發明提供一種用於處理含有低摩爾百分比硫化氫和BTEX汙染物的酸性氣流的系統和方法。

背景技術：

克勞斯單元(Claus unit)是用於從含有硫化氫的酸性氣流中以元素硫的形式回收硫的基本工藝系統。硫化氫氣體自然存在於天然氣中，或者以副產物的形式形成於一些氣體工藝系統中。硫化氫是高毒性的，因此需要從氣體流中回收和處理。有效地處理硫化氫和其它含硫化合物的需求對於減少排放以符合日益嚴格的燃料規定和增長的環境問題而言是重要的。元素硫是從含硫物質中回收的最終狀態。

在克勞斯單元中，含有硫化氫的酸性氣體供料流和氧源(如空氣)被供給至熔爐。酸性氣體供料流具有寬範圍的組成。許多酸性氣體供料流源自於溶劑吸收工藝，如胺吸收。

吸收工藝從石油精煉、天然氣加工和其它工業過程的副產物氣體中提取硫化氫。可供替代地，酸性氣體供料流可來自於酸性汙水汽提單元。

一旦硫化氫被供給至熔爐，其就進行部分燃燒從而生成硫、二氧化硫和水。為了確保克勞斯反應的有效性能，熔爐的溫度曲線保持在850-1200℃的範圍內。為了保證汙染物的完全燃燒，溫度需要高於950℃。所達到的溫度取決於存在於供料中的其它組分，如二氧化碳(CO2)、水(H2O)、烴和其它含硫化合物。可燃氣體往往通過燃燒而增加溫度，而惰性氣體往往通過稀釋而降低溫度。溫度是一個重要的工藝參數，因為硫化氫轉化為硫是溫度的作用，壓力的作用較小。熔爐中的停留時間通常在0.5秒的數量級。

燃燒產物的比例取決於熔爐中可利用的氧的量。熔爐中所形成的其它產物可包括氫氣、羰基硫化物和二硫化碳。熔爐還分解酸性氣流中存在的諸如硫醇之類的汙染物。

反應產物被供給至第一冷凝器中，其中元素硫凝結、分離並收集在硫槽中，然後氣體產物再次加熱並供給至催化轉化器中。催化轉化器的平均溫度保持在約305℃。根據限定出口溫度以避免催化床損壞的需要限定催化轉換器的溫度。在催化轉化器中，硫化氫與二氧化硫在催化劑的存在下發生反應並生成元素硫和水。來自於催化轉化器的產物被再次供給至冷凝器，其中元素硫凝結並收集於硫槽中。在工藝的最後，引入焚化爐。

加熱、催化和冷凝階段可以重複進行。在常規的克勞斯單元中，這些階段最多重複進行三次，硫化氫氣體的轉化率為96-98％(取決於供料的組成)。在改進的克勞斯單元中，工藝的最後在最終催化轉化器和焚化爐之間具有尾氣處理單元。在具有尾氣處理單元的配置中，加熱、催化和冷凝階段通常只重複進行兩次。具有尾氣處理單元的改進克勞斯單元可將硫化氫轉化為元素硫的轉化率提升至99.9％。尾氣處理單元將從焚化爐排放的二氧化硫降至最少。

為了提高總體能量效率，可將熱俘獲工藝與克勞斯單元組合，如在廢熱鍋爐和冷凝器中產生蒸汽。

保持熔爐的溫度對於保證元素硫的反應和其它汙染物的破壞是重要的。如上所指出，熔爐溫度受供料流的組成影響，並顯著地受供料流中硫化氫濃度的影響。當酸性氣流中硫化氫的濃度低於約55體積％時，熔爐的溫度曲線降低。硫化氫的濃度受酸性氣體中存在的汙染物的量的影響。汙染物的種類和數量受產生酸性氣體的來源、以及產生在克勞斯單元中處理的酸性氣體的工藝步驟的影響。

供料流中的汙染物包括烴類。烴類給克勞斯單元帶來了幾個問題。首先，不清楚烴是否會完全燃燒，因為C-H鍵通常比S-H鍵強，因此部分烴就會經過熔爐到催化單元。其次，烴可能促成競爭的副反應從而生成一氧化碳(CO)、二硫化碳(CS2)、羰基硫化物(COS)和元素碳。再次，對於部分烴的燃燒過程，如那些包含苯、甲苯、乙苯或二甲苯(BTEX或BTX)，熔爐必須保持高溫。如果熔爐溫度太低，由於硫化氫的濃度低，導致溫度可能不足以發生BTEX降解反應。除去BTX很重要，因為BTX在催化轉化器中對催化劑具有堵塞效果。催化床中碳化合物造成的催化劑毒化會導致活性損失和高的壓降，這要求頻繁再生和更換催化劑。

目前，存在一些工藝用於解決這些問題，但是它們都有缺點。當供料流中硫化氫的濃度低時，使用酸性氣體支路或分流。在分流操作中，部分物流送入克勞斯單元的熔爐，而其餘物流部分直接送入催化轉化器。分流有兩個缺點。首先，用於支路的供料氣體的上限為2/3，這要求熔爐在還原條件下運行。其次，汙染物的增加降低了催化轉化器的效率，導致催化劑的失活和堵塞。

可以使用活性炭從工藝物流中分離BTEX，但是需要再生活性炭，導致在再生過程中改變了對克勞斯單元的供料條件，或者關閉全部的供料。胺或溶劑富集工藝使用溶劑吸收來增加硫化氫的濃度。由於胺富集向工藝中引入了液體，要求有效的維護，並且要求大量的能量用於操作以及溶劑的再生，因此是不利的。

氧氣或富集空氣可提高克勞斯單元的火焰溫度，但是需要額外用於氧氣及氧氣回收單元的費用。向熔爐中注入天然氣也可以提高溫度，但是可能增加進入到供料中的汙染物以及發生潛在競爭副反應的組分的量，並且會增加克勞斯單元的尺寸。預熱供料氣來保證熔爐內溫度的方法需要額外的能量消耗，實質上增加了成本。

因此，需要這樣一種工藝，其能增加酸性氣流中硫化氫的濃度，並在不需要過多能量、設備和材料，或者關閉進程的條件下除去汙染物。優選地，這樣的工藝將會保持克勞斯單元的總體硫容量，同時由於消除或減少了汙染物因而增加了總體硫回收效率。

技術實現要素：

本發明涉及一種處理酸性氣流的系統和方法。更具體而言，本發明提供一種處理含有低摩爾百分比硫化氫的酸性氣流的系統和方法。更具體而言，本發明提供一種處理含有低摩爾百分比硫化氫和BTEX汙染物的酸性氣流的系統和方法。

在本發明的一個方面，提供一種富集裝置，用於增加酸性氣流中硫化氫的濃度，從而產生富硫化氫流以供給至克勞斯單元。所述富集裝置包括烴選擇性分離單元，所述烴選擇性分離單元能夠將所述酸性氣流分離為富烴流和純化的酸性氣流，其中所述酸性氣流包含硫化氫、二氧化碳和烴。所述富集裝置還包括硫化氫選擇性分離單元，其與所述烴選擇性分離單元流體連接，所述硫化氫選擇性分離單元能夠將所述純化的酸性氣流分離從而產生富硫化氫流和貧硫化氫流，所述富硫化氫流具有一定濃度的硫化氫。所述富集裝置進一步包括克勞斯單元，其與所述硫化氫選擇性分離單元流體連接，所述克勞斯單元能夠從所述富硫化氫流中回收元素硫。

在本發明的某些方面，所述富集裝置還包括二氧化碳選擇性分離單元，其與所述硫化氫選擇性分離單元流體連接，所述二氧化碳選擇性分離單元能夠分離所述富硫化氫流，從而產生富二氧化碳滲透物和富硫化氫滲餘物，所述富硫化氫滲餘物具有一定濃度的硫化氫。在本發明的某些方面，所述硫化氫選擇性分離單元選自聚磷腈類聚合物膜、聚醚-聚醯胺共聚物膜、離子液體膜、離子液體膜萃取器、以及其組合構成的組。在本發明的某些方面，所述二氧化碳選擇性分離單元選自無定形氟塑料膜、無定形全氟聚合物膜，無規含氟共聚物膜、全氟化共聚物膜、以及及其組合構成的組。在本發明的某些方面，所述烴選擇性分離單元包括聚二甲基矽氧烷(PDMS)類橡膠聚合物膜。在本發明的某些方面，所述酸性氣流還包含選自硫醇(mercaptans)、硫醇類(thiols)、羰基硫化物、二硫化碳、以及其組合所構成的組的汙染物。在本發明的某些方面，還可以存在不含硫的汙染物。在本發明的某些方面，所述富烴流包含苯、甲苯、乙苯和二甲苯。在本發明的某些方面，所述酸性氣流中硫化氫的濃度為15體積％至55體積％。在本發明的某些方面，所述富硫化氫流中硫化氫的濃度大於55體積％。

在本發明的第二方面，提供一種用於增加酸性氣流中硫化氫的濃度，從而產生富硫化氫流以供給至克勞斯單元的工藝。所述工藝包括以下步驟：將所述酸性氣流供給至烴選擇性分離單元，所述酸性氣流包含硫化氫、二氧化碳和烴；將所述烴選擇性分離單元中所述酸性氣流分離從而產生富烴流和純化的酸性氣流；將所述純化的酸性氣流供給至與所述烴選擇性分離單元流體相連的硫化氫選擇性分離單元，所述硫化氫選擇性分離單元能夠分離所述純化的酸性氣流；將所述硫化氫選擇性分離單元中所述純化的酸性氣流分離以產生富硫化氫流和貧硫化氫流，所述富硫化氫流具有一定濃度的硫化氫；以及將所述富硫化氫流供給至克勞斯單元的熔爐，所述克勞斯單元能夠從所述富硫化氫流中分離元素硫從而產生元素硫流和廢氣流。

在本發明的某些方面，所述工藝還包括以下步驟：將所述富硫化氫流供給至與所述硫化氫選擇性分離單元流體連接的二氧化碳選擇性分離單元，所述二氧化碳選擇性分離單元能夠分離所述富硫化氫流；將所述富硫化氫流分離以產生富二氧化碳滲透物和富硫化氫滲餘物，所述富硫化氫滲餘物具有一定濃度的硫化氫；以及將所述富硫化氫滲餘物供給至所述克勞斯單元的熔爐。在本發明的某些方面，所述硫化氫選擇性分離單元選自聚磷腈類聚合物膜、聚醚-聚醯胺共聚物膜、離子液體膜、離子液體膜萃取器、及其組合構成的組。在本發明的某些方面，所述二氧化碳選擇性分離單元選自無定形氟塑料膜、無定形全氟聚合物膜，無規含氟共聚物膜、全氟化共聚物膜、及其組合構成的組。在本發明的某些方面，所述烴選擇性分離單元包括橡膠膜。在本發明的某些方面，所述酸性氣流還包含選自由硫醇(mercaptans)、硫醇類(thiols)、羰基硫化物、二硫化碳及其組合構成的組的汙染物。在本發明的某些方面，所述富烴流包含苯、甲苯、乙苯和二甲苯。在本發明的某些方面，所述酸性氣流中硫化氫的濃度為15體積％至55體積％。在本發明的某些方面，所述富硫化氫流中硫化氫的濃度大於55體積％。

在本發明的第三方面，提供一種富集裝置，用於增加酸性氣流中硫化氫的濃度，從而產生富硫化氫流以供給至克勞斯單元。所述富集裝置包括烴選擇性分離單元，所述烴選擇性分離單元能夠將所述酸性氣流分離為富烴流和純化的酸性氣流，其中所述酸性氣流包含硫化氫、二氧化碳和烴。所述富集裝置還包括二氧化碳選擇性分離單元，其與所述烴選擇性分離單元流體連接，所述二氧化碳選擇性分離單元能夠將所述純化的酸性氣流分離從而產生富二氧化碳流和貧二氧化碳流，所述貧二氧化碳流具有一定濃度的硫化氫；以及克勞斯單元，其與所述二氧化碳選擇性分離單元流體連接，所述克勞斯單元能夠從所述貧二氧化碳流中回收元素硫。

在本發明的某些方面，所述富集裝置還包括硫化氫選擇性分離單元，其與所述二氧化碳選擇性分離單元流體連接，所述硫化氫選擇性分離單元能夠分離所述富二氧化碳流從而產生富硫化氫滲透物和富二氧化碳滲餘物，所述富硫化氫滲透物具有一定濃度的硫化氫。

附圖簡要說明

結合以下說明書、權利要求和附圖而言，能夠更好地理解本發明的這些和其它特徵、方面和優點。然而，應當指出的是，附圖僅僅解釋發明的幾個實施方案，因此不應當認為是對本發明範圍的限制，因為其認可其它等效的實施方案。

圖1是本發明的工藝流程圖。

圖2是富集裝置100的一個實施方案的工藝流程圖。

圖3是富集裝置100的實施方案的工藝流程圖。

圖4是富集裝置100的實施方案的工藝流程圖。

圖5是富集裝置100的實施方案的工藝流程圖。

圖6是富集裝置100的實施方案的工藝流程圖。

圖7是富集裝置100的實施方案的工藝流程圖。

具體實施方式

雖然會使用幾個實施方案對本發明進行描述，但是應當明白，本領域的普通技術人員將會理解，本文所描述的裝置和方法的多個例子、變型和改變都在本發明的範圍和實質內。因此，本文所述的發明的示例性實施方案是在要求保護的發明下、不喪失一般性、並且不強加限制的條件下進行闡述的。

參照圖1，提供了富集裝置100的工藝流程圖，其用於增加酸性氣流10中硫化氫的濃度，從而產生富硫化氫流18以供給至克勞斯單元200。酸性氣流10被供給至富集裝置100。酸性氣流10為含有硫化氫(H2S)的任意氣流。在本發明的至少一個實施方案中，酸性氣流10來自於胺單元的出口。在本發明的至少一個實施方案中，酸性氣流10含有低於約55體積％的H2S。在本發明的一些實施方案中，酸性氣流10含有約15體積％至約55體積％的H2S，或者約15體積％至約40體積％的H2S，或者約15體積％至約30體積％的H2S，或者約15體積％至約25體積％的H2S，或者約15體積％至約20體積％的H2S，或者約25體積％至約40體積％的H2S。在本發明的至少一個實施方案中，酸性氣流10含有大於15體積％的H2S。酸性氣流10含有H2S、二氧化碳(CO2)、烴和其它汙染物。在本發明的至少一個實施方案中，存在於酸性氣流10中的烴包括苯、甲苯、乙苯和二甲苯，總稱為BTEX或BTX。如本文所用，BTEX是指氣流中存在苯、甲苯、乙苯和二甲苯的組合，包括缺少這些組分中的一種或多種的情況。在本發明的一些實施方案中，存在於酸性氣流10中的烴包括烷烴、烯烴(alkenes)、烯類(olefins)和BTEX。在本發明的一些實施方案中，存在於酸性氣流10中的汙染物包括硫醇(mercaptans)、硫醇類(thiols)、羰基硫化物、二硫化碳及其組合。

富集裝置100將酸性氣流10的組分分離，產生富CO2流、富烴流和富H2S流。在本發明的至少一個實施方案中，富CO2流為貧硫化氫流16，富烴流為富烴流14，富H2S流為富H2S流18。貧硫化氫流16含有CO2，以及H2S和其它組分。貧硫化氫流16含有約50體積％至約99體積％的CO2，或者約75體積％至約99體積％的CO2，或者大於約96體積％的CO2。在本發明的至少一個實施方案中，貧硫化氫流16不存在BTEX組分。貧硫化氫流16被供給至克勞斯單元200的催化段220催化轉化器(未示出)。將貧硫化氫流16直接供給至催化轉化器以向催化轉化器提供稀釋氣體，並去除熔爐中用於形成羰基硫化物(COS)和二硫化碳(CS2)的碳源。供入貧硫化氫流16的克勞斯單元200的催化轉化器受到貧流16中硫化氫濃度的作用，或者是作為稀釋催化轉化器的需要。

富烴流14包含一定量的存在於酸性氣流10中的BTEX。富烴流14包含其它烴，如C2+烷烴、烯烴、烯類和芳香烴、H2S、CO2及其它存在於酸性氣流10中的汙染物。富烴流14被供入克勞斯單元200的熔爐210。在本發明的一些實施方案中，富烴流14被送入替代處置操作，如焚化爐。在一些實施方案中，富烴流14被送入BTX回收工藝(未示出)以回收額外的烴。BTX回收工藝為能夠從工藝流中分離BTEX和其它烴的任意工藝。BTX回收工藝中用於烴回收的示例性處理單元包括冷凝、吸附和吸收單元。回收的BTEX可進行進一步處理、可加工銷售、或者可送至儲存。

富硫化氫流18被供給至克勞斯單元200的熔爐210。富硫化氫流18包含一定量的存在於酸性氣流10中的H2S，以及CO2和烴。與酸性氣流10相比，富硫化氫流18具有更高的H2S濃度。在本發明的一些實施方案中，富硫化氫流18中H2S濃度大於約25體積％，或者大於約30體積％，或者大於約35體積％，或者大於約40體積％，或者大於約45體積％，或者大於約50體積％，或者大於約55體積％，或者大於約56體積％，或者大於約57體積％，或者大於約58體積％，或者大於約60體積％。

克勞斯單元200利用熔爐210中的供氣60來處理富烴流14和富硫化氫流18。在本發明的一些實施方案中，富烴流14和富硫化氫流18可分別引入至克勞斯單元200的熔爐210。在本發明的一些實施方案中，富烴流14和富硫化氫流18可在克勞斯單元200的熔爐210的上遊合併，使得合併流被供給至克勞斯單元200。克勞斯單元200產生廢氣流70和元素硫流80。

本領域技術人員將會理解，克勞斯單元是眾所周知的處理系統，並且與克勞斯單元有關的系統設備可根據需求和工藝場地的布置進行設計。可在現有的克勞斯單元中使用本發明，或者本發明可以作為改進的克勞斯單元的一部分使用，因此本發明預期克勞斯單元200包含本領域技術人員已知的類似基本元件。

在本發明的一些實施方案中，富烴流14和富硫化氫流18可在被供給至熔爐210之前進行合併(未示出)。在合併流的實施方案中，合併流中硫化氫的濃度大於約25體積％，或者大於約30體積％，或者大於約35體積％，或者大於約40體積％，或者大於約45體積％，或者大於約50體積％，或者大於約55體積％，或者大於約56體積％，或者大於約57體積％，或者大於約58體積％，或者大於約60體積％。

在本發明的至少一個實施方案中，富烴流14可被供給至熔爐210中溫度大於950℃的區段，或者溫度大於1000℃，或者大於1050℃。根據本發明的實施方案，富集裝置100濃縮富烴流14中的BTEX和其它汙染物，濃縮富硫化氫流18中的硫化氫，以及濃縮貧硫化氫流16中的二氧化碳。根據具體情況，濃縮各流中的組分能夠直接使供料到達克勞斯單元的合適位置以用於組分的破壞或回收。例如，濃縮富烴流14中的烴和其它汙染物使該物流直接供給至熔爐210中溫度大於950℃的區段，並且由於富硫化氫流18中的濃縮硫化氫，有利的是保持在熔爐210中溫度大於950℃的區段。

參照圖2，提供富集裝置100的實施方案。烴選擇性分離單元102將酸性氣流10分離成富烴流14和純化的酸性氣流12。在本發明的至少一個實施方案中，烴選擇性分離單元102為橡膠膜。如本文所用，「橡膠」是指楊氏模量在105至107Pa(106至108dyn/cm2)範圍內的聚合物。在本發明的至少一個實施方案中，烴選擇性分離單元102為矽橡膠聚二甲基矽氧烷(PDMS)類橡膠聚合物。在本發明的至少一個實施方案中，二氧化碳橡膠膜的透氣係數為3200巴，並且甲苯對二氧化碳的選擇性為456。在本發明的至少一個實施方案中，烴選擇性分離單元102為變壓吸附(PSA)工藝。在至少一個實施方案中，PSA工藝使用活性炭作為吸附劑。在本發明的至少一個實施方案中，烴選擇性分離單元102為變溫吸附(TSA)工藝。在本發明的至少一個實施方案中，TSA工藝使用活性炭作為吸附劑。在本發明的至少一個實施方案中，烴選擇性分離單元102為冷凝吸附工藝。如上參照圖1所述，將富烴流14供給至克勞斯單元200。

純化的酸性氣流12包含酸性氣流10中存在的大部分H2S和CO2。純化的酸性氣流12被供給至硫化氫選擇性分離單元106。硫化氫選擇性分離單元106將純化的酸性氣流12分離為作為滲透物流的富硫化氫流18和作為滲餘物流的貧硫化氫流16。

硫化氫選擇性分離單元106為能夠從酸性氣流10中分離出硫化氫的任意膜。示例性膜包括基於聚磷腈、聚醚-聚醯胺共聚物、離子液體膜和離子液體膜萃取器的膜。

離子液體膜為摻雜有液體離子化合物的膜。液體離子化合物對硫化氫具有選擇性溶解度。液體離子化合物具有以下結構式：

其中，R1選自由-H、-CH2-CH2-CF3、-CH2-CH2-CH2F、-CH3、-CH2-CH3、丙基、戊基、己基、庚基、辛基、C9-C18烷基、烯基和環烷基構成的組；R2選自由-H、-CH2-CH2-CF3、-CH2-CH2-CH2F、-CH3、-CH2-CH3、丙基、戊基、己基、庚基、辛基、C9-C18烷基、烯基和環烷基構成的組；X選自由BF4、PF6、(CF3SO2)N、CF3(CO)O構成的組。

在本發明的至少一個實施方案中，式I的液體離子化合物為這樣的化合物，其中R1選自氫或C1-C18烷基；R2選自C1-C18烷基、C2-C6烯基、C3-C6環烷基、C3-C8環烯基、芳基、取代芳基、芳基(C1-C4烷基基)、或取代芳基(C1-C4烷基基)；X為選自氫氧化物、氯化物、溴化物、碘化物、硼酸鹽、四氟硼酸鹽、銅酸鹽、Cu(I)Cl2陰離子、磷酸鹽、六氟磷酸鹽、六氟銻酸鹽、高氯酸鹽、亞硝酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、羧酸鹽、磺酸鹽、磺醯亞胺和膦酸鹽構成的組中的陰離子。

術語「芳基」是指環狀芳香族基團，任選地包含諸如氧、氮和硫的一個或多個雜原子，例如苯基、萘基、吡啶基等。

術語「取代芳基」是指如本文所述的芳基，其中芳基上一至約三個氫原子被一價基團所取代，如滷素、烷基、滷代烷基、烷氧基、滷代烷氧基、烷硫基、滷代烷硫基、烷基氨基、烷醯基、氰基、硝基、等等。

用作陰離子的羧酸鹽包括烷基羧酸鹽，如乙酸鹽；取代的烷基羧酸鹽，如乳酸鹽；和滷代烷基羧酸鹽，如三氟乙酸鹽等。

用作陰離子的磺酸鹽包括烷基磺酸鹽，如甲磺酸鹽；滷代烷基磺酸鹽，如三氟甲磺酸鹽和九氟丁磺酸鹽；以及芳基磺酸鹽，如甲苯磺酸鹽和2,4,6-三甲基苯磺酸鹽(mesitylate)等。

用作陰離子的磺醯亞胺可以是單取代或二取代的磺醯亞胺，如甲磺醯亞胺和雙乙磺醯亞胺；任選的滷代磺醯亞胺，如雙三氟甲磺醯亞胺；芳基磺醯亞胺，如雙-(4-甲氧基苯)磺醯胺等。

在優選的實施方案中，硫化氫選擇性分離單元106包括浸漬有一種或多種帶有非親核陰離子的氟化液體離子化合物的離子液體膜。

用於本發明的示例性液體離子化合物包括咪唑鎓鹽、吡唑鎓鹽、唑鎓鹽、噻唑鎓鹽、三唑鎓鹽、吡啶鎓鹽、噠嗪鎓鹽、嘧啶鎓鹽和吡嗪鎓鹽。這類化合物的示例為1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑三氟乙酸鹽和1-丁基-3-甲基咪唑雙(三氟甲磺醯亞胺)，1-三氟丙基-3-甲基咪唑雙(三氟甲磺醯亞胺)、1-三氟丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽、1-三氟丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-三氟丙基-3-甲基咪唑三氟乙酸鹽等。在優選的實施方案中，用作離子液體膜的氟化液體離子化合物為1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽。

本領域技術人員將會理解，硫化氫選擇性分離單元106的尺寸、滲透性和選擇性是基於系統需求的設計特徵。所選擇膜的類型是考慮到所需要的膜的透過性和選擇性、以及酸性氣體供料的組成。適合用作硫化氫選擇性分離單元106的膜為H2S/CO2選擇性介於約3.0至約9.5之間的膜，或者介於約3.0至約7.0之間，或者介於約3.0至約5.0之間。

如上參照圖1所述，富硫化氫流18和貧硫化氫流16被送入克勞斯單元200。

參照圖3，提供富集裝置100的替代性實施方案。參照前述的那些元件，純化的酸性氣流12被供給至二氧化碳選擇性分離單元104。二氧化碳選擇性分離單元104將酸性氣流12分離從而產生滲透物富二氧化碳流30和滲餘物貧二氧化碳流32。貧二氧化碳流32包含酸性氣流10中存在的一定量的H2S，以及CO2和烴。貧二氧化碳流32被供給至克勞斯單元200。不受特定理論的約束，分別向熔爐供給貧二氧化碳流32和富烴流14使得物流與火焰混合，這增加了燃燒並最大程度破壞了汙染物。在一些實施方案中，貧二氧化碳流32與富烴流14在熔爐的上遊混合，從而向熔爐供入一個物流。在本發明的至少一個實施方案中，貧二氧化碳流32中H2S的濃度大於55體積％。

二氧化碳選擇性分離單元104可以是能夠從酸性氣流10中分離出二氧化碳的任意類型的分離膜。二氧化碳選擇性分離單元104的示例性膜包括無定形氟塑料膜、無定形全氟聚合物膜和無規含氟共聚物膜。在本發明的至少一個實施方案中，二氧化碳選擇性分離單元104為玻璃無定形氟塑料膜，具體為2,2-雙(三氟甲基)-4,5-二氟-1,3-間二氧雜環戊烯膜。在本發明的至少一個實施方案中，二氧化碳選擇性分離單元104為全氟聚合物膜，具體為四氟乙烯與全氟甲氧基間二氧雜環戊烯的全氟共聚物。在本發明的至少一個實施方案中，二氧化碳選擇性分離單元104為四氟乙烯與全氟甲基乙烯醚的橡膠無規含氟共聚物膜。適合用作二氧化碳選擇性分離單元104的膜為CO2/H2S選擇性介於約3.0至約8.0之間的膜。

富二氧化碳流30包含CO2、H2S、烴和其它汙染物。在本發明的至少一個實施方案中，富二氧化碳流30中存在的CO2的濃度大於70體積％，或者大於75體積％，或者大於80體積％，或者大於85體積％，或者大於90體積％，或者大於95體積％。富二氧化碳流30被供給至克勞斯單元200的催化轉化器。將富二氧化碳流30直接供給至催化轉化器以向催化轉化器提供稀釋氣體，並將熔爐中用於形成COS和CS2的碳源除去。供入富二氧化碳流30的克勞斯單元200的催化轉化器受到富二氧化碳流30中二氧化碳濃度的作用，或者是作為稀釋催化轉化器的需要。

參照圖4，提供富集裝置100的替代性實施方案。參照前述的那些元件，純化的酸性氣流12被供給至硫化氫選擇性分離單元106。硫化氫選擇性分離單元106將純化的酸性氣流12分離為滲透物富硫化氫流18和滲餘物貧硫化氫流16。富硫化氫流18被供給至第二硫化氫選擇性分離單元108。第二硫化氫選擇性分離單元108將富硫化氫流18分離為滲透物富硫化氫流22和滲餘物二氧化碳滲餘物20。富硫化氫流22和富烴流14被供給至克勞斯單元200的熔爐。貧硫化氫流16和二氧化碳滲餘物20被供給至克勞斯單元200的催化轉化器。

參照圖5，提供富集裝置100的替代性實施方案。參照前述的那些元件，將富硫化氫流22和富烴流14混合併以混合熔爐供料流24的形式供給至克勞斯單元200的熔爐。將貧硫化氫流16和二氧化碳滲餘物20混合併以混合催化轉化器供料流26的形式供給至克勞斯單元200的催化轉化器。

參照圖6，提供富集裝置100的替代性實施方案。參照前述的那些元件，純化的酸性氣流12被供給至二氧化碳選擇性分離單元104。二氧化碳選擇性分離單元104將純化的酸性氣流12分離為滲透物富二氧化碳流30和滲餘物貧二氧化碳流32。富二氧化碳流30被供給至硫化氫選擇性分離單元106。硫化氫選擇性分離單元106將富二氧化碳流30分離為富硫化氫滲透物34作為滲透物和富二氧化碳滲餘物36作為滲餘物。貧二氧化碳流32、富硫化氫滲透物34和富烴流14被供給至克勞斯單元200的熔爐。富二氧化碳滲餘物36被供給至克勞斯單元200的催化轉化器。

參照圖7，提供富集裝置100的替代性實施方案。參照前述的那些元件，純化的酸性氣流12被供給至硫化氫選擇性分離單元106。硫化氫選擇性分離單元106將純化的酸性氣流12分離為富硫化氫流18作為滲透物和貧硫化氫流16作為滲餘物。富硫化氫流18被供給至二氧化碳選擇性分離單元104。二氧化碳選擇性分離單元104將富硫化氫流18分離為富二氧化碳滲透物38作為滲透物和富硫化氫滲餘物40作為滲餘物。富烴流14和富硫化氫滲餘物40被供給至克勞斯單元200的熔爐。貧硫化氫流16和富二氧化碳滲透物38被供給至克勞斯單元200的催化轉化器。

硫化氫選擇性分離單元和二氧化碳選擇性分離單元(以下稱為「分離單元」)的總數和分離單元的構造(包括滲透物和滲餘物流的流路)取決於酸性氣流10的組成，以及熔爐的供料流或催化轉化器的供料流中CO2或H2S的目標濃度。在本發明的至少一個實施方案中，串聯布置多於兩個的分離單元。

本發明的膜不存在甲醇。在本發明的至少一個實施方案中，硫化氫選擇性分離單元106不存在選擇性溶劑吸收過程。在本發明的至少一個實施方案中，本發明的膜不包括再生步驟作為穩態運行的一部分。

實施例

所有實施例中，對用於各分離單元的膜類型做出標記。表1包括用於本發明分離單元的示例性膜的所選性能列表。表1的數據是從獨立研究的數據收集的。聚醚-聚醯胺共聚物的例子以聚合物製成的膜為代表。無定形氟塑料的例子以DuPontTM樹脂製成的膜為代表。聚磷腈1、2和3為2-(2-甲氧乙氧基)乙醇(MEE)、4-甲氧基苯酚與2-烯丙基苯酚的共聚物。

表1.示例性膜的性能

表2包含所有實施例所使用的烴選擇性分離單元102的滲透常數。

表2.烴選擇性分離單元102的滲透常數

實施例1.

實施例1是在圖2示例的構造和本文所述的基礎上進行模擬的。來自於胺分離工藝的酸性氣流10在37.78℃和29.70psia下、以248.52MMscfd(292.66Msm3/h)的速度被供給至烴選擇性分離單元102。烴選擇性分離單元102製作成PDMS型橡膠聚合物膜，其H2S/CO2選擇性為1.6，BTX透過性為100cm3/(cm2*s*psia)。參見表2中組分的滲透常數。烴選擇性分離單元102產生富烴流14作為滲透物和純化的酸性氣流12作為滲餘物。然後純化的酸性氣流12被供給至硫化氫選擇性分離單元106。由1657或聚磷腈類膜製成硫化氫選擇性分離單元106具有H2S/CO2選擇性為1.6、BTX透過性為100cm3/(cm2*s*psia)的性能。硫化氫選擇性分離單元106將純化的酸性氣流12分離成富硫化氫流18作為滲透物和貧硫化氫流16作為滲餘物。富硫化氫流18和富烴流14被供給至克勞斯單元200的熔爐。貧硫化氫流16被供給至克勞斯單元200的催化轉化器。到達熔爐的物流的總H2S濃度大於28％。所選物流中所得各組分的濃度(以體積％計)示於表3中。

表3.所選物流的組分濃度，以體積％計

實施例2.

參照圖2和實施例1中所述的模擬參數，在實施例2中硫化氫選擇性分離單元106被製作成H2S/CO2選擇性為3.18的橡膠型膜。硫化氫選擇性分離單元106對於所選組分的滲透常數包含在表4中。富烴流14和富硫化氫流18被供給至克勞斯單元200的熔爐。該物流的總H2S濃度大於30％。所選物流中所得各組分的濃度(以體積％計)示於表5中。

表4.滲透常數-硫化氫選擇性分離單元106

表5.所選物流的組分濃度，以體積％計

實施例3.

參照圖2和實施例1中所述的模擬參數，在實施例3中硫化氫選擇性分離單元106被製作成H2S/CO2選擇性為5.0的型膜。硫化氫選擇性分離單元106對於所選組分的滲透常數列於表6中。富烴流14和富硫化氫流18被供給至克勞斯單元200的熔爐。該物流具有總的H2S濃度為大於約40％。所選物流的所得組分濃度(以體積％計)示於表7中。

表6.滲透常數-硫化氫選擇性分離單元106

表7.所選物流的組分濃度，以體積％計

實施例4.

實施例4是按照圖3所示的烴選擇性分離單元102並結合一步二氧化碳選擇性分離單元104進行模擬的。酸性氣流10在37.78℃和29.70psia下被供給至烴選擇性分離單元102。烴選擇性分離單元102由PDMS型橡膠聚合物膜製成，其H2S/CO2選擇性為1.6，BTX透過性為100cm3/(cm2*s*psia)。參見表2中烴選擇性分離單元102的滲透常數。烴選擇性分離單元102將酸性氣流10分離成富烴流14作為滲透物和純化的酸性氣流12作為滲餘物。純化的酸性氣流12被供給至二氧化碳選擇性分離單元104。二氧化碳選擇性分離單元104由玻璃型膜製成，CO2/H2S選擇性為6。二氧化碳選擇性分離單元104對於所選組分的滲透常數列於表8中。二氧化碳選擇性分離單元104將純化的酸性氣流12分離成富二氧化碳流30作為滲透物和貧二氧化碳流32作為滲餘物。貧二氧化碳流32和富烴流14被供給至克勞斯單元200的熔爐。富二氧化碳流30被供給至克勞斯單元200的催化轉化器。到達熔爐的物流的總H2S濃度大於30％。所選物流中所得各組分的濃度示於表9中。

表8.滲透常數-二氧化碳選擇性分離單元104

表9.所選物流的組分濃度，以體積％計

實施例5.

參照圖4，提供用於模擬實施例5的布置的工藝圖。來自於胺分離工藝的酸性氣流10在37.78℃和29.70psia下、以248.47MMscfd(274.23Msm3/h)的速度被供給至烴選擇性分離單元102。烴選擇性分離單元102由PDMS型橡膠聚合物膜製成，其H2S/CO2選擇性為1.6，BTX透過性為100cm3/(cm2*s*psia)。參見表2中所選組分的滲透常數。烴選擇性分離單元102將酸性氣流10分離為富烴流14作為滲透物和純化的酸性氣流12作為滲餘物。然後純化的酸性氣流12被送入硫化氫選擇性分離單元106。硫化氫選擇性分離單元106由1657或聚磷腈類膜製成，其具有H2S/CO2選擇性為3.99的性能。硫化氫選擇性分離單元106對於所選組分的滲透常數包含於表10中。硫化氫選擇性分離單元106將純化的酸性氣流12分離成富硫化氫流18作為滲透物和貧硫化氫流16作為滲餘物。富硫化氫流18被供給至第二硫化氫選擇性分離單元108。第二硫化氫選擇性分離單元108由1657或聚磷腈類膜製成，其具有H2S/CO2選擇性為3.99的性能。第二硫化氫選擇性分離單元108對於所選組分的滲透常數包含於表10中。第二硫化氫選擇性分離單元108將富硫化氫流18分離成富硫化氫流22作為滲透物和二氧化碳滲餘物20作為滲餘物。

表10.滲透常數-硫化氫選擇性分離單元106和第二硫化氫選擇性分離單元108

富硫化氫流22和富烴流14被供給至克勞斯單元200的熔爐。貧硫化氫流16和二氧化碳滲餘物20被供給至克勞斯單元200的催化轉化器。到達熔爐的物流的總H2S濃度大於55％。表11以體積％示出了所選物流的組成。

表11.所選物流的組分濃度，以體積％計

實施例6.

參照圖5和實施例5中所述的模擬參數，在實施例6中硫化氫選擇性分離單元106和第二硫化氫選擇性分離單元108被製成H2S/CO2選擇性為5.0的4011、1074、聚磷腈型膜或離子液體膜/離子液體膜萃取器型膜。表12包括了硫化氫選擇性分離單元106和第二硫化氫選擇性分離單元108的滲透常數。

表12.滲透常數-硫化氫選擇性分離單元106和第二硫化氫選擇性分離單元108

富硫化氫流22和富烴流14混合併以混合熔爐供料流24的形式供給至克勞斯單元200的熔爐。混合熔爐供料流24中H2S的濃度大於55％。貧硫化氫流16和二氧化碳滲餘物20混合併以混合催化轉化器供料流26的形式供給至克勞斯單元200的催化轉化器。所選物流中所得各組分的濃度以體積％示於表13中。

表13.所選物流的組分濃度，以體積％計

實施例7.

實施例7在圖6中示出的構造的基礎上進行模擬。酸性氣流10在37.78℃和29.70psia下、以248.5MMscfd(292.66Msm3/h)的速度被供給至烴選擇性分離單元102。烴選擇性分離單元102由PDMS型橡膠聚合物膜製成，其H2S/CO2選擇性為1.6，BTX透過性為100cm3/(cm2*s*psia)。烴選擇性分離單元102將酸性氣流10分離為富烴流14作為滲透物和純化的酸性氣流12作為滲餘物。然後純化的酸性氣流12被供給至二氧化碳選擇性分離單元104。二氧化碳選擇性分離單元104被製作成CO2/H2S選擇性為6的玻璃型膜。二氧化碳選擇性分離單元104將純化的酸性氣流12分離成富二氧化碳流30作為滲透物和貧二氧化碳流32作為滲餘物。富二氧化碳流30被供給至硫化氫選擇性分離單元106。硫化氫選擇性分離單元106為4011、1074、聚磷腈類、離子液體膜或離子液體膜萃取器型膜，其H2S/CO2選擇性為5.0。二氧化碳選擇性分離單元104和硫化氫選擇性分離單元106對於所選組分的滲透常數包含於表14中。硫化氫選擇性分離單元106將富二氧化碳流30分離成富硫化氫滲透物34作為滲透物和富二氧化碳滲餘物36作為滲餘物。貧二氧化碳流32、富硫化氫滲透物34和富烴流14被供給至克勞斯單元200的熔爐。富二氧化碳滲餘物36被供給至克勞斯單元200的催化轉化器。到達熔爐的物流中總的H2S濃度大於40％。所選物流中所得各組分的濃度示於表15中，以體積％計。

表14.滲透常數

表15.所選物流的組分濃度，以體積％計

實施例8.

實施例8在圖7所示出的構造的基礎上進行模擬。酸性氣流10在37.78℃和29.70psia下、以248.5MMscfd(292.66Msm3/h)的速度被供給至烴選擇性分離單元102。烴選擇性分離單元102由PDMS型橡膠聚合物膜製成，其H2S/CO2選擇性為1.6，BTX透過性為100cm3/(cm2*s*psia)。烴選擇性分離單元102將酸性氣流10分離為富烴流14作為滲透物和純化的酸性氣流12作為滲餘物。然後純化的酸性氣流12被供給至硫化氫選擇性分離單元106。硫化氫選擇性分離單元106的性能按照4011、1074、聚磷腈型、離子液體膜或離子液體膜萃取器型膜製作，其H2S/CO2選擇性為5.0。硫化氫選擇性分離單元106將純化的酸性氣流12分離成富硫化氫流18作為滲透物和貧硫化氫流16作為滲餘物。富硫化氫流18被供給至二氧化碳選擇性分離單元104。二氧化碳選擇性分離單元104被製作成CO2/H2S選擇性為6.0的玻璃型膜。硫化氫選擇性分離單元106和二氧化碳選擇性分離單元104的滲透常數包含於表16中。二氧化碳選擇性分離單元104將富硫化氫流18分離成富二氧化碳滲透物38作為滲透物和富硫化氫滲餘物40作為滲餘物。富烴流14和富硫化氫滲餘物40被供給至克勞斯單元200的熔爐。貧硫化氫流16和富二氧化碳滲透物38被供給至克勞斯單元200的催化轉化器。到達熔爐的物流中總H2S的濃度大於68％。所選物流中所得組分的濃度示於表17中，以體積％計。

表16.滲透常數

表17.所選物流的組分濃度，以體積％計

實施例9.

實施例9觀察膜表面對於所選物流的組分濃度的效果。參照圖7以及參照實施例8所述的模擬參數，在實施例9中，用於硫化氫選擇性分離單元106和二氧化碳選擇性分離單元104的膜被製成總表面積為實施例8中所用的表面積的1.55倍。到達熔爐的物流的總H2S濃度大於58％。到達催化轉化器的物流的總H2S濃度小於7.2％。

表18.所選物流的組分濃度，以體積％計

雖然已經對本發明做了詳細說明，但是應當理解的是，在不脫離本發明原則和範圍的前提下，可在本文基礎上做出各種改變、替換和變型。因此，本發明的範圍應當由以下權利要求書及其恰當的法律等價物所確定。

單數形式「一」、「一個」和「該」包括複數對象，除非上下文另有明確說明。

任選的或任選地是指，隨後描述的事件或情況可能發生或可能不發生。該描述包括該事件或情況發生以及不發生的例子。

範圍在本文中可表示為從大約一個特定值和/或到大約另一個特定值。當表示這樣的範圍時，應當理解的是，另一個實施方案是從一個特定值和/或到另一個特定值，以及在所述範圍內的所有組合。

如本文以及隨附權利要求所用，詞語「包含」、「具有」和「包括」及其所有的語法變體各自旨在具有一種開放的、非限制性的含義，這並不排除其它另外的元件或步驟。

如本文所用，術語如「第一」和「第二」是任意地指定，並且僅僅旨在區分裝置的兩個或多個組件。應當理解的是，詞語「第一」和「第二」沒有其它目的，也不是組件的名稱或說明的一部分，更不是指它們必須定義組件的相對位置或方位。另外，應當理解的是，術語「第一」和「第二」的唯一用途不要求存在任何「第三」組件，儘管這種可能性是在本發明範圍下是可預期的。