Установки и способы для переработки cos по реакции клауса

010173 Область техники Сфера изобретения относится к конверсии COS в элементарную серу, в особенности в установке Клауса. Уровень техники Современное газообразное исходное сырье, подаваемое в способ Клауса, обычно ограничено относительно низкими концентрациями сульфида карбонила (COS), и в общем случае представляется, что концентрация COS в газообразном исходном сырье, подаваемом в обычно используемый способ Клауса,не может превышать приблизительно 2% без того, чтобы привести к значительному уменьшению эффективности обессеривания и/или ухудшению температуры пламени для разложения загрязнителей (например, аммиака, ароматики, в том числе бензола, толуола и ксилола и/или углеводородов). В соответствии с этим многочисленные способы обессеривания специально конфигурируют таким образом, чтобы при подаче в установку Клауса иметь газообразное исходное сырье, характеризующееся относительно низким уровнем содержания COS. B альтернативном варианте и в особенности тогда, когда концентрация COS в газообразном исходном сырье будет относительно высока, перед тем, как газообразное исходное сырье будет подано в способ Клауса, зачастую используют гидролиз COS в газообразном исходном сырье при использовании слоя катализатора TiO2. Примеры установок с использованием гидролиза COS перед подачей в способ Клауса описываются в патентах США 4735788 или 6113872, которые оба включены в настоящий документ в виде ссылок. Несмотря на то, что такие способы в общем случае обеспечивают уменьшение концентрации COS до уровней, которые считаются подходящими для известных установок Клауса, тем не менее, все еще сохраняются различные недостатки. Помимо прочего, гидролиз COS в общем случае требует относительно высоких капитальных и эксплуатационных затрат. Поэтому, несмотря на то, что на современном уровне техники известны разнообразные установки и способы, позволяющие иметь при подаче в установку Клауса газообразное исходное сырье, характеризующееся относительно высоким уровнем содержания COS, всем или почти всем из них свойственны один или несколько недостатков. В соответствии с этим все еще сохраняется потребность в улучшенных установках и способах оформления реакции Клауса. Краткое описание изобретения Настоящее изобретение в общем случае относится к конверсии COS в элементарную серу и побочные продукты при использовании установки Клауса. В предпочтительных аспектах сущности предмета изобретения COS первой части потока, содержащего COS, превращают в диоксид серы, a COS второй части потока, содержащего COS, превращают в H2S, а полученные таким образом диоксид серы и сульфид водорода после этого перерабатывают до получения серы и воды с использованием каталитического реактора. В одном аспекте сущности предмета изобретения установка Клауса будет включать реакционную печь, которая принимает первую часть потока, содержащего COS, предназначенную для получения изCOS диоксида серы. После этого каталитический конвертер, соединенный с реактором, получает диоксид серы из реакционной печи и дополнительно принимает вторую часть потока, содержащего COS,предназначенную для получения из COS сульфида водорода. Таким образом, полученные диоксид серы и сульфид водорода после этого будут вступать в конвертере в реакцию с получением элементарной серы. В особенно предпочтительных установках предусматривается то, что реакционная печь дополнительно принимает поток, содержащий углеводород, аммиак, сульфид водорода, органический сульфид,воду, кислород и/или воздух. Кроме того, подходящие установки будут включать дополнительные каталитические конвертеры (предпочтительно при последовательном соединении с первым конвертером),которые могут принимать дополнительные части потока, содержащего COS, предназначенные для получения из COS сульфида водорода. В еще одном аспекте сущности предмета изобретения установка Клауса будет включать реакционную печь, которая в первой секции принимает по меньшей мере часть потока, содержащего COS, предназначенную для получения из COS диоксида серы. Кроме того, включается и источник сульфида водорода, и он обеспечивает подачу сульфида водорода во вторую секцию реакционной печи, где сульфид водорода и диоксид серы вступают в реакцию во второй секции с получением элементарной серы (в частности, предусматриваемые источники сульфида водорода включают реактор гидролиза, который принимает еще одну часть потока, содержащего COS, предназначенную для получения сульфида водорода). Такие установки дополнительно могут включать каталитический конвертер, который принимает по меньшей мере часть сульфида водорода из реактора гидролиза и по меньшей мере часть диоксида серы из печи-реактора, где диоксид серы и сульфид водорода вступают в реакцию в конвертере с получением элементарной серы. Что касается концентрации COS в предусматриваемых установках, то в общем случае предпочитается, чтобы поток, содержащий COS, содержал бы по меньшей мере 5 мол.% COS (например, из установки декарбонизации с предварительным сжиганием). В соответствии с этим способ конверсии потока, содержащего COS, в продукт - серу в установке Клауса может включать одну стадию, на которой первую часть COS из потока, содержащего COS, под-1 010173 вергают окислению в реакционной печи до получения диоксида серы. На другой стадии вторую частьCOS из потока, содержащего COS, подвергают гидролизу по меньшей мере в одной установке, выбираемой из реактора гидролиза и каталитического конвертера, с получением сульфида водорода, а на еще одной стадии диоксид серы подвергают каталитической реакции с сульфидом водорода до получения продукта серы. Различные цели, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными после ознакомления со следующим далее подробным описанием предпочтительных вариантов реализации изобретения. Краткое описание чертежей Фиг. 1 представляет собой один пример установки для конверсии COS, соответствующий сущности предмета изобретения. Фиг. 2 представляет собой еще один пример установки для конверсии COS, соответствующий сущности предмета изобретения. Подробное описание Изобретатели обнаружили то, что потоки, содержащие COS, можно подавать в установку Клауса без отступления от желательных рабочих условий, где одну часть COS подают в реакционную печь для окисления с получением диоксида серы и где другую часть подвергают гидролизу до получения сульфида водорода (например, в реакторе гидролиза или в каталитическом конвертере установки Клауса), и где полученные таким образом сульфид водорода и диоксид серы вступают в реакцию с получением элементарной серы. В особенности необходимо понимать то, что при использовании таких установок и способов 9098% COS в потоке, содержащем COS (или даже в потоке по существу чистого COS), могут быть превращены в элементарную серу при одновременном сохранении среды конверсии в установке Клауса. Кроме того, и, по меньшей мере, в определенных аспектах предусматриваемые установки делают возможным эксплуатацию установки Клауса без необходимого наличия установленного на технологической схеме до нее реактора гидролиза, где установка Клауса принимает существенные количества (например, большие 2% (моль. COS. В одном предпочтительном аспекте сущности предмета изобретения пример установки Клауса имеет устройство изображения на фиг. 1. В данном случае установка Клауса 100 включает реакционную печь 110, которая термически связана с котлом-утилизатором 140, в котором из подпиточной воды для котла 142 получают водяной пар 144. Реакционная печь 110 принимает поток исходного сырья 106, который может включать различные сжигаемые компоненты и серосодержащие соединения (например,меркаптаны, сульфид водорода и тому подобное). Сжигание и/или температуру пламени регулируют или поддерживают при использовании потока воздуха/кислорода 108. В дополнение к этому, реакционная печь 110 принимает первую часть 104 А потока, содержащего COS, 104 в то время как вторую часть 104 В и необязательно третью часть 104 С потока, содержащего COS, 104 подают в каталитический конвертер 120 и 130 соответственно. Реакционная печь 110 обычно функционирует таким образом, что основную часть, если по существу не все количество загрязнителей (например, аммиака, углеводородов и тому подобного) подвергают термическому разложению, и что одну треть COS в потоке, содержащем COS, 104 подвергают окислению до получения диоксида серы. Таким образом, необходимо понимать то, что в зависимости от состава потока, содержащего COS, 104 и потока исходного сырья 106 соотношение между первой частью 104 А и второй частью 104 В (и 104C) может варьироваться. Однако в общем случае предпочитается, чтобы первая часть 104 А составляла бы приблизительно 20-40% от полного потока 104. Подобным же образом и опять-таки предпочтительно в зависимости от химического состава потока исходного сырья 106 и/или потока 104 А температура пламени может существенным образом варьироваться, но предпочтительно ее выдерживают на уровне температуры в диапазоне от приблизительно 1800F до приблизительно 2800F в зависимости от загрязнителей в потоках исходного сырья. Газообразный продукт из реакционной печи 110, предпочтительно содержащий диоксид серы, воду и диоксид углерода, охлаждают в котле-утилизаторе до температуры в диапазоне приблизительно от 400 до 500F с получением потока охлажденного продукта 112, который объединяют со второй частью 104 В потока, содержащего COS, 104 перед введением в первый каталитический конвертер. Необходимо понимать то, что в таких установках COS из потока 104 В будет подвергаться в конвертере гидролизу до получения сульфида водорода, и что полученный таким образом сульфид водорода будет вступать в реакцию с диоксидом серы из потока охлажденного продукта 112 с получением элементарной серы, покидающей каталитический конвертер 150 в виде потока продукта 122. Поток продукта 122 после этого подают в конденсатор 150, в котором элементарную серу конденсируют (предпочтительно при температуре в диапазоне приблизительно 280-350F) до получения продукта серы 152. После этого продукт конденсатора 154 повторно нагревают до температуры в диапазоне приблизительно 400-500F и объединяют с третьей частью 104 С потока, содержащего COS, 104, поскольку способ Клауса представляет собой способ, движущей силой в котором является равновесие. Поэтому остаточный диоксид серы в продукте конденсатора 154 будет вступать в реакцию с сульфидом водорода, кото-2 010173 рый образуется в результате протекания гидролиза COS во втором каталитическом конвертере 130, по тому же самому способу, что и описанный выше для первого каталитического конвертера 120. Поток продукта 132 подают во второй конденсатор 160 для удаления элементарной серы в виде продукта серы 162 из хвостовых газов 164, которые после этого по мере надобности можно подвергать дополнительной переработке при использовании обычной технологии. Само собой разумеется, необходимо понимать то,что для того, чтобы уменьшить концентрацию остаточной серы в хвостовых газах до желательного уровня, подходящие установки Клауса могут включать третий, четвертый каталитические конвертеры и даже каталитические конвертеры с более высоким порядковым номером. В том случае, если исходное сырье 106 будет содержать сульфид водорода, данный сульфид водорода будет вступать в реакцию с диоксидом серы, полученным в реакционной печи 110, с получением элементарной серы в реакционной печи 110, конвертере 1 120 и конвертере 2 130 в соответствии с реакцией Клауса (потоки 112, 154 и 164 обычно содержат определенное количество сульфида водорода в дополнение к диоксиду серы). Что касается газообразного исходного сырья, то необходимо понимать то, что подходящим является различное газообразное исходное сырье и что конкретная природа газообразного исходного сырья не ограничивается сущностью предмета изобретения до тех пор, пока такое газообразное исходное сырье в реакционной печи может быть подвергнуто по меньшей мере частичному окислению. Например, подходящее газообразное исходное сырье включает кислотные газы из установки для отгонки аминов, кислые газы из установки очистки кислой воды, установки ультрафильтрации через полупроницаемую мембрану и других источников, которые обеспечивают подачу газов, характеризующихся существенным уровнем содержания серы. Поэтому предусматриваемое газообразное исходное сырье будет содержать не только сульфид водорода, но также и многочисленные другие серосодержащие соединения, в том числе COS(предпочтительно при концентрациях, меньших 2 мол.%), CS2, меркаптаны и ди- и полисульфиды. Кроме того, включаемыми в большинство видов газообразного исходного сырья будут один или несколько представителей, выбираемых из ароматических углеводородов (например, бензола, толуола, ксилола),аммиака и/или различных других углеводородов (например, линейных и разветвленных углеводородов,обычно содержащих менее 5 атомов углерода). Подобным же образом существенным образом могут варьироваться химический состав и источник потока, содержащего COS, и необходимо понимать то, что концентрация COS в таких потоках может находиться в диапазоне от 1 мол.% (и даже менее) до приблизительно 95 мол.% (и даже более). Однако в особенности предпочтительным является случай, когда поток, содержащий COS, подают, по меньшей мере, частично при использовании установки декарбонизации с предварительным сжиганием, и в особенности предпочтительные установки декарбонизации с предварительным сжиганием описываются в предварительной патентной заявке США заявителей с регистрационным номером 60/460363, которая была подана 3 апреля 2003 г. и находится на рассмотрении одновременно с настоящей заявкой и которая включается в настоящий документ для справки. Кроме того, необходимо понимать то, что первую часть потока, содержащего COS, также можно объединять с потоком исходного сырья, или что в том случае,когда поток исходного сырья будет содержать значительные количества COS, первую часть можно совершенно исключить. Поэтому соотношение между первой частью и второй частью в общем случае будет варьироваться в зависимости от различных факторов, но в особенности от количества COS, присутствующего в потоке исходного сырья и/или потоке, содержащем COS. Подобным же образом будет варьироваться и соотношение между второй и третьей частями, но обычно оно таково, что COS в третьей части по существу будет полностью израсходован в ходе реакции с диоксидом серы продукта первого конденсатора благодаря конверсии COS в сульфид водорода. Кроме того, несмотря на то, что в общем случае предпочитается объединять продукт реакционной печи и вторую часть (и/или продукт конденсатора и третью часть) перед их поступлением в каталитический конвертер, необходимо также понимать и то, что данные потоки можно подавать в каталитические конвертеры и по отдельности. Что касается реакционной печи, котла-утилизатора, подогревателя (подогревателей), каталитических конвертеров и конденсаторов серы, то необходимо понимать то, что для предусматриваемых установок такие компоненты в общем случае не нужно модифицировать, но что данные компоненты можно использовать в таких установках, как используемые в настоящее время на современном уровне техники. Поэтому необходимо понимать то, что предусматриваемые установки Клауса могут включать реакционную печь, которая принимает первую часть потока, содержащего COS, предназначенную для получения из COS диоксида серы, и каталитический конвертер, предпочтительно включающий диоксид титана или кобальтово-молибденовый катализатор, который (а) принимает диоксид серы из печи-реактора и(b) который принимает вторую часть потока, содержащего COS, предназначенную для получения из COS сульфида водорода, где диоксид серы и сульфид водорода вступают в реакцию в конвертере с получением элементарной серы. В особенно предпочтительных установках реакционная печь дополнительно принимает поток, содержащий по меньшей мере одного представителя, выбираемого из углеводорода, аммиака, сульфида водорода, органического сульфида, воды, кислорода и воздуха. Поэтому в особенности предпочтительные источники для потока, содержащего COS, включают установки декарбонизации с предварительным сжиганием и обычно будут характеризоваться содержанием по меньшей мере 5%(моль.) COS. Последовательно с каталитическим конвертером может быть соединен второй каталитический конвертер, и он может дополнительно принимать третью часть потока, содержащего COS, предназначенную для получения из COS сульфида водорода. В еще одном аспекте сущности предмета изобретения, в особенности в том случае, когда концентрация COS в потоке, содержащем COS, будет относительно высока, может быть использована альтернативная установка, в которой часть COS подвергают гидролизу перед ее поступлением в каталитические конвертеры и/или в которой часть COS вступает в реакцию с кислородом и/или водой в реакционной печи, как это изображается на фиг. 2. В данном случае установка Клауса 200 включает печь-реактор 210, которую соединяют с котломутилизатором 240, в котором из подпиточной воды для котла 242 получают водяной пар 244. Подобно установке, изображенной на приведенной выше фиг. 1, передняя часть печи-реактора принимает исходное сырье 206 и подходящие количества воздуха/кислорода 208, позволяющие поддерживать надлежащую температуру пламени и/или окисление серосодержащих соединений. Первую часть 204 А потока,содержащего COS, 204 подают в печь-реактор для окисления до диоксида серы, в то время как вторую часть 204 В потока, содержащего COS, 204 подают в реактор гидролиза COS 280. Первую часть продукта реактора гидролиза COS 204B' подают в заднюю часть реакционной печи, и она будет вступать в реакцию с получением элементарной серы в числе других серосодержащих соединений в соответствии с механизмом реакции Клауса. В соответствии с этим продукт реакционной печи 212 подают в первый конденсатор 270, в котором элементарную серу удаляют в виде продукта серы 272. Продукт конденсатора 274 после этого повторно нагревают и объединяют со второй частью 204 В потока сульфида водорода, который получают в реакторе гидролиза COS 280. Объединенный поток поступает в первый каталитический конвертер 220, и сульфид водорода из реактора гидролиза и диоксид серы из продукта первого конденсатора вступают в реакцию по механизму реакции Клауса с получением элементарной серы. Продукт каталитического конвертера 222 после этого подают в конденсатор 250, в котором элементарную серу удаляют в виде продукта, серы 252, а продукт конденсатора 254 повторно нагревают и смешивают с третьей частью потока сульфида водорода 204B перед их поступлением в третий конвертер 230. Опять-таки, остаточный диоксид серы из продукта конденсатора 254 и сульфид водорода из потока 204B вступают в реакцию с получением элементарной серы в каталитическом конвертере 230, из которого продукт 232 подают в конденсатор 260. Элементарную серу удаляют из конденсатора 260 в виде продукта серы 262, а хвостовые газы 264 покидают установку Клауса (потоки 212, 274,254 обычно содержат определенное количество сульфида водорода в дополнение к диоксиду серы). Что касается реактора гидролиза COS, то необходимо понимать то, что подходящими для использования в настоящем изобретении считаются все известные реакторы гидролиза, и примеры реакторов гидролиза COS описываются, например, в патентах США 4332781 и 5674463, из которых оба включаются в настоящий документ для справки. Однако в общем случае предпочитается, чтобы гидролиз COS проводили бы при использовании подходящих катализаторов гидролиза, в том числе никеля, платины и палладия. Что касается остаточных компонентов и условий, то используются те же самые соображения,что и описанные выше. Следовательно, в особенности подходящие установки Клауса будут включать реакционную печь,которая принимает в первой секции по меньшей мере часть потока, содержащего COS, предназначенную для получения из COS диоксида серы, и источник сульфида водорода, который обеспечивает подачу сульфида водорода во вторую секцию печи-реактора, где сульфид водорода и диоксид серы вступают в реакцию во второй секции с получением элементарной серы и других серосодержащих соединений. Такие установки в выгодном случае можно соединять с установкой декарбонизации с предварительным сжиганием, которая обеспечивает подачу, по меньшей мере, части потока, содержащего COS, и необязательно они могут дополнительно включать реактор гидролиза, который принимает еще одну часть потока, содержащего COS, предназначенную для получения сульфида водорода. Каталитический конвертер (предпочтительно включающий диоксид титана или кобальтовомолибденовый катализатор) обычно принимает по меньшей мере часть сульфида водорода из реактора гидролиза и по меньшей мере часть диоксида серы из реакционной печи, где диоксид серы и сульфид водорода вступают в реакцию в конвертере с получением элементарной серы. Наиболее часто второй или третий каталитические конвертеры соединяют с первым каталитическим реактором. Поэтому в общем случае необходимо понимать то, что поток, содержащий COS, в установке Клауса можно превратить в продукт-серу в результате окисления в реакционной печи первой части COS из потока, содержащего COS, до диоксида серы. Вторую часть COS из потока, содержащего COS, подвергают гидролизу и/или окислению в реакционной печи, реакторе гидролиза или каталитическом конвертере до получения сульфида водорода, и полученные таким образом диоксид серы и сульфид водорода после этого подвергают каталитической реакции до получения продукта серы в соответствии с реакцией Клауса. В зависимости от конкретной конфигурации установки и/или концентрации COS в потоке, содержащем COS, предусматривается то, что гидролиз и/или окисление COS можно проводить в реакционной печи или каталитическом конвертере (например, тогда, когда концентрация COS будет относительно-4 010173 невелика) или в реакторе гидролиза (например, тогда, когда концентрация COS будет относительно велика). Однако, и вне зависимости от местоположения гидролиза и/или окисления COS предусматривается то, что подходящие концентрации COS могут составлять по меньшей мере 5 моль.% COS. Что касается компонентов и условий в таких способах, то используются те же самые соображения, что и описанные выше. Таким образом, были описаны конкретные варианты реализации и сферы применения установок и способов для переработки COS по реакции Клауса. Однако специалистам в соответствующей области техники должно быть очевидным то, что без отклонения от концепций изобретения настоящего документа возможным является намного большее количество модификаций помимо тех, что уже были описаны. Поэтому сущность предмета изобретения не должна ограничиваться ничем помимо сущности прилагаемой формулы изобретения. Кроме того, при интерпретировании как описания изобретения, так и формулы изобретения все термины должны толковаться наиболее широким возможным образом, согласующимся с контекстом. В частности, термины включает и включающий должны интерпретироваться как относящиеся к элементам, компонентам или стадиям неисключающим образом, указывающим на то,что указанные элементы, компоненты или стадии могут присутствовать или использоваться или объединяться с другими элементами, компонентами или стадиями, которые не были явно обозначены. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Установка Клауса, включающая реакционную печь, на вход которой подается первая часть потока, содержащего сульфид карбонила(COS), для получения из COS диоксида серы; каталитический конвертер, вход которого служит для приема диоксида серы, выходящего из реакционной печи, и который выполнен с возможностью приема второй части потока, содержащего COS, для получения из COS сульфида водорода, при этом каталитический конвертер выполнен таким образом, что диоксид серы и сульфид водорода вступают в реакцию в нем с образованием элементарной серы. 2. Установка по п.1, где реакционная печь дополнительно принимает поток, содержащий по меньшей мере одно из веществ, выбираемых из углеводорода, аммиака, сульфида водорода, органического сульфида, воды, кислорода и воздуха. 3. Установка по п.1, дополнительно включающая второй каталитический конвертер, который последовательно соединен с каталитическим конвертером. 4. Установка по п.3, где второй каталитический конвертер принимает третью часть потока, содержащего COS, предназначенную для получения из COS сульфида водорода. 5. Установка по п.1, в которой источником потока, содержащего COS, служит установка декарбонизации с предварительным сжиганием. 6. Установка по п.1, где каталитический конвертер включает катализатор, который включает диоксид титана или кобальт-молибден. 7. Установка по п.1, где поток, содержащий COS, содержит по меньшей мере 5 мол.% COS. 8. Установка Клауса, включающая двухсекционную реакционную печь, в первой секции которой по меньшей мере часть потока, содержащего COS, окисляется для получения из COS диоксида серы; а вторая секция которой служит для приема сульфида водорода из источника сульфида водорода, при этом реакционная печь выполнена таким образом, что во второй секции сульфид водорода и диоксид серы вступают в реакцию с образованием элементарной серы. 9. Установка по п.8, в которой источником потока, содержащего COS, служит установка декарбонизации с предварительным сжиганием. 10. Установка по п.8, где источник сульфида водорода включает реактор гидролиза, на вход которого подают вторую часть потока, содержащего COS, предназначенную для получения сульфида водорода. 11. Установка по п.10, дополнительно включающая каталитический конвертер, который принимает по меньшей мере часть сульфида водорода из реактора гидролиза и по меньшей мере часть диоксида серы из реакционной печи, где диоксид серы и сульфид водорода вступают в реакцию в конвертере с получением элементарной серы. 12. Установка по п.10, где каталитический конвертер включает катализатор, который включает диоксид титана или кобальт-молибден. 13. Установка по п.8, где поток, содержащий COS, содержит по меньшей мере 5 мол.% COS. 14. Способ конверсии потока, содержащего COS, в установке Клауса с получением продукта серы,включающий окисление в реакционной печи COS из первой части потока, содержащего COS, с получением диоксида серы; гидролиз COS из второй части потока, содержащего COS, отдельно от первой части потока по меньшей мере в одном устройстве, представляющем собой реакционную печь, реактор гидролиза или каталитический конвертер, до получения сульфида водорода; и осуществление каталитической реакции между полученным диоксидом серы и сульфидом водорода-5 010173 с получением продукта серы. 15. Способ по п.14, где по меньшей мере одну из стадий, выбираемых из гидролиза и каталитической реакции, проводят в реакционной печи. 16. Способ по п.14, где стадию гидролиза проводят в каталитическом конвертере. 17. Способ по п.14, дополнительно включающий стадию подачи в реакционную печь потока, содержащего по меньшей мере одного представителя, выбираемого из углеводорода, аммиака, сульфида водорода, органического сульфида, воды, кислорода и воздуха. 18. Способ по п.14, где поток, содержащий COS, содержит по меньшей мере 5 мол.% COS.