CN107537301B - 射流式吸收反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射流式吸收反应器，属于硫磺回收用反应器技术领域。所述的射流式吸收反应器包括反应管，在反应管的底部连有射流器，射流器的底部设有进料口，反应管与射流器的连接管路上设有残液导出口，反应管的侧壁上分别设有固体浆液导出口、清液导出口和残余气体导出口，方便各种类型的流体分别自反应器中流出，在气液发生反应的同时实现固液分离，固体浆液导出口的位置要高于清液导出口，反应管的顶部设有内置的测温管。本发明解决了现有反应器中存在的气液接触不够充分、结构复杂、分离效果不稳定、易堵塞的问题，具有气液反应充分、硫化氢吸收率高、分离效果好的特点。

Description

射流式吸收反应器

技术领域

本发明涉及一种射流式吸收反应器，属于硫磺回收用反应器技术领域。

背景技术

煤、石油、天然气等化石能源的广泛应用使得现代化经济高速发展，然而在天然气净化、石油炼制以及制煤气等生产过程会产生大量的硫化氢气体，H₂S不仅有毒，其在有氧或湿热条件下还具有腐蚀性，因此H₂S的存在不仅会危害人体健康，还会腐蚀金属管道、烧毁仪器仪表等，特别是在天然气输送和大规模的石油加氢精制过程中，H₂S的存在会增加石油管线发生H₂S应力腐蚀开裂的可能性，这对石油、天然气的安全开采和输送影响极大。因此，如何处理H₂S废气问题越来越受到人们的关注。

传统的H₂S处理工艺主要有克劳斯法和湿式吸收法。这两类方法处理含H₂S的气体可达到较高的净化度，脱硫的同时回收得到硫磺，但最大的缺点是其中的氢元素被氧化为水而浪费掉。为了实现资源的综合利用，近年来，一种兼顾回收硫和氢的H₂S处理新技术—间接电解法倍受人们的重视。间接电解法就是利用吸收液氧化废气中的H₂S，产生单质硫，被还原的吸收液送往电解池的阳极电解再生、循环使用，同时在电解池的阴极产生氢气。其反应系统主要由吸收反应器和电解反应器两部分组成，H₂S的吸收氧化过程一般是在吸收反应器中进行的。因此，吸收反应器的设计对于整个工艺的实施尤为关键，为使气体能与吸收液充分接触而发生反应，现有技术多采用鼓泡的方式将气体通入吸收液，由于具体工艺不同，吸收反应器的结构也各不相同。

ZL200620004518.3中提及了一种鼓泡式吸收反应器，具体见图2，该反应器在使用的过程中，由于气液反应形成的的硫磺颗粒细小或粘稠，很容易堵塞喷嘴，所以在目前应用的过程中，操作都是间歇式，难以实现高效吸收硫化氢并同时制取氢气的连续化操作，而且研究结果显示这样的吸收操作中气液接触不够充分，硫化氢的吸收率不高。

ZL200620004518.3公开了一种内循环式吸收反应器，具体见图3，在提高硫化氢吸收效率、防止硫磺堵塞及连续化操作方面有所改进，但当反应规模扩大时，如何平衡各反应单元之间的负荷较为复杂，同时内循环式反应器的结构较为复杂，制造及维护成本较高。

另外，目前用于电解硫化氢制氢气和硫磺技术的吸收反应器，都无法达到固液分离的效果，这就会导致过滤分离硫磺和吸收液的过程中存在着过滤负荷大、分离效果不稳定的问题，在长时间运行过程中细小的硫磺颗粒有可能在电解池中因沉积造成堵塞。

发明内容

本发明的目的是提供一种射流式吸收反应器，解决了现有反应器中存在的气液接触不够充分、结构复杂、分离效果不稳定、易堵塞的问题，具有气液反应充分、硫化氢吸收率高、分离效果好的特点。

本发明所述的射流式吸收反应器，包括反应管，在反应管的底部连有射流器，射流器的底部设有进料口，反应管与射流器的连接管路上设有残液导出口，反应管的侧壁上分别设有固体浆液导出口、清液导出口和残余气体导出口，方便各种类型的流体分别自反应器中流出，在气液发生反应的同时实现固液分离，固体浆液导出口的位置要高于清液导出口，反应管的顶部设有内置的测温管。

其中：

所述的反应管与射流器的连接管路为塑料管，作为连接段的塑料管的长度越短越好。

所述的反应管的高径比为9-11。

所述的测温管的管壁与反应管的管壁之间呈密封状态，测温管的上端敞口、下端密封，且下端与反应管的底端保持一定的距离；测温管内是否需要插入热电偶可以视实验情况而定。

使用本发明的射流式吸收反应器时，反应气体和反应液体都经过射流器的喷射进入反应管，气体在高速流动的液体的携带下被分散成细小气泡，与液体一起在反应管内上行，在上行的过程中气体与液体充分接触混合而发生反应，有利于提高反应效率。另外，气体与液体一起在反应管内上行的过程中会不断生成固体产物，残余的未反应气体附着在固体颗粒的表面，在射流器的喷射动力以及气体自动上浮的带动下，固体颗粒随之上浮至反应液体的液面，并经反应管上部的固体浆液导出口导出，反应管中的液体因大部分固体颗粒被气浮分离而成为清液，可以从反应管中部的清液导出口导出，为后续的过滤分离减轻负荷，还能够大幅度延长过滤器的反冲周期、保证高过滤流量时的过滤精度。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的射流式吸收反应器兼具吸收和固液分离的双重功能，适用于气液接触反应后生成固体的工艺，有利于气液充分接触而提高反应效率，同时能够达到固液分离的效果，从而避免反应生成的固体颗粒堵塞射流器以及附着在反应器壁的问题出现，也为后续的固体过滤分离减轻负荷；

(2)结构简单，射流器位于反应管的下端，是气液相遇混合以及进入反应管的必经之处，气液反应生成的固体颗粒由于高流速液体的带动而不易在射流器及反应管内沉积或附着于管壁，可有效避免吸收反应器的堵塞，气液混合流的高度分散也强化了气液接触面积。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是对比例1中鼓泡式吸收反应器的结构示意图；

图3是对比例2中内循环式吸收反应器的结构示意图。

图中：1、测温管；2、残余气体导出口；3、固体浆液导出口；4、清液导出口；5、反应管；6、射流器；7、进料口；8、残液导出口。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

如图1所述，射流式吸收反应器，包括反应管5，在反应管5的底部连有射流器6，射流器6的底部设有进料口7，所述反应管5与射流器6的连接管路上设有残液导出口8，反应管的侧壁上分别设有固体浆液导出口3、清液导出口4和残余气体导出口2，方便各种类型的流体分别自反应器中流出，在气液发生反应的同时实现固液分离，固体浆液导出口3的位置要高于清液导出口4，反应管5的顶部设有内置的测温管1。其中，反应管5与射流器6的连接管路为塑料管，反应管5的高径比为9-11，测温管1的管壁与反应管5的管壁之间呈密封状态；测温管1的上端敞口、下端密封，且下端与反应管5的底端保持一定的距离。

实施例2

以电解硫化氢制氢气和硫磺的处理工艺为例，电解硫化氢制氢气和硫磺的处理工艺中所用吸收液为富含Fe³⁺的Fe³⁺/Fe²⁺酸性溶液，参与反应的气体为H₂S。射流式吸收反应器的具体工作过程如下：

H₂S、N₂及其他组分气(如氨、烯烃、CO₂等)经三路气体配气装置精准配气、计量混合成含H₂S的混合气，其中硫化氢的体积含量为10-99％，此混合气经气体流量计控制流速，与富含Fe³⁺的吸收液混合后，于进料口7处在射流器6的喷射作用下被送入反应管5，其中的液气体积比为5-20，气液总流量由液体流量计来计量。气液经过射流器6时，气体在高流速液体的带动下被分散为细小气泡，气泡在吸收反应管5中自由上升的同时与吸收液发生如下生成硫磺的反应：H₂S+2Fe³⁺＝2H⁺+2Fe²⁺+S↓，约占总硫磺量的60-90wt％的硫磺在射流器6的喷射动力以及气泡的作用下上浮至液面实现固液分离，并以浆料的形式经反应管5上部的固体浆液导出口3导出，反应管5中的液体因大部分硫磺颗粒被气浮分离而成为清液，此清液从反应管5中上部的清液导出口4导出，未反应的气体经由残余气体导出口2进入尾气回收管路被送到醇胺吸收装置。停车时，反应管5中的残液由反应管底部的残液导出口8导出。

与现有技术提供的反应器相比，本发明在使用的过程中，由于气液经过射流器时，气体被分散为细小气泡的同时随液体上行而反应，这增大了气液接触面积，从而有效地提高吸收效率；同时，生成的硫磺被气浮分离，避免了硫磺颗粒堵塞吸收反应器的现象，且为后续的硫磺过滤分离减轻负荷，提高了过滤精度。

实施例3

本实施例的射流式吸收反应器的具体工作过程同实施例2，所不同的是要测定不同反应条件下的H₂S吸收率。

(1)不同液/气体积比下的H₂S吸收率：

吸收反应压力为常压，温度为常温，吸收液中Fe³⁺浓度约0.6mol/L，Fe²⁺浓度约0.2mol/L，H₂SO₄体系下的氢离子浓度为8mol/L。根据实际气体流量计的工作范围，将H₂S体积含量为60％的混合气的流速固定为50L/h，改变液体流量以控制液/气体积比分别为6、8、10、12和15。分别记录进入射流式吸收反应器的酸性气中和排出反应器的尾气中的H₂S含量，以计算H₂S的吸收率。

结果表明，H₂S的吸收率都在95％以上，且随着液/气体积比的增大吸收率有所提高，在本试验中，吸收率最高能达到99％以上。但液/气体积比太大会影响H₂S的吸收速率，因此选择液/气体积比为10。

(2)不同气/液流速下的H₂S吸收率：

吸收反应压力为常压，温度为常温，吸收液中Fe³⁺浓度为0.6mol/L，Fe²⁺浓度为0.2mol/L，H₂SO₄体系下的氢离子浓度为8mol/L。固定液/气体积比为10，改变气体和液体的流速，测定对H₂S吸收率的影响。

结果表明，随着气体和液体流速的逐渐增大，H₂S的吸收速率逐渐上升，而H₂S的吸收率逐渐降低，这是由于高流速下气液接触时间短造成的。

(3)混合气中不同H₂S含量下的H₂S吸收率：

吸收反应压力为常压，温度为常温，吸收液中Fe³⁺浓度为0.6mol/L，Fe²⁺浓度为0.2mol/L，H₂SO₄体系下的氢离子浓度为8mol/L。固定气体和液体的流速分别为50L/h和500L/h，即固定液/气体积比为10。改变混合气中H₂S的含量，考察混合气中H₂S体积含量分别为10％、30％、60％、95％时的吸收效果，其它组分气体为氮气。

实验表明，H₂S体积含量分别为10％、30％、60％、95％时，H₂S的吸收率分别为99％、97％、95％和95％。说明本发明的吸收反应器适用于H₂S含量变化范围较大的混合气。因此，若处理H₂S含量较低的混合气时，不必事先进行富集处理。

对比例1

本对比例采用的是鼓泡式吸收反应器，如图2所示，工作过程中，先从液体入口向反应管内加入吸收液，然后通过喷嘴向反应管中通入含H₂S的气体，气体在反应管下部与吸收液接触而发生反应生成硫磺。反应后的液体及硫磺从底部出口放出，多余的尾气从反应器上部排出。

运行鼓泡式吸收反应器，其反应条件与实施例3中的第三种情况相同，即常温、常压，吸收液中Fe³⁺浓度为0.6mol/L，Fe²⁺浓度为0.2mol/L，H₂SO₄体系下的氢离子浓度为8mol/L，固定气体和液体的流速分别为50L/h和500L/h。混合气中H₂S的体积含量分别为10％、30％、60％、95％时，测得H₂S的吸收率分别为87％、80％、68％和60％。此吸收效果远远不如本发明。

此外，本对比例中的鼓泡式吸收反应器的气液在喷嘴下端接触而快速反应，生成的硫磺会在此聚集，长时间的运行会出现硫磺颗粒堵塞气体喷嘴的现象，需要随时清理，所以目前的操作都是间歇式。

而本发明在工作中，气体与液体在射流器处接触并反应，生成的硫磺颗粒由于高流速液体的带动而不易在射流器及反应管内沉积，可有效避免吸收反应器的堵塞。此外，气液经过射流器后的高度分散也强化了气液接触面积，有利于提高H₂S吸收率。

对比例2

本对比例采用的是内循环式吸收反应器，如图3所示，其由喷嘴和反应管组成，喷嘴由内管和套管组成，套管套设于内管外，上部与内管外壁间呈封闭，下部则与外界导通，套管与内管之间形成环隙，且该套管侧壁还设有与环隙相通的气体入口，该喷嘴从反应管上部插入反应管；而反应管内套设有两端口均与反应管相导通的内导管，且该内导管与反应管间形成夹层；操作时，气体由气体入口进去，吸收液由液体入口进入，气体被吸收液携带通过喷嘴的环隙进入反应器内导管，沿其内壁下行后从夹层返回，在反应器内实现循环，有利于气液充分接触而提高反应效率，同时更可达到避免反应生成的固体颗粒堵塞气体喷嘴的效果。但此吸收反应器的结构较为复杂，制造及维护成本较高。且当反应规模扩大时，不容易平衡各反应单元之间的负荷。

运行内循环式吸收反应器，其反应条件与实施例3中的第三种情况相同，即常温、常压，吸收液中Fe³⁺浓度为0.6mol/L，Fe²⁺浓度为0.2mol/L，H₂SO₄体系下的氢离子浓度为8mol/L，固定气体和液体的流速分别为50L/h和500L/h。混合气中H₂S的体积含量分别为10％、30％、60％、95％时，测得H₂S的吸收率分别为99％、95％、90％和89％。此吸收效果亦不如本发明。

本发明除了具有与之相同的优点之外，还具有结构简单以及固液分离的功能，能大大降低使用成本。

Claims (1)

1.一种射流式吸收反应器在间接法电解硫化氢制氢气和硫磺技术中的应用，其特征在于：所述射流式吸收反应器包括反应管(5)，在反应管(5)的底部连有射流器(6)，射流器(6)的底部设有进料口(7)，所述反应管(5)与射流器(6)的连接管路上设有残液导出口(8)，反应管的侧壁上分别设有固体浆液导出口(3)、清液导出口(4)和残余气体导出口(2)，固体浆液导出口(3)的位置要高于清液导出口(4)，反应管(5)的顶部设有内置的测温管(1)；

反应管(5)与射流器(6)的连接管路为塑料管；

反应管(5)的高径比为9-11；

测温管(1)的管壁与反应管(5)的管壁之间呈密封状态，测温管(1)的上端敞口、下端密封；

射流式吸收反应器的具体工作过程如下：射流式吸收反应器中的吸收液为富含Fe³⁺的Fe³⁺/Fe²⁺酸性溶液，参与反应的气体为硫化氢混合气，其中硫化氢的体积含量为10-99％，混合气经气体流量计控制流速，与富含Fe³⁺的吸收液混合后，于进料口（7）处在射流器（6）的喷射作用下被送入反应管（5），其中的液气体积比为5-20；气液经过射流器（6）时，气体在高流速液体的带动下被分散为细小气泡，气泡在吸收反应管5中自由上升的同时与吸收液发生生成硫磺的反应，硫磺在射流器（6）的喷射动力以及气泡的作用下上浮至液面实现固液分离，并以浆料的形式经反应管（5）上部的固体浆液导出口（3）导出，反应管（5）中的液体因大部分硫磺颗粒被气浮分离而成为清液，所述清液从反应管（5）中上部的清液导出口（4）导出，未反应的气体经由残余气体导出口（2）进入尾气回收管路被送到醇胺吸收装置，停车时，反应管（5）中的残液由反应管底部的残液导出口（8）导出。

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