專利名稱：應用羥烷基取代的哌嗪酮從氣流中除去二氧化硫的方法
對于居民和工業使用的天然氣在燃燒前的純化，以及對于燃煤工業中的煙道氣的凈化來說，從氣流中除去含硫氣體都是很重要的。現在仍然廣泛用的一種方法是熟知的石灰石洗滌法。此法的缺點是必須處理產生的大量的固體廢物。已提出了許多化合物來作為吸收劑，其中有些是對H2S或CO2具有選擇性。而另一些吸收劑則能夠以很高的百分比除去待處理的氣流中存在的所有酸性氣體。在最近的美國專利4，366，134中公開了一種體系，此體系使用檸檬酸鉀或檸檬酸鈉，來選擇性地從氣流中除去SO2。在另一較新的專利，即美國專利4，530704，中，從氣流中除去SO2的方法是，使含有SO2的氣流與一種哌嗪酮，嗎啉酮或其N-烷基取代的衍生物的水溶液接觸，譬如N，N′-二甲基-2-哌嗪酮。此專利所使用的每種化合物，都可以用常規的汽提法加以再生。
現已發現一種從氣流中吸收SO2的改進方法，此方法使用羥烷基-2-哌嗪酮作為吸收劑，從而提高了對SO2的回收。
本發明是從含有SO2的氣流中除去SO2的方法，此氣流還可以含有通常與烴氣流或燃燒氣體有關的共存在的其它氣體，此方法是使用一種N-羥烷基-2-哌嗪酮或一種它的烷基或芳基取代的衍生物的水溶液，作為對SO2的吸收劑。
在從氣流中除去SO2時，用作吸收劑的化合物為下式所示的4-(2-羥烷基)-2-哌嗪酮
式中，R是氫或具有1個或2個碳原子的烷基，R1是氫，具有1-6個碳原子的烷基或芳基或具有6-12個碳原子的芳烷基，和R2是氫、烷基或具有1-6個碳原子的羥烷基或芳基或具有6-12個碳原子的芳烷基。
適合的4-(2-羥烷基)-2-哌嗪酮計有4-(2-羥基乙基)-2-哌嗪酮、4-(2-羥乙基)-1-甲基-2-哌嗪酮、4-(2-羥乙基)-3-甲基-2-哌嗪酮、4-(2-羥乙基)-5-甲基-2-哌嗪酮、3-乙基-4-(2-羥乙基)-2-哌嗪酮、3-乙基-4-(2-羥乙基)-2-哌嗪酮、6-乙基-4-(2-羥乙基)-2-哌嗪酮、4-(2-羥乙基)-5，6-二甲基-2-哌嗪酮、1-乙基-4-(2-羥乙基)-2-哌嗪酮、4-(2-羥乙基)-3-苯基-2-哌嗪酮、1，4-雙(2-羥乙基)-2-哌嗪酮、4-(2-羥丙基)-2-哌嗪酮、4-(2-羥丁基)-2-哌嗪酮、和4-(2-羥丙基)-6-甲基-2-哌嗪酮。
為減少再生時吸收劑隨SO2一起損失，最好是使用高沸點的吸收劑。本發明的化合物，比美國專利4，530，704的為同一目的所使用的N，N′-二烷基-2-哌嗪酮，具有高得多的沸點。例如同在一大氣壓下，N，N′-二甲基-2-哌嗪酮的沸點為241℃，而4-(2-羥乙基)-2-哌嗪酮的沸點為450℃。據認為較高的沸點是由于在加熱期間生成了二聚物，當然在再生步驟中也可能發生。
本發明的化合物是以水溶液的形式使用，其濃度為從0.1摩爾，直到它們在水中的飽和濃度。使用后，吸收劑溶液可以加熱再生，如向溶液中通蒸汽，并循環再在吸收步驟中應用。吸收操作的溫度可以從0-120℃，但最好從5-95℃。
可使用一個大氣壓左右至3個大氣壓的壓力，但最好的和適宜使用的是一個大氣壓。較高的溫度和壓力并非有害，只是可能需要對設備的設計加以改進。
待處理的氣流中SO2的濃度可以在10ppm至45%(體積)的范圍內變化。
本發明所使用的化合物的制備方法是，使適合的2-哌嗪酮或其取代的衍生物與環氧乙烷或2-氧乙醇反應。此制備方法的改進是，使N-羥烷基亞烷基二胺與乙二醛或取代的乙二醛反應。
以下的實施例說明本發明方法的吸收劑的應用。
實施例1將乙二醛的30%水溶液與2[(2-氨乙基)-氨基]乙醇的70%水溶液的反應產物，在100℃溫度和高真空下，在一旋轉蒸發器中濃縮。將所得產物(75%4-(2-羥氧基)-2-哌嗪酮)在真空下蒸餾。將淡黃-褐色液體餾分溶于1-丙醇中，并在70℃和最終壓力＜5mmHg下，蒸餾以除去水-丙醇共沸物。將產物溶于乙腈溶液中。然后冷卻至4℃使其沉淀，過濾和最后從丙醇中結晶，得到白色產物(熔點59.5-60℃，沸點450℃)。毛細氣相色譜分析表明此白色晶體是純度為99+%的4-(2-羥乙基)-2-哌嗪酮。
實施例2用實施例1制備的4-(2-羥乙基)-2-哌嗪酮(HEP)的10%(重量)水溶液，作為吸收和再生二氧化硫的選擇性溶劑來進行評價。為了證明4-(2-羥氧基)-2-哌嗪酮是能夠再循環使用的，在整個三次循環中均用相同的HEP的水溶液來從合成氣混合物中吸收SO2，然后再進行再生。所用的試驗程序即美國專利4，530，704所描述的。合成氣混合物的組成為大約77%的氮氣、20%的二氧化碳和3%的二氧化硫。將合成氣混合物在30-35℃以4.9ml/min的速率送入十泡罩Oldershaw吸收塔的底部。將吸收劑的水溶液以5ml/min的速率送入吸收塔的頂部。表Ⅰ列出了在三次循環期間，10%(重量)HEP水溶液的吸收塔操作條件、合成氣混合物的具體組成和離開吸收塔的氣體組成的分析結果。在全部三次循環中，HEP從氣流中均吸收了接近100%的SO2。
將HEP水溶液預熱到75-78℃，然后通過汽提塔。在1mmHg的壓力下，將吸收劑的水溶液以4ml/min的速率送入塔的頂部。在塔頂和塔底的液體溫度是98℃或99℃。帶有一些水蒸汽的經汽提的SO2在頂部流出。貧化的吸收劑在汽提塔底部流出。表Ⅱ列出了HEP的汽提塔的操作條件、進塔的SO2重量百分比和在塔底與吸收劑一同流出的SO2重量百分比，以及三次循環汽提出的SO2百分比。此外，在整個3次循環試驗中，HEP溶液仍然保持其吸收與再生效率。
實施例3在100℃下將20%(重量)乙二醛水溶液在3小時內逐滴加入30%(重量)的2-[(2-氨乙基)氨基]乙醇的水溶液中。用活性炭(NORITA)處理此反應混合物的熱溶液，過濾并真空抽提。毛細氣相色譜分析表明，此金黃色產物是純度為90%的4-(2-羥乙基)-2-哌嗪酮。
實施例4用實施例3制備的HEP的10%(重量)水溶液，作為吸收和再生二氧化硫的選擇性溶劑來進行評價。為了證明HEP是能夠再循環使用的，在四次循環中均用相同的HEP水溶液來從合成氣混合物中吸收SO2然后再進行再生。合成氣混合物的組成和吸收塔與汽提系統的操作條件基本與實施例2所使用的相同。表Ⅲ列出了HEP水溶液的吸收塔的操作條件、合成氣混合物具體組成和離開吸收塔的氣體組成的分析結果。在全部四次循環中，HEP從氣流中吸收了接近100%的SO2。
表Ⅳ列出了含有HEP的汽提塔的操作條件、進塔的SO2重量百分比和四次循環汽提出的SO2百分比。被HEP吸收的SO2有74-78%被汽提出。在整個四次循環中，HEP溶液仍保持其吸收與再生效率。
比較實例A用N，N′-二甲基-2-哌嗪酮(NNDP)的10%(重量)水溶液，作為吸收和再生二氧化硫的選擇性溶劑來進行評價。合成氣混合物的組成和吸收塔與汽提塔的操作條件、實際上與實施例2和4使用的相同。表Ⅴ列出了NNDP水溶液的吸收塔的操作條件、合成氣混合物的具體組成和離開塔的氣體組成的分析結果。NNDP從合成氣流中吸收了100%的SO2。
表Ⅵ列出了NNDP汽提塔的操作條件、進塔的SO2重量百分比和出塔的SO2重量百分比。被NNDP溶液吸收的SO2，僅有60%被汽提出來。
權利要求
1.從氣流中除去二氧化硫的方法，此方法包括將所述氣流與一種吸收所述二氧化硫的吸收劑水溶液接觸，然后加熱解吸和回收所述的二氧化硫，所述方法的特征在于，使用具有下式的化合物作吸收劑
式中R是氫或具有1個或2個碳原子的烷基，R1是氫、具有1-6個碳原子的烷基或芳基或具有6-12個碳原子的芳烷基，和R2是氫、烷基或具有1-6個碳原子的羥烷基或芳基或具有6-12個碳原子的芳烷基。
2.根據權利要求1的方法，其中所述的R2烷基是甲基或乙基。
3.根據權利要求1的方法，其中所述的R2羥烷基是羥乙基。
4.根據權利要求1的方法，其中至少一個R1是一個烷基。
5.根據權利要求4的方法，其中R1烷基是甲基或乙基。
6.根據權利要求1的方法，其中吸收劑化合物水溶液的濃度至少約0.1摩爾。
7.根據權利要求1的方法，其中從氣流中吸收SO2是在0-120℃的溫度下進行的。
8.根據權利要求7的方法，其中從氣流中吸收SO2是在5-95℃的溫度下進行的。
9.根據權利要求1的方法，其中氣流中SO4J<，2>的濃度是占氣體的10ppm-45%(體積)。
10.根據權利要求1的方法，其中所述的吸收劑是4-(2-羥乙基)-2-哌嗪酮。
全文摘要
從含SO
文檔編號B01D53/14GK1035780SQ8810605
公開日1989年9月27日 申請日期1988年8月13日 優先權日1987年8月13日
發明者杜安·S·特雷比格, 詹姆斯·L·波特, 馬克·B·瓊斯, 約翰·M·莫茨 申請人:唐化學原料公司