Purificarea gazelor de hidrogen sulfurat cu amine: principiul, variante eficiente și scheme ale instalațiilor

În gazele naturale extrase din zăcăminte pentru a fi livrate consumatorului prin conducte, sunt prezente în proporții diferite compuși sulfuroși. Dacă nu se elimină, substanțele agresive vor distruge conducta, vor face armăturile inutilizabile. În plus, la arderea combustibilului albastru poluat se eliberează toxine.

Pentru a evita consecințele negative, se efectuează purificarea gazelor de hidrogen sulfurat cu amine. Aceasta este cea mai simplă și ieftină metodă de separare a componentelor nocive de combustibilul fosil util. Vom explica cum decurge procesul de separare a incluziunilor sulfuroase, cum este proiectată și funcționează instalația de purificare.

Scopul efectuării purificării combustibilului fosil

Gazul este cel mai popular tip de combustibil. Atrage prin prețul maxim accesibil și prin provocarea celui mai mic prejudiciu asupra mediului. Printre avantajele incontestabile se numără simplitatea gestionării procesului de ardere și posibilitatea de a asigura securitatea tuturor etapelor de prelucrare a combustibilului în vederea obținerii energiei termice.

Cu toate acestea, combustibilul fosil gazos natural nu este extras în stare pură, deoarece odată cu extragerea gazului din sondă se pompează și compuși organici asociați. Cel mai răspândit dintre aceștia este hidrogenul sulfurat, al cărui conținut variază de la zecimi de procent până la zece procente sau mai mult, în funcție de zăcământ.

Hidrogenul sulfurat este toxic, periculos pentru mediu, dăunător pentru catalizatorii utilizați în prelucrarea gazelor. După cum am menționat deja, acest compus organic este extrem de agresiv față de țevile din oțel și fitingurile metalice de închidere.

În mod natural, corodând sistemul privat și conducta principală de gaz, hidrogenul sulfurat duce la scurgeri de gaz natural și la situații extrem de negative și riscante asociate cu acest fapt. Pentru a proteja consumatorul, compușii nocivi pentru sănătate sunt eliminați din componența combustibilului gazos chiar înainte de livrarea acestuia în conducta principală.

Conform normativelor, conținutul de compuși ai hidrogenului sulfurat în gazul transportat prin conducte nu poate depăși 0,02 g/m³. Cu toate acestea, în realitate, acesta este adesea mult mai mare. Pentru a atinge valoarea reglementată de GOST 5542-2014, este necesară purificarea.

Metodele existente de separare a hidrogenului sulfurat

Pe lângă hidrogenul sulfurat, care predomină în raport cu alte impurități, în combustibilul gazos pot fi prezente și alți compuși nocivi. În acesta se pot găsi dioxid de carbon, mercaptani ușori și oxisulfură de carbon. Dar direct hidrogenul sulfurat va predomina întotdeauna.

Merită menționat că un conținut nesemnificativ de compuși sulfuroși în combustibilul gazos purificat este admisibil. Cifra exactă a toleranței depinde de scopurile pentru care se extrage gazul. De exemplu, pentru producerea oxidului de etilenă, conținutul total de impurități sulfuroase trebuie să fie mai mic de 0,0001 mg/m³.

Metoda de purificare se alege în funcție de rezultatul dorit.

Toate metodele existente în prezent se împart în două grupuri:

• Sorbționale. Constau în absorbirea compușilor de hidrogen sulfurat de către un reactiv solid (adsorbție) sau lichid (absorbție), urmată de separarea sulfului sau a derivaților săi. Apoi, impuritățile nocive separate din compoziția gazului sunt eliminate sau procesate.
• Catalitice. Constau în oxidarea sau reducerea hidrogenului sulfurat, transformându-l în sulf elementar. Procesul se realizează în prezența catalizatorilor – substanțe care stimulează desfășurarea reacției chimice.

Adsorbția presupune colectarea hidrogenului sulfurat prin concentrarea acestuia pe suprafața unei substanțe solide. Cel mai adesea, în procesul de adsorbție sunt implicate materiale granulare pe bază de cărbune activ sau oxid de fier. Suprafața specifică mare caracteristică granulelor contribuie la reținerea maximă a moleculelor de sulf.

Toate metodele de purificare a combustibilului albastru se împart în sorbționale și catalitice. Echipamentul de curățare este orientat către principiul de funcționare a unei anumite tehnologii. Cu toate acestea, există instalații în care sunt combinate mai multe metode, datorită cărora se realizează o purificare complexă.

Tehnologia de absorbție se diferențiază prin faptul că impuritățile gazoase de hidrogen sulfurat se dizolvă într-o substanță lichidă activă. În final, poluanții gazoși trec în faza lichidă. Apoi, componentele nocive separate sunt îndepărtate prin evaporare, altfel spus desorbție, astfel fiind eliminate din lichidul reactiv.

În ciuda faptului că tehnologia de adsorbție aparține „proceselor uscate” și permite o purificare fină a combustibilului albastru, în ceea ce privește eliminarea impurităților din gazele naturale, se utilizează mai des absorbția. Colectarea și eliminarea compușilor de hidrogen sulfurat cu ajutorul absorbanților lichizi este mai avantajoasă și mai oportună.

Cel mai popular tip de adsorber este cărbunele activ, utilizat sub formă de capsule sau granule. Suprafața fiecărui element “absoarbe” hidrogenul sulfurat și alte incluziuni organice.

Metodele de absorbție utilizate în purificarea gazelor se împart în următoarele trei grupuri:

• Chimice. Se realizează cu utilizarea solvenților care reacționează ușor cu poluanții acizi de hidrogen sulfurat. Cea mai mare capacitate de absorbție dintre sorbenții chimici o au etanolaminele sau alcanolaminele.
• Fizice. Se execută prin dizolvarea fizică a hidrogenului sulfurat gazos într-un absorbant lichid. Cu cât presiunea parțială a poluantului gazos este mai mare, cu atât procesul de dizolvare se desfășoară mai rapid. Ca absorbant se utilizează metanol, propilencarbonat etc.
• Combinate. În varianta mixtă de extracție a hidrogenului sulfurat sunt implicate ambele tehnologii. Lucrul principal se realizează prin absorbție, iar epurarea fină se efectuează prin adsorbanți.

Timp de jumătate de secol, cea mai solicitată și populară tehnologie de separare și îndepărtare a hidrogenului sulfurat și a acidului carbonic din combustibilul natural este curățarea chimică a gazului cu ajutorul unui sorbent aminic, utilizat sub formă de soluție apoasă.

Metodele de adsorbție pentru curățarea combustibilului natural se bazează pe capacitatea substanțelor solide și lichide de a intra în reacție cu hidrogenul sulfurat și alte impurități organice, scoțându-le astfel din compoziția gazului.

Tehnologia aminică este mai potrivită pentru prelucrarea unor volume mari de gaz, deoarece:

• Lipsa deficitului. Reactivii pot fi întotdeauna achiziționați în volumul necesar pentru curățare.
• Capacitate de absorbție acceptabilă. Aminele se caracterizează printr-o capacitate mare de absorbție. Dintre toate substanțele utilizate, doar ele sunt capabile să elimine 99,9% din hidrogenul sulfurat din gaz.
• Caracteristici prioritare. Soluțiile apoase de amine se disting prin vâscozitate, densitate a vaporilor, stabilitate termică și chimică maxim acceptabile, capacitate termică scăzută. Caracteristicile lor asigură cel mai bun desfășurare a procesului de absorbție.
• Lipsa toxicității substanțelor reactive. Acesta este un argument important care convinge să se recurgă la metoda aminică.
• Selectivitatea. Calitatea necesară la efectuarea absorbției selective. Aceasta asigură posibilitatea desfășurării consecutive a reacțiilor necesare în ordinea cerută pentru un rezultat optim.

La etanolaminele utilizate în cadrul metodelor chimice de curățare a gazelor de hidrogen sulfurat și dioxid de carbon se numără monoetanolaminele (MEA), dietanolaminele (DEA), trietanolaminele (TEA). Mai mult, substanțele cu prefixele mono- și di- elimină din gaz atât H₂S, cât și CO₂. În schimb, cea de-a treia variantă ajută la îndepărtarea doar a hidrogenului sulfurat.

La efectuarea curățării selective a combustibilului albastru se utilizează metildietanolaminele (MDEA), diglicolaminele (DGA), diizopropanolaminele (DIPA). Adsorbanții selectivi sunt utilizați în principal în străinătate.

Desigur, adsorbanți ideali care să îndeplinească toate cerințele de curățare înainte de livrarea în sistemul de încălzire cu gaz și alimentarea altor echipamente nu există încă. Fiecare solvent are unele avantaje, alături de dezavantaje. La alegerea substanței reactive, se determină pur și simplu cea mai potrivită dintr-o serie de opțiuni propuse.

Principiul de funcționare al unei instalații tipice

Soluția de monoetanolamină se caracterizează printr-o capacitate maximă de absorbție a H₂S. Cu toate acestea, acest reactiv are câteva dezavantaje semnificative. Se remarcă printr-o presiune destul de ridicată și capacitatea de a crea compuși ireversibili cu sulfură de carbonil în timpul funcționării instalației de purificare a gazelor cu amine.

Primul dezavantaj este eliminat prin spălare, în urma căreia vaporii de amină sunt parțial absorbiți. Al doilea – se întâlnește rar în timpul prelucrării gazelor de câmp.

Concentrația soluției apoase de monoetanolamină se selectează experimental, pe baza studiilor efectuate se adoptă pentru purificarea gazului dintr-un anumit zăcământ. La alegerea conținutului procentual al reactivului se ia în considerare capacitatea acestuia de a rezista acțiunii agresive a hidrogenului sulfurat asupra componentelor metalice ale sistemului.

Conținutul standard al substanței absorbante se situează de obicei între 15 și 20%. Cu toate acestea, se întâmplă adesea ca concentrația să fie mărită până la 30% sau redusă la 10%, în funcție de cât de ridicat trebuie să fie gradul de purificare. Adică, în ce scop, pentru încălzire sau pentru producerea de compuși polimerici, va fi utilizat gazul.

Remarcăm că, odată cu creșterea concentrației compușilor de amină, scade capacitatea corozivă a hidrogenului sulfurat. Dar trebuie de reținut că, în acest caz, crește consumul de reactiv. În consecință, crește costul gazului comercial purificat.

Unitatea principală a instalației de purificare este absorberul de tip cu talere sau cu umplutură. Este un aparat orientat vertical, care amintește exterior de o eprubetă, cu umpluturi sau talere dispuse în interior. În partea inferioară are o intrare pentru alimentarea cu amestec gazos nepurificat, iar în partea superioară – o ieșire către scrubber.

Dacă gazul purificat din instalație se află sub o presiune suficientă pentru ca reactantul să treacă prin schimbătorul de căldură și apoi în coloana de fracționare, procesul are loc fără participarea pompei. Dacă presiunea este insuficientă pentru desfășurarea procesului, debitul este stimulat de tehnica de pompare.

Fluxul de gaze, după trecerea prin separatorul de admisie, este pompat în partea inferioară a absorbantului. Apoi, acesta trece prin plăcile sau umpluturile situate în mijlocul carcasei, pe care se depun impuritățile poluante. Umpluturile, complet umezite cu soluție de amină, sunt separate între ele prin grătare pentru o distribuție uniformă a reactantului.

Ulterior, combustibilul albastru purificat de impurități este direcționat către scrubber. Acest dispozitiv poate fi conectat în schema de prelucrare după absorbant sau poate fi amplasat în partea superioară a acestuia.

Soluția uzată se scurge în jos pe pereții absorbantului și este direcționată către coloana de fracționare – un desorbitor cu fierbător. Acolo, soluția este purificată de impuritățile absorbite prin vaporii degajați la fierberea apei, pentru a reveni înapoi în instalație.

Soluția regenerată, adică eliberată de compușii de hidrogen sulfurat, se deplasează în schimbătorul de căldură. În acesta, lichidul este răcit prin transferul de căldură către următoarea porție de soluție contaminată, după care este pompat în răcitor pentru o răcire completă și condensarea vaporilor.

Soluția absorbantă răcită este din nou alimentată în absorbant. Astfel, reactantul circulă prin instalație. Vaporii acestuia sunt, de asemenea, răciți și purificați de impuritățile acide, după care completează rezerva de reactant.

Cel mai frecvent, în purificarea gazelor se utilizează scheme cu monoetanolamină și dietanolamină. Reactanții menționați permit extragerea din compoziția combustibilului albastru nu doar a hidrogenului sulfurat, ci și a dioxidului de carbon.

Dacă este necesară îndepărtarea simultană a CO₂ și H₂S din gazul tratat, se efectuează o purificare în două etape. Aceasta constă în utilizarea a două soluții cu concentrații diferite. Această variantă este mai economică decât purificarea într-o singură etapă.

Mai întâi, combustibilul gazos este purificat cu o compoziție puternică, cu un conținut de reactant de 25-35%. Apoi, gazul este tratat cu o soluție apoasă slabă, în care substanța activă este de doar 5-12%. În final, se realizează atât purificarea grosieră, cât și cea fină, cu un consum minim de soluție și o utilizare rațională a căldurii degajate.

Patru variante de purificare cu alcanolamine

Alcanolaminele sau aminoalcoolii sunt substanțe care conțin nu doar o grupă amină, ci și o grupă hidroxil.

Configurația instalațiilor și tehnologia de purificare a gazelor naturale cu alcanolamine diferă în principal prin modul de alimentare a substanței absorbante. Cel mai frecvent, în purificarea gazelor cu acest tip de amine se utilizează patru metode principale.

Prima metodă. Prevede alimentarea soluției active cu un singur flux de sus. Întregul volum de absorbant este direcționat către placa superioară a instalației. Procesul de purificare are loc la o temperatură de cel mult 40 °C.

Cea mai simplă metodă de purificare implică alimentarea cu soluție activă printr-un singur flux. Această metodă se aplică atunci când cantitatea de impurități din gaz este mică.

Această metodă este utilizată de obicei în cazul unei poluări reduse cu compuși de hidrogen sulfurat și dioxid de carbon. Efectul termic total pentru obținerea gazului comercial, în acest caz, este de obicei scăzut.

A doua metodă. Această variantă de purificare se aplică atunci când conținutul de compuși ai hidrogenului sulfurat în combustibilul gazos este ridicat.

Soluția reactivă în acest caz este alimentată în două fluxuri. Primul, cu un volum de aproximativ 65-75% din masa totală, este direcționat spre mijlocul instalației, iar al doilea este furnizat de sus.

Soluția de amină curge în jos pe talere și se întâlnește cu fluxurile de gaz ascendente, care sunt injectate pe talerul inferior al instalației de absorbție. Înainte de alimentare, soluția este încălzită la maximum 40°C, dar în timpul interacțiunii gazului cu amina, temperatura crește semnificativ.

Pentru ca eficiența curățării să nu scadă din cauza creșterii temperaturii, excesul de căldură este eliminat împreună cu soluția uzată, saturată cu hidrogen sulfurat. Iar în partea de sus a instalației, fluxul este răcit pentru a extrage resturile de componente acide împreună cu condensatul.

A doua și a treia dintre metodele descrise presupun alimentarea soluției absorbante în două fluxuri. În primul caz, reactivul este alimentat la aceeași temperatură, iar în al doilea – la temperaturi diferite.

Aceasta este o metodă economică, permițând reducerea consumului atât de energie, cât și de soluție activă. Nu se efectuează încălzire suplimentară în niciun moment. Din punct de vedere tehnologic, este o purificare în două etape, care oferă posibilitatea de a pregăti gazul comercial pentru alimentarea în conductă cu pierderi minime.

A treia metodă. Presupune furnizarea absorbantului în instalația de purificare prin două fluxuri cu temperaturi diferite. Metoda se aplică dacă, pe lângă hidrogenul sulfurat și dioxidul de carbon, în gazul brut mai există și CS₂ și COS.

Partea predominantă a absorbantului, aproximativ 70-75%, este încălzită la 60-70°C, iar restul doar la 40°C. Fluxurile sunt alimentate în absorbant la fel ca în cazul descris mai sus: de sus și în mijloc.

Formarea unei zone cu temperatură ridicată oferă posibilitatea de a extrage rapid și calitativ impuritățile organice din masa gazoasă în partea de jos a coloanei de purificare. Iar în partea de sus, dioxidul de carbon și hidrogenul sulfurat sunt precipitate de amina la temperatura standard.

Al patrulea procedeu. Această tehnologie presupune alimentarea cu soluție apoasă de amină în două fluxuri cu grade diferite de regenerare. Adică unul este furnizat în stare netratată, cu conținut de incluziuni de hidrogen sulfurat, iar cel de-al doilea – fără acestea.

Primul flux nu poate fi numit complet poluat. Acesta conține doar parțial componente acide, deoarece o parte dintre ele sunt eliminate în timpul răcirii la +50º/+60ºC în schimbătorul de căldură. Acest flux de soluție este preluat de pe duza inferioară a desorberului, răcit și direcționat în partea de mijloc a coloanei.

La un conținut semnificativ de componente de hidrogen sulfurat și dioxid de carbon în combustibilul gazos, purificarea se realizează prin două fluxuri de soluție cu grade diferite de regenerare

Purificarea profundă o suferă doar acea parte a soluției care este injectată în sectorul superior al instalației. Temperatura acestui flux, de obicei, nu depășește 50ºC. Aici se efectuează curățarea fină a combustibilului gazos. Această schemă permite reducerea costurilor cu cel puțin 10% datorită reducerii consumului de abur.

Este clar că metoda de purificare se alege în funcție de prezența impurităților organice și de oportunitatea economică. În orice caz, diversitatea tehnologiilor permite alegerea variantei optime. La aceeași instalație de tratare a gazului cu amină se poate varia gradul de purificare, obținându-se combustibil albastru cu caracteristicile necesare pentru funcționarea centralelor pe gaz, plitelor, încălzitoarelor.

Concluzii și material video util pe această temă

Cu specificul extracției hidrogenului sulfurat din gazul asociat, extras împreună cu țițeiul dintr-un puț petrolier, vă va familiariza următorul videoclip:

Instalația de purificare a combustibilului albastru de hidrogen sulfurat cu obținerea de sulf elementar pentru prelucrare ulterioară o va prezenta videoclipul:

Despre cum să eliminați hidrogenul sulfurat din biogaz în condiții casnice, vă va spune autorul acestui videoclip:

Alegerea metodei de purificare a gazului se orientează, în primul rând, către rezolvarea unei sarcini specifice. Executantul are două căi: să urmeze o schemă verificată sau să prefere ceva nou. Cu toate acestea, reperul principal trebuie să fie totuși oportunitatea economică, cu păstrarea calității și obținerea gradului de tratare necesar.