Aminrening av gas från svavelväte: princip, effektiva alternativ och anläggningsscheman

I naturgas som utvinns från fält för leverans till konsumenten via ledningar finns svavelhaltiga föreningar i olika proportioner. Om man inte blir av med dem kommer aggressiva ämnen att förstöra rörledningen och göra armaturen oanvändbar. Dessutom frigörs toxiner vid förbränning av den förorenade naturgasen.

För att undvika negativa konsekvenser utförs aminrening av gas från svavelväte. Detta är det enklaste och billigaste sättet att separera skadliga komponenter från det brännbara fossilet. Vi kommer att berätta hur separationen av svavelhaltiga inneslutningar går till, hur reningsanläggningen är uppbyggd och fungerar.

Syftet med rening av det fossila bränslet

Gas är det mest populära bränslet. Det lockar med ett maximalt överkomligt pris och minimal skada på miljön. Till de obestridbara fördelarna hör enkelheten i att styra förbränningsprocessen och möjligheten att säkra alla steg i bränsleförädlingen vid produktion av termisk energi.

Men det naturliga gasformiga fossilet utvinns inte i ren form, eftersom organiska föreningar pumpas upp samtidigt som gasen från brunnen. Den vanligaste av dem är svavelväte, vars halt varierar från tiondels procent till tio eller fler procent beroende på fyndigheten.

Svavelväte är giftigt, miljöfarligt och skadligt för de katalysatorer som används vid gasbearbetning. Som vi redan har påpekat är denna organiska förening extremt aggressiv mot stålrör och metallavstängningsventiler.

Naturligtvis, genom att orsaka korrosion i privata system och huvudgasledningen, leder svavelväte till läckage av det blå bränslet och därmed mycket negativa, riskfyllda situationer. För att skydda konsumenten avlägsnas hälsoskadliga föreningar från gasbränslet redan innan det levereras till huvudledningen.

Enligt normerna får svavelväteföreningar i gas som transporteras i rör inte överstiga 0,02 g/m³. I verkligheten kan de vara betydligt mer. För att uppnå det värde som regleras av GOST 5542-2014 krävs rening.

Befintliga metoder för att separera svavelväte

Förutom svavelväte, som dominerar bland andra föroreningar, kan det blå bränslet innehålla andra skadliga föreningar. Man kan hitta koldioxid, lätta merkaptaner och kolsyra. Men svavelväte kommer alltid att dominera.

Det bör noteras att en viss liten mängd svavelföreningar i renad gasformigt bränsle är acceptabelt. Den specifika toleransen beror på syftet med gasen. Till exempel, för produktion av etylenoxid måste den totala halten svavelföroreningar vara mindre än 0,0001 mg/m³.

Metoden för rening väljs baserat på önskat resultat.

Alla nuvarande metoder är indelade i två grupper:

• Sorptionsmetoder. De innebär att svavelväteföreningar absorberas av ett fast (adsorption) eller flytande (absorption) reagens, varefter svavel eller dess derivat utvinns. Därefter omhändertas eller bearbetas de skadliga föroreningar som separerats från gasen.
• Katalytiska metoder. De består i oxidation eller reduktion av svavelväte med omvandling till elementärt svavel. Processen sker i närvaro av katalysatorer – ämnen som stimulerar den kemiska reaktionens förlopp.

Adsorption innebär att svavelväte samlas upp genom koncentration på ytan av ett fast ämne. Oftast används granulära material baserade på aktivt kol eller järnoxid i adsorptionsprocessen. Kornens karakteristiskt stora specifika yta bidrar till maximal retention av svavelmolekyler.

Alla metoder för rening av naturgas delas in i sorptions- och katalytiska metoder. Rengöringsutrustningen är inriktad på en specifik tekniks funktionsprincip. Det finns dock anläggningar där flera metoder kombineras, vilket möjliggör en omfattande rening.

Absorptionstekniken kännetecknas av att gasformiga svavelväteföroreningar löses i en aktiv vätska. Som ett resultat övergår gasföroreningarna till vätskefasen. Därefter avlägsnas de separerade skadliga komponenterna genom avdunstning, annars desorption, på så sätt elimineras de från reaktionsvätskan.

Trots att adsorptionstekniken tillhör 'torra processer' och möjliggör finrening av naturgas, används absorption oftare för att avlägsna föroreningar från naturgas. Insamling och avlägsnande av svavelväteföreningar med flytida absorbenter är mer fördelaktigt och ändamålsenligt.

Den mest populära typen av adsorbator är aktivt kol, som används i form av kapslar eller granuler. Varje elements yta “absorberar” svavelväte och andra organiska föroreningar.

Absorptionsmetoderna som används vid gasrening indelas i följande tre grupper:

• Kemiska metoder. De utförs med hjälp av lösningsmedel som fritt reagerar med sura svavelväteföroreningar. Bland kemiska sorbenter har etanolaminer eller alkanolaminer högst absorptionsförmåga.
• Fysikaliska metoder. De utförs genom fysikalisk upplösning av gasformigt svavelväte i en flytande absorbent. Ju högre partialtryck den gasformiga föroreningen har, desto snabbare sker upplösningsprocessen. Som absorbent används här metanol, propylenkarbonat m.fl.
• Kombinerade. I blandad variant av svavelväteutvinning används båda teknologierna. Huvudarbetet utförs genom absorption, och finrening görs med adsorbenter.

Under ett halvt sekel har den mest efterfrågade och populära teknologin för att avskilja och avlägsna svavelväte och kolsyra från naturligt bränsle varit kemisk gasrening med hjälp av aminsorbent, använt i form av vattenlösning.

Sorptionstekniker för rening av naturligt bränsle bygger på förmågan hos fasta och flytande ämnen att reagera med svavelväte och andra organiska föroreningar, och därigenom avskilja dem från gassammansättningen.

Aminteknologin passar bättre för behandling av stora gasvolymer, eftersom:

• Ingen brist. Reagenser kan alltid köpas i den volym som krävs för reningen.
• Acceptabel absorptionsförmåga. Aminer kännetecknas av hög absorptionskapacitet. Av alla använda ämnen är det bara de som kan avlägsna 99,9% av svavelvätet från gasen.
• Prioriterade egenskaper. Vattenbaserda aminlösningar utmärker sig med maximalt acceptabel viskositet, ångdensitet, termisk och kemisk stabilitet, låg värmekapacitet. Deras egenskaper ger bästa möjliga förlopp för absorptionsprocessen.
• Ingen toxicitet hos reaktiva ämnen. Detta är en viktig argument som övertygar om att använda just amintekniken.
• Selektivitet. En egenskap som är nödvändig vid selektiv absorption. Den möjliggör sekventiell genomförande av nödvändiga reaktioner i den ordning som krävs för optimalt resultat.

Till etanolaminer som används vid kemisk rening av gas från svavelväte och koldioxid hör monoetanolamin (MEA), dietanolamin (DEA), trietanolamin (TEA). Ämnen med prefixen mono- och di- avlägsnar både H₂S och CO₂ från gasen. Men det tredje alternativet hjälper endast att avlägsna svavelväte.

Vid selektiv rening av blåbränsle används metyldietanolamin (MDEA), diglykolamin (DGA), diisopropanolamin (DIPA). Selektiva absorbenter används huvudsakligen utomlands.

Naturligtvis finns det inga idealiska absorbenter som uppfyller alla krav vid rening innan leverans till systemet för gasuppvärmning och försörjning av annan utrustning. Varje lösningsmedel har vissa fördelar tillsammans med nackdelar. Vid val av reaktivt ämne bestämmer man helt enkelt det mest lämpliga från de föreslagna.

Funktionsprincip för en typisk anläggning

Monoetanolaminlösningen har den högsta absorptionsförmågan för H₂S. Men detta reagens har ett par betydande nackdelar. Det har ett ganska högt tryck och kan under drift av gasreningsanläggningen med amin bilda irreversibla föreningar med karbonylsulfid.

Den första nackdelen elimineras genom tvättning, varvid aminångorna delvis absorberas. Den andra är sällsynt vid behandling av fältgaser.

Koncentrationen av vattenlösningen av monoetanolamin väljs empiriskt. Baserat på genomförda studier fastställs den för rening av gas från en specifik fyndighet. Vid val av reagensets procentuella halt beaktas dess förmåga att motstå svavelvätets aggressiva inverkan på systemets metallkomponenter.

Standardhalten av det absorberande ämnet ligger vanligtvis i intervallet 15 till 20%. Men det är inte ovanligt att koncentrationen höjs till 30% eller sänks till 10% beroende på vilken reningsgrad som krävs. Det vill säga i vilket syfte gasen ska användas – för uppvärmning eller för tillverkning av polymerföreningar.

Det bör noteras att vid en ökning av koncentrationen av aminföreningar minskar svavelvätets korrosiva egenskaper. Men man måste ta hänsyn till att reagensförbrukningen i så fall ökar, vilket leder till en högre kostnad för den renade kommersiella gasen.

Huvudenheten i reningsanläggningen är en absorbator av tallriks- eller packningstyp. Det är en vertikalt orienterad apparat som till det yttre påminner om ett provrör, med packning eller tallrikar inuti. I dess nedre del finns ett inlopp för tillförsel av den orenade gasblandningen, och i toppen ett utlopp till skrubbern.

Om den rengjorda gasen i anläggningen är under tillräckligt tryck för att reagenset ska kunna passera till värmeväxlaren och sedan till stripperkolonnen, sker processen utan pumpens hjälp. Om trycket är för lågt för processflödet, stimuleras utflödet av pumpteknik.

Gasflödet efter att ha passerat genom inloppsseparatorn pressas in i den nedre delen av absorbatorn. Därefter passerar det genom skivor eller fyllkroppar placerade i mitten av höljet, där förorenande partiklar avsätter sig. Fyllkropparna, helt våta med aminlösning, är åtskilda av galler för jämn fördelning av reagenset.

Därefter leds den rengjorda naturgasen till en skrubber. Denna anordning kan anslutas i bearbetningsschemat efter absorbatorn eller placeras i dess övre del.

Den använda lösningen rinner ned längs absorbatorns väggar och leds till stripperkolonnen – en desorber med kokare. Där renas lösningen från de absorberade föroreningarna med ångor som avges vid kokning av vatten, för att sedan återvända till anläggningen.

Den regenererade, dvs. befriade från svavelväteföreningar, lösningen rinner över till värmeväxlaren. I den kyls vätskan ned medan den överför värme till nästa portion av förorenad lösning, varefter den pumpas av en pump till en kylare för fullständig kylning och kondensation av ånga.

Den kylda absorberande lösningen matas åter in i absorbatorn. På så sätt cirkulerar reagenset i anläggningen. Dess ångor kyls också och renas från sura föroreningar, varefter de fyller på reagensförrådet.

Oftast används scheman med monoetanolamin och dietanolamin vid gasrening. Dessa reagens gör det möjligt att extrahera inte bara svavelväte utan även koldioxid från naturgasens sammansättning.

Om det är nödvändigt att samtidigt avlägsna CO₂ och H₂S från den behandlade gasen, utförs en tvåstegsrening. Den består av att använda två lösningar med olika koncentrationer. Detta alternativ är mer ekonomiskt än enstegsrening.

Först renas det gasformiga bränslet med en stark blandning med 25–35 % reagens. Därefter behandlas gasen med en svag vattenlösning som bara innehåller 5–12 % aktiv substans. Resultatet blir både grov- och finrening med minimal lösningsförbrukning och rimlig användning av den avgivna värmen.

Fyra alternativ för rening med alkanolaminer

Alkanolaminer eller aminoalkoholer är ämnen som inte bara innehåller en amingrupp utan även en hydroxylgrupp.

Utformningen av anläggningar och tekniker för rening av naturgas med alkanolaminer skiljer sig huvudsakligen i sättet att tillföra det absorberande ämnet. Oftast används fyra grundläggande metoder vid gasrening med denna typ av aminer.

Första metoden. Den innebär att den aktiva lösningen tillförs i ett enda flöde uppifrån. Hela volymen absorbent leds till anläggningens övre skiva. Reningprocessen sker vid en temperatur på högst 40 °C.

Den enklaste rengöringsmetoden innebär att man matar in den aktiva lösningen i en enda ström. Denna metod används när föroreningsmängden i gasen är liten.

Denna metod används vanligtvis vid liten förorening av svavelväteföreningar och koldioxid. Den totala värmeeffekten för att producera produktgas är då i allmänhet låg.

Andra metoden. Detta rengöringsalternativ används vid hög halt av svavelväteföreningar i det gasformiga bränslet.

Reaktiv lösning matas i detta fall i två strömmar. Den första, med en volym på cirka 65–75 % av totalmassan, leds till mitten av anläggningen, den andra levereras uppifrån.

Aminlösningen rinner ner över tallrikarna och möter uppåtgående gasströmmar som trycks in på den nedersta tallriken i absorbatoranläggningen. Innan matningen värms lösningen upp till högst 40 °C, men under växelverkan mellan gasen och aminen stiger temperaturen avsevärt.

För att rengöringseffektiviteten inte ska sjunka på grund av temperaturökningen avleds överskottsvärme tillsammans med den förbrukade lösningen, mättad med svavelväte. Och i toppen av anläggningen kyls strömmen för att avlägsna rester av sura komponenter tillsammans med kondensat.

Den andra och tredje av de beskrivna metoderna förutsätter tillförsel av absorberande lösning i två strömmar. I det första fallet tillförs reaktionsmedlet med samma temperatur, i det andra – med olika temperaturer.

Detta är en ekonomisk metod som minskar förbrukningen av både energi och aktiv lösning. Ingen extra uppvärmning sker i något steg. Tekniskt sett är det en tvåstegsrengöring som ger möjlighet att med minsta förluster förbereda produktgas för leverans till huvudledningen.

Tredje metoden. Innebär tillförsel av absorbent till rengöringsanläggningen i två strömmar med olika temperatur. Metoden används om det förutom svavelväte och koldioxid i rågasen även finns CS₂ och COS.

Huvuddelen av absorbenten, cirka 70–75 %, värms upp till 60–70 °C, medan den återstående delen bara värms till 40 °C. Strömmarna matas in i absorbatorn på samma sätt som i ovan beskrivna fall: uppifrån och i mitten.

Bildandet av en zon med hög temperatur gör det möjligt att snabbt och effektivt avlägsna organiska föroreningar från gasmassan i botten av rengöringskolonnen. Och i toppen fälls koldioxid och svavelväte ut av aminen med standardtemperatur.

Fjärde metoden. Denna teknik föreskriver tillförsel av vattenhaltig aminlösning i två flöden med olika regenereringsgrad. Det ena levereras i obehandlat skick, med innehåll av svavelväteföreningar, det andra – utan dem.

Det första flödet kan inte kallas helt förorenat. Det innehåller endast delvis sura komponenter, eftersom en del av dem avlägsnas under kylning till +50°/+60°C i värmeväxlaren. Denna lösningsström tas från den nedre packningen i desorbern, kyls och leds till mitten av kolonnen.

Vid betydande halt av svavelväte- och koldioxidkomponenter i det gasformiga bränslet utförs reningen med två flöden av lösning med olika regenereringsgrad.

Djuprening genomgår endast den del av lösningen som pumpas in i anläggningens övre sektor. Temperaturen i detta flöde överstiger vanligtvis inte 50°C. Här utförs finrening av det gasformiga bränslet. Denna metod gör det möjligt att minska kostnaderna med minst 10 % genom att minska ångförbrukningen.

Det är klart att reningsmetoden väljs utifrån förekomsten av organiska föroreningar och ekonomisk lönsamhet. I vilket fall som helst gör teknikens mångfald det möjligt att hitta det optimala alternativet. I samma anläggning för amingasbehandling kan reningsgraden varieras, vilket ger blått bränsle med de egenskaper som krävs för drift av gaspannor, spisar och värmare.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Följande video introducerar specifikationerna för att extrahera svavelväte från tillhörande gas som utvinns tillsammans med olja från en oljekälla:

En video visar anläggningen för rening av blått bränsle från svavelväte med produktion av elementärt svavel för vidare bearbetning:

Författaren till denna video berättar om hur man blir av med svavelväte i biogas i hemmamiljö:

Valet av rening av gas är först och främst inriktat på att lösa en specifik uppgift. Utövaren har två vägar: att följa ett beprövat schema eller att föredra något nytt. Men den främsta riktlinjen bör ändå vara ekonomisk lönsamhet samtidigt som kvaliteten bibehålls och erforderlig bearbetningsgrad uppnås.