Amiiniga gaasi puhastamine vesiniksulfiidist: põhimõte, tõhusad variandid ja seadmete skeemid

Maardlatest ammutatud maagaasis, mis tarnitakse tarbijale magistraaltorustike kaudu, sisaldub erinevates vahekordades väävliühendeid. Kui neist ei vabaneda, hävitavad agressiivsed ained torustiku ja muudavad liitmikud kasutuskõlbmatuks. Lisaks eralduvad saastunud sinise kütuse põlemisel toksiinid.

Negatiivsete tagajärgede vältimiseks teostatakse amiiniga gaasi puhastamine vesiniksulfiidist. See on lihtsaim ja odavaim viis kahjulike komponentide eraldamiseks põlevast fossiilist. Me räägime, kuidas toimub väävliühendite separatsiooniprotsess, kuidas puhastusseade on ehitatud ja töötab.

Põleva fossiili puhastamise eesmärk

Gaas on kõige populaarsem kütuseliik. See meelitab maksimaalselt soodsa hinna ja kõige väiksema keskkonnakahjuga. Vaieldamatute plusside hulka kuuluvad põlemisprotsessi juhtimise lihtsus ja võimalus tagada kütuse töötlemise kõikide etappide ohutus soojusenergia saamisel.

Kuid looduslikku gaasilist fossiili kaevandatakse mitte puhtal kujul, sest samaaegselt gaasi kaevandamisega puurkaevust pumbatakse välja kaasnevad orgaanilised ühendid. Kõige levinum neist on vesiniksulfiid, mille sisaldus varieerub kümnendikest protsentidest kuni kümne või enama protsendini olenevalt maardlast.

Vesiniksulfiid on mürgine, keskkonnale ohtlik, kahjulik gaasitöötlemisel kasutatavatele katalüsaatoritele. Nagu me juba märkisime, on see orgaaniline ühend äärmiselt agressiivne terastorude ja metallist sulgarmatuuri suhtes.

Loomulikult põhjustab vesiniksulfiid korrosiooniga eraviisilist süsteemi ja magistraalgaasitorustikku söövitades sinise kütuse lekkeid ning sellega seotud äärmiselt negatiivseid ja riskantseid olukordi. Tarbija kaitsmiseks eemaldatakse tervisele kahjulikud ühendid gaaskütuse koostisest juba enne selle magistraali tarnimist.

Normide kohaselt ei tohi torudes transporditavas gaasis vesiniksulfiidiühendeid olla rohkem kui 0,02 g/m³. Tegelikkuses on neid aga sageli oluliselt rohkem. GOST 5542-2014 poolt reguleeritud väärtuse saavutamiseks on vajalik puhastus.

Olemasolevad meetodid vesiniksulfiidi eraldamiseks

Lisaks teiste lisandite seas domineerivale vesiniksulfiidile võib sinine kütus sisaldada ka teisi kahjulikke ühendeid. Seal võib leida süsihappegaasi, kergeid merkaptaane ja süsinikoksiidsulfiidi. Kuid otseselt vesiniksulfiid domineerib alati.

Tasub märkida, et puhastatud gaaskütuses on teatud väike väävliühendite sisaldus lubatud. Konkreetne lubatud kogus sõltub gaasi tootmise eesmärkidest. Näiteks etüleenoksiidi tootmiseks peab väävli lisandite üldsisaldus olema väiksem kui 0,0001 mg/m³.

Puhastuse läbiviimise meetod valitakse lähtudes nõutavast tulemusest.

Kõik praegu olemasolevad meetodid jagunevad kahte rühma:

• Sorptsioonilised. Need seisnevad vesiniksulfiidi ühendite neelamises tahke (adsorptsioon) või vedela (absorptsioon) reagendi abil, millele järgneb väävli või selle derivaatide eraldamine. Seejärel kasutatakse gaasist eraldatud kahjulikud lisandid ära või töödeldakse need ümber.
• Katalüütilised. Need seisnevad vesiniksulfiidi oksüdeerimises või redutseerimises, muutes selle elementaarseks väävliks. Protsess viiakse läbi katalüsaatorite – ainete, mis stimuleerivad keemilise reaktsiooni kulgu – juuresolekul.

Adsorptsioon hõlmab vesiniksulfiidi kogumist, kontsentreerides selle tahke aine pinnale. Kõige sagedamini kasutatakse adsorptsiooniprotsessis aktiivsöel või raudoksiidil põhinevaid teralisi materjale. Teradele iseloomulik suur eripind soodustab väävlimolekulide maksimaalset kinnipidamist.

Kõik sinise kütuse puhastusmeetodid jagunevad sorptsioonilisteks ja katalüütilisteks. Puhastusseadmed on orienteeritud konkreetse tehnoloogia tööpõhimõttele. Siiski on olemas seadmeid, milles on ühendatud mitu meetodit, võimaldades teostada komplekspuhastust.

Absorptsioonitehnoloogia erineb selle poolest, et gaasilised vesiniksulfiidi lisandid lahustuvad aktiivses vedelas aines. Selle tulemusel lähevad gaasilised saasteained üle vedelasse faasi. Seejärel eemaldatakse eraldatud kahjulikud komponendid väljaaurutamise teel, teisisõnu desorptsiooniga, nii eemaldatakse need reaktiivvedelikust.

Vaatamata sellele, et adsorptsioonitehnoloogia kuulub "kuivade protsesside" hulka ja võimaldab teostada sinise kütuse peenpuhastust, kasutatakse maagaasist saasteainete eemaldamisel sagedamini absorptsiooni. Vesiniksulfiidi ühendite kogumine ja eemaldamine vedelaid absorbereid kasutades on soodsam ja otstarbekam.

Kõige populaarsem adsorberi liik on aktiivsüsi, mida kasutatakse kapslite või teradena. Iga elemendi pind “imab” endasse vesiniksulfiidi ja muid orgaanilisi lisandeid.

Gaasi puhastamisel kasutatavad absorptsioonimeetodid jagunevad järgmisteks kolmeks rühmaks:

• Keemilised. Neid teostatakse lahustitega, mis reageerivad vabalt vesiniksulfiidi happeliste saasteainetega. Suurima neelamisvõimega keemiliste sorbentide hulgas on etanoolamiinid või alkanoolamiinid.
• Füüsikalised. Neid teostatakse gaasilise vesiniksulfiidi füüsikalise lahustamise teel vedelas absorbeerijas. Mida kõrgem on gaasilise saasteaine osarõhk, seda kiiremini toimub lahustumisprotsess. Siin kasutatakse absorbeerijana metanooli, propüleenkarbonaati jne.
• Kombineeritud. Segatud väävelvesiniku eraldamise meetodis kasutatakse mõlemat tehnoloogiat. Põhitöö teostatakse absorptsiooniga, peenpuhastus aga adsorbentidega.

Pool sajandit on kõige nõutum ja populaarsem tehnoloogia väävelvesiniku ja süsihappe eraldamiseks looduslikust kütusest keemiline gaasipuhastus amiinsorbendiga, mida kasutatakse vesilahusena.

Loodusliku kütuse sorptsioonilised puhastusmeetodid põhinevad tahkete ja vedelate ainete võimel reageerida väävelvesiniku ja muude orgaaniliste lisanditega, eraldades need seeläbi gaasi koostisest.

Amiinitehnoloogia sobib paremini suurte gaasikoguste töötlemiseks, sest:

• Puuduse puudumine. Reagente saab alati osta puhastamiseks vajalikus koguses.
• Vastuvõetav neelduvus. Amiinidel on kõrge neelduvusvõime. Kõigist kasutatavatest ainetest suudavad ainult need eemaldada gaasist 99,9% väävelvesinikust.
• Prioriteetsed omadused. Vesised amiini lahused eristuvad maksimaalselt vastuvõetava viskoossuse, aurutiheduse, termilise ja keemilise stabiilsuse ning madala soojusmahutavuse poolest. Nende omadused tagavad absorptsiooniprotsessi parima kulgemise.
• Reaktiivainete mittetoksilisus. See on oluline argument, mis veenab kasutama just amiini meetodit.
• Selektiivsus. Omadus, mis on vajalik selektiivse absorptsiooni läbiviimisel. See võimaldab vajalikke reaktsioone läbi viia järjestikku optimaalse tulemuse saavutamiseks vajalikus järjekorras.

Etanoolamiinide hulka, mida kasutatakse keemilistes gaasipuhastusmeetodites väävelvesiniku ja süsihappe eemaldamiseks, kuuluvad monoetanoolamiinid (MEA), dietanoolamiinid (DEA) ja trietanoolamiinid (TEA). Mono- ja di- eesliitega ained eemaldavad gaasist nii H₂S kui ka CO₂. Kolmas variant aitab eemaldada ainult väävelvesinikku.

Selektiivse puhastamise läbiviimisel kasutatakse metüül dietanoolamiine (MDEA), diglükoolamiine (DGA) ja diisopropanoolamiine (DIPA). Selektiivseid adsorbente kasutatakse peamiselt välismaal.

Loomulikult pole veel olemas ideaalseid adsorbente, mis vastaksid kõigile nõuetele enne gaasiküttesüsteemi ja muude seadmete varustamist. Igal lahustil on plusside kõrval ka miinuseid. Reaktiivaine valimisel lihtsalt määratakse pakutud seast sobivaim.

Tüüpilise seadme tööpõhimõte

Monoetanoolamiini lahust iseloomustab maksimaalne H₂S neeldumisvõime. Sellel reagendil on siiski mõned olulised puudused. Sellel on üsna kõrge rõhk ja võime tekitada gaasi amiini puhastusüksuse töö ajal pöördumatuid ühendeid karbonüülsulfiidiga.

Esimene puudus kõrvaldatakse pesemise teel, mille tulemusel imenduvad amiiniaurud osaliselt. Teine – esineb harva tootmisgaaside töötlemise käigus.

Monoetanoolamiini vesilahuse kontsentratsioon valitakse katseliselt; läbiviidud uuringute põhjal võetakse see vastu kindlast maardlast pärit gaasi puhastamiseks. Reagendi protsentuaalse sisalduse valikul arvestatakse selle võimet seista vastu vesiniksulfiidi agressiivsele mõjule süsteemi metallkomponentidele.

Neelduva aine standardne sisaldus on tavaliselt vahemikus 15 kuni 20%. Siiski juhtub sageli, et kontsentratsiooni suurendatakse 30%-ni või vähendatakse 10%-ni sõltuvalt sellest, kui kõrge peab puhastusaste olema. See tähendab, mis eesmärgil – kütmisel või polümeerühendite tootmisel – gaasi kasutatakse.

Märkigem, et amiini ühendite kontsentratsiooni suurendamisel väheneb vesiniksulfiidi korrosioonioht. Kuid tuleb arvestada, et sel juhul suureneb reagendi kulu. Seega tõuseb puhastatud kaubagaasi hind.

Puhastusseadme peamiseks agregaadiks on taldrik- või täidistüüpi absorber. See on vertikaalselt orienteeritud, väliselt katseklaasi meenutav aparaat, mille sees on paigutatud täidised või taldrikud. Selle alumises osas on sissepääs puhastamata gaasisegu tarnimiseks, ülaosas – väljund skruuberisse.

Kui puhastatav gaas seadmes on rõhu all, mis on piisav reagendi liikumiseks soojusvahetisse ja seejärel destilleerimiskolonni, toimub protsess ilma pumba abita. Kui rõhk on protsessi kulgemiseks liiga väike, stimuleerib väljavoolu pumbatehnika.

Gaasivool pärast sisendseparaatorit surutakse absorbeerija alumisse ossa. Seejärel läbib see keskmises osas asuvad taldrikud või düüsid, millele settivad saasteained. Täielikult amiini lahusega niisutatud düüsid on üksteisest eraldatud restidega, et reagenti ühtlaselt jaotada.

Seejärel suunatakse saasteainetest puhastatud sinine kütus skraberisse. See seade võib olla ühendatud töötlemisskeemis absorbeerija järel või paikneda selle ülemises osas.

Kasutatud lahus voolab mööda absorbeerija seinu allapoole ja suunatakse destilleerimiskolonni – keetmiskollektoriga desorberisse. Seal puhastatakse lahus neeldunud saasteainetest vee keetmisel eralduvate aurudega, et see saaks seadmesse tagasi pöörduda.

Regenereeritud, st väävelvesinikuühenditest vabastatud lahus voolab soojusvahetisse. Selles jahtub vedelik soojuse ülekandmisel järgmisele saastunud lahuse portsjonile, seejärel surutakse pumbaga külmikusse, et saavutada täielik jahtumine ja auru kondenseerimine.

Jahtunud neeldumislahus suunatakse uuesti absorbeerijasse. Nii tsirkuleerib reagent seadmes. Selle aurud samuti jahtuvad ja puhastatakse happelistest lisanditest, seejärel täiendavad reagendi varu.

Kõige sagedamini kasutatakse gaasi puhastamisel skeeme monoetanoolamiini ja dietanoolamiiniga. Need reagendid võimaldavad sinisest kütusest välja eraldada mitte ainult väävelvesinikku, vaid ka süsihappegaasi.

Kui on vaja töödeldavast gaasist samaaegselt eemaldada CO₂ ja H₂S, teostatakse kaheastmeline puhastus. See seisneb kahe erineva kontsentratsiooniga lahuse kasutamises. See variant on ökonoomsem kui üheastmeline puhastus.

Esiteks puhastatakse gaasiline kütus tugeva koostisega, mis sisaldab reagenti 25–35%. Seejärel töödeldakse gaasi nõrga vesilahusega, milles aktiivset ainet on vaid 5–12%. Lõpuks teostatakse nii jäme kui ka peen puhastus minimaalse lahuse kuluga ja eralduva soojuse mõistliku rakendamisega.

Neli varianti puhastamiseks alkonoolamiinidega

Alkonoolamiinid või aminospirdid on ained, mis sisaldavad mitte ainult amiini rühma, vaid ka hüdroksüülrühma.

Maagaasi puhastamise seadmete ja tehnoloogiate ülesehitus alkonoolamiinidega erineb peamiselt neeldumisaine sisseandmise viisi poolest. Kõige sagedamini kasutatakse seda tüüpi amiinidega gaasi puhastamisel nelja põhilist meetodit.

Esimene meetod. See näeb ette aktiivse lahuse etteandmist ühe vooluna ülevalt. Kogu absorbeerija maht suunatakse seadme ülemisele taldrikule. Puhastusprotsess toimub temperatuuri taustal, mis ei ületa 40ºC.

Lihtsaim puhastusmeetod hõlmab aktiivse lahuse ühe vooluga etteandmist. Seda meetodit kasutatakse, kui gaasis on vähesel määral lisandeid.

Seda meetodit kasutatakse tavaliselt vesiniksulfiidiühendite ja süsihappegaasi vähese saastatuse korral. Tootmisgaasi saamise kogu soojusefekt on seejuures tavaliselt madal.

Teine meetod. Seda puhastusvarianti kasutatakse, kui gaasilises kütuses on kõrge vesiniksulfiidiühendite sisaldus.

Reaktiivlahust antakse sel juhul ette kahe vooluna. Esimene, mahuga umbes 65-75% kogumassist, suunatakse seadme keskele, teine tarnitakse ülalt.

Amiinilahus voolab alla mööda plaate ja kohtub tõusvate gaasivooludega, mis surutakse absorptsiooniseadme alumisele plaadile. Enne etteandmist soojendatakse lahust mitte üle 40 °C, kuid gaasi ja amiini vastasmõju käigus tõuseb temperatuur märkimisväärselt.

Et temperatuuri tõusu tõttu ei langeks puhastuse efektiivsus, juhitakse liigne soojus ära koos vesiniksulfiidiga küllastunud töödeldud lahusega. Seadme ülaosas jahutatakse voolu eesmärgiga eraldada happeliste komponentide jäägid koos kondensaadiga.

Teine ja kolmas kirjeldatud meetoditest näeb ette absorbeeriva lahuse etteandmist kahe vooluga. Esimesel juhul antakse reaktiiv ette ühe temperatuuriga, teisel juhul – erinevaga.

See on ökonoomne meetod, mis võimaldab vähendada nii energia kui ka aktiivse lahuse kulu. Täiendavat soojendamist ei teostata ühelgi etapil. Tehnoloogiliselt on see kahetasandiline puhastus, mis võimaldab kõige väiksemate kadudega valmistada tootmisgaasi magistraali suunamiseks.

Kolmas meetod. See eeldab absorbeerija tarnimist puhastusseadmesse kahe erineva temperatuuriga vooluna. Meetodit kasutatakse, kui toorgaasis on lisaks vesiniksulfiidile ja süsihappegaasile veel CS₂ ja COS.

Valdav osa absorbeerijast, umbes 70-75%, soojendatakse 60-70 °C-ni, ülejäänud osa ainult 40 °C-ni. Voolud suunatakse absorbeerijasse samamoodi nagu eelnevalt kirjeldatud juhul: ülalt ja keskele.

Kõrge temperatuuriga tsooni moodustamine võimaldab kiiresti ja kvaliteetselt eraldada orgaanilisi saasteaineid gaasimassist puhastuskolonni allosas. Ülalosas sadestuvad süsihappegaas ja vesiniksulfiid standardtemperatuuriga amiini abil.

Neljas meetod. See tehnoloogia näeb ette amiini vesilahuse söötmist kahe vooluga, millel on erinev regeneratsiooniaste. See tähendab, et üks tarnitakse puhastamata kujul, sisaldades vesiniksulfiidi lisandeid, teine – ilma nendeta.

Esimest voolu ei saa nimetada täiesti saastunuks. See sisaldab ainult osaliselt happelisi komponente, sest osa neist eemaldatakse jahutamise käigus kuni +50º/+60ºC soojusvahetis. See lahuse vool võetakse desorberi alumiselt otsikult, jahutatakse ja suunatakse kolonni keskossa.

Kui gaasilises kütuses on märkimisväärne kogus vesiniksulfiidi ja süsihappegaasi komponente, tehakse puhastust kahe erineva regeneratsiooniastmega lahuse vooluga.

Põhjalikku puhastust läbib ainult see lahuse osa, mida surutakse seadme ülemisse sektorisse. Selle voolu temperatuur ei ületa tavaliselt 50ºC. Siin toimub gaasilise kütuse peenpuhastus. See skeem võimaldab vähendada kulusid vähemalt 10 % võrra tänu auru tarbimise vähendamisele.

On selge, et puhastusmeetod valitakse lähtudes orgaaniliste saasteainete olemasolust ja majanduslikust otstarbekusest. Igal juhul võimaldab tehnoloogiate mitmekesisus valida optimaalse variandi. Samal amiingaasitöötlusseadmel saab puhastusastet varieerida, saades sinikütust vajalike omadustega gaasikatelde, pliitide ja küttekehade tööks.

Järeldused ja kasulik video teemal

Järgmine video tutvustab vesiniksulfiidi ekstraheerimise eripära naftaga koos toodetavast kaasnevast gaasist naftapuurkaevu abil:

Video tutvustab sinikütuse puhastusseadet vesiniksulfiidist, mille käigus saadakse elementaarne väävel edasiseks töötlemiseks:

Selle video autor räägib, kuidas kodus biogaasist vesiniksulfiidi eemaldada:

Gaasi puhastusmeetodi valik lähtub eelkõige konkreetse ülesande lahendamisest. Tegijal on kaks teed: järgida proovitud skeemi või eelistada midagi uut. Peamiseks suuniseks peaks siiski olema majanduslik otstarbekus, säilitades kvaliteedi ja saavutades vajaliku töötlusastme.