Aminsko pročišćavanje plina od sumporovodika: princip, učinkovite varijante i sheme postrojenja

U prirodnom plinu, izvađenom iz ležišta za isporuku potrošačima putem magistralnih plinovoda, u različitim omjerima sadržani su sumporni spojevi. Ako ih se ne ukloni, agresivne tvari će uništiti cjevovod i učiniti armaturu neupotrebljivom. Osim toga, izgaranjem onečišćenog plinovitog goriva oslobađaju se toksini.

Kako bi se izbjegle negativne posljedice, provodi se aminsko pročišćavanje plina od sumporovodika. To je najjednostavniji i najjeftiniji način odvajanja štetnih sastojaka od gorivog minerala. Objasnit ćemo kako se odvija proces separacije sumpornih uključaka, kako je uređeno i radi postrojenje za pročišćavanje.

Svrha provođenja pročišćavanja gorivog minerala

Plin je najpopularnija vrsta goriva. Privlači najpovoljnijom cijenom i nanošenjem najmanje štete okolišu. Nepobitne prednosti uključuju jednostavnost upravljanja procesom izgaranja i mogućnost osiguranja svih faza prerade goriva tijekom dobivanja toplinske energije.

Međutim, prirodno plinovito fosilno gorivo ne vadi se u čistom obliku, jer se istodobno s vađenjem plina iz bušotine ispumpavaju prateći organski spojevi. Najčešći među njima je sumporovodik, čiji sadržaj varia od desetinki postotka do deset i više posto, ovisno o ležištu.

Sumporovodik je otrovan, opasan za okoliš, štetan za katalizatore koji se koriste u preradi plina. Kao što smo već napomenuli, ovaj organski spoj izrazito je agresivan prema čeličnim cijevima i metalnoj zapornoj armaturi.

Naravno, nagrizajući korozijom privatni sustav i magistralni plinovod, sumporovodik dovodi do propuštanja plavog goriva i s tim povezanih izrazito negativnih, rizičnih situacija. Kako bi se zaštitio potrošač, štetni spojevi uklanjaju se iz sastava plinovitog goriva još prije isporuke u magistralu.

Prema normativima, sumporovodikovih spojeva u plinu koji se transportira cijevima ne smije biti više od 0,02 g/m³. Međutim, u stvarnosti ih zna biti znatno više. Da bi se postigla vrijednost propisana GOST-om 5542-2014, potrebno je pročišćavanje.

Postojeće metode odvajanja sumporovodika

Osim prevladavajućeg sumporovodika u usporedbi s drugim primjesama, u plavom gorivu mogu se nalaziti i drugi štetni spojevi. U njemu se mogu pronaći ugljični dioksid, laki merkaptani i ugljikov sulfid. No izravno sumporovodik će uvijek prevladavati.

Vrijedi napomenuti, određeni neznatni sadržaj sumpornih spojeva u pročišćenom plinovitom gorivu je dopušten. Konkretna brojka dopuštenja ovisi o svrhama za koje se plin dobiva. Na primjer, za proizvodnju etilen oksida ukupni sadržaj sumpornih primjesa mora biti manji od 0,0001 mg/m³.

Metodu pročišćavanja biraju se na temelju potrebnog rezultata.

Svi postojeći načini dijele se u dvije skupine:

• Sorpcijske. Sastoje se u apsorpciji sumporovodikovih spojeva krutim (adsorpcija) ili tekućim (apsorpcija) reagensom s naknadnim izdvajanjem sumpora ili njegovih derivata. Nakon toga se štetne nečistoće izdvojene iz sastava plina zbrinjavaju ili prerađuju.
• Katalitičke. Sastoje se u oksidaciji ili redukciji sumporovodika uz pretvaranje u elementarni sumpor. Proces se provodi u prisutnosti katalizatora – tvari koje potiču tijek kemijske reakcije.

Adsorpcija podrazumijeva skupljanje sumporovodika koncentriranjem na površini krute tvari. Najčešće se u procesu adsorpcije koriste zrnati materijali na bazi aktivnog ugljena ili željeznog oksida. Karakteristična velika specifična površina zrna doprinosi maksimalnom zadržavanju molekula sumpora.

Sve metode pročišćavanja plavog goriva dijele se na sorpcijske i katalitičke. Oprema koja obavlja čišćenje usmjerena je na načelo rada određene tehnologije. Međutim, postoje postrojenja u kojima je kombinirano nekoliko metoda, čime se postiže kompleksno pročišćavanje.

Tehnologija apsorpcije razlikuje se po tome što se plinovite sumporovodikove nečistoće otapaju u aktivnoj tekućoj tvari. Kao rezultat, plinovita onečišćenja prelaze u tekuću fazu. Zatim se izdvojeni štetni sastojci uklanjaju odparavanjem, inače desorpcijom, čime se uklanjaju iz reaktivne tekućine.

Unatoč tome što adsorpcijska tehnologija spada u 'suhe procese' i omogućuje fino pročišćavanje plavog goriva, u uklanjanju onečišćenja iz prirodnog plina češće se primjenjuje apsorpcija. Skupljanje i uklanjanje sumporovodikovih spojeva primjenom tekućih apsorbenata isplativije je i svrsishodnije.

Najpopularnija vrsta adsorbera je aktivni ugljen koji se primjenjuje u obliku kapsula ili zrna. Površina svakog elementa “upija” sumporovodik i ostale organske sastojke.

Metode apsorpcije koje se koriste u pročišćavanju plina dijele se u sljedeće tri skupine:

• Kemijske. Provode se upotrebom otapala koja slobodno reagiraju s kiselim sumporovodikovim onečišćivačima. Najveću apsorpcijsku sposobnost među kemijskim sorbentima imaju etanolamini ili alkanolamini.
• Fizičke. Provode se fizičkim otapanjem plinovitog sumporovodika u tekućem apsorberu. Što je viši parcijalni tlak plinovitog onečišćivača, to se brže odvija proces otapanja. Kao apsorber ovdje se koriste metanol, propilenkarbonat i dr.
• Kombinirani. U mješovitoj varijanti ekstrakcije sumporovodika uključene su obje tehnologije. Glavni rad se obavlja apsorpcijom, a fina dorada se vrši adsorbentima.

Tijekom pola stoljeća najtraženija i najpopularnija tehnologija izdvajanja i uklanjanja sumporovodika i ugljične kiseline iz prirodnog goriva je kemijsko čišćenje plina pomoću aminskog sorbenta, korištenog u obliku vodene otopine.

Sorpcijske metode čišćenja prirodnog goriva temelje se na sposobnosti krutih i tekućih tvari da reagiraju sa sumporovodikom i drugim organskim nečistoćama, izdvajajući ih na taj način iz sastava plina.

Aminska tehnologija je prikladnija za obradu velikih količina plina jer:

• Bez manjka. Reagensi se uvijek mogu nabaviti u količini potrebnoj za čišćenje.
• Prihvatljiva apsorpcijska moć. Amine karakterizira visoka apsorpcijska sposobnost. Od svih korištenih tvari samo su one sposobne ukloniti iz plina 99,9% sumporovodika.
• Prioritetne karakteristike. Vodene aminske otopine odlikuju se maksimalno prihvatljivom viskoznošću, gustoćom para, toplinskom i kemijskom stabilnošću, niskim toplinskim kapacitetom. Njihove karakteristike osiguravaju najbolji tijek procesa apsorpcije.
• Odsutnost toksičnosti reaktivnih tvari. To je nezanemariv argument koji uvjerava da se pribjegne upravo aminskoj metodi.
• Selektivnost. Kvaliteta potrebna pri provođenju selektivne apsorpcije. Ona osigurava mogućnost uzastopnog provođenja potrebnih reakcija u redoslijedu potrebnom za optimalan rezultat.

Etanolaminima koji se koriste pri izvođenju kemijskih metoda čišćenja plina od sumporovodika i ugljičnog dioksida pripadaju monoetanolamini (MEA), dietanolamini (DEA), trietanolamini (TEA). Pritom tvari s prefiksom mono- i di- uklanjaju iz plina i H₂S i CO₂. A treća varijanta pomaže ukloniti samo sumporovodik.

Pri izvođenju selektivnog čišćenja plavog goriva koriste se metildietanolamini (MDEA), diglikolamini (DGA), diizopropanolamini (DIPA). Selektivni apsorbenti se uglavnom koriste u inozemstvu.

Naravno, idealnih apsorbenata koji zadovoljavaju sve zahtjeve u čišćenju prije isporuke u sustav plinskog grijanja i opskrbe ostale opreme, još uvijek ne postoji. Svako otapalo ima neke prednosti uz nedostatke. Pri odabiru reaktivne tvari jednostavno se određuje najprikladniji iz niza ponuđenih.

Princip rada tipičnog postrojenja

Maksimalnim apsorpcijskim kapacitetom u odnosu na H₂S odlikuje se otopina monoetanolamina. Međutim, ovaj reagens ima nekoliko značajnih nedostataka. Odlikuje se prilično visokim tlakom i sposobnošću da tijekom rada postrojenja za aminsko pročišćavanje plina stvara nepovratne spojeve s karbonil sulfidom.

Prvi se nedostatak uklanja ispiranjem, pri čemu se pare amina djelomično apsorbiraju. Drugi se rijetko javlja tijekom obrade plinova iz ležišta.

Koncentracija vodene otopine monoetanolamina odabire se eksperimentalno; na temelju provedenih istraživanja usvaja se za pročišćavanje plina iz određenog ležišta. Pri odabiru postotnog udjela reagensa uzima se u obzir njegova sposobnost otpornosti na agresivno djelovanje sumporovodika na metalne komponente sustava.

Standardni sadržaj apsorbirajuće tvari obično se nalazi u rasponu od 15 do 20%. Međutim, često se koncentracija povećava na 30% ili smanjuje na 10%, ovisno o tome koliko visok stupanj pročišćavanja treba biti. To jest, s kojom svrhom, u grijanju ili u proizvodnji polimernih spojeva, plin će se koristiti.

Napominjemo da se povećanjem koncentracije spojeva amina smanjuje korozijska mogućnost sumporovodika. Ali treba uzeti u obzir da se u tom slučaju povećava potrošnja reagensa. Posljedično, raste cijena pročišćenog tržišnog plina.

Glavni agregat pročistačkog postrojenja je apsorber pločastog ili punjenog tipa. To je vertikalno orijentiran, izvana nalik epruveti, aparat s unutrašnjim punilima ili pločama. U njegovom donjem dijelu nalazi se ulaz za dovod nepročišćene plinske smjese, a na vrhu izlaz u skruber.

Ako je plin koji se pročišćava u postrojenju pod tlakom dovoljnim za prolaz reagensa u izmjenjivač topline i zatim u desorber, proces se odvija bez sudjelovanja crpke. Ako je tlak premali za tijek procesa, odljev potiče crpna tehnika.

Struja plina nakon prolaska kroz ulazni separator potiskuje se u donji dio apsorbera. Zatim prolazi kroz ploče ili ispune smještene u sredini kućišta, na kojima se talože onečišćujuće primjese. Ispune, potpuno navlažene aminskom otopinom, odvojene su rešetkama radi ravnomjerne raspodjele reagensa.

Dalje se pročišćeno od onečišćenja plavo gorivo usmjerava u skruber. Ovaj uređaj može biti uključen u shemi prerade nakon apsorbera ili smješten u njegovom gornjem dijelu.

Istrošena otopina otječe niz stijenke apsorbera i usmjerava se u desorbcijsku kolonu – desorber s rebojlerom. Tamo se otopina pročišćava od apsorbiranih onečišćenja parama koje se oslobađaju pri vrenju vode, kako bi se vratila natrag u postrojenje.

Regenerirana, tj. oslobođena od sumporovodikovih spojeva, otopina prelazi u izmjenjivač topline. U njemu se tekućina hladi u procesu prijenosa topline sljedećoj porciji onečišćene otopine, nakon čega se crpkom potiskuje u hladnjak radi potpunog hlađenja i kondenzacije pare.

Ohlađena apsorbirajuća otopina ponovno se dovodi u apsorber. Tako reagens cirkulira kroz postrojenje. Njegove pare također se hlade i pročišćavaju od kiselih primjesa, nakon čega nadopunjuju zalihu reagensa.

Najčešće se u pročišćavanju plina koriste sheme s monoetanolaminom i dietanolaminom. Navedeni reagensi omogućuju izdvajanje iz sastava plavog goriva ne samo sumporovodika, već i ugljikova dioksida.

Ako je potrebno istovremeno uklanjanje CO₂ i H₂S iz obrađenog plina, provodi se dvostupanjsko čišćenje. Ono se sastoji od primjene dviju otopina koje se razlikuju po koncentraciji. Ova je varijanta ekonomičnija od jednostupanjskog čišćenja.

Najprije se plinovito gorivo čisti jakim sastavom s udjelom reagensa 25–35 %. Zatim se plin obrađuje slabom vodenom otopinom u kojoj je aktivne tvari samo 5–12 %. U konačnici se provodi i grubo i fino čišćenje uz minimalnu potrošnju otopine i razumnu upotrebu oslobođene topline.

Četiri varijante pročišćavanja alkanolaminima

Alkanolamini ili aminospirti su tvari koje sadrže ne samo aminsku skupinu, već i hidroksilnu skupinu.

Uređaj postrojenja i tehnologije pročišćavanja prirodnog plina alkanolaminima razlikuju se uglavnom po načinu dovoda apsorbirajuće tvari. Najčešće se u čišćenju plina primjenom ove vrste amina koriste četiri osnovne metode.

Prvi način. Predviđa dovod aktivne otopine jednim tokom odozgo. Cjelokupni volumen apsorbensa usmjerava se na gornju ploču postrojenja. Proces čišćenja odvija se pri temperaturi ne višoj od 40 °C.

Najjednostavniji način pročišćavanja podrazumijeva dovod aktivne otopine jednim tokom. Ova se metoda primjenjuje ako je količina nečistoća u plinu neznatna.

Ova se metoda obično koristi pri neznatnom onečišćenju sumporovodikovim spojevima i ugljičnim dioksidom. Ukupni toplinski učinak za dobivanje komercijalnog plina pritom je u pravilu nizak.

Drugi način. Ova se varijanta pročišćavanja primjenjuje pri visokom sadržaju sumporovodikovih spojeva u plinovitom gorivu.

Reaktivna otopina se u ovom slučaju dovodi u dva toka. Prvi, obujma približno 65-75% ukupne mase, usmjerava se u sredinu postrojenja, a drugi se isporučuje odozgo.

Aminska otopina otječe niz ploče i susreće se s uzlaznim plinskim tokovima koji se tlače na donju ploču apsorpcijskog postrojenja. Prije dovoda otopina se zagrijava na najviše 40°C, ali tijekom interakcije plina s aminom temperatura se znatno podiže.

Kako zbog porasta temperature ne bi opala učinkovitost čišćenja, višak topline se odvodi zajedno s otpadnom otopinom zasićenom sumporovodikom. A na vrhu postrojenja provodi se hlađenje toka radi izdvajanja ostataka kiselih sastojaka zajedno s kondenzatom.

Drugi i treći od opisanih načina predodređuju dovod apsorpcijske otopine u dva toka. U prvom slučaju reaktant se dovodi na istoj temperaturi, u drugom – na različitoj.

To je ekonomičan način koji omogućuje smanjenje potrošnje i energije i aktivne otopine. Dodatno zagrijavanje ne provodi se ni u jednoj fazi. Po tehnološkoj suštini radi se o dvorazinskom pročišćavanju koje pruža mogućnost da se s najmanjim gubicima pripremi komercijalni plin za dovod u magistralni plinovod.

Treći način. Podrazumijeva isporuku apsorbensa u pročišćavajuće postrojenje u dva toka različite temperature. Metoda se primjenjuje ako osim sumporovodika i ugljičnog dioksida u sirovom plinu postoje još i CS₂ i COS.

Pretežni dio apsorbensa, otprilike 70-75%, zagrijava se na 60-70°C, a preostali udio samo na 40°C. Tokovi se dovode u apsorber jednako kao u gore opisanom slučaju: odozgo i u sredinu.

Formiranje zone s visokom temperaturom omogućuje brzo i kvalitetno izdvajanje organskih onečišćenja iz plinske mase na dnu pročišćavajuće kolone. A na vrhu se ugljični dioksid i sumporovodik talože aminom standardne temperature.

Četvrti način. Ova tehnologija predviđa dovod vodene otopine amina u dvije struje s različitim stupnjem regeneracije. To jest, jedna se isporučuje u nepročišćenom obliku, sa sadržajem sumporovodikovih nečistoća, a druga – bez njih.

Prva struja ne može se nazvati potpuno zagađenom. Ona samo djelomično sadrži kisele komponente, jer se dio njih uklanja tijekom hlađenja na +50º/+60ºS u izmjenjivaču topline. Ova struja otopine uzima se s donjeg pakiranja desorbera, hladi se i usmjerava u srednji dio kolone.

Kod značajnog sadržaja sumporovodikovih i ugljičnih komponenti u plinovitom gorivu, pročišćavanje se provodi dvjema strujama otopine s različitim stupnjem regeneracije

Dubinsko pročišćavanje prolazi samo onaj dio otopine koji se ubrizgava u gornji sektor postrojenja. Temperatura ove struje obično ne prelazi 50ºS. Ovdje se obavlja fino pročišćavanje plinovitog goriva. Ova shema omogućuje smanjenje troškova za najmanje 10% zahvaljujući smanjenju potrošnje pare.

Jasno je da se način pročišćavanja odabire na temelju prisutnosti organskih onečišćenja i ekonomske isplativosti. U svakom slučaju, raznolikost tehnologija omogućuje odabir optimalne varijante. Na istoj jedinici za obradu plina aminom može se mijenjati stupanj pročišćavanja, dobivajući plavo gorivo s karakteristikama potrebnim za rad plinskih kotlova, štednjaka i grijača.

Zaključci i koristan video na temu

O specifičnostima izdvajanja sumporovodika iz pratećeg plina, koji se dobiva zajedno s naftom iz naftne bušotine, upoznat će vas sljedeći video:

Postrojenje za pročišćavanje plavog goriva od sumporovodika uz dobivanje elementarnog sumpora za daljnju obradu predstavit će video:

O tome kako u kućnim uvjetima osloboditi bioplin od sumporovodika, ispričat će vam autor ovog videozapisa:

Odabir načina pročišćavanja plina prije svega se usmjerava na rješavanje određenog zadatka. Izvođač ima dva puta: slijediti provjerenu shemu ili dati prednost nečemu novom. Ipak, glavni orijentir treba biti ekonomska isplativost uz očuvanje kvalitete i postizanje potrebnog stupnja obrade.