Amine-ontzwaveling van aardgas: principe, effectieve varianten en schema's van installaties

In natuurlijk gas dat uit velden wordt gewonnen en via hoofdleidingen aan de consument wordt geleverd, bevinden zich in verschillende verhoudingen zwavelverbindingen. Als deze niet worden verwijderd, zullen agressieve stoffen de pijpleiding vernielen en de appendages onbruikbaar maken. Bovendien komen bij verbranding van verontreinigde blauwe brandstof toxines vrij.

Om negatieve gevolgen te voorkomen, wordt amine-ontzwaveling van het gas toegepast. Dit is de eenvoudigste en goedkoopste methode om schadelijke componenten van het brandbare delfstof te scheiden. Wij zullen uitleggen hoe het scheidingsproces van zwavelhoudende bestanddelen verloopt, hoe de reinigingsinstallatie is opgebouwd en werkt.

Doel van de reiniging van het brandbare delfstof

Gas is de populairste brandstof. Het trekt aan door de uiterst betaalbare prijs en de minste schade aan het milieu. Onbetwiste voordelen zijn het eenvoudig beheren van het verbrandingsproces en de mogelijkheid om alle fasen van de brandstofverwerking tijdens het verkrijgen van thermische energie veilig te maken.

Echter wordt het natuurlijke gasvormige delfstof niet in zuivere vorm gewonnen, omdat tegelijkertijd met het winnen van het gas uit de put ook begeleidende organische verbindingen worden meegepompt. De meest voorkomende is waterstofsulfide, waarvan het gehalte varieert van tienden van procenten tot tien procent of meer, afhankelijk van het veld.

Waterstofsulfide is giftig, gevaarlijk voor het milieu, schadelijk voor katalysatoren die in de gasverwerking worden gebruikt. Zoals we al hebben opgemerkt, is deze organische verbinding buitengewoon agressief voor stalen leidingen en metalen afsluiters.

Uiteraard leidt waterstofsulfide, door corrosie van het privésysteem en de hoofdgaspijpleiding aan te tasten, tot lekkages van blauwe brandstof en daaraan verbonden uiterst negatieve, risicovolle situaties. Om de consument te beschermen, worden schadelijke verbindingen uit het gasvormige brandstof verwijderd, nog voordat het in de hoofdleiding wordt geleverd.

Volgens de normen mag de hoeveelheid waterstofsulfide in het via leidingen getransporteerde gas niet meer zijn dan 0,02 g/m³. In werkelijkheid is het echter vaak aanzienlijk meer. Om de door GOST 5542-2014 voorgeschreven waarde te bereiken, is reiniging vereist.

Bestaande methoden voor het verwijderen van waterstofsulfide

Naast de overheersende waterstofsulfide ten opzichte van andere onzuiverheden, kunnen er in blauwe brandstof ook andere schadelijke verbindingen voorkomen. Men kan daarin kooldioxide, lichte mercaptanen en zwaveloxide aantreffen. Maar waterstofsulfide zal altijd overheersen.

Het is vermeldenswaard dat een klein gehalte aan zwavelverbindingen in gereinigd gasvormig brandstof toelaatbaar is. Het exacte toegestane getal hangt af van de doeleinden waarvoor het gas wordt gewonnen. Bijvoorbeeld voor de productie van ethyleenoxide moet het totale gehalte aan zwavelonzuiverheden minder dan 0,0001 mg/m³ zijn.

De methode voor het uitvoeren van de reiniging wordt gekozen op basis van het vereiste resultaat.

Alle bestaande methoden zijn onderverdeeld in twee groepen:

• Sorptieve. Deze bestaan uit de opname van waterstofsulfideverbindingen door een vast (adsorptie) of vloeibaar (absorptie) reagens, gevolgd door de afscheiding van zwavel of de derivaten ervan. De uit het gas verwijderde schadelijke stoffen worden vervolgens afgevoerd of verwerkt.
• Katalytische. Ze bestaan uit de oxidatie of reductie van waterstofsulfide, waarbij het wordt omgezet in elementaire zwavel. Het proces wordt uitgevoerd in aanwezigheid van katalysatoren – stoffen die het verloop van de chemische reactie stimuleren.

Adsorptie houdt in dat waterstofsulfide wordt verzameld door concentratie op het oppervlak van een vaste stof. Meestal worden bij het adsorptieproces korrelige materialen op basis van actieve kool of ijzeroxide gebruikt. Het voor de korrels kenmerkende grote specifieke oppervlak draagt bij aan een maximale retentie van zwavelmoleculen.

Alle reinigingsmethoden van blauwe brandstof zijn onderverdeeld in sorptieve en katalytische methoden. De reinigingsapparatuur is gericht op het werkingsprincipe van een bepaalde technologie. Er zijn echter installaties waarin meerdere methoden worden gecombineerd, waardoor complexe reiniging wordt uitgevoerd.

De absorptietechnologie onderscheidt zich doordat de gasvormige waterstofsulfideverontreinigingen worden opgelost in een actieve vloeibare stof. Als gevolg hiervan gaan de gasvormige verontreinigingen over in de vloeibare fase. Vervolgens worden de verwijderde schadelijke componenten verwijderd door uitdamping, ook wel desorptie genoemd, op deze manier worden ze uit de reactieve vloeistof verwijderd.

Ondanks dat de adsorptietechnologie tot de 'droge processen' behoort en een fijne reiniging van blauwe brandstof mogelijk maakt, wordt bij het verwijderen van verontreinigingen uit aardgas vaker absorptie toegepast. Het verzamelen en verwijderen van waterstofsulfideverbindingen met vloeibare absorptiemiddelen is voordeliger en doelmatiger.

De populairste soort adsorber is actieve kool, gebruikt in de vorm van capsules of korrels. Het oppervlak van elk element “absorbeert” waterstofsulfide en andere organische insluitsels.

De absorptiemethoden die worden gebruikt bij gasreiniging, zijn onderverdeeld in de volgende drie groepen:

• Chemische. Ze worden uitgevoerd met behulp van oplosmiddelen die gemakkelijk reageren met zure waterstofsulfideverontreinigingen. De hoogste absorberende capaciteit onder chemische sorptiemiddelen hebben ethanolamines of alkanolamines.
• Fysische. Ze worden uitgevoerd door fysieke oplossing van gasvormig waterstofsulfide in een vloeibare absorbeerder. Hoe hoger de partiële druk van de gasvormige verontreiniging, hoe sneller het oplossingsproces verloopt. Als absorbeerder worden hier methanol, propyleencarbonaat en andere gebruikt.
• Gecombineerd. In de gemengde variant van de extractie van waterstofsulfide worden beide technologieën ingezet. Het hoofdwerk wordt verricht door absorptie, en de fijne nareiniging wordt uitgevoerd door adsorbentia.

Al een halve eeuw lang is de meest gevraagde en populaire technologie voor het afscheiden en verwijderen van waterstofsulfide en koolzuur uit natuurlijke brandstof de chemische gasreiniging met behulp van een amine-sorbens, gebruikt in de vorm van een waterige oplossing.

Sorptiemethoden voor de reiniging van natuurlijke brandstof zijn gebaseerd op het vermogen van vaste en vloeibare stoffen om te reageren met waterstofsulfide en andere organische onzuiverheden, waardoor deze uit de gassamenstelling worden verwijderd.

De amintechnologie is meer geschikt voor de verwerking van grote volumes gas, omdat:

• Geen tekort. De reagentia kunnen altijd worden aangeschaft in de benodigde hoeveelheid voor de reiniging.
• Aanvaardbare absorptiecapaciteit. Aminen worden gekenmerkt door een hoog absorberend vermogen. Van alle gebruikte stoffen kunnen alleen zij 99,9% van het waterstofsulfide uit het gas verwijderen.
• Prioritaire kenmerken. Waterige amine-oplossingen onderscheiden zich door een maximaal aanvaardbare viscositeit, dampdichtheid, thermische en chemische stabiliteit, lage warmtecapaciteit. Hun kenmerken zorgen voor het beste verloop van het absorptieproces.
• Afwezigheid van toxiciteit van reactieve stoffen. Dit is een belangrijk argument dat overtuigt om juist de amintechniek toe te passen.
• Selectiviteit. Een kwaliteit die nodig is bij het uitvoeren van selectieve absorptie. Het zorgt voor de mogelijkheid om de benodigde reacties in de vereiste volgorde voor een optimaal resultaat uit te voeren.

Tot de ethanolaminen die worden gebruikt bij de uitvoering van chemische methoden voor gasreiniging van waterstofsulfide en kooldioxide behoren mono-ethanolaminen (MEA), di-ethanolaminen (DEA), tri-ethanolaminen (TEA). Bovendien verwijderen stoffen met de voorvoegsels mono- en di zowel H₂S als CO₂ uit het gas. Maar de derde variant helpt alleen waterstofsulfide te verwijderen.

Bij het uitvoeren van selectieve reiniging van blauwe brandstof worden methyldi-ethanolaminen (MDEA), diglycolaminen (DGA), di-isopropanolaminen (DIPA) gebruikt. Selectieve absorbentia worden voornamelijk in het buitenland gebruikt.

Uiteraard bestaan er nog geen ideale absorptiemiddelen die aan alle eisen voor zuivering voldoen voordat ze worden geleverd aan het gasverwarmingssysteem en de bevoorrading van overige apparatuur. Elk oplosmiddel heeft bepaalde voor- en nadelen. Bij het kiezen van een reagens wordt simpelweg de meest geschikte uit een reeks voorgestelde gekozen.

Werkingsprincipe van een typische installatie

De maximale absorptiecapaciteit voor H₂S wordt gekenmerkt door een mono-ethanolamine-oplossing. Dit reagens heeft echter een paar belangrijke nadelen. Het heeft een vrij hoge dampdruk en de eigenschap om tijdens de werking van de amine-gasreinigingsinstallatie onomkeerbare verbindingen met koolstofoxysulfide te vormen.

Het eerste nadeel wordt verholpen door wassing, waarbij de aminedampen gedeeltelijk worden geabsorbeerd. Het tweede komt zelden voor tijdens de verwerking van productiegassen.

De concentratie van de waterige mono-ethanolamine-oplossing wordt proefondervindelijk gekozen; op basis van uitgevoerde onderzoeken wordt deze vastgesteld voor de reiniging van gas uit een specifiek veld. Bij het kiezen van het percentage reagens wordt rekening gehouden met het vermogen om de agressieve werking van waterstofsulfide op metalen componenten van het systeem te weerstaan.

Het standaardgehalte van de absorberende stof ligt meestal tussen 15 en 20%. Het komt echter vaak voor dat de concentratie wordt verhoogd tot 30% of verlaagd tot 10%, afhankelijk van hoe hoog de mate van reiniging moet zijn. Dat wil zeggen, voor welk doel, in verwarming of in de productie van polymere verbindingen, het gas zal worden gebruikt.

Merk op dat bij het verhogen van de concentratie van amineverbindingen de corrosieve werking van waterstofsulfide afneemt. Maar men moet er rekening mee houden dat in dit geval het verbruik van reagens toeneemt. Bijgevolg stijgen de kosten van het gereinigde commerciële gas.

Het hoofdmachines van de reinigingsinstallatie is een absorber van het schotel- of vullichtmateriaal-type. Dit is een verticaal georiënteerd apparaat, dat uiterlijk op een reageerbuis lijkt, met inwendige vulpakkingen of schotels. Aan de onderkant bevindt zich een inlaat voor de aanvoer van ongereinigd gasmengsel, bovenaan een uitlaat naar de scrubber.

Als het te zuiveren gas in de installatie onder voldoende druk staat om het reagens naar de warmtewisselaar en vervolgens naar de strippende kolom te laten gaan, verloopt het proces zonder pomp. Als de druk te laag is voor de stroom van het proces, wordt de uitstroom gestimuleerd door pomptechniek.

De gasstroom wordt na het passeren van de inlaatscheider in het onderste gedeelte van de absorber geperst. Vervolgens gaat deze door de in het midden van de behuizing geplaatste schotels of pakkingen, waarop verontreinigende deeltjes bezinken. De pakkingen, volledig bevochtigd met amine-oplossing, worden van elkaar gescheiden door roosters voor een gelijkmatige verdeling van het reagens.

Vervolgens wordt de van verontreinigingen gezuiverde blauwe brandstof naar een scrubber gestuurd. Dit apparaat kan worden aangesloten in de verwerkingsschakeling na de absorber of in het bovenste gedeelte ervan worden geplaatst.

De gebruikte oplossing stroomt langs de wanden van de absorber naar beneden en wordt naar een strippende kolom geleid – een desorber met een reboiler. Daar wordt de oplossing gereinigd van de geabsorbeerde verontreinigingen door dampen die vrijkomen bij het koken van water, om terug te keren naar de installatie.

De geregenereerde oplossing, d.w.z. ontdaan van waterstofsulfideverbindingen, stroomt naar de warmtewisselaar. Daarin wordt de vloeistof gekoeld tijdens het overdragen van warmte aan de volgende portie verontreinigde oplossing, waarna deze door een pomp in een koeler wordt geperst voor volledige koeling en condensatie van damp.

De gekoelde absorberende oplossing wordt opnieuw naar de absorber gevoerd. Zo circuleert het reagens door de installatie. De dampen ervan worden ook gekoeld en gereinigd van zure onzuiverheden, waarna ze de voorraad reagens aanvullen.

Meestal worden in de gaszuivering schema's met mono-ethanolamine en di-ethanolamine gebruikt. Deze reagentia maken het mogelijk om uit de blauwe brandstof niet alleen waterstofsulfide, maar ook koolzuur (kooldioxide) te winnen.

Als gelijktijdige verwijdering van CO₂ en H₂S uit het verwerkte gas nodig is, wordt een tweetrapsreiniging uitgevoerd. Deze bestaat uit het gebruik van twee oplossingen die verschillen in concentratie. Deze optie is zuiniger dan een eentrapsreiniging.

Eerst wordt het gasvormige brandstof gereinigd met een sterke samenstelling met een reagensgehalte van 25-35%. Vervolgens wordt het gas behandeld met een zwakke waterige oplossing waarin slechts 5-12% actieve stof zit. Uiteindelijk wordt zowel grove als fijne reiniging uitgevoerd met een minimaal verbruik van de oplossing en een verstandig gebruik van de vrijkomende warmte.

Vier varianten van reiniging met alkanolaminen

Alkanolamines of aminoalcoholen zijn stoffen die niet alleen een aminegroep, maar ook een hydroxylgroep bevatten.

De opzet van installaties en technologieën voor de zuivering van aardgas met alkanolamines verschillen voornamelijk in de manier waarop het absorberende middel wordt toegevoerd. Meestal worden bij gaszuivering met dit type aminen vier belangrijke methoden gebruikt.

Eerste methode. Voorziet in het toevoeren van de actieve oplossing in één stroom van bovenaf. Het gehele volume absorptiemiddel wordt naar de bovenste schotel van de installatie geleid. Het reinigingsproces vindt plaats bij een temperatuur van niet hoger dan 40°C.

De eenvoudigste reinigingsmethode omvat het in één stroom toevoeren van de actieve oplossing. Deze methode wordt toegepast wanneer de onzuiverheden in het gas gering zijn.

Deze methode wordt gewoonlijk gebruikt bij geringe verontreiniging door waterstofsulfideverbindingen en kooldioxide. Het totale thermische effect voor het verkrijgen van handelsgas is daarbij doorgaans laag.

Tweede methode. Deze reinigingsvariant wordt toegepast bij een hoog gehalte aan waterstofsulfideverbindingen in gasvormige brandstof.

De reactieve oplossing wordt in dit geval in twee stromen toegevoerd. De eerste, met een volume van ongeveer 65-75% van de totale massa, wordt naar het midden van de installatie geleid, de tweede wordt van bovenaf aangevoerd.

De amine-oplossing stroomt naar beneden over de schotels en komt de opstijgende gasstromen tegen, die op de onderste schotel van de absorptie-installatie worden geblazen. Voor toevoer wordt de oplossing tot maximaal 40°C verwarmd, maar tijdens de interactie van het gas met het amine stijgt de temperatuur aanzienlijk.

Om te voorkomen dat de reinigingsefficiëntie afneemt door de temperatuurstijging, wordt de overtollige warmte afgevoerd samen met de afgewerkte oplossing die verzadigd is met waterstofsulfide. Bovenin de installatie wordt de stroom gekoeld om de resten van zure bestanddelen samen met het condensaat te extraheren.

De tweede en derde van de beschreven methoden bepalen de toevoer van de absorberende oplossing in twee stromen. In het eerste geval wordt het reagens bij één temperatuur toegevoerd, in het tweede bij een andere.

Dit is een economische methode die zowel het energieverbruik als het verbruik van actieve oplossing vermindert. Er wordt in geen enkel stadium extra verwarming toegepast. Technologisch gezien is het een tweefasenreiniging die de mogelijkheid biedt om met de minste verliezen het handelsgas voor te bereiden voor toevoer naar de pijpleiding.

Derde methode. Het betreft de aanvoer van het absorbens naar de reinigingsinstallatie in twee stromen met verschillende temperaturen. De methode wordt toegepast als naast waterstofsulfide en kooldioxide in het ruwe gas ook CS₂ en COS aanwezig zijn.

Het overgrote deel van het absorbens, ongeveer 70-75%, wordt opgewarmd tot 60-70°C, en het resterende deel slechts tot 40°C. De stromen worden op dezelfde manier in de absorber geleid als in het hierboven beschreven geval: van boven en in het midden.

Het vormen van een zone met hoge temperatuur maakt het mogelijk om snel en kwalitatief organische verontreinigingen uit de gasmassa onderin de reinigingskolom te verwijderen. Bovenin worden kooldioxide en waterstofsulfide neergeslagen door amine van standaardtemperatuur.

Vierde methode. Deze technologie vereist de toevoer van een waterige amine-oplossing in twee stromen met verschillende mate van regeneratie. Dat wil zeggen, de ene wordt ongereinigd geleverd, met waterstofsulfide-insluitsels, de andere – zonder.

De eerste stroom kan niet volledig verontreinigd worden genoemd. Het bevat slechts gedeeltelijk zure componenten, omdat een deel ervan wordt verwijderd tijdens het afkoelen tot +50º/+60ºC in de warmtewisselaar. Deze oplossingsstroom wordt van de onderste pakking van de desorber afgenomen, gekoeld en naar het middelste gedeelte van de kolom geleid.

Bij een aanzienlijk gehalte aan waterstofsulfide- en kooldioxidecomponenten in gasvormige brandstof wordt de zuivering uitgevoerd met twee stromen oplossing met een verschillende regeneratiegraad.

Alleen het deel van de oplossing dat in het bovenste gedeelte van de installatie wordt geïnjecteerd, ondergaat een diepe zuivering. De temperatuur van deze stroom is gewoonlijk niet hoger dan 50ºC. Hier wordt een fijne reiniging van gasvormige brandstof uitgevoerd. Dit schema maakt het mogelijk om de kosten met ten minste 10% te verminderen door een lager stoomverbruik.

Het is duidelijk dat de zuiveringsmethode wordt gekozen op basis van de aanwezigheid van organische verontreinigingen en economische haalbaarheid. In ieder geval maakt de verscheidenheid aan technologieën het mogelijk om de optimale optie te kiezen. Op dezelfde aminegasbehandelingsinstallatie kan de zuiveringsgraad worden gevarieerd, waardoor blauwe brandstof wordt verkregen met de vereiste eigenschappen voor het functioneren van gasketels, fornuizen en verwarmers.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

De volgende video maakt u vertrouwd met de specifieke kenmerken van het winnen van waterstofsulfide uit begeleidend gas dat samen met olie uit een oliebron wordt gewonnen:

Een video toont de installatie voor het reinigen van blauwe brandstof van waterstofsulfide met het verkrijgen van elementaire zwavel voor verdere verwerking:

Over hoe u thuis biogas van waterstofsulfide kunt ontdoen, vertelt de auteur van deze video:

De keuze van de gaszuiveringsmethode is in de eerste plaats gericht op het oplossen van een specifieke taak. De uitvoerder heeft twee wegen: een beproefd schema volgen of iets nieuws kiezen. De belangrijkste leidraad moet echter de economische haalbaarheid zijn, met behoud van kwaliteit en het verkrijgen van de vereiste bewerkingsgraad.