Aminu gāzes attīrīšana no sērūdeņraža: princips, efektīvi varianti un iekārtu shēmas

Dabasgāzē, kas iegūta no atradnēm, lai piegādātu patērētājam pa maģistrālēm, dažādās proporcijās ir sēra savienojumi. Ja no tiem neatbrīvojas, agresīvās vielas iznīcinās cauruļvadu, padarīs armatūru nederīgu. Turklāt, sadedzinot piesārņoto zilo degvielu, izdalās toksīni.

Lai izvairītos no negatīvajām sekām, tiek veikta amīnu gāzes attīrīšana no sērūdeņraža. Tas ir vienkāršākais un lētākais veids, kā atdalīt kaitīgās sastāvdaļas no degošā derīgā izrakteņa. Mēs pastāstīsim, kā notiek sēra ieslēgumu atdalīšanas process, kā ir iekārtota un darbojas attīrīšanas iekārta.

Degvielas derīgā izrakteņa attīrīšanas mērķis

Gāze ir vispopulārākais degvielas veids. Tā piesaista ar maksimāli pieejamu cenu un vismazāko kaitējumu videi. Neapstrīdamās priekšrocībās ietilpst sadegšanas procesa vadības vienkāršība un iespēja padarīt drošus visus degvielas pārstrādes posmus siltumenerģijas iegūšanas laikā.

Tomēr dabasgāzi iegūst ne tīrā veidā, jo vienlaikus ar gāzes izvilkšanu no urbuma tiek atsūknēti blakus esošie organiskie savienojumi. Visizplatītākais no tiem ir sērūdeņradis, kura saturs svārstās no desmitdaļām līdz desmit un vairāk procentiem atkarībā no atradnes.

Sērūdeņradis ir indīgs, bīstams videi, kaitīgs gāzes apstrādē izmantotajiem katalizatoriem. Kā jau esam atzīmējuši, šis organiskais savienojums ir ārkārtīgi agresīvs pret tērauda caurulēm un metāla noslēgarmatūru.

Protams, korodējot privāto sistēmu un maģistrālo gāzesvadu, sērūdeņradis izraisa zilās degvielas noplūdes un ar šo faktu saistītas ārkārtīgi negatīvas, riskantas situācijas. Lai pasargātu patērētāju, veselībai kaitīgie savienojumi tiek izvadīti no gāzveida degvielas sastāva jau pirms tās piegādes maģistrālē.

Saskaņā ar normatīviem sērūdeņraža savienojumu daudzums pa caurulēm transportētajā gāzē nedrīkst pārsniegt 0,02 g/m³. Taču faktiski to bieži ir ievērojami vairāk. Lai sasniegtu GOST 5542-2014 noteikto vērtību, ir nepieciešama attīrīšana.

Esošās sērūdeņraža atdalīšanas metodes

Papildus sērūdeņradim, kas dominē uz citu piemaisījumu fona, zilajā degvielā var būt arī citi kaitīgi savienojumi. Tajā var atrast ogļskābi, vieglos merkaptānus un oglekļa sēroksīdu. Taču tieši sērūdeņradis vienmēr būs dominējošais.

Ir vērts atzīmēt, ka neliels sēra savienojumu saturs attīrītā gāzveida degvielā ir pieļaujams. Konkrētais pielaides skaitlis ir atkarīgs no mērķiem, kādiem gāze tiek iegūta. Piemēram, etilēna oksīda ražošanai kopējam sēra piemaisījumu saturam jābūt mazākam par 0,0001 mg/m³.

Attīrīšanas metodi izvēlas, orientējoties uz nepieciešamo rezultātu.

Visi pašlaik esošie veidi tiek iedalīti divās grupās:

• Sorbcijas. Tās sastāv no sērūdeņraža savienojumu absorbēšanas ar cietu (adsorbcija) vai šķidru (absorbcija) reaģentu, kam seko sēra vai tā atvasinājumu izdalīšana. Pēc tam no gāzes sastāva izdalītās kaitīgās vielas tiek utilizētas vai pārstrādātas.
• Katalītiskie. Tie sastāv no sērūdeņraža oksidēšanas vai reducēšanas, pārvēršot to elementārā sērā. Process tiek realizēts katalizatoru – vielu, kas stimulē ķīmiskās reakcijas norisi – klātbūtnē.

Adsorbcija paredz sērūdeņraža savākšanu, koncentrējot to uz cietās vielas virsmas. Visbiežāk adsorbcijas procesā tiek izmantoti granulēti materiāli uz aktivētās ogles vai dzelzs oksīda bāzes. Graudiem raksturīgā lielā īpatnējā virsma veicina maksimālu sēra molekulu aizturi.

Visas zilās degvielas attīrīšanas metodes iedalās sorbcijas un katalītiskajās. Tīrīšanu veicošais aprīkojums ir orientēts uz noteiktas tehnoloģijas darbības principu. Tomēr ir iekārtas, kurās ir apvienotas vairākas metodes, tādējādi tiek veikta kompleksa attīrīšana.

Absorbcijas tehnoloģija atšķiras ar to, ka gāzveida sērūdeņraža piemaisījumi izšķīst aktīvā šķidrā vielā. Rezultātā gāzveida piesārņojumi pāriet šķidrā fāzē. Pēc tam izdalītās kaitīgās sastāvdaļas tiek noņemtas, iztvaicējot (desorbcija), šādā veidā tās tiek izvadītas no reaktīvā šķidruma.

Neskatoties uz to, ka adsorbcijas tehnoloģija pieder pie «sausajiem procesiem» un ļauj veikt smalku zilās degvielas attīrīšanu, dabasgāzes piesārņojumu novākšanā biežāk tiek izmantota absorbcija. Sērūdeņraža savienojumu savākšana un novēršana, izmantojot šķidros absorbentus, ir izdevīgāka un lietderīgāka.

Vispopulārākais adsorbenta veids ir aktivētā ogle, ko izmanto kapsulu vai graudu veidā. Katra elementa virsma “uzsūc” sērūdeņradi un citus organiskos ieslēgumus.

Absorbcijas metodes, ko izmanto gāzes attīrīšanā, iedala šādās trīs grupās:

• Ķīmiskās. Tās tiek veiktas, izmantojot šķīdinātājus, kas brīvi reaģē ar sērūdeņraža skābajiem piesārņotājiem. Visaugstākā absorbcijas spēja starp ķīmiskajiem sorbentiem piemīt etanolamīniem vai alkanolamīniem.
• Fizikālās. Tās tiek veiktas, fiziski izšķīdinot gāzveida sērūdeņradi šķidrā absorbentā. Turklāt, jo augstāks ir gāzveida piesārņotāja daļējais spiediens, jo ātrāk norisinās šķīdināšanas process. Kā absorbentu šeit izmanto metanolu, propilēnkarbonātu un citus.
• Kombinētās. Jauktā sērūdeņraža atdalīšanas variantā tiek izmantotas abas tehnoloģijas. Pamatdarbs tiek veikts ar absorbciju, bet smalkā attīrīšana tiek veikta ar adsorbentiem.

Pusgadsimta garumā vispieprasītākā un populārākā tehnoloģija sērūdeņraža un ogļskābās gāzes atdalīšanai un izvadīšanai no dabīgās degvielas ir ķīmiskā gāzes attīrīšana, izmantojot amīna sorbentu, kas tiek izmantots ūdens šķīduma veidā.

Sorbcijas metodes dabīgās degvielas attīrīšanai balstās uz cietu un šķidru vielu spēju reaģēt ar sērūdeņradi un citiem organiskajiem piemaisījumiem, tādējādi atdalot tos no gāzes sastāva.

Amīna tehnoloģija ir piemērotāka lielu gāzes apjomu apstrādei, jo:

• Pietiekamība. Reaģentus vienmēr var iegādāties nepieciešamajā attīrīšanas apjomā.
• Pieņemama uzsūkšanās spēja. Amīniem piemīt augsta absorbcijas spēja. No visām izmantotajām vielām tikai tie spēj no gāzes izvadīt 99,9% sērūdeņraža.
• Prioritāras īpašības. Ūdens amīnu šķīdumi izceļas ar maksimāli pieņemamu viskozitāti, tvaiku blīvumu, termisko un ķīmisko stabilitāti, zemu siltumietilpību. To īpašības nodrošina vislabāko absorbcijas procesa norisi.
• Reaģentu netoksicitāte. Tas ir svarīgs arguments, kas pārliecina izmantot tieši amīna metodi.
• Selektivitāte. Kvalitāte, kas nepieciešama selektīvās absorbcijas veikšanai. Tā nodrošina iespēju secīgi veikt nepieciešamās reakcijas optimālajam rezultātam vajadzīgajā secībā.

Pie etanolamīniem, ko izmanto ķīmiskās gāzes attīrīšanas metodēs no sērūdeņraža un ogļskābās gāzes, pieder monoetanolamīni (MEA), dietanolamīni (DEA), trietanolamīni (TEA). Turklāt vielas ar priedēkļiem mono- un di- no gāzes izvada gan H₂S, gan CO₂. Savukārt trešais variants palīdz izvadīt tikai sērūdeņradi.

Veicot selektīvu zilās degvielas tīrīšanu, izmanto metildietanolamīnu (MDEA), diglikolamīnu (DGA), diizopropanolamīnu (DIPA). Selektīvie absorbenti galvenokārt tiek izmantoti ārvalstīs.

Protams, ideālu absorbentu, kas apmierinātu visas attīrīšanas prasības pirms piegādes gāzes apkures sistēmai un cita aprīkojuma apgādei, pagaidām nav. Katram šķīdinātājam ir savas priekšrocības un trūkumi. Izvēloties reaģentu, vienkārši nosaka piemērotāko no piedāvātajiem.

Tipiskas iekārtas darbības princips

Maksimālo absorbcijas spēju attiecībā uz H₂S raksturo monoetanolamīna šķīdums. Tomēr šim reaģentam ir pāris būtiski trūkumi. Tas izceļas ar diezgan augstu spiedienu un spēju darba laikā gāzes attīrīšanas iekārtā radīt neatgriezeniskus savienojumus ar oglekļa sēroksīdu.

Pirmais trūkums tiek novērsts ar mazgāšanu, kuras rezultātā amīna tvaiki daļēji tiek absorbēti. Otrais – reti sastopams promiļu gāzu pārstrādes laikā.

Monoetanolamīna ūdens šķīduma koncentrāciju izvēlas eksperimentāli, pamatojoties uz veiktajiem pētījumiem, to pieņem gāzes attīrīšanai no konkrētās atradnes. Izvēloties reaģenta procentuālo saturu, tiek ņemta vērā tā spēja pretoties sērūdeņraža agresīvajai iedarbībai uz sistēmas metāla komponentiem.

Absorbējošās vielas standarta saturs parasti ir robežās no 15 līdz 20%. Tomēr bieži vien koncentrāciju palielina līdz 30% vai samazina līdz 10% atkarībā no tā, cik augstai jābūt attīrīšanas pakāpei. T.i., ar kādu mērķi – apkurei vai polimēru savienojumu ražošanā – tiks izmantota gāze.

Jāatzīmē, ka, palielinoties amīna savienojumu koncentrācijai, samazinās sērūdeņraža korozīvā spēja. Bet jāņem vērā, ka šajā gadījumā palielinās reaģenta patēriņš. Līdz ar to pieaug attīrītās tirdzniecības gāzes izmaksas.

Galvenais attīrīšanas iekārtas agregāts ir absorbētājs ar šķīvju vai sprauslu tipu. Tā ir vertikāli orientēta, ārēji atgādina mēģeni, iekārta ar iekšpusē izvietotām sprauslām vai šķīvjiem. Tās apakšējā daļā ir ieeja neattīrīta gāzes maisījuma piegādei, augšā – izeja skruberī.

Ja attīrītā gāze instalācijā atrodas zem spiediena, kas ir pietiekams reaģenta pārvietošanai uz siltummaiņu un pēc tam uz desorbcijas kolonnu, process notiek bez sūkņa līdzdalības. Ja spiediens ir nedaudz par zemu procesa norisei, aizplūšanu stimulē sūkņu tehnika.

Gāzes plūsma pēc iziešanas caur ieejas separatoru tiek iespiesta absorbētāja apakšējā daļā. Tad tā iet caur korpusa vidū izvietotajām paplāksnēm vai pildījumiem, uz kuriem nogulsnējas piesārņojošie piemaisījumi. Pildījumi, pilnībā samitrināti ar amīna šķīdumu, ir atdalīti viens no otra ar režģiem, lai reaģents tiktu vienmērīgi sadalīts.

Tālāk attīrītā dabasgāze tiek novirzīta uz skruberi. Šo ierīci var pieslēgt pārstrādes shēmā pēc absorbētāja vai izvietot tā augšējā daļā.

Izlietotais šķīdums savukārt notek lejup pa absorbētāja sienām un tiek novirzīts uz desorbcijas kolonnu – desorbētāju ar vārītāju. Tur šķīdums tiek attīrīts no absorbētajiem piesārņojumiem ar tvaikiem, kas rodas, vārot ūdeni, lai atgrieztos atpakaļ instalācijā.

Reģenerētais, t.i., no sērūdeņraža savienojumiem atbrīvotais šķīdums pāriet uz siltummaiņu. Tajā šķidrums tiek atdzesēts siltuma pārneses procesā nākamajai piesārņotā šķīduma porcijai, pēc tam ar sūkni tiek iespiests dzesētājā pilnīgai atdzesēšanai un tvaika kondensācijai.

Atdzesētais absorbējošais šķīdums atkal tiek padots absorbētājā. Tādējādi reaģents cirkulē instalācijā. Arī tā tvaiki tiek atdzesēti un attīrīti no skābiem piemaisījumiem, pēc tam papildinot reaģenta krājumus.

Visbiežāk gāzes attīrīšanā tiek izmantotas shēmas ar monoetanolamīnu un dietanolamīnu. Minētie reaģenti ļauj no dabasgāzes sastāva izdalīt ne tikai sērūdeņradi, bet arī oglekļa dioksīdu.

Ja nepieciešams vienlaikus noņemt no apstrādājamās gāzes CO₂ un H₂S, tiek veikta divpakāpju tīrīšana. Tā sastāv no divu šķīdumu izmantošanas, kas atšķiras pēc koncentrācijas. Šis variants ir ekonomiskāks nekā vienpakāpju tīrīšana.

Vispirms gāzveida degvielu tīra ar stipru sastāvu, kas satur 25-35% reaģenta. Pēc tam gāzi apstrādā ar vāju ūdens šķīdumu, kurā aktīvās vielas ir tikai 5-12%. Rezultātā tiek veikta gan rupjā, gan smalkā tīrīšana ar minimālu šķīduma patēriņu un saprātīgu izdalītā siltuma izmantošanu.

Četri alkanolamīnu attīrīšanas varianti

Alkanolamīni jeb amīnspirti ir vielas, kas satur ne tikai amīna grupu, bet arī hidroksilgrupu.

Iekārtu un tehnoloģiju uzbūve dabasgāzes attīrīšanai ar alkanolamīniem atšķiras galvenokārt ar absorbējošās vielas padeves veidu. Visbiežāk gāzes tīrīšanā, izmantojot šāda veida amīnus, tiek lietotas četras pamatmetodes.

Pirmā metode. Tā paredz aktīvā šķīduma padevi no augšas vienā plūsmā. Viss absorbenta apjoms tiek novirzīts uz instalācijas augšējo paplāksni. Attīrīšanas process notiek temperatūras fonā, kas nepārsniedz 40°C.

Vienkāršākā attīrīšanas metode paredz aktīvā šķīduma padevi vienā plūsmā. Šo paņēmienu izmanto, ja gāzē ir nenozīmīgs piemaisījumu daudzums.

Šo paņēmienu parasti izmanto nelielā piesārņojumā ar sērūdeņraža savienojumiem un ogļskābi. Kopējais siltuma efekts, lai iegūtu tirgus gāzi, parasti nav liels.

Otrā metode. Šo attīrīšanas variantu izmanto, ja gāzveida kurināmajā ir augsts sērūdeņraža savienojumu saturs.

Reaktīvo šķīdumu šajā gadījumā padod divās plūsmās. Pirmā, ar tilpumu aptuveni 65-75% no kopējās masas, tiek novirzīta uz iekārtas vidu, otrā tiek piegādāta no augšas.

Amīna šķīdums plūst lejup pa šķīvjiem un satiekas ar augšup vērstām gāzes plūsmām, kas tiek iespiestas absorbcijas iekārtas apakšējā šķīvī. Pirms padeves šķīdumu uzkarsē ne vairāk kā līdz 40 °C, bet gāzes mijiedarbības laikā ar amīnu temperatūra ievērojami paaugstinās.

Lai temperatūras paaugstināšanās dēļ nesamazinātos tīrīšanas efektivitāte, lieko siltumu aizvada kopā ar atstrādāto šķīdumu, kas piesātināts ar sērūdeņradi. Un iekārtas augšdaļā tiek veikta plūsmas dzesēšana, lai kopā ar kondensātu iegūtu skābo komponentu atlikumus.

Otrā un trešā no aprakstītajām metodēm paredz absorbējošā šķīduma padevi divās plūsmās. Pirmajā gadījumā reaktīvu padod ar vienādu temperatūru, otrajā – ar atšķirīgu.

Tas ir ekonomisks paņēmiens, kas ļauj samazināt gan enerģijas, gan aktīvā šķīduma patēriņu. Papildu uzsildīšana netiek veikta nevienā posmā. Pēc tehnoloģiskās būtības tā ir divlīmeņu attīrīšana, kas sniedz iespēju ar vismazākajiem zaudējumiem sagatavot tirgus gāzi padevei maģistrālē.

Trešā metode. Tā paredz absorbenta piegādi attīrošajā iekārtā divās plūsmās ar atšķirīgu temperatūru. Paņēmienu izmanto, ja papildus sērūdeņradim un ogļskābei jēlgāzē ir arī CS₂ un COS.

Lielākā daļa absorbenta, aptuveni 70-75%, tiek uzkarsēta līdz 60-70 °C, bet atlikušā daļa tikai līdz 40 °C. Plūsmas absorbentā tiek padotas tāpat kā iepriekš aprakstītajā gadījumā: no augšas un uz vidu.

Augstas temperatūras zonas veidošana dod iespēju ātri un kvalitatīvi iegūt organiskos piemaisījumus no gāzes masas attīrīšanas kolonnas apakšā. Bet augšā oglekļa dioksīds un sērūdeņradis tiek nogulsnēti ar standarta temperatūras amīnu.

Ceturtā metode. Šī tehnoloģija paredz amīna ūdens šķīduma padevi divās plūsmās ar dažādu reģenerācijas pakāpi. Tas ir, viena tiek piegādāta neattīrītā veidā, ar sērūdeņraža ieslēgumu saturu, otra – bez tiem.

Pirmo plūsmu nevar saukt par pilnīgi piesārņotu. Tā tikai daļēji satur skābos komponentus, jo daļa no tiem tiek noņemta dzesēšanas laikā līdz +50º/+60ºС siltummainī. Šī šķīduma plūsma tiek ņemta no desorbatora apakšējās sprauslas, dzesēta un novirzīta uz kolonnas vidējo daļu.

Ja gāzveida degvielā ir ievērojams sērūdeņraža un oglekļa dioksīda komponentu saturs, attīrīšanu veic ar diviem šķīduma plūsmām ar atšķirīgu reģenerācijas pakāpi.

Dziļo tīrīšanu veic tikai tā šķīduma daļa, kuru iesūknē iekārtas augšējā sektorā. Šīs plūsmas temperatūra parasti nepārsniedz 50 °C. Šeit tiek veikta gāzveida degvielas smalkā tīrīšana. Šāda shēma ļauj samazināt izmaksas vismaz par 10 %, samazinot tvaika patēriņu.

Ir skaidrs, ka tīrīšanas metodi izvēlas, pamatojoties uz organisko piesārņojumu esamību un ekonomisko lietderību. Jebkurā gadījumā tehnoloģiju daudzveidība ļauj izvēlēties optimālu variantu. Vienā un tajā pašā amīna gāzes apstrādes iekārtā var variēt tīrīšanas pakāpi, iegūstot zilo degvielu ar darbam nepieciešamajām gāzes katlu, plīšu, sildītāju īpašībām.

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Ar sērūdeņraža ieguves specifiku no saistītās gāzes, kas tiek iegūta kopā ar naftu no naftas urbuma, iepazīstinās šis video:

Video prezentēs uzstādījumu zilās degvielas attīrīšanai no sērūdeņraža, iegūstot elementāro sēru tālākai pārstrādei:

Par to, kā mājas apstākļos atbrīvot biogāzi no sērūdeņraža, stāstīs šī videoklipa autors:

Gāzes attīrīšanas metodes izvēle galvenokārt ir vērsta uz konkrēta uzdevuma risināšanu. Izpildītājam ir divi ceļi: sekot pārbaudītai shēmai vai dot priekšroku kaut kam jaunam. Tomēr galvenajam orientierim ir jābūt ekonomiskajai lietderībai, saglabājot kvalitāti un iegūstot vajadzīgo apstrādes pakāpi.