Amininis dujų valymas nuo vandenilio sulfido: principas, veiksmingi variantai ir įrenginių schemos

Gamtinėse dujose, išgaunamose iš telkinių tiekimui vartotojui magistraliniais vamzdynais, skirtingomis proporcijomis yra sieros junginių. Jei jų neatsikratoma, agresyvūs junginiai sunaikins vamzdyną, padarys netinkamą armatūrą. Be to, degant užterštam mėlynajam kurui išsiskiria toksinai.

Siekiant išvengti neigiamų pasekmių, atliekamas amininis dujų valymas nuo vandenilio sulfido. Tai pats paprasčiausias ir nebrangiausias būdas atskirti kenksmingus komponentus nuo degaus naudingosios iškasenos. Mes papasakosime, kaip vyksta sieros intarpų atskyrimo procesas, kaip yra sukonstruotas ir veikia valymo įrenginys.

Degiosios iškasenos valymo tikslas

Dujos yra populiariausia kuro rūšis. Jos vilioja kuo prieinamesne kaina ir mažiausiu žalos padarymu ekologinei aplinkai. Prie neginčijamų privalumų priskiriamas degimo proceso valdymo paprastumas ir galimybė apsaugoti visus kuro perdirbimo etapus gaunant šiluminę energiją.

Tačiau gamtinė dujinė iškasena nėra išgaunama gryna forma, nes kartu su dujų ištraukimu iš gręžinio išsiurbiami lydintys organiniai junginiai. Labiausiai paplitęs iš jų – vandenilio sulfidas, kurio kiekis svyruoja nuo dešimtųjų dalių iki dešimties ir daugiau procentų priklausomai nuo telkinio.

Vandenilio sulfidas yra nuodingas, pavojingas aplinkai, kenksmingas dujų perdirbime naudojamiems katalizatoriams. Kaip jau minėjome, šis organinis junginys yra itin agresyvus plieniniams vamzdžiams ir metalinei uždarymo armatūrai.

Natūralu, kad vandenilio sulfidas, koroduodamas privačią sistemą ir magistralinį dujotiekį, sukelia mėlynųjų degalų nuotėkius ir su tuo susijusias itin neigiamas, rizikingas situacijas. Siekiant apsaugoti vartotoją, sveikatai kenksmingi junginiai pašalinami iš dujinio kuro sudėties dar prieš jį tiekiant į magistralę.

Pagal normatyvus vandenilio sulfido junginių vamzdžiais transportuojamose dujose negali būti daugiau nei 0,02 g/m³. Tačiau iš tikrųjų jų būna žymiai daugiau. Norint pasiekti GOST 5542-2014 reglamentuojamą vertę, reikalingas valymas.

Esami vandenilio sulfido atskyrimo metodai

Be vyraujančio tarp kitų priemaišų vandenilio sulfido, mėlynuosiuose degaluose gali būti ir kitų kenksmingų junginių. Juose galima aptikti anglies dvideginio, lengvųjų merkaptanų ir anglies sieroksido. Tačiau tiesiogiai vandenilio sulfidas visada vyraus.

Verta paminėti, kad išvalytuose dujiniuose degaluose leidžiamas nežymus sieros junginių kiekis. Konkreti leistina riba priklauso nuo tikslų, kuriems dujos yra išgaunamos. Pavyzdžiui, etileno oksido gamybai bendras sieros priemaišų kiekis turi būti mažesnis nei 0,0001 mg/m³.

Valymo metodas pasirenkamas atsižvelgiant į reikalingą rezultatą.

Visi šiuo metu egzistuojantys būdai skirstomi į dvi grupes:

• Sorbciniai. Jie apima vandenilio sulfido junginių sugėrimą kietu (adsorbcija) arba skystu (absorbcija) reagentu, vėliau išskiriant sierą arba jos darinius. Po to iš dujų sudėties išskirtos kenksmingos priemaišos yra utilizuojamos arba perdirbamos.
• Kataliziniai. Jie susideda iš vandenilio sulfido oksidacijos arba redukcijos, paverčiant jį elementine siera. Procesas vyksta dalyvaujant katalizatoriams – medžiagoms, skatinančioms cheminės reakcijos eigą.

Adsorbcija reiškia vandenilio sulfido surinkimą koncentruojant jį ant kietos medžiagos paviršiaus. Dažniausiai adsorbcijos procese naudojamos granuliuotos medžiagos iš aktyvintos anglies arba geležies oksido. Būdingas didelis specifinis grūdelių paviršiaus plotas padeda maksimaliai sulaikyti sieros molekules.

Visi gamtinių dujų valymo metodai skirstomi į sorbcinius ir katalizinius. Valymo įranga yra orientuota pagal tam tikros technologijos veikimo principą. Tačiau yra įrenginių, kuriuose sujungti keli metodai, todėl atliekamas kompleksinis valymas.

Absorbcijos technologija skiriasi tuo, kad dujiniai vandenilio sulfido priemaišai ištirpsta aktyvioje skystoje medžiagoje. Dėl to dujiniai teršalai pereina į skystąją fazę. Tada išskirti kenksmingi komponentai pašalinami garinimo būdu, kitaip desorbcija, tokiu būdu jie išvalomi iš reaktyviojo skysčio.

Nepaisant to, kad adsorbcinė technologija priklauso „sausiems procesams“ ir leidžia atlikti smulkų gamtinių dujų valymą, šalinant teršalus iš gamtinių dujų dažniau naudojama absorbcija. Vandenilio sulfido junginių surinkimas ir pašalinimas naudojant skystus absorberius yra naudingesnis ir tikslingesnis.

Populiariausias adsorberio tipas yra aktyvinta anglis, naudojama kapsulių arba grūdelių pavidalu. Kiekvieno elemento paviršius “sugeria” į save vandenilio sulfidą ir kitus organinius intarpus.

Dujų valyme naudojami absorbcijos metodai skirstomi į šias tris grupes:

• Cheminiai. Jie atliekami naudojant tirpiklius, kurie laisvai reaguoja su vandenilio sulfido rūgštiniais teršalais. Didžiausią sugėrimo gebą tarp cheminių sorbentų turi etanolaminai arba alkanolaminai.
• Fiziniai. Jie atliekami fiziškai ištirpinant dujinį vandenilio sulfidą skystame absorbente. Be to, kuo didesnis dujinio teršalo dalinis slėgis, tuo greičiau vyksta tirpimo procesas. Kaip absorberis čia naudojamas metanolis, propileno karbonatas ir kt.
• Kombinuoti. Mišriame sieros vandenilio išgavimo variante naudojamos abi technologijos. Pagrindinis darbas atliekamas absorbcija, o subtilus papildomas valymas atliekamas adsorbentais.

Per pastaruosius penkiasdešimt metų paklausiausia ir populiariausia technologija, skirta išskirti ir pašalinti iš gamtinių degalų sieros vandenilį ir anglies rūgštį, yra cheminis dujų valymas naudojant amino sorbentą, naudojamą vandeninio tirpalo pavidalu.

Sorbciniai gamtinių degiųjų medžiagų valymo metodai yra pagrįsti kietųjų ir skystųjų medžiagų gebėjimu reaguoti su sieros vandeniliu ir kitomis organinėmis priemaišomis, taip išskiriant jas iš dujų sudėties.

Aminų technologija labiau tinka didelių dujų kiekių apdorojimui, nes:

• Trūkumo nebuvimas. Reagentus visada galima įsigyti reikiamu valymo kiekiu.
• Priimtinas sugeriamumas. Aminai pasižymi didele sugeriamąja geba. Iš visų naudojamų medžiagų tik jie gali pašalinti iš dujų 99,9 % sieros vandenilio.
• Prioritetinės charakteristikos. Vandeniniai aminų tirpalai pasižymi maksimaliai priimtinu klampumu, garų tankiu, termine ir chemine stabilumu, maža šilumos talpa. Jų charakteristikos užtikrina geriausią absorbcijos proceso eigą.
• Reagentų netoksiškumas. Tai nemažas argumentas, įtikinantis pasirinkti būtent aminų metodiką.
• Selektyvumas. Savybė, reikalinga atliekant selektyviąją absorbciją. Ji užtikrina galimybę nuosekliai atlikti reikiamas reakcijas tokia tvarka, kokia reikia optimaliam rezultatui.

Etanolaminams, naudojamiems atliekant cheminius dujų valymo nuo sieros vandenilio ir anglies dioksido metodus, priklauso monoetanolaminai (MEA), dietanolaminai (DEA), trietanolaminai (TEA). Be to, medžiagos su priešdėliais mono- ir di- pašalina iš dujų ir H₂S, ir CO₂. O trečiasis variantas padeda pašalinti tik sieros vandenilį.

Atliekant selektyvųjį mėlynojo kuro valymą, naudojami metildietanolaminai (MDEA), diglikolaminai (DGA), diizopropanolaminai (DIPA). Selektyvieji absorbentai daugiausia naudojami užsienyje.

Natūralu, kad idealių absorbentų, atitinkančių visus valymo reikalavimus prieš tiekimą į dujinio šildymo sistemą ir kitos įrangos aprūpinimą, kol kas nėra. Kiekvienas tirpiklis turi tam tikrų privalumų ir trūkumų. Renkantis reagentą tiesiog nustatomas tinkamiausias iš siūlomų.

Tipinio įrenginio veikimo principas

Monoetanolamino tirpalas pasižymi maksimalia absorbcine geba H₂S atžvilgiu. Tačiau šis reagentas turi porą esminių trūkumų. Jis pasižymi gana aukštu slėgiu ir gebėjimu amino dujų valymo įrenginio veikimo metu sukurti negrįžtamus junginius su anglies sieros oksidu.

Pirmasis trūkumas pašalinamas plovimu, kurio metu amino garai iš dalies sugeriami. Antrasis – retai pasitaiko perdirbant gavybos dujas.

Vandeninio monoetanolamino tirpalo koncentracija parenkama eksperimentiniu būdu, remiantis atliktais tyrimais, ji priimama valyti dujas iš konkretaus telkinio. Parenkant reagento procentinę dalį, atsižvelgiama į jo gebėjimą atsispirti agresyviam sieros vandenilio poveikiui metaliniams sistemos komponentams.

Standartinis absorbcinės medžiagos kiekis paprastai yra nuo 15 iki 20%. Tačiau neretai koncentracija padidinama iki 30% arba sumažinama iki 10%, priklausomai nuo to, kokio valymo laipsnio reikia. T. y. kokiu tikslu – šildymui ar polimerinių junginių gamybai – dujos bus naudojamos.

Pažymime, kad didėjant amino junginių koncentracijai mažėja sieros vandenilio korozinė galimybė. Tačiau reikia atsižvelgti, kad šiuo atveju didėja reagento sąnaudos. Vadinasi, didėja išvalytų prekinių dujų kaina.

Pagrindinis valymo įrenginio agregatas yra absorberis su plokštelėmis arba antpildo tipo. Tai vertikaliai orientuotas, išoriškai primenantis mėgintuvėlį aparatas su viduje esančiais antpildais arba plokštelėmis. Jo apatinėje dalyje yra įvadas nevalytam dujų mišiniui tiekti, viršuje – išėjimas į skruberį.

Jei valomos dujos įrenginyje yra pakankamo slėgio, kad reagentas patektų į šilumokaitį ir po to į desorberį, procesas vyksta be siurblio. Jei slėgis per mažas procesui, srautą stimuliuoja siurblių įranga.

Dujų srautas po praėjimo per įėjimo separatorių suleidžiamas į apatinę absorberio dalį. Tada jis praeina per korpuso viduryje esančias plokšteles arba užpildus, ant kurių nusėda teršiančios priemaišos. Užpildai, visiškai sudrėkinti amininiu tirpalu, yra atskirti vienas nuo kito grotelėmis, kad reagentas pasiskirstytų tolygiai.

Tada nuo teršalų išvalytas mėlynasis kuras nukreipiamas į skruberį. Šis įrenginys gali būti prijungtas prie apdorojimo schemos po absorberio arba būti jo viršutinėje dalyje.

Panaudotas tirpalas nuteka absorberio sienelėmis ir nukreipiamas į desorberį su kaitintuvu. Ten tirpalas valomas nuo sugertų teršalų garais, išsiskiriančiais verdant vandenį, kad galėtų grįžti atgal į įrenginį.

Regeneruotas, t. y. nuo sieros vandenilio junginių išvalytas tirpalas perteka į šilumokaitį. Jame skystis aušinamas perduodant šilumą kitai užteršto tirpalo porcijai, po ko siurblys jį pumpuoja į šaldytuvą pilnam atvėsinimui ir garų kondensacijai.

Atvėsintas sugeriantis tirpalas vėl tiekiamas į absorberį. Taip reagentas cirkuliuoja per įrenginį. Jo garai taip pat aušinami ir valomi nuo rūgščių priemaišų, po ko jie papildo reagento atsargas.

Dažniausiai dujų valymui naudojamos schemos su monoetanolaminu ir dietanolaminu. Šie reagentai leidžia iš mėlynojo kuro sudėties išgauti ne tik sieros vandenilį, bet ir anglies dvideginį.

Jei reikia vienu metu pašalinti iš apdorojamų dujų CO₂ ir H₂S, atliekamas dviejų pakopų valymas. Jis susideda iš dviejų skirtingos koncentracijos tirpalų naudojimo. Šis variantas yra ekonomiškesnis nei vienos pakopos valymas.

Pirmiausia dujinį kurą valo stipriu kompozitu, kuriame reagento yra 25-35%. Toliau dujos apdorojamos silpnu vandeniniu tirpalu, kuriame aktyviosios medžiagos yra tik 5-12%. Galutiniame rezultate atliekamas ir grubus, ir smulkus valymas, naudojant minimalų tirpalo srautą ir protingai panaudojant išskiriamą šilumą.

Keturi valymo alkanolaminais variantai

Alkanolaminai arba aminospirtai – tai medžiagos, turinčios ne tik amino grupę, bet ir hidroksilo grupę.

Gamtinių dujų valymo alkanolaminais įrenginių konstrukcija ir technologijos skiriasi daugiausia absorbuojančios medžiagos tiekimo būdu. Dažniausiai valant dujas naudojant šios rūšies amino junginius, taikomi keturi pagrindiniai metodai.

Pirmasis būdas. Jis numato aktyvaus tirpalo tiekimą vienu srautu iš viršaus. Visas absorbento tūris nukreipiamas į įrenginio viršutinę plokštelę. Valymo procesas vyksta esant ne aukštesnei kaip 40°C temperatūrai.

Paprasčiausias valymo būdas numato aktyvaus tirpalo tiekimą vienu srautu. Šis metodas taikomas, jei dujose priemaišų yra nedaug.

Šis metodas paprastai naudojamas esant nedideliam užterštumui vandenilio sulfido junginiais ir anglies dioksidu. Bendras šiluminis efektas gaunant prekinį dujas paprastai yra nedidelis.

Antrasis būdas. Šis valymo variantas taikomas, kai dujiniame kure yra daug vandenilio sulfido junginių.

Reaktyvusis tirpalas šiuo atveju tiekiamas dviem srautais. Pirmasis, kurio tūris sudaro apie 65–75 % visos masės, nukreipiamas į įrenginio vidurį, antrasis tiekiamas iš viršaus.

Amininis tirpalas teka žemyn per plokštes ir susiduria su kylančiais dujų srautais, kurie pučiami į apatinę absorbavimo įrenginio plokštę. Prieš tiekimą tirpalas pašildomas ne daugiau kaip iki 40 °C, tačiau dujoms sąveikaujant su aminu temperatūra žymiai pakyla.

Kad dėl temperatūros padidėjimo nemažėtų valymo efektyvumas, šilumos perteklius pašalinamas kartu su panaudotu tirpalu, prisotintu vandenilio sulfido. O įrenginio viršuje srautas aušinamas, siekiant išgauti rūgštinių komponentų likučius kartu su kondensatu.

Antrasis ir trečiasis iš aprašytų būdų numato absorbuojančio tirpalo tiekimą dviem srautais. Pirmuoju atveju reagentas tiekiamas vienodos temperatūros, o antruoju – skirtingos.

Tai ekonomiškas būdas, leidžiantis sumažinti tiek energijos, tiek aktyvaus tirpalo sąnaudas. Papildomai nešildoma nė viename etape. Technologiškai tai yra dviejų lygių valymas, suteikiantis galimybę su mažiausiais nuostoliais paruošti prekinį dujas tiekimui į magistralę.

Trečiasis būdas. Numato absorberio tiekimą į valymo įrenginį dviem skirtingos temperatūros srautais. Metodika taikoma, jei be vandenilio sulfido ir anglies dioksido žaliose dujose yra ir CS₂, ir COS.

Didžioji absorberio dalis, maždaug 70–75%, įkaitinama iki 60–70 °C, o likusi dalis tik iki 40 °C. Srautai tiekiami į absorberį taip pat, kaip ir aukščiau aprašytu atveju: iš viršaus ir į vidurį.

Aukštos temperatūros zonos formavimas leidžia greitai ir kokybiškai išgauti organinius teršalus iš dujų masės valymo kolonėlės apačioje. O viršuje anglies dioksidas ir vandenilio sulfidas nusėda standartinės temperatūros aminu.

Ketvirtasis būdas. Ši technologija numato vandeninio amino tirpalo tiekimą dviem srautais su skirtingu regeneracijos laipsniu. Tai yra, vienas tiekiamas neišvalytas, su vandenilio sulfido priemaišomis, kitas – be jų.

Pirmasis srautas negali būti vadinamas visiškai užterštu. Jis tik iš dalies turi rūgščių komponentų, nes dalis jų pašalinama aušinant iki +50°/+60°C šilumokaityje. Šis tirpalo srautas imamas iš apatinio desorberio antgalio, aušinamas ir nukreipiamas į vidurinę kolonos dalį.

Esant dideliam sieros vandenilio ir anglies dioksido komponentų kiekiui dujiniame kure, valymas atliekamas dviem tirpalo srautais su skirtinga regeneracijos laipsniu.

Gilų valymą atlieka tik ta tirpalo dalis, kuri yra pumpuojama į viršutinį įrenginio sektorių. Šio srauto temperatūra paprastai neviršija 50 °C. Čia atliekamas smulkus dujinio kuro valymas. Ši schema leidžia sumažinti išlaidas bent 10 % dėl sumažėjusio garo sunaudojimo.

Aišku, kad valymo būdas pasirenkamas atsižvelgiant į organinių teršalų buvimą ir ekonominį tikslingumą. Bet kuriuo atveju technologijų įvairovė leidžia pasirinkti optimalų variantą. Tame pačiame dujų aminų apdorojimo įrenginyje galima keisti valymo laipsnį, gaunant mėlynąjį kurą su reikiamomis darbo dujinių katilų, viryklių, šildytuvų charakteristikomis.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Šis vaizdo įrašas supažindins Jus su vandenilio sulfido išgavimo iš susijusių dujų, išgaunamų kartu su nafta naftos gręžinyje, specifika:

Gamtinių dujų valymo nuo sieros vandenilio, gaunant elementinę sierą tolesniam perdirbimui, įrenginį pristatys vaizdo įrašas:

Apie tai, kaip namų sąlygomis išvalyti biodujas nuo sieros vandenilio, papasakos šio vaizdo įrašo autorius:

Renkantis dujų valymo būdą, pirmiausia reikėtų orientuotis į konkretaus uždavinio sprendimą. Vykdytojas turi du kelius: laikytis patikrintos schemos arba teikti pirmenybę kažkam naujam. Tačiau pagrindiniu orientyru vis dėlto turėtų būti ekonominis tikslingumas, išlaikant kokybę ir pasiekiant reikiamą apdorojimo laipsnį.