Aminnal végzett kénhidrogén-mentesítés gázból: elv, hatékony változatok és berendezések vázlatai

A lelőhelyekből kitermelt, a fogyasztókhoz csővezetékeken szállított földgáz különböző arányban tartalmaz kénvegyületeket. Ha nem szabadulnak meg tőlük, az agresszív anyagok tönkreteszik a csővezetéket, és használhatatlanná teszik a szerelvényeket. Ráadásul a szennyezett kék tüzelőanyag égésekor toxinok szabadulnak fel.

A negatív következmények elkerülése érdekében aminnal történő kénhidrogén-mentesítést végeznek a gázon. Ez a legegyszerűbb és legolcsóbb módja a káros összetevők elválasztásának az éghető fosszilis anyagtól. Elmondjuk, hogyan zajlik a kéntartalmú zárványok szétválasztásának folyamata, hogyan van felépítve és hogyan működik a tisztítóberendezés.

Az éghető ásványi anyag tisztításának célja

A gáz a legnépszerűbb tüzelőanyag. A lehető legkedvezőbb árával és a környezetre gyakorolt legkisebb káros hatásával vonz. Vitathatatlan előnyei közé tartozik az égési folyamat egyszerű szabályozása és az a lehetőség, hogy a hőenergia előállítása során a tüzelőanyag feldolgozásának minden szakasza biztonságossá tehető.

A természetes gáznemű ásványi anyagot azonban nem tiszta formában bányásszák, mivel a gáz kinyerésével egyidejűleg a kútból kísérő szerves vegyületeket is kiszivattyúznak. A leggyakoribb ezek közül a kénhidrogén, melynek tartalma a lelőhelytől függően tizedszázaléktól tíz százalékig vagy még többig változik.

A hidrogén-szulfid mérgező, veszélyes a környezetre, és káros a gázfeldolgozás során használt katalizátorokra. Mint már korábban említettük, ez a szerves vegyület rendkívül agresszív az acélcsövekkel és a fém elzáró szerelvényekkel szemben.

Természetesen a hidrogén-szulfid a korrózió révén szétmarja a magánrendszert és a főgázvezetéket, ami a kék üzemanyag szivárgásához és az ezzel járó rendkívül negatív, kockázatos helyzetekhez vezet. A fogyasztó védelme érdekében az egészségre káros vegyületeket már a gáznemű tüzelőanyag vezetékbe történő betáplálása előtt eltávolítják az összetételéből.

Az előírások szerint a csővezetékeken szállított gázban a hidrogén-szulfid-vegyületek mennyisége nem haladhatja meg a 0,02 g/m³-t. A valóságban azonban gyakran ennél jóval magasabb. A GOST 5542-2014 által előírt érték eléréséhez tisztítás szükséges.

A kénhidrogén elválasztásának létező módszerei

A kék üzemanyagban a többi szennyeződés mellett túlsúlyban lévő hidrogén-szulfidon kívül más káros vegyületek is előfordulhatnak. Ezek között megtalálható a szén-dioxid, a könnyű merkaptánok és a szén-oxiszulfid. De a hidrogén-szulfid közvetlenül mindig túlsúlyban lesz.

Érdemes megjegyezni, hogy a tisztított gáznemű tüzelőanyagban bizonyos csekély kéntartalmú vegyületek megengedettek. A megengedett konkrét érték attól függ, hogy milyen célokra bányászzák a gázt. Például etilén-oxid gyártásához a kéntartalmú szennyeződések összmennyiségének kevesebbnek kell lennie, mint 0,0001 mg/m³.

A tisztítási módszert a kívánt eredmény figyelembevételével választják ki.

A jelenleg létező összes módszer két csoportra osztható:

• Szorpciós. A szorpciós módszerek lényege, hogy a kénhidrogén vegyületeket szilárd (adszorpció) vagy folyékony (abszorpció) reagenssel elnyelik, majd kivonják a ként vagy annak származékait. Az így a gázból eltávolított káros szennyeződéseket ártalmatlanítják vagy feldolgozzák.
• Katalitikusak. A kénhidrogén oxidálásából vagy redukálásából állnak, elemi kénné alakítva. A folyamat katalizátorok – a kémiai reakció lefolyását elősegítő anyagok – jelenlétében megy végbe.

Az adszorpció során a kénhidrogént úgy gyűjtik össze, hogy azt egy szilárd anyag felületén koncentrálják. Az adszorpciós folyamatban leggyakrabban aktív szén vagy vas-oxid alapú szemcsés anyagokat használnak. A szemcsékre jellemző nagy fajlagos felület elősegíti a kénmolekulák maximális megtartását.

A földgáztisztítás minden módszerét szorpciós és katalitikus csoportokra osztják. A tisztító berendezések egy adott technológia működési elvére épülnek. Vannak azonban olyan berendezések, amelyekben több módszert kombinálnak, így komplex tisztítást végeznek.

Az abszorpciós technológia abban különbözik, hogy a gáznemű kénhidrogén szennyeződések egy aktív folyékony anyagban oldódnak. Ennek eredményeként a gáznemű szennyeződések folyékony fázisba kerülnek. Az így kivont káros komponenseket elpárologtatással, más néven deszorpcióval távolítják el a reaktív folyadékból.

Bár az adszorpciós technológia a «száraz eljárások» közé tartozik, és lehetővé teszi a földgáz finom tisztítását, a természetes gázból történő szennyeződés eltávolítására gyakrabban alkalmazzák az abszorpciót. A kénhidrogén vegyületek folyékony abszorbensekkel történő összegyűjtése és eltávolítása gazdaságosabb és célszerűbb.

A legnépszerűbb adszorbertípus az aktív szén, amelyet kapszulák vagy szemcsék formájában használnak. Minden egyes elem felülete “felszívja” a kénhidrogént és más szerves szennyeződéseket.

A gáztisztításban használt abszorpciós módszerek a következő három csoportra oszthatók:

• Kémiai. Olyan oldószerek használatával történik, amelyek szabadon reagálnak a kénhidrogén savas szennyezőivel. A kémiai szorbensek közül a legnagyobb elnyelő képességgel az etanolaminok vagy alkanolaminok rendelkeznek.
• Fizikai. A gáznemű kénhidrogén fizikai oldódásával valósul meg egy folyékony abszorberben. Minél nagyobb a gáznemű szennyező parciális nyomása, annál gyorsabb az oldódási folyamat. Abszorberként itt metanolt, propilén-karbonátot stb. használnak.
• Kombinált. A vegyes változatban mindkét technológia részt vesz a hidrogén-szulfid kivonásában. A fő munkát abszorpció végzi, a finomtisztítást pedig adszorbensek.

Fél évszázada a leginkább alkalmazott és népszerű technológia a természetes tüzelőanyagból a hidrogén-szulfid és a széndioxid kivonására és eltávolítására a kémiai gáztisztítás amin adszorbenssel, amelyet vizes oldatban használnak.

A szorpciós módszerek a természetes éghető gáz tisztítására a szilárd és folyékony anyagok azon képességén alapulnak, hogy reagálnak a hidrogén-szulfiddal és más szerves szennyeződésekkel, ezáltal kivonják azokat a gáz összetételéből.

Az amin technológia jobban megfelel nagy gázmennyiségek kezelésére, mert:

• Hiánymentesség. A reagensek mindig beszerezhetők a tisztításhoz szükséges mennyiségben.
• Elfogadható abszorpciós képesség. Az aminokat magas abszorpciós képesség jellemzi. Az összes használt anyag közül csak ezek képesek eltávolítani a gázból a hidrogén-szulfid 99,9%-át.
• Kiemelt jellemzők. A vizes amin oldatokat maximálisan elfogadható viszkozitás, gőzsűrűség, termikus és kémiai stabilitás, valamint alacsony hőkapacitás jellemzi. Tulajdonságaik biztosítják az abszorpciós folyamat legjobb lefolyását.
• A reaktív anyagok toxicitásának hiánya. Ez nem elhanyagolható érv, ami meggyőz arra, hogy pont az amin módszert alkalmazzuk.
• Szelektivitás. A szelektív abszorpció során szükséges minőség. Lehetővé teszi a szükséges reakciók egymás utáni elvégzését az optimális eredményhez szükséges sorrendben.

Az etanol-aminok közé, amelyeket a hidrogén-szulfid és széndioxid gázból történő eltávolításának kémiai módszerei során használnak, tartoznak a monoetanol-aminok (MEA), dietanol-aminok (DEA), trietanol-aminok (TEA). Ráadásul a mono- és di- előtagú anyagok eltávolítják a gázból a H₂S-t és a CO₂-t is. A harmadik változat viszont csak a hidrogén-szulfidot távolítja el.

A szelektív kék üzemanyag tisztítás során metil-dietanol-aminokat (MDEA), diglikol-aminokat (DGA), diizopropanol-aminokat (DIPA) használnak. A szelektív abszorbenseket főleg külföldön alkalmazzák.

Természetesen jelenleg még nem léteznek ideális abszorbensek, amelyek minden tisztítási követelménynek megfelelnének a gázfűtési rendszerbe történő szállítás és egyéb berendezések ellátása előtt. Minden oldószernek vannak előnyei és hátrányai. A reaktív anyag kiválasztásakor egyszerűen a legmegfelelőbbet választják ki a kínáltak közül.

Egy tipikus berendezés működési elve

A monoetanolamin-oldatot a legnagyobb H₂S-megkötő képesség jellemzi. Ennek a reagensnek azonban van néhány jelentős hátránya. Meglehetősen magas nyomással és azzal a tulajdonsággal rendelkezik, hogy a gázamin-tisztító berendezés működése során visszafordíthatatlan vegyületeket hoz létre a karbonil-szulfiddal.

Az első hátrány mosással küszöbölhető ki, melynek során az amin gőzei részben elnyelődnek. A második ritkán fordul elő a mezőgázok feldolgozása során.

A monoetanolamin vizes oldatának koncentrációját tapasztalati úton választják ki, az elvégzett vizsgálatok alapján fogadják el egy adott lelőhelyről származó gáz tisztításához. A reagens százalékos arányának kiválasztásakor figyelembe veszik annak képességét, hogy ellenálljon a hidrogén-szulfid agresszív hatásának a rendszer fém alkatrészeire.

Az abszorbeáló anyag standard tartalma általában 15 és 20% között van. Azonban nem ritka, hogy a koncentrációt 30%-ra növelik vagy 10%-ra csökkentik attól függően, hogy milyen magasnak kell lennie a tisztítási foknak. Vagyis attól függően, hogy milyen célra, fűtésre vagy polimer vegyületek gyártására használják a gázt.

Megjegyezzük, hogy az aminvegyületek koncentrációjának növelésével csökken a hidrogén-szulfid korróziós lehetősége. De figyelembe kell venni, hogy ebben az esetben a reagens felhasználása nő. Következésképpen nő a tisztított kereskedelmi gáz ára.

A tisztítóberendezés fő egysége a tányéros vagy töltetes típusú abszorber. Ez egy függőlegesen tájolt, külsőre kémcsőre emlékeztető készülék, benne elhelyezett töltetekkel vagy tányérokkal. Alsó részében bemenet található a tisztítatlan gázkeverék bevezetésére, felső részében kimenet a szkrubberbe.

Ha a tisztítandó gáz a berendezésben elegendő nyomás alatt van ahhoz, hogy a reagens átjusson a hőcserélőbe, majd onnan a kiűző oszlopba, a folyamat szivattyú nélkül megy végbe. Ha a nyomás túl alacsony a folyamat lefutásához, a kiáramlást szivattyúberendezés segíti.

A gázáram a belépő szeparátoron való áthaladás után az abszorber alsó részébe kerül. Ezután átáramlik a berendezés közepén elhelyezett tányérokon vagy tölteteken, amelyeken a szennyező anyagok lerakódnak. Az aminos oldattal teljesen átnedvesedett tölteteket rácsok választják el egymástól a reagens egyenletes eloszlása érdekében.

A szennyeződésektől megtisztított földgáz ezután a skrubberbe kerül. Ez a berendezés az abszorber után bekapcsolható a feldolgozási rendszerbe, vagy annak felső részében helyezhető el.

Az elhasznált oldat az abszorber falain lefelé folyik, és a kiűző oszlopba – a forralóval ellátott deszorberbe – kerül. Ott az oldat a víz forralásakor felszabaduló gőzökkel megtisztul a felvett szennyeződésektől, hogy visszakerülhessen a berendezésbe.

A regenerált – azaz a kénhidrogén-vegyületektől megszabadított – oldat a hőcserélőbe áramlik. A folyadék itt a szennyezett oldat következő adagjának hőátadása közben lehűl, majd szivattyúval a hűtőbe nyomják, ahol alaposan lehűl, és a gőz lecsapódik.

A lehűtött abszorbeáló oldatot ismét az abszorberbe vezetik. Így a reagens cirkulál a berendezésben. Gőzei szintén lehűlnek és megtisztulnak a savas szennyeződésektől, majd pótolják a reagenskészletet.

A gáztisztításban leggyakrabban monoetanol-aminos és dietanol-aminos sémákat alkalmaznak. Ezek a reagensek lehetővé teszik, hogy a földgázból ne csak a kénhidrogént, hanem a szén-dioxidot is kivonják.

Ha a kezelt gázból egyszerre kell eltávolítani a CO₂ és a H₂S anyagokat, kétfokozatú tisztítást alkalmaznak. Ennek lényege, hogy két, koncentrációban eltérő oldatot használnak. Ez a változat gazdaságosabb, mint az egyfokozatú tisztítás.

Először a gáznemű tüzelőanyagot erős, 25-35% reagenst tartalmazó összetétellel tisztítják. Ezután a gázt gyenge vizes oldattal kezelik, amelyben mindössze 5-12% hatóanyag van. Ennek eredményeként durva és finom tisztítás is történik minimális oldatfogyasztás mellett, a felszabaduló hő ésszerű felhasználásával.

A tisztítás négy változata alkanolaminokkal

Az alkanol-aminok vagy amin-alkoholok olyan anyagok, amelyek nemcsak aminocsoportot, hanem hidroxilcsoportot is tartalmaznak.

A földgáz alkanol-aminos tisztítására szolgáló berendezések és technológiák felépítése elsősorban az abszorbeáló anyag adagolási módjában különbözik. Az ilyen típusú aminok alkalmazásával végzett gáztisztításban leggyakrabban négy alapvető módszert használnak.

Az első módszer az aktív oldat egyetlen áramban, felülről történő adagolását írja elő. Az abszorbens teljes mennyisége a berendezés felső tányérjára kerül. A tisztítási folyamat legfeljebb 40 °C hőmérsékleten zajlik.

A legegyszerűbb tisztítási módszer szerint az aktív oldatot egyetlen áramban adagolják. Ezt a módszert akkor alkalmazzák, ha a gázban csak kis mennyiségű szennyeződés található.

Ezt a módszert általában a hidrogén-szulfidos vegyületekkel és szén-dioxiddal való csekély szennyezettség esetén használják. A kereskedelmi gáz előállításának teljes hőhatása ilyenkor általában alacsony.

Második módszer. Ezt a tisztítási változatot akkor alkalmazzák, ha a gáznemű tüzelőanyagban magas a hidrogén-szulfidos vegyületek koncentrációja.

A reagens oldatot ebben az esetben két áramban adagolják. Az első, a teljes mennyiség mintegy 65–75%-a, a berendezés közepébe irányul, a másodikat felülről juttatják be.

Az aminos oldat a tányérokon lefelé folyik, és találkozik a felszálló gázáramokkal, amelyeket az abszorbens berendezés alsó tányérjára nyomnak be. Beadás előtt az oldatot legfeljebb 40°C-ra melegítik, de a gáz és az amin kölcsönhatása során a hőmérséklet jelentősen megemelkedik.

Hogy a hőmérséklet-emelkedés miatt ne csökkenjen a tisztítás hatékonysága, a felesleges hőt az elhasznált, hidrogén-szulfiddal telített oldattal együtt vezetik el. A berendezés tetején pedig az áramot hűtik a savas komponensek maradékainak és a kondenzátumnak a kivonása érdekében.

A leírt módszerek közül a második és a harmadik az abszorbens oldat két áramban történő adagolását írja elő. Az első esetben a reagenst azonos hőmérsékleten, a másodikban – eltérő hőmérsékleten adagolják.

Ez egy gazdaságos módszer, amely lehetővé teszi mind az energia, mind az aktív oldat felhasználásának csökkentését. Egyetlen szakaszban sem végeznek további fűtést. Technológiai lényegét tekintve kétszintű tisztítás, amely lehetőséget biztosít a kereskedelmi gáz vezetékbe történő betáplálásra való előkészítésére a lehető legkisebb veszteséggel.

Harmadik módszer. Ez az abszorbens oldat két, eltérő hőmérsékletű áramban történő bejuttatását feltételezi a tisztítóberendezésbe. A módszert akkor alkalmazzák, ha a nyersgázban a hidrogén-szulfidon és szén-dioxidon kívül CS₂ és COS is található.

Az abszorbens nagyobb része, körülbelül 70–75%-a 60–70°C-ra, a fennmaradó rész csak 40°C-ra melegszik fel. Az áramokat az abszorbensbe ugyanúgy adagolják, mint a fent leírt esetben: felülről és a közepébe.

A magas hőmérsékletű zóna kialakítása lehetővé teszi a szerves szennyeződések gyors és hatékony eltávolítását a gáztömegből a tisztítóoszlop alján. Az oszlop tetején pedig a szén-dioxid és a hidrogén-szulfid a szokásos hőmérsékletű aminnal csapódik ki.

Negyedik módszer. Ez a technológia előírja, hogy a vizes aminoldatot két különböző regeneráltsági fokú áramban adagolják. Az egyik nyers formában kerül beszállításra, hidrogén-szulfid szennyeződéseket tartalmazva, a másik pedig anélkül.

Az első áramot nem nevezhetjük teljesen szennyezettnek. Csak részben tartalmaz savas komponenseket, mivel ezek egy része a +50°/+60°C-ra történő hűtés során eltávolításra kerül a hőcserélőben. Ezt az oldatáramot a deszorber alsó töltetéről veszik, lehűtik és az oszlop középső részébe irányítják.

Ha a gáznemű tüzelőanyag jelentős mennyiségű hidrogén-szulfidot és szén-dioxid komponenst tartalmaz, a tisztítást két, eltérő regeneráltsági fokú oldatárammal végzik.

Csak annak az oldatnak a része megy át mélytisztításon, amelyet a berendezés felső szektorába nyomnak. Ennek az áramnak a hőmérséklete általában nem haladja meg az 50 °C-ot. Itt történik a gáznemű tüzelőanyag finomtisztítása. Ez a séma lehetővé teszi a költségek legalább 10%-os csökkentését a gőzfogyasztás csökkentése révén.

Nyilvánvaló, hogy a tisztítási módot a szerves szennyeződések megléte és a gazdaságosság alapján választják ki. Mindenesetre a technológiák sokfélesége lehetővé teszi az optimális változat kiválasztását. Ugyanazon aminos gázkezelő berendezésen változtatható a tisztítás mértéke, így a munkához szükséges tulajdonságokkal rendelkező gázkazánok, tűzhelyek, fűtőtestek számára alkalmas kék tüzelőanyagot kapunk.

Következtetések és hasznos vidéó a témából

A következő videó ismerteti a kőolajjal együtt kitermelt kísérőgázból történő hidrogén-szulfid kinyerésének sajátosságait:

A kék tüzelőanyag hidrogén-szulfidtól való tisztítására szolgáló berendezést, amely elemi ként állít elő további feldolgozáshoz, egy videó mutatja be:

A videó szerzője elmeséli, hogyan lehet otthoni körülmények között megszabadítani a biogázt a hidrogén-szulfidtól:

A gáztisztítási mód kiválasztása elsősorban egy adott feladat megoldására irányul. A kivitelezőnek két út áll rendelkezésére: követni a bevált sémát, vagy valami újat választani. A fő iránytű azonban továbbra is a gazdaságosság kell legyen a minőség megőrzése és a kívánt feldolgozási fok elérése mellett.