Аминовая очистка газа от сероводорода: принцип, эффективные варианты и схемы установок

В природном газе, извлекаемом из залежей и подаваемом потребителям по трубопроводам, присутствуют сернистые соединения в различных концентрациях. Если их не удалить, опасные вещества могут повредить трубопроводы и сделать арматуру непригодной для использования. Кроме того, при сжигании загрязненного газа выделяются токсичные вещества.

Для предотвращения негативных последствий проводится очистка газа от сероводорода с помощью аминов. Это один из самых простых и экономичных методов удаления вредных примесей из газа. В данной статье мы подробно рассмотрим, как осуществляется процесс удаления сернистых соединений и как функционирует очистная установка.

Цель проведения очистки горючего ископаемого

Газ является наиболее распространенным источником энергии. Его однозначные преимущества состоят в доступной цене и минимальном воздействии на окружающую среду. К достоинствам также относится легкость управления процессом горения и возможность обеспечить безопасность на всех этапах переработки топлива для получения тепловой энергии.

Тем не менее, природный газ не добывается в своем чистом виде, так как при извлечении газа из скважин одновременно изливаются примеси, включая сероводород. Его концентрация может колебаться от некоторых десятых долей до более чем десяти процентов, в зависимости от конкретных месторождений.

Галерея изображений

Природный газ занимает особое место в мире энергетики благодаря своей доступной стоимости.

Множество бытовых плит и промышленных варочных устройств функционируют именно на этом газе.

Газ является оптимальным выбором для отопления крупных промышленных объектов, так как он наносит минимальный ущерб окружающей среде, не образует сажи и других нерастворимых продуктов сгорания.

В системах горячего водоснабжения и отопления частных домов, а также в малых и средних коммерческих структурах, а также в мастерских чаще всего используются газовые котлы.

Газ также применяется для достижения необходимой температуры в рабочих процессах химической и пищевой промышленности.

Он необходим для производства технических газов, которые в дальнейшем используются в сварочных работах и для питания различных обогревателей.

Магистральный газ служит ценным сырьем для получения множества химических соединений, из которых затем изготавливаются различные полимерные изделия.

Независимо от того, как будет использоваться природный газ, его необходимо очистить от сероводорода и всех других органических соединений перед тем, как он попадет в систему магистрального транспорта.

Природный газ — самое распространенное топливо
Использование газа в приготовлении пищи
Применение газа в отоплении промпредприятий
Атмосферная горелка газового котла
Применение газа в производственных процессах
Производство технических газов
Применение газа в качестве сырья в химической промышленности
Транспортировка газа по газовой магистрали

Сероводород представляет собой опасное для здоровья вещество, а также негативно влияет на экосистему и вреден для катализаторов, используемых в процессе газопереработки. Как уже говорилось, это соединение обладает высокой агрессивностью по отношению к стальным трубам и металлическим запорным устройствам.

Сероводород, вызывая коррозию, повреждает как частные, так и магистральные газопроводы, что приводит к утечкам газа и может создавать крайне опасные ситуации. Чтобы защитить клиентов, вредные соединения удаляются из природного газа еще до его транспортировки.

Согласно установленным стандартам, содержание сероводорода в газе, транспортируемом по трубам, не должно превышать 0,02 г/м³. На практике же его уровень может значительно превышать эту норму. Поэтому для достижения пределов, установленных ГОСТом 5542-2014, необходима тщательная очистка.

Существующие методы отделения сероводорода

В дополнение к сероводороду, в газе могут находиться и другие опасные соединения, такие как углекислота, легкие меркаптаны и сероуглерод. Однако сероводород обычно является самым распространенным из них.

Галерея изображений

Присутствие органических примесей в природном газе является основной причиной коррозии стальных трубопроводов и арматуры, что влечет за собой серьезные последствия.

Ржавчина, образующаяся в трубах, может привести к утечкам, что в лучшем случае вызовет дополнительные затраты, а в худшем — приведет к взрывам и отравлениям.

Ржавчина, появившаяся в трубопроводе, также повлияет на запорную арматуру, делая невозможным закрытие кранов и вентилей в экстренных ситуациях или при необходимости ремонта.

Из-за коррозии внутренние поверхности труб могут стать шероховатыми, что иногда даже может вызвать частичное перекрытие газового потока. В конечном итоге, это может поспособствовать возникновению взрывов, одной из причин которых часто является нестабильное давление в системе.

Коррозия внутри газовой трубы
Потеря герметичности газового трубопровода
Ржавление стальной арматуры газопровода
Взрыв газа из-за нестабильного давления

Важно отметить, что допустимо незначительное содержание сернистых соединений в очищенном газе. Конкретное значение зависит от сферы применения газа. Например, для производства оксида этилена общее содержание сернистых примесей должно быть менее 0,0001 мг/м³.

Метод очистки выбирается в зависимости от требуемого результата.

Существующие методы делятся на две категории:

• Сорбционные. Они включают в себя поглощение сероводорода твердыми (адсорбция) или жидкими (абсорбция) веществами с последующим извлечением серы или ее производных. Затем удаленные примеси утилизируются или перерабатываются.
• Каталитические. Они заключаются в окислении или восстановлении сероводорода с преобразованием его в элементарную серу. Процесс проходит с использованием катализаторов, которые ускоряют химические реакции.

Адсорбция подразумевает захват сероводорода, путем концентрации его на поверхности твердого материала. Чаще всего в процессе адсорбции используются пористые материалы, такие как активированный уголь или оксид железа. Большая удельная поверхность этих веществ способствует более эффективному удержанию молекул серы.

Способы очистки газового топлива подразделяются на сорбционные и каталитические методы. Оборудование, используемое для очистки, проектируется с учетом принципа работы конкретной технологии. Однако существуют установки, которые сочетает несколько методик, обеспечивая комплексную очистку.

Технология абсорбции заключается в растворе газообразных сероводородных примесей в активной жидкости, что приводит к переходу загрязнителей в жидкую фазу. Затем отделенные вредные компоненты выводятся с помощью процесса десорбции.

Несмотря на то, что адсорбционные методы часто относятся к «сухим процессам» и обеспечивают высокую степень очистки, в практике удаления загрязняющих факторов из природного газа чаще используется абсорбция, так как использование жидких поглотителей более эффективно и выгодно.

Наиболее распространенным адсорбером является активированный уголь в форме капсул или гранул, обладающий способностью «впитывать» сероводород и другие органические примеси.

Методы абсорбции, применяемые для очистки газа, делятся на следующие три группы:

• Химические. Эти методы основаны на использовании растворителей, которые активно реагируют с сероводородом. Наиболее эффективными среди таких сорбентов являются этаноламины и алканоламины.
• Физические. Они осуществляются путем физического растворения сероводорода в жидком абсорбенте. Скорость растворения увеличивается с ростом парциального давления загрязнителя. В качестве абсорбента могут использоваться метанол, пропиленкарбонат и другие вещества.
• Комбинированные. Эти методы сочетает оба подхода: основная очистка осуществляется с помощью абсорбции, а дополнительные фазы проводят с помощью адсорбентов.

На протяжении последних пятидесяти лет химическая очистка газа, использующая аминовые сорбенты в водном растворе, считается наиболее популярным методом выделения и удаления сероводорода и угольной кислоты из природного газа.

Сорбционные методы очистки основываются на способности твердых и жидких веществ взаимодействовать с сероводородом и другими органическими примесями, тем самым удаляя их из газа.

Аминовая технология идеально подходит для обработки больших объемов газа, поскольку обладает следующими преимуществами:

• Наличие в достаточном количестве. Реактивы всегда можно добиться в необходимых объемах для очистки.
• Высокая поглотительная способность. Амины демонстрируют отличные результаты, способные удалить до 99,9% сероводорода.
• Превосходные характеристики. Водные растворы аминов имеют необходимые параметры вязкости, стабильности и тепловых свойств, что способствует оптимизации процесса абсорбции.
• Невредность реактивов. Это важный фактор, подчеркивающий преимущества использования именно аминовых технологий.
• Селективность. Эта черта позволяет выполнять последовательные реакции по оптимизации процесса абсорбции.

К этаноламинам, которые используются для химической очистки газов от сероводорода и углекислоты, относятся моноэтаноламины (МЭА), диэтаноламины (ДЭА) и триэтаноламины (ТЭА). Важно отметить, что вещества с приставками моно- и ди- способны удалять и H₂S, и СО₂, в то время как третий тип используется исключительно для устранения сероводорода.

В процессе селективной очистки голубого топлива применяются метилдиэтаноламины (МДЭА), дигликольамины (ДГА) и диизопропаноламины (ДИПА). Обычно селективные абсорбенты используются преимущественно за пределами нашей страны.

На сегодняшний день идеальные абсорбенты, удовлетворяющие всем требованиям для очистки перед подачей в газовые системы отопления и для других нужд, отсутствуют. Каждый растворитель имеет свои преимущества и недостатки, поэтому при выборе реагента необходимо выявить наиболее подходящий из имеющихся вариантов.

Принцип действия типичной установки

Моноэтаноламин обладает высокой способностью поглощать H₂S, однако у этого реагента есть несколько значительных недостатков. Во-первых, он требует высокого давления, а во-вторых, во время работы установок по аминовой очистке может образовываться устойчивое соединение с сероокисью углерода.

Первую проблему можно решить путем промывки, в результате которой пары амина частично утилизируются. Вторая проблема всплывает достаточно редко в процессе обработки промысловых газов.

Извлечение сероводорода и других органических веществ из природного газа осуществляется на абсорбционных установках.

Такие установки могут быть смонтированы как вблизи газовых месторождений, так и на трубопроводах, или же перед входом в газоперерабатывающее предприятие. В любом случае очистка происходит до того, как газ поступит к потребителям.

Методы очистки и используемое оборудование продолжают эволюционировать. Если в прошлом сера, выделенная из природного газа, просто утилизировалась, то сейчас ее собирают для дальнейшей переработки в серную кислоту, бумагу, углекислый газ, сухой лед, резину и многие другие продукты.

Процесс очистки с помощью абсорбера не является дешевым, и он существенно увеличивает цену обработанного газа. Однако многократное использование аминового раствора в установках помогает снизить его стоимость.

Основным компонентом очистительной установки является абсорбер, который может быть как тарельчатым, так и насадочным. Это вертикальный аппарат, напоминающий пробирку, в котором размещены насадки или тарелки. В нижней части есть вход для подачи неочищенной газовой смеси, а вверху — выход в скруббер.

Если газ под высоким давлением, процесс подачи реагента в теплообменник и далее в отгонную колонну проходит без помощи насосов. Если же давление недостаточно для нормального потока, то включаются насосные установки.

Газ, прошедший через входной сепаратор, поступает в нижнюю часть абсорбера, где поднимается через насадки или тарелки, на которых оседают загрязнения. Эти насадки, вмещающие аминоразворот, отделены друг от друга решетками для равного распределения реагента.

Затем очищенный газ направляется в скруббер, который может располагаться как после абсорбера, так и в его верхней части.

Израсходованный раствор стекает вниз по стенкам абсорбера и попадает в отгонную колонну — десорбер с нагревателем. В этом процессе раствор очищается от забранных загрязнений с помощью паров, выделяющихся при кипении воды, и возвращается обратно в установку.

Очищенный от сероводорода раствор переходит в теплообменник, где проходит охлаждение за счет тепла, выделяемого при поступлении следующей порции загрязненного раствора, после чего он подается насосом в холодильник для более глубокого охлаждения и конденсации паров.

Охлажденный абсорбирующий раствор возвращается в абсорбер, что позволяет наладить непрерывный цикл его работы. Пары также подвергаются охлаждению и очистке от кислых компонентов перед повторным использованием.

В большинстве случаев очистка газа происходит с использованием моноэтаноламина и диэтаноламина, которые обеспечивают извлечение как сероводорода, так и углекислоты.

Если требуется одновременно удалить СО₂ и H₂S, используется двухступенчатая очистка, которая подразумевает применение двух различных растворов разной концентрации. Это более экономичный подход по сравнению с одноступенчатой очисткой.

Сначала газ очищается с помощью более концентрированного раствора с содержанием реагента 25-35%, а затем обрабатывается более слабым водным раствором с концентрацией активного вещества 5-12%. Таким образом осуществляется как грубая, так и тонкая очистка, минимизируя расход раствора и оптимально используя выделяемое тепло.

Четыре варианта очистки алконоламинами

Алконоламины, или аминоспирты, представляют собой соединения, содержащие как аминовую, так и гидроксильную группы.

Конструктивные особенности установок и технологии очистки природного газа с использованием алканоламинов различаются в основном способом введения абсорбента. Чаще всего применяются четыре основных метода очистки газа с использованием этих аминов.

Первый метод. Заключается в подаче активного раствора сверху одним потоком. Весь объем абсорбента направляется на верхнюю тарелку установки, а процесс очистки происходит при температуре не выше 40°C.

Это самый простой метод, который применим при низком содержании загрязнений в газе.

Он чаще всего используется в случаях слабого загрязнения газов сероводородом и углекислотой. В целом, тепловой эффект, получаемый от метода, при этом незначителен.

Второй метод. Он находит применение при высоком содержании сероводорода в газообразном топливе.

В этом случае реагент подается в два потока. Первый, составляющий 65-75% от общего объема, направляется в центр установки, а второй — сверху.

Аминовый раствор стекает по тарелкам и взаимодействует с поднимающимися газами, что приводит к повышению температуры. Перед подачей температура раствора не должна превышать 40°C, но в процессе контакта с газом она значительно возрастает.

Чтобы избежать снижения эффективности очистки из-за повышения температуры, лишнее тепло удаляется вместе с отработанным раствором, насыщенным сероводородом. В верхней части установки происходит охлаждение потока, что способствует извлечению остаточных кислых компонентов вместе с конденсатом.

Второй и третий методы также предполагают подачу абсорбента двумя потоками. В первом варианте поток имеет одинаковую температуру, во втором — различную.

Этот метод является экономичным, позволяя сократить расход энергии и активного раствора. Дополнительный подогрев не требуется на всех этапах. Фактически, он представляет собой двухуровневую очистку, обеспечивающую минимальные потери при подготовке товарного газа для подачи в магистраль.

Третий метод. Предполагвает подачу абсорбента двумя потоками с разной температурой в очистительную установку. Эта методика применяется в тех случаях, когда помимо сероводорода и углекислоты в газе присутствуют также CS₂ и COS.

Реактивная масса, примерно 70-75%, подогревается до 60-70°C, а оставшаяся часть только до 40°C. Потоки подаются в абсорбер, как и в предыдущем описании: сверху и в центр.

Создание области с высокой температурой позволяет эффективно удалять органические загрязнения в нижней части колонны, в то время как в верхней области диоксид углерода и сероводород адсорбируются амином стандартной температуры.

Четвертый метод. Эта технология заключается в подаче водного раствора амина двумя потоками, различающимися по степени регенерации. Один поток поступает в незавершенном виде, с примесями сероводорода, тогда как второй — очищенный.

Первый поток нельзя считать полностью загрязненным, так как он содержит лишь часть кислых компонентов, поскольку значительное их количество удаляется в процессе охлаждения до +50°C/+60°C в теплообменнике. Этот поток выводится с нижней насадки десорбера, охлаждается и направляется в среднюю часть колонны.

При высоком содержании сероводорода и углекислоты в газообразном топливе применяется очистка с использованием двух потоков раствора с разной степенью регенерации.

Только та часть раствора, которая нагнетается в верхний сектор установки, подвергается глубокой очистке. Температура этого потока в большинстве случаев не превышает 50°C. Именно здесь осуществляется точная очистка газообразного топлива. Благодаря данной схеме удается снизить затраты как минимум на 10 % за счет уменьшения расхода пара.

Выбор метода очистки зависит от наличия органических загрязнений и экономической обоснованности. Разнообразие технологий позволяет выбрать наиболее подходящий вариант. На одной и той же установке, занимающейся аминовой обработкой газа, можно настраивать уровень очистки, получая голубое топливо с необходимыми характеристиками для работы газовых котлов, плит и обогревателей.

Выводы и полезное видео по теме

О том, как осуществляется извлечение сероводорода из попутного газа, который добывается вместе с нефтью из нефтяной скважины, можно узнать из следующего видеоролика:

Видео представит установку для очистки голубого топлива от сероводорода с целью получения элементарной серы для последующей переработки:

Автор этого видеоролика расскажет, как в домашних условиях можно избавиться от сероводорода в биогазе:

Выбор метода очистки газа ориентирован, прежде всего, на решение конкретной задачи. Исполнитель стоит перед двумя вариантами: следовать традиционному подходу или использовать новейшие технологии. Важно, чтобы главным критерием оставалась экономическая целесообразность, позволяющая сохранять качество и достигать необходимого уровня обработки.