شیرین‌سازی گاز

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد


تصفیه گاز آمین، که به عنوان شستشو آمین، شیرین کردن گاز و حذف گاز اسیدی شناخته می شود، به گروهی از فرآیندها اطلاق می شود که از محلول های آبی مختلف آلکیلامین های  (که معمولاً به آنها آمین گفته می شود) برای حذف سولفید هیدروژن (H2S) و دی اکسید کربن (CO2) از گازها استفاده می شود.[۱] این یک فرآیند واحد رایج است که در پالایشگاه ها استفاده می شود و همچنین در کارخانه های پتروشیمی، کارخانه های فرآوری گاز طبیعی و سایر صنایع استفاده می شود.

فرآیندهای موجود در پالایشگاه‌های نفت یا کارخانه‌های فرآوری شیمیایی که سولفید هیدروژن را حذف می‌کنند، فرآیندهای «شیرین‌کننده» نامیده می‌شوند، زیرا بوی محصولات فرآوری‌شده با نبود سولفید هیدروژن بهبود می‌یابد. یک جایگزین برای استفاده از آمین ها شامل فناوری غشایی است. با این حال، جداسازی غشایی به دلیل سرمایه و هزینه های عملیاتی نسبتاً بالا و همچنین سایر عوامل فنی جذابیت کمتری دارد.

بسیاری از آمین های مختلف در تصفیه گاز استفاده می شود:

متداول ترین آمین های مورد استفاده در کارخانه های صنعتی  آلکانول آمین های DEA، MEA و MDEA هستند. همچنین از این آمین ها در بسیاری از پالایشگاه های نفت برای حذف گاز ترش از هیدروکربن های مایع مانند ال پی جی (LPG) استفاده می شود.

شرح یک تصفیه با آمین تیپیکال[ویرایش]

گازهای حاوی H2S یا هر دو H2S و CO2 معمولاً به عنوان گازهای ترش یا گازهای اسیدی در صنایع فرآوری هیدروکربن ها نامیده می شوند.

شیمی درگیر در تصفیه آمین چنین گازهایی با آمین خاصی که استفاده می شود تا حدودی متفاوت است. برای یکی از متداول‌ترین آمین‌ها، مونو اتانول آمین (MEA) که به عنوان نشان داده می‌شود، واکنش اسید-باز شامل پروتونه شدن جفت الکترون آمین برای تشکیل یک گروه آمونیوم با بار مثبت را می توان به صورت زیر بیان کرد:

گونه های جدا شده و یونیزه شده حاصل که در محلول قابل حل هستند توسط محلول آمین به دام افتاده یا پاک می شوند و به راحتی از فاز گاز خارج می شوند. در خروجی اسکرابر آمین، گاز شیرین شده در H2S و CO2 تخلیه می شود.

یک فرآیند معمولی تصفیه گاز آمین (فرایند Girbotol، همانطور که در نمودار جریان زیر نشان داده شده است) شامل یک واحد جاذب و یک واحد احیا کننده و همچنین تجهیزات جانبی است. در جاذب، محلول آمین سرازیر H2S و CO2 را از گاز ترش در حال جریان جذب می کند تا یک جریان گاز شیرین (یعنی گازی عاری از سولفید هیدروژن و دی اکسید کربن) به عنوان یک محصول و یک محلول آمین غنی از گازهای اسیدی جذب شده تولید کند. آمین "غنی" حاصل سپس به احیاگر هدایت می شود (یک دستگاه استریپر با یک جوش آور) برای تولید آمین احیا شده یا "lean" که برای استفاده مجدد در جاذب بازیافت می شود. گاز سربار حذف شده از احیاگر H2S و CO2 متمرکز است.

نمودار جریان فرآیند یک فرآیند تصفیه آمین معمولی مورد استفاده در پالایشگاه های نفت، کارخانه های فرآوری گاز طبیعی و سایر تاسیسات صنعتی
نمودار جریان فرآیند یک فرآیند تصفیه آمین معمولی مورد استفاده در پالایشگاه های نفت، کارخانه های فرآوری گاز طبیعی و سایر تاسیسات صنعتی

فرآیندهای جایگزین:[ویرایش]

تنظیمات استریپر جایگزین شامل ماتریس، تبادل داخلی، تغذیه چشمک زن و چند فشار با تغذیه تقسیم می شود. بسیاری از این پیکربندی‌ها بازده انرژی بیشتری را برای حلال‌ها یا شرایط عملیاتی خاص ارائه می‌دهند. عملیات خلاء به حلال هایی با گرمای جذب کم کمک می کند در حالی که عملکرد در فشار معمولی به نفع حلال هایی با گرمای جذب بالا است. حلال هایی با گرمای جذب بالا به انرژی کمتری برای جداسازی از نوسان دما در ظرفیت ثابت نیاز دارند. ماتریس   stripper   40 درصد co2  را درفشار  بالاتر  بازیابی می کند و ناکارآمدی مرتبط با stripper چند فشاری ندارد. انرژی و هزینه‌ها کاهش می‌یابد زیرا چرخه کار دیگ بخار کمی کمتر از فشار استریپر معمولی است. یک استریپر تبادل داخلی دارای نسبت کمتری بخار آب به CO2 در جریان سربار است و بنابراین بخار کمتری مورد نیاز است. پیکربندی چند فشاری با تغذیه تقسیم شده، جریان را به بخش پایین کاهش می دهد، که همچنین کار معادل را کاهش می دهد. خوراک چشمک زن به ورودی گرمای کمتری نیاز دارد، زیرا از گرمای نهان بخار آب برای کمک به برداشتن مقداری از CO2 موجود در جریان غنی که وارد استریپر در پایین ستون می شود، استفاده می کند. پیکربندی چند فشاری برای حلال‌هایی با گرمای جذب بالاتر جذاب‌تر است.

آمین ها[ویرایش]

غلظت آمین در محلول آبی جاذب یک پارامتر مهم در طراحی و عملکرد فرآیند تصفیه گاز آمین است. بسته به اینکه واحد برای استفاده از کدام یک از چهار آمین زیر طراحی شده است و برای حذف چه گازهایی طراحی شده است، اینها برخی از غلظت‌های آمین معمولی هستند که به صورت درصد وزنی آمین خالص در محلول آبی بیان می‌شوند:

  • مونو اتانول آمین: حدود 20 درصد برای حذف H2S و CO2 و حدود 32 درصد برای حذف تنها CO2.
  • دی اتانول آمین: حدود 20 تا 25 درصد برای حذف H2S و CO2
  • متیل دی اتانول آمین: حدود 30 تا 55 درصد برای حذف H2S و CO2
  • دی گلیکولامین: حدود 50 درصد برای حذف H2S و CO2

انتخاب غلظت آمین در محلول آبی در گردش به عوامل متعددی بستگی دارد و ممکن است کاملاً دلخواه باشد. معمولاً به سادگی بر اساس تجربه ساخته می شود. عوامل دخیل شامل این است که آیا واحد آمین گاز طبیعی خام یا گازهای فرعی پالایشگاه نفت را تصفیه می کند که حاوی غلظت های نسبتاً پایینی از هر دو H2S و CO2 هستند یا اینکه واحد در حال تصفیه گازهایی با درصد بالایی از CO2 مانند گازهای خروجی از بخار است. فرآیند اصلاح مورد استفاده در تولید آمونیاک یا گازهای دودکش از نیروگاه ها.

هر دو H2S و CO2 گازهای اسیدی هستند و از این رو برای فولاد کربنی خورنده هستند. با این حال، در واحد تصفیه آمین، CO2 اسید قوی تر از این دو است. H2S لایه ای از سولفید آهن را روی سطح فولاد تشکیل می دهد که برای محافظت از فولاد عمل می کند. هنگام تصفیه گازهای با درصد بالای CO2، اغلب از بازدارنده های خوردگی استفاده می شود و این امکان استفاده از غلظت های بالاتر آمین را در محلول در گردش فراهم می کند.

یکی دیگر از عوامل دخیل در انتخاب غلظت آمین، حلالیت نسبی H2S و CO2 در آمین انتخاب شده است. انتخاب نوع آمین بر میزان گردش مورد نیاز محلول آمین، مصرف انرژی برای بازسازی و توانایی حذف انتخابی H2S به تنهایی یا CO2 به تنهایی در صورت تمایل تأثیر می گذارد. برای اطلاعات بیشتر در مورد انتخاب غلظت آمین، خواننده به کتاب کهل و نیلسن مراجعه می کند.

کاربرد ها[ویرایش]

در پالایشگاه‌های نفت، این گاز حذف‌شده بیشتر از نوع H2S است، که بیشتر آن اغلب از فرآیند حذف گوگرد به نام هیدروسولفوریزاسیون ناشی می‌شود. این جریان گازی غنی از H2S معمولاً به فرآیند Claus هدایت می شود تا آن را به گوگرد عنصری تبدیل کند. در واقع، اکثریت قریب به اتفاق 64،000،000 متریک تن گوگرد تولید شده در سراسر جهان در سال 2005، گوگرد فرعی از پالایشگاه ها و سایر کارخانه های فرآوری هیدروکربن بود. یکی دیگر از فرآیندهای حذف گوگرد، فرآیند WSA است که گوگرد را به هر شکلی به عنوان اسید سولفوریک غلیظ بازیابی می کند. در برخی از گیاهان، بیش از یک واحد جاذب آمین ممکن است یک واحد احیا کننده مشترک داشته باشند. تاکید کنونی بر حذف CO2 از گازهای دودکش منتشر شده از نیروگاه های سوخت فسیلی باعث علاقه زیادی به استفاده از آمین ها برای حذف CO2 شده است. در مورد خاص سنتز صنعتی آمونیاک، برای فرآیند اصلاح بخار هیدروکربن ها برای تولید هیدروژن گازی، تصفیه آمین یکی از فرآیندهای رایج برای حذف دی اکسید کربن اضافی در تصفیه نهایی هیدروژن گازی است. در تولید بیوگاز گاهی اوقات لازم است دی اکسید کربن از بیوگاز حذف شود تا آن را با گاز طبیعی مقایسه کند. حذف مقدار گاهاً زیاد سولفید هیدروژن برای جلوگیری از خوردگی قطعات فلزی پس از سوزاندن گاز زیستی ضروری است.

به دام انداختن و ذخیره کربن:[ویرایش]

آمین ها برای حذف CO2 در مناطق مختلف اعم از تولید گاز طبیعی گرفته تا صنایع غذایی و آشامیدنی استفاده می شوند و بیش از شصت سال است که وجود دارد.

طبقه‌بندی‌های متعددی از آمین‌ها وجود دارد که هر کدام دارای ویژگی‌های متفاوتی هستند که مربوط به جذب CO2 است. به عنوان مثال، مونو اتانول آمین (MEA) به شدت با گازهای اسیدی مانند CO2 واکنش می دهد و زمان واکنش سریع و توانایی حذف درصد بالایی از CO2، حتی در غلظت های پایین CO2 را دارد. به طور معمول، مونو اتانول آمین (MEA) می تواند 85٪ تا 90٪ از CO2 را از گاز دودکش یک کارخانه زغال سنگ جذب کند، که یکی از موثرترین حلال ها برای جذب CO2 است. چالش های جذب کربن با استفاده از آمین عبارتند از:

  • گاز کم فشار، دشواری انتقال CO2 از گاز به آمین را افزایش می دهد
  • محتوای اکسیژن گاز می تواند باعث تخریب آمین و تشکیل اسید شود
  • تجزیه CO2 آمین های اولیه (و ثانویه)
  • مصرف انرژی بالا
  • امکانات بسیار بزرگ
  • یافتن یک مکان مناسب (بازیابی افزایش یافته نفت، سفره های آب نمک عمیق، سنگ های بازالتی...) برای دفع CO2 حذف شده

فشار جزئی نیروی محرکه برای انتقال CO2 به فاز مایع است. تحت فشار کم، این انتقال بدون افزایش وظیفه حرارتی دیگ بخار به سختی انجام می شود، که منجر به هزینه بالاتر می شود.

آمین های اولیه و ثانویه، به عنوان مثال، MEA و DEA، با CO2 واکنش داده و محصولات تجزیه را تشکیل می دهند. O2 از گاز ورودی نیز باعث تخریب می شود. آمین تجزیه شده دیگر قادر به جذب CO2 نیست، که کارایی جذب کربن را کاهش می دهد.

در حال حاضر، انواع مخلوط‌ های آمین در حال سنتز و آزمایش برای دستیابی به مجموعه مطلوب‌تری از خواص کلی برای استفاده در سیستم‌های جذب CO2 هستند. یکی از تمرکز اصلی بر کاهش انرژی مورد نیاز برای بازسازی حلال است که تأثیر عمده ای بر هزینه های فرآیند دارد. با این حال، معاوضه هایی وجود دارد که باید در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، انرژی مورد نیاز برای بازسازی به طور معمول با نیروهای محرکه برای دستیابی به ظرفیت های جذب بالا مرتبط است. بنابراین، کاهش انرژی بازسازی می تواند نیروی محرکه را کاهش دهد و در نتیجه مقدار حلال و اندازه جاذب مورد نیاز برای جذب مقدار معینی از CO2 را افزایش دهد، در نتیجه هزینه سرمایه را افزایش می دهد.

جستارهای وابسته[ویرایش]

پانویس[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  • Kohl، Arthur (۱۹۹۷). Gas Purification. Gulf Publishing.
  • J.H، Gary (۱۹۸۴). Petroleum Refining Technology and Economics. Marcel Dekker, Inc.
  • Miller، Loren N (۱۹۷۸). Process for acid gas removal from gaseous mixtures. Institute of Gas Technology.
  • R. W.، Baker (۲۰۰۲). Future Directions of Membrane Gas Separation Technology. GEng. Chem. Res.
  • Gary T.، Rochelle (۲۰۰۷). Alternative Stripper Configurations for CO2 Capture by Aqueous Amines. AIChE Journal.
  • Raphael، Idem (۲۰۰۶). Pilot Plant Studies of the CO2 Capture Performance of Aqueoues MEA and Mixed MEA/MDEA Solvents at the University of Regina CO2 Capture Technology Development Plant and the Boundary Dam CO2 Capture Demonstration Plant". nd. Eng. Chem. Res.