Очистка газа амином
Очистка газа амином , также известная как очистка амином , обессеривание газа и удаление кислого газа , относится к группе процессов, в которых используются водные растворы различных алкиламинов (обычно называемых просто аминами ) для удаления сероводорода (H 2 S) и диоксида углерода. (CO 2 ) из газов. [1] [2] [3] Это обычный единичный процесс , используемый на нефтеперерабатывающих заводах , а также на нефтехимических заводах, заводах по переработке природного газа и других отраслях промышленности.
Процессы на нефтеперерабатывающих или химических заводах по удалению сероводорода называются «подслащивающими» процессами, поскольку запах обработанных продуктов улучшается за счет отсутствия «кислого» сероводорода. Альтернативой использованию аминов является мембранная технология . Однако мембранное разделение менее привлекательно из-за относительно высоких капитальных и эксплуатационных затрат, а также других технических факторов. [4]
При очистке газа используется множество различных аминов:
- Диэтаноламин (ДЭА)
- Моноэтаноламин (МЭА)
- Метилдиэтаноламин (МДЭА)
- Диизопропаноламин (ДИПА)
- Аминоэтоксиэтанол (дигликоламин) (DGA)
Наиболее часто используемые амины на промышленных предприятиях — это алканоламины ДЭА, МЭА и МДЭА. Эти амины также используются на многих нефтеперерабатывающих заводах для удаления сернистых газов из жидких углеводородов, таких как сжиженный нефтяной газ (СНГ).
Описание типичного аминного очистителя
[ редактировать ]Газы, содержащие H 2 S или оба H 2 S и CO 2 обычно называют кислыми газами или кислыми газами в промышленности по переработке углеводородов .
Химический состав аминной обработки таких газов несколько варьируется в зависимости от конкретного используемого амина. Для одного из наиболее распространенных аминов, моноэтаноламина (MEA), обозначаемого как RNH 2 , кислотно-основная реакция , включающая протонирование амина электронной пары с образованием положительно заряженной аммониевой группы (RNH +
3 ) можно выразить как:
- РНХ 2+ Ч 2 С ⇌ РНХ +
3 + ГС − - РНХ 2 + Н
2 СО
3 ⇌ РНХ +
3 + ОЗ −
3
Образующиеся диссоциированные и ионизированные частицы, более растворимые в растворе, улавливаются или очищаются раствором амина и поэтому легко удаляются из газовой фазы. Таким образом , на выходе из аминного скруббера обессеренный газ обедняется H 2 S и CO 2 .
Типичный процесс очистки аминового газа ( процесс Гирботола , как показано на технологической схеме ниже) включает в себя блок абсорбера и блок регенератора, а также вспомогательное оборудование. В абсорбере стекающий вниз раствор амина поглощает H 2 S и CO 2 из восходящего сернистого газа с получением потока обессеренного газа (т.е. газа, свободного от сероводорода и диоксида углерода) в качестве продукта и раствора амина, богатого поглощенными кислыми газами. Полученный «богатый» амин затем направляется в регенератор (отпарную колонну с ребойлером ) для производства регенерированного или «бедного» амина, который рециркулируется для повторного использования в абсорбере. Отпаренный головной газ из регенератора концентрируется H 2 S и CO 2 .
Альтернативные процессы
[ редактировать ]Альтернативные конфигурации отпарной колонны включают матрицу, внутренний обмен, мгновенную подачу и многократную подачу с разделенной подачей. Многие из этих конфигураций обеспечивают большую энергоэффективность для конкретных растворителей или условий эксплуатации. Работа в вакууме благоприятствует растворителям с низкой теплотой абсорбции, тогда как работа при нормальном давлении предпочитает растворители с высокой теплотой абсорбции. Растворители с высокой теплотой абсорбции требуют меньше энергии для удаления из-за колебаний температуры при фиксированной производительности. Матричный стриппер восстанавливает 40% CO 2 при более высоком давлении и не имеет неэффективности, связанной с стриппером с несколькими давлениями. Энергия и затраты снижаются, поскольку рабочий цикл ребойлера немного меньше, чем у обычного отпарного аппарата под давлением. В отпарной колонне с внутренним обменом соотношение водяного пара к CO 2 в потоке верхнего погона меньше, и поэтому требуется меньше пара. Конфигурация с несколькими давлениями и разделенной подачей уменьшает поток в нижнюю секцию, что также снижает эквивалентную работу. Мгновенная подача требует меньшего количества тепла, поскольку она использует скрытую теплоту водяного пара, чтобы помочь удалить часть CO. 2 в богатом потоке, поступающем в отпарную колонну в нижней части колонны. Конфигурация с несколькими давлениями более привлекательна для растворителей с более высокой теплотой абсорбции. [5]
Амины
[ редактировать ]Концентрация амина в водном растворе абсорбента является важным параметром при разработке и проведении процесса очистки газа амином. В зависимости от того, для использования какого из следующих четырех аминов была разработана установка и для удаления каких газов она предназначена, существуют типичные концентрации аминов, выраженные в массовых процентах чистого амина в водном растворе: [1]
- Моноэтаноламин: около 20 % для удаления H 2 S и CO 2 и около 32 % для удаления только CO 2 .
- Диэтаноламин: удаление примерно 20–25 % H 2 S и CO 2.
- Метилдиэтаноламин: около 30–55 % для удаления H 2 S и CO 2.
- Дигликоламин: около 50 % для удаления H 2 S и CO 2.
Выбор концентрации амина в циркулирующем водном растворе зависит от ряда факторов и может быть весьма произвольным. Обычно это делается просто на основе опыта. При этом учитываются следующие факторы: обрабатывает ли установка амина сырой природный газ или нефтепереработки газы побочных продуктов , которые содержат относительно низкие концентрации как H 2 S, так и CO 2, или же установка обрабатывает газы с высоким процентом CO 2, такие как отходящие газы процесса парового риформинга, используемые при аммиака , или дымовые газы электростанций производстве . [1]
И H 2 S, и CO 2 являются кислыми газами и, следовательно, вызывают коррозию углеродистой стали . Однако в установке очистки амином CO 2 является более сильной кислотой из двух. H 2 S образует на поверхности стали пленку сульфида железа , которая защищает сталь. При очистке газов с высоким содержанием CO 2 часто применяют ингибиторы коррозии, что позволяет использовать более высокие концентрации амина в циркулирующем растворе.
Другим фактором, влияющим на выбор концентрации амина, является относительная растворимость H 2 S и CO 2 в выбранном амине. [1] Выбор типа амина повлияет на требуемую скорость циркуляции раствора амина, затраты энергии на регенерацию и возможность селективного удаления либо только H 2 S, либо только CO 2, если это желательно. За дополнительной информацией о выборе концентрации амина читатель отсылается к книге Коля и Нильсена.
МЭА и ДЭА
[ редактировать ]МЭА и ДЭА представляют собой первичные и вторичные амины. Они очень реакционноспособны и могут эффективно удалять большие объемы газа благодаря высокой скорости реакции. Однако из-за стехиометрии емкость загрузки ограничена 0,5 моль CO 2 на моль амина. [6] MEA и DEA также требуют большого количества энергии для удаления CO 2 во время регенерации, что может составлять до 70% общих эксплуатационных затрат. Они также более агрессивны и химически нестабильны по сравнению с другими аминами. [6]
Использование
[ редактировать ]На нефтеперерабатывающих заводах отпаренный газ состоит в основном из H 2 S, большая часть которого часто получается в результате процесса удаления серы, называемого гидрообессериванием . Этот поток отпаренного газа, обогащенного H 2 S, затем обычно направляют в процесс Клауса для его преобразования в элементарную серу . Фактически, подавляющее большинство из 64 000 000 метрических тонн серы, произведенной во всем мире в 2005 году, представляло собой побочный продукт нефтеперерабатывающих заводов и других заводов по переработке углеводородов. [7] [8] Еще одним процессом удаления серы является процесс WSA , который восстанавливает серу в любой форме в виде концентрированной серной кислоты . На некоторых заводах более одного блока аминного абсорбера могут использовать общий блок регенератора. Текущий акцент на удалении CO 2 из дымовых газов, выбрасываемых электростанциями, работающими на ископаемом топливе, привел к большому интересу к использованию аминов для удаления CO 2 (см. Также: улавливание и хранение углерода и традиционные угольные электростанции ).
В конкретном случае промышленного синтеза аммиака , в процессе паровой конверсии углеводородов с получением газообразного водорода , обработка амином является одним из обычно используемых процессов для удаления избыточного диоксида углерода при окончательной очистке газообразного водорода.
При производстве биогаза иногда необходимо удалить из биогаза углекислый газ, чтобы сделать его сравнимым с природным газом. Удаление иногда высокого содержания сероводорода необходимо для предотвращения коррозии металлических деталей после сжигания биогаза. [9]
Улавливание и хранение углерода
[ редактировать ]Амины используются для удаления CO 2 в различных областях – от добычи природного газа до пищевой промышленности и производства напитков – уже более шестидесяти лет. [10]
Существует несколько классификаций аминов, каждая из которых имеет разные характеристики улавливания CO 2 . Например, моноэтаноламин (МЭА) сильно реагирует с кислыми газами, такими как CO 2 , имеет быстрое время реакции и способность удалять высокий процент CO 2 даже при низких концентрациях CO 2 . Обычно моноэтаноламин (МЭА) может улавливать от 85% до 90% CO 2 из дымовых газов угольных электростанций, что является одним из наиболее эффективных растворителей для улавливания CO 2 . [11]
Проблемы улавливания углерода с использованием амина включают:
- Газ низкого давления увеличивает сложность перевода CO 2 из газа в амин.
- Содержание кислорода в газе может вызвать разложение амина и образование кислоты.
- Разложение CO 2 первичных (и вторичных) аминов
- Высокое энергопотребление
- Очень большие помещения
- Поиск подходящего места (увеличенная нефтеотдача, глубокие соленые водоносные горизонты, базальтовые породы...) для утилизации удаленного CO 2 [12]
Парциальное давление является движущей силой перевода CO 2 в жидкую фазу. При низком давлении такую передачу трудно осуществить без увеличения тепловой нагрузки ребойлеров, что приведет к увеличению затрат. [12]
Первичные и вторичные амины, например, МЭА и ДЭА, вступают в реакцию с CO 2 и образуют продукты разложения. O 2 из входящего газа также будет вызывать деградацию. Разложившийся амин больше не способен улавливать CO 2 , что снижает общую эффективность улавливания углерода. [12]
В настоящее время синтезируются и тестируются различные смеси аминов для достижения более желательного набора общих свойств для использования в системах улавливания CO 2 . Одним из основных направлений является снижение затрат энергии, необходимой для регенерации растворителя, что существенно влияет на производственные затраты. Однако следует учитывать компромиссы. Например, энергия, необходимая для регенерации, обычно связана с движущими силами достижения высокой способности улавливания. Таким образом, снижение энергии регенерации может снизить движущую силу и тем самым увеличить количество растворителя и размер поглотителя, необходимые для улавливания заданного количества CO 2 , тем самым увеличивая капитальные затраты. [11]
См. также
[ редактировать ]- Производство аммиака
- Гидрообессеривание
- Процесс WSA
- Процесс Клауса
- Селексол
- Ректизол
- Амин
- Ионные жидкости при улавливании углерода
- Твердые сорбенты для улавливания углерода
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Артур Коль; Ричард Нильсон (1997). Очистка газа (5-е изд.). Издательство Галф. ISBN 0-88415-220-0 .
- ^ Гэри, Дж. Х.; Хандверк, GE (1984). Технология и экономика нефтепереработки (2-е изд.). Марсель Деккер, Inc. ISBN 0-8247-7150-8 .
- ^ США 4080424 , Лорен Н. Миллер и Томас С. Завацки, «Процесс удаления кислого газа из газовых смесей», выдан 21 марта 1978 г., передан Институту газовых технологий.
- ^ Бейкер, Р.В. (2002). «Будущие направления технологии мембранного газоразделения». Индийский англ. хим. Рез . 41 (6): 1393–1411. дои : 10.1021/ie0108088 .
- ^ Ойенекан, Бабатунде; Рошель, Гэри Т. (2007). «Альтернативные конфигурации отпарной колонны для улавливания CO2 водными аминами». Журнал Айше . 53 (12): 3144–154. дои : 10.1002/aic.11316 .
- ^ Перейти обратно: а б То же, Рафаэль (2006). «Пилотные исследования эффективности улавливания CO 2 Университета Реджайны водными растворами МЭА и смешанных растворителей МЭА/МДЭА на заводе по разработке технологий улавливания CO 2 на пограничной плотине и демонстрационном заводе по улавливанию CO 2 ». Индийский англ. хим. Рез . 45 (8): 2414–2420. дои : 10.1021/ie050569e .
- ^ Отчет о производстве серы Геологической службы США.
- ^ Обсуждение извлеченной серы побочного продукта
- ^ Абацоглу, Николас; Бойвин, Стив (2009). «Обзор процессов очистки биогаза». Биотопливо, биопродукты и биопереработка . 3 (1): 42–71. дои : 10.1002/bbb.117 . ISSN 1932-104Х . S2CID 84907789 .
- ^ Рошель, GT (2009). «Аминовая очистка для улавливания CO 2 ». Наука . 325 (5948): 1652–1654. Бибкод : 2009Sci...325.1652R . дои : 10.1126/science.1176731 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 19779188 . S2CID 206521374 .
- ^ Перейти обратно: а б Фолджер, П. (2009). «Улавливание углерода: оценка технологии». Отчет Исследовательской службы Конгресса для Конгресса . 5 : 26–44.
- ^ Перейти обратно: а б с Ву, Ин; Кэрролл, Джон Дж. (5 июля 2011 г.). Секвестрация углекислого газа и родственные технологии . Джон Уайли и сыновья. стр. 128–131. ISBN 978-0-470-93876-8 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Описание оборудования для десульфурации газа и условий эксплуатации
- Выбор аминов для установок десульфурации , Поласек Дж. (Bryan Research & Engineering) и Буллин Дж. А. (Техасский университет A&M), Региональное собрание Ассоциации переработчиков газа, сентябрь 1994 г.
- Ассоциация по поставкам природного газа. Прокрутите вниз до раздела «Удаление серы и углекислого газа».
- Описание классической книги по очистке газа. Архивировано 16 марта 2008 г. в Wayback Machine . Артур Коль; Ричард Нильсен. Очистка газа (Пятое изд.). Издательство Галф. ISBN 0-88415-220-0 .
| |||||
