Depurazione amminica del gas dall'idrogeno solforato: principio, varianti efficaci e schemi di impianti

Nel gas naturale estratto dai giacimenti per la fornitura al consumatore attraverso le condotte, sono presenti in diverse proporzioni composti solforati. Se non vengono rimossi, le sostanze aggressive distruggeranno la tubatura, rendendo inutilizzabili le valvole. Inoltre, durante la combustione del combustibile blu inquinato vengono rilasciate tossine.

Per evitare conseguenze negative, si effettua la depurazione amminica del gas dall'idrogeno solforato. È il metodo più semplice ed economico per separare i componenti nocivi dal combustibile fossile. Spiegheremo come avviene il processo di separazione delle inclusioni solforate, come è strutturato e funziona l'impianto di depurazione.

Scopo della depurazione del combustibile fossile

Il gas è il tipo di combustibile più popolare. Attrae per il prezzo estremamente accessibile e per il minimo danno all'ambiente. Tra i vantaggi indiscutibili vi sono la semplicità di controllo del processo di combustione e la possibilità di rendere sicure tutte le fasi di lavorazione del combustibile durante la produzione di energia termica.

Tuttavia, il combustibile fossile gassoso naturale non viene estratto in forma pura, poiché contemporaneamente all'estrazione del gas dal pozzo vengono prelevati composti organici associati. Il più comune tra questi è l'idrogeno solforato, il cui contenuto varia da decimi di punto percentuale fino al dieci percento o più, a seconda del giacimento.

L'acido solfidrico è tossico, pericoloso per l'ambiente, dannoso per i catalizzatori utilizzati nella lavorazione del gas. Come abbiamo già notato, questo composto organico è estremamente aggressivo nei confronti dei tubi in acciaio e delle valvole di intercettazione metalliche.

Naturalmente, corroedendo il sistema privato e il gasdotto principale, l'idrogeno solforato provoca perdite di gas combustibile e situazioni estremamente negative e rischiose ad esse correlate. Per proteggere il consumatore, i composti nocivi per la salute vengono rimossi dalla composizione del combustibile gassoso già prima della sua immissione nella rete principale.

Secondo le normative, la quantità di composti di acido solfidrico nel gas trasportato nei tubi non può superare 0,02 g/m³. Tuttavia, in realtà, è spesso molto maggiore. Per raggiungere il valore regolamentato dalla norma GOST 5542-2014, è necessaria la purificazione.

Metodi esistenti per la separazione dell'idrogeno solforato

Oltre all'acido solfidrico, che predomina rispetto ad altre impurità, nel combustibile blu possono essere presenti anche altri composti nocivi. In esso si possono trovare anidride carbonica, mercaptani leggeri e solfuro di carbonile. Ma l'acido solfidrico prevarrà sempre direttamente.

Vale la pena notare che un contenuto trascurabile di composti solforati nel combustibile gassoso purificato è consentito. Il valore specifico di tolleranza dipende dagli scopi per cui il gas viene estratto. Ad esempio, per la produzione di ossido di etilene, il contenuto totale di impurità solforate deve essere inferiore a 0,0001 mg/m³.

Il metodo di pulizia viene scelto in base al risultato desiderato.

Tutti i metodi attualmente esistenti sono suddivisi in due gruppi:

• Sorbenti. Consistono nell'assorbimento di composti di idrogeno solforato da parte di un reagente solido (adsorbimento) o liquido (assorbimento) con successiva separazione dello zolfo o dei suoi derivati. Successivamente, le impurità nocive estratte dal gas vengono smaltite o trattate.
• Catalitici. Consistono nell'ossidazione o riduzione dell'idrogeno solforato convertendolo in zolfo elementare. Il processo viene realizzato in presenza di catalizzatori – sostanze che stimolano il decorso della reazione chimica.

L'adsorbimento prevede la raccolta dell'idrogeno solforato concentrandolo sulla superficie di una sostanza solida. Più spesso nel processo di adsorbimento vengono utilizzati materiali granulari a base di carbone attivo o ossido di ferro. La grande superficie specifica caratteristica dei grani favorisce la massima ritenzione delle molecole di zolfo.

Tutte le metodiche di pulizia del combustibile blu sono suddivise in sorbenti e catalitiche. Le apparecchiature di pulizia sono orientate al principio di funzionamento di una determinata tecnologia. Tuttavia, esistono impianti in cui vengono combinati più metodi, consentendo così una depurazione completa.

La tecnologia di assorbimento si differenzia perché le impurità gassose di idrogeno solforato si dissolvono in una sostanza liquida attiva. Di conseguenza, le contaminazioni gassose passano alla fase liquida. Quindi, i componenti nocivi estratti vengono rimossi mediante evaporazione, altrimenti desorbimento, e in questo modo vengono eliminati dal liquido reattivo.

Nonostante il fatto che la tecnologia di adsorbimento appartenga ai 'processi a secco' e consenta una raffinata pulizia del combustibile blu, nella rimozione delle impurità dal gas naturale viene più spesso utilizzato l'assorbimento. La raccolta e l'eliminazione dei composti di idrogeno solforato con l'uso di assorbitori liquidi è più vantaggiosa e conveniente.

Il tipo di adsorbente più popolare è il carbone attivo, utilizzato sotto forma di capsule o grani. La superficie di ogni elemento “assorbe” l'idrogeno solforato e altre inclusioni organiche.

I metodi di assorbimento utilizzati nella depurazione del gas si dividono nei seguenti tre gruppi:

• Chimici. Vengono effettuati utilizzando solventi che reagiscono liberamente con i contaminanti acidi dell'idrogeno solforato. La massima capacità assorbente tra i sorbenti chimici è posseduta da etanolammine o alcanolammine.
• Fisici. Vengono eseguiti mediante dissoluzione fisica dell'idrogeno solforato gassoso in un assorbitore liquido. Inoltre, maggiore è la pressione parziale del contaminante gassoso, più rapido è il processo di dissoluzione. Come assorbitore qui vengono utilizzati metanolo, carbonato di propilene, ecc.
• Combinati. Nel metodo misto di estrazione dell'acido solfidrico vengono impiegate entrambe le tecnologie. Il lavoro principale è svolto mediante assorbimento, mentre la purificazione fine è eseguita con adsorbenti.

Da mezzo secolo, la tecnologia più richiesta e popolare per l'estrazione e la rimozione di acido solfidrico e acido carbonico dal combustibile naturale è la purificazione chimica del gas mediante un assorbente amminico, utilizzato in forma di soluzione acquosa.

Le metodiche di assorbimento per la purificazione del combustibile naturale si basano sulla capacità delle sostanze solide e liquide di reagire con l'acido solfidrico e altre impurità organiche, separandole così dalla composizione del gas.

La tecnologia amminica è più adatta per il trattamento di grandi volumi di gas, perché:

• Assenza di scarsità. I reagenti sono sempre acquistabili nella quantità richiesta per la purificazione.
• Assorbimento accettabile. Le ammine sono caratterizzate da un'elevata capacità di assorbimento. Tra tutte le sostanze utilizzate, solo loro sono in grado di rimuovere il 99,9% di acido solfidrico dal gas.
• Caratteristiche prioritarie. Le soluzioni acquose di ammine si distinguono per la viscosità massimamente accettabile, densità dei vapori, stabilità termica e chimica, bassa capacità termica. Le loro caratteristiche garantiscono il miglior svolgimento del processo di assorbimento.
• Assenza di tossicità delle sostanze reattive. Questo è un argomento non trascurabile che convince a ricorrere proprio al metodo amminico.
• Selettività. Qualità necessaria durante l'assorbimento selettivo. Essa garantisce la possibilità di eseguire in sequenza le reazioni necessarie nell'ordine richiesto per un risultato ottimale.

Tra gli etanolammine utilizzate nei metodi chimici di purificazione del gas da acido solfidrico e anidride carbonica rientrano la monoetanolammina (MEA), la dietanolammina (DEA), la trietanolammina (TEA). Inoltre, le sostanze con i prefissi mono- e di- eliminano dal gas sia H₂S che CO₂. Il terzo tipo, invece, aiuta a rimuovere solo l'acido solfidrico.

Per la pulizia selettiva del gas naturale si utilizzano metildietanolammine (MDEA), diglicolammine (DGA), diisopropanolammine (DIPA). Gli assorbenti selettivi sono utilizzati principalmente all'estero.

Naturalmente, non esistono ancora assorbenti ideali che soddisfino tutti i requisiti di purificazione prima dell'immissione nel sistema di riscaldamento a gas e di alimentazione di altre apparecchiature. Ogni solvente ha dei vantaggi insieme agli svantaggi. Nella scelta della sostanza reattiva si determina semplicemente la più adatta tra quelle proposte.

Principio di funzionamento di un tipico impianto

La soluzione di monoetanolammina è caratterizzata dalla massima capacità di assorbimento rispetto all'H₂S. Tuttavia, questo reagente presenta un paio di inconvenienti significativi. Si distingue per una pressione piuttosto elevata e per la capacità di formare composti irreversibili con l'ossido di carbonio durante il funzionamento dell'impianto di purificazione del gas con ammine.

Il primo inconveniente viene eliminato mediante lavaggio, per cui i vapori di ammina vengono parzialmente assorbiti. Il secondo si verifica raramente durante la lavorazione dei gas di estrazione.

La concentrazione della soluzione acquosa di monoetanolammina viene determinata empiricamente; sulla base delle ricerche condotte, viene adottata per la purificazione del gas proveniente da un determinato giacimento. Nella scelta della percentuale del reagente si tiene conto della sua capacità di resistere all'azione aggressiva dell'idrogeno solforato sui componenti metallici dell'impianto.

Il contenuto standard della sostanza assorbente è generalmente compreso tra il 15 e il 20%. Tuttavia, capita spesso che la concentrazione venga aumentata fino al 30% o ridotta al 10%, a seconda del grado di purificazione richiesto. In altre parole, a seconda dello scopo per cui verrà utilizzato il gas: per riscaldamento o per la produzione di composti polimerici.

Si noti che all'aumentare della concentrazione dei composti amminici, diminuisce la capacità corrosiva dell'idrogeno solforato. Ma bisogna considerare che in questo caso aumenta il consumo di reagente. Di conseguenza, aumenta il costo del gas commerciale purificato.

L'unità principale dell'impianto di purificazione è l'assorbitore, a piatti o a riempimento. Si tratta di un apparecchio orientato verticalmente, che all'esterno ricorda una provetta, con riempimenti o piatti disposti all'interno. Nella parte inferiore è presente un ingresso per l'alimentazione della miscela di gas non purificato, nella parte superiore un'uscita verso lo scrubber.

Se il gas da depurare nell'impianto si trova a una pressione sufficiente per far passare il reagente nello scambiatore di calore e poi nella colonna di strippaggio, il processo avviene senza l'uso della pompa. Se la pressione è insufficiente per il flusso del processo, il deflusso viene stimolato dalla pompa.

Il flusso di gas, dopo essere passato attraverso il separatore di ingresso, viene spinto nella parte inferiore dell'assorbitore. Quindi attraversa i piatti o i riempimenti situati al centro del corpo, sui quali si depositano le impurità contaminanti. I riempimenti, completamente bagnati dalla soluzione amminica, sono separati tra loro da griglie per una distribuzione uniforme del reagente.

Successivamente, il combustibile blu pulito dalle impurità viene inviato allo scrubber. Questo dispositivo può essere collegato nello schema di trattamento dopo l'assorbitore o essere situato nella parte superiore dello stesso.

La soluzione esausta scorre verso il basso lungo le pareti dell'assorbitore e viene inviata alla colonna di strippaggio – il desorbitore con bollitore. Lì la soluzione viene purificata dalle impurità assorbite dai vapori emessi durante l'ebollizione dell'acqua, per poi tornare all'impianto.

La soluzione rigenerata, cioè liberata dai composti di idrogeno solforato, fluisce nello scambiatore di calore. In esso il liquido viene raffreddato mentre trasferisce calore alla successiva porzione di soluzione contaminata, dopodiché viene spinto dalla pompa nel refrigeratore per un raffreddamento completo e la condensazione del vapore.

La soluzione assorbente raffreddata viene nuovamente alimentata all'assorbitore. In questo modo il reagente circola nell'impianto. Anche i suoi vapori vengono raffreddati e purificati dalle impurità acide, dopodiché reintegrano la scorta di reagente.

Molto spesso nella purificazione del gas si utilizzano schemi con monoetanolammina e dietanolammina. Questi reagenti consentono di estrarre dal combustibile blu non solo idrogeno solforato, ma anche anidride carbonica.

Se è necessario rimuovere simultaneamente dal gas trattato CO₂ e H₂S, si esegue una purificazione a due stadi. Essa consiste nell'utilizzo di due soluzioni con concentrazioni diverse. Questa opzione è più economica della purificazione a stadio singolo.

Inizialmente il combustibile gassoso viene purificato con una composizione forte contenente il 25-35% di reagente. Quindi il gas viene trattato con una soluzione acquosa debole, in cui il principio attivo è solo del 5-12%. Alla fine si esegue sia una purificazione grossolana che fine con un consumo minimo di soluzione e un uso ragionevole del calore rilasciato.

Quattro varianti di depurazione con alcolammine

Le alcanolammine o amminoalcoli sono sostanze che contengono non solo un gruppo amminico, ma anche un gruppo ossidrilico.

Il design degli impianti e le tecnologie di purificazione del gas naturale con alcanolammine differiscono principalmente per il metodo di alimentazione della sostanza assorbente. Molto spesso nella purificazione del gas con questo tipo di ammine si utilizzano quattro metodiche principali.

Primo metodo. Prevede l'alimentazione della soluzione attiva con un unico flusso dall'alto. L'intero volume di assorbente viene inviato al piatto superiore dell'impianto. Il processo di purificazione avviene a una temperatura non superiore a 40°C.

Il metodo di purificazione più semplice prevede l'alimentazione della soluzione attiva in un unico flusso. Questa tecnica viene utilizzata se la quantità di impurità nel gas è insignificante.

Questa tecnica viene solitamente utilizzata in caso di contaminazione minore da composti di idrogeno solforato e anidride carbonica. L'effetto termico totale per ottenere gas commerciale è generalmente basso.

Secondo metodo. Questa variante di purificazione viene utilizzata in presenza di un alto contenuto di composti di idrogeno solforato nel combustibile gassoso.

La soluzione reattiva in questo caso viene alimentata in due flussi. Il primo, con un volume di circa il 65-75% della massa totale, viene inviato al centro dell'impianto, il secondo viene fornito dall'alto.

La soluzione amminica scorre verso il basso attraverso i piatti e incontra i flussi di gas ascendenti, che vengono immessi sul piatto inferiore dell'unità di assorbimento. Prima dell'alimentazione, la soluzione viene riscaldata al massimo fino a 40°C, ma durante l'interazione del gas con l'ammina la temperatura aumenta significativamente.

Per evitare che l'efficienza della pulitura diminuisca a causa dell'aumento della temperatura, il calore in eccesso viene rimosso insieme alla soluzione esausta satura di idrogeno solforato. Nella parte superiore dell'impianto, il flusso viene raffreddato per estrarre i residui di componenti acidi insieme al condensato.

Il secondo e il terzo dei metodi descritti prevedono l'alimentazione della soluzione assorbente in due flussi. Nel primo caso, il reagente viene fornito a una temperatura, nel secondo a una temperatura diversa.

Questo è un metodo economico che consente di ridurre il consumo sia di energia che di soluzione attiva. Non viene effettuato alcun riscaldamento aggiuntivo in nessuna fase. In sostanza tecnologica, si tratta di una purificazione a due livelli che offre la possibilità di preparare il gas commerciale per l'immissione nella rete principale con perdite minime.

Terzo metodo. Prevede l'alimentazione dell'assorbitore nell'impianto di purificazione con due flussi a temperature diverse. La tecnica viene utilizzata se, oltre all'idrogeno solforato e all'anidride carbonica, nel gas grezzo sono presenti anche CS₂ e COS.

La maggior parte dell'assorbitore, circa il 70-75%, viene riscaldata a 60-70°C, mentre la parte restante solo a 40°C. I flussi vengono immessi nell'assorbitore come nel caso precedentemente descritto: dall'alto e al centro.

La formazione di una zona ad alta temperatura consente di estrarre rapidamente e qualitativamente le impurità organiche dalla massa gassosa nella parte inferiore della colonna di purificazione. Nella parte superiore, il biossido di carbonio e l'idrogeno solforato vengono precipitati dall'ammina a temperatura standard.

Quarto metodo. Questa tecnologia prevede l'alimentazione di una soluzione acquosa di ammina in due flussi con diverso grado di rigenerazione. Cioè, uno viene fornito non purificato, contenente inclusioni di idrogeno solforato, il secondo – senza di esse.

Il primo flusso non può essere definito completamente contaminato. Contiene solo parzialmente componenti acidi, perché una parte di essi viene rimossa durante il raffreddamento a +50°C/+60°C nello scambiatore di calore. Questo flusso di soluzione viene prelevato dal pacco di fondo del desorbitore, raffreddato e inviato alla parte centrale della colonna.

Quando il contenuto di idrogeno solforato e anidride carbonica nel combustibile gassoso è significativo, la purificazione viene effettuata con due flussi di soluzione a diverso grado di rigenerazione.

Solo la parte di soluzione immessa nel settore superiore dell'impianto subisce una purificazione profonda. La temperatura di questo flusso di solito non supera i 50°C. Qui viene eseguita una raffinazione fine del combustibile gassoso. Questo schema consente di ridurre i costi di almeno il 10% grazie alla riduzione del consumo di vapore.

È chiaro che il metodo di purificazione viene scelto in base alla presenza di contaminanti organici e alla convenienza economica. In ogni caso, la varietà di tecnologie consente di selezionare l'opzione ottimale. Nella stessa unità di trattamento del gas con ammine è possibile variare il grado di purificazione, ottenendo un combustibile blu con le caratteristiche necessarie per il funzionamento di caldaie a gas, piani cottura e riscaldatori.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Il seguente video illustra le specificità dell'estrazione dell'idrogeno solforato dal gas associato, estratto insieme al petrolio da un pozzo petrolifero:

Un video presenterà l'impianto di purificazione del combustibile blu dall'idrogeno solforato con ottenimento di zolfo elementare per ulteriore lavorazione:

L'autore di questo video spiegherà come eliminare l'idrogeno solforato dal biogas in ambiente domestico:

La scelta del metodo di purificazione del gas si basa principalmente sulla risoluzione di un compito specifico. L'esecutore ha due strade: seguire uno schema collaudato o preferire qualcosa di nuovo. Tuttavia, il punto di riferimento principale dovrebbe essere comunque la convenienza economica, preservando la qualità e ottenendo il grado di trattamento desiderato.