معالجة غاز الأمين

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
محطة غاز الأمين في حقل غاز طبيعي

معالجة الغاز بالأمينات ، والمعروفة أيضاً باسم تنقية الغاز بالأمينات ، وتحلية الغاز ، وإزالة الغازات الحمضية ، تشير إلى مجموعة من العمليات التي تستخدم محاليل مائية من مختلف أنواع الألكيلامينات (المعروفة اختصاراً بالأمينات ) لإزالة كبريتيد الهيدروجين (H₂S ) وثاني أكسيد الكربون (CO₂ ) من الغازات. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] وهي عملية شائعة الاستخدام في مصافي النفط ، كما تُستخدم أيضاً في مصانع البتروكيماويات ، ومحطات معالجة الغاز الطبيعي ، وغيرها من الصناعات.

تُعرف العمليات التي تُجرى في مصافي النفط أو مصانع المعالجة الكيميائية لإزالة كبريتيد الهيدروجين بعمليات "التحلية"، وذلك لتحسين رائحة المنتجات المُعالجة نتيجةً لغياب كبريتيد الهيدروجين "الحامض". ويُعدّ استخدام تقنية الأغشية بديلاً عن استخدام الأمينات . إلا أن فصل الأغشية أقل جاذبيةً نظراً لارتفاع تكاليف رأس المال والتشغيل نسبياً، فضلاً عن عوامل تقنية أخرى. [ 4 ]

تُستخدم العديد من الأمينات المختلفة في معالجة الغاز:

أكثر الأمينات استخداماً في المصانع الصناعية هي ألكانولامينات DEA وMEA وMDEA. كما تُستخدم هذه الأمينات في العديد من مصافي النفط لإزالة الغازات الحامضة من الهيدروكربونات السائلة مثل غاز البترول المسال (LPG).

وصف لجهاز معالجة الأمينات النموذجي

تُعرف الغازات التي تحتوي على H2S أو كل من H2S و CO2 باسم الغازات الحامضة أو الغازات الحمضية في صناعات معالجة الهيدروكربونات .

تختلف الكيمياء المستخدمة في معالجة هذه الغازات بالأمينات باختلاف نوع الأمين المستخدم. بالنسبة لأحد الأمينات الأكثر شيوعًا، وهو أحادي إيثانول أمين (MEA) ويرمز له بـ RNH₂ ، يمكن التعبير عن تفاعل الحمض والقاعدة الذي يتضمن بروتنة زوج الإلكترونات في الأمين لتكوين مجموعة أمونيوم موجبة الشحنة (RNH⁺ ) كما يلي :

RNH₂ + H₂S ⇌ RNH₃ + 3 + HS⁻​​​
RNH 2 + H2 CO3 ⇌RNH + 3 +HCO − 3

تُحتجز الأنواع المتفككة والمتأينة الناتجة، كونها أكثر قابلية للذوبان في المحلول، بواسطة محلول الأمين، وبالتالي تُزال بسهولة من الطور الغازي. عند مخرج جهاز تنقية الأمين، يكون الغاز المُحلى خاليًا من كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون .

تتضمن عملية معالجة الغاز بالأمينات النموذجية ( عملية جيربوتول ، كما هو موضح في مخطط التدفق أدناه) وحدة امتصاص ووحدة تجديد، بالإضافة إلى معدات ملحقة. في وحدة الامتصاص، يمتص محلول الأمين المتدفق للأسفل ويتفاعل مع كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون من الغاز الحامض المتدفق للأعلى ، لإنتاج تيار غاز مُحلى (أي غاز خالٍ من كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون) كمنتج، ومحلول أمين غني بالغازات الحمضية الممتصة. ثم يُوجَّه الأمين "الغني" الناتج إلى وحدة التجديد (وحدة فصل مزودة بمُسخِّن ) لإنتاج أمين مُجدَّد أو "مُنقَّح" يُعاد تدويره لاستخدامه مرة أخرى في وحدة الامتصاص. ويُركَّز غاز كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون في الغاز العلوي المُستخلص من وحدة التجديد .

مخطط تدفق العمليات لعملية معالجة الأمينات النموذجية المستخدمة في مصافي البترول ومحطات معالجة الغاز الطبيعي وغيرها من المنشآت الصناعية.

العمليات البديلة

تشمل التكوينات البديلة لأجهزة التجريد: المصفوفة، والتبادل الداخلي، والتغذية الومضية، والضغط المتعدد مع التغذية المنفصلة. توفر العديد من هذه التكوينات كفاءة طاقة أعلى لمذيبات أو ظروف تشغيل محددة. يُفضل التشغيل تحت الفراغ المذيبات ذات حرارة الامتصاص المنخفضة، بينما يُفضل التشغيل تحت الضغط العادي المذيبات ذات حرارة الامتصاص العالية. تتطلب المذيبات ذات حرارة الامتصاص العالية طاقة أقل للتجريد من خلال تقلبات درجة الحرارة عند سعة ثابتة. يستعيد جهاز التجريد المصفوفي 40% من ثاني أكسيد الكربون عند ضغط أعلى، ولا يعاني من أوجه القصور المرتبطة بجهاز التجريد متعدد الضغط. يتم تقليل الطاقة والتكاليف نظرًا لأن دورة تشغيل المُسخِّن أقل بقليل من جهاز التجريد ذي الضغط العادي. يحتوي جهاز التجريد ذو التبادل الداخلي على نسبة أقل من بخار الماء إلى ثاني أكسيد الكربون في التيار العلوي، وبالتالي يتطلب كمية أقل من البخار. يقلل تكوين الضغط المتعدد مع التغذية المنفصلة من التدفق إلى القسم السفلي، مما يقلل أيضًا من العمل المكافئ. تتطلب عملية التغذية السريعة كمية أقل من الحرارة لأنها تستخدم الحرارة الكامنة لبخار الماء للمساعدة في إزالة جزء من ثاني أكسيد الكربون الموجود في التيار الغني الداخل إلى وحدة التجريد في أسفل العمود. ويُعدّ تصميم الضغط المتعدد أكثر جاذبية للمذيبات ذات حرارة الامتصاص العالية. [ 5 ]

الأمينات

يُعد تركيز الأمين في المحلول المائي الماص أحد المعايير المهمة في تصميم وتشغيل عملية معالجة الغازات بالأمين. وبناءً على نوع الأمين من بين الأمينات الأربعة التالية التي صُممت الوحدة لاستخدامها، والغازات التي صُممت لإزالتها، إليك بعض تراكيز الأمين النموذجية، معبرًا عنها كنسبة مئوية وزنية للأمين النقي في المحلول المائي: [ 1 ]

  • أحادي إيثانول أمين: حوالي 20  ٪ لإزالة H 2 S و CO 2 ، وحوالي 30  ٪ لإزالة CO 2 فقط ، حيث تكون معالجة المعادن في المصنع مناسبة.
  • ثنائي إيثانول أمين: يزيل حوالي 25 إلى 35 % من كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون
  • ميثيل ثنائي إيثانول أمين: حوالي 30 إلى 55 %  لإزالة كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون
  • ثنائي جليكولامين: حوالي 40 إلى 50  % لإزالة كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون

يعتمد اختيار تركيز الأمين في المحلول المائي المتداول على عدة عوامل، بما في ذلك تكوين غاز التغذية ( الغاز الطبيعي أو غازات المنتجات الثانوية لمصافي البترول) التي تحتوي على تركيزات منخفضة نسبيًا من كل من كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون ، أو ما إذا كانت الوحدة تعالج غازات ذات نسبة عالية من ثاني أكسيد الكربون مثل الغازات المنبعثة من عملية إعادة تشكيل البخار المستخدمة في إنتاج الأمونيا أو غازات المداخن من محطات توليد الطاقة . [ 1 ]

يُعد كل من كبريتيد الهيدروجين (H₂S) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) غازات حمضية، وبالتالي يُسببان تآكل الفولاذ الكربوني غير المحمي. وتزداد قدرتهما على التآكل بشكل كبير في وجود الرطوبة. مع ذلك، في وحدة المعالجة بالأمينات، يُعد ثاني أكسيد الكربون حمضًا أقوى من كبريتيد الهيدروجين. علاوة على ذلك، يُمكن لكبريتيد الهيدروجين تكوين طبقة واقية من كبريتيد الحديد ، والتي قد تعمل على حماية الفولاذ . [ 6 ] [ 7 ] عند معالجة الغازات بنسبة عالية من ثاني أكسيد الكربون ، يُعد التحكم في تركيز ثاني أكسيد الكربون في الأمين أمرًا بالغ الأهمية لحماية الفولاذ الكربوني من التآكل. فعند تركيزات الأمين العالية، يكون تأثيره على التآكل أقل مقارنةً بالتركيزات المنخفضة عند نفس معدل الدوران.

من العوامل الأخرى المؤثرة في اختيار تركيز الأمين، الذوبانية النسبية لكبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون في الأمين المُختار. [ 1 ] سيؤثر اختيار نوع الأمين على معدل دوران محلول الأمين المطلوب، واستهلاك الطاقة اللازم للتجديد، وإمكانية إزالة كبريتيد الهيدروجين أو ثاني أكسيد الكربون بشكل انتقائي عند الرغبة . لمزيد من المعلومات حول اختيار تركيز الأمين، يُرجى الرجوع إلى كتاب كول ونيلسن.

وزارة الشؤون الخارجية وإدارة مكافحة المخدرات

يُعدّ كلٌّ من أحادي إيثانول أمين (MEA) وثنائي إيثانول أمين (DEA) أمينات أولية وثانوية على التوالي. وهما شديدا التفاعل، ويستطيعان إزالة كميات كبيرة من الغاز بكفاءة عالية نظرًا لسرعة تفاعلهما. مع ذلك، وبسبب حسابات التكافؤ الكيميائي ، فإنّ سعة التحميل محدودة بـ 0.55  مول من ثاني أكسيد الكربون لكل مول من الأمين. [ 8 ] كما يتطلّب كلٌّ من MEA وDEA كمية كبيرة من الطاقة لإزالة ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية التجديد، والتي قد تصل إلى 70% من إجمالي تكاليف التشغيل. وهما أيضًا أكثر تآكلًا وأقل استقرارًا كيميائيًا مقارنةً بالأمينات الأخرى في حال تجاوز تركيزهما الحدّ المسموح به. [ 8 ]

أمينات أخرى

عمود امتصاص مبسط. نطاق التشغيل النموذجي: 35-50 درجة مئوية و5-205 ضغط جوي مطلق

تم اقتراح استخدام البيبرازين في تقنية احتجاز وتخزين الكربون (CCS) نظرًا لكفاءته العالية في إزالة ثاني أكسيد الكربون . [ 9 ] [ 10 ] تقع إمكانيات البيبرازين ضمن الحدود المسموح بها، مما يجعله خيارًا مفضلًا لاحتجاز الكربون. يمكن إعادة توليد البيبرازين حراريًا من خلال التقطير الومضي متعدد المراحل وطرق أخرى بعد استخدامه في درجات حرارة تشغيل تصل إلى 150 درجة مئوية، ثم يُعاد تدويره إلى عملية الامتصاص، مما يوفر أداءً طاقيًا إجماليًا أعلى في عمليات معالجة الغازات الأمينية. [ 11 ] وقد أُجريت دراسات تجريبية في محطات تجريبية. [ 12 ]

الاستخدامات

في مصافي النفط، يتكون الغاز المُستخلص في معظمه من كبريتيد الهيدروجين (H₂S ) ، والذي ينتج في الغالب عن عملية إزالة الكبريت المعروفة باسم إزالة الكبريت بالهيدروجين . يُوجَّه تيار الغاز المُستخلص الغني بكبريتيد الهيدروجين عادةً إلى عملية كلاوس لتحويله إلى كبريت عنصري . في الواقع، كانت الغالبية العظمى من الـ 64 مليون طن (63 مليون طن إنجليزي؛ 71 مليون طن أمريكي) من الكبريت المُنتَج عالميًا في عام 2005 عبارة عن كبريت ثانوي من المصافي ومحطات معالجة الهيدروكربونات الأخرى. [ 13 ] [ 14 ] ومن عمليات إزالة الكبريت الأخرى عملية امتصاص الأمينات (WSA) التي تستخلص الكبريت بأي شكل من الأشكال على هيئة حمض كبريتيك مركز . في بعض المحطات، قد تشترك أكثر من وحدة امتصاص أمينات في وحدة تجديد واحدة. وقد أدى التركيز الحالي على إزالة ثاني أكسيد الكربون من غازات المداخن المنبعثة من محطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري إلى اهتمام كبير باستخدام الأمينات لإزالة ثاني أكسيد الكربون ( انظر أيضًا: احتجاز الكربون وتخزينه ومحطة الطاقة التقليدية التي تعمل بالفحم ).

في الحالة المحددة للتخليق الصناعي للأمونيا ، بالنسبة لعملية إعادة تشكيل الهيدروكربونات بالبخار لإنتاج الهيدروجين الغازي ، تعد معالجة الأمين واحدة من العمليات الشائعة الاستخدام لإزالة ثاني أكسيد الكربون الزائد في التنقية النهائية للهيدروجين الغازي.

في إنتاج الغاز الحيوي، قد يكون من الضروري أحيانًا إزالة ثاني أكسيد الكربون منه لجعله مماثلاً للغاز الطبيعي. كما أن إزالة نسبة كبريتيد الهيدروجين المرتفعة أحيانًا ضرورية لمنع تآكل الأجزاء المعدنية بعد احتراق الغاز الحيوي. [ 15 ]

احتجاز الكربون وتخزينه

تُستخدم الأمينات لإزالة ثاني أكسيد الكربون في مجالات مختلفة تتراوح من إنتاج الغاز الطبيعي إلى صناعة الأغذية والمشروبات، وقد تم استخدامها منذ عام 1930. [ 16 ]

توجد تصنيفات متعددة للأمينات، ولكل منها خصائص مختلفة ذات صلة باحتجاز ثاني أكسيد الكربون . على سبيل المثال، يتفاعل أحادي إيثانول أمين (MEA) بقوة مع ثاني أكسيد الكربون، ويتميز بسرعة تفاعله وقدرته على إزالة نسب عالية منه ، حتى عند تركيزات منخفضة . عادةً، يستطيع أحادي إيثانول أمين (MEA) احتجاز ما بين 85% و90% من ثاني أكسيد الكربون من غازات المداخن في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم، مما يجعله أحد أكثر المذيبات فعالية في احتجاز ثاني أكسيد الكربون . [ 17 ]

تشمل تحديات احتجاز الكربون باستخدام الأمين ما يلي:

  • يؤدي انخفاض ضغط الغاز إلى زيادة صعوبة نقل ثاني أكسيد الكربون من الغاز إلى الأمين
  • يمكن أن يؤدي محتوى الأكسجين في الغاز إلى تحلل الأمينات وتكوين الأحماض.
  • تحلل الأمينات الأولية (والثانوية) بواسطة ثاني أكسيد الكربون
  • استهلاك عالٍ للطاقة
  • مرافق كبيرة جداً
  • إيجاد موقع مناسب (استخلاص النفط المعزز، طبقات المياه المالحة العميقة، الصخور البازلتية ...) للتخلص من ثاني أكسيد الكربون الذي تمت إزالته [ 18 ]

يُعدّ الضغط الجزئي القوة الدافعة لنقل ثاني أكسيد الكربون إلى الحالة السائلة. في ظل الضغط المنخفض، يصعب تحقيق هذا النقل دون زيادة الحمل الحراري للمُسخّنات، مما سيؤدي إلى ارتفاع التكاليف. [ 18 ]

تتفاعل الأمينات الأولية والثانوية، مثل أحادي إيثانول أمين (MEA) وثنائي إيثانول أمين (DEA)، مع ثاني أكسيد الكربون (CO₂) مُكَوِّنةً نواتج تحلل. كما يُساهم الأكسجين (O₂ ) الموجود في الغاز الداخل في التحلل أيضًا. وبذلك، يفقد الأمين المتحلل قدرته على امتصاص ثاني أكسيد الكربون ، مما يُقلل من كفاءة امتصاص الكربون الإجمالية. [ 18 ]

يجري حاليًا تصنيع واختبار مجموعة متنوعة من مخاليط الأمينات لتحقيق خصائص أفضل لاستخدامها في أنظمة احتجاز ثاني أكسيد الكربون . وينصبّ التركيز الرئيسي على خفض الطاقة اللازمة لتجديد المذيب، لما لذلك من تأثير كبير على تكاليف العملية. مع ذلك، ثمة جوانب يجب مراعاتها. فعلى سبيل المثال، ترتبط الطاقة اللازمة للتجديد عادةً بالقوى الدافعة لتحقيق قدرات احتجاز عالية. وبالتالي، فإن خفض طاقة التجديد قد يُقلل من القوة الدافعة، مما يزيد من كمية المذيب وحجم الممتص اللازمين لاحتجاز كمية معينة من ثاني أكسيد الكربون ، وبالتالي يزيد من التكلفة الرأسمالية. [ 17 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 آرثر كول؛ ريتشارد نيلسون (1997). تنقية الغاز (  الطبعة الخامسة). دار نشر جلف. ISBN 0-88415-220-0.
  2. ↑ غاري، جيه إتش؛ هاندويرك، جي إي (1984). تكنولوجيا واقتصاديات تكرير البترول ( الطبعة الثانية). مارسيل ديكر، إنك. ISBN  0-8247-7150-8.
  3. ↑ براءة الاختراع الأمريكية رقم 4080424 ، لورين ن. ميلر وتوماس س. زواكي، "عملية إزالة الغازات الحمضية من المخاليط الغازية"، الصادرة في 21 مارس 1978، والمُسجلة باسم معهد تكنولوجيا الغاز. 
  4. ↑ بيكر، آر دبليو (2002). "الاتجاهات المستقبلية لتكنولوجيا فصل الغازات بالأغشية". مجلة الهندسة الكيميائية والبحوث الصناعية . 41 (6): 1393-1411 . doi : 10.1021/ie0108088 .
  5. ↑ أويينيكان، باباتوندي؛ روشيل، غاري ت. (2007). "تكوينات بديلة لفصل ثاني أكسيد الكربون بواسطة الأمينات المائية". مجلة AIChE . 53 (12): 3144-3154 . Bibcode : 2007AIChE..53.3144O . doi : 10.1002/aic.11316 .
  6. ↑ غابيتا، جي.؛ كوريرا، إس.؛ سغورلون، إس.؛ بيستيتي، إم. (2018). "شروط اختبار اختيار مواد خطوط الأنابيب باستخدام الغاز الحامض عالي الضغط" . المجلة الدولية للتآكل : 1-9 . doi : 10.1155/2018/3402692 .
  7. ↑ سبونر، بنيامين. "FeS: صديق أم عدو؟" .
  8. 1 2 إيدم، رافائيل (2006). "دراسات تجريبية لأداء احتجاز ثاني أكسيد الكربون باستخدام مذيبات MEA المائية ومذيبات MEA/MDEA المختلطة في محطة تطوير تكنولوجيا احتجاز ثاني أكسيد الكربون بجامعة ريجينا ومحطة عرض احتجاز ثاني أكسيد الكربون في سد باوندري ". مجلة الهندسة الكيميائية والبحوث الصناعية 45 ( 8): 2414-2420 . doi : 10.1021/ie050569e .
  9. ↑ كلوسمان، فريد؛ نغوين، ثو؛ روشيل، غاري ت. (فبراير 2009). "مركب MDEA/بيبرازين كمذيب لالتقاط ثاني أكسيد الكربون " . مجلة إجراءات الطاقة . 1 (1): 1351-1357 . doi : 10.1016/j.egypro.2009.01.177 .
  10. ↑ لي، لي؛ فويس، ألكسندر ك.؛ لي، هان؛ نامجوشي، أومكار؛ نغوين، ثو؛ دو، يانغ؛ روشيل، غاري ت. (2013). "مزيجات الأمين باستخدام البيبرازين المركز" . Energy Procedia . 37 : 353–369 . Bibcode : 2013EnPro..37..353L . doi : 10.1016/j.egypro.2013.05.121 .
  11. ↑ روشيل، غاري؛ تشين، إريك؛ فريمان، ستيفاني؛ واغنر، ديفيد ف.؛ شو، تشينغ؛ فويس، ألكسندر (15 يوليو 2011). "البيبرازين المائي كمعيار جديد لتقنية احتجاز ثاني أكسيد الكربون". مجلة الهندسة الكيميائية . 171 (3): 725-733 . doi : 10.1016/j.cej.2011.02.011 .
  12. ↑ كوتريل، آرون؛ كوزينز، آشلي؛ هوانغ، سانجر؛ ديف، ناريندرا؛ دو، ثونغ؛ فيرون، بول إتش إم؛ ماكهيو، ستيفن؛ سنكلير، مايكل (سبتمبر 2013). احتجاز ما بعد الاحتراق باستخدام البيبرازين المركز لمحطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم في أستراليا (تقرير). المركز الأسترالي الوطني لأبحاث وتطوير الفحم منخفض الانبعاثات. الصفحات 9-31 . تاريخ الاطلاع: 3 مايو 2016 . 
  13. ↑ تقرير إنتاج الكبريت الصادر عن هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية
  14. ↑ مناقشة الكبريت الناتج كمنتج ثانوي
  15. ↑ أباتزوغلو، نيكولاس؛ بوفين، ستيف (2009). "مراجعة لعمليات تنقية الغاز الحيوي". الوقود الحيوي، والمنتجات الحيوية، والتكرير الحيوي . 3 (1): 42-71 . doi : 10.1002/bbb.117 . ISSN 1932-104X . S2CID 84907789 .  
  16. ↑ روشيل، جي تي (2009). "التنقية بالأمين لالتقاط ثاني أكسيد الكربون " . مجلة ساينس . 325 (5948): 1652-1654 . رمز Bibcode : 2009Sci...325.1652R . doi : 10.1126/science.1176731 . ISSN 0036-8075 . PMID 19779188. S2CID 206521374 .   
  17. 1 2 فولجر، ب. (2009). "احتجاز الكربون: تقييم تكنولوجي". تقرير خدمة أبحاث الكونغرس للكونغرس . 5 : 26-44 .
  18. 1 2 3 وو، يينغ؛ كارول، جون جيه. (5 يوليو 2011). احتجاز ثاني أكسيد الكربون والتقنيات ذات الصلة . جون وايلي وأولاده. ص 128-131 . ISBN  978-0-470-93876-8.
  • وصف معدات تحلية الغاز وظروف التشغيل
  • اختيار الأمينات لوحدات التحلية ، بولاسيك، ج. (برايان للبحوث والهندسة) وبولين، ج. أ. (جامعة تكساس إيه آند إم)، الاجتماع الإقليمي لجمعية معالجي الغاز، سبتمبر 1994.
  • رابطة توريد الغاز الطبيعي، انتقل إلى قسم إزالة الكبريت وثاني أكسيد الكربون
  • وصف للكتاب الكلاسيكي في معالجة الغازات. مؤرشف بتاريخ 16 مارس 2008 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine). بقلم آرثر كول وريتشارد نيلسن. تنقية الغازات ( الطبعة الخامسة). دار نشر جلف. رقم ISBN  0-88415-220-0.