سیستم فرآورشی گاز با آمین
فهرست مطالب
کیفیت استاندارد گاز شیرین
سیستمهای فرآورشی تصفیه گاز
بهینه سازی در واحدهای تصفیه گاز با آمین
سیستم احیاء آمین
مشخصات آمین آلوده
علل تخریب در سیستم آمین
روش های تمیز کردن آمین
آلکانول آمین ها
دفع گازهای اسیدی از محلول آمین
برج بازیافت آمین
سیستم فرآورشی گاز با آمین
تصفیه گاز در حقیقت جدا کردن موادی نظیر هیدروژن سولفوره و گازکربنیک از گاز طبیعی ، و یا گاز مایع می باشد . بیش از 70 درصد تاسیسات فرآورش گازها دارای تاسیسات شیرین سازی گاز می باشد . معمولا گازهای طبیعی ترش هم دارای هیدروژن سولفوره و هم محتوی گازکربنیک می باشد . کربنیل سولفاید ( cos ) ، کربن دی سولفاید ( cs2 ) ، مرکابتانها و سایر مشتقات گوگرد نیز ممکن است در گاز طبیعی موجود باشند . تصفیه گاز از هیدروژن سولفوره و سایر ترکیبات گوگردی باید مشخصات استاندارد گازهای شیرین برای فروش در بازار را برآور نماید . جدا کردن گازکربنیک از گازهای طبیعی معمولا به خاطر افزایش ارزش حرارتی و پایین آوردن حجم گاز در سیستم انتقال و برآور نمودن پاره ای نیازهای ویژه برای کارخانجات پتروشیمی انجام می پذیرد .
کیفیت استاندارد گاز شیرین :
کیفیت استاندارد برای گازهای تصفیه شده معمولا جداسازی ترکیبات گوگرد و گازکربنیک را تا مقادیر به شرح زیر طلب می نماید :
هیدروژن سولفوره : مطابق استاندارد های صنعت گاز حداکثر برابر با ربع گرین در یکصد فوت مکعب گاز می باشد . واحد گرین ( GraIn ) بیشتر در صنعت داروسازی مورد مصرف واقع می شود . هربوند معادل 7000 گرین می باشد . لذا مقدار ربع گرین در یکصد فوت مکعب استاندارد گاز حدود مول H2s دربر دارد که این مقدار معادل با 4PP M حجم می باشد . مقدار وزنی h2s در گاز بستگی به چگالی گاز دارد . برای گاز طبیعی ترش با چگالی 65 % ( هوا = 1 ) مقدار h2s در گازهای شیرین استاندارد برابر با 7pp m وزنی میباشد . در سیستم متریک در گاز با یک چهارم گرین h2s حدود 6 میلی گرم h2s در هر متر مکعب گاز وجود دارد . در فشار 1000 psig ( 69 بار ) فشار جزئی h2s برابر با ( mmhg o . 2 ) می باشد .
مرکابتان : کمتر از ربع کرین در یکصد فوت مکعب گاز
کل مشتقات گوگردی : کمتر از 5 گرین در یکصد فوت مکعب گاز
گازکربنیک : تا مقدار کمتر از 20 % مولی " حجم " در گاز طبیعی و کمتر از 500 ppm تا 1000 ppm برای تغذیه به کارخانجات پتروشیمی
سیستمهای فرآورشی تصفیه گاز :
1 ) MEA ( منواتانول آمین ) : دارای بالاترین قدرت جذب می باشد ، از معایب این روش این است که در برج جذب ( مایع – مایع ) مقداری از آمین وارد ناسازگاری می شود و گاز ما زیاد خالص نخواهد بود . برای رفع این نقصیه آن را وارد یک برج کوچک کرده و روی آن آب تزریق می کنیم و بدین ترتیب میتوان MEA را جدا نمود . ترکیباتی مانند cs2 , cos با آلکانول آمین MEA ترکیباتی پایدار تشکیل داده و ایجاد کف می کنند و همچنین در برج دفع به خوبی جدا نمی شوند . این ترکیبات معمولا در گازهای طبیعی به میزان کمی وجود دارند و معمولا در گازهای به وجود آمده در پالایشگا هها موجودند . MEA در برابر حرارت پایدار می باشد و غیر قابل تجزیه نیز می باشد . MEA معمولا بین 10 تا 20 درصد مورد استفاده قرار می گیرد و معمولی ترین درصد مصرف 15 % است .
2 ) DEA ( دی اتانول آمین ) : این آمین تشکیل پلیمر و حالت جامد نداده و براستی در برج دفع جدا می شوند . از نظر حرارت پایدار و از نظر CS2, COS نیز قابل استفاده می باشند .
3 ) TEA ( تری اتانول آمین ) : آنکانول آمین TEA قبل از اینکه به نقطه جوش برسد تجزیه می شود و نمی توان آن را بازیابی کرد .
4 ) DGA ( دی گلیکول آمین ) : در این حالت منحنی جذب خوابیده است و می توان با محلول خیلی رقیق ، جذب را انجام داد و در فشارهای پائین با آن کار کرد . یعنی در فشارهای پائین به خوبی عمل می کند .
5 ) DIPA ( دی ایزو پروپانول آمین ) : شرکت نفتی SHELL از این محلول استفاده می کند و معمولا برای جذب CS2 مورد استفاده قرار می گیرد .
6 ) MDEA ( متیل دی اتانول آمین ) : این آمین برای گازی استفاده می شود که فاقد H2S بوده و دارای CO2 باشند .
دیاگرام فرآورشی شماره "1 " یک نمونه ساده از سیستمهای تصفیه گاز با محلولهای آمین یعنی مونواتانول آمین MEA و دی اتانول آمین DEA را نشان میدهد . در این سیستم از محلول مونواتانول این " MEA " برای تصفیه گاز ترش استفاده می شود . محلول بازی ضعیف و آمی MEA برای جداسازی ترکیبات اسیدی نظیر CO2 , H2S که معمولا به گازهای اسیدی شهرت دارند ، از گاز طبیعی به کار گرفته می شود . غلظت MEA به کار گرفته شده معمولا از مقدار 15 % تا 35 % " وزنی " تغییر می یابد .
محلول آمین در درجه حرارت پائین و فشار بالا در برج جذب با گازهای اسیدی ترکیب یافته و در درجه حرارت بالا و فشار پائین در برج احیاء آنها را از دست داده و احیاء می شود . مونو اتانول آمین MEA دارای وزن مولکولی پائین بوده و از سایر آمین ها نظیر دی اتانول آمین DEA فعالتر می باشد . فعال بودن MEA سبب می شود که در سیستمهای فرآورشی با MEA جذب H2S تا حد کمتر از 4PPM تعیین شده در کیفیت استاندارد و گاز شیرین انجام پذیرفته و همچنین MEA در مجاورت گازکربنیک (CO2) کربنیل سولفاید (COS) کربن دی سولفاید (CS2) با آنها ترکیب یافته و قدرت شیمیایی خود را بتدریج از دست بدهد . همچنین فعال بودن MEA سبب شده است که احیاء آن در درجه حرارت بالا و فشار پائین نیز با مشکلاتی توام بوده و برای کاهش مقدار H2S و CO2 در سیستم احیاء تا حد متناسب مقدار بخار بیشتری در مقایسه با سیستم احیاء مشابه در DEA مورد مصرف قرار گیرد .
این سیستم فرآورشی بمنظور کاهش ابعاد برج ها و سیستم احیاء و صرفه جوئی در مصرف انرژی بکار گرفته می شود . در این روش تصفیه معمولا درصد پائینی از جریان آمین تا حد ایده آل از گازهای اسیدی احیاء شده و درصد بیشتری از آمین که بطور نیمه احیاء شده است به نقطه ورودی در وسط برج تماس ، پمپ شده و کار فرآورشی جذب گازهای اسیدی را در نیمه پائین برج به انجام رسانده و تمامی حجم آمین کثیف به قسمت فوقانی برج احیاء فرستاده می شود .
آمین نیمه کثیف از نیمه برج احیاء بیرون آورده شده و آمین تمیز بعد از احیاء کامل آن توسط بخارات ایجاد شده در ریبویارها از قسمت پائین برج احیاء بدست می آید .
بهینه سازی در واحدهای تصفیه گاز با آمین :
بعد از راه اندازی و مسجل شدن اینکه سیستم فرآورشی جوابگوی نیازهای عملیاتی و قادر به کار در ظرفیت طراحی می باشد : بهینه سازی پارامترهای عملیاتی به شرح زیر برای کاهش در مقدار سوخت و انرژی مصرفی در واحد تصفیه مورد بررسی و اقدام قرار می گیرد .
1- غلظت آمین مصرفی :
با در نظر گرفتن مسائل خوردگی و افزایش هزینه سوخت غلظت آمین تا حد ممکن افزایش داده شود . مواد افزودنی آمین گارد انجام این امر را تسهیل می نماید .
2- بارگذاری گازهای اسیدی با آمین :
با کاهش حجم آمین در گردش سعی شود که بارگذاری گازهای اسیدی با آمین به حدود 8/0 گازهای اسیدی در یک مولکول آمین برسد .
3- بهینه سازی مبدل حرارتی آمین به آمین :
با در نظر گرفتن دمای آمین کثیف خروجی از مبدل حرارتی آمین به آمین از نقطه نظر آزاد شدن گازهای اسیدی و خورندگی و حداکثر کاهش درجه حرارت در آمین تمیز ، مبدل حدادتی یادشده در اپیتیوم وضعیت عملیاتی قرار داده شود .
4 – بخار تولیدی در ریبوپیلرها :
برای احیاء موثر آمین در برج احیاء و به منظور کاهش گازکربنیک باقی مانده در آمین احیاء شده و برای تولید گاز شیرین با کیفیت استاندارد ، مقدار بخار تولیدی در ریبویلرها به حد اپیتیوم کاهش داده شود . این بخارات باید از وجود گازهای اسیدی عاری باشند .
کاهش مقدار دبی آمین در سیستم باعث صرفه جویی در هزینه های تعمیراتی پمپها و موجب کم شدن انرژی مصرفی در واحد تصفیه گاز می شود .افزایش غلظت آمین نیز که باعث جذب بیشتر گازهای اسیدی در واحد حجم آمین می گردد ، در نهایت موجب کاهش در مقدار انرژی مورد نیاز برای احیاء در واحد پالایش گاز می شود زیرا که انرژی مورد نیاز برای عریان سازی حجم مشخصی از گازهای اسیدی از آمین تنها بستگی به دبی آمین نداشته ، بلکه هر چه که محلول آمین بیشتر محتوی گازهای اسیدی باشد . انرژی نسبی مورد نیاز برای احیاء آن کمتر است . هم چنین بهترین معیار برای مقایسه انرژی مصرفی در سیستم در حقیقت ارزیابی مقدار کالری مورد نیاز برای جداسازی واحد حجم گازهای اسیدی از آمین می تواند باشد .
برای مثال اگر یک مول آمین MEA با غلظت 15 % با 8 % مول گازهای اسیدی ( 603 مکعب گازهای اسیدی در هر گالن محلول آمین ) بارگذاری شود . مقدار 1035 پوند بخار برای احیاء هر گالن که انرژی معادل آن 19714 بی تی یو برای هر فوت مکعب گازهای اسیدی است ، مورد نیاز می باشد .
در صورتی که در سیستم آمین (DEA) با غلظت 25% تنها 18/1 پوند بخار برای احیاء هر گالن که انرژی معادل آن فقط "17231" بی تی یو برای عریان سازی هر فوت مکعب گازهای اسیدی می باشد مورد مصرف قرار می گیرد . یعنی مقدار صرفه جوئی در انرژی حدود 12% نسبت به سیستم آمین (MEA) با غلظت 15% مطرح می شود .
برای انجام بهینه سازی مطمئن و دقیق در یک واحد پالایش گاز باید مدلهای کامپیوتری مطمئنی از رفتار فرآورشی برج های جذب و احیاء تهیه نموده و با تغییر پارامترهای عملیاتی و مقایسه وضعیت فرآورشی با هم ، با محلولهای جذب مختلف و در غلظت های متفاوت ، با بارگذاری گازهای اسیدی گوناگون مقدار انرژی مصرفی در واحد تصفیه گاز را با توجه به مسائل خورندگی و سایر پارامترهای مورد نیاز در وضعیت اپتسیمم قرار دارد .
سیستم احیاء آمین :
وجود آمین آلوده در سیستم تصفیه گاز هم دلیل و هم علت عدم کارائی سیستم فرآورشی است . چرخاندن آمین آلوده و سیاه در سیستم فرآورشی ، بزودی کارائی سیستم را در جدا سازی گازهای اسیدی و ترکیبات گوگردی از واحد پالایش گاز از بین خواهد برد .
آمین تمیز به طور شیمیایی با H2 S و هم چنین Co2 در برج تماس ترکیب می شود . آمین کشف شذه با گازهای اسیدی ، در برج عریان ساز احیاء می شود . آمین ها در حقیقت یک نوع بازهای آبی می باشند . محلول آمین کاغذ PH سنج را به رنگ آبی در می آورند . دو نوع آمین MEA و DEA به طور گسترده ای در صنعت تصفیه گاز مورد استفاده قرار می گیرند . MEA آمین پرقدرت و فعالی است . DEA با قدرت کمتر نیز در صنعت مورد استفاده فراوان دارد . متاسفانه خورنده ترین نوع آمین ها نیز MEA می باشد .
هدف از بهره برداری از یک سیسنم فرآورشی گاز با آمین حداکثر بازیافت ، H2S از گازهای ترش ورودی می باشد . در حالی که تمامی آمین همچنان در داخل لوله ها ، برجها ، و مبدل ها جریان یافته و نیز به خالی نمودن آمین به سیستم فاضلاب آب صنعتی پالایشگاه وجود نداشته باشد .
مشخصات آمین آلوده :
نشانه های آمین آلوده و خورنده در یک واحد پالایش گاز به صورت زیر می باشد :
1 – هدر رفتن آمین از قسمت فوقانی برج تماس به همراه گازهای شیرین خروجی
2 – رقیق شدن آمین در اثر نشتی ریبویلرها و ورود بخار و کاند نسیت به سیستم آمین
3 – گرفته شدن اتصالات دستگاههای اندازه گیری و انتقال سیگنال در سیستم ابزار دقیق
4 – نشتی مکانیکی آمین به سیستم فاضلاب صنعتی
5 – نشتی آمین کثیف به آمین تمیز در مبدل حرارتی آمین به آمین
علامت های زیر حاکی از آن است که سیستم احیاء آمین به صورت مناسب مورد بهره برداری قرار نمی گیرد :
1 – وجود گاز هیدروژن سولفوره زیاد در گازهای خروجی تصفیه شده
2 – مصرف انرژی زیاد در ریبویلرهای برج احیاء
3 – طغیان جریان آمین در برج احیاء
در زمان بروز هر نوع مشکل عملیاتی در یک واحد تصفیه گاز با آمین ، شاید اولین قدمی که لازم است یک مهندس پالایش و یا مسئول بهره برداری بردارد ، این است که نمونه از آمین تمیز را در داخل یک ظرف شیشه ای از سیستم برداشت نماید . اگر آمین آلوده باشد دلیل بر خرابی سیستم فرآورشی آمین می باشد .
علل تخریب در سیستم آمین
با برداشت نمونه آمین تمیز فیلتر نشده از سیستم پالایش در ظرف نمونه گیری شیشه ای مناسب ، می توان با بررسی های زیر کیفیت آمین را مشخص نمود .
1 – اگر آمین شفاف و تمیز باشد ، در این حالت آمین در علی ترین وضعیت خود قرار دارد . تمایل به رنگ آبی و یا سبز نشانه وجود سیانیدها در آمین است که اهمیت چندانی ندارد .
2 – آمین کمی کدر و مک رنگ بوده و اجسام از پشت شیشه آمین بدون هیچ مشکلی دیده می شود . این حالت نیز مورد قبول بوده ولی نباید اجازه داد که آمین بیشتر از این آلوده شود .
3 – آمین نیمه شفاف و متمایل به سیاهی است و وجود اجسام از پشت شیشه آمین مشخص می باشد . بعد از اینکه شیشه آمین در حدود ده دقیقه ثابت نگهداری شود پاره ای مواد که ته نشین شده قابل رویت است . در این حالت در واحد پالایش مشکل عملیاتی وجود دارد . خورندگی و سائیدگی ذراتی را در سیستم بوجود می آورند که حجم آنها از مقداری که سیستم می تواند آنها را فیلتر و برداشت نماید بیشتر است .
4 – آمین به رنگ سیاه و کدر بوده و با تکان دادن بیشتر اجسام از پشت شیشه آمین قابل رویت نیستند . مشاهده خواهید کرد که ذرات زیادی در ته شیشه ته نشین می شوند عین همین آلوده سازی در داخل سیستم پالیش گاز در جریان است .
اگر آمین به رنگ قهوه ای در بیاید دلیل بر این است که هوا داخل سیستم آمین شده و آمین اکسیده می شود . محصولات اکسیداسیون آمین مواد بسیار خورنده ای می باشند . آمین آلوده ، نابودکننده سیستم بهره برداری :
چرخاندن آمین آلوده در سیستم از جنبه ایجاد سائیدگی در داخل سیستم نیز در خور بررسی است . فولاد کربن استیل توسط آمین تمیز خورده می شود . در هر صورت محصولات خوردگی به صورت سولفاید آهن به رویه داخلی تاسیسات چسبیده و از ایجاد خوردگی بیشتر جلوگیری می نماید . ذرات موجود در آمین آلوده در سیستم آمین در گردش ، این رئیه محافظ را سابیده و فلز تازه در معرض خوردگی قرار می گیرد . ذرات جدا شده وارد محلول آمین شده و سیکل سائیدگی ، خوردگی هم چنان تکرار می شود . این حالات ناخوشایند عملیاتی معمولا دارای شاخه هائی به شرح زیر می باشد :
1 – ایجاد کف در سیستم
2 – گرفتگی اتصالات به دستگاههای ابزار دقیق
3 – آلودگی در کندانسورهای برج احیاء
4 – خرابی در تیوپ باندل ریبویلر
5 – گرفته شدن فیلتر ها
6 – ایجاد طغیان در برج احیاء
روش های تمیز کردن آمین
ذرات سولفور آهن که در سیستم آمین آلوده در چرخش است ممکن است به علل مختلف در محلول آمین متمرکز شده و غلظت آن در آمین افزایش یابد . مهمترین عامل در افزایش غلظت سولفور آهن در محلول آمین ، عدم وجود فیلتراسیون کافی در سیستم آمین در گردش می باشد .
معمولا سه نمونه فیلتر در سیستم های آمین مورد استفاده قرار می گیرند که عبارتند از :
1 – فیلترهایی از نوع کارتریج
2 – فیلترهای پوشش داده شده از خاک دی اتمیت
3 – فیلترهایی از نوع صفحه دار کاغذی
4 – فیلترهای زغال فعال
درعمل فیلترهای از نوع کارتریج وصفحه دار کاغذی از بهترین نمونه فیلترها می باشند . درصورتی که بهره برداری از فیلتر نوع پوشش داده شده در اغلب پالایشگاهها با پیچیدگی همراه بوده است . فیلترهای کارتریج برای بهره برداری مناسب می باشند ، جز این که تعویض مکرر آنها در مواردیکه بهره برداری در شرایط خاص باعث هزینه های عملیاتی می شود . استفاده از فیلتر های صفحه دار کاغذی راحت تر بوده و بعد از هر بار مصرف کاغذ آن تعویض می شود .
روش موفق برای فیلتراسیون آمین ، فیلتر نمودن حدود ده درصد از دبی آ مین بوده است . در عمل دو عدد فیلتر به موازات هم نصب می شوند . هر گاه فیلتر در سرویس قرار گرفته ، نتواند 10% جریان آمین را در حداکثر اختلاف فشار 5/3 بار از خود عبور دهد ، بلافاصله باید فیلتر دوم در سرویس قرار گرفته و فیلتر قبلی تمیز کاری (و یا تعویض المنت) شده و آماده سرویس باشد . در سیستمی که آمین آن آلوده نبده و دستگاه های فیلتر آن خوب طراحی شده باشند تعویض و سرویس فیلترها به تعداد هر ماه یک بار مناسب خواهد بود .
آلکانول آمین ها :
آلکانول آمین ها مواد آلی نیتروژن دار می باشند که از ترکیب مواد آلی مخصوص با آمونیاک NH3 بدست می آیند . در واکنش اصلی یکی از هیدروژن های آمونیاک با رادیکال ماده شیمیایی آلی تعویض می گردد . آلکانول آمین ها بطور عام برای تصفیه گازها و مایعات نفتی ترش بکار گرفته می شوند . همانطوری که از نام آلکانول آمین ها معلوم می شود می توان آنها را ترکیبی از الکل و آمونیاک به حساب آورد . فرق بین آمین های مختلف در این است که مشخص نمائیم چه تعدادی از هیدروژن های آمونیاک (NH3) با رادیکال الکل متانول C2H4OH (یعنی اتانول منهای یک هیدروژن ) جانشین شده باشد .
(MEA) منو اتانول آمین HO-CH2-CH2-NH3
(DEA) دی اتانول آمین (HO-CH2-CH2)2-NH
در سال 1930 برای اولین بار ایده استفاده ، از آمین ها برای تصفیه گازهای اسیدی H2S,CO2 از گازها و مایعات نفتی ترش مطرح و مورد استفاده قرار گرفت . قبل از آن استفاده از آمونیاک برای شیرین سازی گازها پیشنهاد گردیده بود . ( عیب عمده آمونیاک میل ترکیبی زیاد آن با گاز کربنیک موجود در گاز و تولید ماده جامد کربنات آمونیوم بود ) MEA مایعی بدون رنگ و شفاف بوده و دارای نقطه جوش 1700C (3390F) در فشار 760mmHg می باشد .
DEA دارای نقطه جوش 2680C (5160F) در فشار 760mmHg می باشد .
خواص فیزیکی دو نوع آمین های معروف DEA,MEA در کتاب های مختلف درج گردیده است . جذب گازهای H2S ,CO2 توسط آمین ها ، معمولا واکنش شیمیایی آمین با آنها قلمداد می شود که در مقابل عمل جذب فیزیکی مستقیم مطرح می گردد . بطور تئوری افزایش غلظت محلول آمین مقدار جذب گازهای اسیدی توسط محلول آمین را بالا می برد . ازدیاد غلظت محلول آمین باید به دقت مورد بررسی قرار گیرد چراکه در صورت افزایش غلظت باید سیستم احیاء آمین در دمای بالاتری مورد بهره برداری قرار گرفته و این امر باعث تخریب مولکول های آمین و نهایتا هدر رفت زیاد آمین و بالا رفتن مقدار خوردگی در سیستم پالایش گاز می گردد .
استفاده از محلول MEA با غلظت 15% وزنی در سیستمهای تصفیه گاز توصیه شده است . استفاده از محلول MEA با 15% غلظت و حتی پائین تر ضمن کاهش مقدار خوردگی در تیوب باندل های ریبویلر برج احیاء مبدل های آمین به آمین ، بیشترین قابلیت تغییر در پارامترهای عملیاتی را دارا می باشد . حداکثر مقدار غلظت توصیه شده برای MEA در حدود 15% تا 18% وزنی و برای DEA در غلظت های وزنی 20% تا 30% می باشد . بهره برداری از محلول MEA با غلظت بیشتر از 18% بطور جدی منع شده است . استفاده از غلظت های بالاتر آمین در طراحی واحدهای پالایش گاز بمنظور کاهش حجم سرمایه گذاری ، صرفه جوئی در مصرف آب و برق و بخار ، بالا بردن ظرفیت جذب گازهای اسیدی ممکن است مد نظر قرار گرفته باشد .
واکنش های اصلی بین آمین ها و گازهای CO2,H2S به شرح زیر می باشد :
مونو اتانول آمین (MEA) :
H2S : 2RNH3 + H2S (RNH3)2S
: (RNH3)2S + H2S 2RNH3HS
CO2 : 2RNH3 + CO2 RNHCOONH3R
و یا :
: 2RNH2 + H2O+CO2 (RNH3)2CO3
)RNH3 )2 CO3+ H2O+CO2 2RNH3HCO3
دی اتانول آمین (DEA) :
H2S : 2R2NH + H2S (R 2NH2)2S
: (R 2NH2)2S + H2S 2R 2NH2HS
CO2 : 2R 2NH+ H 2O+CO (R 2NH 2)2CO3
: (R 2NH2)2CO3 + H2+CO2 2R 2NH2HCO3
و یا :
: 2R 2NH+CO 2 R 2NCOONH 2R2
آمین ها در درجه حرارت پائین و فشار بالا ، گازهای اسیدی را جذب و در فشار پائین و درجه حرارت بالا گازهای اسیدی را از خود جدا می سازند . ترکیب آمین با CO2 بر طبق فرمول های فوق الذکر در حضور آب انجام می پذیرد . لهذا عریان سازی CO2 از ترکیب حاصل با آمین ها به مراتب مشکل تر از احیاء آن از گاز H2S می باشد . خاصیت جذب آمین ها با وزن مولکولی آنها نسبت معکوس دارد اگر MEA با وزن مولکولی 61 دارای ظرفیت جذب 100 باشد ، DEA با وزن مولکولی 105 دارای ظرفیت جذب 57 خواهد بود .
روشن است که جذب گازهای H2S در آمین اثر منفی در جذب CO2 در آن دارد . همچنین وجود CO2 در محلول آمین در مقدار جذب H2S در آمین اثر کاهنده ای دارد . محلول آمین که با یک نوع گازهای اسیدی وارد واکنش شده باشد ، بطور واضح مقداری مشخص از فشار جزئی H2S نیز بر محلول آمین وجود خواهد داشت .
وجود گازهای اسیدی H2S و CO2 در آمین تمیز و احیاء شده ورودی به برج جذب در محاسبات مربوط به سیستمهای فرآورشی گازی ترش با آمین از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد .
در سیستمهای احیاء آمین مقدار باقی مانده گازهای اسیدی در محلول آمین احیاء شده را معمولا از روی مقدار بخار تغذیه شده به ریبویلرهای برج احیاء بررسی و برآورد می نمایند . مقدار گازهای اسیدی خروجی در آمین تمیز از سیستم احیاء همچنین به نسبت عددی گازهای اسیدی H2S : CO2 نیز بستگی مستقیم دارد .
حداکثر مقدار جذب گازهای اسیدی توسط محلول آمین را در سیستم پالایش گاز و بدون بکارگیری تاسیسات از جنس فولاد ضد زنگ در سقف 4/0 مول از گازهای اسیدی بر یک مول آمین می دانند . برای تعیین انجام محاسبات تعیین دبی آمین در گردش باید توجه داشت که آمین تمیز احیاء شده نیز دارای 08/0 تا 12/0 مول گازهای اسیدی در هر مول می باشد . دلیل این امر آن است که محصولات کمپلکس حاصل از گاز کربنیک با آمین نیاز به درجه حرارت احیاء بالاتری دارند . لهذا مقدار خالص گازهای اسیدی جذب شده توسط محلول MEA در حدود 25/0 مول گازهای اسیدی در هر مول آمین می باشد . خاصیت فیزیکی آمین بستگی به مقدار گازهای اسیدی جذب شده توسط آن و درجه حرارت بهره برداری تغییر می یابد . بعنوان مثال تغییرت در خواص فیزیکی محلول 15% از MEA در درجه حرارت هخای بین 100c تا 660c و در مقدار بار گذاری گازهای اسیدی به شرح زیر مورد بررسی قرار گرفته اند :
1:0.2 moles co2 / mole MEA
2:0.4 moles co2 / mole MEA
3:0.6 moles co2 / mole MEA
4:0.4 moles H2 S/ mole MEA
5: (0.2 moles co2 +0.2 moleS H2S)mole MEA
محاسبات :
مراحل محاسبه MEA با آنالیز گاز بید بلند :
Mono Ethanol Amine
Material Energy Balace :
Material Processing Product
H2S ـــــ ـــــ
CO2 Tower Amine ـــــ
C1 ـــــ C1
C2 Dehydra Tion Plant C2
C3 ـــــ C3
IC4 For Day Gas i-c4
n-c4 ـــــ n-c4
C5+ ـــــ C5+
Data :
Sour gas in = 200 MM SCFD
Temprature = 1050F
Pressure = 58 kg / cm20 .
مجموع نا خالصی ها در گاز ترش ورودی %23 حجم :
200 × 106 Ft3 1day 1hr
= 138888 . 88 SCF /min
Day 24hr 60 min
مجموع ناخالصی های خروجی : 200×106×0.033=4.6×106 Ft3 /day
گاز شیرین خروجی : (200×106)-(4.6×106)=195.4×106 Ft3 /day
Sour gas Sweet gas
200 MM SCFD 195 . 4 × 106
T = 1050 F Acid gas (H2S CO2) Ft3 /day
P = 58 kg /cm2 4.6 × 106 Ft3 /day
58 kg 10000 cm2
P = = 58 × 104 kg /m2
cm2 1 m2
P = 58 × 104 kg /m2
58×104 kg 1m2 2.205 1b
P = = 118856.87
m2 10.76 Ft2 1 kg
P = 118856.87 × = 825.63 psig
P = 825.63 Psig + 14.7 = 840.33 Psia
آنالیز گاز ورودی به پالایشگاه بید بلند :
Comp moly
H2S 0.00156
CO2 0.021029
C1 0.81315
C2 0.11924
C3 0.034206
i-c4 0.00293
nc4 0.00586
c5+ 0.001952
Total 1
گاز ترش ورودی در اولین مرحله ، پس از عبور از کنترل و دو فشاری که در حالت اضطراری بسته می شود وارد یک صافی جداکننده مایع از گاز می شود تا اگر احتمالاً مایعات سنگین همراه آن باشد ، گرفته شود و بعد وارد برج جذب می شود .
وجود این فیلتو به دو جهت است : اول اینکه ، ئیدروکربن های سنگین بصورت مایع گرفته شده ، تا وارد برج نشوند . دوم ، چون در چاه های گازی ذرات ریز از جنس ماسه و …. وارد گاز می شوند و محصولات خوردگی لوله های حمل این گازها به سیستم صدمه وارد می کنند در همان مرحله اول پروسس گرفته می شوند و چون این ذرات و مایعات سنگین در گاز ورودی بسیار کم است لذا می توان در محاسبات از آن صرفنظر کرد .
در برج جذب گاز ترش که حاوی CO2 و H2S است ، از پائین برج وارد می شود و گاز به طرف بالای برج در حرکت است . آمین رقیق "%15" از بالای برج بر روی سینی ها ریخته می شود و این دو با هم واکنش می دهند و گازهای اسیدی توسط آمین گرفته می شود و از پائین برج ، آمین همراه با گاز اسیدی خارج می شود و گاز شیرین شده از بالای برج خارج می گردد . همیشه برای اینکه آمین به سمت پائین در حرکت باشد باید فشار آمین ورودی به برج کمی بیشتر از فشار گاز ورودی به برج باشد تا به سمت پائین حرکت کند ، در غیر این صورت همراه گاز بیرون می رود .
واکنش بین آمین و گازهای ترش باید در دمای پائین صورت گیرد و فشار بالا . اگر دمای برج بالا رود گازهای اسیدی جدا نمی شوند ، طبق واکنش زیر :
2RNH2 + H2S (RNH3 )2 S
2RNH2 + CO2 + H2O (RNH3 )2 CO3
اگر به واکنش توجه شود ، واکنش جذب در دمای پائین و واکنش دفع این دو ، یعنی خالص سازی آمین برای اینکه دوباره به برج برگشت داده شود در دمای بالا صورت می گیرد . سپس واکنش دفع در دمای بالا و فشار پائین صورت می گیرد . آب مورد نیاز برای واکنشCO2 از آمین رقیق %15 تامین می گردد .
Scope :
Ciculate rate Amine and Temprature Amine Rich .
هدف به دست آوردن سرعت آمین بر دقیقه و به دست آوردن دمای آمین خروجی از برج جذب .
1) یک دانستیه فرضی برای بخار در نظر می گیریم .
steam Rate = 0.9 – /.2
Assume steam Rate = 1.2
چون در طراحی همیشه بدترین شرایط در نظر گرفته می شود ، بنابراین سرعت بخار را 1.2 فرض نموده ایم .
2) درصدهای مولی گازهای اسیدی H2S وco2 را در خوراک داریم ، لیکن نسبت درصد مول H2S به درصد مولی CO2 را بدست می آوریم .
3) حال با توجه به مراحل1و2درگرافهای 10 و11 مقدار و را بدست می آوریم .
برای تبدیل به واحد 1b باید تقسیم بر عدد شود .
Lean Amine co2 = = 0.1
Lean Amine H2S = = 0.0005/4
حال اگر این اعداد را بر جرم مولکولی تقسیم کنیم1b به Mole تبدیل می شود .
Lean Amine co2 = = 2.272×10-3
Lean Amine H2S = = 1.5×10-5
Temprature Lean Amine = 1070F
4) حال با توجه به اینکه محلول آمین ورودی بدرج %15 است و دمای آن 1070F است با استفاده از این دو عدد دانستیه را می خوانیم .
Denstity grom gigure 4./ Campbell . 4
MEA 15% Soln Density = 8.31
5) با توجه به دانستیه آمین به دست آمده در مرحله قبل که مربوط به حلال بود دانستیه آمین خالص را بدست می آوریم :
Mole MEA pure 8.31 1b soln 15 1b MEA 1mole MEA
= = 0.0204 gallon gallon 100 1b soln 61.08 1b MEA
6) اکنون در Lean Amine نسبت و را بدست می آوریم .
7) اکنون فشار جزئی گازهای اسیدی را در گاز ترش بر حسب mmhg بدست می آوریم .
Ptotal = 840033 psia pi = yi ×Ptotal
8) در این مرحله Rv را بدست می آوریم :
9) در این مرحله بایستی برای دمای Rich Amine یک حدس بزنیم که از گراف (4-16) کتاب Campbell جلد چهارم می توان حدس زد .
TRA = 600C = 1400F
10) اکنون با استفاده از گرافهای 24 ، 25 ، 26 و 27 در صفحات بعد ، با توجه به مقدار R7 و فشار جزئی H2S می توان را بدست آورد .
11) حال با توجه به مرحله قبلی و داشتن و فشار جزئی H2S و در دمای TRA حدس زده شده ، از گرافهای 28 ، 29 ، 30 و31 می توانیم از آن طریق در صفحات بعد ، مقدارRv را می خوانیم .
حال با استفاده از می توانیم از آن طریق در را در حالت تعادلی بدست آوریم .
در
12) اکنون با توجه به اینکه مقدار H2S و CO2 در Rich Amine حدود 65 تا 75 درصد حالت تعادلی است . لیکن مقادیر به دست آمده در Step های 10 و11 را در 0.7 ضرب می کنیم تا مقدار واقعی H2S وCO2 در Rich Amine بدست می آید.
13) اکنون با بستن یک موازند مواد روی برج circulation Rate را بدست می آوریم . در ابتدا تبدیل واحد می کنیم به این صورت که MMSCFD را به SCF/min تبدیل می کنیم . در شرایط ایده آل V=380 فوت مکعب در دقیقه ، مولH2S و CO2 را بر دقیقه در خوراک بدست می آوریم و با فرض اینکه تمام گازهای اسیدی جذب شده باشند مولهای H2S و CO2 را که آمین جذب کرده ، بدست می آوریم (برای این کار مقادیر Step 12 و Step 6) را از هم کم می کنیم تا مقادیر جذب شده بدست آید . بعد مقدار gas Rate گاز ترش ( H2S و CO2 ) را به طور جداگانه بر دقیقه تقسیم می کنیم و بر مقدار جذب شده گاز ترش بر MEA تقسیم می کنیم تا mole circu / atin Rate آمین بدست آید که بین دو مقدار بدست آمده ، عدد بزرگتر را انتخاب می کنیم .
فرض می کنیم که همه گاز اسیدی جذب آمین شود (چون مقدار گاز اسیدی خروجی را صفر فرض کردیم )
:
آمین ورودی برج جذب
اگر از بیشتر می شد باید محاسبات را تکرار می نمودیم و در اینجا چون صحیح است لذا محاسبات را ادامه می دهیم .
14) در مرحله آخر یک موازند انرژی بدور برج بسته .
Hg = Heat gained by sweet gas = cpg ( Tout – Tin )
HL = Heat gained by Amine = cpA (TRA – TLA )
Hr×n = (mole co2 )pure ( H Soln )co2 + ( mole H2S )pure×( H soln )H2S
Hr×n = Hg + HL = HreacTion
Heat of reaction of co2 = 825 Btu/1b
Heat of reaction of H2S = 820 Btu/1b
انتالبی گازها را بر حسب جرم موتاولی می توان از گراف 8-24 از کمپل خواند .
Basis : 1 minute
Mole co2 absorbed = 7.7 step 13
HCO2 = 7.7 ×44×825 = 2.8 × 105 Btu/min
Mole H2S absorbed = 0.57 step 13
HH2S = 0.57 × 34 × 820 = 1.6 × 104 Btu/min
Hreaction = Hco2 + HH2S = 2.8 × 105 × 1.6 × 104 =
2.95 × 105 Btu/min
Hin at 1050F = 255.2 Btu/1b NG PSA
Hout at 1070F = 256.4 Btu/1b NG PSA
Hgas = 255.2 = 1.2 Btu/1b
Hgsweet = Hg(1.2 Btu/1b ) × 138888.88 SCF/min × × 16 × 0.977 = 6.85 × 103 Btu/min
آمین HL = (2.95 × 105 – 6.85 × 103 ) = 2.88 × 105 Btu/min
حال دمای Rich Amin را محاسبه می کنیم : مقدار CPL یعنی CP آمین را از گراف شماره 32 می خوانیم ، با توجه به دمای آمین ورودی و غلظت آمین .
سپس با داشتن دمای ورودی آمین 1070F و درصد وزنی آمین 15% مقدار CPL بدست می آید :
CPMEA = 0.941 DensityMEA = 8.31 1b/gallon
Gpm = 1336.62 Tla = 1070F
Trich Amine = + 1070F = 134.550F
دمای آمین خروجی از برج134.550F است .
Rich Amine خروجی از برج وارد مخزن کاهش فشار می شود . قبل از اینکه امین کثیف وارد این درام بشود از یک G.T Valve عبور می کند که سیال را دو فاز می کند و افت فشار را ایجاد می کند چون فشار سیال ورودی بسیار زیاد است وارد یک مخزن بزرگ می شود و حجم افزایش می یابد ، در نتیجه فشار افت می کند . خروجی از درام که شامل آمین کثیف سرد ، با فشار کم است به طرف مبدل حرارتی آمین به آمین می رود تا در آنجا گرم شود .
همیشه بین دو برج جذب و Stripper یک مبدل حرارتی آمین به آمین بکار برده می شود که در این مبدل Rich Amine با دمائی وارد شده و پس از گرم شدن خارج می گردد و Lean Amine هم با دمائی که وارد شده و پس از کمی سرد شدن خارج می گردد . این مبدل فقط می تواند تا تغییرات دمائی 100c ایجاد کند و برای تغییرات بیشتر بایستی Side coler استفاده کرد . دمای TLA1 دمای مشخص خروجی از برج stripper و دمای TRA1 نیز دمای مشخص خروجی از برج جذب است و دمای TRA2 با کمی تغییرات حدود 100 نسبت به TRA1 مشخص می شود و تنها TLA2 می ماند . می توان تغییرات دمائی Rich Amine را با تغییرات دمائی Lean Amine بعلت یکسان بودن تقریبی GPM و CP های یکسان ، برابر فرض نمود .
دفع گازهای اسیدی از محلول آمین :
برای استفاده مجدد از آمین کثیف و دفع گازهای اسیدی ، این محلول را وارد برج با زیافت آمین می نماید . فعل و انفعالات شیمیائی آمین با گازهای اسیدی در برجهای جذب و بازیافت آمین دریت برعکس همدیگر هستند . در برج جذب برای جذب گازهای اسیدی توسط آمین درون برج بسیار زیاد و دما بسیار پائین است. در برج بازیافت آمین برای فشار خیلی پائین و دما بسیار بالاست . یعنی در این شرایط گازهای اسیدی از آمین جدا می شوند .
واکنش های زیر نشان دهنده این حالت است :
High press
واکنش جذب :OHCH2CH2NH2 + H2S OHCH2CH2NH3
Low Temp
Low press
واکنش دفع : OHCH2CH2NH3 OHCH2CH2NH2 + H2S
High Temp
برج بازیافت آمین :
ورودی به برج آمین همراه با گازهای اسیدی است که با فشار 35 kg/cm2 و دمای 2000F از مبدل حرارتی آمین به آمین و از بالای برج ریخته می شود . وظیفه Reboiler این است که درجه حرارت آمین را به حدود 1150c برساند . دمای Lean Amine خروجی از پائین برج به 2450F می رسد . هم چنین برج دارای یک دستگاه مبدل حرارتی Reboiler است . این مبدل به وسیله بخار آب با فشار ضعیف که از دیگهای بخار ارسال می گردد ، گرم شده و باعث تبخیر محلول رقیق آمین شده و چون نقطه جوش آمین بالاست فقط آب مقطر تبخیر می شود و آمین درون ریبویلر باقی می ماند ، بخارات حاصله وارد برج شده و گازهای اسیدی را از محلول کثیف جدا می کنند . گازهای اسیدی همراه آمین توسط بخارات آب در درون برج به سمت بالا رانده شده و پس از عبور از یک کولر هوائی ، بخارات آب تبدیل به مایع شده و توسط یکدستگاه تلمبه جهت تنظیم حرارت به بالای برج برگشت می دهد و گازهای اسیدی جهت سوختن بطرف مشعل می روند . بازیافت آمین بوسیله سیستم متناوب انجام می گیرد .
در عمل بازیافت ، آمین و آب از مواد ناخالص که موجب ایجاد کف می گردند جدا می شوند . این مواد که شامل ذرات جامد ، نمکهای محلول و ناخالصی های آمین می باشند از قسمت پائین برج تقطیر خارج می گردند . در بعضی از حالات استثنائی حدود سه درصد یا کمتر از محلول آمین در گردش را به صورت مداوم احیاء می نمایند . بهترین روش در مورد بازیافت آمین به وسیله Ballard ارائه گردیده است . لیست نحوه انجام عملیات احیاء آمین که به وسیله Ballard پیشهاد گردیده ارائه می گردد :
1) نصب دریچه آدم رو در برج بازیافتی به طریقی که بتوان به راحتی مواد جامد باقی مانده در پایان عمل را در پائین برج شستشو داد . لوله تخلیه برج باید به اندازه کافی بزرگ در نظر گرفته شود تا مواد جامد به راحتی از آن خارج گردند .
2) مجموعه تیوبهایی که برای گرم کردن برج بازیافتی داخل آن نصب می شود حداقل 6 اینچ بالاتر از کف برج قرار گیرد برای اینکه غذای کافی جهت جمع شدن مواد زائد همراه آمین در ته برج و همچنین عبور محلول آمین در اطراف تیوب ها وجود داشته باشد .
3) در قسمتی از بالای برج بازیافتی باید Packing تعبیر نمود تا از خروج کف و مواد دیگر همراه با موادی که از بالای برج خارج می گردد جلوگیری شود . نصب نشان دهنده شیشه ای روی لوله بخار خروجی به منظور کنترل عبور مواد اضافی همراه با بخار می تواند مفید باشد .
4) فاصله تیوبهای داخلی باید به اندازه کافی باشد تا مشکلاتی در زمان پاک کردن آنها پیش نیاید .
5) باید دقت نمود که برای گرم کردن برج بازیافتی از بخار اشباع استفاده گردد .
6) درجه حرارت برج بازیافتی باید به طور دائمی و دقیق در تمام مدت انجام عملیات به وسیله سیستم ثبت کننده نشان داده شود . ضمنا نشان دهنده درجه حرارت باید دائما در طول انجام عملیات بازرسی شده که درجه حرارت صحیح را نشان دهد .
7) سطح محلول آمین در برج بازیافتی باید طوری کنترل شود که همیشه ، حداقل 6 اینچ بالاتر از سطح تیوبهای داخلی باشد .
8) فضای کافی برای بخار در بالای سطح مایع درون برج بازیافتی به منظور جلوگیری از عبور قطرات ویا ذرات جامد همراه با بخار در نظر گرفته شود .
9) آنالیز شیمیائی محتویات ته برج بازیافتی و نیز محلول آمین بدست آمده بیانگر درجه خلوص آمین بازیافتی و همچنین مقدار آمین موجود در محتویات ته برج می باشند . برج بازیافتی قسمتی از پروسس شیرین کردن گاز به وسیله آمین می باشد . معمولا آمین فعال را که از پائین برج جدا کننده خارج می شود به برج بازیافتی برده تا در درجه خلوص آن را افزایش دهد .
زمانیکه سیستم برای دی اتانول آمین (DEA) طراحی می شود برج بازیافتی (ریکلیمر) برای آن در نظر نمی گیرند ، زیرا نقطه جوش DEA و ناخالص های همراه آن بسیار به همدیگر نزدیک می باشند و به همین دلیل جدا کردن آنها از یکدیگر در یک برج بازیافتی معمولی امکان پذیر نیست . ضمنا نقطه جوش DEA از درجه حرارت بخار آبی که در پروسس های معمولی بکار می رود بالاتر است.
Scope :
1- Reboiler duty
2- Condensor duty
3- Ovhd Reflux or over head reflux
Calculate procedure :
1- the sensible heat reyuired to raise the temp rapture of Rich Amine – RA to that of lean Amine – la : Q = mcp t
2- calculation heat of reaction for desolution of Acid gas
3- Reboiler & condenser dutpy
– specify Temp of RA – LA
– Tower pressure Regeneration steam ( 1b steam )
Gallon Amine
Ovhd w=
Calculate Ratio of W/A.G should be between ofter heat of Reaction of cot : 825 Btu / 1b
heat of Reaction of H2S : 820 Btu / 1b
انتالپی گازها بر اساس جرم مولکولی از گراف 24-8 کتاب کمپل خوانده می شود.
Mole co2 absorbed : 7.7
HCO2 = 7.7 × 44 × 825 = 2.795 × 105 Btu / min
Mole H2S absorbed : 0.57
HH2S = 0.57 × 34 × 820 = 1.589 × 104 Btu / min
H Rection = Hco2 + HH2S = 2.795 × 105 + 1.589 × 104 = 2.95 × 105 Btu / min
Circulate rate of Amine = 1336.262 gas/ min
Density Amine : 8.31 1b/ gallon
Steam level : 1.2 1b/u.s gallon
آمین ورودی به برج : Rich Amine Temp = 2000F
آمین خروجی از برج : Lean Amine Temp = 2450F
Steam at p Steam = 945 Btu / min
در رابطه بدست آمده که از انرژی بالانس حاصل شده است ، باید ترمهای بکار رفته را بصورت زیر بدست آورد :
Btu / min
HLA + HRA = (m Amine ) (co Amine ) (TL.A – TR.A )
HLA – HRA = 11104.33 × 0.98 × (245 – 200) = 4.9 × 105
Btu / min
HA.G = Hr×n = 2.95 × 105 Btu / min
QC = 1.51 × 106 – [4.9 × 105 ] – 2.95 × 105 = 725299 . 047 Btu / min
Mole water condenser at over head Qc
W= =
min W
در فشار برج که حدود 0.4 بارامت خوانده می شود . w : 970 Btu/1b
725299. 047
W= = 41.54 mole /min
970 × 18 1b/mole
W mole water /min 41.54
Reflux Ratio= = = = 5.031mole/min
O mole Acid gas/min 8.2562
Mole Acid gas 200×106 SCFD sovr gas Day 1 mole
=
Min 1440min 380SCF
2.26 mole fraction of Acid gas in Sour gas
= 8.2562 mole/min
100 mole sour gas
مخزن ذخیره آمین :
این مخزن دارای یک ورودی امین که از طرف مبدل آمین به آمین با دمای 1650F وارد می شود و یک ورودی گاز شیرین که با فشار کم Blanket gas از بالای درام وارد می شود (برای جلوگیری از ورود اکسیژن به مخزن) . با ورود اکسیژن به داخل مخزن خوردگی در سیستم آمین بیشتر می شود . خروجی از مخزن آمین بطرف پمپ می رود و دارای فشار استاتیک با ارتفاع مایع می باشد .
Residence time for storge dram 8-10 min , 3/4 Full
دراک ذخیره به شکل سیلندریکال است .
ولی مایع خروجی یا ورودی Q: حجم درام ذخیره V: زمان توقف مایع در درام T:
1336.262 gall 1Lit 1m3 1Ft3
Q= =178.85
min 0.264 u.s gall 1000 lit 0.0283m3
Ft3/min
Slenders Ratio ضریب رمضائی
t = 8 min
بنابراین داشتن دو رابطه و و بدست می آیند :
پس
Static head : 17.617 Ft
8.31 1b 0.264 gall 1000 lit 0.0283m3
PAmine = = 62.0851b/Ft3
gall 1 lit 1m3 1Ft3
Static press : 17.617 × 62.085 1b/Ft3 = 1093.763 1b/Ft2
فشار خروجی از مخزن 1b/in2
3