Очистка природного газа от сернистых соединений и углекислого газа

В составе природных газов многих месторождений содер­жатся сернистые компоненты и углекислый газ, так называ­емые кислые газы. Сернистые соединения отравляют катали­заторы в процессах переработки газа, при сгорании образу­ют SO₂ и SO₃, высокое содержание которых в воздухе опасно для человека и окружающей среды. Сероводород H₂S и угле­кислый газ СО₂ в присутствии воды вызывает коррозию сталь­ных труб, оборудования трубопроводов, компрессорных ма­шин и т. д. Их присутствие ускоряет гидратообразование. Требования к газу, поставляемому потребителю, по содержа­нию сернистых компонентов постоянно возрастают. В насто­ящее время допускается содержание H₂S в природном газе не более 5, 7 мг/м³, общей серы не более 50 мг/м³, углекисло­го газа СО₂ до 2 %. Сернистые компоненты природного газа и в первую очередь H₂S служат отличным сырьем для произ­водства серы. Из сероводорода природного газа получается наиболее чистая и дешевая сера. Степень чистоты так назы­ваемой газовой серы составляет 99, 9 %. Современные про­цессы очистки природного газа связаны с производством серы и обеспечением чистоты воздушного бассейна.

Традиционные схемы очистки больших объемов газа вклю­чают процессы:

1) извлечения кислых компонентов, т. е. производство очи­щенного газа;

2) переработку кислых газов в серу;

3) очистку или сжигание отходящих газов;

4) очистку газов сгорания.

Для извлечения кислых компонентов из природного газа применяют главным образом абсорбционные регенеративные процессы. Кислые компоненты из газа извлекают в процессе химической или физической абсорбции. Затем при регенерации насыщенного абсорбента получают поток кислого газа, направляемый на установку производства серы.

В процессах химической абсорбции применяют водные ра­створы поглотителей, которые вступают в обратимую реакцию с кислыми компонентами природного газа. В качестве хими­ческих поглотителей используют моноэтаноламин, диэтаноламин, дигликольамин, растворы солей щелочных металлов, ра­створы солей аминокислот и др. Схема процесса, типичного для химической абсорбции, приведена на рис. 4.23 [38].

Часто применяют моноэтанолоаминовый процесс, характе­ризующийся высокой реакционной способностью поглотите­ля, его хорошей химической устойчивостью и небольшими капитальными вложениями. Реакцию взаимодействия моноэтанолоамина с сероводородом и углекислым газом можно представить следующими уравнениями:

Рис. 4.23. Схема установки для очистки природного газа методом химичес­кой абсорбции: 1 — входной сепаратор; 2 — абсорбер; 3 — гидравлическая турбина; 4 — насос; 5 — выветриватель; 6 — промежуточная емкость; 7 — теплообмен­ник; 8 — фильтр; 9 — десорбер; 10 — воздушный холодильник; 11 — сепаратор рефлюкса; / — сырой газ; II — очищенный газ; III — насыщен­ный абсорбент; IV — регенерированный абсорбент; V — газ выветривания; VI — кислый газ

Рис. 4.24. Схема установки осушки газа методом физической абсорбции: 1 — абсорбент; 2 — детандер; 3 — холодильник; 4, 5 и 6 — первая, вторая и третья ступени выветривания соответственно; 7 — выпарная колонна; 8 — воздуходувка; 9 — насос; 10 — теплообменик; / — исходный газ; II — насыщенный абсорбент; III — груборегенерированный абсорбент; IV — тонкорегенерированный абсорбент; V — очищенный газ; VI — рецикловый газ; VII — газ выветривания среднего давления; VIII — кислый газ; IX — воздух или инертный газ

Во избежание коррозии оборудования концентрация моноэтаноламина в растворе с водой не превышает 15 — 20 %.

При физической абсорбции кислых газов из потоков при­родного газа используются органические растворители: мета­нол, пропиленкарбонат, диметиловый эфир полиэтиленгликоля и др. Процессы физической абсорбции характеризуются высокой степенью насыщения абсорбента кислыми газами и соответственно низкими скоростями циркуляции поглотите­ля, низкими энергозатратами, небольшими габаритами и про­стотой оборудования.

Схема, типичная для процесса физической абсорбции, приведена на рис. 4.24. Выбор растворителя основан на со­ставе, температуре и давлении исходного газа, с учетом мето­да последующей его обработки и требований к качеству очи­щенного газа.

Вторая операция при очистке природного газа — получе­ние серы из сернистых соединений. При обработке больших потоков природного газа чаще всего используются различные модификации процесса Клауса, основанного на каталитичес­кой реакции кислорода воздуха с сероводородом, поступаю­щим из регенерационной колонны абсорбционных процес­сов, при повышенной температуре. Реакция Клауса протекает в две стадии по уравнениям

Рис. 4.25. Схема установки Клауса с однопоточным процессом: 1 — горелка и реакционная камера; 2 — котел-утилизатор; 3, 5, 7 — конден­саторы; 4, 6 — первый и второй каталитические конверторы соответственно; / — кислый газ; II — воздух; III, VIII — пар (высокое давление); IV — обводная линия горячего газа; V, VII — пар (низкое давление); VI — сера; IX — «хвостовой газ»

Для увеличения выхода серы процесс проводится в соот­ветствии с двумя стадиями реакции. Сначала в печи Клауса при высокой температуре сжигается часть сероводорода с получением оксида серы. В результате очень высокой темпе­ратуры и некаталитического сжигания сероводорода с возду­хом получается непосредственно сера с выходом около 60 %. После высокотемпературного сжигания и утилизации тепло­ты продуктов сгорания устанавливаются один или несколько каталитических конвертеров Клауса (рис. 4.25), где оставший­ся сероводород взаимодействует с кислородом. Снижение температуры каталитической реакции способствует повыше­нию выхода серы. При очистке отходящих с установок Кла­уса газов возможны два варианта. В одном случае газы, отходящие с установок Клауса, подаются непосредственно в установку доочистки, в другом — они предварительно сжига­ются до превращения всех сернистых соединений в SO₂ и только после этого поступают на установку доочистки.