Amin-Entschwefelung von Gas: Prinzip, effektive Varianten und Anlagenschemata

Im Erdgas, das aus Lagerstätten gefördert und über Pipelines an den Verbraucher geliefert wird, sind in unterschiedlichen Anteilen Schwefelverbindungen enthalten. Wenn man sie nicht entfernt, zerstören die aggressiven Stoffe die Rohrleitung und machen die Armaturen unbrauchbar. Zudem werden bei der Verbrennung des verunreinigten blauen Brennstoffs Giftstoffe freigesetzt.

Um negative Folgen zu vermeiden, wird eine Amin-Entschwefelung des Gases durchgeführt. Dies ist die einfachste und kostengünstigste Methode, schädliche Bestandteile vom Brennstoff zu trennen. Wir erklären, wie der Trennungsprozess der Schwefelbestandteile abläuft und wie die Reinigungsanlage aufgebaut ist und funktioniert.

Zweck der Reinigung des Brennstoffs

Gas ist der beliebteste Brennstoff. Es besticht durch den günstigsten Preis und die geringste Umweltbelastung. Zu den unbestreitbaren Vorteilen gehören die einfache Steuerung des Verbrennungsprozesses und die Möglichkeit, alle Schritte der Brennstoffverarbeitung bei der Gewinnung von Wärmeenergie sicher zu gestalten.

Allerdings wird das gasförmige Naturvorkommen nicht in reiner Form gefördert, da gleichzeitig mit der Gasentnahme aus der Bohrung begleitende organische Verbindungen abgesaugt werden. Die häufigste davon ist Schwefelwasserstoff, dessen Gehalt je nach Lagerstätte von Zehntelprozenten bis zu zehn Prozent und mehr variiert.

Schwefelwasserstoff ist giftig, umweltschädlich und schädlich für die in der Gasverarbeitung verwendeten Katalysatoren. Wie bereits erwähnt, ist diese organische Verbindung extrem aggressiv gegenüber Stahlrohren und metallischen Absperrarmaturen.

Natürlich führt Schwefelwasserstoff durch Korrosion an der privaten Leitung und der Hauptgasleitung zu Lecks des Erdgases und damit verbundenen äußerst negativen, riskanten Situationen. Um den Verbraucher zu schützen, werden die gesundheitsschädlichen Verbindungen aus dem gasförmigen Brennstoff entfernt, noch bevor er in die Hauptleitung eingespeist wird.

Nach den Normen darf der Gehalt an Schwefelwasserstoff im transportierten Gas nicht mehr als 0,02 g/m³ betragen. Tatsächlich ist er jedoch oft deutlich höher. Um den in GOST 5542-2014 vorgeschriebenen Wert zu erreichen, ist eine Reinigung erforderlich.

Bestehende Methoden zur Schwefelwasserstoffentfernung

Neben dem gegenüber anderen Verunreinigungen vorherrschenden Schwefelwasserstoff können in Erdgas auch andere schädliche Verbindungen enthalten sein. Darin lassen sich Kohlendioxid, leichte Mercaptane und Kohlenstoffoxysulfid nachweisen. Schwefelwasserstoff selbst wird jedoch immer überwiegen.

Es ist anzumerken, dass ein geringer Gehalt an Schwefelverbindungen im gereinigten gasförmigen Brennstoff zulässig ist. Der genaue Toleranzwert hängt von den Zwecken ab, für die das Gas gewonnen wird. Beispielsweise muss der Gesamtschwefelgehalt bei der Herstellung von Ethylenoxid unter 0,0001 mg/m³ liegen.

Die Reinigungsmethode wird je nach gewünschtem Ergebnis ausgewählt.

Alle derzeit vorhandenen Verfahren werden in zwei Gruppen unterteilt:

• Sorptionsverfahren. Sie bestehen in der Absorption von Schwefelwasserstoffverbindungen durch ein festes (Adsorption) oder flüssiges (Absorption) Reagens, gefolgt von der Freisetzung von Schwefel oder seinen Derivaten. Anschließend werden die aus dem Gas abgetrennten schädlichen Verunreinigungen entsorgt oder weiterverarbeitet.
• Katalytische Verfahren. Sie bestehen in der Oxidation oder Reduktion von Schwefelwasserstoff, wobei dieser in elementaren Schwefel umgewandelt wird. Der Prozess wird in Gegenwart von Katalysatoren durchgeführt – Substanzen, die den Ablauf der chemischen Reaktion stimulieren.

Die Adsorption beinhaltet die Sammlung von Schwefelwasserstoff durch Konzentration auf der Oberfläche eines festen Stoffes. Am häufigsten werden bei der Adsorption körnige Materialien auf Basis von Aktivkohle oder Eisenoxid verwendet. Die für die Körner charakteristische große spezifische Oberfläche trägt zur maximalen Rückhaltung von Schwefelmolekülen bei.

Alle Methoden zur Reinigung von Erdgas werden in sorptive und katalytische Verfahren unterteilt. Die für die Reinigung verwendeten Geräte sind auf das Funktionsprinzip einer bestimmten Technologie ausgerichtet. Es gibt jedoch Anlagen, in denen mehrere Verfahren kombiniert werden, was eine umfassende Reinigung ermöglicht.

Die Absorptionstechnologie zeichnet sich dadurch aus, dass gasförmige Schwefelwasserstoffverunreinigungen in einer aktiven flüssigen Substanz gelöst werden. Dadurch gehen die gasförmigen Verunreinigungen in die flüssige Phase über. Anschließend werden die abgetrennten schädlichen Bestandteile durch Abdampfen, auch Desorption genannt, aus der Reaktionsflüssigkeit entfernt.

Obwohl die Adsorptionstechnologie zu den 'trockenen Verfahren' gehört und eine Feinreinigung von Erdgas ermöglicht, wird bei der Entfernung von Verunreinigungen aus Erdgas häufiger die Absorption eingesetzt. Die Sammlung und Beseitigung von Schwefelwasserstoffverbindungen mit flüssigen Absorptionsmitteln ist vorteilhafter und zweckmäßiger.

Die beliebteste Art von Adsorber ist Aktivkohle, die in Form von Kapseln oder Körnern verwendet wird. Die Oberfläche jedes Elements “nimmt” Schwefelwasserstoff und andere organische Bestandteile auf.

Die bei der Gasreinigung verwendeten Absorptionsmethoden werden in die folgenden drei Gruppen eingeteilt:

• Chemische Verfahren. Sie werden mit Lösungsmitteln durchgeführt, die frei mit sauren Schwefelwasserstoffverunreinigungen reagieren. Die höchste Absorptionsfähigkeit unter den chemischen Sorbentien besitzen Ethanolamine oder Alkanolamine.
• Physikalische Verfahren. Sie werden durch physikalisches Lösen von gasförmigem Schwefelwasserstoff in einem flüssigen Absorptionsmittel durchgeführt. Dabei gilt: Je höher der Partialdruck des gasförmigen Schadstoffs, desto schneller verläuft der Lösungsprozess. Als Absorptionsmittel werden hier Methanol, Propylencarbonat und andere verwendet.
• Kombiniert. In der gemischten Variante der Schwefelwasserstoffextraktion werden beide Technologien eingesetzt. Die Hauptarbeit erfolgt durch Absorption, die Feinreinigung wird mit Adsorptionsmitteln durchgeführt.

Seit einem halben Jahrhundert ist die am häufigsten nachgefragte und beliebteste Technologie zur Abtrennung und Entfernung von Schwefelwasserstoff und Kohlensäure aus natürlichem Brennstoff die chemische Gasreinigung mit einem Aminsorbens, das in Form einer wässrigen Lösung verwendet wird.

Sorptionsverfahren zur Reinigung von natürlichem Brennstoff beruhen auf der Fähigkeit fester und flüssiger Stoffe, mit Schwefelwasserstoff und anderen organischen Verunreinigungen zu reagieren und diese dadurch aus dem Gas abzuscheiden.

Die Amin-Technologie eignet sich besser für die Behandlung großer Gasmengen, weil:

• Kein Mangel. Die Reagenzien sind jederzeit in der für die Reinigung erforderlichen Menge erhältlich.
• Akzeptable Absorptionsfähigkeit. Amine zeichnen sich durch eine hohe Absorptionskapazität aus. Von allen verwendeten Substanzen sind nur sie in der Lage, 99,9 % des Schwefelwasserstoffs aus dem Gas zu entfernen.
• Bevorzugte Eigenschaften. Wässrige Aminlösungen zeichnen sich durch eine maximal akzeptable Viskosität, Dampfdichte, thermische und chemische Stabilität sowie eine niedrige Wärmekapazität aus. Ihre Eigenschaften gewährleisten den bestmöglichen Ablauf des Absorptionsprozesses.
• Fehlende Toxizität der Reaktionssubstanzen. Dies ist ein nicht unwichtiges Argument, das dafür spricht, gerade die Amin-Methode anzuwenden.
• Selektivität. Eine Eigenschaft, die bei der selektiven Absorption erforderlich ist. Sie ermöglicht die sequenzielle Durchführung der erforderlichen Reaktionen in der für ein optimales Ergebnis erforderlichen Reihenfolge.

Zu den Ethanolaminen, die bei der Durchführung chemischer Methoden zur Reinigung von Gas von Schwefelwasserstoff und Kohlensäure verwendet werden, gehören Monoethanolamine (MEA), Diethanolamine (DEA) und Triethanolamine (TEA). Dabei entfernen Substanzen mit den Vorsilben Mono- und Di- sowohl H₂S als auch CO₂ aus dem Gas. Die dritte Variante hingegen hilft nur Schwefelwasserstoff zu entfernen.

Bei der selektiven Reinigung von Erdgas werden Methyldiethanolamine (MDEA), Diglycolamine (DGA) und Diisopropanolamine (DIPA) verwendet. Selektive Absorptionsmittel werden hauptsächlich im Ausland eingesetzt.

Natürlich gibt es noch keine idealen Absorptionsmittel, die allen Anforderungen bei der Reinigung vor der Einspeisung in das Gasheizsystem und die Versorgung anderer Geräte genügen. Jedes Lösungsmittel hat Vor- und Nachteile. Bei der Auswahl des Reaktionsmittels wird einfach das am besten geeignete aus einer Reihe von Vorschlägen bestimmt.

Funktionsprinzip einer typischen Anlage

Die maximale Absorptionskapazität in Bezug auf H₂S weist eine Monoethanolamin-Lösung auf. Allerdings hat dieses Reagens einige wesentliche Nachteile. Es zeichnet sich durch einen recht hohen Dampfdruck und die Fähigkeit aus, während des Betriebs der Amin-Gasreinigungsanlage irreversible Verbindungen mit Carbonylsulfid zu bilden.

Der erste Nachteil wird durch eine Wäsche beseitigt, bei der die Amindämpfe teilweise absorbiert werden. Der zweite tritt bei der Verarbeitung von Erdgas aus Förderfeldern selten auf.

Die Konzentration der wässrigen Monoethanolamin-Lösung wird empirisch ermittelt; auf der Grundlage durchgeführter Untersuchungen wird sie für die Reinigung von Gas aus einer bestimmten Lagerstätte festgelegt. Bei der Auswahl des prozentualen Anteils des Reagens wird seine Fähigkeit berücksichtigt, der korrosiven Wirkung von Schwefelwasserstoff auf die metallischen Komponenten des Systems zu widerstehen.

Der Standardgehalt des Absorptionsmittels liegt in der Regel im Bereich von 15 bis 20%. Es kommt jedoch häufig vor, dass die Konzentration auf 30% erhöht oder auf 10% verringert wird, je nachdem, wie hoch der Reinigungsgrad sein muss. D.h. für welchen Zweck das Gas verwendet wird – zum Heizen oder bei der Herstellung von Polymerverbindungen.

Es ist zu beachten, dass bei einer Erhöhung der Konzentration der Aminverbindungen die korrosive Wirkung des Schwefelwasserstoffs abnimmt. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass in diesem Fall der Reagensverbrauch steigt. Folglich erhöhen sich die Kosten des gereinigten Verkaufsgases.

Das Hauptaggregat der Reinigungsanlage ist ein Absorber vom Boden- oder Füllkörpertyp. Es ist ein vertikal ausgerichtetes, äußerlich an ein Reagenzglas erinnerndes Gerät mit innen angeordneten Füllkörpern oder Böden. Im unteren Teil befindet sich ein Eingang für die Zufuhr des ungereinigten Gasgemisches, oben ein Ausgang zum Scrubber.

Wenn sich das zu reinigende Gas in der Anlage unter einem Druck befindet, der ausreicht, um das Reagens in den Wärmetauscher und dann in die Abtriebskolonne zu leiten, erfolgt der Prozess ohne Beteiligung einer Pumpe. Wenn der Druck für den Prozessablauf zu gering ist, wird der Abfluss durch Pumpentechnik unterstützt.

Der Gasstrom wird nach dem Durchlaufen des Eingangsabscheiders in den unteren Teil des Absorbers eingeleitet. Anschließend durchströmt er die in der Mitte des Gehäuses angeordneten Böden oder Füllkörper, auf denen sich Verunreinigungen absetzen. Die vollständig mit Aminlösung benetzten Füllkörper sind durch Gitter voneinander getrennt, um eine gleichmäßige Verteilung des Reagens zu gewährleisten.

Das von Verunreinigungen befreite Erdgas wird anschließend in einen Wäscher geleitet. Dieses Gerät kann in der Verarbeitungsanlage nach dem Absorber angeschlossen oder in dessen oberen Teil angeordnet sein.

Die verbrauchte Lösung fließt an den Wänden des Absorbers nach unten und wird in eine Abtriebskolonne – einen Desorber mit Kocher – geleitet. Dort wird die Lösung durch die beim Sieden des Wassers freigesetzten Dämpfe von den absorbierten Verunreinigungen befreit, um wieder in die Anlage zurückzukehren.

Die regenerierte, d. h. von Schwefelwasserstoffverbindungen befreite Lösung fließt in den Wärmetauscher. Darin wird die Flüssigkeit durch Wärmeübertragung an die nächste Portion der verschmutzten Lösung gekühlt und anschließend von einer Pumpe in den Kühler gefördert, um vollständig abgekühlt zu werden und den Dampf zu kondensieren.

Die gekühlte absorbierende Lösung wird erneut dem Absorber zugeführt. So zirkuliert das Reagens in der Anlage. Seine Dämpfe werden ebenfalls gekühlt und von sauren Verunreinigungen befreit, danach ergänzen sie den Reagensvorrat.

Am häufigsten werden bei der Gasreinigung Verfahren mit Monoethanolamin und Diethanolamin eingesetzt. Die genannten Reagenzien ermöglichen es, aus dem Erdgas nicht nur Schwefelwasserstoff, sondern auch Kohlendioxid zu entfernen.

Wenn eine gleichzeitige Entfernung von CO₂ und H₂S aus dem zu behandelnden Gas erforderlich ist, wird eine zweistufige Reinigung durchgeführt. Sie besteht in der Anwendung von zwei Lösungen, die sich in ihrer Konzentration unterscheiden. Diese Variante ist wirtschaftlicher als eine einstufige Reinigung.

Zunächst wird das gasförmige Brennstoff mit einer starken Lösung mit einem Reagensgehalt von 25-35% gereinigt. Anschließend wird das Gas mit einer schwachen wässrigen Lösung behandelt, die nur 5-12% aktive Substanz enthält. Im Ergebnis wird sowohl eine Grob- als auch eine Feinreinigung bei minimalem Lösungsverbrauch und sinnvoller Nutzung der freigesetzten Wärme durchgeführt.

Vier Varianten der Reinigung mit Alkanolaminen

Alkanolamine oder Aminoalkohole sind Substanzen, die nicht nur eine Amingruppe, sondern auch eine Hydroxygruppe enthalten.

Der Aufbau der Anlagen und die Technologien zur Reinigung von Erdgas mit Alkanolaminen unterscheiden sich hauptsächlich in der Art der Zuführung des Absorptionsmittels. Am häufigsten werden bei der Gasreinigung mit dieser Art von Aminen vier grundlegende Methoden verwendet.

Erste Methode. Sie sieht die Zuführung der aktiven Lösung als einen einzigen Strom von oben vor. Das gesamte Absorptionsmittel wird auf den oberen Boden der Anlage geleitet. Der Reinigungsprozess findet bei einer Temperatur von nicht mehr als 40°C statt.

Das einfachste Reinigungsverfahren besteht darin, die aktive Lösung in einem einzigen Strom zuzuführen. Diese Methode kommt zum Einsatz, wenn die Verunreinigungen im Gas in geringer Menge vorhanden sind.

Diese Methode wird üblicherweise bei geringer Verschmutzung durch Schwefelwasserstoffverbindungen und Kohlensäure angewendet. Der Gesamtwärmeeffekt zur Gewinnung von Marktgas ist dabei in der Regel gering.

Zweite Methode. Diese Reinigungsvariante wird bei hohem Gehalt an Schwefelwasserstoffverbindungen im gasförmigen Brennstoff angewendet.

Die Reaktionslösung wird in diesem Fall in zwei Strömen zugeführt. Der erste Strom mit einem Volumen von etwa 65-75 % der Gesamtmenge wird in die Mitte der Anlage geleitet, der zweite von oben zugeführt.

Die Aminlösung fließt über die Böden nach unten und trifft auf die aufsteigenden Gasströme, die auf den unteren Boden der Absorptionsanlage geleitet werden. Vor der Zuführung wird die Lösung auf höchstens 40 °C erwärmt, doch im Laufe der Reaktion von Gas und Amin steigt die Temperatur deutlich an.

Damit die Reinigungseffizienz durch den Temperaturanstieg nicht sinkt, wird die überschüssige Wärme zusammen mit der mit Schwefelwasserstoff gesättigten Ablösung abgeführt. Oben in der Anlage wird der Strom gekühlt, um die restlichen sauren Bestandteile zusammen mit dem Kondensat zu extrahieren.

Die zweite und dritte der beschriebenen Methoden sehen die Zuführung der Absorptionslösung in zwei Strömen vor. Im ersten Fall wird das Reagenz mit einer Temperatur zugeführt, im zweiten – mit unterschiedlichen Temperaturen.

Dies ist eine wirtschaftliche Methode, die den Verbrauch sowohl an Energie als auch an Aktivlösung reduziert. In keiner Phase wird zusätzlich erwärmt. Vom technologischen Wesen her handelt es sich um eine zweistufige Reinigung, die es ermöglicht, das Marktgas mit geringsten Verlusten für die Einspeisung in die Hauptleitung vorzubereiten.

Dritte Methode. Sie sieht die Zufuhr der Absorptionslösung in die Reinigungsanlage in zwei Strömen unterschiedlicher Temperatur vor. Die Methode wird angewendet, wenn im Rohgas neben Schwefelwasserstoff und Kohlensäure auch CS₂ und COS enthalten sind.

Der überwiegende Teil der Absorptionslösung, etwa 70-75 %, wird auf 60-70 °C erhitzt, der restliche Teil nur auf 40 °C. Die Ströme werden wie im oben beschriebenen Fall in den Absorber eingespeist: von oben und in die Mitte.

Die Bildung einer Zone mit hoher Temperatur ermöglicht es, organische Verunreinigungen aus der Gasmasse am unteren Ende der Reinigungskolonne schnell und effektiv zu entfernen. Oben werden Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff durch Amin mit Standardtemperatur ausgefällt.

Vierte Methode. Diese Technologie sieht die Zufuhr einer wässrigen Aminlösung in zwei Strömen mit unterschiedlichem Regenerationsgrad vor. Das heißt, einer wird im ungereinigten Zustand mit Schwefelwasserstoffeinschlüssen geliefert, der zweite – ohne diese.

Der erste Strom kann nicht als vollständig verschmutzt bezeichnet werden. Er enthält nur teilweise saure Bestandteile, da ein Teil davon während der Abkühlung auf +50 º/+60 ºC im Wärmetauscher entfernt wird. Dieser Lösungsstrom wird von der unteren Packung des Desorbers abgezogen, abgekühlt und zum mittleren Teil der Kolonne geleitet.

Bei einem hohen Gehalt an Schwefelwasserstoff- und Kohlendioxidbestandteilen im gasförmigen Brennstoff erfolgt die Reinigung mit zwei Lösungsströmen unterschiedlichen Regenerationsgrads.

Nur der Teil der Lösung, der in den oberen Bereich der Anlage gepumpt wird, wird einer Tiefenreinigung unterzogen. Die Temperatur dieses Stroms liegt in der Regel nicht über 50 ºC. Hier erfolgt die Feinreinigung des gasförmigen Brennstoffs. Dieses Schema ermöglicht eine Kostensenkung um mindestens 10 % durch die Reduzierung des Dampfverbrauchs.

Es ist klar, dass die Reinigungsmethode basierend auf dem Vorhandensein organischer Verunreinigungen und der wirtschaftlichen Zweckmäßigkeit gewählt wird. In jedem Fall ermöglicht die Vielfalt der Technologien, die optimale Variante auszuwählen. An derselben Anlage zur Amin-Gasbehandlung kann der Reinigungsgrad variiert werden, um das Erdgas mit den für den Betrieb von Gaskesseln, Herden und Heizgeräten erforderlichen Eigenschaften zu erhalten.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Mit den Besonderheiten der Schwefelwasserstoffgewinnung aus Begleitgas, das zusammen mit Erdöl aus einer Erdölbohrung gefördert wird, macht Sie das folgende Video vertraut:

Ein Video stellt die Anlage zur Reinigung von Erdgas von Schwefelwasserstoff unter Gewinnung von elementarem Schwefel für die weitere Verarbeitung vor:

Darüber, wie zu Hause Biogas von Schwefelwasserstoff befreit werden kann, berichtet der Autor dieses Videos:

Die Wahl der Gasreinigungsmethode orientiert sich in erster Linie an der Lösung einer bestimmten Aufgabe. Der Ausführende hat zwei Wege: ein bewährtes Schema zu befolgen oder etwas Neues zu bevorzugen. Der wichtigste Leitfaden sollte jedoch die wirtschaftliche Zweckmäßigkeit bei gleichbleibender Qualität und Erreichung des erforderlichen Verarbeitungsgrads sein.