Лекция 6 Очистка газов процессом Сульфинол

Из числа процессов, использующих смесь физического и хими­ческого поглотителей, наибольшее применение нашел процесс Сульфинол, разработанный фирмой «Шелл Ойл Компани». Основным компонентом поглотителя в этом процессе является диоксид тетрагидротиофена (CH₂)₄SO₂ (техническое название сульфолан). Основные свойства сульфолана: температура плав­ления 8 - 10°С; температура кипения 286°С, плотность 1,2723 г/см³, вязкость при 30 °С - 0,053 Н/м. Давление насыщен­ных паров при 150, 200 и 260°С составляет 1,93; 11,4 и 5,62 кПа соответственно.

Сульфолан по отношению к компонентам газа хими­чески инертен, действует как физический поглотитель. ДИПА извлекает из газа кислые компоненты в результате хемосорбции, не чувствительной практически к их парциальному давле­нию в смеси. Комбинированный абсорбент поэтому обладает высокой поглотительной емкостью при низких, средних и высо­ких парциальных давлениях кислых компонентов.

Кислые компоненты, поглощенные сульфоланом, выделяются из него при снижении давления насыщенного раствора, поэто­му расход энергии на его регенерацию значительно ниже, чем в хемосорбционных процессах. По энергоемкости процесс Суль­финол занимает промежуточное место между физическими и хемосорбционными процессами.

Емкость по кислым газам для сульфинола колеблется от 30 до 127 м³/м³ в зависимости от состава газа и условий про­ведения процесса (раствора МЭА — 23—30 м³/м³).

Более высокая емкость сульфинола обусловливает его мень­ший удельный расход, требует меньшего по габаритам обору­дования и системы транспортирования. Для регенерации насы­щенного сульфинола требуется на 30—80% меньше энергии, чем в аминовых процессах.

Сульфинол практически не вызывает коррозии оборудова­ния даже при насыщении сероводородом благодаря своей спо­собности образовывать защитную пленку на соприкасающихся с ним стальных поверхностях. Кроме того, раствор устойчив против пенообразования при наличии в газе тяжелых углево­дородов.

Другим важным преимуществом сульфинола является воз­можность очистки газа одновременно не только от H₂S и СО₂, но и от COS, CS₂ и тиолов. В отличие от МЭА ДИПА не об­разует с сероксидом углерода нерегенерируемого соединения, что снижает его потери. ДИПА с диоксидом углерода образует ДИПА-оксазолидон, который в свою очередь является хорошим поглотителем кислых компонентов газа. ДИПА-оксазолидон легко удаляется из раствора при его фильтрации.

Сульфолан и ДИПА имеют низкие давления насыщенных паров в условиях очистки газа, поэтому их потери с очищенным газом незначительны.

Согласно данным фирмы «Шелл Ойл Компани», в мире экс­плуатируется более 110 таких установок. Применение процес­са Сульфинол особенно выгодно при высоких давлениях и больших содержаниях сероводорода в газе. Одна из первых промышленных установок, использующих в качестве поглоти­теля сульфинол, введена в эксплуатацию в 1962 г. До этого на установке в качестве абсорбента использовали водный раствор МЭА. Абсорбер установки имел 23 однопоточных клапанных тарелок, а десорбер — 18 двухпоточных.

Переработке подвергался газ следующего состава: СН₄ — 81,57; С₂Н₆ —5,82; С₃Н₈—1,85; С₄Н₁₀— 1,03; С₅H₁₂ —0,45; С₆Н₁₄ —0,15; С₇Н₁₆ —0,06; С₈Н₁₈ —0,043; С₉Н₂₀ —0,004; арома­тические углеводороды — 0,023; N₂—-0,50; СО₂ —6,90; Н₂S— 1,60; COS — 0,007; тиолы — 0,0017% (об.)

Сравнение показателей установки при работе с различными поглотителями показал преимущество процесса Сульфинол по энергетическим затратам и удельному расходу поглотителя.

Капитальные затраты в процессе Сульфинол на 30% ниже, чем при очистке газа раствором МЭА. В табл. 3.9 сравни­ваются пять установок очистки газа процессом Сульфинол при 7,1 МПа и 43 °С. На установку подавались газы с различным содержанием СО₂ и H₂S. Во всех вариантах достигается очист­ка газа от сероводорода и диоксида углерода до их остаточно­го содержания в товарном газе 5,7 мг/м³ и 1% (об.) соответ­ственно. На установке достигалась также тонкая очистка газа от серооксида углерода.

Несмотря на разные количества поглощаемых кислых ком­понентов, расход пара на регенерацию одного литра поглоти­теля отличается незначительно. Это объясняется тем, что до поступления насыщенного раствора в десорбер производится его дегазация, где выделяется основное количество кислых компонентов. В десорбере тепло расходуется в основном на подогрев раствора.

При очистке газа процессом Сульфинол насыщенность абсорбента углеводородами выше, чем аминовых растворов. Следовательно, возможен повышенный выход газов дегазации Концентрация H₂S в газах дегазации также выше, чем в аналогичных условиях на аминовых установках. Поэтому рекомендуется газы дегазации подвергнуть очистке в отдельной колонне (рис.2) или же компрессором подавать в основном абсорбер. Чаще всего абсорбер низкого давления устанавливают над дегазатором, который является общим для обоих абсорбентов.

Компанией «Шелл Ойл» на заводе Юстейс внедрен так называемый каскадный вариант процесса Сульфинол, включающий в себя блоки Сульфинол и Скот (рис. 3), благодаря чему значительно снижается металлоемкость установки.

Одновременное использование части поглотителя последова­тельно в колоннах К-2 и К-1 обеспечивает снижение количе­ства циркулирующего в системе раствора.

Большое влияние на работу установки оказывает темпера­тура поглотителя на входе в колонну К-2. Снижение ее значе­ния всего на 3 градуса привело к уменьшению концентрации SO₂ в выбросных газах с 636 до 342 мг/м³ (по проекту кон­центрация SO₂ в выбросных газах не должна превышать 733 мг/м³).

Комбинированный способ очистки газа Сульфинол — Скот позволяет снизить капиталовложения и эксплуатационные рас­ходы.

На заводе для очистки хвостовых газов установки Клауса применен процесс Скот. В каскадном варианте как для очистки основного газа, так и для очистки хвостовых газов использует­ся сульфинол. При этом поглотитель сначала подается в ко­лонну работающую в блоке Скот. Вследствие низкого давления (примерно атмосферное) не происходит полного насыщения раствора.

Поглотитель с низа колонны Скот забирается насосом и подается на промежуточную тарелку абсорбера блока Суль­финол, где из газа извлекается дополнительное количество кислых компонентов.

Грубо очищенный газ проходит в верхнюю секцию абсорбе­ра где тонко регенерированный раствором сульфинола очи­щается от сернистых соединений. Насыщенный раствор сульфинола с обеих секций абсорбера смешивается и подается на регенерацию в десорбер К-3.

Кислые газы, получаемые при регенерации насыщенного раствора, повторно подаются на установку Клауса. Кроме вы­сокой степени извлечения серы и низких концентраций SО₂ в выбросном газе процесс Скот характеризуется также просто­той в эксплуатации и малой чувствительностью к значитель­ным изменениям состава сырья, которые могут произойти при нарушении режима работы установки Клауса.

При проектировании установок очистки газа процессом Сульфинол не­обходимо принимать во внимание следующее:

сульфинол является хорошим растворителем тяжелых углеводородов, особенно ароматических. Необходимо принять соответствующие меры, ис­ключающие попадание этих компонентов в контактор, так как их наличие в газах, направляемых на установку производства серы, недопустимо. В об­ратном случае производимая газовая сера будет низкого качества;

б) вещества, входящие в состав раствора, сравнительно дорогие;

в) сульфинол растворяет краски технологических трубопроводов и обо­рудования. Кроме того, раствор легко проникает сквозь резьбовые соедине­ния труб. Применяемые на аминовых установках резьбовые смазки рас­творяются в сульфиноле. Поэтому на всех несварных трубопроводах систе­мы циркуляции раствора следует использовать для уплотнения резьбовых соединений тефлоновую, ленту.

г) сульфинол является хорошим растворителем тяжелых углеводород­ных смол, накипи и грязи, накапливающихся на поверхности труб и тепло­обменников. Поэтому перед переводом установок на процесс Сульфинол поверхности всех аппаратов и коммуникаций должны быть тщательно очи­щены;

д) преимущества процесса Сульфинол в наибольшей степени проявля­ются в тех случаях, когда соотношение H2S : СС>2 в сырьевом газе больше единицы и ^парциальное давление кислых компонентов в газе не менее-0,75 МПа. В последнем случае благодаря большой сорбционной емкости поглотителя обеспечивается. его низкий удельный расход и, следовательно, снижение удельных энергетических затрат;

е) раствор сульфинол не вызывает усиленную коррозию оборудования.. Система очистки газа может изготавливаться из углеродистой стали. Наи­более уязвимым местом установки в отношении коррозии являются труб­ки испарителя и коммуникации насыщенного раствора. Скорость коррозии в них (после 870 часовой эксплуатации) составила соответственно 0,889 и 0,0762 мм/год. В то же время скорость коррозии в нижней части абсорбера на входе сырьевого газа и на выходе насыщенного абсорбента составляла 0,0152 и 0,0254 мм/год соответственно. Такие узлы установки, как теплооб­менники и трубопроводы насыщенного раствора, рекомендуется изготавли­вать из нержавеющей стали;

ж) для систематической очистки циркулирующего в системе раствора от загрязнений (сернистое железо, нерегенерируемые соединения) около 5%-раствора подвергается фильтрации. В пусковой период устанавливают фильтрующие элементы, задерживающие частицы размером 50—100 мкм и более, так как раствор сульфинола хорошо очищает поверхности труб, теп­лообменников и контактных устройств от накипи, грязи и парафинов. Через некоторое время, когда по перепаду давления на фильтрах и составу цир­кулирующего абсорбента определяют, что системы очищены, на фильтрах устанавливаются элементы, задерживающие частицы размером 2—4 микрон.

Процесс разработан для очистки газов с высоким содер­жанием кислых компонентов, когда очистка газа аминовыми растворами становится менее эффективной из-за большого рас­хода растворов и высоких энергетических затрат.