موثرترین فرآیندهای شیرین‌سازی گاز

گاز طبیعی، این هدیه ارزشمند از دل زمین، همیشه به صورت آماده و تر و تمیز به دست ما نمی‌رسد. اغلب اوقات، این گاز با مهمانان ناخوانده‌ای همراه است که نه تنها از کیفیت آن کم می‌کنند، بلکه می‌توانند دردسرساز و حتی خطرناک هم باشند. اینجاست که فرایند شیرین‌سازی گاز وارد میدان می‌شود؛ یک سری عملیات مهندسی که هدفشان رام کردن گاز ترش و تبدیل آن به گازی شیرین، ایمن و قابل استفاده است. در این مقاله، انواع روش های شیرین سازی گاز ترش و مقایسه بین آن ها، ارائه می شود.

همچنین بخوانید:

♣ روش‌های شستشوی خطوط انتقال گاز

♣ سولفورزدایی هیدروژنی (HDS) از ترکیبات نفتی و میعانات گازی چگونه انجام می شود؟

چرا و چگونه گاز طبیعی را شیرین می‌کنیم؟

قبل از اینکه وارد جزئیات فنی شویم، بیایید ببینیم اصلا چرا این همه زحمت به خودمان می‌دهیم و گاز را شیرین می‌کنیم؟ لزوم شیرین سازی گاز از کجا می‌آید و با چه ترکیباتی سروکار داریم؟

گاز ترش چیست و چرا باید از شر آلاینده‌هایش خلاص شویم؟

وقتی از گاز ترش حرف می‌زنیم، منظورمان گاز طبیعی است که مقادیر زیادی از ترکیبات اسیدی و گوگردی را در خود جا داده. بازیگران اصلی این ترکیبات مزاحم، سولفید هیدروژن (H2S) با بوی تند و زننده، شبیه تخم‌مرغ گندیده، دی‌اکسید کربن (CO2)، و در مقادیر کمتر، ترکیباتی به نام مرکاپتان‌ها هستند. سولفید هیدروژن حتی در غلظت‌های خیلی کم هم به شدت سمی است و می‌تواند برای سلامتی انسان خطرناک باشد.

علاوه بر این، H2S و CO2 در حضور رطوبت تبدیل به اسید شده و مثل خوره به جان لوله‌ها و تجهیزات فلزی می‌افتند و باعث خوردگی شدید آنها می‌شوند. این خوردگی می‌تواند منجر به نشتی، کاهش عمر تجهیزات و حتی حوادث ناگوار شود.

دی‌اکسید کربن هم اگرچه به اندازه H2S سمی نیست، اما باعث کاهش ارزش حرارتی گاز می‌شود؛ یعنی برای گرم کردن خانه‌هایمان یا به حرکت درآوردن توربین‌ها، باید مقدار بیشتری گاز بسوزانیم. ضمن اینکه برای مایع‌سازی گاز طبیعی (LNG) که یکی از روش‌های مهم صادرات گاز است، CO2 باید تقریبا به طور کامل حذف شود، وگرنه در دماهای خیلی پایین یخ زده و کل فرآیند را مختل می‌کند. آلاینده‌ها همچنین می‌توانند به کاتالیست‌های گران‌قیمتی که در فرآیندهای بعدی پتروشیمی استفاده می‌شوند، آسیب بزنند.

به طور خلاصه، گاز ترش با استانداردهای لازم برای فروش و انتقال در خطوط لوله مطابقت ندارد. پس همانطور که می‌بینید، لزوم شیرین سازی گاز از جنبه‌های مختلف کاملا روشن است.

هدف از شیرین‌سازی چیست و گاز باید چقدر شیرین شود؟

هدف اصلی از فرایند شیرین‌سازی گاز طبیعی این است که غلظت این آلاینده‌های اسیدی را به حدی کاهش دهیم که گاز هم برای استفاده ایمن باشد و هم مشخصات فنی لازم را برای کاربردهای مختلف داشته باشد. این حد مجاز معمولا توسط استانداردهای صنعتی و قراردادهای فروش تعیین می‌شود. مثلا، برای گازی که قرار است وارد خط لوله سراسری شود، معمولا غلظت سولفید هیدروژن باید به کمتر از 4 ppm و غلظت دی‌اکسید کربن به کمتر از 2 تا 3 درصد حجمی برسد.

البته این اعداد می‌توانند بسته به اینکه گاز قرار است کجا استفاده شود، تغییر کنند. مثلا گازی که به عنوان خوراک برای برخی واحدهای خاص پتروشیمی می‌رود، ممکن است به خلوص خیلی بالاتری نیاز داشته باشد. هرچه گاز ترش‌تر باشد و نیاز به گاز شیرین‌تری داشته باشیم، معمولا فرآیند پیچیده‌تر و پرهزینه‌تری لازم است.

همچنین بخوانید:

♣ سولفورزدایی از روغن پایه | انواع روش ها و رویکردها

♣ گوگردزدایی فرآورده های نفتی در صنعت پتروشیمی

نگاهی کلی به انواع روش‌های شیرین‌سازی گاز

خوشبختانه مهندسان برای مقابله با گاز ترش، روش‌های مختلفی را ابداع کرده‌اند. به طور کلی، این روش‌ها را می‌توان به چند دسته اصلی تقسیم کرد. دسته اول و شاید شناخته‌شده‌ترین، فرآیندهای جذب با حلال مایع هستند. در این روش‌ها، گاز ترش را از داخل یک مایع حلال عبور می‌دهند که این مایع، گازهای اسیدی را مثل اسفنج به خودش جذب می‌کند. این حلال‌ها می‌توانند شیمیایی مانند محلول‌های آمینی که با H2S و CO2 واکنش می‌دهند، یا فیزیکی، که گازهای اسیدی را در خودشان حل می‌کنند، باشند.

دسته بعدی، فرآیندهای جذب سطحی هستند که در آنها، گازهای اسیدی روی سطح یک ماده جامد متخلخل مانند زئولیت‌ها یا کربن فعال، به دام می‌افتند. این روش‌ها بیشتر برای حذف مقادیر کم آلاینده یا برای رسیدن به خلوص خیلی بالا کاربرد دارند. یک فناوری نسبتا جدیدتر، جداسازی با غشا است. در این روش، از لایه‌های نازکی استفاده می‌شود که مثل یک فیلتر بسیار دقیق، به گازهای اسیدی اجازه عبور سریع‌تر از متان را می‌دهند و به این ترتیب آنها را جدا می‌کنند. در ادامه، به بررسی دقیق‌تر مهم‌ترین این روش‌ها خواهیم پرداخت.

الف) شیرین‌سازی گاز با آمین‌ها:

وقتی صحبت از فرایند شیرین‌سازی گاز طبیعی می‌شود، اغلب اولین چیزی که به ذهن می‌رسد، استفاده از محلول‌های آمینی است. این روش دهه‌هاست که به عنوان یک راه حل قابل اعتماد و کارآمد در صنعت گاز برای جداسازی گازهای اسیدی به کار می‌رود.

آمین‌ها چگونه گاز را شیرین می‌کنند؟

مراحل شیرین سازی گاز با آمین در یک چرخه بسته انجام می‌شود که دو بخش اصلی دارد: برج جذب و برج احیا. تصور کنید گاز ترش از پایین وارد یک برج بلند (برج جذب) می‌شود و همزمان، محلول آمین خنک از بالای برج به سمت پایین جریان پیدا می‌کند. در حین این تماس، مولکول‌های آمین با گازهای اسیدی (H2S و CO2) ترکیب می شوند و آنها را از گاز جدا می‌کنند. گاز شیرین و تمیز از بالای برج خارج می‌شود. محلول آمینی که حالا گازهای اسیدی را به خودش گرفته، آمین غنی، از پایین برج جذب خارج می گردد، کمی گرم می‌شود و به سمت برج دوم یعنی برج احیا می‌رود.

در برج احیا، آمین غنی با حرارت و بخار آب داغ مواجه می‌شود. این حرارت باعث می‌شود پیوند بین آمین و گازهای اسیدی شکسته می شود و گازهای اسیدی از محلول آمین آزاد شوند. این گازهای اسیدی که حالا از آمین جدا شده‌اند، از بالای برج احیا خارج و معمولا به واحد دیگری ارسال می‌شوند تا از H2S موجود در آنها، گوگرد تولید شود. محلول آمینی که حالا دوباره تمیز و فعال شده (آمین فقیر)، از پایین برج خارج می شود، خنک می‌شود و دوباره به برج جذب برمی‌گردد تا این چرخه بارها و بارها تکرار شود.

چرا با وجود روش‌های جدید، آمین هنوز حرف اول را می‌زند؟

دلیل اصلی محبوبیت واحدهای آمین، کارایی بسیار بالای آنها در حذف کامل سولفید هیدروژن (H2S) است. این واحدها می‌توانند غلظت H2S را به مقادیر بسیار ناچیز برسانند که برای انتقال ایمن گاز در خطوط لوله و رعایت استانداردها ضروری است. ضمن اینکه این تکنولوژی بسیار جاافتاده و شناخته‌شده است و مهندسان تجربه زیادی در طراحی و راه‌اندازی آن دارند.

اما این روش بی‌دردسر هم نیست. یکی از مشکلات اصلی، خوردگی تجهیزات توسط محلول آمین، به خصوص در دماهای بالا است. همچنین، خود آمین ممکن است به مرور زمان تجزیه شده و ترکیبات ناخواسته‌ای ایجاد کند که باعث کاهش کارایی و مشکلاتی مثل کف کردن محلول شوند. مصرف انرژی بالا برای گرم کردن ریبویلر در برج احیا نیز یکی از نقاط ضعف اصلی این روش است که هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهد. با این حال، با طراحی مناسب، انتخاب صحیح نوع آمین و کنترل دقیق فرآیند، می‌توان این مشکلات را تا حد زیادی کاهش داد.

ب) تکنولوژی غشایی در شیرین‌سازی گاز:

در سال‌های اخیر، استفاده از غشاها به عنوان یک روش مدرن و کارآمد برای شیرین سازی گاز طبیعی، به خصوص در شرایط خاص، توجه زیادی را به خود جلب کرده است.

غشاها چگونه گازهای اسیدی را فیلتر می‌کنند؟

تصور کنید یک فیلتر بسیار بسیار ریز دارید که فقط به مولکول‌های خاصی اجازه عبور می‌دهد. غشاها در شیرین‌سازی گاز تقریبا همین کار را می‌کنند. این غشاها لایه‌های نازکی از مواد پلیمری خاص یا گاهی سرامیکی هستند که ساختارشان به گونه‌ای است که مولکول‌های کوچک و قطبی مثل H2S و CO2 و بخار آب، خیلی راحت‌تر و سریع‌تر از مولکول بزرگ و غیرقطبی متان از آنها عبور می‌کنند.

وقتی گاز ترش با فشار از یک سمت غشا عبور می کند، H2S و CO2 به سمت دیگر (که فشار کمتری دارد) نفوذ کرده و از جریان اصلی گاز جدا می‌شوند. جریانی که از غشا عبور کرده و غنی از گازهای اسیدی است را جریان عبوری (Permeate) می‌نامند. بخشی از گاز که از غشا عبور نکرده و در سمت فشار بالا باقی مانده، همان گاز شیرین شده است که به آن جریان باقیمانده (Retentate) می‌گویند. این غشاها معمولا به صورت ماژول‌هایی با سطح بسیار زیاد (مثلا به شکل الیاف توخالی یا صفحات مارپیچی) ساخته می‌شوند تا کارایی جداسازی بالا برود.

غشا در مقابل آمین؛ کدام یک انتخاب بهتری است؟

سیستم‌های غشایی مزایای جالبی نسبت به روش سنتی آمین دارند. یکی از بزرگترین آنها سادگی عملیاتی است. این واحدها تجهیزات متحرک کمی دارند و خبری از برج‌های بلند، حلال‌های شیمیایی، پمپ‌ها و ریبویلرهای بزرگ نیست. در نتیجه راه‌اندازی و بهره‌برداری از آنها آسان‌تر است و نیاز به اپراتور کمتری دارند. وزن و حجم کم این واحدها نیز آنها را برای نصب در سکوهای دریایی یا مناطق دورافتاده که فضا محدود است، بسیار مناسب می‌کند. همچنین، ظرفیت آنها را می‌توان به راحتی با اضافه کردن ماژول‌های بیشتر، افزایش داد.

اما غشاها محدودیت‌هایی هم دارند. یکی اینکه معمولا قادر به حذف کامل و بسیار عمیق گازهای اسیدی نیستند، به خصوص H2S. بنابراین اگر نیاز به رساندن H2S به زیر 4 ppm باشد، غشا به تنهایی کافی نیست.

دیگر اینکه غشاها به آلاینده‌ها و مایعات همراه گاز (مثل قطرات آب یا هیدروکربن‌های سنگین) حساس هستند و گاز ورودی به آنها باید به خوبی تمیز و خشک باشد تا غشاها آسیب نبینند یا مسدود نشوند. همچنین، همیشه مقداری از متان با ارزش هم همراه با گازهای اسیدی از غشا عبور می‌کند و از دست می‌رود (تلفات هیدروکربن). به همین دلیل، غشاها بیشتر برای کاهش بخش عمده‌ای از CO2 یا برای شیرین‌سازی گازهایی با غلظت متوسط گازهای اسیدی، و یا به صورت ترکیبی با سایر روش‌ها استفاده می‌شوند.

ج) فرآیند جذب سطحی نوسانی فشار (PSA) برای شیرین‌سازی گاز

یکی دیگر از روش های شیرین سازی گاز که برای کاربردهای خاصی بسیار مفید است، فرآیند جذب سطحی نوسانی فشار یا PSA نام دارد. این روش به خصوص زمانی که نیاز به خلوص بسیار بالا یا حذف همزمان چند نوع ناخالصی باشد، به کار می‌آید.

عملکرد PSA ؛ بازی با فشار برای به دام انداختن ناخالصی‌ها

روند شیرین سازی گاز با PSA بر این اصل استوار است که برخی مواد جامد متخلخل تمایل دارند مولکول‌های خاصی از گاز را روی سطح خود نگه دارند، در حالی که به بقیه اجازه عبور می‌دهند. یک واحد PSA معمولا از چندین مخزن پر از این مواد جاذب تشکیل می گردد که به صورت چرخه‌ای کار می‌کنند.

در مرحله جذب، گاز ترش با فشار بالا از یکی از این بسترها عبور می کند. ناخالصی‌ها (مثل H2S، CO2، یا بخار آب) روی سطح جاذب به دام می‌افتند و گاز خالص از انتهای بستر خارج می‌شود. وقتی جاذب آن بستر از ناخالصی‌ها اشباع شد، آن بستر از مسیر گاز ورودی خارج و فشارش به سرعت کاهش می یابد. این کاهش فشار باعث می‌شود ناخالصی‌های جذبی از سطح جاذب جدا و از سیستم خارج شوند (مرحله دفع یا احیا). سپس بستر دوباره تحت فشار قرار می گیرد و آماده جذب مجدد می‌شود. با استفاده از چندین بستر که به نوبت این چرخه‌های جذب و دفع را انجام می‌دهند، می‌توان به طور پیوسته گاز خالص تولید کرد.

مزایا، معایب و کاربردهای RSA:

PSA مزایای خاص خودش را دارد. یکی اینکه می‌تواند محصولی با خلوص بسیار بالا تولید کند. همچنین قادر است چندین ناخالصی را به طور همزمان حذف کند و نیازی به حلال‌های مایع ندارد. اما این روش هم بی‌عیب نیست. PSA به مایعات و ذرات معلق در گاز ورودی بسیار حساس است و گاز باید قبل از ورود به واحد، کاملا تمیز شود. کنترل چرخه‌های سریع و متعدد شیرها نیز می‌تواند پیچیده باشد. از نظر اقتصادی، PSA معمولا برای جریان‌های خیلی بزرگ گاز با غلظت بالای H2S در مقایسه با آمین، گزینه مناسبی نیست.

با این حال، PSA کاربردهای بسیار مهمی در صنعت گاز دارد، از جمله برای تولید نیتروژن و اکسیژن از هوا، خالص‌سازی هیدروژن، و حذف مقادیر کم تا متوسط CO2 و H2S از گاز طبیعی و همچنین برای نم‌زدایی بسیار عمیق گاز.

فاکتورهای کلیدی در انتخاب بهترین روش شیرین‌سازی گاز

با این همه تنوع در روش های شیرین سازی گاز، سوال اصلی این است که کدام روش برای یک کاربرد خاص بهتر است؟  انتخاب یک تکنولوژی شیرین‌سازی مثل انتخاب یک ابزار از جعبه ابزار است؛ باید ابزاری را انتخاب کنید که برای کار شما مناسب‌تر باشد. اگر با جریان گاز خیلی بزرگ و غلظت بالای H2S سروکار دارید و باید H2S را تا حد استاندارد خط لوله (خیلی کم) حذف کنید، فرآیند آمین با وجود هزینه‌هایش، معمولا انتخاب اول و مطمئن‌تری است.

اما اگر جریان گازتان کوچکتر است، یا در یک منطقه دورافتاده یا سکوی دریایی با محدودیت فضا و وزن هستید، و یا هدف اصلی‌تان حذف بخش زیادی از CO2 است و نیازی به حذف خیلی عمیق H2S ندارید، تکنولوژی غشایی می‌تواند گزینه بسیار جذاب و اقتصادی‌تری باشد. سادگی عملیاتی آن یک مزیت بزرگ است.

و اگر نیاز به خلوص فوق‌العاده بالا برای محصول دارید یا می‌خواهید چند ناخالصی را همزمان حذف کنید و با مقادیر کم تا متوسط گازهای اسیدی طرف هستید، سیستم PSA می‌تواند راه‌حل مناسبی باشد، به شرطی که گاز ورودی تمیز باشد. گاهی اوقات، بهترین راه، ترکیب هوشمندانه این روش‌هاست. مثلا می‌توان ابتدا با غشا بخش زیادی از CO2 را جدا کرد و بعد گاز را برای حذف نهایی H2S به یک واحد آمین کوچکتر فرستاد. این کار می‌تواند هم هزینه‌ها را کم کند و هم عملکرد کلی را بهتر کند.

کلام آخر:

تصفیه گاز طبیعی از طریق فرآیند شیرین‌سازی گاز، یک جزء حیاتی در زنجیره ارزش بخش انرژی مدرن است. این فرآیند کیفیت گاز را برای مصارف صنعتی، مسکونی و خودرویی تضمین می‌کند. حذف کارآمد آلاینده‌هایی مانند H₂S و CO₂ به جلوگیری از مشکلات عملیاتی، افزایش طول عمر تجهیزات و کاهش اثرات زیست‌محیطی سیستم انرژی جهانی کمک می‌کند. صنایع آرال شیمی، با ارائه کاتالیست های سولفورزدایی همچون سولفورین و دسولفاکس، به حذف گوگرد از مشتقات نفتی کمک می کند.