نیتروژن را چگونه از گاز طبیعی استخراج میکنند؟

2019-12-03T17:36:26+03:303 دسامبر 2019|دسته‌بندی‌ها: مقالات تخصصی|بدون ديدگاه

نیتروژن و کربن یکی از مشتقات گاز های طبیعی هستند. اما نیتروژن را چگونه از گاز طبیعی جدا میکنند؟ در این مقاله به  بررسی روش های سنتی و مدرن استخراج نیتروژن از گاز طبیعی میپردازیم.

1 -مقدمه

در سال 2009 تقاضای تامین گاز به میزان 4/4 درصد افزایش یافت که در سال 2010 گاز های طبیعی به میزان 81.23 درصد از انرژی جهان را تامین کردند. ادامه ی توسعه ی اقتصادی چین و روسیه و هند باعث شد که آماری از انرژی جهانی در سال 2010 و 2011 ارائه دهند که در آن به بررسی اولیه ی اوزون و گاز های کربن و نیتروژن پرداختند. که در این مقاله در ادامه به طور مفصل در مورد جذب کربن و نیتروژن توضیح داده ایم.

2 -جذب

این بخش به طور عمده به پروسه ی جذب کربن توجه می کند، اما راهکارهایی را هم برای دفع نیتروژن با استفاده از جذب متان انتخابی در حلال های هیدروکربنی و همچنین امکان تهیه ی حلال های انتخابی نیتروژن را نیز فراهم می کند. هرچند هدف عمده ی این بررسی، جداسازی کربن است، اما باید به این نکته اشاره شود که انتخاب پروسه ی ما بستگی به مقتضیات جداسازی سولفید هیدروژن دارد. به همین جهت بخش عمده ی تاریخچه ی تحقیقات انجام شده روی گازهای اسیدی به جذب هیدروژن سولفید تمرکز کرده اند. به طور عمده، ظرفیت یک جذب کننده در تاریخچه به عنوان “ظرفیت بارگیری گازِ اسیدی” شناخته شده است، که شامل ظرفیت برای کربنات و سولفید هیدروژن می شود

روش های تجاری بسیاری برای جذب کربن در حلال های جامد و شیمیایی وجود دارد. پروسه های جذب شیمیایی با حل کننده های آمین از معروف ترین و پرکاربردترین روش های جداسازی گاز اسیدی در صنایع گازهای طبیعی می باشد. پروسه جذب شیمیای، به واکنش کربن و اینکه بتواند ترکیب هایی با پیوند ضعیف به وجود آورد بستگی دارد. قابل توجه است که این واکنش ها با اعمال گرما برعکس شده و سبب آزاد سازی کربن و بازسازی جذب کننده می شود. حلال های جامد مثل دی متیل اتر که در پروسه ی فرآیند هم فشار استفاده می شوند، می توانند به صورت گزینشی کربن را از منبع گاز های طبیعی طبق قانون هنری جذب کنند که در نتیجه باعث می شود ظرفیت جذب در فشار باال و دمای پایین افزایش یابد.

دو عامل موثردر تعیین هزینه های مربوط به پروسه های جذب گاز – مایع عبارتند از :

1 ) نرخ گردش مورد نیاز در جذب کننده؛ که بر اساس مقدار کربنی که می بایست از منبع گاز جدا شود و همچنین میزان توانایی بارگیری کربن در جذب کننده محاسبه می شود.

2 ) میزان انرژی الزم جهت بازسازی جذب کننده؛ ظرفیت بارگیری گاز های طبیعی در حلال های جامد در فشار پایین رو به متوسط کربن به طور عمده کمتر از جذب کننده های شیمیای است، اما جذب کننده های شیمیای به انرژی کمتری برای بازسازی نیاز دارند چرا که حرارت جذبی مورد نیاز، برای جذب کننده های جامد بسیار کمتر از حرارت مورد نیاز برای جذب کننده های شیمیای است. در ادامه به توضیح درباره ی پروسه جذب شیمیای برای تصفیه گاز های اسیدی می پردازیم.

3 .پروسه آب پوشی آمین

آمین ها ترکیب های اُرگانیک و طبیعی هستند که از آمونیاک بدست می آیند، و از جابجایی بیش از یک اتم هیدروژنی با آلکیل یا گروه های آروماتیک بدست می آیند. در واقع (NH2 (–که همان گروه کاربردی آمین ها محسوب می شوند سبب به وجود آمدن یک پایه ی ضعیف که به راحتی با گازهای طبیعی واکنش نشان می دهند می شود. جذب کربن در یک عملکرد دو مرحله ای اتفاق می افتد:

1 )حل شدن گاز در محلول آب پوشی.

2 )واکنش ترکیب ضعیف گاز با آمین های دارای پایه ضعیف.

مرحله ی اولِ جذب، توسط فشارِ تقریبی کربن در منبع گاز کنترل می شود. واکنش های انجام گرفته در مرحله ی دوم جذبِ کربن تا به حال به طور عمده مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته شده است و توسط محققان مورد تحقیق و بررسی فراوان قرار گرفته اند. این محققان مکانیزم های واکنشی و همچنین راهنمای استفاده از هر نوع پروسه ی مربوط را نیز در اختیار علاقه مندان قرار داده اند.

واکنش های اساسی جذب کربن در تصفیه آمین ها عبارتند از:

1 -جداسازی آب

2 -هیدرولیز کردن و جداسازی کربن حل شده

3 -اضافه کردن پروتون های آمینی

4 -شکل گیری فرم های کربنی

3 -آمین ها

از همان آغاز استفاده از آمین های سه تایی در نیمه های دهه ی 1970 ،تلاش ها برای به دست آوردن آمین های حلال جدید صورت گرفت. برای افزایش سرعت واکنش آمین های سه تایی با کربن می توان از یک آمین گروه اول یا دوم به عنوان فعال کننده استفاده کرد. برای مثال از پیپرازین دوآمینه چرخشی به عنوان یک محرک برای افزایش حجم انتقال کربن در ونوتانوالمین و دیتانوالمین استفاده شده است. این شیوه در حلال تجاری یکی از بزرگ ترین شرکت های صنایع شیمیایی آلمان استفاده شده است. پیپرازین در مرحله تبخیر به سرعت با کربن واکنش نشان می دهد و باعث سریع حل شدن کربن در کربنیک اسید شده و سپس می تواند با سرعت با مونوتانوالمین واکنش نشان دهد آمین های مانع قرارگیری، از آمین های گروه اول یا دوم می باشند که گروه های آلکیل خیلی بزرگ چسبیده به نیتروژن دارند که ثبات کربنی را کاهش می دهند. در واقع شکل گیری مولکولی، میزان جداسازی کربن را تایید می کنند. آمین ها مانع بسیاری هستند که میزان جذب کربن بسیار پایینی دارند. در مقابل آمین های نیمه مانع مثل پروپانول و آمینو ها و متیل ها ، جذب و ظرفیت بالایی برای کربن دارند. ویلند و همکارانش در سال 2011 استفاده از مونوتانوالمین برای جذب کربن از منبع گاز طبیعی را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که فواید بسیاری در این روش کار وجود دارد که از جمله آن می توان به 15 درصد کاهش انرژی الزم برای بازسازی اشاره کرد.

لازم به ذکر است که پروسه بسیاری از آمین ها شبیه پروسه نشان داده شده در شکل باال برای مونوتانوالمین می باشد. در این پروسه هر نوع ماده مایع یا جامدی که در منبع گاز وجود دارد در یک محفظه، قبل از اینکه گاز به انتهای محفظه حاوی آمین برسد جدا می شوند. فشار عادی در محفظه حاوی آمین معموال چیزی بین 50 تا 70 بار است. آمین خشک  که معمولا حاوی محلول آب پوشی حاوی 10 تا 65 درصد آمین است. همزمان که محلول آمین به پایین محفظه می رود و با گاز محلول می شود، گاز های اسیدی حل می شوند و با آمین واکنش نشان می دهند و تولید کربن های نمکی حلال می دهند.

گازی که از محفظه خارج می شود معموال اشباع شده با آب است، که به همین دلیل دی هدراته کردن آن قبل از فروش گاز یا استفاده در پاالیشگاه ها توصیه می شود. دما در این پروسه به بیش از دمای محیط می رسد و آن به دلیل دمای تولید شده در جذب و واکنش است. و معموال بیشترین حد دمایی در نزدیکی برج است. آمین اشباع شده در دمای حدودا 60 درجه در کفِ محفظه درحالیکه 20.0تا 81.0 مول گاز اسیدی در هر یک مول آمین دارند ترک می شود. فشار جریان آمین اشباع شده در این وضعیت حدود شیش بار کاهش می یابد. برای اینکه بتواند هر نوع هیدروکربنی را از آمین اشباع شده جدا و حل کرد. و قبل از ورود به ستون جدا کننده یا ستون باز سازی دمای آن به 80 تا 105 درجه افزایش می یابد. در ستون جداسازی، فرایند تبخیر انجام می شود، که سبب می شود همزمان که بخار در ستون به باال حرکت می کند، کربن را از آمین اشباع شده جدا کند. جریانی از آمین ضعیف از انتهای ستون جداکننده برداشته می شود و دمای آن تا حدود 40 درجه خنک می شود و دوباره به محفظه آمین ها بازگردانده می شود. جریان بخار که در کف محفظه قرار دارد خنک می شود تا متراکم شود و به بخار آب تبدیل شود. گاز اسیدی باقی مانده را می توان دور ریخت یا سوزاند و به پایگاه های تولید سولفید فرستاد یا اینکه به صورت فشرده آن را نگه داشت تا بعد ها در صورت نیاز در فرایند بازسازی گاز – روغن استفاده کرد.

اجرای این پروسه با آمین های سنتی مضرراتی به همراه دارد:

1 )برای بازسازی آمین نیاز به مقدار زیادی انرژی است.

2 )ظرفیت پایین بارگیری کربن در این نوع آمین ها باعث می شود که به ستون های فشارِ باالی جذب رجوع کنیم.

3 )محلول های خورنده آمین باعث باالرفتن میزان خوردگی تجهیزات می شوند.

4 )تخریب آمین ها در برابر گاز های ارگانیک.

5 )جذب هم زمان ترکیب های هیدروکربنی مثل بنزن و اتیل بنزن که در نهایت از جریان رها می شوند.

مشکلات حین واکنش نیز شامل کف کردن، از دست دادن جدی محلول، و به وجود آمدن نمک های مقاوم به حرارت هستند. آمونیاک اب پوشی و سیستم های داغ کربناتی، جزو محلول هایی هستند که به عنوان جایگزین مناسبی برای آمین ها شناخته شده اند. اما باید به این نکته توجه شود که بسیاری از مضررات مربوط به استفاده از آمین ها شامل این جایگزین ها هم می شونداٌمید است که فناوری های آینده در زمینه ی تکنولوژی، و جذب در ستون ها بتوان به فواید بسیاری دست یافت. اما یکی از روش های بسیار موثر در زمینه ی جذب بیشتر کربن، استفاده از یک شاسیِ توخالیِ فیبری برای محفظه ی نگهداری گاز – مایع است. در این روش ، این شاسی فیبری تو خالی در واقع مانعی، بین مرحله گاز و مرحله مایع ایجاد می کند. و همچنین یک سطح بزرگ برای انتقال حجم باالی کربن نیز می شود. جذب گزینشی کربن در حلال مایع در قسمت بخش مایع این شاسی انجام می شود. برای این که این شاسی به بهترین شکل در جداسازی گاز و مایع عمل کند منافذ آن می بایست پر از گاز باشند، تا مانع نفوذ مایع به این منافذ شوند. این امر خود یکی از بزرگترین منابع سد راه در تجاری سازی این نوع شاسی ها می باشد.پایگاه هایی که تا به حال از چنین شاسی هایی استفاده کرده اند در اسکاتلند برای جداسازی 5000 نانومتر بر ساعت، منبع گاز طبیعی بوده است. همچنین با ایجاد حلال های جدید می توان در صنعتِ جذب به پیشرفت های چشم گیری دست یافت. بسیاری از برنامه های رسمی و تایید شده ی تصفیه گاز ، هم اکنون در حال توسعه ی مواد شیمیایی هستند که با اضافه کردن آن بتوانند جلوی خورندگی و از بین رفتن حلال را بگیرند، و اینکه با این روش بتوانند حلال های آمینی با غلظت آمینی باالتری استفاده کنند و همچنین در دماهای باالتری بازسازی شوند. فهم پیشرفته ی مفاهیم ترمودینامیکی و حرکتی مربوط به سیستم کربن_آمین می توانند، افق های جدیدی در ایجاد روش ها و فناوری های نوآورانه در زمینه جذب نشان دهند

4 –نتیجه گیری

در این مقاله به طور کلی به جذب کربن و راه کار هایی برای دفع نیتروژن با استفاده از متان را ارائه شده است. با استفاده از نیتروژن سولفید تحقیقات بر روی ظرفیت بارگیری گاز اسیدی معطوف گردیده است. در ادامه، انواع روش ها برای جذب کربن در انواع حلال ها و پروسه ی جذب آن ها ارائه شده و ذگر گردیده است که یکی از مهم ترین پروسههای جذب، پروسهی جذب گاز-مایع میباشد. در ادامه، پروس ی جذب شیمیایی برای تصفیه ی گاز اسیدی توسط آمونیاک و گروه های کاربردی آمین ها ارائه گردیده و در انواع آمین ها و روش های کار آن ها شرح داده شده است.

منبع: civilica.com

ثبت ديدگاه