نانو فیلتر شیرن سازی گاز ترش

نحوه دست یابی به دانش فنی

تصفيه گاز در حقيقت جدا كردن موادي نظير هيدروژن سولفوره و گاز كربنيك از گـاز طبيعـي و يـا گاز مايع مي­باشد. بيش از 70% تأسيسات فرآورش گازها داراي تأسيسات شيرين سازي گاز مي­باشـند. همانطور كه اشاره شـد، معمـولاً گازهـاي طبيعـي تـرش هـم داراي هيـدروژن سولفوره و هم محتوي گاز كربنيك مي­باشند. كربونيل سـولفايد، كـربن دي سـولفايد، مركاپتـان­هـا و ساير مشتقات گوگرد نيز ممكن است در گاز طبيعي موجود باشند. تـصفيه گـاز از هيـدروژن سـولفوره و ساير تركيبات گوگردي بايد مشخصات استاندارد گازهاي شيرين براي فروش در بـازار را بـرآورده نماید. جدا نمودن گاز كربنيك از گازهاي طبيعي معمولاً به خاطر افزايش ارزش حرارتي و پـايين آوردن حجـم گاز در سيستم انتقال و برآورده نمودن پاره اي از نيازهاي ويژه براي كارخانجات پتروشـيمي انجـام مـي پذيرد. شایان توجه است که، سولفيد هيدروژن و دي اكـسيد كـربن از اصـلي تـرين گازهـاي اسيدي بوده كه بايد از گاز طبيعي جدا شوند. علت اين جداسازي عبارت است از:

1. نيازهاي ايمني به علت سميت بالاي H2S
2. نيازهاي انتقال به علت جلوگيري از خوردگي و تشكيل كريستال
3. مشخصات مربوط به شبكه توزيع و مصرف گازهاي تجاري

به طور كلي جداسازي گازهاي اسيدي يكي از عمليات مهم صنعتي است كه بر اساس جذب سطحي و انتخابگري حلال مناسب نسبت به گازهاي اسيدي بر اساس تمايل فيزيكي يا شيميايي اسـت. رسـيدن به خلوص بالا و دقيق، از ديگر مزاياي جذب سطحي است.

بطور کلي فرآيندهاي متداول براي شيرين سازي گاز طبيعي به چند دسته تقسيم مي شوند که عبارتند از:

• فرآيندهاي شيرين سازي در بستر جامد شامل:
• فرآيند آهن اسفنجي،
• فرآیند اکسید روی،
• فرآیند غشایی

• فرآيندهاي شيرين سازي گاز با استفاده از حلالهاي شيميايي شامل:
• فرآيندهاي آميني (…, MEA, DEA, DGA, DIPA)
• فرآيندهاي کربناتي (کربنات پتاسيم داغ، کربنات انحصاري)
• فرآيند ناپيوسته با کمک حلالهاي شيميايي ويژه (…, chemsweet, slurrisweet)

• فرآيندهاي شيرين سازي از طريق جذب فيزيکي گازهاي اسيدي شامل:
• فرآيند فلور Fluor
• فرآيند سولفينول Sulfinol
• فرآيند سلکسول Selexol
• فرآيند رکتيسول Rectisol

• فرآيندهاي شيرين سازي به روش تبديل مستقيم شامل:
• فرآيند استرتفورد Stretford
• فرآيند IFP
• فرآيندهاي سورفروکس Lo-Cat/ Surferox

• فرآيند جداسازي CO2 به روش تقطير شامل:
• فرآيند تقطير Ryan- Holmes

• فرآيندهاي تصفيه گازهاي اسيدي و توليد گوگرد شامل:
• فرآيند سولفرين Sulfreen
• فرآيند جذب در بستر سرد (CBA)
• فرآيندهاي SCOT و CLAUS

از بین موارد فوق، در کشور ما به منظور شیرین­سازی گاز ترش فقط از راه شیرین­سازی به واسطه حلال­های شیمیایی استفاده می­شود.

سولفید هیدروژن H2S  بسیار سمی و اسیدی است که می­تواند باعث ایجاد خوردگی شود. دی اکسید کربن همانند سولفید هیدروژن در حضور آب، محلول­های اسیدی تشکیل می­دهد و با عنوان گاز اسیدی خوانده می­شود، بنابراین حذف این گاز یکی از مسایل مهم در پالایشگاه­های گازی می­باشد. یکی از بزرگترین کارها در صنعت تصفیه گاز، شیرین کردن گاز ترش استخراج شده از میادین گازی است که برای این کار، گاز H2S و مقداری CO2 و تیوسولفات­ها را که مخلوط با گاز ترش است از آن جدا می­سازند. در پالایشگاه­های تصفیه گاز این کار توسط حلال­های آمین دار صورت می­گیرد که مشکلاتی از قبیل پایین بودن راندمان، طولانی بودن فرآیند، گرانی، احیای کامل آن توسط حرارت و برگشت­پذیری آمین به واحد تصفیه را داراست. از طرفی گاز ترش دارای رطوبت است که آب و هیدروکربن­های اضافی آن را توسط سیلیکاژل در برج­ها نم زدایی می­کنند.

از دیگر مشکلات فرآیند تصفیه گاز، تبدیل H2O  جذب شده به گوگرد جامد است که این ماده از جهت ارزش، قیمت و استفاده در صنعت دارای اهمیت فراوانی است.

با توجه به ذخایر عظیم گازی کشور، از فناوری بالا می­توان به عنوان جایگزین فرآیندهای موجود از قبیل فرآیند کلاوس بهره برد که کاهش هزینه­های سرمایه­گذاری و عملیاتی را به همراه خواهد داشت.

در این طرح از نانو فیلتر با جنس کامپوزیتی znfe2o4 بر بستر سیلیکاژل جهت حذف ترکیبات گوگردی و همچنین نم­زدایی و جدا سازی گوگرد جامد از گاز ترش استفاده شده است. این نانو مواد کامپوزیتی به روش سل­ژل سنتز شده و با شکل ظاهری گرانولی، به روش غوطه وری در ژل روی سیلیکاژل­ها لایه نشانی شده­اند. برای اندازه­گیری جذب H2S و دیگر ترکیبات گوگردی از گاز ترش، از روش پتاسیم متری و یدومتری استفاده شده است. همچنین این فیلتر قابلیت احیاء با انرژی بسیار کم (دمای 50 الی70 درجه سانتی­گراد) را داراست. این در صورتی است که روش­های مورد استفاده در دنیای امروز یا قابل احیا نیستند و مثل آمین­ها انرژی بسیار زیادی صرف احیای آن­ها و بازگشت آن­ها به سیکل می­گردد.

فرمول واکنش­های شیمیایی جهت احیا سازی این نانو فیلتر به شرح ذیل است:

واکنش تیوسولفات ها و هیدروژن سولفوره با سطح فیلتر     

واکنش سطح فیلتر پس از احیا شدن توسط گرما

از آنجا که از سیلیکاژل به عنوان رطوبت­گیر استفاده می­شود و یکی از مشکلات و معضلات تصفیه­ی گاز نیز رطوبت­گیری می­باشد. بستر این نوع فیلتر از سیلیکا ژل تهیه شده و همچنین نانو اکسیدهای فلزیZno+ Fe2o3  نیز جاذب آب می­باشند، گاز نیز در حین تصفیه و عبور از این فیلتر خود به خود خشک و رطوبت­گیری می­شود.

پس از احیا فیلتر گاز­های So2 و So3 آزاد می­شود که به نوعی آلاینده­ی محیط زیست به شمار می­روند. در روش­های تصفیه­ی گاز امروزی این آلاینده­ها تحت محیط خلا سوزانده می­شود و گوگرد جامد از آن استخراج می­گردد و ته نشین می­شود، زیرا که  از ورود این آلاینده­ها به جو کره زمین جلوگیری شود. اما در این نانو فیلتر از این آلایند­ه­ها در راستای مفید و بهره­وری مناسب نیز بهره برداری می­شود. در این فیلتر طبق فرمول­های شیمیایی (جدول شماره 2 ) آلاینده­های So2 و So3 به چند ماده­ی با ارزش مـثل اسید سولفوریک و گوگرد و اسید سولفورو تبدیل می­شود که این اسیدها در صنایع حفاری دارای اهمیت و ارزش بسیار بالایی می­باشند.

از طرفی دیگر زمانی­که گازهای آلاینده­ی محیط توسط فیلتر جذب و به مواد با ارزش و مورد استفاده بشر تبدیل می­گردد و هیچ­گونه مواد دور ریختنی ندارد به نوعی می­توان گفت فیلتر نیز دوستدار محیط زیست به شمار می­رود.

به دلیل بالا بودن نسبت سطح به حجم نانو ذرات (تقریبا یک میلیارد برابر) سطح تماس گاز با فیلتر نیز بالا می­رود، از طرفی دیگر به دلیل کامپوزیت بودن نوع جنس فیلتر از سه ماده­ی اکسید آهن و اکسید روی و سیلیکاژل که همگی جاذب H2S هستند ، این دو عامل سبب می­شود قدرت تصفیه­ی آن و جذب عامل­های آلاینده را تا حد میزان بسیار بالا افزایش دهد.

با مکانیزه ساختن پالایشگاه و به کارگیری این فیلتر در پالایشگاه­ها می­توان از نیروی کار کمتر همچنین صرف انرژی کمتر و مطابق با آن تولید چند ماده­ی شیمیایی اساسی مورد نیاز کشور بهره برد.

نتایج بررسی تصاویر میکروسکوپ الکترونی STM و بررسی طیف و آنالیز EDX

این روش در واقع یک سیستم اضافه شده به SEM است و براي تخمین ترکیب شیمیایی سطح یک نمونه جامد استفاده می­شود. در این روش با استفاده از آنالیز پرتو ایکس بازگشتی از نمونه، به بررسی ترکیب شیمیایی و آنالیز عنصري سطح نمونه پرداخته می­شود. با این روش امکان آنالیز نقطه­اي و سطحی نمونه وجود دارد.

همچنین امکان بدست آوردن اطلاعاتی از ترکیب شیمیایی سطوح پولیش شده، سطوح شکست، پودرها و سطح لایه­هاي نازك وجود دارد؛ به این روش آنالیز EDX یا توزیع انرژي اشعه ایکس نیز می­گویند. به طور کلی این روش آنالیزي قابلیت تعیین عناصر شیمیایی موجود در مواد با عدد اتمی بزرگتر از5  را دارد. آنالیز EDX نقش فاصله­انداز داشته (ترایتونX-100 ) کاملاً خارج شده و محصول کاملاً خالص است و فقط شامل ترکیبات روي، آهن و اکسیژن می­باشد.

بررسی طیف XRDنانو کامپوزیت :

با استفاده از دستگاه پراش اشعه ایکس از نمونه­اي که انتظار می­رود Fe2O3- ZnO باشد، طیف XRD گرفته شد و طبق شکل زیر، در طیف قله­هایی در محدوده 10 تا80  درجه (برحسب2Ө) داده است که همگی این­ها با توجه به ساختار مرجع ثبت شده در نرم افزارمربوط به دستگاه ارائه دهنده طیف­هاي XRD  و نیز با کارت استانداد JCPDS No. 82- 1049 مطابقت دارند و ساختار نانوذرات اکسید آهن مغناطیسی با فاز گاما بر روي الیاف اکسید روي را تأیید می­کند. ( بر اساس تصویر شماره 4 ) شدت پیک ماکزیمم مربوط به صفحه  (311)در زاویه 2θ=35/82 نمایان شده است و دو پیک دیگر مربوط به صفحات 220 و 440 در زوایاي 33.340 و 63.150 دیده می­شوند و با آنچه که در مقالات ذکر شده است، مطابقت دارد.