Limpieza de gas de sulfuro de hidrógeno con aminas: principio, variantes eficaces y esquemas de instalaciones

En el gas natural extraído de yacimientos para su suministro al consumidor a través de las redes principales, se contienen compuestos sulfurados en diferentes proporciones. Si no se eliminan, las sustancias agresivas destruirán la tubería, dejarán inutilizable la válvula. Además, al quemar el combustible azul contaminado se liberan toxinas.

Para evitar las consecuencias negativas, se realiza la limpieza de gas de sulfuro de hidrógeno con aminas. Es el método más simple y económico para separar los componentes nocivos del combustible fósil. Explicaremos cómo ocurre el proceso de separación de las inclusiones sulfurosas, cómo está diseñada y funciona la instalación de limpieza.

Objetivo de la limpieza del combustible fósil

El gas es el tipo de combustible más popular. Atrae por su precio sumamente accesible y por causar el menor daño al medio ambiente. Entre sus ventajas indiscutibles se incluyen la simplicidad en el control del proceso de combustión y la posibilidad de garantizar la seguridad en todas las etapas del procesamiento del combustible para obtener energía térmica.

Sin embargo, el gas fósil natural no se extrae en estado puro, ya que al mismo tiempo que se extrae el gas del pozo se bombean compuestos orgánicos asociados. El más común de ellos es el sulfuro de hidrógeno, cuyo contenido varía desde décimas de porcentaje hasta un diez por ciento o más, dependiendo del yacimiento.

El sulfuro de hidrógeno es tóxico, peligroso para el medio ambiente y perjudicial para los catalizadores utilizados en el procesamiento del gas. Como ya hemos señalado, este compuesto orgánico es extremadamente agresivo con las tuberías de acero y las válvulas de cierre metálicas.

Naturalmente, al corroer el sistema privado y el gasoducto principal, el sulfuro de hidrógeno provoca fugas de gas natural y situaciones extremadamente negativas y riesgosas relacionadas con este hecho. Para proteger al consumidor, los compuestos nocivos para la salud se eliminan de la composición del combustible gaseoso antes de su suministro a la tubería principal.

Según las normas, el contenido de compuestos de sulfuro de hidrógeno en el gas transportado por tuberías no puede superar 0,02 g/m³. Sin embargo, en la práctica suele ser mucho mayor. Para alcanzar el valor regulado por GOST 5542-2014, se requiere purificación.

Métodos existentes de separación del sulfuro de hidrógeno

Además del sulfuro de hidrógeno, que predomina sobre otras impurezas, el combustible azul puede contener otros compuestos nocivos. En él se pueden encontrar dióxido de carbono, mercaptanos ligeros y sulfuro de carbonilo. Pero el sulfuro de hidrógeno siempre predominará.

Cabe señalar que se permite un contenido insignificante de compuestos sulfurosos en el combustible gaseoso purificado. La cifra específica de tolerancia depende de los fines para los que se extrae el gas. Por ejemplo, para la producción de óxido de etileno, el contenido total de impurezas sulfurosas debe ser inferior a 0,0001 mg/m³.

El método de limpieza se selecciona en función del resultado deseado.

Todos los métodos existentes actualmente se dividen en dos grupos:

• Sorbentes. Consisten en la absorción de compuestos de sulfuro de hidrógeno mediante un reactivo sólido (adsorción) o líquido (absorción), seguido de la liberación de azufre o sus derivados. Posteriormente, las impurezas nocivas extraídas del gas se eliminan o procesan.
• Catalíticos. Consisten en la oxidación o reducción del sulfuro de hidrógeno, transformándolo en azufre elemental. El proceso se lleva a cabo en presencia de catalizadores, sustancias que estimulan el desarrollo de la reacción química.

La adsorción implica la recogida de sulfuro de hidrógeno mediante su concentración en la superficie de un sólido. La mayoría de las veces, en el proceso de adsorción se utilizan materiales granulares a base de carbón activado u óxido de hierro. La gran superficie específica característica de los gránulos favorece la retención máxima de las moléculas de azufre.

Todos los métodos de purificación del combustible azul se dividen en sorbentes y catalíticos. El equipo de limpieza está orientado al principio de funcionamiento de una tecnología específica. Sin embargo, existen instalaciones en las que se combinan varios métodos, logrando así una purificación integral.

La tecnología de absorción se diferencia porque las impurezas gaseosas de sulfuro de hidrógeno se disuelven en una sustancia líquida activa. Como resultado, las contaminaciones gaseosas pasan a la fase líquida. Luego, los componentes nocivos extraídos se eliminan mediante vaporización, o desorción, eliminándolos así del líquido reactivo.

A pesar de que la tecnología de adsorción pertenece a los «procesos secos» y permite una purificación fina del combustible azul, en la eliminación de contaminantes del gas natural se suele emplear la absorción. La recogida y eliminación de compuestos de sulfuro de hidrógeno mediante absorbentes líquidos es más ventajosa y conveniente.

El tipo más popular de adsorbedor es el carbón activado, utilizado en forma de cápsulas o gránulos. La superficie de cada elemento “absorbe” el sulfuro de hidrógeno y otras inclusiones orgánicas.

Los métodos de absorción utilizados en la purificación de gas se dividen en los siguientes tres grupos:

• Químicos. Se realizan utilizando disolventes que reaccionan libremente con los contaminantes ácidos de sulfuro de hidrógeno. La mayor capacidad de absorción entre los sorbentes químicos la poseen las etanolaminas o alcanolaminas.
• Físicos. Se realizan mediante la disolución física del sulfuro de hidrógeno gaseoso en un absorbente líquido. Además, cuanto mayor es la presión parcial del contaminante gaseoso, más rápido ocurre el proceso de disolución. Como absorbente se utilizan aquí metanol, carbonato de propileno, etc.
• Combinadas. En la variante mixta de extracción de sulfuro de hidrógeno se emplean ambas tecnologías. El trabajo principal se realiza mediante absorción, y la purificación fina se efectúa con adsorbentes.

Durante medio siglo, la tecnología más demandada y popular para la separación y eliminación de sulfuro de hidrógeno y ácido carbónico del combustible natural es la purificación química del gas mediante un sorbente de amina utilizado en forma de solución acuosa.

Los métodos de sorción para la purificación del combustible natural se basan en la capacidad de las sustancias sólidas y líquidas de reaccionar con el sulfuro de hidrógeno y otras impurezas orgánicas, liberándolas así de la composición del gas.

La tecnología de aminas es más adecuada para tratar grandes volúmenes de gas, porque:

• Ausencia de escasez. Los reactivos siempre se pueden adquirir en el volumen requerido para la purificación.
• Absorción aceptable. Las aminas se caracterizan por una alta capacidad de absorción. De todas las sustancias utilizadas, solo ellas pueden eliminar el 99,9% del sulfuro de hidrógeno del gas.
• Características prioritarias. Las soluciones acuosas de aminas se distinguen por una viscosidad, densidad de vapor, estabilidad térmica y química, y baja capacidad calorífica máximamente aceptables. Sus características garantizan el mejor desarrollo del proceso de absorción.
• Ausencia de toxicidad de las sustancias reactivas. Este es un argumento importante que convence de recurrir precisamente al método de aminas.
• Selectividad. Cualidad necesaria al realizar la absorción selectiva. Asegura la posibilidad de llevar a cabo secuencialmente las reacciones necesarias en el orden requerido para un resultado óptimo.

Los etanolaminas utilizados en los métodos químicos de purificación de gas de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono incluyen monoetanolaminas (MEA), dietanolaminas (DEA) y trietanolaminas (TEA). Además, las sustancias con los prefijos mono- y di- eliminan del gas tanto H₂S como CO₂. En cambio, la tercera opción ayuda a eliminar solo el sulfuro de hidrógeno.

Para realizar la limpieza selectiva del combustible azul se utilizan metildietanolaminas (MDEA), diglicolaminas (DGA) y diisopropanolaminas (DIPA). Los absorbentes selectivos se utilizan principalmente en el extranjero.

Naturalmente, aún no existen absorbentes ideales que cumplan todos los requisitos de limpieza antes del suministro al sistema de calefacción a gas y al suministro de otros equipos. Cada disolvente tiene algunas ventajas junto con desventajas. Al elegir una sustancia reactiva, simplemente se determina la más adecuada entre las opciones propuestas.

Principio de funcionamiento de una instalación típica

La solución de monoetanolamina presenta la máxima capacidad de absorción de H₂S. No obstante, este reactivo tiene dos inconvenientes importantes. Se caracteriza por una presión bastante elevada y por la capacidad de formar compuestos irreversibles con el sulfuro de carbonilo durante la operación de la unidad de purificación de gas con aminas.

El primer inconveniente se elimina mediante un lavado, como resultado del cual los vapores de amina se absorben parcialmente. El segundo rara vez se presenta durante el procesamiento de los gases de campo.

La concentración de la solución acuosa de monoetanolamina se selecciona empíricamente; en base a las investigaciones realizadas, se adopta para la purificación del gas de un yacimiento específico. En la selección del porcentaje del reactivo se tiene en cuenta su capacidad para resistir el efecto agresivo del sulfuro de hidrógeno sobre los componentes metálicos del sistema.

El contenido estándar de la sustancia absorbente suele estar en el rango del 15% al 20%. Sin embargo, no es raro que la concentración se aumente hasta el 30% o se reduzca al 10% dependiendo del grado de purificación requerido. Es decir, según el propósito, si se usará el gas para calefacción o para la producción de compuestos poliméricos.

Observamos que al aumentar la concentración de compuestos de amina, disminuye la capacidad corrosiva del sulfuro de hidrógeno. Pero hay que tener en cuenta que en este caso aumenta el consumo de reactivo. En consecuencia, se incrementa el costo del gas purificado comercial.

El principal equipo de la planta de purificación es un absorbedor de tipo de platos o de relleno. Es un aparato orientado verticalmente, que exteriormente se asemeja a un tubo de ensayo, con rellenos o platos en su interior. En su parte inferior tiene una entrada para suministrar la mezcla de gas sin purificar, y en la parte superior una salida hacia el depurador.

Si el gas de purificación en la instalación se encuentra a una presión suficiente para que el reactivo pase al intercambiador de calor y luego a la columna de destilación, el proceso ocurre sin intervención de la bomba. Si la presión es demasiado baja para el flujo del proceso, la técnica de bombeo estimula el flujo de salida.

El flujo de gas, después de pasar por el separador de entrada, se inyecta en la sección inferior del absorbedor. Luego pasa a través de los platos o empaques ubicados en el centro del cuerpo, en los cuales se depositan las impurezas contaminantes. Los empaques, completamente mojados con solución de amina, están separados entre sí por rejillas para una distribución uniforme del reactivo.

A continuación, el combustible azul purificado de impurezas se dirige al depurador. Este dispositivo puede conectarse en el esquema de procesamiento después del absorbedor o ubicarse en la parte superior del mismo.

La solución agotada fluye hacia abajo por las paredes del absorbedor y se dirige a la columna de destilación: un desorbedor con hervidor. Allí, la solución se limpia de las impurezas absorbidas mediante vapores producidos al hervir agua, para luego regresar a la instalación.

La solución regenerada, es decir, libre de compuestos de sulfuro de hidrógeno, fluye hacia el intercambiador de calor. En él, el líquido se enfría al transferir calor a la siguiente porción de solución contaminada, luego es impulsado por una bomba hacia el refrigerador para un enfriamiento completo y condensación del vapor.

La solución absorbente enfriada se introduce nuevamente en el absorbedor. Así, el reactivo circula por la instalación. Sus vapores también se enfrían y se limpian de impurezas ácidas, después de lo cual reponen el suministro del reactivo.

Con frecuencia, en la purificación de gas se utilizan esquemas con monoetanolamina y dietanolamina. Estos reactivos permiten extraer del combustible azul no solo sulfuro de hidrógeno, sino también dióxido de carbono.

Si es necesario eliminar simultáneamente CO₂ y H₂S del gas tratado, se realiza una purificación de dos etapas. Consiste en utilizar dos soluciones de diferente concentración. Esta opción es más económica que la purificación de una sola etapa.

Primero, el combustible gaseoso se limpia con una composición fuerte que contiene un 25-35% de reactivo. Luego, el gas se trata con una solución acuosa débil, en la que el principio activo es solo del 5-12%. Como resultado, se realiza tanto una purificación gruesa como fina con un consumo mínimo de solución y un uso razonable del calor liberado.

Cuatro variantes de limpieza con alcanolaminas

Las alcanolaminas o aminoalcoholes son sustancias que contienen no solo un grupo amino, sino también un grupo hidroxilo.

El diseño de las instalaciones y las tecnologías de purificación de gas natural con alcanolaminas difieren principalmente en la forma de suministro de la sustancia absorbente. Con frecuencia, en la purificación de gas con este tipo de aminas se utilizan cuatro metodologías principales.

Primer método. Implica la alimentación de la solución activa en un solo flujo desde arriba. Todo el volumen de absorbente se dirige al plato superior de la instalación. El proceso de purificación ocurre a una temperatura no superior a 40 °C.

El método de purificación más simple implica la alimentación de la solución activa en un solo flujo. Este método se aplica si la cantidad de impurezas en el gas es insignificante.

Este método se usa generalmente cuando hay una contaminación insignificante por compuestos de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono. El efecto térmico total para obtener gas comercial suele ser bajo.

Segundo método. Esta variante de purificación se utiliza cuando hay un alto contenido de compuestos de sulfuro de hidrógeno en el combustible gaseoso.

La solución reactiva en este caso se alimenta en dos flujos. El primero, con un volumen de aproximadamente el 65-75% de la masa total, se dirige al centro de la instalación, el segundo se suministra desde arriba.

La solución de amina fluye hacia abajo por los platos y se encuentra con las corrientes de gas ascendentes que se inyectan en el plato inferior de la unidad de absorción. Antes de la alimentación, la solución se calienta a no más de 40 °C, pero durante la interacción del gas con la amina, la temperatura aumenta significativamente.

Para que la eficiencia de la limpieza no disminuya debido al aumento de temperatura, el exceso de calor se elimina junto con la solución gastada, saturada con sulfuro de hidrógeno. Y en la parte superior de la instalación se enfría la corriente para extraer los restos de componentes ácidos junto con el condensado.

El segundo y tercero de los métodos descritos determinan la alimentación de la solución absorbente en dos flujos. En el primer caso, el reactivo se alimenta a una temperatura, en el segundo, a diferente temperatura.

Este es un método económico que permite reducir el consumo tanto de energía como de solución activa. No se realiza calentamiento adicional en ninguna etapa. En esencia técnica, es una purificación de dos niveles que ofrece la posibilidad de preparar el gas comercial para su envío al gasoducto con las menores pérdidas.

Tercer método. Implica el suministro del absorbedor a la unidad de purificación en dos flujos de diferente temperatura. Este método se utiliza si, además de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono, el gas crudo también contiene CS₂ y COS.

La parte predominante del absorbedor, aproximadamente el 70-75%, se calienta a 60-70 °C, y la fracción restante solo a 40 °C. Los flujos se introducen en el absorbedor de la misma manera que en el caso descrito anteriormente: desde arriba y en el medio.

La formación de una zona de alta temperatura permite extraer rápida y eficazmente las impurezas orgánicas de la masa gaseosa en la parte inferior de la columna de purificación. Y en la parte superior, el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno se precipitan con amina a temperatura estándar.

Cuarto método. Esta tecnología implica la alimentación de una solución acuosa de amina en dos corrientes con diferente grado de regeneración. Es decir, una se suministra en estado impuro, con contenido de inclusiones de sulfuro de hidrógeno, y la segunda sin ellas.

La primera corriente no puede considerarse completamente contaminada. Solo contiene parcialmente componentes ácidos, ya que parte de ellos se elimina durante el enfriamiento a +50 °C/+60 °C en el intercambiador de calor. Esta corriente de solución se toma del empaque inferior del desorbedor, se enfría y se dirige a la parte media de la columna.

Cuando el contenido de componentes de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono en el combustible gaseoso es significativo, la purificación se realiza mediante dos corrientes de solución con diferente grado de regeneración.

Solo la parte de la solución que se inyecta en el sector superior de la unidad experimenta una purificación profunda. La temperatura de esta corriente generalmente no supera los 50 °C. Aquí se realiza una limpieza fina del combustible gaseoso. Este esquema permite reducir los costos en al menos un 10 % gracias a la reducción del consumo de vapor.

Está claro que el método de limpieza se elige en función de la presencia de contaminantes orgánicos y de la viabilidad económica. En cualquier caso, la diversidad de tecnologías permite seleccionar la opción óptima. En una misma instalación de tratamiento con aminas para gas, se puede variar el grado de purificación, obteniendo gas natural con las características necesarias para el funcionamiento de calderas de gas, cocinas y calentadores.

Conclusiones y video útil sobre el tema

El siguiente video presentará las particularidades de la extracción de sulfuro de hidrógeno del gas asociado, extraído junto con el petróleo de un pozo petrolero:

Un video presentará la instalación de purificación de combustible azul de sulfuro de hidrógeno con obtención de azufre elemental para su posterior procesamiento:

El autor de este video explicará cómo eliminar el sulfuro de hidrógeno del biogás en condiciones domésticas:

La elección del método de purificación del gas se orienta, ante todo, a la resolución de una tarea específica. El ejecutor tiene dos caminos: seguir un esquema probado o preferir algo nuevo. Sin embargo, el principal punto de referencia debe ser la viabilidad económica, manteniendo la calidad y obteniendo el grado de tratamiento requerido.