تازه‌های انرژی

فرایند تک‌مرحله‌ای حذف سولفید هیدروژن

ثبت اختراع محققان پژوهشگاه صنعت نفت

91/06

مسیح حسینی جناب، لیسانس شیمی و فارغ‌التحصیل 1358 از دانشگاه اصفهان است. او در 1366 در پژوهشگاه صنعت نفت استخدام شد و از همان ابتدا در واحد گاز که به نام پژوهشکده توسعه یافت به کار مشغول شد. در شروع کار چند نفر از همکاران این پژوهشکده بر محلول سولفیران و فرایند آن در مقیاس آزمایشگاه مطالعه می‌کردند که بنا به توصیه رئیس وقت، واحد گاز نیز به این گروه علمی اضافه شد.

بنابراین از همان ابتدا در زمینه حلال‌ها در تصفیه گاز آموزش دید و به‌تدریج کار توسعه یافت و علاوه بر فرمولاسیون محلول برای شیرین‌سازی گاز در قالب فرایند سولفیران، فرمولاسیون حلال‌های آمینی نیز به روند فعالیت‌های او افزوده شد و به‌منزله زمینه تخصصی‌اش درآمد تا جایی که هم اکنون در این موضوعات پژوهشکده گاز به جایگاه خوبی رسیده است و می‌تواند هر دو این حلال‌ها را فرموله و به صنعت عرضه کند.

حسینی جناب علاوه بر موفقیت‌ها و تجارب ارزنده‌ای که تاکنون داشته، موفق شده است چند اختراع را در سطح کشوری و بین‌المللی ثبت کند.

نوشتار زیر درباره ثبت اختراع جدید او، در زمینه فرایند سولفیران است که از آخرین دستاوردهای این مرکز تحقیقاتی در زمینه فناوری‌های فراورش گازی به‌شمار می‌رود.

 

 

 

محلول فرایند سولفیران که نوعی کیلات آهن است، پس از چند اختراع داخلی و خارجی که از طرف پژوهشگاه ثبت شده، جزو ثبت‌های اخیر بین‌المللی آنهاست. اولین آنها درباره ساخت محلول کیلات آهن است که به فرمولاسیون محلول، روش ساخت و ویژگی‌های محلول اختصاص دارد. ابتدا در اروپا و سپس در یواس پتنت آمریکا ثبت شد و سپس محلول و فرایند سولفیران در داخل و خارج به صورت انحصاری قابل عرضه شد و تحت لیسانس پژوهشگاه قرار گرفت.

دومین ثبت اختراع جهانی، برای ارتقای محلول کیلات آهن و رفع بعضی عیوب آن بود که در 2008 ثبت اختراع اروپایی شد و مراحل ثبت در یواس پتنت را طی می‌کند.

اواخر دهه 1360 محلول‌های کیلات آهن برای شیرین‌سازی گاز در پژوهشگاه، فرموله و تهیه شدند و پروژه‌های متعددی در مقیاس آزمایشگاهی و نیمه‌صنعتی بر آنها انجام، نواقص‌شان برطرف و بر کارایی آنها افزوده شد. به موازات تکمیل فرمولاسیون محلول، طراحی یک واحد بزرگ نیمه‌صنعتی در پالایشگاه گاز فجر جم پیش می‌رفت تا این که در اوایل دهه 1380، موضوع ورود محلول و فرایند سولفیران به فاز صنعتی بیان شد. اولین اقدام برای راهیابی این فرایند به صنعت، ثبت اختراع محلول و البته تقریباً غیرممکن بود؛ چرا که شرکت‌های بزرگ فعال در این زمینه، تقریباً چیزی برای نوآوری باقی نگذاشته بودند و آنچه آماده بود را به دلیل عدم ثبت اختراع بین‌المللی، دیگران به نام خود ثبت کرده بودند.

از سوی دیگر شرط اول شرکت‌ها ثبت اختراع محلول بود. این شرایط باعث شد تا همه ثبت اختراعات درباره کیلات‌های آهن، بررسی مجدد و با محلول سولفیران مقایسه شوند. در این مطالعات بود که قابلیت‌ها و مزایای محلول سولفیران مقایسه شوند. در این مطالعات بود که قابلیت‌ها و مزایای محلول سولفیران به نحوی آشکار شد که تا آزمان هیچ کس نتوانسته بود به آن برسد و آن تهیه محلول بسیار غلیظ و پایدار با خواصی ویژه بود که علاوه بر کاهش مشکلات عملیاتی، از هزینه‌ها به مقدار قابل توجهی می‌کاست. همین ویژگی‌ها باعث شد تا محلول سولفیران، به‌منزله نوآوری بومی کاملاً ایرانی ثبت اختراع بین‌المللی شود.

در ثبت دوم از خورندگی، محلول‌های کیـلات آهن به مقدار زیادی، کـاسته و ذرات گوگرد درشت‌تری تـولید شدند. اهمیت این ثبـت اختراع از این رو است که در هیچ‌یک از ثبت اختـراعات و مقالات مرتبط، از روش‌هـای کاهش خوردگی با استفـاده از عوامل بازدارنده صحبت نشد.

برای به حداقل رساندن نرخ خوردگی با مشارکت پژوهشکده خوردگی، پروژه‌ای بسیار جامع و کامل، تعریف و پس از آزمایش‌های بسیار، بازدارنده مؤثری کشف شد که قادر بود علاوه بر کاستن از نرخ خوردگی، به محلول سولفیران مزیت‌های اضافی بدهد. این آزمایش‌ها در مقیاس نیمه‌صنعتی نیز ادامه یافت و بعد از اطمینان از عملکرد همه‌جانبه آن، اقدامات لازم برای ثبت اختراع آن آغاز شد. با تکمیل فرمولاسیون محلول سولفیران و با استفاده از این بازدارنده بخش‌هایی از واحد شیرین‌سازی سولفیران می‌تواند از فولاد کربنی، بدون اثری از خوردگی، انتخاب شود. لازم به ذکر است این قابلیت در تست‌های درازمدت واحد بزرگ نیمه‌صنعتی مستقر در پالایشگاه گاز فجر جم مجدداً ثبت شد.

در اواخر دهه 1370 که موضوع مشارکت با طرف‌های خارجی برای تسریع در روند صنعتی طرح‌ها طرح شد، یکی از شرکت‌های خارجی تمایـل خود را برای عرصه محلول ابـراز کرد و مقرر شد محلول سولفیران با محلول آن شرکت در شرایط یکسان عملیاتی مقایسه شوند. این کار انجام و در ده روز دو محلول در یک سری از آزمایش‌های از پیش طراحی شده با یکدیگر مقایسه شدند که طبق اذعان طرف خارجی، محلول سولفیران از میدان رقابت پیروز بیرون آمد.

برای کاهش سرعت خوردگی محلول، بازدارنده‌هـایی از طرف شرکت خارجی، عرضه و مشخص شد، می‌خواهند آن را به نام خود، ثبت اختراع و هزینه هنگفتی بابت فروش آن طلب کنند. همچنین در تحقیقات بعدی این نتیجه کسب شد که نرخ خوردگی با استفاده از بازدارنده ساخت داخل بسیار کمتر از نوع خارجی آن است.

 

فرایند سولفیران و ضرورت استفاده از آن

سولفیران فرایندی است که سولفید هیدروژن را از جریان گازی، حذف و آن را به صورت مستقیم و در یک مرحله با یک کاتالیست هموژن، حاوی محلول کمپلکسی از نمک آهن، معروف به کیلات آهن، به گوگرد عنصری تبدیل می‌کند. در این فرایند، سولفید هیدروژن سریع و کاملاً انتخابی به محلول کیلات آهن، جذب و سپس بر اثر واکنش اکسیداسیون احیا، هیدروژن سولفید به گوگرد تبدیل می‌شود؛ یعنی برخلاف سیستم‌های آمین که حذف و تبدیل گاز سولفید هیدروژن دو مرحله دارد. در این فرایند سولفیران، حذف و تبدیل سولفید هیدروژن به گوگرد عنصری همزمان اتفاق می‌افتد. به این نوع فرایندها ردکس مایع اطلاق می‌شود.

 

نقش پژوهشگاه صنعت نفت در توسعه سولفیران

همه مراحل توسعه دانش فنی سولفیران، از آزمـایشگاه تا پایلوت در پژوهشگاه صنعت نفت بوده و برای صنعتی کردن این دانش فنی واحدی به ظرفیت 450 هزار فـوت مکعب در روز در پالایشگاه فجر جم طراحی، نصب و راه‌اندازی شده است که به لحاظ ظرفیت در ابعاد یک واحد کوچک صنعتی محسوب می‌شود.

این واحد در دو دوره زمانی به مدت طولانی فعالیت کرد و با موفقیت پایان یافت. این فناوری اولین بار است که با این ماهیت در ایران و در پالایشگاه صنعت نفت ابداع شده و با استفاده از آن می‌توان بسیاری از گازهای ترش را با توجه به جنبه‌های اقتصادی تصفیه کرد.

کاربرد فرایند سولفیران در صنعت

این فرایند برای حذف سولفیدهیدروژن با غلظت متوسط از همه گازها قابل استفاده است. تصفیه گاز طبیعی، تصفیـه گازهای قابل سوختن، تصفیه اسید گـاز واحدهای آمین، تصفیه انواع گـازهای پسماند و گازهای همراه از کـاربردهای رایج این نوع فراینـد در صنایع مختلف نفت، گاز و پتروشیمی است. سولفیـران می‌تواند به صورت 100 درصد سولفید هیدروژن را از گاز حذف کند. البته ذکر این نکته ضروری اسـت که سولفیران وقتی اقتصادی خـواهد بود که مقدار گوگرد موجود در گاز ( گـوگرد حاصل از تبـدیل هیدروژن سولفیـد) بین 200 کیلوگرم تا 20 تن در روز بـاشد. اگر مقدار گوگرد کمتر از 200 کیلوگرم در روز باشد از جاذب‌های سطحی استفاده می‌شود و اگر بیشتر از 20 تن در روز باشد، معمولاً واحد کلاوس اقتصادی است.

از آنجـا که گازهای پسماند واحدهای کلاوس نیز باید تصفیه شوند. بنابراین فرایند سولفیران می‌تواند برای اصـلاح واحـد کلاوس، یعنی تصفیـه گازهای پسماند آن نیـز اشاره شود. اگر غلظـت هیدروژن سولفیـد کمتر از 20 درصـد در اسید گاز ورودی به واحد کلاوس باشد، واحدد کلاوس مشکل خواهد داشت؛ پس استفاده از سولفیران برای تصفیه این نوع اسید گاز عملی‌تر است.

جنبه‌های زیست‌محیطی و اثر سولفیران بر محیط

از کارکردهای مهم این فرایند در زمینه‌ زیست‌محیطی است. گازهای حاصل از احتراق هیدروژن سولفید، یعنی دی‌اکسید گوگرد که در جو منتشر می‌شوند، به دلیل مشکلات زیست‌محیطی، همانند باران‌های اسیدی، آلودگی‌های هوا، آب و خاک که از عوارض نشت این گاز مضر به محیط زیست است، با این فرایند تصفیه می‌شوند، از این منظر فرایند سولفیران، فرایندی سبز است.

ویژگی‌های محلول استفاده‌‌شده در سولفیران

محلول استفاده‌شده در این فرایند به دسته مایعات ردوکس تعلق دارد؛ یعنی مایعاتی که قابلیت اکسید و احیا شدن دارند، این محلول از خانواده مایعات ردوکس است و از بهترین و مهم‌ترین آنها کیلات آهن است که در فرایند سولفیران، انتخاب و استفاده می‌شود. این محلول قلیایی است و آهن در این محیط به صورت هموژن و پایدار حضور دارد و رسوب نمی‌کند. از منظر دیگر محلول سولفیران، کاتالیزوری هموژن از نوع هموژن آبی است. کار این کاتالیست آن است که واکنش اکسیدشدن هیدروژن سولفید را با اکسیژن تسریع کند؛ به طوری که می‌توان گفت، سرعت این اکسیدشدن «آنی» است، این محلول مصرف نمی‌شود، بلکه مرتباً احیا و اکسید می‌شود.

مزایای سولفیران در مقایسه با محلول‌های شیرین‌سازی

از مزایای این محلول یکی این است که سمی نیست و خورندگی آن در مقایسه با کربن استیل کم است. این محلول می‌تواند در دماهای سرد و دماهای محیط مل کند و قادر است تا 99/99 درصد از گاز سولفید هیدروژن را حذف کند. بیشتر ترکیباتی که در ساخت محلول مزبور به‌کار می‌روند از داخل کشور قابل تهیه‌اند و همه مواد اولیه این محلول تقریباً ارزان و به صورت تجاری در دسترس است. برای کاربردهای مختلف نیز می‌توان فرمولاسیون آن را به‌راحتی تغییر داد؛ یعنی بر حسب تغییر در ترکیب گاز خوراک و شرایط عملیاتی، محلول کاتالیست انعطاف‌پذیر و می‌تواند به صورت خیلی غلیظ نیز ساخته شود.

خروجی سولفیران

سه جریان از واحد سولفیران حاصل می‌شود؛ گوگرد گازی که از تانک احیا خارج می‌شود که عمدتاً هواست و گاز محصول که عاری از هیدروژن سولفید و از بالای برج جذب خارج می‌شود. این فرایند هیچ‌گونه آلودگی زیست‌محیطی ندارد و گوگرد آن به صورت کیک، از هر گونه خطر عاری است. گوگرد حاصل از این فرایند به رنگ قهوه‌ای مایل به زرد، معمولاً بدون بو، میکرونیزه و آغشته به محلول است. این گوگرد به صورت کیک مرطوب از محلول جدا می‌شود و بعد از خشک شدن هم می‌توان آن را به صورت موجود و گرانول در کشاورزی، به‌منزله سم و کود استفاده کرد.

وضعیت کنونی واحد نیمه‌صنعتی سولفیران

اکنون فرایند سولفیران به صورت یک واحد بزرگ نیمه‌صنعتی با قابلیت تصفیه جریان گاز اسیدی تا 450 هزار فوت مکعب در روز و تولید گوگرد حدود 100 تا 350 کیلوگرم در روز (بسته به غلظت هیدروژن سولفید در جریان گاز اسیدی) در پالایشگاه گاز فجر جم نصب شده و چند ماه پیوسته کار کرده است. آنالیز گاز شیرین تاکنون حداکثر 4 میلی‌گرم در متر مکعب هیدروژن سولفید را نشان داده که این عدد در حد مجاز است. غلظت محلول کاتالیستی حدود 2 گرم در لیتر آهن و میزان محلول در گردش، 70 متر مکعب بوده است. به دلیل الزامات زیست‌محیطی و اقتصادی بودن این فرایند، هم اکنون همه بازارهای دنیا از فرایندهای مشابه بهره می‌برند که فرایند سولفیران می‌تواند جای خالی این نوع فرایندها را در ایران پُر و حتی بازارهای جهانی را از انحصار شرکت‌های آمریکایی خارج کند.

در پـایان جا دارد از حمایت‌های مدیریت‌های ادواری پژوهشگاه صنعت نفت، پژوهشکده گاز، همکاری مدیریت‌های پالایشگاه گاز فجر جم، مسوول طرح سولفیران، زحمات همکاران در پالایشگاه گاز فجر جم و دیگر همکاران در پژوهشگاه صنعت نفت تشکر و قدردانی کنم.

خبرنامه

در صورت تمایل به دریافت خبرنامه لطفا ابتدا فرم عضویت را تکمیل نمائید.


کلیه حقوق مادی و معنوی این پورتال محفوظ و متعلق به پژوهشگاه صنعت نفت می باشد.© 2019

طراحی و بهینه سازی سایت توسط واحد روابط عمومی پژوهشگاه صنعت نفت