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アミンガス処理（アミンスクラビング、ガス脱硫、酸性ガス除去とも呼ばれる）は、さまざまなアルキルアミン（一般的に単にアミンと呼ばれる）の水溶液を使用して、ガスから硫化水素（H 2 S）と二酸化炭素（CO 2）を除去する一連のプロセスを指します。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] これは製油所で一般的に使用される単位プロセスであり、石油化学プラント、天然ガス処理プラント、その他の産業でも使用されています。
石油精製所や化学処理プラントで硫化水素を除去するプロセスは、「酸っぱい」硫化水素がなくなることで処理製品の臭いが改善されるため、「脱硫」プロセスと呼ばれます。アミンを使用する代替手段として膜分離技術があります。しかし、膜分離は、比較的高い設備投資費用と運転費用、その他の技術的要因のため、あまり魅力的ではありません。[ 4 ]
ガス処理には様々なアミン類が用いられる。
工業プラントで最も一般的に使用されるアミンは、アルカノールアミンであるDEA、MEA、およびMDEAです。これらのアミンは、多くの石油精製所でも、液化石油ガス（LPG）などの液体炭化水素から酸性ガスを除去するために使用されています。
炭化水素処理業界では、硫化水素（H₂S ）を含むガス、または硫化水素と二酸化炭素（CO₂ ）の両方を含むガスは、一般的に酸性ガスまたはサワーガスと呼ばれています。
このようなガスをアミン処理する際の化学反応は、使用するアミンの種類によって多少異なります。より一般的なアミンの1つであるモノエタノールアミン（MEA）（RNH₂と表記）の場合、アミン電子対のプロトン化によって正電荷を帯びたアンモニウム基（RNH⁺³ ）が形成される酸塩基反応は、次のように表すことができます。
結果として生じる解離種およびイオン化種は溶液への溶解度が高いため、アミン溶液によって捕捉（洗浄）され、気相から容易に除去される。アミンスクラバーの出口では、このようにして脱硫されたガス中のH₂SとCO₂が除去される。
典型的なアミンガス処理プロセス（下図のフロー図に示すギルボトールプロセス）は、吸収装置と再生装置、および付属機器から構成されます。吸収装置では、下降するアミン溶液が上昇する酸性ガスから H₂S と CO₂ を吸収して反応し、生成物として硫化水素と二酸化炭素を含まないガスである低硫黄ガス流と、吸収された酸性ガスを豊富に含むアミン溶液を生成します。生成された「高濃度」アミンは、再生装置（リボイラー付きストリッパー）に送られ、再生された「低濃度」アミンが生成され、吸収装置で再利用されます。再生装置からストリッピングされたオーバーヘッドガスは、 H₂SとCO₂が濃縮されたものです。
代替ストリッパー構成には、マトリックス、内部交換、フラッシングフィード、分割フィード付きマルチプレッシャーなどがあります。これらの構成の多くは、特定の溶媒または運転条件に対してより高いエネルギー効率を提供します。真空運転は吸収熱の低い溶媒に有利であり、常圧運転は吸収熱の高い溶媒に有利です。吸収熱の高い溶媒は、一定容量での温度変動からのストリッピングに必要なエネルギーが少なくなります。マトリックスストリッパーは、より高い圧力でCO 2の 40% を回収し、マルチプレッシャーストリッパーに関連する非効率性はありません。リボイラーのデューティサイクルが常圧ストリッパーよりもわずかに少ないため、エネルギーとコストが削減されます。内部交換ストリッパーは、オーバーヘッドストリーム中の水蒸気とCO 2の比率が小さいため、必要な蒸気が少なくなります。分割フィード付きマルチプレッシャー構成は、下部セクションへの流量を減らし、等価仕事も削減します。フラッシングフィードは、カラム下部からストリッパーに入るリッチストリーム中のCO 2の一部をストリッピングするために水蒸気の潜熱を使用するため、必要な熱入力が少なくなります。多圧構成は、吸収熱の高い溶媒にとってより魅力的である。[ 5 ]
吸収剤水溶液中のアミン濃度は、アミンガス処理プロセスの設計と操作において重要なパラメータです。ユニットが使用するように設計された次の 4 つのアミンのうちどれか、また除去するように設計されたガスに応じて、水溶液中の純粋なアミンの重量パーセントとして表される典型的なアミン濃度は次のとおりです。[ 1 ]
循環水溶液中のアミン濃度の選択は、供給ガスの組成（H₂SとCO₂の濃度が比較的低い天然ガスまたは石油精製副産物ガス）や、アンモニア製造に使用される水蒸気改質プロセスのオフガスや発電所の排ガスなど、 CO₂の割合が高いガスを処理するかどうかなど、いくつかの要因に依存します。[ 1 ]
H₂SとCO₂はどちらも酸性ガスであり、保護されていない炭素鋼に対して腐食性があります。水分が存在すると、その腐食性は大幅に高まります。しかし、アミン処理装置では、CO₂はH₂Sよりも強い酸です。さらに、硫化水素は鋼を保護する可能性のある硫化鉄の不動態皮膜を形成する可能性があります。 [ 6 ] [ 7 ] CO₂の割合が高いガスを処理する場合、炭素鋼を腐食から保護するために、アミン中のCO₂負荷を制御することが重要です。同じ循環速度では、アミン濃度が高いほど負荷は低くなります。
アミン濃度を選択する際に考慮すべきもう1つの要因は、選択したアミンに対するH₂SとCO₂の相対的な溶解度です。[ 1 ]アミンの種類の選択は、アミン溶液の必要な循環速度、再生に必要なエネルギー消費量、および必要に応じてH₂Sのみ、またはCO₂のみを選択的に除去する能力に影響します。アミン濃度の選択に関する詳細については、KohlとNielsenの著書を参照してください。
MEAとDEAは第一級アミンと第二級アミンです。これらは非常に反応性が高く、反応速度が速いため、大量のガスを効果的に除去できます。しかし、化学量論により、CO2の吸着容量はアミン1 モルあたり0.55モルに制限されます。[ 8 ]また、MEAとDEAは再生時にCO2 を除去するために大量のエネルギーを必要とし、これは総運転コストの最大70%にも達する可能性があります。さらに、濃度が高すぎると、他のアミンに比べて腐食性が高く、化学的に不安定になります。[ 8 ]
ピペラジンはCO2除去に非常に効率的であるため、ピペラジンは二酸化炭素回収・貯留（CCS）に提案されている。[ 9 ] [ 10 ]ピペラジンの能力は、二酸化炭素回収の範囲内にあるため、二酸化炭素回収に適している。ピペラジンは、 150℃までの運転温度で使用した後、多段フラッシュ蒸留などの方法で熱再生し、吸収プロセスにリサイクルできるため、アミンガス処理プロセス全体のエネルギー効率が向上する。[ 11 ]パイロットプラント研究が実施されている。[ 12 ]
石油精製所では、この脱硫ガスは主に H 2 S であり、その多くは水素化脱硫と呼ばれる硫黄除去プロセスから得られます。この H 2 S が豊富な脱硫ガス流は、通常、元素硫黄に変換するためにクラウス法に送られます。実際、 2005 年に世界中で生産された64,000,000 トン (63,000,000 ロングトン、71,000,000 ショートトン)の硫黄の大部分は、製油所やその他の炭化水素処理プラントからの副産物硫黄でした。[ 13 ] [ 14 ]別の硫黄除去プロセスは、濃硫酸としてあらゆる形態の硫黄を回収するWSA プロセスです。一部のプラントでは、複数のアミン吸収装置が共通の再生装置を共有している場合があります。化石燃料発電所から排出される排ガスからCO2を除去することに重点が置かれている現在、アミンを使用してCO2を除去することに大きな関心が寄せられています（参照：炭素回収・貯留、従来の石炭火力発電所）。
アンモニアの工業的合成の具体的な例において、炭化水素の水蒸気改質プロセスで気体水素を製造する際、アミン処理は、気体水素の最終精製において過剰な二酸化炭素を除去するために一般的に用いられるプロセスの1つである。
バイオガス生産においては、天然ガスと同等の品質にするために、バイオガスから二酸化炭素を除去する必要がある場合がある。バイオガス燃焼後に金属部品の腐食を防ぐためには、時に高濃度となる硫化水素を除去する必要がある。[ 15 ]
アミンは、天然ガス生産から食品・飲料産業まで、さまざまな分野でCO2を除去するために使用されており、1930年以来使用されています。[ 16 ]
アミンには複数の分類があり、それぞれがCO2回収に関連する異なる特性を持っています。たとえば、モノエタノールアミン（MEA）はCO2と強く反応し、反応時間が短く、低CO2濃度でも高率のCO2を除去する能力があります。通常、モノエタノールアミン（MEA）は石炭火力発電所の排ガスから85%から90%のCO2を回収することができ、CO2を回収するための最も効果的な溶媒の1つです。[ 17 ]
アミンを用いた二酸化炭素回収における課題は以下のとおりです。
分圧はCO2を液相に移行させる駆動力である。低圧下では、リボイラーの熱負荷を増加させなければこの移行を達成することは難しく、その結果コストが増加する。[ 18 ]
例えばMEAやDEAなどの第一級および第二級アミンはCO2と反応して分解生成物を形成します。入口ガスからのO2も分解を引き起こします。分解したアミンはもはやCO2を捕捉することができず、全体的な炭素回収効率が低下します。[ 18 ]
現在、 CO2回収システムで使用するためのより望ましい総合特性を実現するために、さまざまなアミン混合物が合成され、試験されています。主な焦点の1つは、プロセスコストに大きな影響を与える溶媒再生に必要なエネルギーの削減です。ただし、考慮すべきトレードオフがあります。たとえば、再生に必要なエネルギーは通常、高い回収能力を達成するための駆動力に関連しています。したがって、再生エネルギーを削減すると駆動力が低下し、それによって一定量のCO2を回収するために必要な溶媒の量と吸収器のサイズが増加し、結果として設備投資コストが増加します。[ 17 ]