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アミンガス処理は、アミン洗浄、ガススイートニング、酸性ガス除去とも呼ばれ、さまざまなアルキルアミン（通常は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] これは製油所で使用される一般的なユニットプロセスであり、石油化学プラント、天然ガス処理プラント、およびその他の産業でも使用されます。
石油精製所や化学処理工場内で硫化水素を除去するプロセスは、「スウィートニング」プロセスと呼ばれています。これは、処理された製品の臭いが「酸っぱい」硫化水素がないことによって改善されるためです。アミンの使用に代わる方法として、膜技術があります。しかし、膜分離は、比較的高い資本コストと運用コスト、およびその他の技術的要因のために、あまり魅力的ではありません。[4]
ガス処理にはさまざまなアミンが使用されます。
- ジエタノールアミン（DEA）
- モノエタノールアミン(MEA)
- メチルジエタノールアミン(MDEA)
- ジイソプロパノールアミン(DIPA)
- アミノエトキシエタノール（ジグリコールアミン）（DGA）
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 DEA、MEA、および MDEA です。これらのアミンは、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、多くの石油精製所でも使用されています。
典型的なアミン処理装置の説明
H 2 SまたはH 2 Sと CO 2 の両方を含むガスは、炭化水素処理業界では一般に酸性ガスまたは酸性ガスと呼ばれます。
このようなガスのアミン処理に関わる化学反応は、使用される特定のアミンによって多少異なります。最も一般的なアミンの1つであるモノエタノールアミン（MEA）（RNH 2と表記）の場合、アミン電子対のプロトン化を伴う酸塩基反応により、正に帯電したアンモニウム基（RNH+
3）は次のように表現できます。
- RNH 2 + H 2 S ⇌ RNH+
3+ HS − - RNH2 + H 2は、
2CO
3⇌RNH+
3+ HCO−
3
結果として生じる解離およびイオン化された種は、溶液中でより溶解しやすくなり、アミン溶液によって捕捉または洗浄され、ガス相から簡単に除去されます。アミン洗浄器の出口では、スイートニングされたガスはH 2 Sと CO 2が枯渇しています。
一般的なアミンガス処理プロセス (以下のフロー図に示す Girbotol プロセス) には、吸収装置ユニットと再生装置ユニット、および付属機器が含まれます。吸収装置では、下向きに流れるアミン溶液が上向きに流れる酸性ガスからH 2 Sと CO 2 を吸収し、生成物としてスイート ガス ストリーム (硫化水素と二酸化炭素のないガス) 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「リッチ」アミンは、次に再生装置 (リボイラー付きのストリッパー)に送られ、再生アミンまたは「リーン」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プされたオーバーヘッド ガスは、濃縮されたH 2 Sと CO 2です。
代替プロセス
代替のストリッパー構成には、マトリックス、内部交換、フラッシュフィード、および分割フィードによるマルチ圧力があります。これらの構成の多くは、特定の溶媒または動作条件でより高いエネルギー効率を提供します。真空動作は吸収熱の低い溶媒に適しており、常圧での動作は吸収熱の高い溶媒に適します。吸収熱の高い溶媒は、固定容量での温度変動による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、高圧で40% の CO 2を回収し、マルチ圧力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 ストリーム内の水蒸気と CO 2の比率が小さいため、必要な蒸気が少なくなります。分割フィードによるマルチ圧力構成では、下部セクションへの流れが減り、同等の仕事も減ります。フラッシュフィードでは、水蒸気の潜熱を使用して、カラムの下部でストリッパーに入るリッチ ストリーム内のCO 2の一部をストリッピングするため、必要な熱入力が少なくなります。吸収熱が高い溶媒の場合、マルチ圧力構成がより魅力的です。[5]
アミン
吸収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アミンの種類と除去するガスの種類に応じて、水溶液中の純粋なアミンの重量パーセントで表される典型的なアミン濃度は次のとおりです。[1]
- モノエタノールアミン：H 2 SとCO 2を除去する場合は約20％、CO 2のみを除去する場合は約32％ 。
- ジエタノールアミン：約20～25％、H2SとCO2を除去
- メチルジエタノールアミン：H 2 SおよびCO 2を除去するために約30～55％
- ジグリコールアミン：H 2 SとCO 2の除去に約50％
循環水溶液中のアミン濃度の選択は、いくつかの要因に依存し、かなり恣意的である可能性があります。通常は、経験に基づいて単純に決定されます。関連する要因には、アミンユニットが、比較的低濃度のH 2 SとCO 2を含む未精製天然ガスまたは石油精製副産物ガスを処理するかどうか、またはユニットが、アンモニア製造に使用される蒸気改質プロセスからのオフガスや発電所の排気ガスなどの高濃度CO 2を含むガスを処理するかどうかが含まれます。[1]
H 2 S と CO 2 はどちらも酸性ガスであるため、炭素鋼に対して腐食性があります。ただし、アミン処理装置では、CO 2の方が強い酸です。H 2 S は鋼の表面に硫化鉄の膜を形成し、鋼を保護する働きをします。CO 2の含有率が高いガスを処理する場合、腐食防止剤が使用されることが多く、循環溶液に高濃度のアミンを使用できます。
アミン濃度の選択に関係するもう一つの要因は、選択したアミンにおけるH 2 S と CO 2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、再生のためのエネルギー消費、および必要に応じて H 2 S のみまたは CO 2のみを選択的に除去する能力に影響します。アミン濃度の選択の詳細については、Kohl と Nielsen の本を参照してください。
MEA と DEA
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、負荷容量はアミン1モルあたり0.5モルCO 2に制限されます。 [6] MEAとDEAは再生中にCO 2を 除去するために大量のエネルギーを必要とし、これは総運用コストの最大70％に達することがあります。また、他のアミンと比較して腐食性が高く、化学的に不安定です。[6]
用途
石油精製所では、そのストリップされたガスの大部分は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る。このH 2 Sを多く含むストリップされたガス流は、通常、クラウス法に送られ、元素硫黄に変換される。実際、2005年に世界中で生産された64,000,000メトリック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副産物として生じた硫黄であった。[7] [8]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プロセスである。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することがある。化石燃料発電所から排出される煙道ガスからCO 2 を除去することに現在重点が置かれているため、CO 2除去にアミンを使用することに大きな関心が集まっている（炭素回収・貯留および従来型の石炭火力発電所も参照）。
アンモニアの工業的合成の具体的なケースでは、炭化水素の水蒸気改質プロセスで気体水素を生成するために、アミン処理は気体水素の最終的な精製で過剰な二酸化炭素を除去するために一般的に使用されるプロセスの 1 つです。
バイオガス生産では、バイオガスを天然ガスと同等にするために、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ります。バイオガスを燃焼させた後に金属部品が腐食するのを防ぐために、硫化水素の含有量が高い場合があり、これを除去することが必要です。[9]
炭素回収と貯留
アミンは1930年以来、天然ガス生産から食品・飲料産業に至るまでさまざまな分野でCO2除去に使用されています。 [10]
アミンには複数の分類があり、それぞれCO2回収に関連する特性が異なります。例えば、モノエタノールアミン（MEA）はCO2のような酸性ガスと強く反応し、反応時間が速く、低いCO2濃度でも高い割合で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を回収するのに最も効果的な溶媒の1つです。[11]
アミンを使用した炭素回収の課題は次のとおりです。
- 低圧ガスはガスからアミンへのCO2の移行を困難にする
- ガス中の酸素含有量はアミンの劣化や酸の生成を引き起こす可能性がある。
- 第一級アミン（および第二級アミン）のCO 2分解
- 高いエネルギー消費
- 非常に大きな施設
- 除去したCO2を処分するための適切な場所（石油回収強化施設、深部塩水帯水層、玄武岩など）を見つける[12]
分圧はCO2を液相に移行させる原動力である。低圧下では、リボイラーの熱負荷を増加させずにこの移行を達成することは困難であり、コストが増加することになる。 [12]
MEAやDEAなどの第一級アミンと第二級アミンは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CO2を捕捉できなくなり、全体的な炭素捕捉効率が低下します。[12]
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、テストされています。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を削減することです。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、特定の量のCO2を回収するために必要な溶媒の量と吸収装置のサイズが増加し、資本コストが増加します。[11]
参照
参考文献
- ^ abcd アーサー・コール、リチャード・ニールソン (1997)。ガス精製（第5版）。ガルフ出版。ISBN 0-88415-220-0。
- ^ Gary, JH; Handwerk, GE (1984).石油精製技術と経済(第 2 版). Marcel Dekker, Inc. ISBN 0-8247-7150-8。
- ^ US 4080424、Loren N. Miller および Thomas S. Zawacki、「ガス混合物からの酸性ガス除去プロセス」、1978 年 3 月 21 日発行、ガス技術研究所に譲渡
- ^ Baker, RW (2002). 「膜ガス分離技術の将来方向」. Ind. Eng. Chem. Res . 41 (6): 1393–1411. doi :10.1021/ie0108088.
- ^ Oyenekan, Babatunde; Rochelle, Gary T. (2007). 「水性アミンによる CO2 回収のための代替ストリッパー構成」. AIChE ジャーナル. 53 (12): 3144–154. doi :10.1002/aic.11316.
- ^ ab Idem, Raphael (2006). 「レジーナ大学 CO2 回収技術開発プラントおよびバウンダリーダム CO2 回収実証プラントにおける水性 MEA および混合 MEA/MDEA 溶媒の CO2 回収性能に関するパイロットプラント研究」Ind. Eng. Chem. Res . 45 (8): 2414–2420. doi :10.1021/ie050569e.
- ^ 米国地質調査所による硫黄生産報告書
- ^ 回収された副産物硫黄についての議論
- ^ Abatzoglou, Nicolas; Boivin, Steve (2009). 「バイオガス精製プロセスのレビュー」.バイオ燃料、バイオ製品、バイオ精製. 3 (1): 42–71. doi :10.1002/bbb.117. ISSN 1932-104X. S2CID 84907789.
- ^ Rochelle, GT (2009). 「アミンスクラビングによるCO2回収」. Science . 325 (5948): 1652–1654. Bibcode :2009Sci...325.1652R. doi :10.1126/science.1176731. ISSN 0036-8075. PMID 19779188. S2CID 206521374.
- ^ ab Folger, P. (2009). 「炭素回収：技術評価」議会調査局議会向け報告書5 : 26–44.
- ^ abc Wu, Ying; Carroll, John J. (2011年7月5日). 二酸化炭素隔離と関連技術. John Wiley & Sons. pp. 128–131. ISBN 978-0-470-93876-8。
外部リンク
- ガススイートニング装置と動作条件の説明
- 甘味料ユニット用アミンの選択、Polasek, J. (Bryan Research & Engineering) および Bullin, JA (Texas A&M University)、ガス プロセッサー協会地域会議、1994 年 9 月。
- 天然ガス供給協会硫黄と二酸化炭素の除去までスクロール
- ガス処理に関する古典的な書籍の説明。2008-03-16にWayback Machineでアーカイブ。Arthur Kohl、Richard Nielsen著。ガス精製（第5版）。Gulf Publishing。ISBN 0-88415-220-0。