DE3422967A1 - Verfahren zum abtrennen von schwefelwasserstoff aus einem gasgemisch - Google Patents
Verfahren zum abtrennen von schwefelwasserstoff aus einem gasgemischInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von Schwefelwasserstoff aus Gasgemischen, insbesondere
aus Kohlenwasserstoffe enthaltenden Gasgemisehen, wie Erdgas.
Das Abtrennen von Schwefelwasserstoff (H9S) aus
einem Gasstrom ist ein Problem, mit dem man in verschiedenen Industriebereichen seit langem kon-
■"■0 frontiert ist und das die entsprechenden Bearbeiter
immer wieder herausgefordert hat.
Ein wesentliches Beispiel hierfür ist die Erdgasindustrie. Der Schwefelwasserstoffgehalt gewisser
Gasströme, die aus verschiedenen Erdgasvorkommen in
1^ vielen Gebieten der Erde erhalten werden, ist aus
wirtschaftlicher Sicht zu hoch. Abgesehen von den
Risiken für Umwelt und Sicherheit, welche durch die Anwesenheit von Schwefelwasserstoff in Erdgasströmen
hervorgerufen werden, kann die Anwesenheit solcher Schwefel enthaltenden Stoffe zu einer Ablagerung von
schwefelhaltigen Salzen führen, was ein Verstopfen oder Korrodieren von beispielsweise Übertragungsleitungen,
Ventilen und Regelvorrichtungen zur Folge haben kann. Selbst dann, wenn das Erdgas als Abgas
abgefackelt wird, ist es nötig, den Schwefelwasserstoff
entweder vollständig abzutrennen oder zumindest auf eine Menge zu vermindern, bei der die beim
Abfackeln entstehenden Verbrennungsprodukte keine schädlichen Mengen von Verunreinigungen, wie Schwefeldioxid
(einem Bestandteil des "sauren Regens"), mit sich bringen.
Das "Süßen" (sweetening) oder das Abtrennen von Schwefelwasserstoff aus Erdgas ist nur ein Beispiel
für diejenigen Fälle, in denen ein Abtrennen von Schwefelwasserstoff durchgeführt werden muß. In der
Gas- oder Koksindustrie wird unannehmbar große Mengen Schwefelwasserstoff enthaltendes Gas im
allgemeinen durch Zersetzungsdestillation von bituminöser Kohle mit einem hohen Schwefelgehalt produziert.
Ein anderes Problem bezüglich der Verunreinigung durch Schwefelwasserstoff besteht bei der Herstellung
von Wasser- oder Synthesegas, wo es nicht ungewöhnlich ist, Schwefelwasserstoff enthaltende
Gasströme durch Überleiten von Wasserdampf über ^ glühenden Koks oder Kohle mit einem kleinen Gehalt
an Schwefel herzustellen. Das Abtrennen von Schwefelwasserstoff ist auch ein beim industriellen
Raffinieren von Petroleum häufig auftauchendes Problem, weil das als Rohstoff hauptsächlich eingesetzte
Rohöl normalerweise kleinere Mengen Schwefel, hauptsächlich in Form von organischen Schwefelverbindungen,
enthält. Im Laufe der vielen Verfahrensschritte, denen das Rohöl oder Fraktionen hiervon
unterworfen werden, treten üblicherweise einer oder mehrere Gasströme mit einem Gehalt an Schwefelwasserstoff
auf.
Unabhängig von der Quelle des Gasstroms wurde das Problem des Abtrennens von Schwefelwasserstoff
hieraus nach zahlreichen unterschiedlichen Wegen gelöst, die im allgemeinen einen oder mehrere der
folgenden Techniken umfassen, nämlich selektive Absorption mit einer Vielzahl unterschiedlicher
Absorptionsmittel, Absorption durch geeignete Absorptionsmittel sowie selektive Umsetzung mit einem
Reaktionspartner, der ein leicht abtrennbares Produkt bildet. Die Einzelheiten dieser Methoden sind
bekannt. Die große Anzahl an bekannten Verfahren, Patenten und Veröffentlichungen, welche sich mit dem
Abtrennen von Schwefelwasserstoff aus Gasgemischen befassen, zeigen zwei Gesichtspunkte, nämlich:
a) den Wunsch und in den meisten Fällen die Notwendigkeit, den Schwefelwasserstoff aus den
Gasströmen abzutrennen, und
b) die Tatsache, daß bisher kein voll zufriedenstellendes Verfahren gefunden werden konnte.
Es ist bekannt, daß salpetrige Säure und Nitrite, die im allgemeinen als Oxidationsmittel eingesetzt
werden, in wässrigen Lösungen mit Schwefelwasser-
^Q stoff in Abhängigkeit vom pH-Wert zu verschiedenen
Oxidationsprodukten reagieren können. Jedoch ist bisher nicht vorgeschlagen worden, Schwefelwasserstoff
aus Gasgemischen, z.B. aus Erdgas, durch Behandeln des Gasgemisches mit einem wässrigen
Reinigungsmedium unter Verwendung eines wasserlöslichen Nitrits abzutrennen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abtrennen von Schwefelwasserstoff aus
Gasgemischen anzugeben.
Eine andere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Abtrennen von Schwefelwasserstoff
aus Gasgemischen, in denen die Bildung von unerwünschten Nebenprodukten auf ein Minimum vermindert
wird.
Ferner ist eine Aufgabe darin zu sehen, ein Verfahren zum Abtrennen von Schwefelwasserstoff-Gasgemischen
anzugeben, bei dem die Schwefelwasserstoff-Nebenprodukte relativ leicht beseitigt werden
können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß ein Schwefelwasserstoff enthaltendes Gasgemisch mit einem wässrigen Medium, das eine wirksame Menge
eines wasserlöslichen Nitrits enthält und einen pH-Wert von etwa 5,5 oder höher, vorzugsweise von
etwa 6 bis etwa 10, aufweist, behandelt, zum
Beispiel gereinigt, wird. 5
Gasgemische, . die sich für das erfindungsgemäße Beseitigen von Schwefelwasserstoff besonders eignen,
sind natürliche und synthetische Gase, Prozessgase und durch Vergasen von Kraftstoff erzeugte Gase, zum
Beispiel durch Vergasen von Kohle, Erdöl, Schiefer und Teersand erhaltene Gase. Insbesondere bevorzugt
sind Erdgas, durch kaltes Vergasen erhaltene Gasströme und in Raffinerien eingesetzte Ausgangsstoffe,
die aus verschiedenen gasförmigen Kohlenwasserstoffen bestehen. Der Ausdruck "Erdgas" oder "Erdgasstrom",
wie er im vorliegenden Zusammenhang gebraucht wird, betrifft ein Gasgemisch, das hauptsächlich
Methan mit kleineren Mengen anderer Komponenten, nämlich mindestens Stickstoff, Kohlenmonoxid,
Kohlendioxid und Äthan, enthält. Der Ausdruck "Kohlenwasserstoff" oder "Kohlenwasserstoffstrom"
bezieht sich im vorliegenden Zusammenhang auf Stoffströme, die merkliche Mengen an Kohlenwasserstoffen
(sowohl Paraffinen als auch Aromaten) enthalten. Solche Ströme enthalten deutliche Mengen
an "Verunreinigungen", die technisch nicht als Kohlenwasserstoff definiert werden. Auch Ströme, die
im wesentlichen einen einzigen Kohlenwasserstoff, wie Methan, enthalten, sind für die Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens sehr gut geeignet. Auch können Ströme, die beim Vergasen und/oder partiellen
Oxidieren von flüssigen Kohlenwasserstoffen oder Gasen auftreten, erfindungsgemäß behandelt werden.
Tatsächlich kann dieses Verfahren unter Einsatz der aktiven Komponente des Reinigungsmediums, d.h. unter
Verwendung des löslichen Nitrits, bis zum gewünsch-
ten Ausmaß auf irgend einen, Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasstrom angewandt werden, der keine
Komponenten enthält, die selektiv reagieren. Der Schwefelwasserstoffgehalt der in Betracht kommenden
Ströme kann sehr unterschiedlich sein, liegt aber im allgemeinen bei etwa 0,01 bis etwa 15 Vol.%. Der
Schv/efelwasser stoff gehalt und die Art des Gasgemisches sind in der Praxis des erfindungsgemäßen
Verfahrens keine einschränkenden Faktoren. 10
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein wässriges Medium, das als Reinigungs- oder Kontaktmedium
betrachtet werden kann, mit einem Gehalt an einem wasserlöslichen Nitrit eingesetzt. Der Ausdruck
!5 "wässriges Medium" umfaßt Lösungen, Aufschlämmungen
und andere wässrige Gemische. Tatsächlich wird mit fortschreitender Behandlung des den Schwefelwasserstoff
enthaltenden Gasgemisches entsprechend der Erfindung häufig elementarer Schwefel gebildet, so
daß das wässrige Medium, obwohl es anfänglich eine
echte Lösung war, in eine Aufschlämmung übergeht, die das lösliche und nicht umgesetzte Nitrit,
verschiedene Oxidationsprodukte des Schwefelwasserstoffs und insbesondere elementaren Schwefel enthält.
Die erfindungsgemäß wertvollen löslichen Nitrite sind im allgemeinen Alkali- und Erdalkalimetallnitrite,
wie Natrium-, Kalium-, Lithium-, Calcium- und Magnesiumnitrit. Solche Metallnitrite
zeichnen sich durch hohe Löslichkeit in Wasser aus und sind relativ billig, was vor allem für das
Natriumnitrit gilt. Schwermetallnitrite sind weniger wünschenswert, obwohl sie entsprechend wirken, da
ihre Wasserlöslichkeit wesentlich vermindert ist. Darüber hinaus sind Schwermetallnitrite etwas
schlechter zu handhaben, da sie thermisch viel instabiler sind als die Alkali- und Erdalkalimetall-
nitrite. Besonders bevorzugt sind Alkalimetallnitrite, insbesondere Natriumnitrit, da diese Verbindungen
leicht erhältlich sind und eine hohe Löslichkeit
aufweisen.
5
5
Die Konzentration des wasserlöslichen Nitrits in dem wässrigen Medium kann in Abhängigkeit von der
Schwefelwasserstoffkonzentration in dem Gasgemisch, dem gewünschten Ausmaß der Schwefel-
^ wasserstoffabtrennung, dem Volumen des zu behandelnden
Gasgemisches sowie anderen derartigen Parametern sehr unterschiedlich sein. Im allgemeinen braucht
nur eine wirksame Menge vorzuliegen, obwohl vorzugsweise das wasserlösliche Nitrit in einer Menge von
15 etwa 0,1 Gew.% bis etwa zur Sättigungsmenge, insbesondere in einer Menge von etwa 5 bis etwa 40
Gew.%, jeweils berechnet als Nitrit, verwendet wird.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens igt es erforderlich, den pH-Wert auf etwa 5,5 oder
darüber, vorzugsweise auf über 7, einzustellen. Bei einem niedrigeren pH-Wert zersetzt sich das Nitrit
und führt zum Verbrauch von aktivem Nitrit und zur Bildung relativ großer Mengen an Stickstoffoxiden
(NO ) . Zusätzlich wird bei niedrigen pH-Werten SO9 gebildet und im abgeführten Gas abgezogen. Da der
pH-Wert einer wässrigen Lösung (10- bis 30-gew.%ig) eines Alkalimetall- oder Erdalkalimetallnitrits im
allgemeinen bei etwa 6 bis etwa 8 liegt, ist ein Puffer offensichtlich nicht nötig. Jedoch ist die
Anwesenheit eines Puffers, der den pH-Wert des wässrigen Mediums bei mindestens 7 bis etwa 10 hält,
deshalb wünschenwert, weil dadurch große Abweichungen im pH-Wert, welche die Wirksamkeit des Verfahrens
beeinträchtigen können, auf einem Minimum gehalten werden. Beispielsweise werden Kohlendioxid
und andere sauren Gase, die im allgemeinen in Schwefelwasserstoff enthaltenen Strömen vorkommen,
leichter bei hohen pH-Werten absorbiert. Andererseits hilft ein Puffer auch, ein rasches Absinken
des pH-Werts zu verhindern, falls eine saure Verunreinigung unerwarteterweise in das System
eingeführt wird und in.Abwesenheit eines Puffers den
pH-Wert unter 5 drücken würde, was eine Zersetzung des löslichen Nitrits und die Bildung von Schwefeldioxid
zur Folge hätte. Spezielle Beispiele für geeignete Puffer sind Borate, wie Natriumborat,
Phosphate, wie Kaliumdihydrogenphospat, Bicarbonate, wie Natriumbicarbonat, Phthalate, wie Kaliumhydrogenphthalat,
Ammoniumchlorid und Gemische aus solchen Stoffen. Es können aber auch andere Puffer
eingesetzt werden. Die Puffer werden mit den erforderlichen Mengen der verschiedenen Säuren und
Basen gemischt, um den gewünschten pH-Wert einzustellen. Spezielle Beispiele für geeignete Puffer
und Verfahren sowie Herstellungsmethoden hierfür
sind in "Handbook of Physics and Chemistry", 61. Auflage, unter der Überschrift "Buffer Solutions
Operational Definitions of pH" (R.A. Robinson) angegeben.
Unter der "Behandlung" des Schwefelwasserstoff enthaltenden Gasgemisches ist jede Methode zu
verstehen, durch welche das Gasgemisch in engen Kontakt mit dem das wasserlösliche Nitrit enthaltenden
wässrigen Medium bzw. Reinigungsmedium gebracht wird. So kann das Gasgemisch mit dem wässrigen
Medium in irgend einer üblichen Vorrichtung zusammengebracht werden, die für einen Gas-Flüssigkeit-Kontakt
geeignet ist. Beispielsweise kann das wässrige Medium über das Gasgemisch gesprüht
werden, oder es kann ein Turm mit einer entsprechen-
den Packung Verwendung finden. Das Gas kann durch einen das wässrige Medium enthaltenden Behälter
hindurchperlen oder das Gasgemisch und das wässrige Medium können in einem Gas-Flüssigkeit-Extraktor im
Gegenstrom miteinander in Kontakt gebracht werden. Dem Fachmann sind viele andere Methoden für eine
wirksame Behandlung oder Reinigung des Gasgemisches mit dem wässrigen Medium bekannt. Deshalb ist jede,
für solche Stoffkontakte übliche Methode, die sich ■"•^ als praxisgerecht erwiesen hat, für die Durchführung
der Erfindung geeignet.
Die besondere Methode der Behandlung des Gasgemisches im Hinblick darauf, ob sie bezüglich des
15 Inkontaktbringens der Komponenten, des Reinigens
oder in sonstiger Weise bevorzugt ist, sollte so beschaffen sein, daß sie eine ausreichend lange
Kontaktzeit zwischen dem Gasgemisch und dem wässrigen Medium gestattet, um eine Reaktion des
wasserlöslichen Nitrits mit dem Schwefelwasserstoff
sicherzustellen. Die Kontaktzeit kann in Abhängigkeit von z.B. dem Schwefelwasserstoffgehalt, der
Gasströmungsgeschwindigkeit und dem Volumen des wässrigen Reinigungsmediums sehr unterschiedlich
sein, beträgt aber im allgemeinen etwa 0,01 bis etwa 270 Sekunden. Es kommen aber auch längere Kontaktzeiten
in Betracht.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren angewandten Temperaturen sind im allgemeinen nicht kritisch,
abgesehen davon, daß die Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Schwefels, einem der Umsetzungsprodukte des Schwefelwasserstoffs, liegen soll. Aus
praktischen Gründen wird das Verfahren im allgemeinen bei Umgebungstemperatur durchgeführt, wobei
Temperaturen von 10 bis 800C geeignet und Temperatu-
- 10 -
ren von 20 bis 45°C bevorzugt sind.
Die Druckbedingungen des Verfahrens können sehr unterschiedlich sein. Beispielsweise kann der Druck
zwischen 1 bar. (etwa 1 at) und mehreren 100 bar liegen, wobei ein Druck von etwa 1 bis etwa 50 bar
bevorzugt ist, insbesondere im Falle der Behandlung von Erdgas. Die Druck-Temperatur-Beziehungen, welche
beim in Kontaktbringen von Gasen mit Flüssigkeiten und bei Reinigungsprozessen eine Rolle spielen sind
dem Fachmann bekannt und brauchen hier nicht im einzelnen erläutert zu werden.
Es ist bekannt, daß Schwefelwasserstoff enthaltende Gasgemische als Verunreinigung im allgemeinen auch
Kohlendioxid beinhalten, dessen Menge im allgemeinen über jener des Schwefelwasserstoffs liegt. In vielen
Systemen, bei denen Schwefelwasserstoff aus einem Gasgemisch abgetrennt werden soll, stellt die
Anwesenheit von Kohlendioxid, insbesondere in relativ großen Mengen, ein außergewöhnlich akutes
Problem dar, weil das Kohlendioxid mit der aktiven Komponente, die auch zum Beseitigen des Schwefelwasserstoffs
benutzt wird, reagiert und daher diese verbraucht. So vermindert beispielsweise eine merkliche
Absorption von Kohlendioxid im Falle des Abtrennens von Schwefelwasserstoff aus sauren Erdgasströmen
mittels alkalischen Flüssigkeiten, wie Natronlauge, rasch die Konzentration des alkalischen
30 Reinigungsmittels.
Ein besonderes Merkmal der Erfindung liegt darin, daß die Anwesenheit relativ großer Kohlendioxidmengen
in dem Gasgemisch das erfindungsgemäße Verfahren hinsichtlich des Verlustes an akitivem Nitrit nicht
wesentlich beeinträchtigt. Bei bevorzugten pH-Werten
- 11 -
bleibt die Umsetzung zwischen gelöstem Kohlendioxid und Nitritionen vergleichsweise ohne Folgen, so daß
nur sehr wenig aktives Mittel, z.B. lösliches Nitrit, durch Absorption von Kohlendioxid aufgebraucht
wird. Wie erwähnt, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise in Gegenwart eines
Puffers durchgeführt. Wie bekannt ist, führt das Absorbieren von Kohlendioxid in wässrigen Lösungen
zur Bildung von Bicarbonationen. Dementsprechend entsteht in Anwesenheit von Kohlendioxid in dem
erfindungsgemäß behandelten Gasgemisch in situ ein Puffer, und in dem Maße, in dem die Behandlung
fortschreitet, steigt die Bicarbonatkonzentration
und daher die Pufferwirkung.
15
15
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
In den nachfolgenden Beispielen 1 bis 13 wurde folgendes Verfahren angewandt: Ein 1 Liter fassender
20 Behälter mit einer Höhe von etwa 18 cm (etwa 7
inch.) und einer Querschnittsfläche von etwa 58 cm (etwa 9 sq. inch. ) wird mit einer aus reichenden
Menge eines wässrigen Mediums, das ein wasserlösliches Nitrit enthält, beschickt, so daß in dem
Behälter eine Flüssigkeitshöhe von etwa 14 cm (5,5 inch.) erhalten wird. In dem Behälter wird ein
Verteilerrohr (Sparger tube) mit einer Entfernung vom Behälterboden von etwa 13 mm (0,5 inch.)
angeordnet, so daß sich für den Kontakt zwischen dem aus dem Boden des Verteilerrohres austretenden Gas
und der Flüssigkeitssäule eine vertikale Länge von etwa 12.7 cm (5 inch.) ergibt. Während des Reinigungsverfahrens
wird das wässrige Medium kontinuierlich mit einem Magnetrührer gerührt. Die Strömungsgeschwindigkeit,
der pH-Wert und die Zusammensetzung des ausströmenden Gases werden periodisch bestimmt.
- 12 -
Der Druck und die Temperatur entsprechen den Umgebungsbedingungen. Alle Gasmessungen werden mit
Standard-Drager-Röhrchen durchgeführt. Das eingesetzte Gas hat die folgende Zusammensetzung (bezogen
° auf das Volumen):
1 % H2S
5 % CO2
94 % CH.
In den nachfolgenden Tabellen I bis XIII hat 11SCF"
die Bedeutung "Standard Kubikfuß bei 00C und 1 at".
Beispiel 1 15
Gemäß diesem Beispiel besteht das wässrige Medium, das einen anfänglichen pH-Wert von 9,3 aufweist, aus
80 g Natriumnitrit, das in 720 g deionisiertem Wasser gelöst ist. Die Ergebnisse sind in der
nachfolgenden Tabelle I zusammengefaßt.
- 13 -
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In diesem Beispiel besteht das wässrige Medium, das einen anfänglichen pH-Wert von 8,95 aufweist, aus 80
g Natrxumnitrit, 16 g Natriumborat als Puffer und 704 g deionisiertem Wasser. Die Ergebnisse sind in
der nachfolgenden Tabelle II zusammengefaßt.
- 15 -
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- 16 -
Obwohl das wässrige Medium während des Reinigungsprozesses klar bleibt, wird festgestellt, daß etwa
30 Minuten nach der Beendigung der Reaktion ein Schwefelniederschlag auftritt.
^ Das wässrige Medium besteht aus 80 g Natriumnitrit,
16 g Natriumbicarbonat als Puffer und 704 g deionisiertem Wasser. Der anfängliche pH-Wert liegt
bei 7,86. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle III zusammengefaßt.
15
15
- 17 -
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18 -
In diesem Beispiel wird die Wirkung einer hohen
° Strömungsgeschwindigkeit und des Fehlens eines Puffers gezeigt. Das wässrige Medium besteht aus 80
g Natriumnitrit und 720 g deionisiertem Wasser. Der anfängliche pH-Wert des wässrigen Mediums liegt bei
9,31. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden
10 Tabelle IV zusammengefaßt.
- 19 -
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CM
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- 20 -
Es wird festgestellt, daß etwa 2 Minuten nach Beginn des Versuchs ein Niederschlag von elementarem
Schwefel auftritt.
Dieses Beispiel zeigt die Wirkung des Einsatzes eines Citronensäure-Puffers bei einer relativ hohen
Strömungsgeschwindigkeit. Das wässrige Medium wird durch Auflösen von 80 g Natriumnitrit in 720 g
deionisiertem Wasser und Zugabe von 0,5 ml einer 10%-igen wässrigen Cxtronensaurelosung hergestellt.
Der anfängliche pH-Wert des wässrigen Mediums liegt
bei 6,0. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle V zusammengefaßt.
- 21 -
ZusaimEnsetzung des
Zeit (min) |
pH-Wert | H2S | 000 | ' CO2 | NO | X |
3 | 6,1 | 000 | 30.000 | |||
4 | 6,2 | 5. | ||||
10 | 6,5 | 4. | ||||
12 | 6,5 | 28.000 | ||||
13 | 6,5 | .000 | 3, | 0 | ||
20 | 6,6 | |||||
30 | 6,70 | 4 | 30.000 | |||
33 | 6,66 | .400 | 3, | 0 | ||
38 | 6,72 | |||||
45 | 6,75 | 4 | ||||
46 | 6,75 | 33.000 | ||||
49, | 6,74 | 3, | 0 | |||
55 | 6,80 | . 100 | ||||
60 | ||||||
62 | 6,82 | 4 | 37.000 | 3, | 0 | |
Strönungsgesc±iwindigkeit
(SCF/Std.) mVstd.
(SCF/Std.) mVstd.
8'° 0,226
8,0
8.0
8,0
0,226
0,226
0,226
Es wird festgestellt, daß nach 4 Minuten eine Fällung von elementarem Schwefel auftritt.
Das wässrige Reinigungsmedium besteht aus 80 g Natriumnitrit, 16 g Ammoniumchlorid und 704 g deionisiertem
Wasser. Zu dieser Lösung werden 3 ml einer 30%-igen Ammoniumhydroxidlösung gegeben, um
eine gepufferte Lösung mit einem anfänglichen pH-Wert von 8,97 zu erhalten. Die Ergebnisse sind in
der nachfolgenden Tabelle VI zusammengefaßt. 15
- 23 -
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vo | VO |
CN | CM |
CN | CM |
vo
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Die wässrige Reinigungslösung besteht aus 80 g Natriumnitrit, 40 g Natriumborat als Puffer und
702 g deionisiertem Wasser. Es wird festgestellt, daß das Natriumborat sich nicht vollständig löst und
eine gewisse Menge davon während des gesamten Versuchs ungelöst bleibt. Der anfängliche pH-Wert
des wässrigen Mediums beträgt 9,02. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle VII zusammengefaßt.
_ 25 _
Zusammensetzung des ausströirenden Gases (ppm)
Zeit | pH-Wert | H2S | CO2 | NOx | |
(min) | 8,95 | 100 | |||
2 | 8,£P | 7.000 | |||
4 | (200) | ||||
8 | 8,51 | 5.000 | |||
22 | 8,50 | 800 | |||
I | ' 23 | 8,47 | 20 | ||
to | 25 | 8,47 | 900 | ||
cn | 26 | 8,37 | ■j | ||
I | 35 | 8,17 | 1.600 | ||
55 | 5.Ό00 | ||||
58 | 8/16 | 5.000 | |||
71 | 8, 09 | 8 | |||
73 | 8,05 | ||||
86 | 8,03 | 6.000 | |||
89, | 8,03 | 1.800 | |||
90 | 8,03 | 10 | |||
9.1 | 7,99 | 8,000 | |||
111 | 7,96 | 1.500 | |||
114 | 7,95 | 15 | |||
115 | |||||
Strömungsgeschwindigkeit
(SCF/Std.) mVstd.
(SCF/Std.) mVstd.
0,056
0,056
JNJ
OD CD
"4
Das wässrige Medium besteht aus 80 g Natriumnitrit, 40 g Natriumbicarbonat als Puffer und 680 g deionisiertem
Wasser. Der anfängliche pH-Wert liegt bei 7,96. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden
Tabelle VIII zusammengerafft.
10
_ 27 -
Zusammensetzung des
Zeit | pH-Wert | V ■ ~ ~ ^tf«*4 w* ^^^^λ « η ι ^i^^B m | * | 1.400 | CO2 | NOx |
(min) | 8,04 | H2S | 1. 000 | 20.000 | ||
2 | 8, 06 | |||||
3 | 8,11 | 200 | 13 | |||
4 | 8,33 | |||||
32 | 8,34 | 900 | 13.000 | |||
35 | 8,34 | - | 10 | |||
36 | 8,46 | |||||
64 | 8,46 | |||||
65 | 8,46 | 900 | 10.000 | |||
66 | 6,46 | 20 | ||||
67 | 8,45 | |||||
96 | 8, 45 | 10.000 | 20 | |||
9.7 | 8,55 | |||||
117 | 8,56 | 11.000 | ||||
119, | 8,56 | 20 | ||||
121 | ||||||
Strömungsgeschvdndigkeit
(SCF/Std.) nf /Std.
(SCF/Std.) nf /Std.
0,056
0,056
0,056 0,056
0,056
t tr κ « *
·*" ♦ t ♦
CD
Es wird festgestellt, daß nach etwa 96 Minuten eine kleine Menge an Schwefel als Niederschlag auftritt.
Das wässrige Medium besteht aus 80 g Natriumnitrit, das in 680 g deionisiertem Wasser mit einem Zusatz
von 40 g Aramonxumchlorid gelöst ist. Dieser Lösung werden 5 ml einer 30%-igen Ammoniumhydroxidlösung
zugegeben, um ein gepuffertes wässriges Medium mit einem anfänglichen pH-Wert von 9,0 zu erhalten. Die
Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle IX
15 zusammengefaßt.
_ 29 _
UD KO
in in
ο ο
ο ο
IO
m ο
Ό -P
to
(N CM
CN
O 2
CN
Cni
-μ na
•Ρ
CN O U
fN
O O O
CN
O
O
O
in
ο ο
ο
ο
ο
O O O
in
ο ο ο
ο ο
O O O
O
O
CN
in. | cn | m | in | in | m | CN | ^* | m | U) | O | |
σ» | σ\ | 00 | in | in | in | 00 | ■H | O | 00 | ||
03 | 00 | 00 | 00 | 00 | 00 | QO | 00 | 00 | |||
cn η
fl. CTiO
30 -
Es wird festgestellt, daß nach 33 Minuten die Lösung blaßgelb wird und nach etwa 117 Minuten eine kleine
Menge an Schwefel als Niederschlag auftritt.
Das gepufferte wässrige Medium besteht aus 82,5 g Natriumnitrxt, 16,0 g Natriumborat und 708,5 g
Wasser. Der anfängliche pH-Wert des wässrigen Mediums beträgt 8,88. Die Ergebnisse sind in der
nachfolgenden Tabelle X zusammengefaßt.
_ 31 _
Zeit | pH-Wert | Zusammensetzung des ausströrrenden Gases ( |
CO2 | > | 7.000 | ppm) | NOx | |
(min) | H2S | 5,200 | ||||||
3 | 100 | .9, 000 | 10 | |||||
4 | 8,69, | |||||||
6 | 8,35 | |||||||
12 | 8,27 | 7. 000 | 11.Ü00 | |||||
30 | 15 | |||||||
I | 34 | 8,08 | 1,000 | |||||
LO
N) |
35 36 |
8,00 | ||||||
I | 50 | |||||||
60 | ||||||||
61 | 7/9.6 | 1.400 | β | |||||
62 | 7,81 | |||||||
63 | ||||||||
100 | 7,80 | 1.500 | 10 | |||||
102 | 7,81 | |||||||
103 | 7, 81 | |||||||
122 | 1.000 | ι η | ||||||
124 | ||||||||
125 | ||||||||
Strömungsgeschwindigkeit
(SCF/Std·.) m
(SCF/Std·.) m
0,056
0,056
0,056
0,056
CO
K)
CD
cn
Nach etwa 100 Minuten beginnt eine kleine Menge eines Schwefelniederschlags auszufallen.
Beispiel 11
Die wässrige Reinigungslösung besteht aus 81,5 g Natriumnitrit, 16,0 g Ammoniumbicarbonat und 704 g
Wasser. Der anfängliche pH-Wert des Mediums liegt bei 8,01. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden
Tabelle XI zusammengefaßt.
- 33 -
Ui
VO | VO | VD | VO | VO |
IO | m | in | in | in |
O | O | O | O | O |
cn —
CN
cn
CN
O
CM
CM
CN
in
CN
O) ■Η rH
CN
O U
CM
O O O
ro
ο
ο
ο
ο
ο
ο ο ο
CN
O O
CN
O O O
CN
O O CN
O
O
O
cn
O ο cn
O O O
O O
oo
in | in | in | O | O | cn | VD |
O | rH | CN | CN | CN | CN | |
oo" | OO | OO | OO | OO | OO | OO |
^r in
34 -
™ " - "3472967
Es wird festgestellt, daß nach dem Ende des Versuchs in dem Reinigungsbehälter kein Niederschlag vorliegt,
obwohl die Lösung orangefarben ist.
Die Reinigungslösung besteht aus 80,0 g Natriumnitrit,
16,0 g Ammoniumchlorid und 704 g deionisiertem Wasser, dem 2 ml einer 30%-igen Ammoniumhydroxidlösung
zugegeben worden sind, um ein gepuffertes wässriges Reinigungsmedium mit einem anfänglichen
pH-Wert von 9,0 zu erhalten. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle XII zusammengefaßt.
- 35 -
Zeit (min) |
pH-Wert | H2S | CO2 | NOx | |
3 | 150 | 6.000 | |||
5 | 3 | ||||
32 | 8,15 | 10.000 | |||
38 | 8,03 | 1.200 | ■ 12 | ||
I | 67 | 7,76 | 800 | 10.000 | |
U)
σ\ |
73 92 |
7,75 | 9.000 | 12 | |
ι | 94 | 7,77 | 800 | ||
99 r r |
7,77 | * » | 13 | ||
127 | 7,77 | 10.000 | |||
130 | 800 | ||||
132 | 15 |
Zusairtnensetzung des
(SCF/Std".) n
0,056 0,056
0,056 0,056
it f t f
<
Etwa 122 Minuten nach Versuchsbeginn wird festgestellt, daß ein Ausfällen von Schwefel beginnt.
Dieses Beispiel zeigt die Wirkung, wenn das Verfahren bei einem niedrigeren pH-Wert durchgeführt wird.
Das wässrige Reinigungsmedium besteht aus 80 g Natriumnitrit, das in 720 g deionisiertem Wasser
gelöst ist, welchem eine ausreichende Menge Salzsäure zugegeben worden ist, um ein wässriges Reinigungsmedium
mit einem anfänglichen pH-Wert von 5,5 zu erhalten. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden
Tabelle XIII zusammengefaßt.
37
•υ
-P
Ul
CQ
VO
in ο
CM
O O
VD
ιη ο
CN
ο
ο
ο ro
ο ο
O O
σ ο ο
ιη
ο σ ο
ο ο ο
cn"
ο ο ο
cn
in
in
ο ο
ΙΛ
ο ο νο οο
ο ο
O Ή
O O
ιη
ro ο cm ro
ο ο
ο
ο
cm ro
in in in
^s* ^j* ^j* in in
-W
Q)
tS3
cm η νο cn
38 -
Zeit (min)
Tabelle XIII (Fortsetzung)
Zusammensetzung des ausströmenden Gases (ppm)
pH-Wert | H2S | CO | 2 | NOx |
6,55 | ||||
6,56 | 9 00 | |||
6,66 | 10, | .000 | ||
900 | ||||
6, 67 | 6 | |||
6,70 | 10, | .000 | ||
900 | 6 |
Strömungsgeschwindigkeit (SCF/Std.) raVStd.
0,056
Es zeigt sich, daß bei einem pH-Wert von 5,5 oder weniger eine übermäßige Bildung von NO eintritt.
Zusätzlich werden wesentliche Mengen an SO2 gebildet.
Bei der Absenkung des pH-Werts auf 3,7 entweichen reichliche Mengen an NO . Daraus ist
ersichtlich, daß zur Vermeidung der Bildung von übermäßigen Mengen an NO und Schwefeldioxid der
pH-Wert der wässrigen Reinigungslösung auf etwa 5,5 oder darüber, vorzugsweise über 6, gehalten werden
soll.
In den nachfolgenden Beispielen wird die Wirksamkeit des Verfahrens in der Praxis gezeigt.
Der Versuch wurde auf einem Testfeld (Conoco's Grub
Lease Test Site No. 258) durchgeführt. Der Erdgasstrom wurde in einem Reinigungsbehälter (Fassungsvermögen
4504 Liter (1190 gal)) mit 2271 Liter (600 gal) eines wässrigen Reinigungsmediums gefüllt, das
9 Gew.% Natriumnitrit und eine ausreichende Menge an Citronensäure enthielt, um einen anfänglichen pH-Wert
von 6,8 einzustellen. Die Verfahrensparameter sind nachfolgend angegeben:
- 40 -
Gasströmungsgeschwindigkeit* | 800 | mcf/Tag | 22653 | Liter/Tag |
Tankvolumen | 1190 | gal | 4504 | Liter |
Flüssigkeitsvolumen | 600 | gal | 2271 | Liter |
Gasvolumen | 590 | gal | 2233 | Liter |
Uberladungsdruck | 100 | psi | 6,89 | bar |
Flüssigkeitsdruckabfall | 2,3 | psi | 0,159 | bar |
Natriumnitrit | 9 | Gew. -% | ||
pH-Wert der Flüssigkeit, zu Beginn | 6,8 | |||
pH-Wert der Flüssigkeit, während des Versuchs H„S (Zustrom) |
6,7 7-50 |
ppm | ||
H2S (Abstrom) | 0 | ppm | ||
CO2 | 0,5 | Vol.-% | ||
Flüssigkeitsdichte | 8,94 | lb/gal | 1,07 | kg/Liter |
Gasdiffusion | Verteilerrohr |
3 » » i 1 t * >
*bei 00C und 0,98 bar **Standard-Kubikfuß
CO;
CD (J)
"λ/
Der Versuch wurde während eines Zeitraums von etwa 2 Monaten durchgeführt, wobei der pH-Wert bei etwa 6,7
blieb. Die Konzentrationen an Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid im Gaszustrom und im Gasabstrom
wurden mit Standard-Drager-Röhrchen gemessen. Es zeigte sich, daß trotz eines Schwefelwasserstoffgehalts
von 7 bis 50 ppm im Zustrom das Vorliegen von Schwefelwasserstoff im Abstrom nicht meßbar war.
Ein zweiter Praxisversuch wurde an einem anderen Ort (Gulf Oil Lease, in der Nähe von Santa Maria,
Kalifornien) durchgeführt. Das wässrige Reinigungsmedium wurde gemäß Beispiel 14 hergestellt. Die
Parameter des Systems sind nachfolgend angegeben:
Gasströmungsgeschwindigkeit 80 mcf/Tag 2265,3 Liter/Tag
Tankvolumen 2940 gal 11128 Liter
Gasvoluman 1140 gal 4315 Liter
Flüssigkeitsdruckverlust 6,17 psi 0,423 bar
Flüssigkeitsdichte 9,70 lb/gal 1,16 kg/Liter
Gasdiffusion perforierte Scheibe
Natriumnitrit 19,9 Gew.-%
Bei diesem Versuch enthielt das zuströmende Gas eine viel höhere Schwefelwasserstoffkonzentration. Um die
Wirksamkeit des Verfahrens genauer zu überprüfen, wurde der Schwefelwasserstoffgehalt des Gases im Zu-
und Abstrom während eines Zeitraums von 120 Stunden (5 Tagen) kontrolliert. Die Ergebnisse sind in der
nachfolgenden Tabelle XIV zusammengefaßt.
.Zeit, Stunden | 0 | 0.2 | 0.5 | 4.5 | 7.5 | 21 | 24 | 7,6 | 77 | 7/83 |
pH-Wert | 8,80 | 7,0 | 7,0 | Γ 7,83 |
7,84 | 7,92 | 7,9.2 | 7040 | 7,82 | 8800 |
f^S-Zustrom, ppm | 5720 | 4400 | 7040 | ' 8020 | 6600 | 6840 | 80 | 8800 | 6 | |
H2S-Abstrom, ppm | — | 880 | 200+ | 200+ | 180 | 18 | 18 | 3,0 | 19 | 5,0 |
CO2 ~ Zustrom ,VoI.-% | - | 5,0 | 3,5 | 3,5 | 3,5 | 4,2 | 3,5 | 2,5 | 4,5 | 3,0 |
CO2-AbStTCVo1.^ | - | 2/5 | 2,5' | 2,5 | 3,0 | 2,1 | 2,0 | 100 + | 2,7 | 100+ |
NO + NO2 (NOx), ^bstran, ppm |
100+ | 100+ | 100+ | 100+ | 100+ | 100+ | 6Ü,r | 100+ | 4i,7S | |
Überladung ,psi '" bär |
40 2r7S |
35 2.41 |
^,75 | ?r7c | 4 fj | 60 4.13 |
QQ j J | 3 S.7E | ||
riüssigkeitsvol., gal Liter |
1800 6813 |
1800 6813 |
1800 6813 |
1800 6813 |
iiif | 1800 6813 |
13S7 | |||
Es zeigte sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren während eines Zeitraums von 5 Tagen im Abtrennen von
Schwefelwasserstoff aus einem Erdgasstrom äußerst
wirksam ist. Dabei ist zu berücksichtigen, daß das 5
Verfahren in diesem Zeitraum mehr als 90 % des Schwefelwasserstoffs entfernt hat. In Anbetracht der
Tatsache, daß die maximal zulässige Schwefelwasserstoffkonzentration in ausströmendem Erdgas im Bundesstaat
Kalifornien/USA bei 800 ppm liegt, ist das erfindungsgemäße Verfahren als in höchstem Maße
effektiv anzusehen. So wurde beispielsweise der Schwefelwasserstoffgehalt nach lediglich 15 Minuten
des Reinigens von 5720 auf 880 ppm gesenkt.
Die vorstehenden Beispiele zeigen, daß das Verfahren
eine höchst wirksame Methode zum Abtrennen von Schwefelwasserstoff aus Gasgemischen, insbesondere
aus Erdgas, darstellt. Das Verfahren bewährt sich über einen großen Bereich der Gasgeschwindigkeit,
^u des pH-Werts und der Konzentration des wasserlöslichen
Nitrits. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, daß die beim Abtrennen des Schwefelwasserstoffs
entstehenden Nebenprodukte leichter entfernt werden können als die Nebenprodukte der Schwefelwas-
° serstoffabtrennung nach anderen Verfahren. Wie
bekannt ist, erfordern viele Verfahren zum Abtrennen von Schwefelwasserstoff den Einsatz von Aufschlämmungen,
beispielsweise Aufschlämmungen von Zinkverbindungen, und erzeugen als Nebenprodukt Zinksulfid.
Dieses Sulfid bringt ein äußerst unangenehmes Problem hinsichtlich der Beseitigung mit sich. Wenn
auch in einigen Fällen das erfindungsgemäße Verfahren
zur Bildung von elementarem festem Schwefel führt, sind doch die damit verbundenen Probleme
wegen dessen Beseitigung erheblich geringer als jene Schwierigkeiten im Zusammenhang mit anderen Pest-
- 46 -
stoffen, wie Zinksulfid. Tatsächlich stellt elementarer Schwefel in vielen Verfahren einen Ausgangsstoff
dar und kann daher als nützliches und gewinnbringendes Nebenprodukt des erfindungsgemäßen
Verfahrens betrachtet werden. Dies gilt insbesondere in vielen unterentwickelten Ländern, wo entsprechendes
saures Erdgas zur Verfugung steht, jedoch Schwefelvorkommen gering sind. In solchen Ländern
kann das erfindungsgemäße Verfahren hinsichtlich der
^-® Schwefelgewinnung optimiert werden und somit einen
wertvollen Rohstoff erzeugen, der für die Herstellung von Düngemitteln und anderen Produkten in
solchen Ländern dringend benötigt wird. Es ist auch zu berücksichtigen, daß das Verfahren, wie aus der
Tabelle XIV ersichtlich ist, im allgemeinen durch die Anwesenheit relativ großer Mengen an Kohlendioxid
im zuströmenden Gas nicht beeinträchtigt wird; dieses Problem hat seit langem die Verfahren zum
Abtrennen von Schwefelwasserstoff sehr belastet.
Obwohl, wie vorstehend angegeben, die Oxidation von Schwefelwasserstoff durch Nitrit in einer wässrigen
Lösung bekannt ist, war nicht zu erwarten, daß die Reaktion zur Grundlage einer wirksamen Methode zum
Abtrennen von Schwefelwasserstoff aus Gasgemischen gemacht werden könnte. Nitrite und/oder salpetrige
Säure unterliegen in wässriger Lösung leicht einer Zersetzung unter Bildung von NO und NO9 (NO ) , die
an sich Probleme für die Umwelt mit sich bringen können, wenn das ausströmende Gas abgefackelt wird.
Die Gefahr von Schwierigkeiten ist noch größer, wenn dieses Gas weiterverarbeitet, zum Beispiel Kompressor
stat ionen zugeführt, werden soll. Die vorstehenden Angaben zeigen aber, daß dann, wenn der pH-Wert
des wässrigen Mediums auf etwa 5,5 oder höher, vorzugsweise auf etw 6 oder höher, eingestellt wird,
- 47 -
nur sehr kleine Mengen an NO gebildet werden. Bezüglich der Umwelt liegen die im allgemeinen
gebildeten NO -Mengen unter den zulässigen Grenzen
für einen abzufackelnden Gasstrom. Im Falle eines abströmenden Gases, das weiterverarbeitet werden
soll, beispielsweise in einer Kompressorstation, und falls der Anteil an NO für die spezielle Weiterverarbeitung
zu hoch liegt, kann das abströmende Gas nach bekannten Methoden weiter behandelt werden, um
menge zu senken.
das NO abzutrennen oder auf die zulässige Höchst-
- 48
Claims (9)
1. Verfahren zum Abtrennen von Schwefelwasserstoff aus einem Gasgemisch, dadurch gekennzeichnet,
daß man das Gasgemisch mit einem wässrigen Medium behandelt, das eine wirksame Menge eines
wasserlöslichen Nitrits bei einem pH-Wert von etwa 5,5 oder einem höheren pH-Wert enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch gasförmige Kohlenwasserstoffe
enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gasgemisch Erdgas enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserlösliche Nitrit, berechnet
als Nitrit, in dem wässrigen Medium in einer Menge von etwa 0,1 Gewichtsprozent bis etwa zur
Sättigungsmenge vorliegt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als wasserlösliches Nitrit ein
Alkali- und/oder Erdalkalimetallnitrit einsetzt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als wasserlösliches Nitrit Natriumnitrit
einsetzt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die wässrige Lösung durch Puffern
auf einen pH-Wert von etwa 6 bis etwa 10 einstellt.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß man ein wässriges Medium einsetzt, in dem als Puffer ein Borat, Phosphat, Phthalat,
Bicarbonat oder Ammoniumchlorid oder ein Gemisch aus solchen Stoffen vorliegt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Behandeln ein Reinigen des
Gasgemisches umfaßt, wobei das Gasgemisch aufwärts durch das genannte wässrige Medium hindurchgeleitet
wird.
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