طراحی یونیت بازیابی سولفور (SRU) برای گوگرد زدایی در پالایشگاه

یونیت بازیابی سولفور (SRU) یک واحد صنعتی است که برای بازیابی و استخراج گوگرد از گازهای حاوی سولفور مانند گازهای خروجی از واحدهای تولید شیمیایی یا صنایع نفت و گاز استفاده می‌شود. روش کلاوس که بازیابی گوگرد را تضمین می‌کند، در این واحد به کار گرفته می‌شود. هدف اصلی یک واحد SRU با استفاده از روش کلاوس، تبدیل سولفور موجود در گازهای صنعتی به گوگرد عنصری است که می‌تواند به عنوان ماده اولیه برای صنایع شیمیایی و سایر صنایع مرتبط استفاده شود.

این واحد در واقع فرایند کلاوس را اجرا می‌کند تا گازهای حاوی سولفور را تبدیل و گوگرد را بازیابی کند. واحد SRU عموماً شامل تجهیزاتی مانند واحد اکسیداسیون، واحد حذف گوگرد، سیستم جداسازی و جمع‌آوری گوگرد و سیستم کنترل و ابزار دقیق است. واحد بازیابی سولفور با استفاده از روش کلاوس به علت کارآیی بالا و قابلیت استفاده در صنایع مختلف، به خصوص در صنایع نفت و گاز و صنایع شیمیایی، برای بازیابی گوگرد از گازهای صنعتی ترجیح داده می‌شود. شرکت دانش بنیان پترو صنعت تاراز، طراح و سازنده انواع کوره، بویلر و راکتور های مورد استفاده در فرایندهای گوگرد زدایی در پالایشگاه ها و صنایع شیمیایی کشور میباشد.

گوگرد زدایی چیست؟

گوگرد زدایی یا فرآیند تخلیه گوگرد در پالایشگاه نفت و گاز و صنایع پتروشیمی به معنای حذف یا کاهش مقدار گوگرد موجود در مواد خام و محصولات نفتی و پتروشیمی است. گوگرد یک عنصر شیمیایی است که در سنگ‌های نفتی و گازی موجود بوده و هنگامی که این سنگ‌ها به پالایشگاه منتقل می‌شوند، حاوی گوگرد هستند.

مواد خام نفتی و گازی حاوی گوگرد می‌توانند برای محصولات پتروشیمی، سوخت‌ها و سایر محصولات نفتی استفاده شوند. اما گوگرد در صورتی که در محصولات پایانی حضور داشته باشد، می‌تواند مشکلات زیست محیطی و بهداشتی را برای انسان‌ها و محیط زیست ایجاد کند. به علاوه، حضور گوگرد در محصولات نفتی و پتروشیمی می‌تواند عملکرد و کیفیت آن‌ها را نیز تحت تأثیر قرار دهد.

بنابراین، گوگرد زدایی در پالایشگاه نفت و گاز و صنایع پتروشیمی به منظور حذف یا کاهش مقدار گوگرد موجود در مواد خام و محصولات، با استفاده از روش‌های فیزیکی یا شیمیایی صورت می‌گیرد. این فرآیند می‌تواند شامل استفاده از مواد شیمیایی مخصوص، فرآیندهای جذب و جداسازی، تبدیل گوگرد به ترکیبات غیرمضر یا سایر روش‌های مشابه باشد.

با انجام گوگرد زدایی در پالایشگاه نفت و گاز و صنایع پتروشیمی، میزان گوگرد حاضر در محصولات نهایی به حداقل ممکن کاهش می‌یابد و محصولات پاکتر و کمتر آلوده به گوگرد تولید می‌شوند. این اقدام نه تنها به بهبود کیفیت محصولات نفتی و پتروشیمی کمک می‌کند، بلکه به حفظ محیط زیست و سلامت انسان‌ها نیز کمک می‌کند.

انواع روش های گوگرد زدایی در پالایشگاه ها و صنایع پتروشیمی

در پالایشگاه‌ها، برای گوگرد زدایی از مجموعه‌ای از روش‌های فیزیکی و شیمیایی استفاده می‌شود. در زیر، تعدادی از روش‌های معمول برای گوگرد زدایی در پالایشگاه‌ها آورده شده است:

• حذف گوگرد با استفاده از مواد شیمیایی
  در این روش، از مواد شیمیایی مانند آهنی سولفات، آهنی کلراید و آهنی هیدروکسید برای اکسیده کردن گوگرد استفاده می‌شود. این مواد شیمیایی با گوگرد واکنش می‌دهند و ترکیبات حاصل از آن‌ها غیرمحلول می‌شوند و به راحتی قابل جداسازی هستند.
• استفاده از فرآیندهای جذب
  در این روش، مواد جاذب مانند زئولیت‌ها، کربن فعال و سایر مواد جاذب برای جذب گوگرد استفاده می‌شوند. این جاذب‌ها قادرند گوگرد را جذب کنند و از جریان مواد خام یا محصول خروجی جدا کنند.
• استفاده از فرآیندهای تبدیل گوگرد
  در این روش، گوگرد به ترکیبات دیگری تبدیل می‌شود که غیرمضر هستند. به عنوان مثال، گوگرد می‌تواند به گاز دی‌اکسید گوگرد (SO2) تبدیل شود که به راحتی از جریان گاز جدا می‌شود.
• استفاده از فرآیندهای جداسازی
  در این روش، گوگرد به صورت مکانیکی از جریان مواد خام یا محصول جدا می‌شود. به عنوان مثال، از فیلتراسیون، سانتریفیوژ و روش‌های دیگر برای جداسازی ذرات گوگرد استفاده می‌شود.
• استفاده از فرآیندهای حرارتی
  در این روش، گوگرد با استفاده از حرارت قابل تجزیه می‌شود. به عنوان مثال، گوگرد می‌تواند با استفاده از فرآیند اکسیداسیون حرارتی (Thermal Oxidation) به گاز دی‌اکسید گوگرد تبدیل شود که سپس قابل جداسازی است.

این روش‌ها ممکن است به صورت ترکیبی نیز استفاده شوند و بسته به نوع مواد خام و محصولات مورد استفاده در پالایشگاه، روش‌های متفاوتی ممکن است به کار برود. همچنین، فناوری‌های جدیدتری نیز در حال توسعه است که بهبود و کاهش هزینه‌های فرآیند گوگرد زدایی را هدف دارند. این فناوری‌ها شامل فرآیندهای کاتالیستی، استفاده از نانوذرات، فرآیندهای غشایی (Membrane) و فناوری‌های دیگر می‌شوند.

فرایند بازیافت سولفور یا SRU

SRU یا واحد بازیافت سولفور (Sulfur Recovery Unit) به یکی از روش‌های حذف گوگرد در پالایشگاه‌ها اشاره دارد. واحد بازیافت سولفور برای تبدیل گوگرد موجود در فرآیندهای نفتی و پتروشیمی به گاز دی‌اکسید گوگرد (SO2) و سپس به سولفور (S) استفاده می‌شود. فرآیند بازیافت سولفور در واحد SRU به طور کلی شامل مراحل زیر است:

1. تبدیل گوگرد به گاز دی‌اکسید گوگرد (SO2)
   در این مرحله، گوگرد با استفاده از فرآیند اکسیداسیون حرارتی (Thermal Oxidation) با هوا یا اکسیژن موجود در هوا به گاز دی‌اکسید گوگرد تبدیل می‌شود.
2. حذف مواد آلاینده
   در این مرحله، مواد آلاینده مانند متان، بنزن و سایر ترکیبات آلی که در جریان گاز حاصل از مرحله قبلی وجود دارند، از طریق فرآیندهای جذب یا جداسازی حذف می‌شوند. این فرآیندها می‌توانند شامل استفاده از جاذب‌های مخصوص مانند زئولیت‌ها یا استفاده از واحدهای جداسازی مانند ستوریت (Stoichiometric) باشد.
3. تبدیل گاز دی‌اکسید گوگرد به سولفور
   در این مرحله، گاز دی‌اکسید گوگرد به وسیله فرآیندهای کاتالیزوریک مانند فرآیند کلوزورینگ (Claus Process) به سولفور تبدیل می‌شود. فرآیند کلوزورینگ شامل مراحل اکسیداسیون کاتالیزوریک گاز دی‌اکسید گوگرد با استفاده از اکسیژن و سپس تبدیل سولفور دی‌اکسید (SO2) به سولفید هیدروژن (H2S) و سپس بازیافت سولفید هیدروژن به سولفور است.
4. بازیابی حرارت
   در این مرحله، حرارت تولید شده در فرآیندهای قبلی استفاده شده و بازیابی می‌شود تا به عنوان منبع حرارتی برای فرآیندهای بعدی مورد استفاده قرار گیرد و همچنین برای بهبود بهره‌وری انرژی و کاهش هزینه‌ها مورد استفاده قرار بگیرد.

فرایند کلاوس

فرایند کلاوس (Claus process) یک فرایند صنعتی است که برای بازیابی گوگرد از گازهای حاوی گوگرد مانند گازهای خروجی از واحدهای تولید شیمیایی یا صنایع نفت و گاز استفاده می‌شود. این فرایند نام خود را از نام سازنده‌اش “کلاوس” گرفته است که در سال 1883 این فرایند را توسعه داد. هدف اصلی فرایند کلاوس، تبدیل گازهای حاوی گوگرد به گوگرد عنصری است که می‌تواند به عنوان ماده اولیه برای تولید محصولات شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. در این روش ابتدا گازهای حاوی گوگرد (معمولاً گاز دی‌اکسید گوگرد، SO2) با اکسیژن هوا تحت شرایط کاتالیزوریک با استفاده از کاتالیزورهای مناسب تبدیل می‌شوند. واکنش اصلی این مرحله بین گاز دی‌اکسید گوگرد و اکسیژن به صورت زیر است:

2SO2 + O2 → 2SO3

سپس گازهای حاوی گوگرد (SO3) که در مرحله قبلی تولید شده‌اند، با استفاده از مواد خامی مانند آب یا هیدروژن تحت شرایط مناسب و با حضور کاتالیزورهای مناسب تبدیل به گوگرد (S) می‌شوند. واکنش اصلی این مرحله بین SO3 و ماده خام به صورت زیر است:

SO3 + H2O یا H2 → H2SO4 یا H2S → S

در نهایت، گوگرد (S) به عنوان محصول نهایی از فرایند کلاوس استخراج می‌شود و می‌تواند به منظور استفاده در صنایع مختلف شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. فرایند کلاوس به علت کارآیی بالا و قابلیت اجرایی برای بازیابی اکثر گوگرد موجود در گازهای صنعتی، به عنوان روش استاندارد برای بازیابی گوگرد در صنایع نفت و گاز و صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تبدیل گوگرد به گاز دی‌اکسید گوگرد

در این فرآیند، گوگرد با استفاده از حرارت و هوا یا اکسیژن موجود در هوا به گاز دی‌اکسید گوگرد تبدیل می‌شود. این فرآیند در بخشی از واحد به نام اکسید کننده حرارتی (Thermal Oxidizer) انجام می‌شود. در اینجا، گوگرد به عنوان سوخت استفاده می‌شود و با اکسیداسیون تحت شرایط حرارتی بالا به گاز دی‌اکسید گوگرد تبدیل می‌شود. در واحد SRU برای تأمین حرارت مورد نیاز در فرآیندهای گوگردزدایی از تجهیزات حرارتی مانند:

• کوره حرارتی (Furnace)
• تبدیل‌کننده‌های حرارتی (Reactor)
• حوضچه‌های حرارتی (Thermal Reactor)

استفاده می‌شود. این تجهیزات برای ایجاد شرایط حرارتی لازم برای فرآیندهای اکسیداسیون و کلوزورینگ استفاده می‌شوند. به طور کلی، SRU شامل این مراحل است: اکسیداسیون گوگرد به دی‌اکسید گوگرد، حذف مواد آلاینده، کلوزورینگ دی‌اکسید گوگرد به سولفید هیدروژن و بازیافت سولفید هیدروژن به سولفور. در هر مرحله از فرآیند، تجهیزات و راه‌حل‌های متنوعی برای انجام عملیات مورد نیاز در نظر گرفته می‌شوند.

حذف مواد آلاینده

جاذب‌ها موادی هستند که قابلیت جذب مولکول‌های آلی را دارند. این جاذب‌ها می‌توانند جاذب‌های متخصص بوده و به طور خاص برای حذف مواد آلی از جریان گاز استفاده شوند. مثالی از جاذب‌ها که برای حذف مواد آلی مورد استفاده قرار می‌گیرند، زئولیت‌ها هستند. زئولیت‌ها ساختارهای میکروپوروس با قابلیت جذب مولکول‌های آلی را دارند.

از فناوری جداسازی غشا برای حذف مواد آلی از جریان گاز استفاده می‌شود. در این روش، غشاهایی با انتخاب دقیق جهت نفوذ انتخابی مولکول‌های آلی به کار گرفته می‌شوند. این غشاها می‌توانند مولکول‌های بزرگتر و آلی را جدا کنند و مولکول‌های کوچکتر و غیرآلی را عبور دهند.

جذب فعال یک روش معمول برای حذف مواد آلی از جریان گاز است. در این روش، جاذب فعال مانند کربن فعال با سطح بالا و خاصیت جذب قوی مولکول‌های آلی استفاده می‌شود. گاز خروجی از مرحله قبلی از طریق یک بستر از جاذب فعال عبور می‌کند و مولکول‌های آلی را جذب می‌کند. در روش تجزیه حرارتی نیز مواد آلی با استفاده از حرارت بالا تجزیه می‌شوند و به ترکیبات کم‌مولکولی تبدیل می‌شوند. می‌توان از این فرآیند برای تجزیه مواد آلی مانند متان و بنزن استفاده کرد. پس از تجزیه حرارتی، ترکیبات کم‌مولکولی به عنوان گاز خروجی جدا می‌شوند.

اکسیداسیون مولکول‌های آلی با استفاده از کاتالیزورهای مناسب می‌تواند به حذف مواد آلاینده مورد نظر منجر شود. در این فرآیند، گاز خروجی از مرحله قبلی به همراه هوا یا اکسیژن، از طریق یک واکنش شیمیایی با استفاده از کاتالیزورهای مناسب، اکسیده می‌شود. در نتیجه، مواد آلی به ترکیبات غیرآلی تبدیل می‌شوند که ممکن است جامدات، گازها یا مایعات باشند. سپس، ترکیبات غیرآلی جدا شده و مواد آلاینده حذف می‌شوند.

تبدیل گاز دی‌اکسید گوگرد به سولفور

تبدیل گاز دی‌اکسید گوگرد (SO2) به سولفور (S) در روش کلاوس (Claus process) به وسیله یک واحد تبدیل کننده (converter) صورت می‌گیرد. در این واحد، واکنشی به نام واکنش کلاوس (Claus reaction) رخ می‌دهد که به کمک آن گاز SO2 به سولفور تبدیل می‌شود. واکنش کلاوس به صورت زیر است:

2SO2 + O2 ⇌ 2SO3

در این واکنش، گاز SO2 به همراه گاز اکسیژن (O2) به گاز تری‌اکسید سولفور (SO3) تبدیل می‌شود. سپس گاز SO3 با آب ترکیب شده و اسید سولفوریک (H2SO4) تولید می‌شود:

SO3 + H2O → H2SO4

بعد از تولید اسید سولفوریک، مرحله بازیافت سولفور آغاز می‌شود. در این مرحله، سولفور از اسید سولفوریک جدا شده و به عنوان محصول نهایی به دست می‌آید. با استفاده از تجهیزات مناسب و مراحل کامل، گاز دی‌اکسید گوگرد به سولفور تبدیل می‌شود و سپس سولفور بازیافت می‌شود تا به عنوان یک ماده مورد استفاده قرار بگیرد.

بازیابی حرارتی

مرحله “بازیابی حرارت” به مجموعه‌ای از فرآیندها و تجهیزات اشاره دارد که برای بهینه‌سازی استفاده از حرارت در فرایند بازیابی سولفور (sulfur recovery) استفاده می‌شود. این مرحله به منظور کاهش مصرف انرژی و افزایش کارآیی عملیات SRU انجام می‌شود. در فرایند SRU، در مرحله اکسیداسیون کاتالیزوریک، گازهای حاوی گوگرد (SO2) و اکسیژن (O2) به گاز دی‌اکسید گوگرد (SO3) تبدیل می‌شوند. این واکنش همراه با گسترش حرارتی است و حاصل انرژی حرارتی تولید شده می‌تواند به عنوان منبع حرارت در مراحل بعدی استفاده شود.

در مرحله بازیابی حرارت، این حرارت تولید شده در مرحله اکسیداسیون با استفاده از تجهیزات و فرآیندهای متنوعی بهره‌برداری می‌شود. در این سیستم، گازهای خروجی از مرحله اکسیداسیون که دارای حرارت است، وارد حوضچه حرارت می‌شوند. در اینجا، حرارت گازهای خروجی به روش تبادل حرارتی با گازهای جدید وارد شده به SRU، یا با جریان‌های دیگری در واحد، منتقل می‌شود. در حوضچه تقویت حرارت، گرمایی که در فرآیند اکسیداسیون تولید می‌شود، به کمک سوخت فرآیندی (مثل گاز طبیعی) بهبود و تقویت می‌شود. سپس گازهای خروجی از حوضچه حرارت تقویت‌کننده به مرحله بازیابی حرارت بعدی منتقل می‌شوند.