چگونه جاذب PSA آلومینای فعال، ترکیبات گوگرد را از گاز حذف می‌کند؟

اگر تا به حال در فرآوری گاز طبیعی، گوگردزدایی هیدروژنی برای پالایشگاه ها یا تولید هیدروژن برای کاربردهای صنعتی کار کرده اید، می دانید که حذف حتی مقادیر کمی از ترکیبات گوگردی چقدر حیاتی است. آلاینده های گوگرد - مانند سولفید هیدروژن (H2S)، مرکاپتان ها، سولفید کربونیل (COS) و تیوفن - نه تنها برای تجهیزات سمی و خورنده هستند، بلکه کاتالیزورهای مورد استفاده در فرآیندهای پایین دستی را نیز مسموم می کنند، که منجر به از کار افتادن پرهزینه و کاهش کارایی می شود. به‌عنوان تامین‌کننده محلول‌های جذب تخصصی، همیشه از من می‌پرسند: جاذب PSA آلومینا فعال دقیقاً چگونه می‌تواند سنگینی را در هنگام جدا کردن ترکیبات گوگرد از جریان‌های گاز انجام دهد؟ این سوالی است که علم مواد، اصول جذب نوسان فشار (PSA) و نیازهای صنعتی دنیای واقعی را با هم پیوند می‌دهد، بنابراین اجازه دهید آن را به صورت ساده و عملی تجزیه کنیم.

ابتدا، بیایید این را به این موضوع بپردازیم که آلومینا فعال در واقع چیست و چرا با سایر جاذب ها متفاوت است. در هسته خود، آلومینا فعال شکل متخلخلی از اکسید آلومینیوم (Al2O3) است که با حرارت دادن هیدروکسید آلومینیوم تا دمای بالا برای ایجاد یک شبکه منفذی بسیار ساختار یافته و به هم پیوسته ساخته می شود. چیزی که آن را برای حذف گوگرد ایده آل می کند، ترکیب منحصر به فرد آن از شیمی سطح، توزیع اندازه منافذ و استحکام مکانیکی آن است - ویژگی هایی که آن را از سایر جاذب ها مانند زئولیت ها یا کربن فعال متمایز می کند. برای زمینه، برخی از دیگر محلول‌های آلومینا فعال ما نیازهای صنعتی مختلف را برآورده می‌کنند، مانند توپ‌های آلومینا فعال برای پراکسید هیدروژن، که برای رطوبت و نیازهای ناخالصی خاص تولید پراکسید طراحی شده است، یا خشک‌کننده آلومینا برای جداسازی هوا، که هوای فشرده را برای فرآیندهای جداسازی برودتی خشک می‌کند. جاذب فعال شده آلومینا PSA که ما برای حذف گوگرد روی آن تمرکز می کنیم، به طور خاص برای هدف قرار دادن ترکیبات گوگرد قطبی، با سطحی تنظیم شده برای جذب انتخابی به جای رطوبت عمومی یا تصفیه گاز، فرموله شده است.

قبل از اینکه به مکانیسم حذف گوگرد بپردازیم، بیایید نحوه عملکرد PSA را مرور کنیم، زیرا این ستون فقرات نحوه استقرار جاذب در سیستم‌های صنعتی است. جذب نوسان فشار یک فرآیند چرخه ای است که از تغییرات فشار برای جداسازی اجزا از مخلوط گاز استفاده می کند. در فشار بالا (معمولاً 10 تا 30 بار برای اکثر کاربردهای حذف گوگرد)، جریان گاز از یک بستر ثابت جاذب عبور می کند، جایی که آلاینده های هدف به سطح جاذب می چسبند. هنگامی که بستر با ترکیبات گوگردی اشباع می شود، فشار کاهش می یابد (اغلب تا حد جوی)، که آلودگی های به دام افتاده را آزاد می کند تا بستر قابل استفاده مجدد باشد. PSA برای بسیاری از کارهای حذف گوگرد بر روش‌های دیگر مانند شستشوی آمین ترجیح داده می‌شود، زیرا گاز محصول خشک‌تر و خالص‌تری تولید می‌کند، ضایعات کمتری تولید می‌کند و به تجهیزات کمتری نیاز دارد. جاذب قلب این فرآیند است - عملکرد آن به طور مستقیم تعیین می کند که چه مقدار گوگرد می تواند حذف کند، چه مدت طول می کشد بستر، و چند بار نیاز به بازسازی دارد.

حال، بخش کلیدی: چگونه جاذب آلومینا فعال PSA به طور خاص ترکیبات گوگرد را در مقایسه با جاذب های دیگر حذف می کند؟ این به سه فرآیند به هم پیوسته خلاصه می شود: جذب سطحی، میل ترکیبی انتخابی، و در برخی موارد، واکنش سطحی. بیایید با جذب سطحی شروع کنیم. آلومینا فعال دارای سطح بسیار بالایی است - معمولاً 200 تا 350 متر مربع در هر گرم - که بیشتر آن در منافذ ریز (معمولاً 2 تا 10 نانومتر قطر) است که ساختار متخلخل آن را تشکیل می دهد. ترکیبات گوگردی مانند H2S و مرکاپتان ها مولکول های قطبی هستند، به این معنی که آنها یک عدم تعادل بار الکتریکی جزئی دارند. سطح آلومینا فعال دارای گروه های هیدروکسیل (-OH) در سطح آن است که قطبی نیز هستند. مولکول های قطبی از طریق نیروهای واندروالس و برهمکنش های الکترواستاتیکی به سطوح قطبی می چسبند - این جذب فیزیکی یا جذب فیزیکی است. برای ترکیبات گوگردی غیرقطبی مانند تیوفن، اندازه منافذ جاذب نیز نقش دارد: منافذ به اندازه‌ای بزرگ هستند که اجازه ورود مولکول‌های گوگرد را بدهند، اما برای به دام افتادن اجزای بزرگ‌تر گاز (مانند متان در گاز طبیعی) بسیار کوچک هستند و لایه‌ای از گزینش پذیری اضافه می‌کنند.

اما در اینجا چیزی است که جاذب Alumina PSA فعال ما را به ویژه برای حذف گوگرد، نه فقط خشک کردن عمومی، موثر می کند: این جاذب از نظر شیمیایی برای افزایش میل ترکیبی انتخابی برای ترکیبات گوگردی اصلاح شده است. آلومینا فعال اصلاح نشده در جذب رطوبت عالی است، اما وقتی شیمی سطح را تنظیم می کنیم، می توانیم گوگرد را در اولویت قرار دهیم. به عنوان مثال، می‌توانیم آلومینا را با مقادیر کمی از اکسیدهای فلزی (مانند اکسید روی یا اکسید مس) که با ترکیبات گوگرد در سطح واکنش می‌دهند، آغشته کنیم. برای مثال H2S را در نظر بگیرید: هنگامی که یک مولکول گوگرد با سطح آلومینا اصلاح شده تماس پیدا می کند، تحت یک واکنش شیمیایی ملایم (جذب شیمیایی) قرار می گیرد تا ترکیبات سولفیدی پایداری را تشکیل دهد که به سطح متصل می مانند، نه اینکه فقط از نظر فیزیکی به دام بیفتند. این یک مزیت بزرگ است زیرا به این معنی است که جاذب می تواند گوگرد بیشتری را قبل از نیاز به بازسازی در خود نگه دارد و احتمال کمتری دارد که در مرحله افت فشار، آلاینده ها را آزاد کند. گزینش پذیری یکی دیگر از نکات کلیدی است: در فشار بالا، ترکیبات گوگردی به شدت به سطح اصلاح شده جذب می شوند، در حالی که گاز مورد نظر (مانند هیدروژن یا متان) نیست، بنابراین از بستر دست نخورده عبور می کند. به همین دلیل است که PSA با آلومینا فعال اغلب قادر است سطوح گوگرد را به قطعات در میلیون (ppm) یا حتی قطعات در میلیارد (ppb) کاهش دهد، که برای کاتالیزورهای پایین دستی که حتی به گوگرد ردیابی حساس هستند لازم است.

همچنین باید اشاره کنم که همه ترکیبات گوگردی یکسان نیستند و جاذب ما برای رسیدگی به مخلوط خاصی که در جریان های گازی مختلف یافت می شود فرموله شده است. به عنوان مثال، در گاز طبیعی، شما معمولا H2S و مرکاپتان ها را پیدا خواهید کرد، در حالی که در گاز سنتز (از تبدیل به گاز)، COS و دی سولفید کربن رایج تر هستند. ساختار منافذ آلومینا فعال و اصلاح سطح را می توان برای هدف قرار دادن هر یک از این موارد تنظیم کرد. برای COS، که قطبی تر از H2S است، اندازه منافذ بزرگتر در جاذب PSA ما به مولکول اجازه می دهد تا در منافذ پخش شود، در حالی که گروه های هیدروکسیل سطحی همچنان برهمکنش کافی برای به دام انداختن آن ایجاد می کنند. این انعطاف‌پذیری یکی از دلایلی است که راه‌حل ما در بخش‌های مختلف صنعتی همه کاره است - از انتقال گاز طبیعی گرفته تا تولید هیدروژن پالایشگاهی تا ارتقای بیوگاز.

البته، هیچ جاذب کاملی نیست، و درک محدودیت ها کمک می کند که چرا جاذب آلومینا فعال PSA انتخاب مناسبی برای بسیاری از کاربردها است. مانند هر جاذب دیگری، می‌تواند توسط سایر آلاینده‌هایی که خیلی قوی می‌چسبند، مانند هیدروکربن‌های سنگین یا ترکیبات نیتروژنی خاص، که مکان‌های جذب گوگرد را به مرور زمان مسدود می‌کنند، «مسموم» شود. به همین دلیل است که پیش تصفیه مناسب جریان گاز (مانند فیلتر کردن ذرات یا حذف هیدروکربن های سنگین ابتدا) برای افزایش طول عمر بستر مهم است. برای دیدگاه، سایر محصولات تخصصی آلومینا فعال که ما ارائه می دهیم، مانند پودر آلومینا فعال که در تصفیه آب برای حذف فلزات سنگین استفاده می شود، یا عامل فلوئور زدایی آلومینا فعال برای تصفیه آب آشامیدنی، شیمی سطح مخصوص به خود را دارند که متناسب با اهداف خاص خود هستند، به همین دلیل تطبیق جاذب با کاربرد بسیار مهم است.

سؤال متداول دیگری که من می‌پرسم در مورد مرحله بازسازی است، که همان چیزی است که PSA را بسیار کارآمد و مقرون به صرفه می‌کند. هنگامی که بستر از ترکیبات گوگردی اشباع می شود، فشار کاهش می یابد و گاهی اوقات جریان کمی از گاز تصفیه (مانند نیتروژن یا گاز محصول تمیز) در دمای کمی بالا از بستر عبور داده می شود تا ترکیبات گوگرد به دام افتاده را خارج کند. برای آلومینا فعال اصلاح‌شده ما، ترکیبات سولفیدی تشکیل‌شده در طی جذب شیمیایی اغلب می‌توانند در طی بازسازی آزاد شده و تجزیه شوند، بنابراین می‌توان از بستر برای هزاران چرخه قبل از نیاز به جایگزینی مجدد استفاده کرد. این یک مزیت بزرگ برای اپراتورهای صنعتی است، زیرا به معنای هزینه های عملیاتی کمتر و ضایعات کمتر از جاذب مصرف شده است.

بیایید این را در یک مثال واقعی قرار دهیم تا آن را ملموس کنیم. پالایشگاهی که من با آن کار می کنم اخیراً فرآیند تولید هیدروژن خود را ارتقا داده است. سیستم قدیمی آنها از شستشوی آمین برای حذف گوگرد استفاده می کرد، اما گاز محصولی با گوگرد باقیمانده بیش از حد تولید می کرد و کاتالیزورهای اصلاح کننده آنها را مسموم می کرد. آنها به جاذب فعال شده آلومینا PSA ما تغییر دادند و در عرض چند ماه شاهد کاهش سطح گوگرد از 50 پی پی ام به کمتر از 0.1 پی پی ام شدند، در حالی که زمان توقف جایگزینی کاتالیزور 15 درصد کاهش یافت. بستر هر 8 ساعت بازسازی می‌شد و بیش از 3 سال دوام می‌آورد تا نیاز به تعویض داشته باشد که 2 برابر بهتر از جاذب قبلی بود. این تاثیری است که شیمی جاذب درست می تواند داشته باشد.

اگر روی پروژه ای کار می کنید که نیاز به حذف گوگرد دارد، چه ارتقای کیفیت بیوگاز به خط لوله، تهویه گاز طبیعی برای انتقال، یا پیش تصفیه گاز برای استفاده از کاتالیزور، انتخاب جاذب مناسب بسیار مهم است. تیم ما سال‌ها را صرف پالایش جاذب آلومینای فعال PSA کرده است تا انتخاب‌پذیری، ظرفیت و دوام را برای این کاربردها متعادل کند. برای سایر نیازهای تخصصی، ما همچنین راه‌حل‌هایی مانند گلوله‌های آلومینا فعال برای پراکسید هیدروژن، خشک‌کننده آلومینا برای جداسازی هوا، پودر آلومینا فعال و عامل فلوئور زدایی آلومینا فعال ارائه می‌کنیم که هر کدام برای وظایف صنعتی خاص خود طراحی شده‌اند.

اگر می‌خواهید درباره نیازهای تصفیه گاز خود صحبت کنید، یا می‌خواهید درباره اینکه چگونه محلول‌های آلومینا فعال ما می‌توانند کارایی فرآیند شما را بهبود بخشند و هزینه‌ها را کاهش دهند، بیشتر بدانید، ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم. برای دریافت مشاوره و مشخصات فنی مناسب برای برنامه خود با تیم ما تماس بگیرید.

مراجع:

1. روثون، DM (1997). اصول جذب و فرآیندهای جذب. جان وایلی و پسران
2. یانگ، RT (2003). جاذب ها: مبانی و کاربردها جان وایلی و پسران
3. صالح، TA، و علی، SA (2015). آلومینا فعال به عنوان یک جاذب برای حذف گوگرد: بررسی مجله شیمی صنعتی و مهندسی، 29، 1-11.
4. دلگادو، JA، اوگوینا، MA، و Sotelo، JL (2007). جذب نوسان فشار برای جداسازی گاز: بررسی بررسی های جدایی و پاکسازی، 36 (2)، 157-218.