การกำจัด CO2 และ H2S ด้วยกระบวนการเอมีน (Amine gas treating process) MO Memoir : Friday 11 December 2558

ปัญหาของกระบวนการ Hot potassium carbonate ที่ใช้กำจัด CO₂ และ H₂S ในแก๊สที่เล่าไปเมื่อวันจันทร์ที่ผ่านมานั้นได้แก่
 

๑. ถ้าปริมาณ CO₂ ในแก๊สมีไม่มากพอ จะไม่สามารถทำการกำจัด bisulfide (HS^-) ในสารละลายได้
 

๒. ในบางกรณีนั้นไม่มีความจำเป็นที่ต้องกำจัดแก๊ส CO₂ ออก ทำเพียงแค่กำจัดแก๊ส H₂S ก็เพียงพอ กระบวนการ hot potassium carbonate ไม่สามารถเลือกจับเฉพาะ H₂S เป็นหลักได้ (เช่นแก๊สที่ส่งไปเป็นเชื้อเพลิงเผาไหม้ ซึ่งคิดราคาแก๊สตามค่าความร้อนของแก๊ส แต่มีการกำหนดปริมาณกำมะถันสูงสุดที่ยอมรับได้ในแก๊ส แก๊ส CNG ที่นำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงยานพาหนะในบ้านเรา ข้อกำหนดก็ยอมให้มี CO₂ ได้สูงถึง 18%)

รูปที่ ๑ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์เมทิลเอทานอลเอมีน
  

รูปที่ ๒ ปฏิกิริยาการสังเคราะห์เอทานอลเอมีน
 

ด้วยเหตุนี้ เพื่อตอบโจทย์ดังกล่าว จึงได้มีการพัฒนากระบวนการเอมีนขึ้นมา โดยหลักการพื้นฐานแล้วกระบวนการ hot potassium carbonate และ amine process นั้นต่างก็เหมือนกัน (คือดูดซับ CO₂ และ H₂S ที่อุณหภูมิต่ำความดันสูง และต้มไล่ CO₂ และ H₂S ออกที่อุณหภูมิสูงความดันต่ำ) แตกต่างกันตรงที่สารที่ใช้จับแก๊สกรด โดยกระบวนการเอมีนใช้เบสอินทรย์เป็นตัวจับแก๊สกรด
 

แอมโมเนีย (ammonia - NH₃) มีฤทธิ์เป็นเบส ละลายน้ำได้ดี แต่มันมีจุดเดือดต่ำ ถ้าแทนที่อะตอม H บางอะตอมด้วยหมู่อัลคิลเช่นเมทิล (-CH₃) จะทำให้จุดเดือดของอัลคิลเอมีนเพิ่มสูงขึ้น และยังมีความเป็นเบสที่แรงขึ้นด้วย (เพราะหมู่อัลคิลจ่ายอิเล็กตรอนให้กับอะตอม N ที่แสดงฤทธิ์เป็นเบสลิวอิส) สารประกอบอัลคิลเอมีนเช่นเมทิลเอมีนเตรียมได้จากปฏิกิริยาระหว่างแอมโมเนียกับเมทานอล (รูปที่ ๑)
 

แต่หมู่อัลคิลนั้นเป็นโครงสร้างที่ไม่มีขั้ว ดังนั้นความสามารถในการละลายน้ำของอัลคิลเอมีนจะลดลง (พออะตอม H หายไปเพราะถูกแทนที่ด้วยหมู่อัลคิล ความสามารถในการสร้างพันธะไฮโดรเจนก็หายไปด้วย) การแก้ปัญหาทำได้ด้วยการใช้หมู่อัลคานอล (หมู่ alkanol คือหมู่อัลคิลที่มีหมู่ -OH เกาะ) แทนที่อะตอม H ของอะตอม N สารประกอบที่ได้เรียกว่าอัลคานอลเอมีน (alkanolamine) ตัวอย่างของสารเหล่านี้ได้แก่เอทานอลเอมีนที่เตรียมได้จากปฏิกิริยาระหว่างแอมโมเนียกับเอทิลีนออกไซด์ (รูปที่ ๒) ในกรณีนี้ความเป็นเบสลิวอิสของอะตอม N ยังคงอยู่ แต่สารดังกล่าวจะละลายน้ำได้ดีขึ้นเนื่องจากมีหมู่ -OH ซึ่งเป็นส่วนโครงสร้างมีขั้ว
 

อัลคานอลเอมีนที่นิยมกันเห็นจะได้แก่ โมโนเอทานอลเอมีน (monoethanolamine หรือที่ย่อว่า MEA) ไดเอทานอลเอมีน (dithanolamine หรือที่ย่อว่า DEA) เมทิลไดเอทานอลเอมีน (methyldiethanolamine หรือที่ย่อว่า MDEA) และไดไกลคอลเอมี (diglycolamine หรือที่ย่อว่า DGA ที่มีสูตรโมเลกุล H₂N-CH₂CH₂-O-CH₂CH₂-OH)
 

รูปที่ ๓ แผนผังระบบกำจัด CO₂ และ H₂S ด้วยกระบวนการเอมีน (จากสิทฺธิบัตร US 2,318,422 ปีค.ศ. ๑๙๔๐)
 

ในกระบวนการเอมีนนั้น ปฏิกิริยาที่เกิดค่อนข้างซับซ้อนแต่พอจะสรุปได้ง่าย ๆ ดังตัวอย่างเช่น

ในกรณีของ H₂S 2RNH₂ + H₂S <-----> (RNH₂)₂·H₂S

หรือ 2RNH₂ + H₂S <-----> (RNH₃⁺)₂·S^2-

ในกรณีของ CO₂ 2RNH₂ + CO₂ + H₂O <-----> (RNH₂)₂·H₂CO₃

หรือ 2RNH₂ + CO₂ + H₂O <-----> (RNH₃⁺)₂·CO₃^2-

ข้อเสียของกระบวนการเอมีนคือสารประกอบเหล่านี้เป็นสารที่ระเหยออกจากสารละลายได้ (เกลือ K₂CO₃ มันไม่ระเหยออกจากสารละลาย) และยังสามารถสลายตัวได้ โมโนเอทานอลเอมีน (monoethanolamine หรือที่ย่อว่า MEA) เป็นตัวหนึ่งที่จับทั้ง CO₂ และ H₂S ได้ดี แต่จะเกิดปัญหาถ้าแก๊สนั้นมีคาร์บอนิลซัลไฟด์ (carbonyl sulfide - COS) หรือคาร์บอนไดซัลไฟด์ (carbondisulfide - CS₂) หรือ mercaptan ผสมอยู่ (และยังมีปัญหาในกรณีที่แก๊สที่ทำการบำบัดนั้นมี SO₂ หรือ SO₃ ร่วมด้วย) เพราะโมโนเอทานอลเอมีนสามารถทำปฏิกิริยา electrophilic substitution กับสารเหล่านี้ กลายเป็นสารประกอบที่เสถียรและไม่สามารถฟื้นคืนสภาพได้ เช่นในกรณีที่สารตั้งต้นเป็นโมโนอัลคานอลเอมีนปฏิกิริยาที่เกิดแสดงไว้ในรูปที่ ๔ 
 

รูปที่ ๔ ปฏิกิริยาระหว่างโมโนเอทานอลเอมีนกับ COS, CS2 และ H₂C=C=O (ketene) (จากเอกสาร ๔)

ในกรณีที่แก๊สที่ต้องการบำบัดนั้นมี COS และ CS₂ ปนอยู่ การใช้ไดอัลคานอลเอมีนเช่น diethanolamine (DEA) หรือเอมีนที่อะตอม N ไม่มีอะตอม H เกาะอยู่โดยตรง จะมีความเหมาะสมมากกว่า
 

อีกปัญหาที่ต้องคำนึงของกระบวนการนี้คือการกัดกร่อนโลหะที่ใช้ทำอุปกรณ์ ไอออนเหล็กที่ละลายออกจากผิวโลหะจะจับตัวกับไอออนซัลไฟด์ (S^2-) กลายเป็นตะกอนสะสมแขวนลอยอยู่ในระบบได้ จำให้จำเป็นต้องมีการติดตั้งตัวกรอง (strainer) เพื่อกรองเอาตะกอน FeS ออกจากระบบ

เอกสารประกอบการเขียน

๑. สิทธิบัตรประเทศสหรัฐอเมริกาเลขที่ US 2,318,422 ปีค.ศ. ๑๙๔๐

๒. John M. Campbell, "Gas conditioning and processing vol. 2", 5th edition, June 1981.

๓. John Polasek และ Jerry A. Bullin, "Selecting Amines for Sweetening Units", Proceedings GPA Regional Meeting, Sept. 1994. "Process Considerations in Selecting Amine" Tulsa, OK: Gas Processors Association, 1994.

๔. M. A. Scheiman, "A review of monoethanolamine chemistry", U.S. Naval Research Laboratory, June, 1, 1962.