كيفية اختيار كاشف كبريتيد الهيدروجين والمركبتان؟

فهم كبريتيد الهيدروجين والمركبتان في أنظمة الهيدروكربونات

وجود كبريتيد الهيدروجين والمركبتان في النفط الخام والغاز الطبيعي

يمكن العثور على كبريتيد الهيدروجين (H2S) إلى جانب مجموعة متنوعة من المركبتانات بشكل طبيعي في حوالي 78 بالمئة من جميع احتياطيات النفط الخام وحوالي 65٪ من حقول الغاز الطبيعي. ويتشكلان عندما تقوم الكائنات الدقيقة بتحليل المواد العضوية أو من خلال عمليات تتضمن تكسير الروابط الجزيئية بالحرارة. وعادةً ما تمتزج هذه المواد الكيميائية القائمة على الكبريت بسهولة في تدفقات الهيدروكربونات. وغالبًا ما تحتوي نفوط خام كبريتية على مستويات من H2S تزيد عن 50 جزءًا في المليون، مما يجعلها مشكلة خاصة في مصانع المعالجة. أما بالنسبة للمركبتنات، فإن هذه المركبات تحتوي على مجموعات الثيول المميزة التي نتحدث عنها كثيرًا في دروس الكيمياء. وتتراوح مستويات وجودها من حوالي 10 إلى ربما 200 جزءًا في المليون، وذلك يعتمد بشكل كبير على نوع التكوينات الصخرية الموجودة تحت الأرض.

مخاطر السمية، والرائحة، والتآكل المرتبطة بتطبيقات عوامل التقاط كبريتيد الهيدروجين والمركبتنات

التعرض لغاز كبريتيد الهيدروجين يمكن أن يكون قاتلاً حتى عند مستويات تركيز تبلغ 100 جزء في المليون. أما المركبتان فقصة مختلفة تمامًا، على الرغم من أنها لا تزال مواد قوية جدًا. يمكننا بالفعل شمها عند حوالي 10 أجزاء في البليون، وهو ما يعادل تقريبًا إيجاد قطرة واحدة من السائل في مسبح أولمبي كامل الحجم. هذه المركبات تتسبب أيضًا في تآكل المواد المستخدمة في خطوط الأنابيب بشكل كبير. فهي تُسرّع عمليات التآكل بنسبة تتراوح بين 20 إلى 40 بالمئة بسبب تكوّن الأحماض، مما يسبب مشاكل جسيمة لمشغلي القطاع المتوسط الذين يضطرون إلى إنفاق نحو 740 ألف دولار أمريكي كل عام لإصلاح الأعطال غير المتوقعة وفقًا لدراسة بونيمون الصادرة العام الماضي. كما تُظهر الدراسات الأمنية الحديثة أنه عندما لا تتعامل الشركات مع غاز H2S بشكل صحيح، فإن العمال يتعرضون لمخاطر أعلى بكثير في مواقع العمل. حيث ترتفع مستوى الخطر بمقدار ثماني مرات عما يكون عليه المعتاد مقارنةً بالعمل مع النفط الحلو.

التأثير على المعالجة اللاحقة وجودة المنتج

عندما لا يتم التخلص من كبريتيد الهيدروجين (H2S) بشكل صحيح أثناء المعالجة، فإنه يتسبب في تآكل عوامل تحفيز التكرير بمعدل أسرع بنسبة تتراوح بين 30 إلى 50 بالمئة مقارنة بالتآكل الطبيعي الناتج عن الاستخدام العادي، مما يقلل فعليًا من كمية الإنتاج التي يمكن أن نحصل عليها من أنظمتنا. ثم هناك مشكلة المركبتانثيولات التي تنتهي في الوقود النهائي. هذه المركبات تخفض معدل الأوكتان بنحو 2 إلى 3 نقاط وتخالف اللوائح الصادرة عن وكالة حماية البيئة (EPA) المتعلقة بحدود محتوى الكبريت، وبشكل خاص الحد الأقصى البالغ 15 جزءًا في المليون، الذي لا يمكن تجاوزه دون دفع غرامات جسيمة. وفي مجالات إنتاج البتروكيماويات، فإن جميع هذه الشوائب غير المرغوب فيها تُحدث مشاكل أيضًا في عمليات البلمرة. ما يحدث ببساطة هو أنه عندما لا تسير الأمور كما هو مخطط لها خلال عملية البلمرة، ننتهي بكمية أكبر بكثير من المنتجات الخارجة عن المواصفات كل عام. وتُشير تقارير الصناعة إلى زيادة تتراوح بين 12 و18 بالمئة في هذه المخرجات المشكلة عبر معظم المصانع في أمريكا الشمالية التي تتعامل مع هذه القضايا.

أنواع تقنيات مزيلات كبريتيد الهيدروجين (H2S) والمركبتان وآلياتها

مزيل كبريتيد الهيدروجين (H2S) القائم على الترايازين: الآلية والكفاءة

تعمل التركيبات القائمة على الترايازين عن طريق ربط جزيئات كبريتيد الهيدروجين من خلال تفاعلات الإضافة النوكليوفيلية، مما يحوّل غاز H2S الخطر إلى مركبات التريثيان المستقرة التي لا تتبخر بسهولة. تُظهر الاختبارات الميدانية أن هذه المواد المزيلة الكيميائية يمكنها إزالة حوالي 95 بالمئة من كبريتيد الهيدروجين من تيارات الغاز عندما تظل درجات الحرارة دون 93 درجة مئوية أو 200 درجة فهرنهايت. وهذا يجعلها مفيدة بشكل خاص في محطات معالجة الغاز الطبيعي ومرافق تكرير النفط حيث يكون التحكم في H2S أمرًا حيويًا. وقد أكدت اختبارات الصناعة أنها تقلل تركيزات المركبتنان إلى ما بين 10 و15 جزءًا في المليون، وهو ما يُعدّ مثيرًا للإعجاب نظرًا لأنها لا تزال تعمل بكفاءة جيدة إلى جانب أنظمة المعالجة الأمينية الحالية دون التسبب في أي مشكلات توافق.

بدائل غير قائمة على الترايازين: طرق الأكسدة والامتصاص

تعمل العوامل الماسحة القائمة على المعادن والتي تحتوي على مركبات نيترو من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحول كبريتيد الهيدروجين (H2S) إلى كبريت عنصري أو منتجات ثانوية من الكبريتات. على سبيل المثال، يمكن لكرات أكسيد الحديد إزالة ما يقارب من 80 إلى 90 بالمئة من غاز H2S من خطوط أنابيب النفط الخام الحامضي من خلال عمليات الامتزاز الكيميائي. وتتميّز هذه المواد عن خيارات كيمياء الترايازين التقليدية بعدم تأثرها بمشاكل تتعلق بدرجة الحموضة، كما أنها تعمل بكفاءة حتى عند درجات حرارة تتجاوز 150 درجة مئوية. والمطلب الأساسي هو ضرورة الحفاظ على توازن دقيق بين مستويات الأكسجين وغاز H2S لمنع حدوث مشاكل في ترسّب كبريتيد الحديد على أسطح المعدات.

العوامل الماسحة القابلة للذوبان في الماء مقابل تلك القابلة للذوبان في الزيت لغاز H2S والمركبتان

في عمليات معالجة المياه، تُستخدم عوامل التنقية القابلة للذوبان في الماء مثل ثلاثية إيثانولامين (MEA triazine) بشكل شائع لأنها تنتشر بسرعة عبر المحاليل المائية. على سبيل المثال، تعمل هذه العوامل بكفاءة عالية في معالجة المياه المنتجة من عمليات النفط. من ناحية أخرى، تعالج الأنواع القابلة للذوبان في الزيت والمصنوعة من أمينات ألكيلية غاز كبريتيد الهيدروجين تحديدًا في الأماكن التي تحتوي على كميات كبيرة من الهيدروكربونات أو النفط الخام الثقيل. أظهرت أبحاث حديثة من العام الماضي أمرًا مثيرًا للاهتمام حول هذه الأنظمة القابلة للذوبان في الزيت، حيث تمكنت من خفض مستويات كبريتيد الهيدروجين بنسبة حوالي 92٪ في ظروف النفط الخام عالي الحمضية (TAN). ما يجعلها أفضل هو أنها تفوقت على نظيراتها القائمة على الماء بنسبة 18٪ تقريبًا عند التعامل مع السوائل شديدة اللزوجة، وهو أمر بالغ الأهمية في التطبيقات العملية.

عوامل التنقية التكميلية مقابل غير التكميلية: التأثير التشغيلي على المدى الطويل

تندرج ماصات أكسيد الزنك ضمن فئة التقنيات القابلة لإعادة التنشيط، والتي يمكن إعادة استخدامها من خمس إلى سبع مرات قبل الحاجة إلى استبدالها، مما يقلل تكاليف المواد الكيميائية بنسبة تصل إلى 40 في المئة مقارنةً بخيارات التريازين التي تُستخدم لمرة واحدة. المشكلة هي أن معظم الأنظمة عالية السعة ما زالت تعتمد على العوامل الماصة غير القابلة لإعادة التنشيط لأنها تعمل بشكل متوقع ويسهل تركيبها عمليًا. وفقًا للتقارير الصناعية، تنجح هذه الأنظمة التقليدية في إزالة ما يقارب كل غاز كبريتيد الهيدروجين من تيارات الغاز في مرافق المعالجة، حيث تصل باستمرار إلى علامة 99.9%. لكن هناك أيضًا تنازلًا، إذ تنتهي العديد من المصانع بإنتاج ما بين 30 و50 في المئة أكثر من المواد الكيميائية الناتجة سنويًا مقارنةً بالبدائل القابلة لإعادة التنشيط.

عوامل رئيسية في اختيار عامل الامتزاز المناسب لكبريتيد الهيدروجين والمركبتان

مستويات تركيز كبريتيد الهيدروجين والقدرة المطلوبة للاستخلاص

تُعد فعالية العلاج مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بكمية الكبريتيد الموجودة في النظام. عندما تتجاوز تركيزات كبريتيد الهيدروجين 200 جزء في المليون، يجب أن تعمل المواد الماصة بكفاءة لا تقل عن 90 بالمئة فقط لتلبية معايير خطوط الأنابيب. إن إيجاد التوازن الصحيح للجرعة أمرٌ معقّد بالنسبة لمشغلي المحطات. فإذا لم يضخوا كمية كافية من المادة الماصة في الخليط، يظل الغاز الخطر موجودًا في النظام. ولكن إذا أضافوا كمية زائدة، فإن التكاليف الكيميائية تزيد بنسبة تتراوح بين 15 إلى 40 بالمئة بناءً على ما شوهد في العمليات الفعلية عبر القطاع. ولهذا السبب يعتمد العديد من المنشآت الآن على معدات الرصد المستمر التي تعمل بالتعاون مع أنظمة الحقن الآلية. تساعد هذه الأنظمة على تعديل استخدام المواد الكيميائية ديناميكيًا مع تغير مستويات الغاز الحامض خلال اليوم، مما يحافظ على السلامة ويتماشى مع القيود المالية في آنٍ واحد.

تأثير درجة حرارة التشغيل والضغط على أداء المواد الماصة

تفقد التركيبات القائمة على التريازين 35% من كفاءتها عند درجات حرارة تزيد عن 140°ف بسبب التدهور الحراري المتسارع، في حين تُظهر العوامل الماصة القائمة على المعادن أداءً مستقرًا حتى 320°ف. تفضل الأنظمة ذات الضغط العالي (>1,500 رطل/بوصة مربعة) العوامل الماصة غير القابلة لإعادة التنشيط ذات سرعة تفاعل عالية لمنع تسرب كبريتيد الهيدروجين خلال دورات الانضغاط.

الذوبانية والتوافق الطوري في تيارات الهيدروكربونات متعددة الأطوار

تسيطر العوامل الماصة القابلة للذوبان في الماء على معالجة الغازات التي تحتوي على أقل من 2% من الهيدروكربونات السائلة، في حين تمنع الأنواع القابلة للذوبان في الزيت تكوّن المستحلبات في تيارات النفط الخام التي تحتوي على 15–30% من المياه المالحة. يجب أن تؤكد اختبارات التقسيم الطوري وجود أقل من 5% من تسرب العامل الماص إلى الأطوار غير المرغوبة للحفاظ على الجدوى الاقتصادية.

التركيب الكيميائي للمواد الأولية والتأثيرات المحتملة

تتطلب المواد الخام الغنية بالمركبتان (>500 جزء في المليون RSH) عوامل رابطة ذات انتقائية مزدوجة تجاه كبريتيد الهيدروجين والمركبتان لمنع التلوث في وحدات الاتصال بالجليكول. تُظهر الأنظمة القائمة على الأمين انخفاضًا بنسبة 20–50٪ في الكفاءة عند تعرضها للملوثات المؤكسدة، مما يستدعي تنقية مسبقة بواسطة مرشحات للتيارات التي تحتوي على أكثر من 10 جزء في المليون من الأكسجين المذاب.

مقارنة الأداء: العوامل الرابطة لكبريتيد الهيدروجين والمركبتان القائمة على الترايازين مقابل غير القائمة على الترايازين

آليات التفاعل: الارتباط الكيميائي مقابل التحوّل التأكسدي-الاختزالي

تعمل عوامل الربط القائمة على الترايازين عن طريق الارتباط كيميائيًا بغاز كبريتيد الهيدروجين من خلال ما يُعرف بتفاعلات الإضافة النووية. تحوّل هذه العملية الغاز الضار إلى مركبات ثلاثية الكبريت غير الضارة. بالنسبة لأولئك الذين يبحثون عن بدائل خارج نطاق الترايازين، فهناك حلول غير قائمة على الترايازين مثل النترات التي تعمل بطريقة مختلفة. تعتمد هذه البدائل بدلًا من ذلك على تفاعلات الأكسدة والاختزال، حيث تقوم أساسًا باستقبال H2S وتحويله إما إلى كبريت عنصري أو إلى مركبات كبريتات. وفقًا لتقرير كفاءة عوامل الربط الأخير لعام 2024، فإن الأنظمة القائمة على الترايازين تحقق حوالي 95% من إزالة كبريتيد الهيدروجين عندما تكون درجات الحرارة قريبة من المستوى المحيط (حوالي 25 درجة مئوية). ومع ذلك، تصبح الأمور معقدة عندما ترتفع درجات الحرارة فوق 80 درجة مئوية، لأن المادة تبدأ في التحلل حراريًا، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءتها بنسبة حوالي 12%. لكن الأنظمة القائمة على الأكسدة والاختزال تروي قصة مختلفة، إذ تستمر في الأداء بشكل جيد نسبيًا حتى في الظروف الساخنة، وتحافظ على أكثر من 88% من الكفاءة عبر نطاقات حرارية أوسع بكثير مقارنة بنظيراتها القائمة على الترايازين.

كفاءة الإزالة في ظل ظروف ميدانية متفاوتة

تشير التجارب الميدانية في عمليات استخراج غاز الصخر الزيتي إلى أن ثلاثين الأمين يتطلب جرعة أعلى بنسبة 20٪ مقارنةً بالبدائل غير الثلاثينية لتحقيق تخفيض معادل لغاز كبريتيد الهيدروجين في ظروف التدفق العالي.

تكوين المنتجات الثانوية وتأثيراتها على المعدات

عند تفاعل ثلاثين الأمين، فإنه يُنتج أملاح ثلاثية الكبريت التي تميل إلى تكوين رواسب داخل خطوط الأنابيب. وهذا يزيد من مشكلة الترسبات بنسبة حوالي 18٪ في المناطق الغنية بالكالسيوم. أما الخيار الآخر، وهو أنظمة الأكسدة والاختزال غير الثلاثينية، فإنها تُنتج مواد حمضية كنواتج ثانوية، وبالتالي تحتاج إلى إدارة دقيقة لدرجة الحموضة (pH). ولكن على الأقل لا تترك وراءها هذه الرواسب الصلبة التي تسد المعدات. وعلى أي حال، فإن مراقبة التآكل أمر مهم. ففي أنظمة ثلاثين الأمين، تتآكل جدران الأنابيب بمقدار 0.03 مم تقريبًا كل عام. مقارنةً بخيارات القواعد النتراتية التي تأكل الجدران بحوالي 0.05 مم سنويًا في تلك البيئات الغنية بالغازات الكريهة. وهذا يجعل فرقًا كبيرًا عند النظر في تكاليف الصيانة على المدى الطويل.

تحليل التكلفة والفائدة للاستخدام المستمر

بينما تبلغ تكلفة الترايازين 1.20 دولارًا للرطل مقارنة بـ 1.50 دولار للرطل للمزيلات المتقدمة غير الثلاثية، تظهر وفورات تشغيلية في التطبيقات عالية الحجم:

• متطلبات جرعة أقل بنسبة 30٪ لأنظمة غير ثلاثية
• انخفاض تكاليف التخلص من النفايات بنسبة 50٪ بسبب المنتجات الثانوية القابلة للذوبان في الماء

يُظهر تحليل صناعي على مدى 5 سنوات أن تكاليف الملكية الإجمالية للترايازين تتراوح في المتوسط عند 740 ألف دولار مقابل 620 ألف دولار للنشرات المُحسّنة غير الثلاثية، مما يبرر الاستثمار الأولي في الصيغ من الجيل التالي.

الاعتبارات التشغيلية والبيئية في نشر عوامل إزالة كبريتيد الهيدروجين والمركبتان

الأثر على استراتيجيات الوقاية من التآكل

تعمل عوامل إزالة غاز كبريتيد الهيدروجين (H2S) على مكافحة مشكلات التآكل من خلال التخلص من كبريتيد الهيدروجين، الذي يُعد أحد الأسباب الرئيسية لتشقق الإجهاد الكبريتي في خطوط الأنابيب وخزانات التخزين على حد سواء. تشير الدراسات إلى أن هذه المنتجات يمكنها تقليل نفقات الصيانة بنسبة تصل إلى 40 بالمئة في أنظمة الغاز الحامض عند خفض مستويات H2S إلى أقل من 10 أجزاء في المليون. تختلف أنواع العوامل المختلفة من حيث الأداء الكيميائي. فتلك المستندة إلى مركبات الترايازين تميل إلى إنتاج مركبات ثياديايزين مستقرة كنواتج جانبية، في حين أن الخيارات الأخرى غير المحتوية على الترايازين، مثل بعض كربوكسيلات المعادن، تترك مواد أقل عرضة للتسبب في التآكل. عند اختيار نوع العامل المستخدم، يجب على المشغلين أخذ نوع المعدن المستخدم بعين الاعتبار أيضًا. على سبيل المثال، قد تؤدي بعض المنتجات القائمة على الأمين إلى تسريع مشكلة التآكل النافذ في المعدات المصنوعة من الفولاذ الكربوني عند التشغيل بدرجات حرارة مرتفعة.

التوافق الكيميائي مع خطوط الأنابيب ووحدات الفصل ووحدات المعالجة

لكي تعمل تركيبات المواد الماصة بشكل صحيح، يجب أن تظل قابلة للذوبان في المراحل الثلاث الرئيسية الموجودة في بيئات الإنتاج: الغاز، والنفط الخام، ومياه الإنتاج. وإلا، فسنواجه مشاكل التصاق الرواسب لاحقًا. إن الأنواع القابلة للذوبان في الماء، مثل خليط هيدروكسيد الصوديوم، تميل إلى تكوين مستحلبات عند مرورها عبر مراحل متعددة في آنٍ واحد. من ناحية أخرى، قد تتسبب الخيارات القابلة للذوبان في الزيت في تلف الختمات المطاطية داخل معدات المعالجة مع مرور الوقت. وعند النظر إلى النتائج الميدانية الفعلية، يلاحظ المشغلون انخفاضًا بنحو ربع الكفاءة كلما ارتفعت درجات الحرارة فوق 120 درجة مئوية، وذلك لأن المكونات الفعالة تبدأ في التحلل حراريًا. ولا تنسَ اختبارات التوافق مع مضافات خطوط الأنابيب المستخدمة لضمان تدفق السوائل أيضًا. عندما لا تكون هذه المواد متوافقة مع بعضها، فإنها غالبًا ما تؤدي إلى تراكم رواسب سميكة داخل فواصل السوائل، وهو أمر لا يرغب أحد في التعامل معه أثناء فحوصات الصيانة.

الأثر البيئي وتحديات الامتثال التنظيمي

تقلل العوامل المُستعادة من إنتاج النفايات بنسبة تتراوح بين 60 و70 في المئة مقارنةً بنظيراتها ذات الاستخدام الواحد. لكن هذه الأنظمة تحتاج إلى قدر كبير من الطاقة لعملية إعادة التنشيط، مما قد يكون مكلفًا. أما البدائل غير القابلة للتجديد مثل معلقات أكسيد الزنك فتواجه مشكلات تتعلق بقواعد التخلص بسبب احتوائها على معادن ثقيلة. أصدرت وكالة حماية البيئة إرشادات جديدة في عام 2023 تقضي بتحديد كمية الزنك التي يمكن تصريفها في المياه العميقة البحرية بما لا يزيد عن جزئين من أصل مليون جزء. وأظهرت دراسة نُشرت العام الماضي أن المركبات القائمة على الترايازين ترفع مستويات الطلب البيوكيميائي للأكسجين في محطات معالجة مياه الصرف الصحي بنسبة تقارب 35 في المئة، ما يجعل الحصول على تصاريح التصريف اللازمة أكثر صعوبة. ونتيجةً لجميع هذه العوامل، يتجه العديد من مديري المرافق نحو منتجات عوامل استخلاص معتمدة وفقًا للمواصفة ISO 14001، والتي تتحلل بشكل طبيعي في أكثر من 80 في المئة من الحالات، مما يساعدهم على الالتزام بالمعايير الخضراء الدولية مع الحفاظ على الكفاءة التشغيلية.

قسم الأسئلة الشائعة

ما هي المركبتان الموجودة في النفط الخام؟

المركتبتان في النفط الخام هي مركبات تحتوي على الكبريت ولها روائح يمكن اكتشافها، وقد تكون مسببة للتآكل، وعادة ما تُراقب بسبب خصائصها الكيميائية.

ما هو خطر التعرض لغاز كبريتيد الهيدروجين؟

التعرض لغاز كبريتيد الهيدروجين خطير ويمكن أن يكون قاتلاً حتى عند التركيزات المنخفضة، بدءاً من حوالي 100 جزء في المليون، نظراً لطبيعته السامة.

لماذا يُعد إزالة كبريتيد الهيدروجين أمراً مهماً في محطات المعالجة؟

إزالة كبريتيد الهيدروجين أمر بالغ الأهمية لأنه يسرع من عملية التآكل، ويؤدي إلى تدهور العوامل المساعدة في التكرير، ويخالف مواصفات المنتج من حيث محتوى الكبريت، مما يؤثر على السلامة وجودة المنتج على حد سواء.

كيف تعمل المواد الماسحة القائمة على الترايازين؟

تعمل المواد الماسحة القائمة على الترايازين عن طريق الارتباط كيميائياً بكبريتيد الهيدروجين لتكوين منتجات ثانوية مستقرة، مما يقلل بشكل فعال من تركيزه والمخاطر المرتبطة به في تدفقات العمليات.

هل المواد الماسحة غير القائمة على الترايازين أكثر صداقة للبيئة؟

يمكن أن تكون المواد الماصة غير الثلاثية الصديقة للبيئة أكثر أمانًا من خلال إنتاجها لرواسب صلبة أقل، وأحيانًا تمتلك مزايا تشغيلية مثل نطاقات درجات حرارة فعالة أوسع.