Evaluation of amine solvents performances in acid gas treatment

Acid compounds such as hydrogen sulfide (H2S) and carbon dioxide (CO2) are common impurities natural gas contains. These impurities need to be removed at different levels to meet specific process requirements. This is especially true if one considers the increasingly stringent environmental emission limitations as well as the depletion of sweet gas reserves and the need to process natural gas with increasingly higher acid compounds levels. In the industrial field, the most successful and common process for gas sweetening is the chemical absorption process using amine. Both commercial and proprietary amines are available on the market. The purpose of this thesis is to provide an overview of the state-of-the-art on the capabilities of different proprietary amines and quantify the advantages of proprietary amines over generic amines in terms of process performances and plants’ CAPEX and OPEX savings. The project has been developed in Saipem and hence benefitted from the experience and knowledge of one of the leading companies in the Oil & Gas field. An analysis of the performances of the solvents present on the market will be described in the first part of this work, whereas a comparison study based on three different applications for this technology will be illustrated in the second part. For commercial amines simulation software have been used to develop process heat and mass balance in order to obtain all the data necessary for performances and cost analysis. A different approach has been used for the evaluation of proprietary solvents. In this case specific amine Vendors, selected based on their references in the market, have been directly involved in order to obtain all the information necessary for a detailed analysis. Three cases of treating gas plants have been examined: acid gases bulk removal from natural gas of at high pressure, selective removal of H2S from natural gas at high pressure, and a low pressure selective removal of H2S, specifically a tail gas treatment unit. These selected cases represent the typical treatments of acid gases in the Natural Gas field.

I principali e più comuni contaminanti acidi presenti in correnti di gas naturale sono solfuro di zolfo (H2S) e biossido di carbonio (CO2), che devono essere rimossi per rispettare le specifiche di processo richieste. La rimozione di queste impurità ha assunto un ruolo chiave oggigiorno dovuto ai sempre più stringenti limiti di emissione e dovuto alla necessità di trattare gas naturali ad elevato contenuto acido, in seguito all’esaurimento di giacimenti dolci. Industrialmente, il processo più efficace e comunemente utilizzato per la rimozione di composti acidi è l’assorbimento chimico con ammine. I solventi a base amminica presenti sul mercato si dividono principalmente in ammine commerciali e ammine proprietarie. Lo scopo di questa tesi è di definire lo stato dell’arte dei solventi proprietari presenti sul mercato e quantificare i vantaggi nell’utilizzo di questi solventi rispetto alle ammine commerciali, in termini di performances di processo e riduzione dei costi di impianto, CAPEX e OPEX. Questo lavoro è stato sviluppato in collaborazione con Saipem, approfittando dell’esperienza di una delle principali società di ingegneria leader in campo Oil & Gas. Nella prima parte di questo lavoro verranno identificati i solventi presenti sul mercato e né verranno descritte le loro caratteristiche, mentre nella seconda parte verrà illustrato lo studio comparativo di tre differenti applicazioni reali di questa tecnologia. Le informazioni necessarie ad eseguire un’analisi delle performances e dei costi di impianto, per le ammine commerciali, sono state ottenute mediante l’utilizzo di software di simulazione. Per quanto riguarda i solventi proprietari è stato utilizzato un approccio differente. Dopo aver individuato attentamente i solventi proprietari presenti sul mercato, le informazioni necessarie ad eseguire un’analisi di confronto dettagliata sono state ottenute coinvolgendo direttamente le società fornitrici. I tre processi individuati e studiati in questo lavoro consistono in una rimozione totale di gas acidi ad alta pressione da gas naturale, una rimozione selettiva di H2S ad alta pressione ed una rimozione selettiva a bassa pressione di H2S da un gas di coda. Questi tre processi rappresentano i trattamenti tipici di gas acidi applicati nell’industria del Gas Naturale.