Математическая модель процесса рекуперации серы по двухступенчатому методу Клауса

Способы переработки серосодержащих газов в химической промышленности. Математическое описание топки как технологического участка котла-утилизатора. Расчёт массовых долей продуктов реакционной среды с учётом влияния температуры горения методом Клауса.

Рубрика Производство и технологии
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 22.01.2017
Размер файла 457,6 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://allbest.ru

Волжский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА РЕКУПЕРАЦИИ СЕРЫ ПО ДВУХСТУПЕНЧАТОМУ МЕТОДУ КЛАУСА

Лисин Руслан Валерьевич, магистрант.

Силаев Алексей Александрович,

кандидат технических наук,

доцент кафедры автоматики,

электроники и вычислительной техники

Волгоград

Процесс переработки серосодержащих газов, являющихся побочным продуктом многих производств, с рекуперацией элементарной серы по методу Клауса получил широкое применение в химической, нефтехимической и металлургической областях. Несмотря на широкое внедрение различных модификаций данного процесса и достаточно богатый накопленный опыт в проектировании и производстве установок Клауса, на данный момент в промышленных условиях поддерживать процесс на полном уровне конверсии по серосодержащим газам достаточно трудно. В результате неполной переработки реакционных газов, эффективность установки резко снижается. При этом происходит увеличение количества выбросов окислов серы в атмосферу. Окислы являются основным источником образования кислотных дождей, способных уничтожать сельскохозяйственные угодья, леса, поля, приводить к загрязнению земель и водоёмов, вызывая гибель речной фауны. Также выбросы оказывают негативное влияние организм человека и способны вызывать развитие следующих патологий: болезни системы кровообращения, нервной системы, органов дыхания и пищеварения. Для решения этой проблемы необходимо разработать математическую модель процесса рекуперации серы по двухступенчатому методу Клауса.

Математическое описание топки как технологического участка котла-утилизатора сводится к рассмотрению химически реагирующих потоков. Механизмы реакций, происходящих между компонентами потоков, в каждой точке пространстве и в каждый момент времени можно полностью описать через следующие параметры: давление, плотность, температуру, скорость потоков и концентрацию каждого из компонентов [1]. При этом необходимо учитывать, что составы исходных потоков и потока реакционной среды могут изменяться во времени [2].

Для описания процесса горения (окисления) сероводорода, метана и других составляющих потока реакционных газов составим систему уравнений сохранения массы и энергии. При составлении математического описания будем считать, что смесь топливо-воздух предварительно перемешана, а движение химически реагирующего потока ламинарно.

В общем случае уравнение материального баланса для ламинарного пламени можно записать в виде дифференциального уравнения первого порядка в частных производных [1]:

где: - массовая доля j компонента реакционной среды;

- плотность реакционной среды;

- средняя массовая скорость центра масс реакционной среды;

- диффузионный поток j компонента реакционной среды;

- массовая доля образования j компонента в химических реакциях. Уравнение материального баланса (1) описывает скорость изменения парциальных плотностей компонентов реакционной среды в результате образования или расходования компонентов реакционного потока и молекулярного переноса за счёт градиента концентраций реагентов.

Для расчёта массовых долей продуктов реакционной среды с учётом влияния температуры горения и давления в топке котла-утилизатора на структуру цепочки химических превращений запишем уравнение минимальной свободной энергии Гиббса [3]:

где: - количество моль j компонента реакционной среды; - химический потенциал j компонента реакционной среды.

В состоянии химического равновесия минимальная свободная энергия Гиббса достигает своего критического значения. Для нахождения количества моль каждого компонента реакционной среды в состоянии химического равновесия необходимо решить задачу нелинейного программирования. В качестве ограничений должны выполняться следующие выражения.

где: - количество атомов i элемента в j компоненте реакционной среды; - количество атомов i элемента в k компоненте входного потока;

- количество моль k компонента входного потока.На основании уравнений (2) и (3) составим скалярную функцию Гамильтона.

где: - множители Лагранжа.

Для нахождения минимума функции Гамильтона (4) необходимо решить следующую систему уравнений.

Преобразуем систему уравнений (5) к следующему виду.

Химический потенциал j компонента реакционной среды можно определить по формуле [3].

где: - минимальная свободная энергия Гиббса при нормальных условиях; - универсальная газовая постоянная;

- температура реакционной среды;

- давление в топке котла-утилизатора;

- давление при нормальных условиях;Подставим уравнение (7) в систему уравнений (6) и преобразуем к следующему виду.

Составим уравнение сохранения энергии на основании уравнения сохранения энергии для ламинарного пламени [1] и уравнения теплового баланса проточного реактора идеального смешения [2]:

где: - удельная энтальпия j компонента реакционной среды;

- удельная теплоёмкость k компонента исходных потоков газов при постоянном давлении; - плотность k компонента исходных потоков газов при нормальных условиях; - объёмный расход k компонента исходных потоков газов; - температура k компонента исходных потоков газов; - давление на линии подачи k компонента исходных потоков газов; - объём реактора. серосодержащий химический температура клаус

Данное уравнение описывает изменение температуры реакционной среды во времени в зависимости от изменения параметров входных потоков: расходов и давлений в подводящих трубопроводах сероводорода, метана и воздуха. По экспериментальным данным, полученным при пуске котла-утилизатора 32Е 551 волжского завода органического синтеза, и на основании уравнений материального (8) и теплового (9) балансов проведём моделирование изменения температуры реакционной среды в топке котла-утилизатора (Рисунок 1).

Для анализа качества полученной математической модели определим относительную погрешность моделирования. На рисунке 2 представлен график изменения относительной погрешности моделирования температуры реакционной среды в топке котла-утилизатора.

Относительная погрешность имеет значительные выбросы только в течение первого запуска котла-утилизатора, вызванные низкой температурой реакционной среды и скачкообразным заданием расхода метана (Рисунок 2).

Рисунок 1 - Изменение температуры реакционной среды в топке котла-утилизатора, 1 - экспериментальные данные, 2 - полученные по модели

Рисунок 2 - Относительная погрешность моделирования изменения температуры реакционной среды в топке котла-утилизатора

Полученная математическая модель описывает изменение температуры реакционно среды в топке котла-утилизатора в зависимости от изменения расходов и состава поступающих газов.

В таком виде математическая модель может быть использована в системе автоматического управления процессом рекуперации серы по двухступенчатому методу Клауса.

Библиографический список

1. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ/ Пер. с англ. Г.Л. Агафонова. Под ред. П.А. Власова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 352 с.

2. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. Ч. II. - СПб.: НПО “Профессионал”, 2006. - 916 с., ил.

3. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур: Пер. с англ. Ю.А. Данилова и В.В. Белого - М.: Мир, 2002. - 461 с., ил.

Аннотация

Математическая модель процесса рекуперации серы по двухступенчатому методу Клауса. Волжский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет». Лисин Руслан Валерьевич, магистрант. Силаев Алексей Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики, электроники и вычислительной техники

В данной работе построена математическая модель процесса рекуперации серы по двухступенчатому методу Клауса.

Ключевые слова: математическая модель, процесс горения, Процесс Клауса, рекуперация серы, температура

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Термодинамическая эффективность работы котла-утилизатора. Расчет процесса горения топлива в топке котла, котельного агрегата. Анализ зависимости влияния температуры подогрева воздуха в воздухоподогревателе на калориметрическую температуру горения топлива.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 22.10.2012

  • Технология производства серной кислоты и продуктов на ее основе. Разработка конструкции узлов котла-утилизатора. Механизация обслуживания и ремонтных работ участка котла-утилизатора. Разработка технологического процесса изготовления "барабана канатного".

    дипломная работа [774,9 K], добавлен 09.11.2016

  • Описание технологической схемы печи, ее назначение и протекающие химические реакции. Особенности установки У-251 и технологического процесса каталитической части Клауса. Расчёт частотных характеристик объекта, исследование его системы регулирования.

    курсовая работа [122,3 K], добавлен 04.12.2010

  • Расчетное исследование влияния основных параметров топочного процесса на полноту сгорания топлива в котле. Математическое моделирование горения движущейся коксовой частицы. Расчет движения частицы в заданном поле скоростей и горения коксового остатка.

    курсовая работа [2,1 M], добавлен 27.08.2012

  • Описание технологической схемы установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи. Расчет процесса горения, состав топлива и средние удельные теплоемкости газов. Расчет теплового баланса печи и ее КПД. Оборудование котла-утилизатора.

    курсовая работа [160,1 K], добавлен 07.10.2010

  • Технологическое описание структурной схемы проекта по автоматизации процесса переработки предельных углеводородных газов. Изучение функциональной схемы автоматизации и обоснование выбора средств КИП установки. Математическая модель контура регулирования.

    контрольная работа [67,1 K], добавлен 13.06.2012

  • Способы расчета котельного агрегата малой мощности ДЕ-4 (двухбарабанного котла с естественной циркуляцией). Расчет объемов и энтальпий продуктов сгорания и воздуха. Определение КПД котла и расхода топлива. Поверочный расчёт топки и котельных пучков.

    курсовая работа [699,2 K], добавлен 07.02.2011

  • Назначение и компоновка котла-утилизатора КУ-150. Краткое описание технологической схемы и газового тракта. Конструкция и характеристики котла при работе в паровом и в водогрейном режиме. Расчета экономического эффекта реконструкции данного котла.

    дипломная работа [208,4 K], добавлен 23.05.2015

  • Устройство котла-утилизатора П-83. Порядок определения энтальпий газов и коэффициента использования тепла. Особенности расчета пароперегревателей, испарителей и экономайзеров высокого и низкого давления, а также дополнительного и кипящего экономайзеров.

    контрольная работа [154,4 K], добавлен 25.06.2010

  • Требования и основные характеристики сжиженных газов. Характеристика исходного сырья, реагентов и продуктов. Описание технологического процесса и технологической схемы ректификации сжиженных углеводородных газов. Определение температуры ввода сырья.

    курсовая работа [125,3 K], добавлен 19.02.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.