УДК 66.023

Моделирование узла получения элементарной серы

Салиева Алина Ильшатовна – студент магистратуры по программе «Проектирование и моделирование нефтехимических процессов» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Аннотация: В данной статье рассмотрено моделирование узла получения элементарной серы в программном обеспечении Aspen HYSYS. Представлен расчет материального баланса процесса. Узел смоделирован с учетом требований по соотношению H₂S:SO₂ в кислом газе на каталитическую стадию, по содержанию компонентов в дымовых газах и по степени извлечения серы (не менее 98%).

Ключевые слова: производство серы, кислый газ, моделирование, Aspen HYSYS.

Annotation. In this article, modeling of the unit for obtaining elemental sulfur in Aspen HYSYS software is considered. The calculation of the material balance of the process is presented. The unit is modeled taking into account the requirements for the ratio of H2S:SO2 in acid gas at the catalytic stage, the content of components in flue gases and the degree of sulfur extraction (at least 98%).

Keywords: sulfur production, acid gas, modeling, Aspen HYSYS

Введение

Производство серы является одной из важнейших отраслей химической промышленности. Сера используется в различных отраслях промышленности, включая производство удобрений, стекла, резины и других органических соединений. Узел производства серы представляет собой комплексную систему, включающую не только технологическое оборудование, но и системы управления, контроля и безопасности. Поэтому моделирование узла производства серы является необходимым инструментом для оптимизации процессов и увеличения эффективности производства.

Целью данного исследования является разработка модели узла производства серы на основе имеющихся данных о процессе и оборудовании, и также оптимизация смоделированной схемы с помощью программного обеспечения Aspen HYSYS. Модель включает в себя несколько узлов: узел получения серы и узел дожига отходящих газов. Модель позволяет точно оценивать технические характеристики узла производства серы и оптимизировать его работу, модель может использоваться для предсказания возможных отклонений в работе узла и определения причин этих отклонений. В данном моделировании мы стремимся достигнуть степень извлечения сероводорода не менее 98%.

Характеристика технологического процесса

Объектом исследования является Узел получения серы Установки производства элементарной серы. Установка производства элементарной серы (УПЭС) предназначена для получения элементарной серы методом Клауса, за счет утилизации кислых газов, содержащих сероводород и аммиак. Задачой УПЭС является возможность регенерации насыщенного раствора МДЭА, отпарка кислых стоков и возвращение их в технологический процесс, использование выделенных газов, содержащих сероводород и аммиак, для получения элементарной серы методом Клауса.

Расчет материального баланса стадий процесса

Исходные данные для расчета указаны в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные для расчета.

 Процесс горения был рассчитан по основной химической реакции:

2H₂S + O₂ = S₂ + 2H₂O + Q

Составлен материальный баланс термической ступени и сведен в таблицу в таблицу 2.

Таблица 2. Материальный баланс термической ступени.

Материальный баланс каталитической стадии сведен в таблицу 3.

Таблица 3. Материальный баланс каталитической ступени.

Моделирование технологической схемы узла получения серы

Начальным этапом в моделировании технологической схемы узла получения серы является моделирование и задание сырьевых потоков, согласно нормативной документации. Параметры и компонентный составы сырьевых потоков представлены в таблице 4.

Таблица 4. Параметры и компонентный (%масс.) состав сырьевых потоков.

Результаты вычислений по каждой ступени отображены в рисунке 1.

Рисунок 1. Сводные данные об эффективности извлечения серы.

Смоделированная схема выглядит следующим образом (рис. 2).

Рисунок 2. Смоделированная схема узла получения серы.

К составу дымовых газов предъявляются особые требования. Содержание H₂S, COS, SO₂, CS₂ в дымовых не должно превышать 2% мол. Как видно из рисунка 3, данное условие также выполняется. Состав полученных дымовых газов, выходящих из дымовой трубы изображен на рисунке 3.

Рисунок 3. Состав дымовых газов.

Также при моделировании схемы было учтено, что значение избытка воздуха лимитируется соотношением H₂S:SO₂ на первой ступени каталитического окисления, это соотношение должно быть 2:1. Поэтому объем воздуха, поступающего в зону горения, должен быть строго дозирован, чтобы обеспечить для второй стадии требуемое соотношение SO₂ и H₂S (по стехиометрии реакции 2 оно должно быть 1:2).

Проверили соотношение количества H₂S к SO₂ с помощью электронной таблицы (рис. 4).

Рисунок 4. Расчёт соотношения H₂S:SO₂.

Условие H₂S:SO₂=2 выполняется. Значит, соотношение воздух:кислый газ в реакционной печи указано верно. В случае, если H₂S:SO₂ > 2, то расход воздуха, подаваемого на термический реактор, надо повышать, чтобы доокислить SO₂. В случае, если H₂S:SO₂  < 2, то расход воздуха, подаваемого на термический реактор, наоборот надо понижать.

Был построен график зависимости объема воздуха от соотношения H₂S:SO₂ и выбран оптимальный вариант, при котором соблюдается требуемое соотношение (рис. 5, табл. 4). При расходе воздуха 74 кмоль/ч достигается требуемое соотношение.

Рисунок 5. График зависимости объема воздуха от соотношения H₂S:SO₂.

Таблица 4. Зависимость объема воздуха от соотношения H₂S:SO₂.

Также условием расчета было – степень извлечения серы не менее 98%. Проверим соответствие также с помощью электронной таблицы. В ходе расчет получили степень извлечения, равной 99,07 % (рис. 6).

Рисунок 6. Расчет степени извлечения.

Заключение

В ходе моделирования узла получения элементарной серы была разработана модель узла производства серы на основе имеющихся данных о процессе и оборудовании, и также оптимизация смоделированной схемы в программном обеспечении Aspen HYSYS.

 Модель включает в себя несколько узлов: узел получения серы и узел дожига отходящих газов. Модель позволяет точно оценивать технические характеристики узла производства серы и оптимизировать его работу, модель может использоваться для предсказания возможных отклонений в работе узла и определения причин этих отклонений.

Список литературы

1. Аяпбергенов Е.О. Особенности технологии получения элементарной серы на установках Клауса из сероводорода кислых газов / Современные научные исследования и инновации. 2012. № 10 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2012/10/17654
2. Грунвальд, В.Р. Технология газовой серы/ В.Р. Грунвальд. – М.: Химия. – – 567 с.
3. Лапидус, А.Л. Производство и потребление газовой серы: проблемы и перспективы / А.Л. Лапидус, И.А. Голубева, М.В. Болотина // Нефтепереработка и нефтехимия. – 2006. – № 9. – с. 25-32.
4. Гумеров А. М. Г 93 Математическое моделирование химико – технологических процессов: Учебное пособие. – 2-е изд., перераб. – СПб.: Издательство «Лань», 2014. – 176 с.: ил. – (Учебники для вузов. Специальная литература).