WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ХРИСТОДУЛО АНТОНИЙ НИКОЛАЕВИЧ ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВОМ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОТРАБОТАННОГО ГАЗА 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА 2001

Работа выполнена на кафедре автоматизации химико-технологических процессов Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Т.Г. Умергалин кандидат технических наук, доцент В.Ф. Попков

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Р.Р. Хабибуллин кандидат технических наук, доцент В.И. Иванов Ведущая организация Институт нефтехимии и катализа (ИНХК) АН РБ и УНЦ РАН

Защита состоится _2001года в часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) по адресу:

450062, г. Уфа, ул. Космонавтов 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГНТУ.

Автореферат разослан «_»2001 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук К.Г. Абдульминев 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Промышленные сернокислотные установки принадлежат к классу открытых экологически неблагополучных ХТС. Современный уровень технологии получения серной кислоты и автоматизации процессов позволяет в стационарных режимах поддерживать степень превращения диоксида серы на уровне 99.2-99.6 %. Однако даже при такой глубине переработки выбросы в атмосферу диоксида серы с отработанным газом велики. Еще более опасны в экологическом отношении пусковые режимы.

Между тем, в связи с доминирующей в мировой практике тенденцией к увеличению мощности предприятий, вопросы, связанные с предотвращением загрязнения воздушного бассейна промышленных зон, в последнее время приобретают все большее значение. Поэтому совершенствование сернокислотных производств в направлении снижения выбросов диоксида серы является важнейшим фактором их дальнейшего перспективного развития. Для такого совершенствования необходимо вносить коренные изменения в традиционно сложившуюся технологию получения серной кислоты контактным методом.

Одним из наиболее перспективных направлений развития контактного сернокислотного производства является получение серной кислоты в системах с замкнутым газооборотом. В таких системах за счет рециркуляции отработанных газов обратно на переработку обеспечивается полная экологическая безопасность и, в то же время, появляется возможность значительно интенсифицировать процессы сернокислотного производства и уменьшить размеры технологического оборудования путем использования в качестве окислителя чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом.

На сегодняшний день проведены лишь начальные исследования замкнутой технологии получения серной кислоты. Имеются отдельные публикации, в которых подчеркивается высокая эффективность этой технологии. Однако, полученных в них результатов недостаточно для ответа на вопросы, которые ставит перед нами практика разработки и проектирования новых технологических систем. В настоящей работе сделана попытка ответить на эти вопросы.

Целью работы является разработка оптимально организованной замкнутой сернокислотной системы (СКС).

В соответствии с поставленной целью в задачи работы входили:

– поиск эффективных схем и режимов функционирования сернокислотной системы с замкнутым газооборотом;

– оптимальное оформление отдельных стадий замкнутого сернокислотного процесса;

– исследование возможностей управления замкнутой системой.

Научная новизна.

1. Предложена двухконтурная схема организации циклической сернокислотной системы, в которой за счет рециркуляции охлажденного сернистого газа, состоящего подавляющим образом из SO2, на стадию сжигания серы обеспечивается минимизация объема печного газа; и, в то же время, за счет рециркуляции отработанного газа, состоящего в основном из O2, на стадию контактного окисления, обеспечивается высокая интенсивность процесса окисления диоксида серы и высокая степень выделения триоксида серы из контактного газа.

2. Предложен конденсационно-абсорбционный метод выделения триоксида серы из контактных газовых смесей замкнутой сернокислотной системы, предусматривающий получение одной части готовой продукции в виде жидкого триоксида серы (путем конденсации), а другой части в виде серной кислоты или олеума (путем абсорбции).

3. Получены необходимые условия оптимальности для многослойных контактных аппаратов окисления диоксида серы в схеме с рециркуляцией отработанного газа. Разработан метод определения оптимальной, в смысле объема катализатора, проектной компоновки таких аппаратов с учетом технологических ограничений.

4. Предложен принцип управления режимами многослойного контактного аппарата, обеспечивающий близость этих режимов к проектному варианту.

Практическая ценность. Использование полученных в работе результатов делает возможным создание высоко эффективных экологически безопасных сернокислотных установок модульного типа, из оборудования с меньшими размерами по сравнению с используемым в действующих системах. За счет применения конденсационно-абсорбционного способа выделения SO3 в рамках таких установок реализуемо многоассортиментное производство, выпускающее в качестве готовой продукции серную кислоту, жидкий триоксид серы и олеум высокой концентрации.

На основе результатов диссертационной работы составлено техническое задание на проектирование «Автоматизированной сернокислотной установки с замкнутым газооборотом», которое принято в базу данных ОАО «Уфахимпром» и включено в план перспективного развития предприятия.

Разработанные алгоритмы и программный комплекс моделирования и оптимизации замкнутой СКС могут быть использованы научно-исследовательскими и проектными организациями, занимающимися проектированием новых сернокислотных систем и созданием АСУ ТП для них.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13-й Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Санкт-Петербург, 2000), II Международном симпозиуме «Наука и технология углеводородных дисперсных систем» (Уфа, 2000), XIII Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (Тула, 2000), Всероссийской научной конференции «Тепло- и массообмен в химической технологии» (Казань, 2000), Международном научно-практическом семинаре «Передовые концепции экономики нефтехимических предприятий» (Уфа, 2001), а также научно-технических конференциях в УГНТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе статьи в центральной печати, и получено решение о выдаче патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, перечня используемой литературы и приложений. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 15 рисунков, 34 таблицы, 4 приложения. Список литературы включает 131 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, перечислены методы решения поставленных задач.

В первой главе приведен обзор перспективных тенденций развития производства серной кислоты, к числу которых относятся: осуществление сернокислотного процесса под давлением и разработка замкнутой кислородной технологии получения серной кислоты. Показано, что наиболее перспективно получение серной кислоты в системах с замкнутым газооборотом, в которых, за счет рециркуляции отработанных газов обратно на переработку обеспечивается полная экологическая безопасность сернокислотного производства по диоксиду серы, как в режимах нормальной эксплуатации, так и в период пуска. Применение чистого кислорода либо воздуха, обогащенного кислородом, в рамках таких систем позволяет увеличить концентрацию перерабатываемого газа и одновременно освободиться от балластного азота, содержание которого в газах существующих систем составляет около 80%. Это ведет к значительному уменьшению размеров технологического оборудования сернокислотного производства.

Экспериментальные исследования по контактному окислению диоксида серы кислородом на ванадиевом катализаторе показали увеличение объемной скорости окисления при полной или частичной замене воздуха кислородом.

Так, в случае окисления газовой смеси, содержащей 89.5% об. O2 и 10.5% об.

SO2 (т.е. при полной замене в традиционной реакционной смеси азота кислородом), скорость процесса увеличивается почти в 4 раза. Соответственно возрастает удельная производительность катализатора и появляется возможность значительно сократить его объем.

Рассмотрены принципы организации СКС с рециркуляцией при использовании в качестве окислителя кислорода (технического - 99.5% или технологического - 95% O2) либо кислородно-воздушной смеси; а также свойства замкнутой системы. Глава завершается постановкой конкретных задач исследований.

Во второй главе проводится анализ схем и режимов функционирования сернокислотной системы с замкнутым по диоксиду серы газооборотом. Исследуется возможность поддержания стационарных состояний в замкнутой системе.

На основе критического анализа приведенных в открытой литературе, но не получивших распространения схем, были предложены три варианта построения схемы циклического сернокислотного процесса:

– схема с одним рециркуляционным контуром – отработанных газов на стадию сжигания серы;

– схема с двумя зависимыми контурами рециркуляции – отработанных газов и охлажденного сернистого газа на стадию сжигания серы;

– схема с двумя независимыми контурами рециркуляции – охлажденного сернистого газа на стадию сжигания серы и отработанных газов на стадию контактного окисления.

Показано, что наиболее эффективной схемой, позволяющей максимально полно раскрыть резервы замкнутой технологии, является схема с двумя независимыми контурами (рис.1). В такой схеме обеспечивается полная независимость процессов, протекающих в печном отделении – с одной стороны и в контактном Выхлоп W U K KВРУ БО K D F БУТ П S P Q С G ДE КА R L БВ V H2SO4 (SO3(ж)) Рис. 1. Схема замкнутой СКС с двумя независимыми контурами рециркуляции:

П – печь сжигания серы; Д – движитель (турбогазодувка); БУТ – блок утилизации тепла; КА –контактный аппарат; БВ – блок выделения триоксида серы;

БО – блок очистки отходящего газа; ВРУ – воздухоразделительная установка.

аппарате и блоке выделения SO3 – с другой. При этом появляется возможность одновременно реализовать оптимальные режимы работы всех стадий сернокислотного процесса, а также создать простую и, в то же время, весьма эффективную систему автоматического регулирования замкнутой СКС.

В результате анализа стехиометрических закономерностей сернокислотного процесса сформулированы необходимые условия существования установившихся режимов в замкнутой системе, согласно которым:

а) Вся исходная сера, поступающая в систему, должна быть полностью переработана в конечный продукт – H2SO4 (жидкий SO3), т.е. в установившемся состоянии количество моль исходной S равно количеству моль SO2 в потоке F – сернистого газа и равно количеству моль SO3, выделяемого в БВ.

б) Исходный кислород необходимо подавать в систему в избытке (сверх его стехиометрического количества), причем избыточное количество О2 должно быть выведено (после осуществления технологического процесса) из системы вместе со всем, поступающим в нее азотом; остальная часть отработанного газа должна полностью рециркулироваться на переработку.

С помощью этих условий построена математическая модель замкнутой системы, в основе которой лежат уравнения материального и теплового балансов стадий процесса в статике, составленные с учетом следующих допущений:

1. Печь, в которой получают SO2, работает с полным исчерпанием исходной серы (для чего на входе П поддерживается 5%-й избыток кислорода) в заданном температурном режиме.

2. Реакция окисления диоксида серы в многослойном КА протекает с заданной степенью конверсии.

3. В блоке БВ (абсорбцией и/или конденсацией) осуществляется полное выделение SO3 из контактного газа (в общем случае степень выделения может быть принята любой заданной величиной).

4. Блок очистки отходящего газа, работающий на основе известных1 сепарационного либо абсорбционного способов, обеспечивает полное извлечение ---------------------------------------------- Кобяков А.И., Кобяков А.А. Экологически безопасная технология получения серной кислоты / Теор. основы хим. технол. 1998. т.32. №2. С.208.

SO2 из отходящего газа. Причем извлеченный SO2 возвращается в систему в чистом виде (без примеси SO3).

В соответствии с обозначениями на рис. 1 система балансовых уравнений имеет вид:

для печи K1 yk + E yd = 1.05 C, D = E + K1, D xd = C + E xd, nd = nk, (1) k k e e e TccsC + Tk K1(ykcO + nkcN ) + Q1C + TeE(xd cSO + ydcO + ndcN ) = 2 2 2 2 d d d = Td D(xdcSO + yd cO + nd cN );

2 2 для многослойного контактного аппарата G xg - L xl = L zl, G yg - L yl = L zl 2, zl (2) G ng = L nl, = b;

xl + zl для блока выделения (в случае применения процесса конденсации) L = V + R, L(xl + yl + nl ) = R, (3) L xl = R xr, L yl = R yr ;

для блока очистки отходящего газа P = W +U, P yr = W yw, (4) P( yr + nr ) = W ;

уравнения связей K = K1 + K2, yk nk = a, yk + nk = 1, E = D - F, xd + yd + nd = 1, xg + yg + ng = 1, G = F + K2 + Q +U, G xg = F xd + Q xr +U, (5) G yg = F yd + K2 yk + Q yr, xl + yl + nl + zl = 1, R = P + Q, xr + yr + nr = 1, yw + nw = 1, где K, K1, K2, C, D, E, F, G, L, V, R, P, Q, W, U – потоки технологической схемы (рис.1), моль/с; x, y, z, n – концентрации соответственно SO2, O2, SO3, N2, мол.д.;

Т – температура, К; Q1 = 297028 Дж/моль – теплота сгорания серы; с, с, с, S O2 Nс – теплоемкости соответствующих веществ, Дж/моль·К; a – соотношение SOконцентраций O2:N2 в потоке окислителя; b – степень превращения SO2 в КА;

k, c, d, e, g, l, r, w – индексы соответствующих потоков.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»