WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

То есть, модель представляет систему из 29 линейно независимых уравнений с 32 переменными состояния, в качестве которых выступают величины и составы потоков (предполагается, что значения температур потоков С, К1, Е, D;

а также коэффициентов a и b заданы). Составленная математическая модель позволяет проводить анализ замкнутой СКС в пространстве 3-х переменных.

С помощью вычислительного эксперимента исследовались режимы функционирования замкнутой системы в зависимости от состава рециркулируемых потоков. Рассмотрены следующие составы рецикла (мол. д.): 1) SO2 - 0.78, O2 - 0.17, N2 - 0.05; 2) SO2 - 0.50, O2 - 0.45, N2 - 0.05; 3) SO2 - 0.24, O2 - 0.71, N2 - 0.05.

Показано, что оптимальным режимам работы печного отделения (минимальный объем печного газа при заданном температурном режиме работы печи) соответствует преобладание диоксида серы в рецикле. Это связано с тем, что SO2 имеет значительно большую (в 1.5 раза) теплоемкость нежели O2 (и тем более N2). В то же время для эффективного функционирования БВ и КА необходимо чтобы рецикл состоял предпочтительно из O2. Таким образом, оптимальное функционирование предлагаемой СКС достигается, когда контур печного отделения содержит подавляющее количество SO2, а в контуре КА-БВ-БО преобладает O2. Результаты расчета одного из таких режимов для системы с производительностью Таблица 1. Параметры состояния замкнутой системы по SO3 V = 20 моль/с Расход, Состав, мол. д.

Поток моль/с x y z n приведены в табл. 1.

K 36.3 – 0.9950 – 0.При расчете приняты K1 20.4 – 0.9950 – 0.K2 15.9 – 0.9950 – 0.следующие значения C 20.0 (S) – – – – исходных параметD 69.3 0.9806 0.0144 – 0.E 48.9 0.9806 0.0144 – 0.ров: a = 199 (окислиF 20.4 0.9806 0.0144 – 0.G 99.1 0.2375 0.7125 – 0.тель – технический L 89.1 0.0396 0.6802 0.2245 0.кислород), Tс = 413 К, V 20.0 – – 1 – R 69.1 0.0511 0.8772 – 0.Тк = 300 К, Те = 300 К, Q 62.4 0.0511 0.8772 – 0.Тd = 1700 К, b = 0.85.

P 6.6 0.0511 0.8772 – 0.W 6.3 – 0.9244 – 0.U 0.3 1 – – – Далее в работе исследуются особенности работы циркуляционного контура КА-БВ-БО. Важным аспектом обеспечения устойчивой работы этого контура является отдувка инертного компонента – азота из рециркулируемого потока. В рассматриваемой системе для отдувки азота предусмотрено деление рецикла R на два потока, один из которых (Р), предварительно подвергаясь очистке от SO2, выводится в атмосферу. При этом актуален вопрос о влиянии величины Р на режимы работы системы, и, в частности, на состояние процесса контактного окисления диоксида серы.

Исследовалась зависимость концентрации азота на входе КА ng, от величины потока Р в области существования стационарных состояний. При этом соотношение реагентов (SO2 и O2) в реакционной смеси на входе КА и расход реакционной смеси G принимались фиксированными. Математическое описание СКС было дополнено уравнением теплового баланса слоя катализатора:

g g g l l l l G(xgcSO2 + ygcO2 + ngcN 2 )Tg + LzlQ2 = L(xlcSO2 + ylcO2 + nlcN 2 + zlcSO3 )Tl, (6) То есть предполагалось, что реакция окисления SO2 в КА с одним слоем ванадиевого катализатора протекает в пределах заданных температур (Тg = 723 K, Tl = 873 K, теплота окисления Q2 = 94035 Дж/моль) без достижения равновесия.

На рис. 2 показан характер установленной зависимости. Найдены интервалы [ngmin, ngmax] и [Pmin, Pmax] для системы, газовая нагрузка КА в которой равна 200 моль/с, при различных соотношениях концентраций xg / yg.

В заключении приведены рекомендации к оформлению стадии очистки отходящего газа в зависимости от величины и состава отдуваемого потока. Выбор величины Р должен осуществляться по результатам решения задач оптимальной организации процессов в КА и БВ.

ng ngmax Рис. 2. Взаимосвязь величин ng и P :

xg ng, мол. д. P, моль/с yg min·102 max max min 0.15 0.472 0.471 177.9 0.0.75 0.329 0.845 174.1 0.2 0.216 0.9 171.2 0.ngmin P 4 0.151 0.825 169.5 0.Pmin Pmax=R R Третья глава посвящена поF лучению условий оптимального C проектирования многослойного КА, работающего в схеме с рециркуляцией отработанного газа, в котором потоки F – сернистого газа, C – окислителя и R – рецикла распределяются между слоями катализатора, а контактный газ с выхода каждого слоя (кроме последконтактный него) охлаждается и подается на газ вход следующего (рис. 3). В обРис. 3. Многослойный КА с распределением газовых потоков между слоями катализатора щем случае потоки F, C и R состоят из следующих компонентов: F – SO2, O2, N2; C – O2, N2; R – SO2, SO3, O2, N2.

Учитывая то, что результаты оптимизации во многом зависят от величины и состава входных потоков контактного узла (F, C, R), процедура оптимального проектирования разбита на два этапа:

I. Оптимизация КА при заданных параметрах входных потоков (задача решалась на основе принципа максимума Понтрягина для дискретных процессов).

II. Выбор параметров входных потоков, в частности параметров рецикла.

Задача оптимизации многослойного КА в схеме с рециклом была сформулирована следующим образом: найти коэффициенты распределения потоков F, C и R заданного состава и расхода между слоями контактной массы, обеспечивающие требуемую производительность аппарата (полное превращение SO2, содержащегося в потоке F) при минимальном объеме катализатора.

Для решения поставленной задачи весь контактный аппарат условно представлен состоящим из однотипных стадий, общее количество которых равно n;

(i+1)-я стадия показана на рис. 4. На каждой (i+1)-й стадии происходит измене1 ние вектора переменных состояния X (X,…, X ), элементами которого являi i i ются: Xi1, Xi2, Xi3 – мольные доли компонентов (соответственно SO2, O2, SO3) в контактном газе; Xi4 – расход контактного газа, моль/с; Xi5 – расход части потока R, поступающей на стадию, моль/с; Xi6, Xi7 – то же для потоков F и C;

i Vjкат X = – количество катализатора, м3, на стадиях от первой до i-й, i F + R + С j=отнесенное к общему расходу газа на входе КА.

Xi1… Xi4 Ui4 5 Xi+11… Xi+UiXi+XiUiXi6 Xi+Ui Xi+XiUiРис. 4. Схема одной стадии процесса: 1 – распределение потока рецикла;

2 – распределение потока сернистого газа; 3 – распределение потока окислителя; 4 – смешение газовых потоков; 5 – окисление SO2.

На каждой (i+1)-й стадии возможны управляющие воздействия, реализующие вектор Ui (Ui1,…,Ui5 ) : Ui1, Ui2, Ui3 – доли потоков R, F и C, направляемые на окисление; Ui4 – температура газа на входе в слой катализатора, К; Ui5 – количество катализатора в слое отнесенное к общему расходу газа на входе контактного аппарата.

Изменение первых трех переменных состояния описывается уравнениями, полученными на основе известной кинетической зависимости Борескова- Иванова:

zкi (R + F +C)UiФik (Xi+1, Xi,Ui) = = 0, (7) i E(A,Bi,Ui4,z)dzNi zнi где k=1,2,3; i=0,…,n-1; E – обратная скорость реакции окисления диоксида серы, м3·с/моль; Ai, Bi – начальные концентрации SO2 и O2 (при отсутствии SO3) на входе в (i+1)-й слой катализатора; z – мольная концентрация SO3 (индексы “н” и “к” соответствуют значениям параметра на входе и выходе из слоя);

Ni = Xi4 + RUi + FUi2 + CUi3 - общий расход газа на входе в (i+1)-й слой, моль/с.

Для остальных переменных справедливы соотношения k X = fi k (X,Ui ) (k=4,…,8; i=0,…,n-1), (8) i+1 i функции fi k имеют вид 3 Ni + 0.5(X X + RzrUi1) i i fi 4 = X = ;

(9) i+1+ 0.5zк i 5 5 fi5 = X = X - RUi ; (10) i+1 i 6 fi6 = X = X - FUi2 ; (11) i+1 i 7 fi7 = X = X - CUi3 ; (12) i+1 i 8 fi8 = X = X +Ui5. (13) i+1 i Математическая постановка задачи оптимизации выглядит следующим образом. Пусть процесс описывается уравнениями (7), (8) с начальными условия4 5 6 7 ми: X = 0, X = R, X = F, X = C, X = 0; кроме того, заданы значения 0 0 0 0 концентраций O2, SO2 и SO3 в потоках рецикла, сернистого газа и окислителя (соответственно yr, xr, zr; yf, xf ; yc). Требуется найти такие значения Ui (i=0,…,n-1), которые доставляют оптимум критерию Q = X min (14) n при ограничениях X = R + F + C - 0.5Fx ;

(15) n f k X = 0 (k=5,6,7). (16) n На основе принципа максимума Понтрягина были получены необходимые условия оптимальности в рассматриваемой задаче:

zкi 1 E E Di[V7 (1- 0.5xr ) -V5 ] + (xr + Hi zr ) + Bi [yr - yc + 0.5zr (1- Bi )]dz + Mi zнiAi Gi (xr + Hi zr ) zr (17) + E(zк i ) - E(zнi ) + 0.5xrWi = 0 ;

Ni Mi Hi i zк Gi xf 1 E E Di[V7 (1- 0.5xf ) -V6] + A xf + (yf - yc )dz + Hi E(zкi ) + 0.5xfWi = 0; (18) Mi i Bi zн i zкi E dz = 0 ;

(19) Uizнi 1 Gi ( X + X H ) 1 i i i Gi-1Ni-1(V7 Di-1 - Wi-1) = Ni V7 Di (1 - 0.5X ) + E(zк i ) + 0.5X Wi + i i M H i i zкi 1 E E 1 3 2 3 (20) + i i i i i i i A (X + X H ) + Bi (X - yc + 0.5X (1 - Bi )) dz - X E(zн ) ;

M i zнi i i zк 1 E E Ni-1E(zк(i-1) ) = 0.5X Ni ( Ai - Ai-1) + (Bi - Bi-1)dz + i Bi M zнi Ai i Gi ( Ai - Ai-1) + E(zк i ) + H (Wi - V7 Di ) + X E(zн i ).

(21) i-1 i H i где V5, V6, V7 – множители Лагранжа;

zкi zкi 1 E E AiGi ;

Wi = ( yc - Bi ) - Ai dz - E ( zк i ) + E dz + zн i E ( zн i ) M Bi Ai N zн H i i i i zнi F + R + C 1 3 4 Gi = 1- 0.5X ; Hi = 1- 0.5Ai ; M = Ni + 0.5(X X + RzrUi ) ;.

Di = i+1 i i i Ni Эти соотношения совместно с уравнениями (7), (9)-(13) образуют систему 13n уравнений для определения 13n неизвестных: X, Ui (i=0,…,n-1), V5, V6, i+V7. Для решения указанной системы уравнений был разработан эффективный алгоритм, который позволяет свести процедуру оптимизации к последовательному решению n систем уравнений отдельно для каждой стадии (на первой из 3, а на остальных из 5 уравнений).

Составлена (в среде Delphi 3.0) программа оптимального проектирования КА. Программа позволяет выполнять однократный расчет оптимального КА, многовариантный расчет, а также расчет параметрической чувствительности.

Проведен расчет оптимального 2-х, 3-х и 4-слойного КА для различного сочетания параметров входных потоков (F, C, R). Показано, что при проектировании аппаратов с заданными параметрами входных потоков следует задаваться минимально необходимым, для достижения требуемой производительности, количеством слоев контактной массы.

Далее в работе рассматривается вопросы рационального выбора параметров рецикла (потока R). В качестве условия такого выбора предложено использовать условие максимальной производительности адиабатического слоя контактной массы2. Согласно этому условию максимальную производительность ---------------------------------------------- Kobjakov A.I., Arpishkin I.M. Contact oxidation of concentrated sulfide mixtures / Chem. Ind. 54 (2000) 546.

слоя катализатора обеспечивает такой температурный режим, при котором температура реакционного газа на входе в слой равна температуре зажигания реакционной смеси Tз, а температура газа на выходе слоя равна температуре начала термического разложения катализатора Tр (с учетом некоторого запаса):

Tн = Tз ; Tк = Tр. (22) Процедура выбора параметров рецикла, при условии, что диапазоны изменения величины потока R и его состава (в частности соотношения в нем концентраций SO2:O2 – m) ограничены какими-то фиксированными рамками [Rmin, Rmax] и [mmin, mmax], представлена в виде следующей последовательности.

1. Из диапазонов изменения параметров рецикла произвольно выбираем рабочую точку с координатами {Rр, mр}.

2. Для выбранных параметров рецикла {Rр, mр} на основе приближенного балансового расчета определяем минимально необходимое (для обеспечения заданной производительности) количество слоев контактной массы – n.

3. Варьируя параметры рециркулируемого потока в пределах указанных интервалов решаем задачу оптимального проектирования n-слойного КА (7)(16) с целью нахождения решения, в наибольшей степени удовлетворяющего выполнению условия максимальной производительности (22) в каждом слое катализатора. Параметры рецикла {Rо, mо}, при которых достигается выполнение этих условий, или максимальная близость к ним являются оптимальными.

В табл. 2 приведен пример расчета оптимального 3-слойного КА.

Таблица 2. Параметры КА при R = 57, F = 20.4, C = 12.4 моль/с (состав потоков по SO2, O2 и N2, мол. д.: R - 0.16, 0.79, 0.05; F - 0.981, 0.014, 0.005; C - 0, 0.995, 0.005) Номер слоя (i+1) Номер слоя (i+1) Параметры Параметры 1 2 3 1 2 Ui1 1 0 0 Xi+11 0.138 0.122 0.Ui2 0.279 0.324 0.397 Xi+12 0.736 0.673 0.Ui3 0.540 0.303 0.157 Xi+13 0.083 0.166 0.Ni 69.41 77.03 83.70 Xi+14 66.65 73.68 79.zн i 0 0.071 0.146 Xi+15 0 0 Ui4 723.0 723.0 723.4 Xi+16 14.69 8.08 Tк i 873.0 873.0 873.0 Xi+17 5.70 1.94 0.075 0.114 0.i i = 0.* Tкi – температура газа на выходе слоя.

В четвертой главе исследуются вопросы организации и поддержания оптимальных режимов в СКС с газооборотом. Разрабатываются алгоритмы управления замкнутой системой. Поскольку оптимальное функционирование замкнутой системы во многом зависит от организации процессов на стадии выделения триоксида серы (которая является лимитирующей), первая часть главы посвящена исследованию процессов выделения SO3 из контактного газа.

В традиционной схеме получения серной кислоты выделение триоксида серы из контактного газа (содержащего 9-12% об. SO3) проводят путем абсорбции разбавленной серной кислотой. Применение рециркуляции отработанных газов позволяет ослабить требования к степени извлечения триоксида серы и повысить его концентрацию в контактном газе. При этом использование абсорбционного способа выделения становится не столь эффективным ввиду увеличения удельного (на единицу объема контактного газа) расхода абсорбента.

Зато появляется возможность использовать для выделения SO3 из контактного газа более экономичный процесс конденсации, который позволяет получать в качестве готовой продукции наряду с H2SO4 и олеумом жидкий триоксид серы.

Поскольку полностью выделить триоксид серы в чистом виде из контактного газа путем конденсации невозможно, для оформления БВ предложено использовать конденсационно-абсорбционный способ, предусматривающий частичную конденсацию SO3 с дальнейшим направлением не сконденсировавшегося газа на абсорбцию (рис. 5). Данный способ позволяет добиться высокой степени извлечения чистого SO3, не перегружая стадию абсорбции, т.е. решить задачу выделения триоксида серы и качественно, и количественно.

R L Рис. 5. Конденсационноабсорбционная схема выдеА К 98,3% ления SO3: К – конденсатор, H2SOH2O А – абсорбер, СК – сборник SO3(ж) кислоты; L - контактный СК газ, R – отработанный газ.

H2SOПроводится исследование процесса конденсации триоксида серы из контактных газовых смесей, содержащих: SO3, SO2, O2 и N2. Характер рассматриваемого процесса зависит, главным образом, от соотношения концентраций SO3:SO2 (степени превращения SO2) в контактном газе, поэтому исследуется влияние именно этого показателя на условия осуществления процесса.

Pages:     | 1 || 3 |






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