一種克勞斯硫磺回收過程中反應(yīng)爐動態(tài)建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種克勞斯硫磺回收過程中反應(yīng)爐動態(tài)建模方法。本發(fā)明在原子物料守恒、Gibbs自由能最小原則及能量守恒計算的基礎(chǔ)上，首次提出通過將熱量損失計入能量守恒方程進(jìn)行迭代計算判斷反應(yīng)爐內(nèi)的溫度是否合理，進(jìn)而計算反應(yīng)爐內(nèi)的組分，為克勞斯硫磺回收過程中反應(yīng)爐動態(tài)建模提出了一種新的方法。在計算過程中，首先假定克勞斯硫磺回收過程中反應(yīng)爐內(nèi)的溫度及各組分的量，通過物料平衡方程、Gibbs自由能最小原則計算反應(yīng)爐內(nèi)組分含量，然后通過能量平衡方程判斷假定的溫度是否合理。本發(fā)明初次提出一種克勞斯硫磺回收過程中反應(yīng)爐動態(tài)建模方法，為克勞斯硫磺回收過程的動態(tài)建模計算提供了一條新的途徑。
【專利說明】一種克勞斯硫磺回收過程中反應(yīng)爐動態(tài)建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化工【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種克勞斯硫磺回收過程中反應(yīng)爐動態(tài)建模方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球含硫原油和天然氣資源的大量開發(fā)，工廠和生活過程中產(chǎn)生的酸性氣體 已經(jīng)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了惡劣的影響，因此，硫磺回收裝置已成為大型天然氣凈化廠、煉油 廠、石油化工廠加工含硫天然氣、含硫原油時不可缺少的配套裝置。目前，通過使用克勞斯 法回收硫磺的工藝已成為天然氣或煉廠氣加工的一個重要組成部分。
[0003] 近年來，克勞斯硫磺回收工藝的研究主要集中在催化過程中催化劑的研究、吸收 劑的選擇、工藝參數(shù)的簡化計算及穩(wěn)態(tài)計算模型的研究(包含反應(yīng)爐數(shù)學(xué)模型的建立、轉(zhuǎn)化 器數(shù)學(xué)模型的建立等）等。然而，實際生產(chǎn)過程是一個動態(tài)過程，反應(yīng)器內(nèi)的溫度、壓力、組 成等均受到進(jìn)料、出料及操作等因素的影響，穩(wěn)態(tài)模型不足以解決實際生產(chǎn)問題，因此開發(fā) 一種克勞斯硫磺回收過程中動態(tài)模型顯得尤為必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種新的克勞斯硫磺回收過程中反應(yīng)爐動態(tài) 建模方法。
[0005] 克勞斯硫磺回收過程中參與的酸性氣體中除含有H2S，還含有C02, N2和H20等，來 自煉廠氣、焦?fàn)t氣或水煤氣脫硫裝置中的酸性氣體還可能含有NH 3和HCN等。因此，反應(yīng)爐 內(nèi)實際發(fā)生的反應(yīng)非常復(fù)雜，但主要反應(yīng)有以下幾種： 2H2S + 302 - 2 S02 + 2H20 2H2S + S02 -I Sx + 2H20 COS + H2S - CS2 + h2o h2s + co2 - cos + h2o h2 + C02 - CO + h2o 只需確定反應(yīng)爐內(nèi)sx的形態(tài)，就可以確定反應(yīng)爐內(nèi)的主要熱反應(yīng)，而在氣相中的硫蒸 汽主要以s2, s6, s8的形式存在，并有如下平衡關(guān)系： 3S2 - S6 4S2 - S8 4S6 - 3S8 一般而言，大于1000°C時，氣相中主要是民，小于450°C時，氣相中主要是s6, S8。由于 反應(yīng)爐的出爐氣溫度一般在100(TC以上，所以在反應(yīng)爐出爐過程氣中，硫蒸汽中主要是s2。 [000 6]在克勞斯硫磺回收過程的反應(yīng)爐動態(tài)建模過程中，主要用到的方程包含：物料平 衡計算，Gibbs自由能最小的原則及能量平衡計算，通過以下四個具體步驟完成反應(yīng)爐的動 態(tài)建模。
[0007]步驟（1 )，建立從某一個初始時刻t到下一個時刻t+ Λ t之間的動態(tài)建模過程中的 物料平衡方程，具體是： 已知t時刻反應(yīng)器內(nèi)各組分的物質(zhì)的量、進(jìn)料組分及流量，在反應(yīng)爐中，先將t時刻反 應(yīng)器內(nèi)的物料與At時間段內(nèi)的進(jìn)料物質(zhì)混合，視為此輪計算的初始反應(yīng)物；建立物料平 衡方程，其模型表達(dá)式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種克勞斯硫磺回收過程中反應(yīng)爐動態(tài)建模方法，其特征在于該方法包括以下步 驟： 步驟（1 )，建立從某一個初始時刻t到下一個時刻t+ Λ t之間的動態(tài)建模過程中的物料 平衡方程，具體是： 已知t時刻反應(yīng)器內(nèi)各組分的物質(zhì)的量、進(jìn)料組分及流量，在反應(yīng)爐中，先將t時刻反 應(yīng)器內(nèi)的物料與At時間段內(nèi)的進(jìn)料物質(zhì)混合，視為此輪計算的初始反應(yīng)物；建立物料平 衡方程，其模型表達(dá)式為：
式中，Μ為此輪計算初始反應(yīng)物的量，mol 為反應(yīng)爐內(nèi)原有物料的累積量，單位為 m〇l 為進(jìn)料組分i的摩爾流量，單位為m〇l/h 為每輪計算所需的時間,單位為h ; 反應(yīng)爐內(nèi)At內(nèi)進(jìn)入的物料、t內(nèi)積累的物料與t+At時刻反應(yīng)開始后物料尊循原子 守恒，其模型如下：
式中，β.為t+At時刻，反應(yīng)開始后j元素的原子總數(shù);Sj為t時刻反應(yīng)爐內(nèi)累積的元 J 素 j的原子總數(shù)；民4為Λ t時刻內(nèi)進(jìn)入反應(yīng)爐內(nèi)的物料中元素 j的原子總數(shù)；j分別表示 硫、氫、氧、碳元素中的一種； 步驟（2)，設(shè)克勞斯硫磺回收過程中反應(yīng)爐溫度的初值為T，由于系統(tǒng)Gibbs自由能為 溫度和組成的函數(shù)，其總Gibbs自由能可表示如下：
其中，G為混合物系統(tǒng)的總Gibbs自由能，kj 為（? + Δ? )時間段內(nèi)反應(yīng)器中所有組 分i累積的總量，mol 為組分i的Gibbs自由能，KJ/mol，其計算表達(dá)式為：
式中，〇f是標(biāo)態(tài)下組分i的Gibbs自由能,kJ/mol 為組分i在當(dāng)前溫度壓力下對應(yīng) 的逸度，kPa ; jf為組分i在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的逸度，kPa ;R為熱力學(xué)常數(shù)，X/(mol · K) ;T表 不溫度，Κ ;系統(tǒng)的總Gibbs自由能可以表不為：
由于在反應(yīng)達(dá)到平衡時，整個系統(tǒng)的Gibbs自由能會取得其最小值；結(jié)合步驟（1)的原 子數(shù)守恒公式，可以將該時刻反應(yīng)達(dá)到平衡時整個系統(tǒng)的組成和相分率的求解問題轉(zhuǎn)化為 求解如下最優(yōu)化問題：
采用拉格朗日因子法解決此最優(yōu)化問題：首先，將原子數(shù)守恒條件乘以拉格朗日因子 Λ?，然后加和到Gibbs自由能表達(dá)式上；在設(shè)定的P、T下，對系統(tǒng)Gibbs自由能表達(dá)式求》; 的偏導(dǎo)，其偏導(dǎo)為〇,則有：
聯(lián)立原子守恒方程與Gibbs方程，即可通過牛頓迭代求解出當(dāng)前溫度壓力下對應(yīng)的物 料組成；； 步驟（3)，根據(jù)能量平衡方程，建立反應(yīng)爐內(nèi)的能量平衡模型，計算在? +Δ?時間段反 應(yīng)器內(nèi)物料的總焓值，其表達(dá)式如下：
式中，ΓΜ/人為反應(yīng)器內(nèi)累積物料的總焓值，盡為?時刻反應(yīng)器內(nèi)累積物料的摩爾焓， KJ/mol 為反應(yīng)器內(nèi)每輪計算所需要的時間，h 為進(jìn)料物流的摩爾焓(可以是多股 進(jìn)料)，Kj/m〇i 為外界提供反應(yīng)爐的熱量，kj/h ;<?為熱損失的量，kj/h ; 忽略熱輻射的影響，在反應(yīng)爐內(nèi)的熱損失包含三個部分，分別為：反應(yīng)爐內(nèi)部氣體對流 傳熱、保溫層及器壁傳熱、空氣側(cè)對流；假定保溫層內(nèi)壁溫度為計算熱損失的量； 在反應(yīng)爐內(nèi)部氣體與保溫層內(nèi)壁的對流換熱屬于內(nèi)強(qiáng)制對流換熱，其對流傳熱系數(shù)~ 的計算公式為：
式中，^為爐內(nèi)氣體對流傳熱系數(shù), °C) ;Α為氣體在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)， ) ;ν為氣體在平均溫度下的運(yùn)動粘度，m2 /s 為氣體在平均溫度下的普朗特準(zhǔn) 數(shù)；rfdl為當(dāng)量直徑，m ;IQ為氣體溫度與保溫層內(nèi)壁溫度的修正系數(shù)而為受熱面的相對長 度修正系數(shù);(5為輻射換熱修正系數(shù)；《ν為氣體流速，m/s ;平均溫度為反應(yīng)爐內(nèi)部氣體溫 度與保溫層內(nèi)壁溫度的平均值； 在內(nèi)外介質(zhì)溫度保持不變的情況下，反應(yīng)爐通過壁面向外傳熱損失的熱量恒定不變， 因此，單位面積通過對流傳熱的熱損失q為：
假設(shè)保溫層與器壁在同一時刻始終在熱平衡狀態(tài)，穩(wěn)定傳熱時，保溫層壁內(nèi)外之間的 熱通量相等，由傳熱邊界方程得：
式中，Tw為保溫層外壁溫度，°C ;h為平均對流傳熱系數(shù)，獸/(謂2 · °C);可通過上式根 據(jù)已知的保溫層外壁溫度Tw求出器壁外側(cè)溫度Tw。； 在確定空氣溫度為t的情況下，通過上述傳熱邊界方程可推測計算空氣在自然對流狀 態(tài)下的對流傳熱系數(shù)久：
根據(jù)\值是否在1?10 WV(m2*aC)之間，確定假設(shè)的保溫層內(nèi)壁溫度是否合理；若 4的值超過這個取值范圍，則重新假定保溫層內(nèi)壁溫度，重新開始計算；如果合理，則繼續(xù) 計算反應(yīng)爐內(nèi)總的傳熱系數(shù)：
式中，Λρ 112分別為內(nèi)外側(cè)壁表面與流體的對流傳熱系數(shù)，厭/(m2，aC) ;1丨為構(gòu)成 反應(yīng)爐壁各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，H//('m2 ' aC) 反應(yīng)爐壁各種材料的厚度，m ; 通過總的傳熱系數(shù)，有效傳熱面積A，計算反應(yīng)爐內(nèi)熱量的總損失：
步驟（4)，由于物料的摩爾焓為溫度、壓力及組成的函數(shù)，其表達(dá)式為：
通過已知的壓力P、步驟（2)中假定的溫度T和求解的組成Ζρ計算反應(yīng)后反應(yīng)器內(nèi)物 料的摩爾焓，那物料的總焓值達(dá)式為：
根據(jù)能量平衡方程，反應(yīng)前后的總能量應(yīng)該相等，建立反應(yīng)爐內(nèi)的能量平衡模型，其 表達(dá)式如下： LH =
若Δ/? 2 f ,則返回步驟（2),估算新的溫度T，重新開始計算；若Aii < f ,則輸出計算結(jié) 果。
【文檔編號】G06F19/00GK104298866SQ201410521027
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】葛銘, 魏江, 葛文鋒, 鄭小青, 鄭松, 李小爽 申請人:杭州電子科技大學(xué)