بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، فرآیند احتراق در کوره واکنشی واحد بازیافت گوگرد پالایشگاه نفت آبادان توسط نرمافزار شبیهساز عددی فلوئنت شبیهسازی شده و میزان گوگرد تولیدی به همراه محصولات حاصل از احتراق و دمای احتراق با دادههای تجربی اعتبارسنجی شدهاند. دادههای خروجی مانند دمای کوره واکنش و جزء مولی محصولات احتراق در خروجی با دادههای تجربی تطابق خوبی دارند. در این شبیهسازی از مدل اغتشاش K و مدل احتراقی اضمحلال گردابهای استفاده شده است.
-1 مقدمه
واحد بازیافت گوگرد، یک واحد مهم در فرآیند پالایش نفت و گاز میباشد. این واحد سولفید هیدروژن را از خوراک گاز اسیدی قبل از اینکه در محیط آزاد شود، جدا میکند .[1] به طور کلی سولفید هیدروژن به عنوان محصول جانبی نامطلوب واحد پالایش نفت و گاز میباشد .[2] فرآیندهای مختلفی جهت بازیافت گوگرد از گاز سولفید هیدروژن به کار بسته شدهاند. فرآیند کلاوس پرکاربردترین فرآیند جهت محقق کردن این امر می-باشد1]،.[3 شایان ذکر است که اصلاحات زیادی جهت افزایش میزان بازیافت گوگرد بر روی فرآیند اصلی کلاوس انجام شده است.
حداقل بازده مورد قبول بازیافت گوگرد برای واحدهای پالایش گاز و پالایشگاههایی که با میزان 10 LT/d یا مقدار بیشتر گاز طبیعی سر و کار دارند، در محدوده 97/5 - 99/8 میباشد[.4]اخیراً مطالعات زیادی بر روی کوره واکنش کلاوس انجام گرفته است. اگر مقدار جریانی که به کوره واکنش فرستاده میشود در جدا کننده افزایش یابد، در ابتدا دمای برنر اصلی به حداکثر مقدار خود افزایش مییابد، اما اگر جریان ورودی دوباره افزایش پیدا کند، دمای برنر اصلی به شدت کاهش مییابد.
این مساله برای هر سه حالت غلظت اکسیژن نیز صدق میکند.[5] با این حال اگر غلظت سولفید هیدروژن، نسبت سولفید هیدروژن1 به دی اکسید گوگرد2 و نرخ جریان هوا افزایش یابند، دمای برنر اصلی افزایش پیدا میکند. در این مقاله، فرآیند احتراق در کوره واکنش واحد کلاوس شبیهسازی شده و دادههای خروجی اعم از جزء مولی محصولات و دمای احتراق با دادههای تجربی اعتبار سنجی شدهاند، نتایج تطابق خوبی با دادههای تجربی دارند. شکل 1 دیاگرام جریان واحد کلاوس رانشان میدهد. در این فرآیند، گاز اسیدی - سولفید هیدروژن و سوخت گازی - وارد واحد بازیافت گوگرد3 شده و در تفکیکگر به دو جریان تقسیم میشود. یک قسمت از جریان به برنر اصلی، و قسمت دیگر جریان به گرمکن جهت هیدرولیز ترکیبات گوگردی و تبدیل آنها به سولفید هیدروژن فرستاده میشود. 1/3 سولفید هیدروژن ورودی در اثر احتراق با هوای ورودی در برنر اصلی به دی اکسید گوگرد تبدیل میشود.
- 1 - 2H2S +3O2 2SO2 + 2H2O
واکنش فوق مقدار بسیار زیادی گرما آزاد میکند. علاوه بر این، محصولات احتراق واکنش فوق امکان رخ دادن واکنش کلاوس بین سولفید هیدروژن و دی اکسید گوگرد را فراهم میکند.
- 2 - 2H2S +SO2 3/n Sn + 2H2O
مقدار n در واکنش فوق میتواند در محدوده 6-8 باشد. واکنش - 2 - ، یک واکنش گرمازا و برگشت پذیر می-باشد، بنابراین، فرآیند تحت شرایط آدیاباتیک باعث افزایش دما میشود. جریان گاز پس از کوره واکنش از مبدل حرارتی اول جهت بازیابی گرما و تولید بخار فشار بالا عبور میکند
عبور از مبدل حرارتی دوم جایی است که توزیع مجدد S2 تا S8 واکنش ابتدایی میباشد که رخ میدهد در این قسمت بخارات گوگرد به گوگرد مایع تبدیل میشود. باید توجه داشت که واکنشهای جانبی که شامل هیدروکربنها و دیاکسید کربن موجود در گاز اسیدی ورودی میباشند، میتواند منجر به تشکیل کربونیل سولفید و کربن دی سولفید در کوره واکنش شود.[7] جریان خروجی از مبدل حرارتی دوم و گرمکن گاز اسیدی در کندانسور اول سرد شده تا گوگرد مایع بازیابی شود. جریان گاز خروجی از کندانسور اول در بازگرمکن اول پیشگرم شده و به بستر کاتالیستی، جایی که واکنش کلاوس در دمایی پایینتر اتفاق میافتد، فرستاده میشود. این امر باعث تبدیل تعادلی بالاتری میشود به این دلیل که فرآیند کلاوس گرمازا میباشد.
معمولاً، کربونیل سولفید و کربن دیسولفید در کاتالیزور اول طبق واکنش گرمازا زیر هیدرولیز میشوند.
- 3 - CO2 + H2S COS +H2O
- 4 - CO2 + 2H2S CS2 +2H2O
کانورتر مرحله اول باید به اندازه کافی در دمای بالا برای هیدرولیز کربونیل سولفید و کربن دی سولفاید نگه داشته میشود. ون و همکاران1 در سال [8]1987، پیش بینی تجربی کربن مونوکسید2، کربونیل سولفید3، کربن دی سولفید4 و هیدروژن5 را توسط حداقل محاسبات تعادل انرژی آزاد مورد مطالعه قرار دادند. مطالعهای توسط داولینگ6 در سال [9]1990، از دانشگاه کلگری کانادا7، بر روی واکنش تجزیه سولفید هیدروژن به هیدروژن و گوگرد که یکی از واکنشهایی میباشد که در کوره اتفاق میافتد و سینتیک آن بیانگر این موضوع است که این واکنش بسیار سریع انجام میشود.
این واکنش، یک واکنش برگشت پذیر میباشد به طوری که در دمای پایین واکنش رو به جلو، و در دمای بالا معکوس واکنش اتفاق میافتد. سینتیک فراهم شده برای واکنش رو به جلو، واکنش مرتبه اول سولفید هیدروژن و برای واکنش برگشتی - تولید سولفید هیدروژن - نیز واکنش از مرتبه اول میباشد. سینتیک واکنش تشکیل کربونیل سولفید از طریق ترکیب مونوکسیدکربن و سولفیدهیدروژن مشخص شده است. زارعنژاد و حسینپور [10] دادههای واقعی را با دادههای حداقل انرژی آزاد گیبس مقایسه کردند و به این نتیجه رسیدند که دادههای مربوط به حداقل انرژی آزاد گیبس تطابق خوبی با دادههای واقعی دارند.
شکل 1 دیاگرام جریان فرآیند کلاوس
در این مقاله، فرآیند احتراق در کوره واکنش واحد کلاوس شبیهسازی شده و دادههای خروجی اعم از جزء مولی محصولات و دمای احتراق با دادههای تجربی اعتبار سنجی شدهاند، نتایج تطابق خوبی با دادههای تجربی دارند.
-2 شبیهسازی عددی فرآیند احتراق
1-2 مدلسازی هندسی
کوره شبیهسازی شده، کورهای استوانهای به طول، 10730 میلیمتر، و قطر 2000 میلیمتر میباشد. کوره دارای چهار عدد ورودی، شامل ورودی هوا، گاز سولفید هیدروژن به عنوان سوخت اصلی، گاز متان و دی اکسید گوگرد میباشد، که سه ورودی اول بر روی مشعل در ورودی کوره قرار داشته، و ورودی دیاکسید گوگرد بر روی خود کوره قرار گرفته است. هندسه کوره به صورت دوبعدی - متقارن محور در نظر گرفته شده است. ورودی سوخت اصلی و هوا برابر با 40 میلیمتر، ورودی متان و دیاکسید گوگرد برابر با 50 میلیمتر میباشد. ورودی هوا و گاز سوخت - متان - به صورت محوری و ورودی سوخت سولفید هیدروژن به صورت مماسی میباشد. مدل ابتدا رسم شده و شبکه بندی مناسب هندسه، انتخاب گردیده و برای تحلیل به کمک نرم افزار فلوئنت آماده گردید. شکل 2، هندسه و شکل 3، شبکهبندی کوره را نشان میدهد.
با توجه به دو بعدی بودن هندسه و زمان اجرا، هزینه های محاسباتی و پراکندگی عددی از شبکه چهار ضلعی1 در نرم افزار ورکبنچ2 استفاده شده است. شرایط مرزی در تمام ورودیها به صورت دبی ورودی3 در نظر گرفته شده است. دبی متان، سولفید هیدروژن و هوا به ترتیب برابر با 0/09، 1/34 و 3/1025 کیلوگرم بر ثانیه میباشد. شرط مرزی خروجی کوره به صورت فشار خروجی4 و دیواره کوره عایق میباشد.
