В статье авторы проводят вычисление свойств смесей кислых газов различного состава, используя программный пакет COMSOL Multiphysics®.
Ключевые слова: кислый газ, сероводород, процесс Клауса, теплоёмкость, плотность, моделирование, термодинамика, свойства газов.
Кислый газ — это смесь серосодержащих газов, где наиболее крупным компонентом является сероводород. На современных нефте- и газоперерабатывающих заводах кислый газ образуется в как побочный продукт процессов гидроочистки. Для утилизации данного газа используют процесс Клауса. Данный процесс состоит из двух стадий. На первой стадии сжигается часть сероводорода, содержащаяся в кислом газе, с образованием диоксида серы, на второй стадии происходит реакция между оставшимся сероводородом и диоксидом серы с образованием молекулярной серы [1, 2].
Для проектирования процесса Клауса необходимо иметь полную информацию о свойствах кислого газа, поскольку от этих свойств зависит качество работы технологической установки. В разнообразной справочной литературе есть множество данных о физических и химических свойствах веществ, входящих в состав кислых газов, однако подобных данных нет для многокомпонентной смеси веществ. Моделирование свойств кислого газа может помочь решить описанные выше проблемы, что обосновывает актуальность работы.
Целью данной работы является изучение влияния различных компонентов на свойства кислого газа. Задачами работы являются: моделирование свойств смесей компонентов кислого газа известного состава при различных температурах, моделирование свойств кислого газа различного состава, сравнение полученных свойств со свойствами чистого сероводорода.
1. Исходные данные и метод моделирования
Для изучения того, как индивидуальные компоненты влияют на свойства кислого газа, нужно определить, какие компоненты могут входить в состав кислого газа. Кислый газ, участвующий в процессе Клауса, обычно имеет широкий диапазон веществ в своём составе, например, H 2 S — 50–100 % мольн., NH 3– 0–50 % мольн., углеводороды — 0–50 % мольн. Большую часть в составе кислого газа занимает сероводород, остальное делят между собой аммиак и легкие углеводороды, представленные этаном и пропаном. Также кислый газ может содержать в себе углекислый газ [2, 3].
Основываясь на изученной информации, были сформированы составы 6 потоков кислого газа. На первых 2 потоках путем изменения содержания сероводорода будут определены зависимости свойств кислого газа от компонентного состава, оставшиеся потоки представляют из себя кислые газы реального состава, полученные при расчете материального баланса процесса Клауса. Состав 4 потоков кислого газа указан в таблице 1.
Таблица 1
Состав моделируемых потоков
|
№ потока |
H 2 S, % мольн. |
SO 2 , % мольн. |
NH 3 , % мольн. |
N 2 , % мольн. |
C 2 H 6 , % мольн. |
C 3 H 8 , % мольн. |
CO 2 , % мольн. |
H 2 O, % мольн. |
|
1 |
50 |
0 |
50 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
2 |
50 |
50 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
3 |
90 |
0 |
5 |
0 |
2 |
3 |
0 |
0 |
|
4 |
3,5 |
1,7 |
0 |
68,8 |
0 |
0 |
2,5 |
23,5 |
Моделирование проводилось с использованием программного пакета COMSOL Multiphysics® версии 6.1 [4]. В качестве моделируемых свойств были выбраны плотность и изобарная теплоёмкость. Свойства потоков № 1–2 были смоделированы с помощью термодинамической модели состояния идеального газа, которая имеет вид [5]:
где P — давление газа, V — объём газовой системы, ν — количество моль газа, R — газовая постоянная, T — температура газа.
Для данных потоков выбор подобной модели объясняется тем, что в рассматриваемых смесях газов можно пренебречь силами взаимодействия между молекулами в силу того, что газы имеют низкую плотность и молекулярную массу. Моделирование проводилось при давлении, равном 1 атмосфере, в диапазоне температур 298–598 К, при варьировании содержания кислого газа на 10 %.
Для моделирования свойств потоков № 3–4 была выбрана модель Соаве-Редлиха-Квонга, поскольку рассматриваемые потоки по составу близки к реальным газам, данная модель позволит более точно приблизить рассчитанные данные к реальным, и имеет вид [5]:
где α, a, b — рассчитываемые константы.
Данные потоки также моделировались при давлении, равном 1 атмосфере, и диапазоне температур 298–598 К, состав данных газов не подвергался варьированию.
2. Результаты и обсуждение
В результате моделирования потока № 1 было установлено, что наличие аммиака в кислом газе понижает плотность газовой смеси (рис. 1), при этом аммиак в составе смеси повышает изобарную теплоемкость (рис. 2). Данный поток по составу соответствует сырью для первой стадии Клауса, чем больше теплоемкость данного газа, тем больше энергии надо приложить к нему, чтобы нагреть до определенной температуры, учитывая, что первая стадия Клауса проводится с предварительным нагревом сырья, наличия аммиака в сырье носит нежелательный характер
Рис. 1. Зависимость плотности потока кислого газа № 1 от температуры
Рис. 2. Зависимость изобарной теплоемкости потока кислого газа № 1 от температуры
Результаты моделирования потока № 2 показали, что диоксид серы в кислом газе увеличивает плотность газового потока больше, чем аммиак (рис. 3), однако наличие диоксида серы в составе снижает теплоёмкость смеси, что положительно влияет на возможности нагрева газовой смеси (рис. 4). По составу данный поток соответствует продуктовому потоку 1-й стадии Клауса, продукты этой стадии в дальнейшем также претерпевают нагрев. Наличие диоксида серы в продуктовом потоке 1-й стадии Клауса имеет положительный эффект для ведения процесса.
Рис. 3. Зависимость плотности потока кислого газа № 2 от температуры
Рис. 4. Зависимость изобарной теплоемкости потока кислого газа № 2 от температуры
По смоделированным данным для потоков № 3–4 было установлено, что поток № 3 наиболее близок к плотности чистого сероводорода (рис. 5), поскольку поток № 4 содержит малые объёмы сероводорода в силу того, что данный газ уже прошел 1-ю стадию Клауса и большая часть сероводорода из него была превращена в серу, которую вывели из газовой системы. По найденной теплоёмкости оба газовых потока расходятся с чистым сероводородом, но в рассматриваемом диапазоне температур теплоемкость потока № 4 возрастает наименее быстро, по сравнению с потоком № 3 и сероводородом (рис. 6).
Рис. 5. Зависимость плотности потока кислого газа № 3 и 4 от температуры
Рис. 6. Зависимость изобарной теплоемкости потока кислого газа № 3 и 4 от температуры
Рассчитанные свойства газов позволяют сделать обобщенные выводы о свойствах кислого газа в целом. Свойства газов всех составов с увеличением температуры претерпевают рост, что согласуется с термодинамическими данными. Содержание аммиака в кислом газе является нежелательным, поскольку такой поток газа будет затрачивать больше энергии на нагрев, это стоит учитывать при моделировании теплообменного оборудования для нагрева или охлаждения кислого газа. Основные свойства кислого газа образуются за счет наличия большого числа сероводорода, заметно, что после 1-й стадии Клауса, когда большая часть сероводорода уходит из системы, свойства газового потока заметно меняются. Полученные данные могут быть пригодны для любых практических расчетов с участием кислого газа.
Литература:
- Howard, F. R. Handbook of commercial catalysts heterogeneous catalysts / f. R. Howard. — 1. — Austin: CRC Press, 2000. — 482 c. — Текст: непосредственный.
- Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа / С. А. Ахметов, Т. П. Сериков, И. Р. Кузеев, М. И. Баязитов. — Санкт–Петербург: Недра, 2006. — 868 c. — Текст: непосредственный.
- Голубева, И. А. Производство газовой серы на Оренбургском ГПЗ, анализ проблем и предлагаемые решения / И. А. Голубева, А. Ш. Гареева. — Текст: непосредственный // НефтеГазоХимия. — 2019. — № 1. — С. 44–47.
- COMSOL Multiphysics® — программное обеспечение для инженерных расчетов. — Текст: электронный // COMSOL: [сайт]. — URL: https://www.comsol.com/ (дата обращения: 01.05.2023).
- Comsol Multiphysics ® Reference Guide. — Текст: электронный // Numerical Modelling Laboratory: [сайт]. — URL: http://www.lmn.pub.ro/~daniel/ElectromagneticModelingDoctoral/Books/COMSOL4.3/mph/COMSOLMultiphysicsReferenceGuide.pdf (дата обращения: 01.05.2023).
