Моделирование двухслойного реактора сероочистки

Авторы: В.Л. Гартман (ООО «НИАП-КАТАЛИЗАТОР»), С.В. Афанасьев (ФГБОУ Тольяттинский госуниверситет).

Опубликовано в журнале Химическая техника №10/2018

Сернистые соединения, такие как SO2, H2S, COS и другие, при определенном содержании в газах представляют опасность и для окружающей среды, и для технологических процессов. Тонкая сероочистка газа в настоящее время необходима не только для природного газа при использовании в традиционных химических производствах, в первую очередь, каталитических, но также и для переработки возобновляемых источников сырья (биогаз) и производства железа прямым восстановлением.

С другой стороны, технология приготовления поглотителей серы для тонкой сероочистки в настоящее время практически достигла своего предела с точки зрения сероемкости и скорости поглощения сернистых соединений.

В связи с этим интересно рассмотреть реактор, содержащий два слоя поглотителей серы с разными характеристиками (или два последовательных реактора, загруженных разными поглотителями), чтобы проверить, может ли такая комбинация увеличить время работы при фиксированном суммарном объеме загрузки.

Для моделирования были выбраны два типичных поглотителя серы. Первый (Abs1, таблетированный) имеет низкую пористость (около 30%) и, следовательно, низкий коэффициент диффузии, но высокую насыпную плотность и соответственно высокую сероемкость единицы объема. Его характеристики соответствуют промышленному поглотителю НИАП-02-02 производства ООО «НИАП-КАТАЛИЗАТОР».

Второй (Abs2, экструдаты) имеет относительно высокую пористость (около 50%) и соответственно высокий коэффициент диффузии при умеренной насыпной плотности и сероемкости единицы объема. Его характеристики соответствуют промышленному поглотителю НИАП-02-05 производства ООО «НИАП-КАТАЛИЗАТОР».

Принятые для моделирования характеристики этих поглотителей приведены в таблице.

Как было показано в работе [1], скорость движения фронта H2S обратно пропорциональна сероемкости единицы объема поглотителя, а его ширина – коэффициенту диффузии H2S.

Таким образом, плотный поглотитель следует разместить в лобовом слое, а пористый после него, ниже по потоку газа.

Значение объемной скорости было выбрано типичным для промышленных установок сероочистки, как и целевое значение степени очистки. В качестве предиктора была выбрана доля fr объема лобового слоя в общем объеме слоя поглотителя, которая при постоянном диаметре аппарата соответствует соотношению длин слоев поглотителей.

Проскоковые кривые были рассчитаны с использованием для описания потока с небольшой примесью через слой поглотителя достаточно простой и наглядной модели Бохарта-Хиншелвуда [2–4]:

где c –содержание серы в единице объема газа, кг/м3; c0 – мгновенное содержание серы в газе на входе (кг/м3); P – локальная сероемкость единицы объема слоя, кг/м3; P0 – начальная сероемкость единицы объема слоя, кг/м3; q – коэффициент скорости в модели Бохарта–Хиншелвуда, м3/(кг∙с); t – время, с; u – линейная скорость газа, м/с; x – координата вдоль потока газа, м.

Проскоковые кривые для двухслойной загрузки сравнивались с кривыми для однослойных загрузок Abs1 или Abs2, с кривыми для двухслойных загрузок, где слои Abs1 и Abs2 расположены в обратном порядке, и с кривыми для слоев, заполненных однородными смесями Abs1 и Abs2 с тем же значением fr.

Для смеси поглотителей было принято:

коэффициент скорости в слое qmix = frq1 + (1 – fr)q2;

сероемкость единицы объема слоя p0mix = frp01 + (1 – fr)p02,

где q1 и q2 – коэффициенты скорости для поглотителей Abs1 и Abs2; P01 и P02 – сероемкости единицы объема слоя для поглотителей соответственно Abs1 и Abs2.

Условия эксплуатации: T = 380°C, р = 30 ати, V = = 1000 ч–1, с0 = 10 мг/м3.

Однослойные загрузки:

Двухслойные загрузки:

прямой порядок (2L-dir)

обратный порядок (2L-rev)

Однородная смесь (Mixed). Для смеси поглотителей было принято:

• коэффициент скорости в слое qmix = frq1 + (1 – fr)q2;
• сероемкость единицы объема слоя P0mix = frp01 + (1 –– fr)P02,

где c1, c2 – cодержание серы в газе на выходе из слоя соответственно Abs1 и Abs2; q1, q2 – коэффициент скорости поглотителя соответственно Abs1, Abs2; qmix – коэффициент скорости в слое смеси; P01, P02 – начальная сероемкость единицы объема слоя поглотителя соответственно Abs1 и Abs2; P0mix – начальная сероемкость единицы объема слоя смеси; s0 – L/u; s1 – frs0; s2 – (1 –– fr)s0; L – длина слоя.

Характеристики поглотителей

На рис. 1 показаны проскоковые кривые полной отработки для нескольких значений параметра fr, на рис. 2 – проскоковые кривые в начале пробега для нескольких значений параметра fr.

На рис. 3 приведено сравнение пробегов загрузок 2L-dir, 2L-rev и Mixed до проскока 0,5 мг/м3 серы на выходе в полном диапазоне значений параметра fr.

Наиболее интересные эффекты имеют место примерно в первой половине периода полной отработки сероемкости слоя, когда наблюдаются в основном высокие значения степени очистки (далее обозначаемой как «начальная стадия пробега»).

Основные качественные результаты моделирования:

• максимальное время пробега до проскока имеет место при равной длине слоев Abs1 и Abs2;
• степень очистки для двухслойной загрузки с предлагаемым порядком слоев выше, чем для однослойной загрузки Abs1 в начальной стадии пробега;
• степень очистки для однослойной загрузки Abs2 выше, чем для двухслойной загрузки с предлагаемым порядком слоев, в самом начале пробега (при очень высоких значениях степени очистки). Двухслойная загрузка работает лучше в остальной части начальной стадии пробега;
• степень очистки для двухслойной загрузки с предлагаемым порядком слоев на начальной стадии пробега лучше, чем для обратного порядка.

Использованный подход позволяет получить количественные результаты для конкретных конфигураций и условий процесса. Он может быть легко распространен на более сложные конфигурации.

Кроме того, авторы модели Бохарта–Хиншелвуда показали ее применимость и для других процессов необратимой адсорбции, широко используемых в процессах очистки газов, поэтому и полученные результаты могут быть к ним применимы.

Список литературы

1. V.L. Hartmann//Chem. Eng. 107 (2005) 39.
2. G.S. Bohart, E.Q. Adams, J. Am//Chem. Soc. 42 (1920) 523.
3. C.J. Danby, J.G. Davoud, D.H. Everett, C.N. Hinshelwood, R.M. Lodge, J.//Chem. Soc. (1946) 918.
4. Афанасьев С.В., Садовников А.А., Гартман В.Л., Обысов А.В., Дульнев А.В. Промышленный катализ в газохимии/Под ред. Афанасьева С.В. Самара: Изд. Сам. науч. центра РАН. 2018. 160 с.