عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی و بهینه سازی فرایندی واحد بازیابی گوگرد بر اساس فناوری کلاوس به منظور دستیابی به درصد بازیابی گوگرد بیشتر
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندها
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1485.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 64613
- تاریخ دفاع
- ۰۸ شهریور ۱۳۹۳
- دانشجو
- نادر جوانمردی نبی کندی
- استاد راهنما
- شهره فاطمی
- چکیده
- واحد بازیابی گوگرد در صنایع نفت و گاز جهت جلوگیری از انتشار ترکیبات سمی و مضر گوگردی به محیط زیست ساخته شده و توسعه یافته است. در پروژه حاضر شبیه¬سازی فرایند کلاوس اصلاح شده با عبور مستقیم خوراک جهت حذف گوگرد از گاز اسیدی ناشی از واحد تصفیه گاز یکی از پالایشگاه¬های گازی جنوب ایران (عسلویه) انجام شده است. گوگرد موجود در جریان خوراک حاوی 36 درصد مولی سولفید¬هیدروژن (بر مبنای مرطوب) می باشد که در یک واحد کلاوس اصلاح شده بازیابی شده و به فاز جامد تبدیل می شود. در این پروژه دو بخش مهم این فرایند شامل کوره و سه راکتور کاتالیستی به سه روش مدل¬سازی بر پایه سینتیکی، تجربی و کمینه کردن انرژی آزاد گیبس انجام شده است. نتایج حاصل بر مبنای مدل سینتیکی در مقایسه با شرایط واقعی نشان دهنده اعتبار بیشتر آن نسبت به دو مدل دیگر بوده است. اگر چه در مورد تولید دو ماده COS و CS2 در این شبیه¬سازی هیچ یک از مدل¬ها با شرایط واقعی مطابقت خوبی را نشان نداده است. مدل سینتیکی به دو روش با کمک شبیه¬ساز تجاری و نیز با کمک کدنویسی در محیطMATLAB اجرا شده و نتایج با یکدیگر و با نتایج واقعی مقایسه شده است. در راکتورهای کاتالیستی خطا به مراتب کمتر بوده است و روش سینتیکی با خطای مطلق نسبی کمتر از 2 درصد توانسته است، بهترین انطباق را از نظر دما و غلظت خروجی اجزاء (به جز COS و CS2) با نتایج واقعی واحد صنعتی داشته باشد. به منظور طراحی و ساخت واحد جدید بر اساس مدل سینتیک در این فرایند، شرایط عملیاتی و ابعاد برخی دستگاه¬ها با هدف دست¬یابی به حداکثر بازیابی گوگرد، حداقل سرمایه¬گزاری اولیه و حداقل هزینه جاری، با روش طراحی آماری رویه پاسخ بهینه¬سازی شد. بهینه¬سازی فرایند با هدف تلاش برای رسیدن به اهداف سه¬گانه فوق در طراحی واحدی مشابه در جنوب ایران انجام شد و در این طراحی برای کوره جدید درصد هوای ورودی همراه گاز، دبی مولی گاز سوختنی و دمای ورود خوراک و قطر کوره تغییر یافت. درصد این تغییرات عبارتند از افزودن 3 درصدی هوای اضافه، افزودن 15 کیلومول بر ساعت گاز سوختنی (دو برابر کردن گاز سوختنی)، افزایش 20 درجه¬ای دمای ورود خوراک و کاهش 3/0 متری قطر در کوره کلاوس که جز تغییر قطر کوره سایر موارد تاثیری در طراحی ابعاد واحد نداشته¬اند. اگرچه تغییر قطر کوره اثر مهمی بر طراحی واحد دارد و نیازمند آن است که ابعاد جوش¬آور هم تغییر کند. بر این اساس در مدل بهینه شده نسبت H2S به SO2 در خروجی کوره از 26/1 به 03/2 رسید که به نسبت استوکیومتری 2 بسیار نزدیک است و به عملکرد بهتر راکتورهای کاتالیستی کمک شایانی می¬کند. همچنین بازده مولی تولید S2 از 81/25 درصد به 95/29 درصد رسید و دمای خروج نیز 1032 درجه سلسیوس به¬دست آمد، که در محدوده دمای استاندارد و ایمن قرار دارد. بهینه¬سازی راکتورهای کاتالیستی با تغییر طول و ارتفاع بستر و همچنین دمای ورود خوراک به آن¬ها به-صورت جداگانه باعث شد که همه COS و CS2 تولید شده در کوره، را هیدرولیز کنند. همچنین راکتورهای کاتالیستی در دمای کمتر، مقدار گوگرد بیشتری را تولید کردند که در نتیجه این کار بار حرارتی کندانسورها کاهش قابل ملاحظه¬ای یافت. به طورکلی در واحد بهینه شده، بار کلی مجموع کندانسورها حدود 1/1 درصد کاهش یافت. در راکتورکاتالیستی اول ارتفاع بستر به اندازه 1/0 متر افزایش یافت و قطر راکتور (موثر در سطح در دسترس جریان) از 4 متر به حدود 5/5 متر رسید. دمای ورود به راکتور کاتالیستی اول هم 15 درجه افزایش یافت. در راکتور کاتالیستی دوم دمای ورود به بستر 25 درجه سلسیوس کاهش یافت، ارتفاع بستر 8/0 متر کاهش یافت و قطر بستر 1/1 متر افزایش یافت. در راکتور کاتالیستی سوم نیز همین شرایط برقرار شد با این تفاوت که افزایش قطر راکتور 9/0 متر بود. افزایش 7 درصدی ارتفاع بستر کاتالیستی اول و 20 درصدی قطر آن¬ سبب کاهش ورود COS به اتمسفر از 2/1 کیلومول در ساعت به 2/0 کیلومول در ساعت و صفر شدن ورود CS2 شد. در نهایت واحد بهینه شده توانست 83/98 درصد از گوگرد موجود در گاز اسیدی را بازیابی کرده و به فاز جامد و قابل دسترس تبدیل کند. در حالی که در شرایط واقعی کنونی این درصد بازیابی 24/98 درصد است. با توجه به اهمیت محیط زیستی واحد بازیابی گوگرد و حجم بزرگ گازی که در این واحدها تصفیه شده و به اتمسفر آزاد می¬شود، کاهش 6/0 درصدی گوگرد آزاد شده به محیط اهمیت فوق¬¬العاده¬ای می¬یابد. برای مثال در واحد فوق به کمک این بهینه¬سازی روزانه 1100 کیلوگرم (سالانه 370 تن) گوگرد کمتر به اتمسفر آزاد می¬شود و این از نظر طراحی، اقتصاد و محیط زیست مهم است. امروزه بسیاری از شرکت¬های صاحب¬نام در عرصه طراحی به دنبال افزایش درصد بازیابی در حد 01/0 درصد هستند و در حال حاضر واحدهایی با درصد بازیابی 95/99 درصد هم ساخته شده¬اند.
- Abstract
- Sulfur recovery unit in gas refining industries is established to prevent dispersion of poisoning sulfuric compounds to the atmosphere. Objective of this project was simulation and optimization of a modified Claus sulfur recovery process with straight through feed, in one of the gas refineries of South Pars region. In this process, sour natural gas contains 36 mol% H2S (on wet basis), which is converted to the solid sulfur. Two important parts of Claus sulfur recovery process including combustion furnace and three catalytic reactors are simulated on the base of three models such as; Gibbs energy minimization, empirical equations and kinetic modeling, and the results are compared with real outlet results. Simulation was performed by Promax (the commercial software) based on three types of models, in addition the kinetic modeling was considered to be performed by numerical computation in MATLAB programming software, as a comparison with Promax simulator. Except COS and CS2 components, precision of the outlet results in both parts of furnace and reactors were in good agreement with the real data. Among the models, kinetic modeling exhibited most accurate results compared with other models in both furnace and catalytic convertors. The optimization of the process was carried out by response surface methodology and simulating the process on the base of kinetic model at various operational and design conditions. The optimal conditions were predicted to approach to the highest sulfur recovery and minimum operation and capital costs. Optimal design of the furnace was predicted as, increasing 3% of excess air to the feed, adding 15 kmol/hr fuel gas, increasing 20 C of the feed temperature and decreasing the furnace diameter from 1.4 m to 1.1 m. In these conditions the outlet ratio of H2S to SO2 increased from 1.26 to 2.03 which is close to the stoichiometric ratio and makes the Claus reaction more efficient in catalytic reactors, and the molar S2 yield improved from 25.81 to 29.95 and the outlet temperature was reached to 1032C which is in the range of allowed standard conditions. Optimization of the catalytic reactors was performed for modification of reactor length, bed depth and inlet feed temperature. At optimal conditions COS and CS2 were completely hydrolyzed and outlet COS flow at the third reactor effluent decreased from 1.2 kmol/hr to 0.2 kmol/hr and CS2 flow approached to zero. In addition, because of higher yield of the total sulfur, total loading to the condensers decreased as much as 1.1 %. At optimal conditions, the bed depth of first reactor increased from 1.4 m to 1.5 m, the bed diameter was increased from 4 to 5.5 m and feed inlet temperature increased as much as 15 C. In second reactor, bed depth decreased from 1.4 m to 0.6 m and reactor diameter increased from 4 to 5.1m and inlet temperature decreased as much as 25 C. The optimal condition of the third reactor was the same as second reactor except that reactor diameter was increased as much as 0.9 m. On the optimal conditions, total sulfur recovery was increased from 98.24% to 98.83 %. Decreasing of 0.6 percent of total sulfur in this plant prevents flair of 370 ton sulfur to the atmosphere in each year. This amount of sulfur has significant effect on environment and air quality. Lots of pioneer companies in SRU design tries to improve sulfur recovery up to 99.95%.
