CC BY
142
УДК 51-74:662.61
И. Р. Каримов, А. В. Клинов, Л. Р.Минибаева
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВИХРЕВОГО ГОРЕНИЯ КИСЛОГО ГАЗА В ПРОГРАММЕ
ANSYS FLUENT НА ПРИМЕРЕ РЕАКЦИОННОЙ ПЕЧИ УСТАНОВКИ КЛАУСА
Ключевые слова: сероводород, моделирование горения, реакция Клауса, горелка, печь, гидродинамические характеристики
потока, ANSYS Fluent.
Смоделированогорелочноеустройстводля обеспечения эффективного смешения кислого газа и воздуха. Иссле-дованпроцесс горения сероводорода в реакционной печи Клауса при помощи программного комплекса ANSYS Fluent.
Keywords: hydrogen sulfide, combustion modeling, Claus reaction, burner, heater, hydrodynamic flow characteristics, ANSYS Fluent.
The burner is modeled to provide efficient mixing of acid gas and air. The combustion process of hydrogen sulfideinto Clause furnaceis investigated use the ANSYS Fluentsoftware.
Введение
Сероводородные газы, образующиеся в процессе очистки углеводородных газов от кислых компонентов, обычно перерабатываются в серную кислоту или элементарную серу.
Для утилизации сероводородного газа в элементарную серу применяется хорошо известный в мировой практике процесс Клауса или его различные модификации (рис. 1) [1].
Рис. 1 - Принципиальная схема процесса Клауса
Сущность процесса Клауса заключается в переработке сероводородного газа в серу по окислительному методу с применением термической и двух каталитических ступеней [2].
Кислые газы поступают на сжигание в горелку реакционной печи со встроенным котлом утилизатором. К горелкам реакционной печи подается атмосферный воздух, в соотношении, позволяющем сжечь 1/3 поступившего кислого газа до SO2. Температура реакционной печи, как правило, 1200-1600 К. Газы после котла утилизатора, в котором генерируется пар высокого давления, с температурой около 650 К поступают в конденсатор. В нем происходит конденсация серы за счет охлаждения реакционного газадо 450-460 К. Тепло конденсации парообразной серы используют для получения пара низкого давления. Газы, пройдя подогреватель и нагревшись до 500-520 К, поступают в первый каталитический реактор, где происходит взаимодействие H2S и SO2 с образованием серы, а также гидролиз COS и CS2, образовавшихся в реакционной печи при сжигании исходного кислого газа в при-
сутствии углеводородов и диоксида углерода. Реакция между H2S и SO2 является экзотермической, в результате чего температура газа на выходе из реактора повышается до 600-640 К. Газы из реактора направляются во второй конденсатор, где так же, как и в первом, за счет тепла конденсации парообразной серы и охлаждения до 440-460К вырабатывается пар низкого давления. Далее газы вновь нагреваются до 490-500К и идут во второй реактор, заполненный катализатором. За счет выделения тепла при катализе газы на выходе из реактора имеют температуру 520-530 К, при котором поступают в конденсатор, служащий в качестве концевого холодильника (температура на выходе 400-410К). Несконденсировавшийся газ поступает в печь-дожига, где содержащиеся в нем H2S, CS2, COSи пары серы при температуре 820-1000 К сжигаются до SO2 и через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу [3].
Термическая стадия заключается в высокотемпературном сжигании сероводорода в топке котла-утилизатора при подаче стехиометрического количества воздуха согласно реакции:
2H2S + О2 ^ 2Н2О + S2 + Q.
Реакция протекает при температуре от 1000-1300°С в зависимости от концентрации Н^ в сероводородном газе и наличия в нем углеводородов, аммиака и других примесей [4].
Одним из ключевых аспектов при реализации технологического процесса производства элементарной серы, которому на современном этапе уделяется особое внимание практически всеми лицензиарами процесса, и без учета которого невозможно достичь требуемой эффективности извлечения серы, является применение высокоэффективных горелоч-ных устройств в термической ступени процесса Клауса. Что позволяет полностью утилизировать тяжелые углеводороды, аммиак и другие примеси при их содержании в исходном кислом газе, а также за счет обеспечения перемешивания воздуха с кислыми газами перед горелкой достичь более полного использования кислорода при субстехиометриче-ском сжигании [5].
Пример горелочного устройства реакционной печи представлен на рис. 2.
воздух ма окиспение
1
Рис. 2 - Горелочное устройство реакционной печи Клауса
Для разработки новых конструкций горелочных устройств с целью увеличения ее эффективности все большее распространение в промышленности получают методы вычислительной гидродинамики, позволяющие ускорить процессы проектирования и доводки изделия, снижая при этом финансовые затраты на проектирование. При этом частично отпадает необходимость в дорогостоящих экспериментах, поскольку появляется возможность оптимизировать конструкцию изделия на основе его математической модели.
Наиболее крупные иностранные фирмы, разрабатывающие горелочные устройства для всех отраслей промышленности, включая нефтепереработку, а именно процесс получения серы методом Клауса, такие как Fives-Pillard,s (Франция), John Zink Hamworthycombustion (США), Duiker Combustion Engineersb.v. (Голландия) и др. активно используют компьютерное моделирование, как в создание новых прототипов, так и оптимизации существующих установок.
Разработка надежной методики расчета горелочного устройства позволит проводить моделирование с получением результатов, использование которых дает возможность повысить эффективность работы реакционной печи Клауса и всей установки в целом.
Поставленные задачи связаны с численным решением системы дифференциальных уравнений сохранения массы, импульса и энергии, законов кинетики в трехмерной постановке с использованием метода конечного объема [6].
Один из наиболее распространенных программных комплексов, ориентированных на решение задач компьютерного моделирования, является AN-SYS, который включает набор модулей для решения задач вычислительной гидро- и газодинамики: Fluent, CFX, Icepak, Polyflow и др. В данной работе для моделирования процесса горения в реакционной печи Клауса использовался программный пакет ANSYSFluent [7]. В этой связи решалась задача моделирования горелки, геометрии камеры сгорания, внутренних устройств реакционной печидля получения расчетныхданных по основным технологическим параметрам соответствующих действующему процессу, возможностью его дальнейшей оптимиза-
ции с целью увеличения конверсии, производительности, изменения состава сырья.
Этапы моделирования «вихревой» горелки для реакционной печи установки Клауса
В качестве объекта исследования принята реакционная печь Клауса Миннибаевской установки сероочистки Управления Татнефтегазпереработка ПАО «Татнефть».
Главной конструктивной особенностью горелоч-ного устройства данной печи на кислом газе является интенсивное вихревое смешение кислого газа (либо топливного газа при запуске) с воздухом для горения [8].
Воздух для горения, проходя через воздухораспределительную камеру и многочисленные радиальные лопасти воздушного регистра, получает сильный вращательный момент. Сечение горелочного устройства представлено на рис. 3.
Рис. 3 - Сечение горелочного устройства
На данном участке происходит смешивание кислых газов с воздушным потоком. Из форсунки основной горелки кислый газ выходит через диффузор конической формы (наконечник). Максимальной скорости воздух достигает на выходе из воздушного сопла.
Завихрители (лопатки) на линии кислого газа представлены на рисунке 4.
Рис. 4 - Завихрители (лопатки) на линии кислого газа
В зоне фронта горения достигается высокий уровень турбулентности, что способствует большей полноте сгорания.
Обтекаемая конструкция вызывает образование вихрейв камере сгорания с огнеупорной футеровкой, смежной с наклонной стенкой и расположенной рядом с газовой форсункой.
Эти вихри стабилизируют факел пламени, обеспечивая высокую тепловую концентрацию в передней части реакционной камеры. В результате реак-
ции окисления протекают при максимальной температуре [8].
Этапы решения поставленной задачи описываются следующей схемой:
- создание геометрической модели;
- покрытие геометрической области сеткой конечных объемов;
- настройка модели, задание граничных и начальных условий;
- решение задачи, контроль за сходимостью решения;
- обработка и анализ результатов.
Геометрическая модель - это математическая
модель, описывающая геометрию некоторого реального объекта. Основное предназначение геометрической модели в программных комплексах инженерного анализа - описание границ расчетной области.
Для создания геометрической модели используются CAD-системы. Основой любой CAD-системы является геометрический процессор (набор программных компонентов, реализующих математико-геометрическую модель).
В качестве CAD-системы используют следующие программы: ANSYS Design Modeler, AutoCAD, Solid Works, Компас 3D и др.
Для проектирования 3D модели исследуемой печи использовалось программное обеспечение Auto CAD.
Геометрическая модельреакционной печи Клауса с горелочным устройством Миннибаевской установки сероочистки (сечение) представлена на рис. 5.
Рис. 5 - Реакционная печь Клауса с горелочным устройством Миннибаевской установки сероочистки (сечение)
Построение пространственной сетки - один из важнейших этапов в решении задач сплошной среды методами конечных объемов (МКО) и конечных элементов. Расчетная область разбивается на множество локальных элементов (расчетных ячеек). Для каждого локального элемента записывается система законов сохранения массы, импульса и энергии в интегральной форме, которая затем преобразуется к системе алгебраических уравнений относительно искомых величин - плотности, скорости, температуры и др. в центрах расчетных ячеек. В общем виде законы сохранения можно записать:
j ptpUdA =§Гф V<pdA +- f S+dT.
где V- объем ячейки; А - ее поверхность; U - скорость; ф = 1 для закона сохранения массы, ф = U,
для закона сохранения момента импульса в г-м направлении, ф = И (энтальпия) для закона сохранения энергии. В левой части уравнения стоят члены, описывающие нестационарность и конвективный перенос, в правой - диффузию и источники или массовые силы. Также уравнение необходимо дополнить граничными условиями, задающими значения искомых параметров течения на границах расчетной области. Как правило, необходимо указать границы расчетной области, через которые среда «втекает» и «вытекает». Кроме того, есть границы типа «стенка» или «симметрия».
Качественная расчетная сетка в большинстве случаев является одним из ключевых аспектов получения достоверных результатов численного решения. Более того, расчет на сетке, которая недостаточно хорошо соответствует конкретной задаче, может привести к снижению точности решения, отсутствию сходимости, возникновению различного рода неустойчивости и разрушению численного решения.
На рис. 6 представлен срез геометриис выполненной расчетной сеткой в программе ANSYS-Workbench, В данной задаче количество ячеек равно 730105.
Рис. 6 - 2D-срез участка печи Клауса с горелоч-ным устройством с нанесенной расчетной сеткой
Параметры входных граничных условий представлены в таблице 1. Для выходных границ присваивались значения типа PressureOutlet. Для всех остальных границ был выбран тип wall.
После постановки граничных условий необходимо выбрать методы приближенного решения задачи, инициализировать решение, т.е. присвоить начальные значения всем искомым переменным во всех ячейках расчетной области, и запустить процесс решения. Нелинейные уравнения движения среды решаются итерационно. Решение заканчивается (сходится), когда изменение всех расчетных величин от итерации к итерации становится достаточно малым, а интегральные величины, например суммарный расход, перепад давления, выход целевого продукта и т.д., перестают изменяться (рис. 7).
Таблица 1 - Параметры граничных условий
Среда Температура Давление Расход Тип
Кислый газ (80%об. H2S. 20% об. CO2) 50 оС 0,05 МПа изб. 1 т/ч Velocity Inlet
Воздух (21% об. О2, 79% об. N2) 80 оС 0,06 МПа изб. 2 т/ч Velocity Inlet
В данной задаче использовался гибридный способ инициализации, в котором поля давления и скорости определяются путем решения уравнения Лапласа, а заданные граничные условия для температуры, турбулентных параметров, концентрации фаз и т.д. линейно интерполируются внутрь расчетной области, что позволяет быстрее получить решение [9].
Рис. 7
График изменения выхода
образовавшейся серы S2
Обработка и анализ результатов
Температурное распределение в реакционной печи Клауса представлено на рис. 8.
Рис. 8 - Температурное распределение в реакционной печи Клауса
В реакционной печи Клауса Миннибаевской установки сероочистки рабочая температура составляет около 1050 оС, что также соответствует температурному распределению, представленному на рис.8.
График распределения образовавшейся серы S2 представлен на рис. 9.
Рис. 9 - График распределения образовавшейся серы S2
В термической ступени процесса получения серы методом Клауса образуется обычно до 70% серы [10], что соответствует графику распределения образовавшейся серь^2 (рис. 9).
Вывод
В представленной работе смоделирована реакционная печь Клауса с применением CAD систем и дальнейшим расчетом вANSYSFluentи получением сходимости результатов с действующим объектом исследования.Данная модель позволяет наиболее наглядно продемонстрировать химию горения, основные параметры потоков (температуру, выход основных продуктов реакции, скорость, турбулентность и т.д.) и возможность последующей модернизации с минимальными капитальными затратами для увеличения производительности, конверсии, изменения состава сырья.
Литература
1. Абросимов А.А.- Экология переработки углеводородных систем. М.: Химия, 2002. - 608 с.
2. Чуракаев А.М.- Переработка нефтяных газов. М.: Недра, 1983. -279 с.
3. И.А.Щербатов. Дисс. канд. тех. наук, Астраханский государственный технический университет, Астрахань, 2006. 200 с.
4. Грунвальд В.Р. - Технология газовой серы. М.:Химия, 1992. - 272 с.
5. Широкова Г.С. Современные тенденции в развитии процесса Клауса. Пути решения задач по оптимизации работы установок производства серы // Материалы докладов международной конференции «Топливо и экология - 2009», М., 2009, С: 7 - 14.
6. Основы расчета и проектирования газовых горелок /Ю. В. Иванов, Гос. научно-техн. изд-во нефтяной и горно-топливной литературы, Ленинград, 1963, С: 1822.
7. AnsysFluent. User'sGuide.
8. Моделирование турбулентных течений: Учебное пособие / И. А. Белов, С. А. Исаев, Балт. гос. техн. ун- т. СПб., 2001. 108 с.
9. Федорова Н. Н., Вальгер С. А., Даниллов М. Н., Захарова Ю. В. - Основы работы в ANSYS 17. - М.: ДМК Пресс, 2017. - 210 с.: ил.
10. Duiker Combustion Engineers T:\Projects\32(LNE Inter-national)\132-086(24355 JSC Tatneft)\Work\RU\manual 10 974-V-10975-V RU.doc С: 4 - 5.
© И. Р. Каримов - аспирант кафедры процессов и аппаратов химической технологии, КНИТУ, [email protected]; А. В. Клинов - доктор технических наук, заведующий кафедрой процессов и аппаратов химической технологии, КНИТУ, [email protected]; Л. Р. Минибаева - кандидат технических наук, доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии, КНИТУ, [email protected];
© I. R. Karimov - postgraduate student of processes and devices of chemical technology department, KNRTU, [email protected]; A. V. Klinov - Doctor of Engineering Science, head of processes and devices ofchemicaltechnology department, KNRTU, [email protected]; L. R. Minibaeva - Ph.D. in Engineering Science, assistant professorof processes and devices of chemical technology department, KNRTU, [email protected].
