CC BY
10
УДК 66.048.3:004.942
Богомолова Д. Д., Советин Ф. С., Чуднова Т. А., Гартман Т. Н., Панкрушина А. В.
РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ ИЗ СЕРЫ
Богомолова Диана Дмитриевна - студент-дипломник кафедры новых материалов и технологий филиала «Угреша»; di.bog010@gmail.com
Чуднова Татьяна Анатольевна - кандидат технических наук, доцент, исполняющая обязанности ректора филиала «Угреша»; violatan@yandex.ru;
ГБОУ МО «Государственный университет Дубна», филиал «Угреша», Россия, МО, г. Дзержинский, 140090, ул. Акад. Жукова, дом 24
Советин Филипп Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры информатики и компьютерного проектирования; fsovetin@inbox.lv;
Гартман Томаш Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информатики и компьютерного проектирования; tngartman@gmail.com;
Панкрушина Алла Вадимовна - кандидат технических наук, доцент кафедры информатики и компьютерного проектирования; avpankrushina@gmail.com;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В настоящей работе разработана и реализована компьютерная модель технологической схемы получения серной кислоты из серы. Рассчитаны аппараты технологической линии и сама технологическая схема. Намечены пути реконструкции и модернизации данного производства. Ключевые слова: серная кислота, реактор, технология, абсорбция, колонна, теплообменник
DEVELOPMENT OF THE COMPUTER MODEL OF THE PRODUCTION OF SULFURIC ACID FROM SULFUR
Bogomolova D. D.1,.Sovetin F.S.2, Chudnova T. A.1,. Gartman T.N.2, Pankrushina A.V.2
1 State University Dubna, Filial Ugresha
2 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
In this article, the computer model of a technological line of the production of sulfuric acid was developed and realized. The technological line and the complete production were calculated. The reconstruction and modernization paths of this production are outlined.
Key words: sulfuric acid, reactor, technology, absorption, column, heat exchanger
Введение
Серная кислота является важнейшим многотоннажным продуктом химической
промышленности России. Также имеет широкое потребления различными химическими
предприятиями. Производится из серного колчедана, из серы, из сероводорода и из отходящих газов цветной металлургии. Используется в производстве минеральных удобрений, взрывчатых веществ, красителей, лекарственных препаратов и др. [1].
Рост производства серной кислоты связан с разработкой и внедрением в эксплуатацию агрегатов больших единичных мощностей, а также разработкой высокоинтенсивных процессов [1-2].
Проведение модернизации и реконструкции технологических схем получения серной кислоты с позиции энерго- и ресурсосбережения не представляется возможным без использования современных комплексов проблемно-ориентированных программ, позволяющих создавать компьютерные модели технологических схем, создавать так называемые «виртуальные» производства. Кроме того, применение современных комплексов программ позволяет без значительных материальных и
временных затрат проводить вычислительные эксперименты на моделях химических производств в целом [3-5].
Описание технологической схемы получения серной кислоты из серы как объекта компьютерного моделирования
Технологическая схема производства как объекта компьютерного моделирования заимствована из [2]. Технологическая схема производства серной кислоты, реализованная в среде комплекса программ ХЕМКАД изображена на рис. 1.
Сера направляется в аппарат для плавления (рис. 1, модуль 1), затем в печь для сжигания серы (рис. 1, модуль 2), куда также подаётся воздух.
В печи сжигания серы процесс проводится при 1000 С в соответствии уравнению реакции:
S + О2 ^ SO2; (1)
Далее смесь направляется в контактный аппарат (рис. 1, модуль 5), где проводится окисление диоксида серы в триоксид серы по уравнению реакции (процесс проводится при температуре, равной 300 С, на катализаторе):
2SO2 + О2 ^ 2SOз; (2)
Рис.1 Технологическая схема производства серной кислоты из серы, реализованная в среде комплекса программ ХЕМКАД. Обозначения: 1,4,7- модули теплообменников, 2 и 5 - модули химических реакторов,
9 - модуль абсорбционной колонны.
После контактного аппарата газовая смесь охлаждается в теплообменнике (рис. 1, модуль 7) и далее направляется в абсорбционную колонну (рис 1, модуль 9), где протекает абсорбция с химической реакцией по уравнению:
80з + Н2О ^ Н28О4; (3)
Абсорбент - 98 масс. % серная кислота. При такой концентрации серной кислоты в абсорбенте на выходе из абсорбционной колонны получается моногидрат.
Описание хода моделирования технологической схемы получения серной кислоты из серы
Печь для сжигания серы моделируется модулем стехиометрического реактора посредством задания стехиометрических данных реакции (1) и степени конверсии базового реагента (степень конверсии серы - 100 %). Результаты компьютерного моделирования печи для сжигания серы приведены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты компьютерного моделирования печи для сжигания серы
Реактор окисления диоксида серы (контактный аппарат) моделируется модулем стехиометрического реактора посредством задания стехиометрических данных реакции (2) и степени конверсии базового реагента (степень конверсии диоксида серы - 100 %). Результаты компьютерного моделирования контактного аппарата приведены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты компьютерного моделирования контактного аппарата
Свойство Входной поток Выходной поток
потока контактного контактного
аппарата аппарата
Температура; С 224 300
Давление; бар 2 2
Общий расход; 92636 92636
кг/час
Массовая доля
компонента;
масс.%
О2 5.21 -
8О2 20.71 -
8Оэ - 25.88
N2 74.08 74.12
Абсорбционная колонна моделируется модулем строгого расчёта процесса абсорбции БСББ с использованием алгоритма Тиле-Геддеса [5]. Число тарелок - 20, № тарелки питания для потока абсорбента - 1, для потока питания - 20. Заданы стехиометрические данные реакции (3). Степень конверсии базового реагента (триоксида серы) -100%. Результаты компьютерного моделирования абсорбционной колонны представлены в табл. 3.
Свойство Входной поток Выходной поток
потока контактного контактного
аппарата аппарата
Температура; С 268 1000
Давление; бар 5 5
Общий расход; 69625 69625
кг/час
Массовая доля
компонента;
масс.%
8 13.79 -
О2 13.79 -
8О2 - 27.55
N2 72.42 72.45
Таблица 2. Результаты компьютерного моделирования абсорбционной колонны
Свойство потока Входные потоки абсорбера Выходные потоки абсорбера
Поток питания Поток абсорбента Газовый поток Жидкий поток
Температура; С 25 20 20 62
Давление; бар 2 2 2 2
Общий расход; кг/час 92636 500000 68660 523976
Массовая доля компонента; масс.%
О2 - - - -
SО2 - - - -
SОз 25.88 - - -
N2 74.12 - 100 -
Н2О - 0.02 - -
Н2SO4 - 0.98 - 100
Для разработки компьютерной модели полной многостадийной крупнотоннажной технологической схемы производства серной кислоты из серы использовался метод обеспечения сходимости рециклов - метод простых итераций [7]. Также использовано методическое обеспечение для решения задач блочного компьютерного моделирования крупнотоннажных, энерго- и ресурсоёмких химико-технологических систем, разработанное в работах [8-9].
Заключение
1. Разработаны и реализованы компьютерные модели аппаратов технологической схемы получения серной кислоты из серы.
2. Разработана компьютерная модель производства серной кислоты.
3. Намечены пути модернизации данной технологической схемы.
Авторы приносят искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору Балояну Бабкену Мушеговичу за научно-методические консультации при проведении данной работы
Список литературы
1. Заболотная Н. В. Общая химическая технология «Производство серной кислоты. Компьютерное моделирование». Оренбург: ОГУ, 2010. 46 с.
2. Кафаров В.В. Принципы создания безотходных химических производств. М.: «Химия». 1982. 288 с.
3. Кулов Н. Н. Гордеев Л. С. Математическое моделирование в химической технологии и
биотехнологии // Теоретические основы химической технологии. 2014. Т. 48. № 3. С. 243-248.
4. Зиятдинов Н. Н. Моделирование и оптимизация химико-технологических систем // Теоретические основы химической технологии. 2017. Т. 51. № 6. С. 613-617.
5. Гартман Т. Н., Советин Ф. С. Аналитический обзор современных пакетов моделирующих программ для компьютерного моделирования химико-технологических систем // Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т. 26. № 11 (140). С. 117-120.
6. Гартман Т. Н., Клушин Д. В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов. М: «Академкнига», 2008. 415 с.
7. Дворецкий С. И., Кормильцин Г. С., Калинин В. Ф. Основы проектирования химических производств. М.: «Машиностроение-1». 2005. 280 с.
8. Советин Ф.С., Гартман Т. Н., Шакина Э.А., Шумакова О. П., Царёва Е. В. Алгоритм разработки компьютерных моделей сложных химических производств с применением комплексов моделирующих программ // Химическая промышленность сегодня. № 2. 2018. С. 49-56.
9. Советин Ф. С. Разработка и применение методического обеспечения блочного компьютерного моделирования энергоресурсоёмких химико-технологических систем c применением инструментальных комплексов программ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 05.13.18 и 05.17.08. М. РХТУ им. Д. И. Менделеева. 2011.
