[发明专利]一种克劳斯硫磺回收过程中反应炉动态建模方法

说明书

技术领域

本发明属于化工技术领域，涉及一种克劳斯硫磺回收过程中反应炉动态建模方法。

背景技术

随着全球含硫原油和天然气资源的大量开发，工厂和生活过程中产生的酸性气体已经对生态环境产生了恶劣的影响，因此，硫磺回收装置已成为大型天然气净化厂、炼油厂、石油化工厂加工含硫天然气、含硫原油时不可缺少的配套装置。目前，通过使用克劳斯法回收硫磺的工艺已成为天然气或炼厂气加工的一个重要组成部分。

近年来，克劳斯硫磺回收工艺的研究主要集中在催化过程中催化剂的研究、吸收剂的选择、工艺参数的简化计算及稳态计算模型的研究(包含反应炉数学模型的建立、转化器数学模型的建立等)等。然而，实际生产过程是一个动态过程，反应器内的温度、压力、组成等均受到进料、出料及操作等因素的影响，稳态模型不足以解决实际生产问题，因此开发一种克劳斯硫磺回收过程中动态模型显得尤为必要。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种新的克劳斯硫磺回收过程中反应炉动态建模方法。

克劳斯硫磺回收过程中参与的酸性气体中除含有H₂S,还含有CO₂，N₂和H₂O等，来自炼厂气、焦炉气或水煤气脱硫装置中的酸性气体还可能含有NH₃和HCN等。因此，反应炉内实际发生的反应非常复杂，但主要反应有以下几种：

2H₂S+3O₂→2SO₂+2H₂O

COS+H₂S→CS₂+H₂O

H₂S+CO₂→COS+H₂O

H₂+CO₂→CO+H₂O

只需确定反应炉内S_X的形态，就可以确定反应炉内的主要热反应，而在气相中的硫蒸汽主要以S₂，S₆，S₈的形式存在，并有如下平衡关系：

3S₂→S₆

4S₂→S₈

4S₆→3S₈

一般而言，大于1000℃时，气相中主要是S₂，小于450℃时，气相中主要是S₆，S₈。由于反应炉的出炉气温度一般在1000℃以上，所以在反应炉出炉过程气中，硫蒸汽中主要是S₂。

在克劳斯硫磺回收过程的反应炉动态建模过程中，主要用到的方程包含：物料平衡计算，Gibbs自由能最小的原则及能量平衡计算，通过以下四个具体步骤完成反应炉的动态建模。

步骤(1)，建立从某一个初始时刻t到下一个时刻t+Δt之间的动态建模过程中的物料平衡方程，具体是：

已知t时刻反应器内各组分的物质的量、进料组分及流量，在反应炉中，先将t时刻反应器内的物料与Δt时间段内的进料物质混合，视为此轮计算的初始反应物；建立物料平衡方程，其模型表达式为：

M＝M_t+Δt×ΣF_in，i

式中，M为此轮计算初始反应物的量，mol；M_t为反应炉内原有物料的累积量，单位为mol；F_in，i为进料组分i的摩尔流量，单位为mol/h；Δt为每轮计算所需的时间，单位为h。

反应炉内Δt内进入的物料、t内积累的物料与t+Δt时刻反应开始后物料遵循原子守恒，其模型如下：

硫：B_S＝B_in，s+B′_S

氢：B_H＝B_in，H+B′_H

氧：B_O＝B_in，o+B′_O

碳：B_C＝B_in，c+B′_C