مدل‌سازی سینتیکی و بهینه‌سازی کوره واکنش واحد بازیافت گوگرد پالایشگاه‌های گازی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده توسعه فرایند و فناوری تجهیزات، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

2 پژوهشکده توسعه فناوری‌های کاتالیست، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

چکیده

قسمت اعظم تبدیل سولفید هیدروژن به گوگرد در کوره واکنش فرایند بازیاقت گوگرد انجام می‌شود و این مرحله نقش بسیار مهمی در تعیین ترکیب درصد خروجی واحد کلاوس دارد و عملکرد تجهیزات عملیاتی پایین دست را تحت تاثیر قرار می-دهد. بنابراین شناخت واکنشهای صورت پذیرفته در کوره واکنش نقش حیاتی در مدلسازی و تعیین شرایط بهینه فرایند دارد.  در این مطالعه با به‌کارگیری داده‌های صنعتی پالایشگاههای گازی کشور، شبکه واکنش بهینه‌ای جهت مدل‌سازی دقیق این کوره واکنش‌ها معرفی گردید. با توجه به حضور کربن دی سولفید در خروجی کوره واکنش‌های پالایشگاه‌های گازی، واکنش تشکیل این ماده از میان سه مسیر معرفی شده شناسایی و ضرایب سینتیکی آن گزارش شد. نتایج بیانگر این مطلب است که شبکه واکنش معرفی شده برای مدل‌سازی کوره واکنش پالایشگاه‌های گازی از دقت مناسبی در تخمین غلظت‌های خروجی برخوردار است به‌طوریکه درصد خطای متوسط مدل با داده‌های صنعتی 90/9% محاسبه شد. همچنین با به‌کارگیری شبکه واکنش به‌دست آمده و مدل توسعه داده شده برای پالایشگاه‌های گازی، شرایط عملیاتی کوره واکنش در این بخش بهینه شدند.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Kinetic Modeling and Optimization of Sulfur Recovery Reaction Furnace for Gas Refineries

نویسندگان [English]

  • Hamid Ganj 1
  • Hamid Ganji 1
  • Maryam Sadi 1
  • Mehdi Rashidzadeh 2
1 Process Development & Equipment Technology Research Division, Research Institute of Petroleum Industry, Tehran, Iran
2 Catalyst Research Division, Research Institute of Petroleum Industry, Tehran, Iran
چکیده [English]

In the Claus sulfur recovery units, the major part of hydrogen sulfide conversion to elemental sulfur takes place in the reaction furnace. A  reaction furnace determines the effluent concentration of Claus process and influences the performance of downstream equipments. Consequently, understanding the reactions taking place in the reaction furnace has a critical role in the modeling and optimizing  Claus process. In this study, an optimum reaction scheme was introduced for accurate modeling of the reaction furnaces using industrial data from refineries. Due to the presence of carbon disulfide in the reaction furnaces effluent of gas refineries, the formation reaction of this substance was investigated using three possible routes; moreover, the kinetic coefficients were reported. The results show that the model has reasonable precision in prediction of outlet concentration, so that the mean absolute percentage error was 9.90%. By applying the developed kinetic model and the reaction scheme, operating conditions of the reaction furnace of gas refineries were optimized.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sulfur Recovery
  • Reaction furnace
  • Modeling
  • Optimization
  • Kinetic

[1]. Pierucci S., Ranzi E., and Molinari L., “Modeling a claus process reaction furnace via a radical kinetic scheme,” Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 18, No. 1, pp. 463-468, 2004.##

[2]. Schöneberger J., Arellano-Garcia H., Thielert H., and Wozny G., “An efficient approach to robust simulation of claus processes in coking plants,” Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 24, No. pp. 521-526, 2007.##

[3]. Manenti G., Papasidero D., Manenti F., Bozzano G., and Pierucci S., “Design of SRU Thermal Reactor and Waste Heat Boiler Considering Recombination Reactions,” Procedia Engineering, Vol. 42, No. 1, pp. 414-421, 2012.##

[4]. Manenti F., Papasidero D., Cuoci A., Frassoldati A., Faravelli T., Pierucci S., Ranzi E., and Buzzi-Ferraris G., “Reactor network analysis of Claus furnace with detailed kinetics,” Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 30, No. 1, pp. 1007-1012, 2012.##

[5]. Manenti F., Papasidero D., Bozzano G., Pierucci S., Ranzi E., and Buzzi-Ferraris G., “Total plant integrated optimization of sulfur recovery and steam generation for Claus processes using detailed kinetic schemes,” Computer Aided Chemical Engineering, Vol. 32, No. 1, pp. 811-816, 2013.##

[6]. Jones D., Bhattacharyya D., Turton R., and Zitney S.E., “Rigorous kinetic modeling and optimization study of a modified claus unit for an integrated gasification combined cycle (IGCC) power plant with CO2 capture,” Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 51, No. 5, pp. 2362-2375, 2012.##

[7]. Sames J. A., Paskall H. G., Brown D. M., Chen M. S .K., and Sulkowski D., “Field measurements of hydrogen production in an oxygen-enriched claus furnace,” Proceedings Sulfur 1990 International Conference, Cancun, Mexico; British Sulphur Corp. Ltd, pp. 89-105.##

[8]. Pahlavan m. and Fanaei M. A., “Modeling and simulation of claus unit reaction furnace,” Iranian journal of Oil and Gas Sciecne and Technology, Vol. 5, No. 1, pp. 42-52, 2015.##

[9]. Zarei S., Ganji H., Sadi M., and Rashidzadeh M., “Kinetic Modeling and Optimization of Claus Reactionfurnace,” Journal of Natural Gas Science and Engineering, Vol. 31, No. 1, pp. 747-757, 2016.##

[10]. Dowling N. I., Hyne J. B., and Brown D. M., “Kinetics of the reaction between hydrogen and sulfur under high-temperature Claus furnace conditions,” Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 29, No. 12, pp. 2327-2332, 1990.##

[11]. Karan K., Mehrotra A. K., and Behie L. A., “COS-forming reaction between CO and sulfur: A high-temperature intrinsic kinetics study,” Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol. 37, No. 12, pp. 4609-4616, 1998.##

[12]. Tesner P., Nemirovskii M., and Motyl D., “Kinetics of the thermal decomposition of hydrogen sulfide at 600-1200oC,” Kinetics and catalysis, Vol. 31, No. 5, pp. 1081-1083, 1990.##

[13]. Dryer F. L. and Glassman I., “High-temperature oxidation of CO and CH4,” Symposium (International) on Combustion, Vol. 14, No. 1, pp. 987-1003, 1973.##

[14]. Monnery W. D., Svrcek W. Y., and Behie L. A., “Modelling the modified claus process reaction furnace and the implications on plant design and recovery,” The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol. 71, No. 5, pp. 711-724, 1993.##

[15]. Karan K., “An experimental and modeling study of homogeneous gas phase reactions occurring in the modified claus process,” Ph.D. Thesis, Chemical and Petroleum Engineering, Calgary, 1998.##

[16]. Manenti F., Papasidero D., Frassoldati A., Bozzano G., Pierucci S., and Ranzi E., “Multi-scale modeling of Claus thermal furnace and waste heat boiler using detailed kinetic,” Computers & Chemical Engineering, Vol. 59, No. 1, pp. 219-225, 2013.##

[17]. ZareNezhad B. and Hosseinpour N., “Evaluation of different alternatives for increasing the reaction furnace temperature of Claus SRU by chemical equilibrium calculations,” Applied Thermal Engineering, Vol. 28, No. 7, pp. 738-744, 2008.##

[18]. Konak A., W. Coit D., E. and Smith A., “Multi-objective optimization using genetic algorithms: A tutorial,” Reliability Engineering and System Safety, Vol. 91, No.1 , pp. 992-1007, 2006. ##