Альтернатива процессу Клауса – Моделирование прямого окисления H2S с использованием ионной жидкости [bmim][FeCl4]

Вот перевод и адаптация вашего текста на русский язык в профессиональном, развернутом стиле, с сохранением всех ключевых данных, терминов и численных значений.

---

Проблематика и постановка задачи

Классический процесс Клауса, используемый для извлечения элементной серы из кислых газов, характеризуется высокой энергоемкостью и резким снижением эффективности при переработке газовых потоков с низким содержанием сероводорода (H₂S). В качестве альтернативы был исследован новый процесс с применением ионной жидкости на основе переходного металла (ILTM — Ionic Liquid of Transition Metal), функционирующий в мягких условиях. Основной целью работы являлось создание строгой термодинамической и кинетической модели данного процесса, а также ее верификация путем сравнения с эталонной моделью установки Клауса.

Программное обеспечение и методология моделирования

Для моделирования традиционного процесса Клауса использовался симулятор технологических процессов Aspen HYSYS версии 14. Моделирование процесса ILTM выполнялось в среде Aspen Plus версии 14. Выбор Aspen Plus был обусловлен его более развитым инструментарием для работы с многокомпонентными электролитными системами, включая наличие твердой фазы и сложных химических равновесий.

Термодинамическое описание системы

Ионная жидкость 1-бутил-3-метилимидазолия тетрахлорферрат ([bmim][FeCl₄]) была введена в симулятор в качестве псевдокомпонента (pseudo-component). Оценка ее теплофизических свойств проводилась с использованием квантово-химического метода COSMO-RS (Conductor-like Screening Model for Real Solvents) в сочетании с кубическим уравнением состояния Вальдеррамы-Роблеса (Valderrama-Robles Equation of State). Такой подход позволил с высокой точностью предсказать поведение растворителя в условиях технологического процесса.

Кинетика реакций и механизм процесса

В отличие от традиционного подхода, предполагающего мгновенное достижение химического равновесия, процесс окисления сероводорода в системе ILTM моделировался с использованием кинетических уравнений. Было принято, что реакция имеет первый порядок как по сероводороду (H₂S), так и по ионам трехвалентного железа (Fe³⁺). Это позволило более реалистично описать динамику превращений в реакторной зоне.

Обеспечение сходимости рецикловых потоков

Технологическая схема процесса ILTM включает в себя аппарат для сепарации трех фаз: пар — жидкость — твердое тело (сера), а также окислительно-восстановительный реактор с разветвленной системой внутренних рециклов. Для обеспечения численной стабильности и сходимости такой сложной системы в среде Aspen Plus были использованы итерационные алгоритмы Вергштейна (Wegstein) и Бройдена (Broyden). Для достижения сходимости настройки данных алгоритмов были ужесточены до уровня сверхжестких допусков (super-tight tolerances) с точностью 1 × 10⁻⁵.

Валидация модели и результаты

Проведенное моделирование показало значительные преимущества предложенного процесса. С технической точки зрения, процесс ILTM обеспечивает степень извлечения серы 99,68% без необходимости использования высокотемпературных печей термической стадии, характерных для установок Клауса.

Экономический анализ, выполненный на основе разработанной модели, продемонстрировал следующее снижение затрат по сравнению с процессом Клауса:

• Капитальные затраты (CAPEX): снижение на 43,96%.
• Операционные затраты (OPEX): снижение на 38%.

В результате работы инженерному сообществу предоставлен рабочий фреймворк, описывающий методологию добавления и корректного учета экзотических растворителей (в частности, ионных жидкостей) в базы данных промышленных симуляторов технологических процессов.

Источник

Источник

Теги

• #AspenPlus
• #РеакционныеПроцессы
• #COSMORS
• #Термодинамика
• #Сходимость