Оптимальное проектирование и управление производством серной кислоты с рециркуляцией отработанного газа

Промышленные сернокислотные установки принадлежат к классу открытых экологически неблагополучных химико-технологических систем (ХТС). Современный уровень технологии получения серной кислоты и автоматизации процессов позволяет в стационарных режимах поддерживать степень превращения диоксида серы на уровне 99.2−99.6%. Однако даже при такой глубине переработки выбросы в атмосферу диоксида серы с отработанным газом велики. Еще более опасны в экологическом отношении пусковые режимы.

Между тем, в связи с доминирующей в мировой практике тенденцией к увеличению мощности предприятий, вопросы, связанные с предотвращением загрязнения воздушного бассейна промышленных зон, в последнее время приобретают все большее значение. В ближайшие годы можно ожидать, что в ряду ключевых показателей работы сернокислотных систем (СКС) главным и определяющим станет степень чистоты отходящих газов промышленных установок. Поэтому совершенствование сернокислотных производств в направлении снижения выбросов диоксида серы является важнейшим фактором их дальнейшего перспективного развития.

Существующие системы получения серной кислоты контактным методом не имеют резервов для такого совершенствования. Кроме того, существующие СКС обладают еще рядом серьезных недостатков, которые непреодолимы в рамках традиционных схем производства серной кислоты. Это, во-первых, высокая удельная металлоемкость из-за присутствия большого количества балластного азота (около 80%) в системеа во-вторых, низкая степень использования теплоты химических превращений.

Следовательно, применяемые в настоящее время СКС не могут рассматриваться как перспективные для дальнейшего развития, и существует острая необходимость в разработке принципиально новых способов получения серной кислоты.

Одним из наиболее перспективных направлений развития контактного сернокислотного производства является получение серной кислоты в системах с замкнутым газооборотом [2, 101]. В таких системах за счет рециркуляции отработанных газов обратно на переработку обеспечивается полная экологическая безопасность и, в то же время, появляется возможность значительно интенсифицировать процессы сернокислотного производства и уменьшить размеры технологического оборудования путем использования в качестве окислителя чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом.

Рециркуляция отработанных газов качественно изменяет характер взаимного влияния элементов, образующих сернокислотную систему. В результате чего становится невозможным применение традиционных подходов к разработке и проектированию СКС. Поэтому большой интерес представляют вопросы исследования свойств замкнутой системы и определения наиболее рациональных вариантов ее организации.

На сегодняшний день проведены лишь начальные исследования замкнутой технологии получения серной кислоты. Имеются отдельные публикации и авторские свидетельства, в которых подчеркивается высокая эффективность этой технологии. Однако, полученных в них результатов недостаточно для ответа на вопросы, которые ставит пред нами практика разработки и проектирования новых технологических систем.

Целью настоящей работы является разработка оптимально организованной замкнутой сернокислотной системы.

В соответствии с поставленной целью в задачи исследования входили:

— поиск эффективных схем и режимов функционирования сернокислотной системы с замкнутым газооборотом;

— оптимальное оформление отдельных стадий замкнутого сернокислотного процесса;

— исследование возможностей управления замкнутой системой.

Очевидно, что поведение системы зависит, главным образом, от состояния процесса окисления диоксида серы в контактном аппарате (КА). Поэтому особое внимание в работе уделено решению задач оптимального проектирования и оптимального управления именно стадией контактного окисления. 6.

Поставленные задачи решались с помощью методов математического моделирования и оптимизации. При построении математических моделей ключевых стадий получения серной кислоты использовались теоретические основы процесса контактного окисления, изложенные Боресковым Г. К. в работе [76], а также основные закономерности процессов перегонки [124]. В качестве метода оптимизации использовался принцип максимума Понтрягина для дискретных процессов [120]. Системы уравнений, полученные при моделировании и оптимизации, решались с помощью аналитических и численных методов математического анализа.

Диссертационная работа является частью научных исследований, выполненных в соответствии с договором между Уфимским Государственным Нефтяным Техническим Университетом и ОАО «Уфахимпром» о проведении научно исследовательской работы по теме: «Разработка автоматизированной сернокислотной установки с замкнутым газооборотом». Результаты работы приняты в базу данных ОАО «Уфахимпром» и включены в план перспективного развития предприятия.