低温克劳斯硫磺回收催化剂结构活性关系理论研究.pdf

低温克劳斯硫磺回收催化剂结构活性关系理论研究李金金李娅张晓雪陈昌介何金龙中国石油股份有限公司西南油气田分公司天然气研究院摘要:利用Materials Studios软件,计算低温克劳斯反应气体H2S及SO。在不同情形下的分子扩散系数,明确了液硫累积对反应气体扩散系数的影响。SOL Multiphasic建立具有代表性的一维催化剂微孔模型,并将建立的催化 SOL Mulfiphasic默认的反应流进行耦合。催化剂动力学引用Dalla Lana的低温克劳斯反应氧化铝催化剂动力学方程和数据。采用有限元方法对模型进行稳态模拟,得到催化剂微孔内的H:s浓度分布,进而求得H:s的转化率。分析了催化剂微孔孔形、孔尺寸、反应气体流量以及液硫累积对低温克劳斯反应过程的影响。关键词:低温克劳斯;SOL Multiphasic;液硫累积;模拟低温克劳斯技术又称亚露点硫回收技术,是应用较广的硫磺回收和尾气处理技术类型之一,其工艺特点是在低于硫露点温度下进行克劳斯反应【”。研究表明,克劳斯反应主要包括以下5个步骤[21: 反应物(H,s和SO.)向催化剂表面扩散; 反应物吸附于催化剂表面; 在催化剂表面上进行克劳斯反应; 反应产物(s和H,0)从表面上脱附; 反应产物扩散离开催化剂颗粒; 目前,低温克劳斯反应过程使用的催化剂为活性氧化铝【3j,近年来开展的大量研究证明,低温亚露点克劳斯反应的效率与氧化铝催化剂的孔结构密切相关,尤其是大孔体积或大孔孔隙率已被确定为衡量催化剂转化活性的重要参数【4】。实验研究表明,大孔体积及大孔孔隙率对低温亚露点克劳斯反应活性起关键性作用;同时理想的低温克劳斯反应催化剂不仅要求高的大孔体积和大孔孔隙率,也要求有较高的小孔体积和小孔孔隙率,从而增加催化剂的比表面积,从而提高其对液硫的负载能力。在本文中,先采用MaterialsStudios软件,,并明确液硫累积对反应气体扩散系数的影响。SOL Mulfiphysic对低温克劳斯过程的气体分子扩散和反应过程进行严格的模拟计算,明确了催化剂孔结构以及硫累积对反应过程的影响,建立了催化剂孔结构与低温克劳斯反应效率的对应关系。 1计算模型及计算方法 ,采用Materials Studios软件的Discover模块计算气体分子的动力学均方位移,从而间接求得气体分子的扩散系数D.。 1-2反应过程的模拟考虑到所研究对象为催化剂微孔内的反应,在微孔内流体的宏观流动可以忽略,只需考虑由于扩散引起的流体运动,及在扩散到催化剂微孔内后,在微孔壁面与催化剂活性位接触发生反应。在此假定基础上,确定模拟计算所需方程和边界条件。 ,。反应气体由模型上端矩形的左边界进入,经中间矩形扩散进人下部圆形区域,假定反应气体只在下部圆环部位发生反应,反应后的混合气体最终扩散至上端矩形并从此矩形的右边界流出。 Re —◆—◆—◆ ,SOL Multiphasic软件中化学反应工程模块的稀物质传递模型对低温克劳斯反应进行模拟计算,物种的传递方程如下: N=一D V C+u c