DE102017219401A1 - SO3-Absorptionsturm - Google Patents

Abstract

SO-Absorptionsturm, bei dem ein Sammelboden in der Mitte des Absorptionsturms angeordnet ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte SO₃-Absorptionstürme, insbesondere im Rahmen des Schwefelsäureherstellungsprozesses.
• Die Produktion von Schwefelsäure ist ein exothermer Prozess. Unter anderem entsteht die freiwerdende Energie bei der Absorption von Schwefeltrioxid in Schwefelsäure (welche dabei optimalerweise eine Konzentration von mindestens 98 % aufweist) unter Zuführung von Wassermengen, die die Konzentration aufrechterhalten.
• Die bei der Herstellung von Schwefelsäure freiwerdende Wärmeenergie wird in modernen Produktionsanlagen mittels Wärmerückgewinnungsanlagen (Heat Recovery Systems) weiter verwertet. In vielen Anlagen wird dabei die Reaktionswärme für die Produktion von Mittel- und Hochdruckdampf verwendet. Der Mitteldruckdampf wird beispielsweise in einem System erzeugt, in welchem heiße Schwefelsäure aus dem SO₃-Absorptionsturm (AT) in einem Umlauf durch den Mitteldruck-Boiler umgewälzt wird.
• In bisher bekannten Prozessen werden üblicherweise mehrere Absorptionstürme eingesetzt, was unter verschiedenen Aspekten nachteilig ist: viele Absorptionsturm benötigen relativ viel Platz, erfordern effektive Verbindungen zwischen einander und kosten viel Geld.
• Aus dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt, bei denen zwei Absorptionszonen direkt übereinander geschaltet werden. Bei diesen Lösungen ist ein freier Stoffaustausch möglich. Durch den freien Stoffaustausch ergeben sich aber auch Nachteile, z.B. ist der Nutzer in der Art und Weise von Schwefelsäureaufgabe und - abzug eingeschränkt. Ein Beispiel für Stand der Technik ist US 2014/0322125 A1 .
• Entsprechend besteht noch Verbesserungsbedarf der bestehenden Anlagen dahingehend, dass der entsprechende monetäre und apparative Aufwand verringert wird.
• Entsprechend war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung verbesserter Anlagen insbesondere im Rahmen der Schwefelsäureherstellung, zur Verfügung zu stellen, welche die Probleme und Nachteile des Standes der Technik nicht mehr aufweisen.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der anliegenden Ansprüche sowie die im Folgenden dargestellten Gegenstände.
• Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei der vorliegenden Erfindung ein Absorptionsturm derart ausgestaltet ist, dass er in zwei Stufen aufgeteilt ist, wobei in der oberen Stufe kalte Schwefelsäure aufgegeben wird, in der Schwefeltrioxid absorbiert wird, wobei der Kopf der Absorptionsstufe einen Temperaturbereich von 60-90° C aufweist, und in der unteren Stufe heiße Schwefelsäure aufgegeben wird, in der Schwefeltrioxid absorbiert wird, wobei der Kopf der Absorptionsstufe einen Temperaturbereich von 180-220° C aufweist.
• Nach dem bisherigen Stand der Technik waren diese beiden Zonen auf zwei voneinander getrennte Kolonnen aufgeteilt.
• Ein typischer Absorptionsturm ist ein vertikales, zylindrisches Gefäß, das ausgestaltet ist, um Prozessgas und starke Schwefelsäure (98,5% H₂SO₄) in Kontakt zu bringen mit dem Zweck SO₃ zu absorbieren. Der Turm kann beispielsweise aus speziellen Legierungen oder dem traditionelleren ziegeleingefassten Carbonstahl hergestellt sein. Ein solcher Absorptionsturm ist üblicherweise mit Tropfenabscheider, Säuredistributor, Packung und Packungsträger, sowie gegebenenfalls weiteren Einbauten versehen. Dabei ist der grundlegende Aufbau der, dass das SO₃-haltige Prozessgas am Boden des Absorptionsturm eingeleitet wird und nach oben strömt. Dabei wird zuerst der auf einem Packungsträger angeordnete Packung durchströmt während von oben durch den Säuredistributor im Gegenstrom Schwefelsäure entgegengeleitet wird. Um bei der Absorption entstehende feine Schwefelsäuretröpfchen (die Nebelbildung) zu eliminieren bzw. zu vermindern wird dann ein Tropfenabscheidung durchströmt, bevor das Gas am Kopf des Absorptionsturm wieder ausgeleitet wird. Üblicherweise ist es dabei nicht ausreichend, einen einzigen Absorptionsturm einzusetzen, um das gesamte Schwefeldioxid zu entfernen.
• Überraschenderweise konnte durch Anordnung eines Sammelbodens in der Mitte eines Absorptionsturms im Rahmen der vorliegenden Erfindung erreicht werden, dass zwei Absorptionszonen übereinander angeordnet werden konnten, wobei in der oberen Stufe kalte Schwefelsäure aufgegeben wird, in der Schwefeltrioxid absorbiert wird, wobei der Kopf der Absorptionsstufe einen Temperaturbereich von 40-120°C, insbesondere 60-90°C, aufweist, und in der unteren Stufe heiße Schwefelsäure aufgegeben wird, in der Schwefeltrioxid absorbiert wird, wobei der Kopf der Absorptionsstufe einen Temperaturbereich von 150-250°C, insbesondere 180-220°C, aufweist.
• Ausgehend von dem Stand der Technik war nicht zu erwarten, dass dies ohne weiteres möglich war, da bisher die Meinung bestand, dass dies operativ nicht umsetzbar war.
• Überraschenderweise und vorteilhafte Weise wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden, dass kalte und heiße Schwefelsäure-Ströme über eine Kolonne unabhängig voneinander bzw. ohne Beeinträchtigung der Mitteldruck-Dampfproduktion oder der Qualität der Absorption umgesetzt werden können. Dadurch kann bei geänderten Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel niedrige Luftfeuchtigkeit, die Wärmerückgewinnung gesteigert werden, ohne die Kerzenfilter mit starker Nebelbildung durch schwache Absorption zu belasten. Zudem ist es von Vorteil im Hinblick auf die räumlichen Anforderungen der Reaktionsanlage sowie die Kosten wenn anstelle von zwei Absorptionstürmen ein Absorptionsturm verwendet werden kann.
• Die Erfindung befasst sich insbesondere mit dem Aufbau und den Einbauten des SO₃-Absorptionsturms. Neu ist insbesondere die Anbringung eines Sammelbodens an der Mitte des Absorptionsturms. Der Sammelboden gibt unter anderen die Möglichkeit, kalte Schwefelsäure von der kalten Absorptionsstufe zu sammeln und gesteuert die kalte Säure abzuziehen oder weiterzuleiten in die heiße Absorptionsstufe. Bevorzugt erfolgt dieses über eine zusätzliche Leitung, wobei in einer bevorzugten Ausgestaltung der Durchfluss von kalter Schwefelsäure durch die zusätzliche Leitung regelbar ist, so dass die Weiterleitung von kalter Schwefelsäure in die heiße Absorptionsstufe abhängig von den aktuellen Prozess-Parametern gesteuert werden kann.
• Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass ein Sammelboden an der Mitte des Absorptionsturms eingefügt ist. Mittels dieses Sammelbodens wird die aus dem oberen Teil des Absorptionsturms kommende kalte Säure daran gehindert, in den unteren Teil des Absorptionsturms zu gelangen und stattdessen gesammelt. Aus dem unteren Teil des Absorptionsturms kommende heiße Säure kann hingegen in gasförmiger Form in den oberen Teil des Absorptionsturms gelangen. Dort kann sie dann abgekühlt werden und letztendlich auch als abgekühlte Flüssigkeit aufgefangen werden. In der Regel wird dabei die kalte Säure vom Sammelboden in eine umlaufende Sammelrinne oder in einen Ablaufschacht geleitet.
• Der erfindungsgemäß eingesetzte Sammelboden kann dabei aus den fachüblich bekannten ausgewählt werden. Voraussetzung ist lediglich, dass der Sammelbodens für Gas durchlässig, hingegen für Feuchtigkeit sperrend ist.
• Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare Sammelböden sind zum Beispiel Kaminböden, Chinesenhüte, Lamellensammelböden. Hersteller kommerziell erhältlicher Sammelböden sind beispielsweise die Firma RVT Process Equpipment oder die Firma Raschig.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfassen die Absorptionsturm auch Tropfenabscheider, beispielsweise in Form von Kerzenfiltern.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, nicht nur einen Sammelboden einzusetzen, sondern mehrere Sammelböden in eine entsprechend große Kolonne einzubauen, so das dann statt zwei verschiedenen Zonen entsprechend mehr Zonen entstehen; bei Einbau von zwei Sammelböden würden zum Beispiel 3 Zonen entstehen und beim Einbau drei Sammelböden vier Zonen. Dies ermöglicht noch genauere Einstellungsmöglichkeiten hinsichtlich der Wärme Rückgewinnung, der verschiedenen Produktströme und so weiter.
• Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Absorptionstürme in Verfahren zur Schwefelsäureherstellung, insbesondere solchen, die mindestens einen SO₃-Absorptionsschritt umfassen, ist es möglich den Platzbedarf der Anlage, sowie die Anschaffungs- und Betriebskosten zu verringern. Zusätzlich wir die Flexibilität beim Betrieb dadurch gesteigert, dass die unterschiedlich temperierten Schwefelsäureströme gezielt abgeleitet werden können. Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber dem oben genannten Stand der Technik, bei dem ein freier Stoffaustausch erfolgt, sind u.a. dass durch die Verwendung eines Sammelbodens bei der vorliegenden Erfindung mehr Flexibilität betreffend Aufgabe und Abzug von Schwefelsäure gegben ist. Ferner ist es durch die vorliegende Erfindung möglich, mehr Energie zurückzugewinnen, als bei den Lösungen gemäß Stand der Technik.
• Somit betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Absorptionstürme in Schwefelsäureherstellungsverfahren, die mindestens einen SO₃-Absorptionsschritt umfassen.
• Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Effizienzsteigerung bei Schwefelsäureherstellungsverfahren, die mindestens einen SO₃-Absorptionsschritt umfassen, bei dem mindestens ein Schwefeltrioxid-Absorptionsturm gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt wird. Ebenfalls ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Schwefelsäureherstellung umfassend die Absorption von SO₃ in H₂SO₄, wobei das Verfahren einen Verfahrensschritt umfasst, bei dem SO₃-haltiges Prozessgas durch einen Absorptionsturm gemäß vorliegender Erfindung geleitet wird.
• Die verschiedenen für den Absorptionsturm an sich dargestellten Ausführungsformen sind entsprechend vollständig auf die erfindungsgemäße Verwendung und die erfindungsgemäßen Verfahren anwendbar.
• Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind insbesondere auch die folgenden:
1. I. Schwefeltrioxid-Absorptionsturm 10 umfassend mindestens einen, bevorzugt genau einen, Einlass für Prozessgas 1 am Boden des Absorptionsturms 10 und mindestens einen, bevorzugt genau einen, Auslass für Prozessgas 1 am Kopf des Absorptionsturms 10, mindestens zwei, bevorzugt genau zwei, Ein- und Auslässe für kalte Schwefelsäure 2 und heiße Schwefelsäure 3, mindestens zwei, bevorzugt genau zwei, Säuredistributoren 5,5', mindestens zwei, bevorzugt genau zwei, Packungen 6,6', mindestens zwei, bevorzugt genau zwei, Packungsträger 7,7', und mindestens einen, bevorzugt genau einen, Tröpfchenabscheider 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mitte des Absorptionsturms 10 mindestens ein, bevorzugt genau ein Sammelboden 20 angeordnet ist.
2. II. Schwefeltrioxid-Absorptionsturm 10 nach Gegenstand I, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelboden in Strömungsrichtung des Prozessgases für Gase, insbesondere das Prozessgas und heiße, gasförmige Schwefelsäure, durchlässig ist, und gegen die Strömungsrichtung des Prozessgases für Flüssigkeiten, insbesondere Schwefelsäure, undurchlässig ist.
3. III. Schwefeltrioxid-Absorptionsturm 10 nach Gegenstand I oder II, dadurch gekennzeichnet, dass er in zwei Stufen A) und B) aufgeteilt ist, wobei
   1. a) die obere Stufe für die Aufgabe von kalter Schwefelsäure ausgestaltet ist, wobei der Kopf der Absorptionsstufe einen Temperaturbereich von 40-120°C, insbesondere 60-90°C, aufweist, und
   2. b) die obere Stufe für die Aufgabe von heißer Schwefelsäure ausgestaltet ist, wobei der Kopf der Absorptionsstufe einen Temperaturbereich von 150-250°C, insbesondere 180-220°C, aufweist und wobei der Sammelboden 20 zwischen den beiden Stufen A) und B) angeordnet ist.
4. IV. Schwefeltrioxid-Absorptionsturm 10 nach einem der Gegenstände I-III, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und Auslässe für kalte Schwefelsäure 2 und heiße Schwefelsäure 3 unabhängig voneinander geregelt werden.
5. V. Schwefeltrioxid-Absorptionsturm 10 nach einem der Gegenstände I-IV, dadurch gekennzeichnet, dass als Tröpfchenabschieder ein Kerzenfilter eingesetzt wird.
6. VI. Schwefeltrioxid-Absorptionsturm 10 nach einem der Gegenstände I-V, dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich eine Leitung aufweist, mit der die kalte Schwefelsäure in die untere Stufe für die Aufgabe von heißer Schwefelsäure weitergeleitet werden kann, wobei der Durchfluss von kalter Schwefelsäure durch die zusätzliche Leitung bevorzugt regelbar ist.
7. VII. Verfahren zur Schwefelsäureherstellung umfassend die Absorption von SO₃ in H₂SO₄, umfassend einen Verfahrensschritt, bei dem SO₃-haltiges Prozessgas durch einen Schwefeltrioxid-Absorptionsturm 10 nach einem der Gegenstände I-VI geleitet wird.
8. VIII. Verwendung eines Schwefeltrioxid-Absorptionsturms 10 nach einem der Gegenstände I-VI in einem Schwefelsäureherstellungsverfahren, das mindestens einen SO₃-Absorptionsschritt umfasst.
9. IX. Verfahren zur Effizienzsteigerung bei Schwefelsäureherstellungsverfahren, die mindestens einen SO₃-Absorptionsschritt umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schwefeltrioxid-Absorptionsturm 10 nach einem der Gegenstände I-VI eingesetzt wird.
• Die vorliegende Erfindung wird nun im Hinblick auf die anliegende, nicht-limitierende 1 näher erläutert. Dabei ist 1 nicht maßstabsgerecht, gleiche Ziffern bezeichnen gleiche Gegenstände bzw. Materialien und die Figur zeigt nicht alle, fachüblich bekannten An- und Einbauten eines Absorptionsturms, sofern diese für die vorliegende Erfindung nicht maßgeblich sind.
• Das Schwefeltrioxid-haltige Prozessgas 1 wird am Boden des Absorptionsturms 10 eingeleitet und steigt entgegen der Gravitationsrichtung im Absorptionsturm 10 hoch, um dann am Kopf des Absorptionsturms 10, nachdem es im Absorptionsturm von Schwefeltrioxid befreit wurde, oder zumindest der Gehalt an Schwefeltrioxid vermindert wurde, wieder abgeleitet zu werden. Dabei durchströmte das Prozessgas zunächst eine Packung 6, die auf einem Packungsträger 7 angeordnet ist, während gleichzeitig von oben über einen Säuredistributor 5 heiße Schwefelsäure im Gegenstrom aufgegeben wird. Das nun bereits in seinem Schwefeltrioxid-Gehalt verminderte Prozessgas, sowie gegebenenfalls heiße, gasförmige Schwefelsäure, strömt dann durch den Sammelboden 20, um in die zweite Zone einzutreten. Dort passiert das Prozessgas zunächst eine Packung 6', die auf einem Packungsträger 7' angeordnet ist, während gleichzeitig von oben über einen Säuredistributor 5' kalte Schwefelsäure im Gegenstrom aufgegeben wird. Danach strömt das Prozessgas durch einen Tropfenabscheidung 4, um entstandene feine Schwefelsäure-Tröpfchen zu entfernen.
• Bezugszeichenliste

1

Prozessgas

2

kalte Säure

3

heiße Säure

4

Tropfenabscheider

5, 5'

Säuredistributor

6, 6'

Packung

7, 7'

Packungsträger

10

Absorptionsturm

20

Sammelboden

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 2014/0322125 A1 [0005]

Claims (9)

1. Schwefeltrioxid-Absorptionsturm (10) umfassend einen Einlass für Prozessgas (1) am Boden des Absorptionsturms (10) und einen Auslass für Prozessgas (1) am Kopf des Absorptionsturm (10), Ein- und Auslässe für kalte Schwefelsäure (2) und heiße Schwefelsäure (3), Säuredistributoren (5,5'), Packungen (6,6'), Packungsträger (7,7'), und Tröpfchenabscheider (4), dadurch gekennzeichnet, dass in der Mitte des Absorptionsturms (10) ein Sammelboden (20) angeordnet ist.
2. Schwefeltrioxid-Absorptionsturm (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelboden in Strömungsrichtung des Prozessgases für Gase durchlässig ist, und gegen die Strömungsrichtung des Prozessgases für Flüssigkeiten undurchlässig ist.
3. Schwefeltrioxid-Absorptionsturm (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er in zwei Stufen A) und B) aufgeteilt ist, wobei a) die obere Stufe für die Aufgabe von kalter Schwefelsäure ausgestaltet ist, wobei der Kopf der Absorptionsstufe einen Temperaturbereich von 40-120°C, insbesondere 60-90°C, aufweist, und b) die untere Stufe für die Aufgabe von heißer Schwefelsäure ausgestaltet ist, wobei der Kopf der Absorptionsstufe einen Temperaturbereich von 150-250°C, insbesondere 180-220°C, aufweist, und wobei der Sammelboden (20) zwischen den beiden Stufen A) und B) angeordnet ist.
4. Schwefeltrioxid-Absorptionsturm (10) nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und Auslässe für kalte Schwefelsäure (2) und heiße Schwefelsäure (3) unabhängig voneinander geregelt werden.
5. Schwefeltrioxid-Absorptionsturm (10) nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass als Tröpfchenabscheider ein Kerzenfilter eingesetzt wird.
6. Schwefeltrioxid-Absorptionsturm (10) nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich eine Leitung aufweist, mit der die kalte Schwefelsäure (2) in die untere Stufe für die Aufgabe von heißer Schwefelsäure weitergeleitet werden kann, wobei der Durchfluss von kalter Schwefelsäure durch die zusätzliche Leitung bevorzugt regelbar ist.
7. Verfahren zur Schwefelsäureherstellung umfassend die Absorption von SO₃ in H₂SO₄, umfassend einen Verfahrensschritt, bei dem SO₃-haltiges Prozessgas durch einen Schwefeltrioxid-Absorptionsturm (10) nach einem der Ansprüche 1-6 geleitet wird.
8. Verwendung eines Schwefeltrioxid-Absorptionsturms (10) nach einem der Ansprüche 1-6 in einem Schwefelsäureherstellungsverfahren, das mindestens einen SO₃-Absorptionsschritt umfasst.
9. Verfahren zur Effizienzsteigerung bei Schwefelsäureherstellungsverfahren, die mindestens einen SO₃-Absorptionsschritt umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schwefeltrioxid-Absorptionsturm (10) nach einem der Ansprüche 1-6 eingesetzt wird.

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