Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung schwefeltrioxydhaltiger
Gase Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung schwefeltrioxydhaltiger
Gase nach dem unter Überdruck arbeitenden Kontaktverfahren, bei dem die Umsetzung
der aus einem Schwefelverbrennungsofen kommenden schwefeldioxydhaltigen Gase in
mehreren mit unterschiedlichen Drücken triebenen Kontaktstufen durchgeführt wirdp
wobei die Reaktionsgase beim Übergang von einer Kontaktstufe in die andere zur
| in asturbanen/ |
| Abkühlung unter Gewinnung von Energ@entspan--n-t werden. |
Mit Hilfe des unter Druck betriebenen Kontaktverfahrens zur Herstellung von Schwefeltrioxyd
ist e-s gegenüber dem unter Normaldruck arbeitenden Verfahren zur Herstellung von
Schwefeltrioxyd möglich, einen hohen Umsetzungsgrad des Schwefeldioxyds zum Schwefeltrioxyd
sowie große Durchsatzleistungen zu erzielen. Es ist bekannt (Waeser, B.: Die Schwefelsäurefabrikation,
Seite 399, Braunschweig 1967), schwefeldioxydhaltige Gase bei Temperaturen von 650
°,C und Drücken von 100 atü zu 95 % umzusetzen. Dieses Verfahren hat jedoch den
Nachteil, daß die Ka-
| ts.ly;=@ to-@er@ schon nach ganz kurzer Zeit ermüden und. somit
ein |
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forderll.C;n ist.
Die US--Patentschrift 1.883.570 beschreibt ein
Verfahren, bei dem S02 -haltiges Gas auf 3,5 atü komprimiert, erhitzt und dann während
der Katalyse adiabatisch entspannt wird. Es gelingt jedoch bei Verwendung dieser
geringen Drücke nicht, die Gasdurchsatzleistung sowie den Umsetzungsgrad nennenswert
über schon bekannte Werte zu erhöhen. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden (DBP
640.626), Schwefeltrioxyd aus einem Gemisch von Schwefeldioxyd und Luft in Gegenwart
eines Vanadium Katalysators unter einem Druck von 12 atü und einer Temperatur von
450 00 zu erzeugen. Dabei wird ein Umsetzungsgrad des Schwefeldioxyds zum Schwefeltrioxyd
von 98,5 ,% erzielt.
Die in den Abgasen gespeicherte Kompressionsarbeit kann
ausgenutzt werden. Nach der US-Patentschrift 2.0750075 werden die bei Druck in mehreren
Kontaktstufen katalysierten Gase beim Übergang von einer Kontaktstufe in die andere
in Gasturbinen unter Gewinnung mechanischer Energie entspannt. Diese Verfahren konnten
jedoch bisher keinen Eingang in die Betriebspraxis finden, weil sie mit dem Nachteil
be-YEftet sind, daß der Gesamtanlage erhebliche Energiemengen ständig von außen
zugeführt werden müssan . Dadurch steigen aber die für die Schwefeltrioxyd-Herstellung
erforderlichen
Energiekosten höher an, als die Senkung der Kosten,
die infolge eines erhöhten Umsetzungsgrades und einer vergrößerten Durchsatzleistung
erzielt wird. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das unter Überdruck
mit mehreren Kontaktstufen betriebene Kontaktverfahren zur Herstellung von Schwefeltrioxyd
aus schwefeldioxydhaltigen Gasen, bei dem die Reaktionsgase beim Übergang von einer
Kontaktstufe in die andere in einer Gasturbine entspannt werden, so zu verbessern,
daß die Energiezufuhr von außen entfallen kann, die Durchsatzleistung bei gleichzeitiger
Verbesserung des Umsetzungsgrades gesteigert und der Katalysatorbedarf der einzelnen
Kontaktstufen erheblich verringert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die die zweite Kontaktstufe mit einem Umsetzungsgrad von 9995 und einem
Druck von 3 bis 10 ata, vorzugsweise 5 bis 8 ata, verlassenden schwefeltrioxydhaltigen
Reaktionsgase durch einen mit einem Schwefelverbrennungsofen verbundenen Wärmeaustauscher
geführt werden. In dem Wärmeaustauscher werden die Reaktionsgase auf eine Temperatur
von 400 bis 600 o C, vorzugsweise 400 bis 500 o C, aufgeheizt und anschließend in
einer Gasturbine auf einen Druck von 1,05 ata entspannt. Zur Steigerung des Temperaturgefälles
können die die zweit e Kontaktstufe verlassenden schwefeltrioxydhaltigen Gase vor
dem
Eintritt in den Wärmeaustauscher in einer zusätzlich angeordneten Gasturbine auf
einen Druck von 2 bis 4 ata entspannt werden. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung
besteht darin, daß der Antriebsmotor für den Luftverdichter und der durch die Turbinen
betriebene Generator koaxial angeordnet zu einer Motor-Generator-Anlage verbunden
sind. Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Blockschaltbilder in den Figuren
1 bis 2 und anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher und beispielsweise
erläutert.
Ausführungsbeispiel 1:
Die in Figur 1 dargestellte Anlage wurde
für die Umsetzung von Schwefelverbrennungsgasen bei einer Leistung von 450 tat.
Monohydrat berechnet. Über Zeitung 1 werden 31,5 m3/s atmosphärische Luft von ca.
20
00 und bei Normaldruck von einem Verdichter 2 angesaugt und auf einen
Druck von 1495 ata verdichtet sowie gleichzeitig auf 240
00 vorgewärmt.
Über
Zeitung 3 wird die vorgewärmte komprimierte Luft in einen Schwefelverbrennungsofen
5 geleitet und dort zusammen mit über Leitung 4 eingedüstem flüssigem Schwefel,
der in Mengen von 1,75 kg/sek. eingebracht wird, verbrannt. In einem nachfolgenden
Wärmeaustauscher 6 werden die 975 °C heißen Schwefelverbrennungsgase auf caa 600
0 0 gekühlt und durch Zumischung von über Zeitung 3a zugeführter 230 bis
240 00-heißer Primärluft auf eine Temperatur von ca, 420 °C gesenkt. Mit einem Druck
von 14 ata strömen die schwefeldioxydhaltigen Verbrennungsgase über Leitung 7 in
eine erste Kontaktstufe, in der das Gas zu 96 j in Schwefeltrioxyd umgesetzt und
auf 545 °C aufgeheizt wird. Das aus' der Kontaktstufe 8 austretende schwefeltrioxydhaltige
Reaktionsgas wird über Zeitung 9 in die Gasturbine 10 gEleitet, in der es auf einen
Druck von 6,5 ata entspannt und auf 400 °C abgekühlt wird. Der durch die Gasentspannung
erzielte Energiegewinn beträgt 5160 kW-,Über Zeitung 11 werden die
SO 3-haltigen
Gase einer zweiten Kontaktstufe 12 zugeleitet, in der der Umsetzungsgrad des Schwefeldioxyds
auf 99,5 % erhöht wird. Die schwefeltrioxydhaltigen Gase verlassen über leituni;
13 die zweite Kontaktstufe 12 und strömen durch einen Wärmeaustauscher 6, in dem
sie im Gegenstrom mit den heißen Schwefelverbrennungsgase geführt werden und dabei
auf 580
0 0 aufgeheizt werden, Über Zeitung 14 strömen die heißen Gase aus
dem Wärmeaustauscher 6 in eine weitere Gasturbine 15, in der sie auf 1,05 ata entspannt
und auf 280
0 C
abgekühlt werden. Auf diese Weise wird eine
Energierückgewinnung von ca. 15.200 kW erzielt. In einem hinter der zweiten Gasturbine
15 angeordneten Nachkühler wird das schwefeltrioxydhaltige Gas, das aus der Gasturbine
15 in Mengen von 28 m3/s ausströmt, auf eine Temperatur von 200
00 abgekühlt.
Von der von den beiden Gasturbinen 10, 15 entwickelten Energie werden über die Motor--Generator-Anlage
13.500 kW an den
| Verdichter |
| Bekükldmuk (2) für die Verbrennungsluft abgegeben, so
daß ein |
Energieüberschuß von 6860 kW bleibt.
Ausführungsbeispiel 2:
Die in Figur 2
dargestellte Kontaktanlage für die Umsetzung von Schwefelverbrennungsgasen ist für
eine Leistung von 460 tat. Monohydrat berechnet worden. Bis zur zweiten Kontaktstufe
12 arbeitet diese Anlage in gleicher Weise wie die in Figur 1 dargestellte Anlage.
Eine Veränderung gegenüber Figur 1 ist dadurch gegeben, daß das aus der zweiten
Kontaktstufe 12 mit einem Druck von 6,5 ata und einer Temperatur von 395 0C aus-tretende
schwefeltrioxydhaltige Gas zunächst in einer Gasturbine 18 auf
2,7 ata entspannt
und auf 270 °C abgekühlt wird. Der dabei erzielte Energiegewinn, beträgt 4700 kW.
Über Leitung 13 wird das Reaktionsgas dein Wärmeaustauscher 6 zugeführt, in dem
es auf 450
0 0 aufgeheiüt wird. Das schwefeltrioxydhaltige Gas verläßt den
Wärmeaustauscher
6 über Zeitung 14 und wird in einer Gasturbine
15 auf einen Druck von 1,05 ata entspannt und auf 306 °C abgekühlt. Der auf diese
Weise erzielte Energiegewinn beträgt 5720 kW. Die Nachkühlung der schwefeltrioxydhaltigen
Gase in dem Nachkühler 16 erfolgt wie in dem in der Figur 1 beschriebenen Verfahren.
Der .Antrieb für die Luftverdichter 2 ist mit der Welle, auf der die Turbinen 10,
15, 18 angeordnet sind, über eine Motor-Generator-Anlage 17 gekoppelt, wobei sich
eine Überschußleistung von 2080 kW ergibt. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile
bestehen insbesondere darin, daß die Gasturbinen des erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht nur die zum Verdichten der Verbrennungsluft erforderliche Energie liefern,
sondern daß darüber hinaus auch Energieüberschüsse erzielt werden, die in Form elektrischer
Energie für den Antrieb der übrigen Maschinen der Kontaktanlagen, wie z.B. Pumpen,
Gebläse, Förderanlage, verwendet werden können. Es ist lediglich notwendig, zum
Anfahren der in der Erfindung beschriebenen Kontaktanlage Energie von außen zuzuführen.
Sobald sich jedoch nach einer bestimmten Zeit im ganzen System ein thermischer Beharrungszustand
ausgebildet hat, kann der Motorbetrieb auf Genera torbetrieb umgestellt werden und
eine Energiezufuhr von außen entfallen.
Ein weiterer bedeutender
Vorteil ergibt sich dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der spezifische
Katalysatorbedarf gegenüber den mit Normaldruck arbeitenden Verfahren zur Herstellung
von schwefeltrioxydha:,tigen Gasen um ca. 70 bis 80 % gesenkt werden kann. Besonders
vorteilhaft ist das Verfahren auch aus dem Grunde, weil es nunmehr möglich ist,
eine Schwefeltrioxyd-Anlage mit großer Tagesleistung auf kleinstem Raum unterzubringen.
Die erzielte Raumersparnis von 30 bis 40 % ist überraschend groß, die Apparate werden
also dementsprechend klein, so daß die Kosten für die Anlage sich stark verringern.