DE1667716A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Schwefeldioxyd hoher Reinheit - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Schwefeldioxyd hoher Reinheit

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sulfur
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reactor
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Georg Annaheim
Frank Dr Phil Siegfried
Erich Walder
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B17/00Sulfur; Compounds thereof
    • C01B17/48Sulfur dioxide; Sulfurous acid
    • C01B17/50Preparation of sulfur dioxide

Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Her- stellung von Schwefeldioxyd hoher Reinheit Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Schwefeldioxyd hoher Reinheit durch Reaktion von Schwefel mit Schwefeltrioxyd aus einem Sumpf von Oleum nach der Gleichung 2 S03 + S --:> 3 S02 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Es sind bereits eine Anzahl von Verfahren zur industriellen Herstellung von 100-%igem S02 bekannt, bei denen man als Ausgangsstoff Oleum oder 100-%iges gasförmiges oder flüssiges S03 benutzt und dieses mit festem oder flüssigem Schwefel in geeigneten Apparaturen zur Reaktion bringt. Die Arbeitstemperaturen liegen bei den bekannten Verfahren meistens oberhalb der Schmelztemperatur des Schwefels, etwa zwischen 120 - 350o C und bei einem Verfahren auch wenig unterhalb der Schwefelschmelztemperatur, nämlich bei 90o C. Die Arbeitsdrucke variieren zwischen Normaldruck und 50 atü. Alle bekannten Verfahren zeigen spezifische Flachteile, wie Korrosion der Apparatur, laufender Anfall von beträchtlichen Mengen schwer verwendbarer Abfallprodukte in Form bitumenreicher Schwefelsäure, starke Verunreinigungen des Endproduktes S02 durch S03 und teilweise hoher Energieaufwand.
  • Es ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, welches die beschriebenen Nachteile nicht aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, daß man der durch Rühren bewegten Flüssigkeitsoberfläche von 20 - 30 % freies S03 enthaltendem Oleum bei einer praktisch gleichbleibenden Reaktionstemperatur von ¢0 - 50o C flüssigen Schwefel unter normalem oder geringem Überdruck von z.B. 3 - 6 atü zufügt und die sich hierbei bildenden kugelähnlichen, festen Schwefelpartikel von ungefähr 1 mm Durchmesser mit dem S03 reagieren läßt, wobei man das umgesetzte Schwefeltrioxyd durch kontinuierliche Zufuhr von flüssigem S03 zum Oleumsumpf unterhalb dessen Oberfläche ergänzt. Durch den geringen Überdruck wird eine noch größere Reinheit des Endproduktes erzielt und kann die Kompressoranlage durch ein einfaches Wasserkühlsystem ersetzt werden.
  • Der flüssige Schwefel hat vorteilhaft eine Temperatur von 135° C. Die kontinuierliche Zugabe von flüssigem Schwefeltrioxyd in dem Reaktor erfolgt hierbei im stöchiometrischen Verhältnis, steuerungsmäßig aber unabhängig von der Schwefelzugabe Tiber eine Niveauregulierung, so daß zwangsläufig das chemisch notwendige Zugabeverhältnis zu jedem Zeitpunkt erhalten bleibt. Etwa notwendig werdende Temperaturkorrekturen werden mittels einer Kaskadensteuerung ausgeglichen, wobei Gut- und Manteltemperatur im Idealfall praktisch übereinstimmen. Durch diese Maßnahme wird eine hohe Konstanz der Gasproduktion gewährleistet. Die den Reiriktor verlassenden S02-Gase weisen bereits einen Gehalt von über 99,5 % S02 auf. Sie werden vorteilhaft. in einen mit festen Schwefelstücken gefüllten Nachreaktor geleitet und hierbei durch-Verminderung des S03-Gehaltes die Reinheit des S02-Gases auf 99,95 % erhöht.
  • Es wurde überraschenderweise festgestellt, daB bei diesen tiefen Temperaturen von 40 - 50o C die Reaktion ebenso schnell verläuft wie bei höheren Temperaturen von beispielsweise 900 C, ohne den Nachteil mit sich zu bringen, daß das entstehende S02-Gas einen hohen Anteil'von S03 mit sich führt. Bei höherer Temperatur steigt der S03-Gehalt im S02 -Gas entsprechend dem höheren Partialdruck des S03 im Oleum an. Dies macht sich in steigendem Maße bemerkbar, wenn über dem Siedepunkt des flüssigen S03 (44,8o C bei Normaldruck) gearbeitet wird.
  • Die Bildung von kugelähnlichen festen Schwefelpartikeln und deren große Reaktionsfähigkeit mit S03 beruht offenbar auf folgenden Vorgängen: Der flüssig auf der Badoberfläche ankommende Schwefel wird infolge intensiver Rührwirkung fein verteilt, wobei die einzelnen Teile zwangsläufig eine kugelähnliche Form annehmen. Die hohe Temperatur-Differenz zwischen dem Schwefel von 135o C und der Badtemperatur von 40 - 570o C bewirkt ein Abschrecken des Schwefels, so daß die Oberfläche der Partikel laugenblicklich zur festen Schale erhärtet.
  • Durch die isolierende Wirkung der primär gebildeten festen Aussenhaut wird die kugelähnliche Form der Partikel festgehal-_ ten und durch das nachträgliche Abkühlen des flüssigen Schwefels im Partikelinnern entsteht, offenbar durch die unterschiedlichen Dichten von flüssigem zu festem Schwefel, eine Kontraktion von ca. 15 %, welche bewirkt, daB ein heterogener Aufbau im Innern der Partikel und ein Einziehen der sich verfestigenden Schale stattfindet, was wohl durch den im Innern derselben entstandenen Unterdruck verursacht wird und zu Lochbildung in der Außenschale führt. Unter dem Mikroskop zeigen diese Partikel jeweils eine Einbruchstelle in der äusseren Schale, durch welche eine Verbindung zum lockeren Kristallgefüge des Kugelinnern gewährleistet wird. Die hohe Reaktionsgeschwindigkeit ist dadurch zu erklären, daß nicht nur die äußere Oberfläche reagiert, sondern auch das im Innern in lockerer Verteilung gebildete Kristallgefüge die Kontaktfläche vergrößert und entsprechend die chemische Reaktion verstärkt. Es lassen sich in einem späteren Zeitpunkt der Reaktion keine kugelähnlichen Partikel mehr nachweisen, sondern lediglich Bruchstücke ihrer äußeren dichten Schale. Unter den Verhältnissen des erfindungsgemäßen Verfahrens reagiert der eingetragene Schwefel in Form der sich hierbei bildenden kugelförmigen Partikel sofort mit dem S05. Dies hat den Vorteil, daß ohne wesentlichen Schwefelüberschuß gearbeitet und infolgedessen nötigenfalls die gesamte Reaktion durch Unterbrechung der Schwefelzufuhr gestoppt werden kann, und daß das Vorhandensein einer stöchiometrisch zu geringen Menge der einen Reaktionskomponente bei etwaigen Störungen des Betriebes, z.Bo durch Wassereinbruch, keine explosionsartige Reaktion auszulösen vermag. Der Verbrauch an S03 wird durch kontinuierliches, entsprechend dosiertes Zufließenlassen von 100-%igem flüssigem S03 in den Oleumsumpf laufend ausgeglichen, so daß der gleiche Sumpf für eine Produktion von 1 000 t und mehr, je nach der Reinheit des angewandten Schwefels, verwendet werden kann und das Verfahren praktisch keine Abfallprodukte liefert. Eine nicht nur kontinuierlich, sondern auch mengenmäßig gleichbleibende Gaserzeu?ung ist dann gewährleistet, wenn die Temperatur des Oleumsumpfes möglichst konstant bleibt und weder durch intensives Kühlen noch durch Heizen örtlich wesentliche Änderungen der Temperatur an der Reaktorwand auftreten. Bei der im erfindungsgemäßen Verfahren angewendeten Temperatur von 40 - 500 C hebt sich die Summe der Wärme-Zu-und -abfuhr praktisch auf und es läuft daher der Prozess ohne nennenswerten Energieaufwand. Infolge der tiefen Temperatur des Oleums ist der Partialdruck des S03 sehr klein und daher auch dessen Anteil im S02- Gas sehr gering. Die tiefe Reaktionstemperatur bewirkt, daß die Korrosionsgefahr viel kleiner ist als bei den bekannten Verfahren, welche alle mit höherer Temperatur arbeiten, so daß die notwendigen Apparaturen aus normalem Stahl ohne Anwendung von Oberflächenvergütung hergestellt sein können.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Zeichnung einer beispielsweisen Vorrichtung wie folgt erläutert: In den Reaktor 1 von 7 000 1 Fassungsraum werden 3 500 1 Oleum mit einem Gehalt von 25 % freiem S03 vorgelegt. Die stetige Zuführung von 100-%igem flüssigem, nicht stabilisiertem S03 erfolgt unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche mittels der Kolbendosierungspumpe 2 durch die Zeitung 3 über eine Niveauregulierung 4 in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsniveau im Reaktor.
  • Die Zufiihrung von flüssigem Schwefel von ca. 135o C erfolgt durch die Zeitung 5 mittels der Kolbendosierpumpe 6 über der Flüssigkeitsoberfläche. Ein Vertikalrührer 7 sorgt für gute Umwälzung des Flüs2igkeitsinhaltes. Mittels Wasserumwälzung über dem Wärmeaustauscher 8 wird bei einer Reaktionstemperatur von 40o C eine Temperatur des Oleumsumpfes von 400 C erreicht und während des Prozesses aufrechterhalten.
  • Diese im Vergleich zu bekannten Verfahren und Vorrichtungen einfache Anordnung bietet folgende Vorteile: Dosierfehler werden praktisch ausgeschaltet. Der Zulauf von S03 und Schwefel erfolgt stetig und konstant. Temperatur- bzw. Produktionsotörungen infolge plötzlich auftretender Mengenänderungen können nicht eintreten und die S03-Konzentration im Oleum bleibt innerhalb kleiner Grenzen erhalten. Im Reaktionsgefäß herrscht Normal- bzw. ein geringer Überdruck (bis ungefähr 1 atü).
  • Letzterer ist lediglich im Hinblick auf die erhöhte Wirksamkeit der nachgeschalteten Kompressionsanlage für S02 von Bedeutung, hat aber auf die Reaktion praktisch keinen Einfluß. Das produzierte S02-Gas mit einem Gehalt von 0,2 Vol-% S03 wird abgeleitet und im Nachreaktor 9, einem mit Schwefelbrocken gefüllten Turm, nachbehandelt. Das hieraus abziehende S02-Gas weist einen Reinheitsgrad von über 99,95 % auf und läßt sich leicht durch Druck oder Kälte verflüssigen.
  • Die Steuerung des Prozesses erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren 1. durch die Regelung der Temperatur des Reaktors, 2. durch die Oleumkonzentration in demselben und 3. durch die Zugabe des flüssigen Schwefels. Um die einemal im Bereiche von 40 - 500 C gewählte Reaktionstemperatur von beispielsweise 40o C im Reaktor möglichst genau einzuhalten, wobei ein Abweichen von ungefähr ± 10 C zulässig ist, und um etwa auftretende Störungen zu beseitigen, ist eine Kaskadensteuerung 10 vorgesehen, wobei Gut- und Manteltemperatur im Idealfall (40o C) praktisch übereinstimmen. Nach der stöchiometrischen Formel werden auf 100 kg produziertes S02 83,3 kg S03 verbraucht. Diese Menge muß also während der Reaktion laufend ersetzt werden, denn das Flüssigkeitsniveau im Reaktor würde sonst um diesen Betrag, d.h. um ca. 45 1 abnehmen. Da die das Niveau ebenfalls beeinflussende Schwefelmenge nur 1/6 der S03-Menge beträgt, geniigt es im erfindungsgemäßen Verfahren, steuerungsmäßig unabhängig von der zugegebenen Schwefelmenge die S03- Zugabe in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsniveau im Rel-ktor durchzuführen. Der Reaktorinhalt wird auf diese Weise hinsichtlich Menge und Konzentration des Oleums mittels einfacher Niveausteuerung konstant gehalten. Die Niveaukonstanz ist ein wesentlicher Kontrollfaktor für das richtige Verhältnis von S03 zu So Die Zugabe von flüssigem Schwefel erfolgt unabhängig von. Oleumkonzentration und Reaktionstemperatur und richtet sich nur nach der jeweils gewünschten Produktionshöhe, wobei diese konstant oder variabel sein kann.
  • Man erhält bei einem gleichbleibenden Durchsatz von 834 kg S03 und 166 kg Schwefel pro Stunde 1 000 kg S02 von 99,95-%iger Reinheit.

Claims (7)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Schwefeldioxyd hoher Reinheit durch Reaktion von Schwefeltrioxyd aus einem Sumpf ,von Oleum nach der Gleichung 2 SO., + S -3 3 S02, dadurch gekennzeichnet, daß man der durch Rühren bewegten Flüssigkeitsoberfläche von 20 - 30 % freies S03 enthaltendem Oleum bei einer praktisch Bleichbleibenden Reaktionstemperatur von ¢0 - 50o flüssigen Schwefel unter Normal- oder geringem Überdruck zufügt und die sich hierbei bildenden kugelähnlichen, festen Schwefel;)artikel von ungefähr 1 mm Durchmesser mit dem S03 reagieren läßt, wobei man das umgesetzte Schwefeltrioxyd durch kontinuierliche Zufuhr von 100-%igem flüssigem S03 zum Oleumsumpf unterhalb dessen Oberfläche ergänzt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Zufuhr von flüssigem S03 unabhängig von der Schwefelzufuhr, unter Konstanthaltung des Niveaus des Oleumsumpfes mittels einer Reguliervorrichtung gesteuert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Schwefeltrioxyd und Schwefel in zwangsläufig stöchiometrischem Verhältnis zugeführt werden. 4..
  4. Verfahren noch Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß man mittels Kaskadensteuerung über einen getrennten Kühl-CD Heizkreislauf die einmal im Bereich von 40 - 50o C gewählte Temperatur mit einer Toleranz von ± 1o C einhält.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Produktion an S02 mittels der Zufuhr des flüssigen Schwefels gesteuert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß das entstandene rohe S02 in einem mit Schwefelstücken gefUllten Turm (9) gereinigt wird.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 - 6, gekennzeichnet durch einen Reaktor (1) mit vertikalem Rührwerk (7) sowie zwei Kolbendosierpumpen (6 und 2), von denen die eine (6) flüssigen Schwefel durch eine über die Flüssigkeitsfläche gerichtete Zeitung (5) und die andere (2) flüssiges S03 durch eine unter die Flüssigkeitsoberfläche fiihrende Zeitung (3) fördert, wobei eine Kaskadensteuerung (10) zur Temperatureinstellung und eine Reguliervorrichtung (4) zur Konstanthaltung des Flüssigkeitsniveaus im Reaktor angeordnet sind.
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