DE2648011A1 - Verfahren und vorrichtung zur katalytischen oxidation von schwefeldioxid zu schwefeltrioxid - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur katalytischen Oxydation
• von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid.
• Bei den üblichen Verfahren und Vorrichtungen zur katalytischen Oxydation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid wird das zu oxidierende Gas durch mehrere Kontaktmasseschichten - auch Horden genannt - hindurchgeleitet. Diese Horden können in einem oder auch mehreren Apparaten untergebracht sein. Die Horden arbeiten fast adiabatisch, in ihnen findet ein entsprechender Temperaturanstieg statt. In jeder Horde müssen bestimmte optimale Eiin~-und Austrittstemperaturen eingehalten werden. Deshalb wird zwischen den Horden die Temperatur durch Austauscher w1eder'abge'enkt. Eine solche Temperaturführung ist aber noch keinesfalls ideal. Man hat früher auch Röhrenkontaktapparate gebaut und Wärme entlang des Reaktionsweges an Frischgas übertragen. Wegen der geringen Wärmeübertragung von Gas an Gas waren auch hier, vor allem beim Übergang zu größeren Einheiten, zwischengeschaltete Wärmetauscher nötig, eine ideale Temperaturführung wurde nicht erreicht.
• Alle diese Verfahren bedingten besondere Auf- und Abheizmethoden beim Anfahren und Abstellen der Anlagen, die dazu führten, daß Schwe£elsäureanlagen,wegen sonst drohender Korrosionen, am besten ständig in Betrieb gehalten werden mußten, also für häufig unterbrochenen Betrieb von der Fachwelt für ungeeignet gehalten werden.
• Da die zwischen den Horden oder Stufen abzuführenden Wärmemengen wohl in der Summe aber nicht in den Teilmengen in denen sie anfallen, dem Bedarf zum Erwärmen der kalten Gase am Anfang des Prozesses oder z.B. nach einer Zwischenabsorption entsprechen, müssen die Wärmeaustauscher aufgeteilt und für die besonderen Verhältnisse beim Anfahren oder bei veränderlichen Betriebsbedingungen mit Bypässen regelbar gemacht werden. Das bedeutet, daß die Austauschflächen für den normalen Betriebsfall keineswegs optimal und die Leitungsführung aufwendig ist.
• Es wurde gefunden, daß man die genannten Nachteile vermeiden kann und wesentlich schneller zu optimalen Betriebszuständen beim An- und Abfahren oder veränderlichen Gaszusammensetzungen kommen kann, wenn man die Reaktionswärme längs des Gasweges an einen flüssigen Wärmeträger, der bei mehrstufiger Arbeitsweise bevorzugt allen Stufen gemeinsam angehört, überträgt und die so gesammelte Wärme von diesem flüssigen Wärmeträger an die aufzuwärmenden Gasströme überträgt. Der flüssige Wärmeträger wird dabei so stark umgewälzt, daß in ihm nur wenige Grade Temperaturdifferenz auftreten. Durch Dampferzeugung Kesselelementen, die ebenfalls von dem Wärmeträger umströmt werden, wird in dem Gesamtprozess entwickelte Überschußwärme in dem Maße abgeführt, daß der Wärmeträger immer bei einer konstanten Temperatur gehalten wird. Es kann dem Wärmeträger aber auch zu Zeiten sehr niedriger Schwefeldioxidkonzentration, oder bei Stillständen, über eine elektrische, oder ölgefeuerte Aufheizvorrichtung Wärme zugeführt werden, um eine konstante Temperatur des Wärmeträgers sicherzustellen.
• Die Temperatur. des Wärmeträgers kann abhängig von der Gaszusammensetzung auf einen optimalen Wert eingeregelt werden.
• Besonders zeigt sich der Vorteil dieser Arbeitsweise, wenn zwischen den einzelnen Stufen eine Absorption des S03 vorgenommen wird, weil. dann über den Austausch mit dem gemeinsamen Wärmeträger alle Stufen immer gleichzeitig die richtige Betriebstemperatur haben. Zur Deckung des Wärmebedarfs bei der Wieder au fwärmung nach einer Zwischenabsorption ist man nicht an begrenzte Teilwärmemengen, die an einzelnen Stellen des Prozesses zur Verfügung stehen, gebunden.
• Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein ganz wesentlicher Nachteil aller bekannten Schwefelsäureanlagen beseitigt wird, der darin besteht, daß eine Schwefelsäureanlage eigentlich immer in Betrieb gehalten werden sollte. Stellt man sie ab, werden Material und Katalysator durch Schwefelsäurekondensat geschädigt. Das Wiederanfahren erfordert mehrere Stunden und ergibt während dieser Zeit eine erhebliche Umweltbelästigung. Nach der erfindungsgemäßen Arbeitsweise werden alle Kontakt stufen einschließlich der Wärmeaustauschrohre nach Abstellen des Gasstromes auf einer solchen Temperatur gehalten, daß die Reaktion nach Wiederanstellen des Gasstromes sofort einsetzt. Da der Kontaktkessel isoliert ist, kann er mit nur geringem Wärmebedarf tagelang warmgehalten werden. Eine solche flexible Betriebsweise ist besonders wichtig, wenn Schwefeldioxid nicht in zeitlich konstanter--Menge anfällt, wie z.B. bei der Entfernung von SO2 aus Rauchgasen.
• Eine bevorzugte Vorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren,ohne ausschließlich daran gebunden zu sein, ist ein Röhrenkontaktkessel mit flüssigem Wärmeträger außerhalb der Rohre und einem Katalysator innerhalb der Rohre, wie er für eine Reihe anderer Katalysen üblich ist, jedoch mit dem besonderen Merkmal, daß verschiedene Rohrgruppen mit eigenen Gaszu- und -abführungen in einem Kessel enthalten sind, die mit Katalysator gefüllt als die einzelnen Stufen der Kontaktoxidation und als Leerrohre dem Wärmeaustausch zwischen Gasen und dem Wärmeträger dienen.
• Ein Teil, oder alle der gefüllten Rohre, können auch nur zum Teil mit Kontaktmasse gefüllt sein, so daß ein Rohr sowohl der Aufheizfunktion, als auch der Kontaktoxidation dient. Rohre oder Rohrabschnitte, die dem Wärmetausch dienen sollen, können auch mit katalytisch unwirksamem Material gefüllt werden, um den Wärmetausch zu verbessern.
• Die Wärmeübertragung an den flüssigen Wärmeträger ist so gut, daß sich von einer kurzen Aufheizstrecke abgesehen, fast ideale Temperaturverhältnisse entlang des Kontaktweges einstellen. Es können Wärmedurchgangszahlen bis über loo kcal/m2h 0C erreicht werden. Durch Wahl des Rohrdurchmessers kann die Wärmeabführung an die Schwefeldioxid- bzw.
• Sauerstoffkonzentration angepaßt werden. Mit kleinen Rohrdurchmessern, z.B. etwa 3 cm, kann auch eine so starke Wärmeentwicklung, wie sie bei hohen zur zeit noch nicht üblichen Sol und 02-Konzentrationen oder bei hohen Drücken auftritt, beherrscht werden.
• Zur Abführung der Überschußwärme sind vom Wärmeträger beaufschlagte besondere Austauschflächen vorgesehen, die Kesselelemente sein können, oder die Wärme an einen zweiten flüssigen Wärmeträger zur weiteren Verwendung übertragen.
• Die Temperatur des die Rohre umgebenden Wärmeträgers kann je nach den Erfordernissen einzelner Verfahren eben oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators liegen oder auch gleich der Optimatemperatur einer nur sehr schwachen exothermen Stufe, z.B. der konventionellen 4. Horde entsprechend, sein. Es widerspricht auch nicht dem Erfindungsgedanken, mehrere Kontaktkessel erfindungsgemäßer Art gleichzeitig einzusetzen, doch werden bevorzugt alle Stufen eines Verfahrens in einem Kessel untergebracht, wobei die Dimensionierung der Rohre so vorgenommen wird, daß der Prozeß selbststabilisierend ist, das heißt, bei verschiedenen Belastungen von selbst in stabile, möglichst optimale Betriebszustände hineinläuft, ohne daß andere Regler, als der für die Temperatur des Wärmeträgers, in Anspruch genommen werden.
• Der Wärmeträger wird im allgemeinen so stark umgewälzt, daß in ihm nur geringe Temperaturdifferenzen, 1 bis 2 Grad, maximal etwa 57;rad, auftreten und in dem Kontaktkessel so herumgeführt, daß alle Rohre gleichmäßig beaufschlagt werden.
• Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, durch konstruktive Maßnahmen bestimmte Rohre weniger mit dem Wärmeträger zu beaufschlagen,um z.B. bei Beginn der Reaktion einen schnelleren Temperaturanstieg im Rohr zu erhalten. Eine Drosselung der Wärmeübertragung in einem Teil des Rohres durch ein keramisches Einsteckrohr ist z.B. auch möglich.
• Die erfindungsgemäße Arbeitsweise ist nicht auf die bei der Oxydation von S02 zu SO3 bisher übliche Konzentration von S°2 beschränkt. Neue Arbeitsweisen mit hohem Schwefeldioxid- oder Sauerstoffgehalt, gegebenenfalls jeweils bis zu loo %, sind erfindungsgemäß möglich.

Claims (1)

1. Anspruch 1: Verfahren zur katalytischen Oxidation von SO2 zu SO3 in mehreren Stufen, dadurch gekennzeichnet, daß aus jeder Stufe längs des Kontaktweges kontinuierlich Wärme entzogen und an einen gemeinsamen flüssigen Wärmeträger übertragen wird, daß die einzelnen Stufen über diesen Wärmeträger im Wärmeaustausch stehen, und daß die Summe der aus den einzelnen Stufen an den Wärmeträger übertragene Wärme als eine Wärmemenge oder als Teilmengen abgeführt werden, die der Größe nach keine Beziehung zu den in den einzelnen Kontaktstufen erzeugten Wärmemengen haben und die an die Prozeßgase, Abhitzekessel oder Dampfüberhitzer übertragen werden und daß ein gegebenenfalls nötiger Wärmebedarf für das Gesamtsystem dem Wärmeträger von außen zugeführt wird.

   Anspruch 2: Vorrichtung zur katalytischen Oxidation von SO2 zu SO3 nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Verwendung eines Kessels, der von einer Vielzahl von Rohren durchsetzt wird, von denen alle oder nur eine bestimmte Anzahl einen geeigneten Katalysator enthalten, der Hauben für die Zu- und Abfuhr der Gase hat, wobei diese Hauben so unterteilt sind, daß eine getrennte Beaufschlagung verschiedener Rohr gruppen von Katalysator enthaltenden oder von gegebenenfalls leeren Rohren möglich ist, der um die Rohre ein flüssiges wärmeübertragendes Medium enthält, das durch eine geeignete Vorrichtung umgewälzt werden kann und der mit Wärmeaustauschflächen zur Kühlung des flüssigen Mediums versehen ist.

   Anspruch 3: Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe leerer Rohre an eine Brennkammer angeschlossen ist, die für die Aufheizung oder zusätzliche Beheizung des Kontaktkessels ausgebildet ist.

   Anspruch 4: Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktkessel ein senkrecht stehender Zylinder ist, der senkrecht von den Rohren durchzogen ist.

   Anspruch 5: Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kontaktmasse enthaltende Rohre nur zum Teil damit gefüllt sind.

   Anspruch 6: Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Katalysator enthaltenden Rohre einen Durdmesser haben, der sich zur Länge der Rohre wie 1 : lo bis 1 : 200 verhält und daß die leeren Rohre ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge wie 1 : 60 bis 1 : 3co haben.

   Anspruch 7: Vorrichtung nach Anspruch 2 - 7 dadurch gekennzeichnet, daß sie druckfest bis zu den derzeit bei Hochdruck synthesen 2 üblichen Drücken, etwa Soo kg/cm2 ausgebildet ist.