JPH0476326B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は硫酸を多段階蒸発によつて濃度約80％
まで濃縮する方法に関する。 発明の背景 場合によつては10％以下の濃度の稀硫酸が、多
くの無機及び有機化合物の製造工程から、又亜硫
酸ガスを含む排気ガスの精製に際して得られる。
これを再使用しようとすれば、一般にこれを蒸発
して60％以上に濃縮し、不純物を除去又は分解す
る事が必要である。 これらの硫酸を省エネルギー条件下に濃縮する
為に、蒸発で生成する蒸気を次段階の燃料（熱
源）として使用する多段階法が提案されている。
しかしながら蒸発に必要な設備費が硫酸の腐食性
の為にかなり高いものになる。この理由と、更に
硫酸の沸点が濃度が上がるにつれて急激に上昇す
る、言い換えれば硫酸濃度が上昇すると水の分圧
が急激に低下し、装置を構成する材料の使用可能
極限温度では操作として不十分であり、蒸発効率
が落ちてしまう為に、多段階法は僅かに約70％に
濃縮する（所謂予備濃縮）場合にしか用いられて
来ていない。コスト上の理由でこれら多段階法で
使用する蒸発缶及び配管はゴム被覆鋼又はプラス
チツク製に、熱交換器はグラフアイト製にするこ
とが好ましい。しかしその為に操作温度は、最高
100ないし130℃に制限され、その結果コストの点
から見ても合理的な最終到達濃度は、使用可能温
度によつて多少の変化はあるものの一般に最大60
ないし70％である。 エナメル塗装した装置及びタンタル製熱交換器
は非常に高価であり、より安価な材料を使用する
のでは最早操作が不可能な場合にのみ使用する。
最早操作不可能な場合とは、濃度約60ないし70％
の硫酸を80ないし92％に蒸発濃縮する場合であ
る。この蒸発段階では、水分圧が低いために120
から最高195℃の温度が必要であり、この温度で
はその抵抗性を確保する為に熱交換器の構成材料
にタンタルを使用する事が必要である。蒸発機
器、配管及びポンプにはガラス、エナメル、鋳造
フエロシリコン及びテフロンが好ましく使用され
る。タンタル製熱交換器が高価なので設備費を少
なくする為に、加熱を５ないし15barの過熱蒸気
で行う、即ち水の蒸発を１段階で行つている
（Winnacker，Ku¨r，Chemische Technologie，
Vol.2，4thEd.，1982，Carl−Hanser−Verlag社
（Mu¨nchen Wien）発行、65〜72頁参照）。 本発明 本発明の目的は上述した様な欠点の無い、稀硫
酸を約80％の濃度に迄濃縮する、経済的な方法を
提供するにある。 驚くべき事にこれらの問題が、循環式又は流下
薄膜式蒸発缶と横型蒸発缶とを組み合わせて稀硫
酸を濃縮する方法によつて解決される事が発見さ
れた。 本発明は、硫酸を約80％の濃度に迄多段階で濃
縮する方法において、濃度40ないし65％迄の蒸発
は減圧下、循環式又は流下薄膜式蒸発缶で行い、
その１蒸発段階はそれに続く横型蒸発缶からの蒸
気で加熱し、そして濃度66ないし80％への蒸発は
その横型蒸発缶で僅な減圧下、常圧下又は加圧下
に行う事を特徴とする硫酸濃縮法に関する。 本発明の方法において、硫酸の蒸発は数段階に
分けて実施する。40ないし65％への硫酸蒸発は、
減圧下120℃の温度で、黒鉛、又はテフロン製熱
交換器を備えた循環式又は流下薄膜式蒸発器中で
１段又は多段で実施する。 引き続いて40ないし65％硫酸の約66ないし80％
硫酸への蒸発は、僅かな減圧下、常圧下又は加圧
下タンタル製管束型熱交換器を有する横型蒸発器
中で実施する。 本発明の方法において、横型蒸発器中での硫酸
蒸発は濃度66ないし80％の硫酸が、温度160ない
し195℃で蒸発器から排出されるような条件下に
実施するのが好ましい。 好ましい横型蒸発器の構造材料はガラス製又は
PTFE被覆した鋼鉄である。 横型蒸発器の熱交換器は好ましくは圧力８ない
し20barの蒸気で加熱する。横型蒸発器から発生
する蒸気は好ましくは循環式又は流下薄膜式蒸発
器中での蒸発段階での熱源として使用する。そし
てこの段階で生じた蒸気は順次次段階の蒸発熱源
として使用する。循環式又は流下薄膜式蒸発器の
最適段階数は、同装置の全体から見た能率、エネ
ルギーコスト及び冷却水の入手状況等を考慮に入
れた経済的な要因で決められる。 図の詳細な説明 本発明の方法を図を参照しながら説明する。稀
硫酸を蒸発段階１に供給する。 図には蒸発器１ａ、循環ポンプ１ｂ、及び熱交
換器１ｃから成る強制循環式蒸発器が示してあ
る。稀硫酸１１は循環酸１２中に加えられ、両者
は熱交換器１ｃ中で蒸発段階２からの蒸気１８で
加熱される。蒸発器１ａ中でその減圧程度によつ
て、加熱された循環酸１３から水が蒸発される。
生じた蒸気１４は、水で、又は他の冷媒１５で冷
却した凝縮器中で凝縮され、浸没器５中に排出さ
れる。蒸気凝縮は又冷媒と直接接触させて行う事
も出来る。凝縮出来なかつたガスは真空ポンプで
系外に除去される。蒸発途中の硫酸１７は蒸発段
階１から蒸発段階２に流入し、蒸発段階２では段
階１よりも高温、高圧下に操作が行われる。蒸発
段階３の横型蒸発器からの蒸気１９は、熱交換器
２ｃの熱源として使用される。蒸発段階２から段
階３に送られる濃度40ないし65％の硫酸は好まし
くはガラス製、又はPTFE被覆熱交換器３ｂ中
で、温度160ないし195℃で蒸発器３ａから出てく
る66ないし80％硫酸で予熱する。酸２１はそれか
ら略沸点で横型蒸発器３ａに導入され、その為タ
ンタル製熱交換器の表面積は全く小さくする事が
出来る。好ましくは熱交換用管束の長さ方向に沿
つて垂直隔壁３ｃを設置し、同交換器の操作を数
段階に分けて実施したのと同じ効果が得られるよ
うにする。熱交換器３ｂで60ないし120℃に冷却
した酸２３は更に系内に供給される稀硫酸１１又
は冷却水によつて冷却する事が出来る。横型蒸発
器３ａのタンタル製熱交換器は圧力８ないし
20barの水蒸気２４で加熱する。凝縮水蒸気２５
のエネルギーは、熱交換器２ｃの熱媒室におい
て、フラツシユ蒸発による硫酸濃縮に利用される
ので有利である。 本発明の方法の利点は機器のコストが比較的低
いだけでなく、特に横型蒸発器から発生する蒸気
の露点が高く、同一条件下、特に冷却水の温度が
同じ場合、公知の予備濃縮法の場合よりももう１
段多く蒸発を実施することが可能である点にあ
る。それによつて必要なエネルギーは20ないし30
％節減される。公知の方法と比較して特に優れた
点は、公知の方法では冷却水の温度が高すぎる為
に、蒸気からの熱を利用して多段階予備濃縮が出
来ず、冷却水の温度を特殊な冷却器を使用して下
げねばならず、更にコストがかかるのに対して、
本発明の方法では酸濃度の40ないし65％から66な
いし80％への濃縮はタンタル製熱交換器を使用す
る蒸発段階で行うので、たとえ冷却水温度が極端
に高くても、即ち30ないし35℃でも少なくとも２
段階で蒸発を行う事が出来る。本発明の方法で
は、最高硫酸濃度の段階で多段階式横型蒸発器を
使用するので、同段階で必要な伝熱面積は強制循
環式蒸発器の20ないし35％に過ぎず、従つて高性
能材料、特にタンタルの使用が経済的にも可能に
なる。 本発明の方法を公知の方法と比べ、その利点を
以下の実施例で説明する。ただ本発明はこれら実
施例に何等制限されるものでは無い。 実施例 １ 硫酸を30％濃度から70％濃度へ蒸発で濃縮す
る。装置の特徴及び１トンの水を１時間で蒸発さ
せるのに必要なエネルギーを、公知の方法1aと
本発明の方法1bとで比較した。 1a 硫酸の蒸発濃縮は２段階の時のみ経済的に
実施可能になる。使用する蒸発装置は２段階強
制循環式真空蒸発装置である。30％濃度の硫酸
を第１段階に供給し、110℃で42％濃度に濃縮
する。濃縮された硫酸は第２段階に送られ、そ
こで80％で蒸発させ70％濃度に濃縮する。第１
段階で使用するグラフアイト管の熱交換器は圧
力3.6barの水蒸気で加熱され、第２段階の熱交
換器は第１段階からの蒸気で加熱される。第２
段階からの蒸気は冷却水で直接凝縮させる。供
給する30％濃度の硫酸は装置から出てくる70％
硫酸によつて25℃から38℃へ予熱され、それに
よつて70％硫酸は30℃に冷却される。 1b 硫酸の蒸発濃縮は図１に示したように３段
階装置で行う。横型蒸発器３ａに供給される硫
酸２１は、横型蒸発器から出て来る酸２２によ
つて熱交換器中で120℃に加熱されており、そ
してこの酸２２は同時に80℃に冷却される。70
％硫酸２３は更に稀硫酸１１によつて30℃に冷
却され、稀硫酸１１は45℃に加熱され第１段階
に送られる。蒸発器１ａからの蒸気は冷却水と
直接接触させて凝縮させる。 第１段階からの36％硫酸は第２段階に供給さ
れ、46％濃度になつて、熱交換器３ｂを経て横
型蒸発器に送られる。 二つの方法1a及び1b比較ると（表１）、本発明
の方法は以下に挙げるような利点を有している事
が判る。 １ 本発明の方法1bのエネルギー消費は公知の
方法1aの77％に過ぎない。凝縮水蒸気を水蒸
気発生に使用すれば、僅か67％になる。 ２ 凝縮蒸気の露点が高く（1a：27℃、1b：31
℃）そして蒸気量が少ない為に、水温が同じ場
合、冷却するのに必要な水の量は僅か44％に過
ぎない。 ３ 方法1bでは伝熱面積及び酸の循環量が小さ
く、それによつて第３段階用機器の初期コスト
を幾分軽減出来る。いずれの場合でも本発明の
方法で使用する横型蒸発器が構造が単純で、そ
して比蒸発速度が高いのでコストが低くなるの
である。 ４ 従来法では、蒸気凝縮を循環式蒸発器（第１
段階）中で通常冷却水で経済的に実施しようと
すれば、110℃又はそれ以下の高い蒸発温度が
必要である。この為配管及び蒸発器の構成材料
に安価な材料を使用することが出来ない。本発
明の方法では、略同濃度に対して僅か85℃を必
要とするに過ぎない（第２段階）。 実施例 ２ 30％硫酸６トン／時間を蒸発によつて96％濃度
に濃縮し、そして有機性不純物は約330℃で硝酸
酸化して分解する。蒸気は間接冷却によつて凝縮
させる。利用できる冷却水の温度は30℃である。 2a 当分野における技術による問題の解決： 硫酸は１段階式の、グラフアイト製冷却管から
成る熱交換器を備えた強制循環型蒸発器中、100
で蒸発させて70％に濃縮する。装置に供給する30
％硫酸は、装置から排出される70％硫酸によつて
30℃から46℃に予熱される。これによつて70％硫
酸は40℃に冷却され、更に高度濃縮及び
Pauling／Plinke法による酸化精製
（Bodenbrenner et al.DECHEMA−Monogr.86
（1980）197参照）段階へ移送される。70％硫酸は
部分凝縮器に供給する前に、高度濃縮からの蒸気
で予熱する。96％硫酸（1875Kg／時間）は容器か
ら排出され、攪拌器装備冷却器中、冷却水で40℃
に間接冷却される。 予備濃縮及び高度濃縮に対する操作パラメータ
ーを表２に要約した。蒸気をステンレススチール
製熱交換チユーブ中で間接冷却する際、冷却水の
温度が30℃から40℃へ上昇するのは許容される。 予備濃縮での水の多段蒸発を安価な材料で構成
した機器中で行う事は、蒸気をより低温の冷媒を
用いて凝縮させるか、又は第２段階からの蒸気を
水蒸気ブースターで予備圧縮させて初めて可能に
なる。 2b 本発明の方法による問題の解決： 30％から80％への硫酸予備濃縮を、例えば図に
示した様な装置で、上に示した循環蒸発器系が１
段階方式であるのに対して２段階方式で実施す
る。横型蒸発器から出て来る80％硫酸は、この横
型蒸発器に入る42％硫酸で185℃から92℃に冷却
され、42％硫酸は102℃に加熱される。80％硫酸
は更に30％硫酸で40℃に冷却され、30％硫酸は42
℃に加熱される。 この様に比較して来ると、本発明の方法は以下
に示す長所を有している事が判る。 １ エネルギーは30％節約される。凝縮加熱蒸気
を水蒸気発生に再利用すれば節減は36％に達す
る。 ２ 冷却水の必要量は、僅かに60％である。 ３ 強制循環蒸発器系の大きさはかなり小さくな
る。操作温度が100℃から65℃に下がつて、安
価な材料を機器に使用する、例えばゴム被覆容
器及び配管を使用する事が可能になる。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う方法を例示するフローチ
ヤートである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 硫酸を約80％の濃度に迄多段階蒸発で濃縮す
   る方法において、濃度40ないし65％迄の蒸発は減
   圧下、循環式又は流下薄膜式蒸発缶で行い、その
   １蒸発段階はそれに続く横型蒸発缶からの蒸気で
   加熱し、そして濃度66ないし80％への蒸発はその
   横型蒸発缶で僅な減圧下、常圧下又は加圧下に行
   うことを特徴とする硫酸濃度上昇法。 ２ 循環式又は流下薄膜式蒸発缶中での蒸発によ
   る硫酸濃縮を一段又は多段で120℃以下の温度で
   実施する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 横型蒸発缶中での蒸発による硫酸濃縮を、65
   ないし80％濃度の硫酸を160ないし195℃の温度で
   同蒸発缶から放出出来る様な条件下に実施する特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 横型蒸発缶を圧力８ないし20barの過熱水蒸
   気で加熱し、過熱水蒸気の凝縮物を放圧して生じ
   た水蒸気を、循環式又は流下薄膜式蒸発缶の熱交
   換器の水蒸気室に導入する特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ５ 横型蒸発缶中に隔壁を熱交換管束に対して直
   角に設置する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６ 横型蒸発缶に導入した濃度40ないし70％の硫
   酸をその蒸発圧での沸点範囲内の温度に迄、横型
   蒸発缶から放出される濃度65ないし80％の硫酸で
   加熱する特許請求の範囲第１項記載の方法。