KR101807893B1 - 황산 제조 시의 에너지 회수 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 황산의 제조 시의 에너지 회수에 관한 것이며, 보다 특별하게는 황산 중의 습윤 SO3의 흡수로부터의 개선된 에너지 회수에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 SO3 흡수 동안 미스트 형성을 제어하고, SO3 흡수 에너지가 흡수 산으로부터 유용한 형태로 회수되는 공정에서 SO3 흡수 단계를 떠나는 기체 스트림의 황산 미스트 함량을 제어하는 것에 관한 것이다.
Description
본 발명은 황산 제조 시의 에너지 회수에 관한 것이며, 보다 특별하게는 황산 중의 습윤 SO3의 흡수로부터의 개선된 에너지 회수에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 SO3 흡수 동안 미스트 형성을 제어하고, SO3 흡수 에너지가 흡수 산으로부터 유용한 형태로 회수되는 공정에서 SO3 흡수 단계를 떠나는 기체 스트림의 황산 미스트 함량을 제어하는 것에 관한 것이다.
25년 전 기술은 황산 중의 SO3의 흡수 열을 유용한 형태로 회수하기 위해서 개발되었다. 그 시기 전에는, 흡수 열은 구역 가열용 이외의 어떠한 유용한 형태로도 회수될 수 없었는데, 이는 구성 재료 문제가 SO3 흡수기가 작동될 수 있는 온도를 제한하였기 때문이다. 스테인레스강으로 구성된 흡수 산 냉각기는 전형적으로 110℃ 근처의 최대 입구 온도에서 작동된다.
미국 특허 제4,576,813호 및 제4,670,242호에는, 흡수기를 나가는 황산 스트림의 농도를 98.5% 이상, 바람직하게는 99% 이상의 농도로 유지하고, 황산에 의해서 습윤된 열 전달 표면이 적절히 선택된 Fe/Cr 합금으로 구성된 열교환기에서 흡수 열을 회수함으로써 SO3 흡수기 및 흡수 산 냉각기가 120℃ 이상의 온도에서 작동될 수 있는 공정이 기재되어 있다.
미국 특허 제4,576,813호 및 제4,670,242호에 기재된 공정에서, 황은 무수 공기 중에서 연소되어 과량의 산소를 함유하는 무수 SO2-포함 기체 스트림을 생성하고, SO2 스트림은 컨버터를 통과하여 무수 SO3-포함 기체 스트림을 생성하고, 이것은 SO3의 고온 흡수를 위해서 황산과 접촉하는 흡수 탑으로 안내된다. 일반적으로 "열 회수 탑"으로 지칭되는 고온 탑으로부터의 흡수 산은 외부 쉘 및 적절한 Fe/Cr 합금으로 구성된 튜브를 포함하는 튜브 열교환기를 통해 순환된다. 열교환기에서, 열은 열 전달 유체로 전달되고, 유용한 형태로 회수된다. 미국 특허 제4,576,813호 및 제4,670,242호에 기재된 공정의 상업적인 구현에서, 흡수 산으로부터 전달된 열은 전력 생산 및/또는 대등한 공정 작업에 유용한 중간 압력 스팀을 발생한다.
전형적으로는, 고온 흡수기는 인터패스 탑(interpass tower)으로서 기능하며, 이것으로부터 SO3-고갈 SO2 스트림은 추가의 컨버터 단계로 되돌아가서 SO3 기체 스트림을 생성하며, 그 후 최종 흡수 탑으로 안내된다. SO3 회수를 최대화하고, 황산 미스트를 최소화하기 위해서, 최종 흡수 탑은 대개는 비교적 온화한 온도, 예를 들어 약 80℃에서 작동된다.
미국 특허 제5,118,490호에는 "습윤 기체"로부터 SO3 흡수 열을 회수하는 것이 기재되어 있다. 미국 특허 제5,118,490호에 기재된 공정에서, SO3는 수증기의 제거를 위한 건조 탑을 통과하지 않은 주변 공기를 사용하는 황의 연소에 의해서 차례로 발생된 SO2 스트림의 전환에 의해서 발생된다. 따라서, SO3 스트림 중의 수증기의 분압은 연소로 발생된 산화황 기체에 의해서 희석된 주변 공기의 습도를 반영한다.
미국 특허 제5,130,112호에는, 흡수 전에 스팀을 SO3 전환 기체 스트림 중으로 주입함으로써 SO3 흡수 작업으로부터 회수되는 에너지를 증가시키는 공정이 기재되어 있다. 스팀 주입 후, 전환 기체는 흡수기로 도입하기 전에 바람직하게는 이코노마이저(economizer), 더 바람직하게는 응축 이코노마이저에 통과된다. 일반적인 기재 내용에 따르면, 기체 스트림에 주입된 스팀의 비율은 SO3 1몰 당 최대 1.05 몰 범위일 수 있다. 중요한 실시예에서, 스팀 주입은 SO3 기체 스트림의 온도를 약 30℃ 증가시키지만, 이러한 스트림의 온도는 열 회수 흡수 영역의 응축 이코노마이저 업스트림에서 거의 100℃ 감소된다. 실시예 2에는, 열 회수 탑을 위한 100%의 희석수가 스팀 주입에 의해서 공급되는 시험 플랜트에서 수행되는 부식 시험이 기재되어 있다.
미국 특허 제5,538,707호에는, 흡수 영역에 들어가는 SO3 전환 기체 스트림 중으로의 스팀의 도입 속도를 조절함으로써 흡수기를 나가는 산의 농도가 제어되는 SO3 흡수 열 회수 공정이 기재되어 있다. 상기 명세서는 주로 흡수 산 열교환기의 부식을 최소화하기 위한 공정 제어에 관한 것이다. 명세서에 청구된 공정의 이점을 설명하는데 있어서, 미국 특허 제5,538,707호는 이 공정을 100%의 희석수가 습윤 공정 기체에 제공되는 가상의 대안과 대조시켰다. 후자의 선택은 산 농도를 공비 상태보다 훨씬 더 높게, 즉, 98.8% 내지 99.2%로 제어하는 것을 불가능하게 하고, 그 결과로서 부정적인 부식 효과가 발생되기 때문에 부정적이다.
미국 특허 제4,996,038호에는, 희석수가 순환 산, 선택적으로는 탑 내의 순환 산에 증기로서 첨가될 수 있는 공정이 기재되어 있다. 미국 특허 제4,996,038호 및 미국 특허 제5,538,707호 모두에는, SO3 기체 스트림이 처음 도입되는 1차 흡수 영역, 및 기체 스트림이 냉각되고 잔류 SO3가 회수되는, 1차 영역 위의 2차 흡수 영역을 포함하는 흡수 탑에서의 열 회수가 기재되어 있다.
열 회수 탑에 들어가는 SO3 전환 기체 스트림 중으로 스팀을 주입하는 것은 미국 내에서 상업상 실시되어 왔다. 흡수 산 열교환기의 부식 및 산 미스트의 발생을 비롯한 각종 문제점으로 인해서, 전환 기체 중으로의 스팀 주입에 의해서 제공되는 희석수의 최대 비율은 미국 내의 산업 공정에서는 약 33%로 제한되어 왔다.
흡수기에 들어가는 전환 기체 중으로 스팀을 주입함으로써 에너지 회수가 증가됨에도 불구하고, 유용한 형태로 흡수 열을 회수하기 위해서 고온에서 SO3 흡수기를 작동시킴으로써 기체 스트림에서 황산 미스트 형성에 대한 가능성은 일반적으로 증가된다. 고온 작동은 기체 스트림에서 SO3, 황산 및 수증기의 평형 농도를 증가시킨다. 기체는 흡수기에서 및 흡수기의 기체 출구의 다운스트림의 기체 유동 도관에서 흡수 산에 대해 향류적으로 흐르는 동안 냉각되기 때문에, 황산은 기체 스트림에서 미세한 소적으로 응축된다. 잔류하는 SO3는 기체 스트림 중에서 물과 합쳐지고, 응축되어 추가적인 미스트를 형성하는 추가량의 황산 증기를 발생한다. 스팀 주입을 포함하나 이로 제한되지 않는, 무수 기체 및 습윤 기체 모두의 작동에서, 미스트는 복잡하고, 빈번하게는 난해한 문제이다. 열 회수 흡수기가 인터패스 흡수기로서 작용하는 경우에는, 출구 기체 스트림 중의 미스트가 다운스트림 표면 상에 존재할 수 있고, 이로 인해 상당한 부식이 초래된다. 열 회수 흡수기가 최종 흡수기로서 작용하는 경우에는, 흡수기를 나가는 기체 스트림은 대기로 배출되며, 황산 미스트는 오염원이 된다.
본 발명의 접촉식 황산 공정에서, 에너지 회수 증가는 SO3가 황산 중에 흡수되는 흡수 영역으로부터 얻어진다. 에너지는 유용한 형태, 예를 들어 중간 압력 스팀으로서 회수된다. 에너지 회수 증가가 성취되지만, 흡수 산으로 습윤되는 열 교환 표면에서의 부식의 제어는 유지되며, 과량으로 또는 과도하게 산 미스트를 발생시키지 않는다. 흡수 루프로부터 발생될 수 있는 중간 압력 스팀의 양은, 약 33% 이하의 희석수가 흡수기에 들어가는 기체 스트림 중에 함유된 수증기의 형태로 공급되는 상업적인 공정과 비교해서, 예를 들어 최대 25% 또는 그 이상으로 상당히 증가될 수 있다.
간락하면, 본 발명은 산소-함유 기체를 건조제와 접촉시켜 건조된 산소-함유 기체를 제공하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 황 및 건조된 산소-함유 기체는 연소 영역으로 도입된다. 연소 영역에 도입된 산소-함유 기체의 산소 함량은 그 영역에 도입된 황에 대해서 화학량론적 과량이다. 황은 건조된 기체의 산소와 연소되어 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성한다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 변형시킨다. 전환 기체는 흡수 영역에서 황산을 포함하는 흡수 액체와 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달한다. 기체 스트림이 흡수 영역으로 들어가기 전에, 수증기는 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.55 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입된다. 흡수 액체는 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다.
본 발명은 추가로 황을 과량의 산소를 포함하는 무수 기체 중에서 연소시켜, 이산화황, 산소 및 SO2 1 몰 당 0.005 몰 이하의 수증기를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉하여, 산화황-포함 기체 스트림을, SO3 1 몰 당 0.005 몰 이하의 수증기를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 흡수 영역에서 황산을 포함하는 흡수 액체와 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달한다. 기체 스트림이 흡수 영역으로 들어가기 전에, 수증기는 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.55 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입된다. 흡수 액체는 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다.
본 발명은 추가로 황을 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 연소시켜 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 삼산화황을 함유하는 전환 기체로 전환한다. 수증기는 수증기 주입 영역에서 산화황-포함 기체 스트림에 도입되어 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.55 몰로 증가시킨다. 기체 유동 방향에 대해서 수증기 주입 영역의 다운스트림의 흡수 영역에서, 전환 기체는 황산을 포함하는 흡수 액체와 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달하고, 전환 기체는 수증기 주입 영역과 흡수 영역 사이에서 산화황-포함 기체 스트림 중 임의의 성분의 중간 응축 없이 흡수 영역에 도입된다. 흡수 액체는 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다.
추가의 양태에서, 본 발명은 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 황을 연소시켜서 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 삼산화황을 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 황산을 포함하는 흡수 액체와 흡수 영역에서 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달하며, 흡수 영역에 들어가는 삼산화황에 대한 흡수 영역에 들어가는 흡수 액체의 매스 유동 비율은 적어도 약 30이다. 기체 스트림이 흡수 영역으로 들어가기 전에, 수증기는 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.55 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입된다. 흡수 액체는 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다.
추가의 양태에서, 본 발명은 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 황을 연소시켜서 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 삼산화황을 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 흡수 영역에서 황산을 포함하는 흡수 액체와 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달한다. 기체 스트림이 흡수 영역으로 들어가기 전에, 수증기는 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.55 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입된다. 흡수 액체는 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 흡수 영역에 들어가는 대응하는 SO3 1 킬로그램 당 적어도 약 1160 KJ (500 Btu/파운드)의 양으로 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다.
본 발명은 또한 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 황을 연소시켜서 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 황산을 포함하는 1차 흡수 액체와 1차 흡수 열 회수 영역에서 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 1차 흡수 액체로 전달한다. 흡수 액체는 1차 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 1차 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다. 1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림은 황산을 포함하는 2차 흡수 액체와 2차 흡수 영역에서 접촉되어, 잔류하는 SO3를 2차 흡수 액체에서 황산으로 회수한다. 1차 흡수 영역을 나가는 산 스트림의 농도와 온도, 및 1차 흡수 영역에 들어가는 전환 기체 스트림의 온도와 이슬점은 2차 흡수 영역을 떠나는 기체 스트림이 20 g/Nm3 이하, 바람직하게는 15, 10, 5 또는 1.0 g/Nm3 이하의 황산 미스트를 함유하도록 제어할 수 있는 정도이다. 바람직한 실시양태에서, 기체 스트림이 1차 흡수 영역으로 들어가기 전에, 수증기는 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.55 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 1차 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입된다. 그러나, 미스트의 제어는, 수증기가 흡수기에 들어가는 기체로 주입되는 실시양태뿐만 아니라, 전환 기체가 건조되거나 또는 단지 대기의 수분을 함유하는 실시양태에 적용될 수 있다. 추가의 바람직한 실시양태에서, 수증기를 전환 기체에 첨가하거나 또는 첨가하지 않고, 2차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림은 기체 유동 방향을 가로지르는 미스트 제거기 부재 표면적 1 제곱 미터 당 적어도 340 Nm3/시간의 속도로 미스트 제거기 시스템을 통과하고, 미스트 제거기 시스템을 나가는 기체는 0.05 g/Nm3 미만의 산 미스트를 함유한다.
다른 추가의 양태에서, 본 발명은 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 황을 연소시켜서 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 황산을 포함하는 1차 흡수 액체와 1차 흡수 열 회수 영역에서 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 1차 흡수 액체로 전달한다. 흡수 액체는 1차 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 1차 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다. 1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림은 황산을 포함하는 2차 흡수 액체와 2차 흡수 영역에서 접촉되어, 잔류하는 SO3를 2차 흡수 액체에서 황산으로 회수하며, 1차 흡수 영역을 나가는 1차 흡수 액체의 농도와 온도, 및 1차 흡수 영역에 들어가는 전환 기체 스트림의 온도와 이슬점은 2차 흡수 영역을 떠나는 기체 스트림이 20 g/Nm3 이하, 바람직하게는 15, 10, 5 또는 1.0 g/Nm3 이하의 황산 미스트를 함유하도록 제어할 수 있는 정도이다. 흡수 영역을 나가는 기체 스트림은 기체 유동 방향을 가로지르는 미스트 제거기 부재 표면적 1 제곱 미터 당 500 Nm3/hr 이하의 속도로 미스트 제거기 시스템을 통과하고, 미스트 제거기 시스템을 나가는 기체는 0.05 g/Nm3 미만의 산 미스트를 함유한다. 바람직한 실시양태에서, 기체 스트림이 1차 흡수 영역으로 들어가기 전에, 수증기는 기체의 대응하는 수증기 함량을 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.55 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 업스트림에서 1차 흡수 영역의 산화황-포함 기체에 도입된다. 그러나, 본 발명의 미스트 제어 양태는 전환 기체가 무수 상태이거나 또는 단지 대기의 수분을 함유하는 공정에 동등하게 적용될 수 있다.
더 추가로, 본 발명은 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 황을 연소시켜서 이산화황을 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 수증기는 전환 기체의 온도를 약 300℃ 내지 약 330℃로 상승시키기에 충분한 비율로 전환 기체에 도입된다. 전환 기체는 약 300℃ 내지 330℃의 온도에서 흡수 영역에 도입된다. 전환 기체는 흡수 영역에서 황산을 포함하는 흡수 액체와 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달한다. 흡수 액체는 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다.
본 발명은 추가로 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 황을 연소시켜서 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 흡수 영역에서 황산을 포함하는 흡수 액체와 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달한다. 기체 스트림이 흡수 영역으로 들어가기 전에, 수증기는 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.55 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입된다. 흡수 액체는 흡수 영역과, 주 열교환기와 보조 열교환기 모두 사이에서 순환되는데, 이들 각각에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 순환 흡수 액체로부터 전달된다. 열은 주 열교환기 내에서 주 열 전달 유체로 전달되어, 주 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다. 열은 보조 열교환기 내에서 물 스트림으로 전달되어, 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체 스트림에 주입하기 위한 수증기를 생성한다.
더 추가로, 본 발명은 과량의 산소를 포함하는 무수 기체 중에서 황을 연소시켜서 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 흡수 영역에서 황산을 포함하는 흡수 액체와 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달한다. 수증기는 흡수 영역에 들어가는 전환 기체에서 삼산화황 1 몰 당 적어도 0.4 몰의 황산 증기 함량을 제공하기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입된다. 흡수 액체는 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다.
다른 추가의 양태에서, 본 발명은 과량의 산소를 포함하는 무수 기체 중에서 황을 연소시켜서 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 흡수 영역에서 황산을 포함하는 흡수 액체와 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달한다. 수증기는 기체 유동 방향에 대해서 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입되며, 산화황-포함 기체 스트림에 도입되는 수증기의 비율, 흡수 영역에 도입되는 흡수 액체의 황산 농도와 온도, 및 흡수 영역에서의 L/G 비율은, 이의 기체 입구와 기체 출구 중간의 흡수 영역 내의 위치에서 SO3에 대한 황산 증기의 몰 비가 적어도 약 1.2의 최대값에 도달하도록 하는 정도이다. 흡수 액체는 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다.
추가 실시양태에서, 본 발명은 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 황의 공급원을 연소시켜 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 황산을 포함하는 1차 흡수 액체와 1차 흡수 열 회수 영역에서 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 1차 흡수 액체로 전달한다. 흡수 액체는 1차 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 1차 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다. 1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림은 황산을 포함하는 2차 흡수 액체와 2차 흡수 영역에서 접촉되어, 잔류하는 SO3를 2차 흡수 영역에서 황산으로서 회수하며, 2차 흡수 영역에 들어가는 전체 기체 유동에 대한 흡수 영역에 들어가는 2차 흡수 액체의 매스 유동 비율은 약 0.4 내지 약 5이다. 바람직한 실시양태에서, 기체 스트림이 1차 흡수 영역으로 들어가기 전에, 수증기는 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.55 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 1차 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입된다. 그러나, 미스트의 제어는, 수증기가 흡수기에 들어가는 기체에 주입되는 실시양태뿐만 아니라, 기체가 건조되거나 또는 단지 대기의 수분을 함유하는 실시양태에 적용될 수 있다.
본 발명은 추가로 황 공급원을 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 연소시켜 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 황산을 포함하는 1차 흡수 액체와 1차 흡수 열 회수 영역에서 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 1차 흡수 액체로 전달한다. 선택적으로는, 수증기는 기체 스트림이 1차 흡수 영역에 들어가기 전에, 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.40 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 1차 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입된다. 흡수 액체는 1차 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 1차 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다. 1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림은 황산을 포함하는 2차 흡수 액체와 2차 흡수 영역에서 접촉되어, 잔류하는 SO3를 2차 흡수 액체에서 황산으로 회수한다. 2차 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림 및 2차 흡수 영역에 들어가는 2차 흡수 액체 스트림의 상대적인 유량은, 기체 상의 온도와, 기체가 접촉하는 2차 흡수 액체 상의 온도 간의 최대 국부 누적 평균 차이가 35℃ 이하이도록 하는 정도이며, 이러한 국부 누적 평균 접촉 온도 차이는 액체 입구에서 영역까지의 일정한 거리에 의해서 규정되는 영역 내에서 기체/액체 접촉의 임의의 지점에 대한 적분에 의해서 결정된다. 1차 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림에 수증기를 주입하는 것을 포함하는 실시양태, 및 수증기를 주입하지 않는 실시양태 모두에서, 2차 흡수 영역에서 기체 스트림과 산 스트림 간의 Δt의 제어는 2차 흡수 영역을 나가는 산 미스트의 제어에 효과적이다.
추가의 양태에서, 본 발명은 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 황의 공급원을 연소시켜 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 황산을 포함하는 1차 흡수 액체와 1차 흡수 열 회수 영역에서 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 1차 흡수 액체로 전달한다. 선택적으로는, 수증기는 기체 스트림이 1차 흡수 영역에 들어가기 전에, 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.40 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 1차 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입된다. 흡수 액체는 1차 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 1차 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다. 1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림은 황산을 포함하는 2차 흡수 액체와 2차 흡수 영역에서 접촉되어, 잔류하는 SO3를 2차 흡수 액체에서 황산으로 회수한다. 2차 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림 및 2차 흡수 영역에 들어가는 2차 흡수 액체 스트림의 상대적인 유량은, 기체 상의 국부 벌크 온도와, 기체가 접촉하는 2차 흡수 액체 상의 국부 벌크 온도 간의 최대 차이가 액체 입구에서 영역까지의 일정한 거리에 의해서 규정되는 영역 내의 기체/액체 접촉의 임의의 지점 내에서 35℃ 이하이도록 하는 정도이다. 수증기 주입을 포함하는 실시양태 및 포함하지 않는 실시양태 모두에서 증가된 미스트 제어가 성취된다.
추가로, 본 발명은 황 공급원을 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 연소시켜 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 황산을 포함하는 1차 흡수 액체와 1차 흡수 열 회수 영역에서 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 1차 흡수 액체로 전달한다. 선택적으로는, 수증기는 기체 스트림이 1차 흡수 영역에 들어가기 전에, 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.40 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 1차 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입된다. 흡수 액체는 1차 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 1차 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다. 1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림은 황산을 포함하는 2차 흡수 액체와 2차 흡수 영역에서 접촉되어, 잔류하는 SO3를 2차 흡수 액체에서 황산으로 회수한다. 2차 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림과 2차 흡수 영역에 들어가는 2차 흡수 액체 스트림의 상대적인 유량은, 기체 상의 국부 벌크 온도와, 기체가 접촉하는 2차 흡수 액체 상의 국부 벌크 온도 간의 차이가 2차 흡수 영역의 액체 입구 또는 액체 출구에서 35℃ 이하이도록 하는 정도이다. 수증기 주입을 포함하는 실시양태 및 포함하지 않는 실시양태 모두에서 증가된 미스트 제어가 성취된다.
본 발명은 추가로 황 공급원을 공기 중에서 또는 산소-풍부 공기 중에서 연소시켜 이산화황 및 과량의 미반응 산소를 포함하는 연소 기체를 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체는 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매를 통과하여, 삼산화황을 함유하는 전환 기체를 생성한다. 전환 기체는 진한 황산을 포함하는 흡수 액체와 열 회수 흡수 영역에서 접촉되고, 흡수 영역에서 기체 상 스트림은 흡수 액체 스트림에 대해 향류적으로 영역을 통과하고, 기체 및 액체 스트림의 온도는 영역의 기체 입구로부터 기체 배출구로 감소된다. 흡수 액체의 황산 농도는, 흡수 액체 농도와 공비 상태 간의 차이가 열 회수 흡수 영역 전체에서 약 +1.0 중량% 이하이도록 제어된다.
더 추가로, 본 발명은 황 공급원을 공기 중에서 또는 산소-풍부 공기 중에서 연소시켜 이산화황 및 과량의 미반응 산소를 포함하는 연소 기체를 생성하고, 연소 기체를 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매를 통과시켜, 삼삼화황을 함유하는 전환 기체를 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 전환 기체는 진한 황산을 포함하는 흡수 액체와 열 회수 흡수 영역에서 접촉되고, 흡수 영역에서 기체 상 스트림은 흡수 액체 스트림에 대해 향류적으로 영역을 통과하고, 기체 및 액체 스트림의 온도는 영역의 기체 입구로부터 기체 배출구로 감소된다. 흡수 액체의 황산 농도는, 기체 출구에서 흡수 액체 농도와 공비 상태 간의 차이가 약 -0.1 중량% 이상이도록 제어된다.
더 추가로, 본 발명은 과량의 산소를 포함하는 무수 기체 중에서 황 원소를 연소시켜서 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 황산을 포함하는 1차 흡수 액체와 1차 흡수 (열 회수) 영역에서 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 1차 흡수 액체로 전달한다. 수증기는 기체 유동 방향에 대해서 1차 흡수 영역의 업스트림에서 전환 기체에 도입된다. 바람직하게는, 물은 전환 기체에서 대응하는 SO3 1 킬로그램 당 70 kJ (대응하는 SO3 1 파운드 당 30 Btu)을 초과하는 비율로 전환 기체로부터 유용한 에너지를 회수하기 위해서 임의의 열교환기의 다운스트림에 도입된다. 수증기는 기체의 대응하는 수증기 함량을 1차 흡수 영역에 들어가는 기체에서 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 약 0.55 내지 약 0.98 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 도입되며, 이로 인해서 1차 흡수 영역에 들어가는 전환 기체의 온도는 약 290℃ 내지 약 340℃이며, 이의 이슬점을 적어도 약 40℃ 초과하며, 산화황-포함 기체 스트림에 도입되는 수증기의 비율, 흡수 영역에 도입되는 흡수 액체의 황산 농도와 온도, 및 흡수 영역에서의 L/G 비율은 SO3에 대한 황산 증기의 몰 비가 이의 기체 입구와 기체 출구 중간의 흡수 영역 내의 위치에서 적어도 약 1.2의 최대값에 도달하도록 하는 정도이다. 흡수 액체는 1차 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 1차 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 간접 열교환기에서 가열기 공급수에 전달되어, 1차 흡수 영역에서 1차 흡수 액체 중의 SO3의 흡수에 의해서 생성된 황산 1 킬로그램 당 적어도 0.4 메가파스칼의 압력에서 적어도 0.55 ㎏의 스팀 (적어도 0.4 메가파스칼 (4 바아)/톤의 압력에서 적어도 0.55 톤의 스팀)을 발생시킨다. 흡수 액체의 황산 농도는, 흡수 액체 농도와 공비 상태 간의 차이가 1차 흡수 영역 전체에서 약 -0.2 중량% 이상 또는 약 +1.0 중량% 이하이도록 제어된다. 1차 흡수 영역에서 1차 흡수 산 및 전환 기체의 상대적인 유동은, 영역 내에서 대응하는 SO3를 기준으로 L/G가 약 20 내지 약 70이도록 제어된다. 1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림은 황산을 포함하는 2차 흡수 액체와 2차 흡수 영역에서 접촉되고, 2차 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림 중에 함유된 잔류하는 SO3는 2차 흡수 액체에서 황산으로서 회수된다. 1차 흡수 영역을 나가는 산 스트림의 농도와 온도, 및 1차 흡수 영역에 들어가는 전환 기체 스트림의 온도와 이슬점은 2차 흡수 영역을 떠나는 기체 스트림이 20 g/Nm3 이하의 황산 미스트를 함유하도록 제어할 수 있는 정도이며, 여기서, 2차 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림과 2차 흡수 영역에 들어가는 2차 흡수 액체 스트림의 상대적인 유량은, 기체 상의 국부 벌크 온도와, 기체가 접촉하는 2차 흡수 액체 상의 국부 벌크 온도 간의 차이가 2차 흡수 영역의 액체 입구 또는 액체 출구 모두에서 약 15℃ 내지 약 35℃이도록 하는 정도이다. 2차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림은 기체 유동 방향을 가로지르는 미스트 제거기 부재 표면적 1 제곱 미터 당 적어도 300 Nm3/시간의 속도로 미스트 제거기 시스템을 통과하고, 미스트 제거기 시스템을 나가는 기체는 0.1 g/Nm3 미만의 산 미스트를 함유한다.
더 추가로, 본 발명은 황 공급원을 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 연소시켜 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 황산을 포함하는 흡수 액체와 열 회수 흡수 영역에서 접촉되어, 삼산화황을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달한다. 흡수 액체는 흡수 영역과, 열이 주 열 전달 유체로 전달되는 주 열교환기 사이에서 순환되어, 주 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다. 주 열교환기를 나가는 흡수 액체 스트림은 분할되어 열 회수 흡수 영역으로 재순환되는 주 흡수 액체 스트림, 및 보조 흡수 액체 스트림을 제공한다. 보조 액체 스트림은 가열기 공급수 탈기기를 보조하는 간접 열교환기에 통과되고, 열은 탈기 스팀의 발생을 위해서 탈기기 보조 열교환기에서 보조 액체로부터 물 스트림으로 전달된다. 탈기 스팀은 탈기기로 안내되고, 여기서, 가열기 공급수는 가열기 공급수로부터 비응축성 물질을 스트리핑하기 위해서 탈기 스팀과 접촉된다. 탈기기 배기 스트림은 탈기기로부터 제거되고, 탈기기 배기 스트림은 수증기 및 비응축성 기체를 포함한다.
더 추가로, 본 발명은 인터패스 흡수기를 포함하는 접촉식 황산 제조 설비에서 황산을 제조하는 방법에 관한 것이며, 여기서, 설비는 적어도 약 150℃의 온도에서 유용한 형태로 SO3의 흡수 열을 회수하는 공정에 따라서 작동되도록 재조절된다. 방법은 황 공급원을 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 연소시켜 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함한다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 황산을 포함하는 1차 흡수 액체와 1차 흡수 영역에서 접촉되어, 삼산화황을 흡수하고/하거나 황산을 전환 기체로부터 1차 흡수 액체로 전달한다. 흡수 액체는 1차 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 1차 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다. 1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림은 황산을 포함하는 2차 흡수 액체와 2차 흡수 영역에서 접촉되고, 2차 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림 중에 함유된 잔류하는 SO3는 2차 흡수 액체에서 황산으로서 회수된다. 2차 흡수 영역은 재조절 전에 설비에 존재하는 인터패스 흡수기로 구성되고, 2차 흡수 영역에서 기체에 대한 2차 흡수 액체의 매스 유동 비율은 약 1.0 내지 약 7.0 또는 약 14 내지 약 18이다.
더 추가로, 본 발명은 황산 중의 SO3의 흡수 열을 고온에서 회수하기 위해서 인터패스 흡수기를 포함하는 기존의 접촉식 황산 플랜트를 재조절하는 방법에 관한 것이다. 방법은 (1) 삼산화황을 포함하는 컨버터 기체를 전달받기 위한 신규 흡수기 - 신규 흡수기는 황산을 포함하는 1차 흡수 액체 중의 SO3의 고온 흡수를 위해서 설계된 1차 흡수 영역을 포함하여 이곳에서 추가의 황산을 생성함 -; (2) SO3 흡수 열을 1차 흡수 액체로부터 다른 유체로 전달하여, 다른 유체를 적어도 약 150℃의 온도로 가열하기 위해서 설계된 고온 열교환기; (3) 1차 흡수 액체를 1차 흡수 영역과 고온 열교환기 사이에서 순환시키기 위한 수단; (4) 고온 흡수기를 나가는 기체 스트림을 기존의 인터패스 흡수기의 입구로 안내하기 위한 도관; 및 (5) 2차 흡수 액체를 기존의 인터패스 흡수기를 통해 순환시키기 위한 수단 - 여기서, 잔류하는 SO3는 2차 흡수 액체로 전달됨으로써 상기 1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림으로부터 제거될 수 있고, 2차 흡수 액체를 순환시키기 위한 수단은 2차 흡수 영역에서 기체에 대한 2차 흡수 액체의 매스 유동 비율이 약 1.0 내지 약 7.0 또는 약 14 내지 약 18이도록 하는 크기이고/이거나 유동 제어 설비가 필요함 -을 설치하는 것을 포함한다.
본 발명은 추가로 황 공급원을 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 연소시켜 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환한다. 전환 기체는 황산을 포함하는 1차 흡수 액체와 1차 흡수 (열 회수) 영역에서 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 1차 흡수 액체로 전달한다. 수증기는 1차 흡수 영역에 들어가는 기체에서 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.40 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 1차 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체 스트림에 도입된다. 1차 흡수 액체는 1차 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 1차 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다. 1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림은 황산을 포함하는 2차 흡수 액체와 2차 흡수 영역에서 접촉되고, 2차 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림 중에 함유된 잔류하는 SO3는 2차 흡수 액체에서 황산으로서 회수된다. 2차 흡수 산의 2차 흡수 영역으로의 전달 속도는, 기체 상의 국부 벌크 온도와, 기체가 접촉하는 2차 흡수 액체 상의 국부 벌크 온도 간의 차이를 2차 흡수 영역의 액체 입구 및 액체 출구 모두에서 약 35℃ 이하로 유지시키도록 제어된다. 2차 흡수 영역에 들어가는 2차 흡수 산의 농도는 2차 흡수 영역을 나가는 기체의 조성이 물 함량에 대해서는 공비 조성 이상이고, SO3 함량에 대해서는 공비 조성 이하인 것을 보장하기에 충분하게 2차 영역에 순수한 사용가능한 물 공급을 제공하도록 제어된다.
본 발명은 추가로 산소-함유 기체를 건조제와 접촉시켜 건조된 산소-함유 기체를 제공하는 것을 포함하는 황산의 제조 방법에 관한 것이다. 황 및 건조된 산소-함유 기체는 연소 영역으로 도입된다. 연소 영역에 도입된 산소-함유 기체의 산소 함량은 그 영역에 도입된 황에 대해서 화학량론적 과량이다. 황은 건조된 기체의 산소와 연소되어 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성한다. 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림은 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉되어, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 변형시킨다. 전환 기체는 황산을 포함하는 흡수 액체와 열 회수 흡수 영역에서 접촉되어, 황산을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달한다. 수증기는 기체 스트림이 1차 흡수 영역에 들어가기 전에, 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.55 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 1차 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 도입된다. 흡수 액체는 흡수 영역과 간접 열교환기 사이에서 순환되는데, 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생된 열이 열 전달 유체로 전달되어, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열한다.
<도 1>
도 1은 1차 영역에 들어가는 SO3-포함 스트림에 스팀을 주입함으로써 반응수의 약 1/3 이하가 공급되는, 1차 향류 흡수 영역 및 2차 향류 흡수 영역을 포함하는 종래 기술 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템의 공정 흐름도이고;
<도 2>
도 2는 1차 영역에 들어가는 SO3-포함 스트림에 스팀을 주입함으로써 반응수 및 희석수의 95 내지 100%가 공급되는, 1차 열 회수 향류 흡수 영역 및 2차 향류 흡수 영역을 포함하는, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템에 대한 공정 흐름도이고;
<도 3>
도 3은 순환 흡수산이 1차 흡수 영역으로 되돌아가는 스트림 및 2차 흡수 영역으로 순환되는 분획으로 분할되는, 도 2의 것과 유사한 공정 흐름도이고;
<도 4>
도 4는 SO3, 물, 및 H2SO4에 대한 증기압의 로그값 대 절대 온도의 역수의 그래프이고;
<도 5>
도 5는 포화된 대기 스팀을 흡수기에 앞서서 기체 스트림에 주입함으로써 제공되는 화학량론적 반응수 필요량의 비율을 함수로서 플로팅한, 무수 기체 접촉식 황산 플랜트에서 흡수기에 들어가는 전형적인 SO3-포함 기체 스트림에 대한 기체 온도 및 기체 이슬점의 곡선이고;
<도 6>
도 6은 SO3-포함 전환 기체를 탑의 하부에 전달하기 위한 기체 유동 도관의 종 단면의 반-도식도와 함께, 기체 스트림에 스팀을 주입하기 위한 노즐 및 배플을 나타내는, 향류 유동 SO3 흡수 열 회수 탑의 개략도이고;
<도 7>
도 7은 SO3 1 몰 당량 당 대략 1 몰 당량의 수증기를 함유하는 기체 스트림이 도입되는 향류 SO3 흡수 시스템의 작동에서, SO3의 황산으로의 전환, 기체 상 조성, 및 응축 정도를 기체 상 온도의 함수로서 플로팅한 곡선을 나타내고;
<도 8>
도 8은 SO3 회수 정도를 열 회수 컬럼의 흡수 영역에서 이론적인 흡수 단계의 수의 함수로서 나타낼 목적으로 실시예 5에 참고로 기재된 바와 같은, 단일 흡수 영역을 갖는 본 발명의 모의실험된 공정의 실시양태에 대한 공정 흐름도이고;
<도 9>
도 9는 열이 2차 흡수 영역으로 순환되는 흡수 산 분획으로부터 전달되어, 1차 흡수 영역에 들어가는 SO3-포함 기체 스트림에 주입하기 위한 스팀을 발생시키는, 도 3의 것과 유사한 공정 흐름도이고;
<도 10>
도 10은 도 9의 것과 유사하지만, 황 원소 이외의 공급원으로부터 발생된 SO2 스트림으로부터 생성된 SO3의 흡수를 위해서 개작된 흐름도이고;
<도 11>
도 11은 탈기, 탈기된 가열기 공급수의 추가 예비가열, 및 150℃를 초과하는 온도에서 흡수 열을 회수하기 위해서 예비가열되고 탈기된 공급수를 열 교환기에 전달하기 전에, 비탈기된 가열기 공급수를 예비가열하여 탈기를 위한 스팀의 발생 시에 2차 흡수 액체로부터 열을 회수하는 것을 나타내는 공정 흐름도이고;
<도 12>
도 12는 도 2, 3 또는 10에 도시된 유형의 SO3 흡수 및 열 회수 시스템의 1차 흡수 영역에 대한 전형적인 기체 온도, 액체 온도 및 미스트 농도 프로파일을 나타내고;
<도 13>
도 13은 기체 스트림을 냉각시키는데 필요한 유동에 비해서 높은 액체 유동 조건 하에서 도 2, 3 또는 10에 도시된 유형의 SO3 흡수 및 열 회수 시스템의 2차 흡수 영역에 대한 전형적인 기체 온도, 액체 온도, 및 미스트 농도 프로파일을 나타내고;
<도 14>
도 14는 낮은 액체 유동 조건 하에서, 도 2, 3 또는 10에 도시된 유형의 SO3 흡수 및 열 회수 시스템의 2차 흡수 영역에 대한 전형적인 기체 온도, 액체 온도, 및 미스트 농도 프로파일을 나타내고;
<도 15 및 16>
도 15 및 16은 바람직한 중간 액체 유동 조건 하에서, 도 2, 3 또는 10에 도시된 유형의 SO3 흡수 및 열 회수 시스템의 2차 흡수 영역에 대한 전형적인 기체 온도, 액체 온도, 및 미스트 농도 프로파일을 나타내고;
<도 17>
도 17은 수증기를 주입하지 않고 작동될 수 있지만, 미스트 발생의 제어를 위해서 본 발명의 특정 바람직한 실시양태에 따르는, 1차 향류 흡수 영역 및 2차 향류 흡수 영역을 포함하는 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템에 대한 공정 흐름도이고;
<도 18>
도 18은, 도 18의 공정이 전환 기체 또는 연소 기체에 수증기를 주입하지 않고 작동되는 것을 제외하고는 도 3의 것과 일반적으로 유사한 공정에 대한 공정 흐름도이고;
<도 19>
도 19는 기체 스트림 중의 SO3, H2SO4 증기 및 수증기의 성분 유동 대 1차 흡수 영역 및 1차 영역 위에 위치하는 2차 흡수 영역 모두를 포함하는 향류 열 회수 흡수기의 1차 흡수 영역에서 기체 입구로부터의 거리를 폴로팅하며, 여기서, 1차 흡수 산은 99.5 중량%의 농도로 1차 흡수 영역에 들어가고, 2차 흡수 산은 98.5 중량%의 농도로 2차 흡수 영역에 들어가고, 2차 영역을 나가는 2차 산은 1차 영역의 상부 부분으로 유동하고;
<도 20>
도 20은 기체 스트림 중의 SO3, H2SO4 증기 및 수증기의 성분 유동 대 1차 흡수 영역 및 1차 영역 위에 위치하는 2차 흡수 영역 모두를 포함하는 향류 열 회수 흡수기의 2차 흡수 영역에서 기체 입구로부터의 거리를 폴로팅하며, 여기서, 1차 흡수 산은 99.5 중량%의 농도로 1차 흡수 영역에 들어가고, 2차 흡수 산은 98.5 중량%의 농도로 2차 흡수 영역에 들어가고, 2차 영역을 나가는 2차 산은 1차 영역의 상부 부분으로 유동하고;
<도 21>
도 21은 기체 스트림 중의 SO3, H2SO4 증기 및 수증기의 성분 유동 대 1차 흡수 영역 및 1차 영역 위에 위치하는 2차 흡수 영역 모두를 포함하는 향류 열 회수 흡수기의 2차 흡수 영역에서 기체 입구로부터의 거리를 폴로팅하며, 여기서, 1차 흡수 산은 99.5 중량%의 농도로 1차 흡수 영역에 들어가고, 2차 흡수 산은 99.2 중량%의 농도로 2차 흡수 영역에 들어가고, 2차 영역을 나가는 2차 산은 1차 영역의 상부 부분으로 유동하고;
<도 22>
도 22는 농도 작동 라인, 온도 작동 라인 및 공비 조성을 향류 회수 흡수 영역에서 온도의 함수로서 플로팅한 다이아그램이고;
<도 23>
도 23은 흡수 영역의 업스트림에서 SO3-포함 기체 스트림에 주입하기 위한 수증기 공급원으로서 사용될 수 있는 스팀의 발생 시에 2차 흡수 액체로부터 열을 회수하는 것을 나타내는, 도 11의 것과 유사한 대안의 공정 흐름도이고;
<도 24>
도 24는 도 3, 9, 10, 11 및 23의 것과 유사한 1차 흡수 영역으로의 높은 비율의 스팀 주입을 포함하는, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르는 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템에 대한 공정 흐름도이고, 2차 흡수 영역의 작동을 제어하기 위한 시스템의 개략도를 나타낸다.
상응하는 참조 문자는 도면의 몇몇 관점에서 상응하는 부재를 나타낸다.
도 1은 1차 영역에 들어가는 SO3-포함 스트림에 스팀을 주입함으로써 반응수의 약 1/3 이하가 공급되는, 1차 향류 흡수 영역 및 2차 향류 흡수 영역을 포함하는 종래 기술 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템의 공정 흐름도이고;
<도 2>
도 2는 1차 영역에 들어가는 SO3-포함 스트림에 스팀을 주입함으로써 반응수 및 희석수의 95 내지 100%가 공급되는, 1차 열 회수 향류 흡수 영역 및 2차 향류 흡수 영역을 포함하는, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템에 대한 공정 흐름도이고;
<도 3>
도 3은 순환 흡수산이 1차 흡수 영역으로 되돌아가는 스트림 및 2차 흡수 영역으로 순환되는 분획으로 분할되는, 도 2의 것과 유사한 공정 흐름도이고;
<도 4>
도 4는 SO3, 물, 및 H2SO4에 대한 증기압의 로그값 대 절대 온도의 역수의 그래프이고;
<도 5>
도 5는 포화된 대기 스팀을 흡수기에 앞서서 기체 스트림에 주입함으로써 제공되는 화학량론적 반응수 필요량의 비율을 함수로서 플로팅한, 무수 기체 접촉식 황산 플랜트에서 흡수기에 들어가는 전형적인 SO3-포함 기체 스트림에 대한 기체 온도 및 기체 이슬점의 곡선이고;
<도 6>
도 6은 SO3-포함 전환 기체를 탑의 하부에 전달하기 위한 기체 유동 도관의 종 단면의 반-도식도와 함께, 기체 스트림에 스팀을 주입하기 위한 노즐 및 배플을 나타내는, 향류 유동 SO3 흡수 열 회수 탑의 개략도이고;
<도 7>
도 7은 SO3 1 몰 당량 당 대략 1 몰 당량의 수증기를 함유하는 기체 스트림이 도입되는 향류 SO3 흡수 시스템의 작동에서, SO3의 황산으로의 전환, 기체 상 조성, 및 응축 정도를 기체 상 온도의 함수로서 플로팅한 곡선을 나타내고;
<도 8>
도 8은 SO3 회수 정도를 열 회수 컬럼의 흡수 영역에서 이론적인 흡수 단계의 수의 함수로서 나타낼 목적으로 실시예 5에 참고로 기재된 바와 같은, 단일 흡수 영역을 갖는 본 발명의 모의실험된 공정의 실시양태에 대한 공정 흐름도이고;
<도 9>
도 9는 열이 2차 흡수 영역으로 순환되는 흡수 산 분획으로부터 전달되어, 1차 흡수 영역에 들어가는 SO3-포함 기체 스트림에 주입하기 위한 스팀을 발생시키는, 도 3의 것과 유사한 공정 흐름도이고;
<도 10>
도 10은 도 9의 것과 유사하지만, 황 원소 이외의 공급원으로부터 발생된 SO2 스트림으로부터 생성된 SO3의 흡수를 위해서 개작된 흐름도이고;
<도 11>
도 11은 탈기, 탈기된 가열기 공급수의 추가 예비가열, 및 150℃를 초과하는 온도에서 흡수 열을 회수하기 위해서 예비가열되고 탈기된 공급수를 열 교환기에 전달하기 전에, 비탈기된 가열기 공급수를 예비가열하여 탈기를 위한 스팀의 발생 시에 2차 흡수 액체로부터 열을 회수하는 것을 나타내는 공정 흐름도이고;
<도 12>
도 12는 도 2, 3 또는 10에 도시된 유형의 SO3 흡수 및 열 회수 시스템의 1차 흡수 영역에 대한 전형적인 기체 온도, 액체 온도 및 미스트 농도 프로파일을 나타내고;
<도 13>
도 13은 기체 스트림을 냉각시키는데 필요한 유동에 비해서 높은 액체 유동 조건 하에서 도 2, 3 또는 10에 도시된 유형의 SO3 흡수 및 열 회수 시스템의 2차 흡수 영역에 대한 전형적인 기체 온도, 액체 온도, 및 미스트 농도 프로파일을 나타내고;
<도 14>
도 14는 낮은 액체 유동 조건 하에서, 도 2, 3 또는 10에 도시된 유형의 SO3 흡수 및 열 회수 시스템의 2차 흡수 영역에 대한 전형적인 기체 온도, 액체 온도, 및 미스트 농도 프로파일을 나타내고;
<도 15 및 16>
도 15 및 16은 바람직한 중간 액체 유동 조건 하에서, 도 2, 3 또는 10에 도시된 유형의 SO3 흡수 및 열 회수 시스템의 2차 흡수 영역에 대한 전형적인 기체 온도, 액체 온도, 및 미스트 농도 프로파일을 나타내고;
<도 17>
도 17은 수증기를 주입하지 않고 작동될 수 있지만, 미스트 발생의 제어를 위해서 본 발명의 특정 바람직한 실시양태에 따르는, 1차 향류 흡수 영역 및 2차 향류 흡수 영역을 포함하는 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템에 대한 공정 흐름도이고;
<도 18>
도 18은, 도 18의 공정이 전환 기체 또는 연소 기체에 수증기를 주입하지 않고 작동되는 것을 제외하고는 도 3의 것과 일반적으로 유사한 공정에 대한 공정 흐름도이고;
<도 19>
도 19는 기체 스트림 중의 SO3, H2SO4 증기 및 수증기의 성분 유동 대 1차 흡수 영역 및 1차 영역 위에 위치하는 2차 흡수 영역 모두를 포함하는 향류 열 회수 흡수기의 1차 흡수 영역에서 기체 입구로부터의 거리를 폴로팅하며, 여기서, 1차 흡수 산은 99.5 중량%의 농도로 1차 흡수 영역에 들어가고, 2차 흡수 산은 98.5 중량%의 농도로 2차 흡수 영역에 들어가고, 2차 영역을 나가는 2차 산은 1차 영역의 상부 부분으로 유동하고;
<도 20>
도 20은 기체 스트림 중의 SO3, H2SO4 증기 및 수증기의 성분 유동 대 1차 흡수 영역 및 1차 영역 위에 위치하는 2차 흡수 영역 모두를 포함하는 향류 열 회수 흡수기의 2차 흡수 영역에서 기체 입구로부터의 거리를 폴로팅하며, 여기서, 1차 흡수 산은 99.5 중량%의 농도로 1차 흡수 영역에 들어가고, 2차 흡수 산은 98.5 중량%의 농도로 2차 흡수 영역에 들어가고, 2차 영역을 나가는 2차 산은 1차 영역의 상부 부분으로 유동하고;
<도 21>
도 21은 기체 스트림 중의 SO3, H2SO4 증기 및 수증기의 성분 유동 대 1차 흡수 영역 및 1차 영역 위에 위치하는 2차 흡수 영역 모두를 포함하는 향류 열 회수 흡수기의 2차 흡수 영역에서 기체 입구로부터의 거리를 폴로팅하며, 여기서, 1차 흡수 산은 99.5 중량%의 농도로 1차 흡수 영역에 들어가고, 2차 흡수 산은 99.2 중량%의 농도로 2차 흡수 영역에 들어가고, 2차 영역을 나가는 2차 산은 1차 영역의 상부 부분으로 유동하고;
<도 22>
도 22는 농도 작동 라인, 온도 작동 라인 및 공비 조성을 향류 회수 흡수 영역에서 온도의 함수로서 플로팅한 다이아그램이고;
<도 23>
도 23은 흡수 영역의 업스트림에서 SO3-포함 기체 스트림에 주입하기 위한 수증기 공급원으로서 사용될 수 있는 스팀의 발생 시에 2차 흡수 액체로부터 열을 회수하는 것을 나타내는, 도 11의 것과 유사한 대안의 공정 흐름도이고;
<도 24>
도 24는 도 3, 9, 10, 11 및 23의 것과 유사한 1차 흡수 영역으로의 높은 비율의 스팀 주입을 포함하는, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르는 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템에 대한 공정 흐름도이고, 2차 흡수 영역의 작동을 제어하기 위한 시스템의 개략도를 나타낸다.
상응하는 참조 문자는 도면의 몇몇 관점에서 상응하는 부재를 나타낸다.
접촉식 황산 플랜트에서, SO2 및 산소를 함유하는 기체 스트림을 SO2의 SO3로의 산화를 촉진시키는 촉매와 접촉시킨다. 전형적으로는, 황 원소의 연소에 의해서 SO2-포함 기체 스트림을 생성한다. 그러나, SO2-포함 스트림은 또한 금속 광석, 예를 들어 황철석의 로스팅 중에, 또는 다른 황-포함 화합물의 연소에 의해서, 또는 산의 분해에 의해서 SO2가 발생되는 폐산(spent acid)의 재생 중에 생성될 수 있다. 이어서, 전환 기체 중의 SO3를 강한 황산 중에서의 흡수에 의해서 회수한다. 생성된 흡수 열을 다른 유체로의 전달에 의해서 흡수 산으로부터 회수하는 경우, 흡수기에 들어가는 SO3-포함 기체 스트림에 수증기를 주입함으로써 회수된 열의 양이 증가될 수 있다.
접촉식 황산 제조 플랜트에서 산화황-포함 기체 스트림에 수증기를 주입하는 것은 SO3와 물의 증기 상 반응을 유발하여 H2SO4를 증기 상으로 형성한다. 수증기는 SO3-포함 전환 기체에 직접 주입되거나 또는 컨버터의 업스트림에서 SO2-포함 연소 기체에 주입될 수 있다. 두 경우에, 수증기는 이미 기체 중에 존재하는 SO3와 반응하거나, 또는 이것이 형성된 후에 반응한다. 본 발명의 공정의 다양한 바람직한 실시양태에서, 수증기는 컨버터의 업스트림에서 SO2-포함 기체보다는 SO3-포함 전환 기체에 주입되며, 더 바람직하게는 수증기는 SO2 및 산소의 반응 열이 회수되는 열교환기의 다운스트림에 주입된다.
SO3 및 물의 증기 상 반응은 높은 발열 반응이며, 이것이 기체의 온도를 증가시킨다. 증기 상 반응은 또한 H2SO4로의 전환이 온도와 반비례하는 평형 반응이다. 증기 상 H2SO4, SO3 및 수증기를 포함하는 기체 스트림이 황산과 접촉하게 될 경우 몇가지 현상이 발생하는데, 이것 각각은 상당한 에너지를 발생시켜, 액체 상의 온도를 증가시킨다. 이것에는 H2SO4의 응축, SO3의 흡수, 수증기의 응축, SO3와 물의 액체 상 반응, 및 전형적으로는 기체 상으로부터 액체 상으로의 현열(sensible heat) 전달이 포함된다. 열이 액체 상, 즉, 흡수 산으로부터 열 전달 유체로 전달되는 경우, SO3와 물의 증기 상 반응 열, H2SO4의 응축 열, SO3의 응축 열, 흡수 열, 즉, SO3와 물의 액체 상 반응 열은 모두 유용한 형태로 회수될 수 있다.
따라서, 수증기를 흡수기의 업스트림에서 SO3-포함 전환 기체 또는 SO2-포함 연소 기체에 주입하는 것은 에너지 양의 상당한 증가를 제공하며, 이것은 흡수기 및 이의 관련된 산 냉각기가 고온에서 작동될 경우 고온에서 회수될 수 있다.
그러나, 본 발명 이전에는, 스팀이 화학량론적 반응수 필요량의 약 33%를 초과하는 비율로 주입되면, 즉, 스팀이 흡수기에 들어가는 기체에서 대응하는 SO3 함량에 대한 대응하는 수증기 함량의 몰 비를 약 0.33을 초과하는 값으로 증가시키기에 충분한 비율로 주입되면, 산 냉각기의 과도한 부식 및/또는 과량의 황산 미스트 생성이 발생하게 될 우려가 있으므로 스팀 주입의 양이 제한적이었다.
SO3와의 반응을 위해서 첨가되는 물은 본 명세서에서는 때때로 희석수로서 지칭되는데, 이는 통상적인 실시에서 순환 흡수 산 스트림이 흡수 영역에 SO3를 도입하는 속도에 대해 화학량론적 당량의 속도의 물로 희석되기 때문이다. 이어서, 흡수 산이 흡수 영역을 통과하고, 기체 스트림으로부터 SO3를 흡수하여 희석수와의 반응에 의해서 황산을 액체로 생성하기 때문에, 산 농도는 계속해서 증가된다. 따라서, 흡수기를 나가는 산은 흡수 단계의 목적하는 농도이며, 시스템으로부터 제거되는 생성물 산 스트림 및 흡수 영역에 도입하기 전에 물로 희석되는 재순환 산 스트림으로 분할되는 흡수 산 스트림을 산출한다.
흡수 영역에 앞서서 반응수를 SO3-포함 기체 스트림에 도입하는 것은 흡수 영역에 걸쳐서 산 농도 기울기를 감소시킨다. 100%의 반응수를 SO3 스트림에 수증기의 형태로 도입할 경우, 흡수 영역의 농도 기울기는 완전히 제거되고, 즉, 이와 같이 희석되는 것이 아니라 영역 전체에서 액체 상 중에서 일정한 산 농도로 존재한다. 이러한 농도가 너무 낮은 값으로 유지되면, 합금 흡수 용기 내에서 과도한 부식이 발생될 수 있다. 농도가 너무 높으면, 흡수되지 않은 SO3가 흡수기를 통과할 수 있고, 이로 인해서 수율이 감소되고/되거나, 기체가 흡수기의 다운스트림에서 냉각될 경우에는 상당한 황산 미스트가 생성되고/되거나 다운스트림 촉매 접촉 영역에서의 전환이 저해된다.
그러나, 본 발명에 따르면, 흡수 시스템의 업스트림에서 SO2 또는 SO3-포함 기체 스트림에 수증기를 주입하여 증가된 비율의 반응수를 도입함으로써 흡수 시스템으로부터 증가된 양의 에너지가 회수될 수 있다는 것을 발견하였다. 더욱이, 공정은 과도한 부식이 발생하지 않고, 산 미스트가 과량으로 생성되지 않으면서, 흡수 시스템으로부터 상당한 에너지 회수 증가를 성취하도록 작동될 수 있다. 이러한 바람직한 결과는 SO2 또는 SO3-포함 기체 스트림 중으로의 수증기의 도입에 대한 흡수 시스템의 반응에 영향을 미치는 공정 변수의 조합을 확인하고, 조정하고, 제어함으로써 발생된다. 적절한 조건은 SO3-포함 기체 스트림의 조성 및 온도 데이터를 흡수 시스템에 앞서서 이러한 스트림에 도입되는 희석수의 비율의 함수로써 고려하고, 공비 조성물의 데이터를 온도의 함수로서 고려하여 선택된다.
열 회수 흡수 영역의 업스트림에서 기체에 수증기를 주입함으로써 공급되는 희석수의 비율을 증가시키면 흡수 시스템으로부터 궁극적으로 회수되는 에너지가 상당히 증가될 수 있다. 이러한 모드의 작동은 생성물 황산을 증기 상으로 형성하여 높은 기체 온도 및 높은 기체 엔탈피를 제공한다. 황산 증발의 현열 및 잠열(latent heat)은 전형적으로는 중간 압력 스팀의 발생에 의해서 열 회수 흡수기 열교환기에서 기체 상으로부터 유용한 형태로 회수된다. 본 발명의 방법에 따르면, 열 회수 비율은, 미국 내의 작동에서 산업 규모로 얻어지는 것과 같은 SO3 흡수 시스템으로부터의 최대 비율의 유용한 열 회수보다 25% 만큼 많이 증가될 수 있다. 예를 들어, 흡수기에 앞서서 기체 스트림에 스팀을 주입함으로써 필요한 희석수의 1/3이 공급되는 흡수 시스템에서, 순수한 황산 생성 1 ㎏ 당 0.48 ㎏ (0.48 톤/톤)의 비율로 0.3 메가파스칼 (3 바아) 게이지 이상, 전형적으로는 0.7 메가파스칼 (7 바아) 게이지 이상에서 중간 압력 스팀이 발생되지만, 에너지 회수 비율은, 스팀 주입에 의해서 제공된 반응수의 비율이 95 내지 100%로 증가되고, 열 회수 흡수 영역 내의 농도 기울기가 0.2 중량% 이하로 감소되는 경우 생성되는 황산 1 킬로그램 당 0.6 내지 0.9 ㎏의 중간 압력 스팀 (0.6 내지 0.9 톤/톤의 중간 압력 스팀) 만큼 높게 증가될 수 있다. 100% 이상의 반응수가 열 회수 흡수 영역의 업스트림에 주입되는 스팀의 형태로 제공되는 경우, 희석 용기를 제거함으로 인해서 추가의 유의한 자본 및 보수 비용이 절약된다.
도 1에는 시스템에 들어가는 SO3-포함 기체 스트림에 스팀을 주입함으로써 희석수의 약 33% 이하가 제공되는, 종래 기술의 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템이 도시되어 있다. 산화황-포함 기체의 시스템으로의 유동에 대해서 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템의 업스트림에서, 과량의 공기 중에서 황을 연소시켜 SO2-포함 기체 스트림이 생성된다. 대안적으로, SO2-포함 스트림은 금속성 플랜트(metallurgical plant)에서, 전형적으로는 황함유 광석의 로스팅에 의해서 생성될 수 있다. SO2에 대해서 적어도 화학량론적 당량의 비율로 소모되지 않은 산소를 함유하는 SO2-포함 스트림은, 높은 비율의 SO2가 기체 중의 산소와 촉매 반응하여 SO3로 전환되는 촉매 반응 컨버터를 통과하여 SO3를 포함하는 전환 기체를 생성한다. SO2의 SO3로의 산화는 상당한 반응 열을 생성하며, 이것은 SO3-포함 전환 기체를 하나 이상의 열교환기, 예를 들어, 폐열 가열기, 스팀 과열기 및/또는 이코노마이저로 통과시켜 적어도 부분적으로 회수된다.
이어서, 전환 기체는 도 1에 도시된 바와 같이 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템으로 전달된다. 시스템은 흡수기, 예를 들어, 향류 흡수 탑 (1)을 포함하는데, 이것에서는 흡수 액체에 대한 황산의 증분 첨가의 형태로 SO3를 기체 스트림으로부터 액체 상으로 전달하기 위해서 SO3 전환 기체 스트림이 진한 황산과 접촉된다. 흡수기에서, 액체 및 기체 스트림은 산 상과 액체 상 사이에서 기체/액체 접촉 및 매스 전달을 촉진시키기 위한 수단을 포함하는 열 회수 흡수 영역 (3) 내에서 접촉된다. 도시된 바와 같이, 기체 및 액체는 열 회수 흡수 영역 (3)을 통해 향류적으로 유동한다. 본 기술 분야의 숙련인은, 기체 및 액체가 대안적으로는 병류식 유동 흡수기, 예를 들어 벤투리(venturi) 탑 내에서 접촉될 수 있음을 이해할 것이다.
흡수 시스템은 흡수 산으로부터의 흡수 에너지를 회수하기 위한 외부 열교환기 (5) 및 추가량의 SO3와의 반응을 위해서 물을 재순환 산 스트림으로 도입하는 희석기 (7)를 추가로 포함한다. 풍부해진 황산 스트림은 산 출구 (9)를 통해 탑으로부터 제거되고, 산 순환 펌프 (11)를 사용하여 열교환기 (5) 및 희석기 (7)를 통해 순환되고, 산 복귀 입구 (13)에서 탑으로 되돌아간다.
승온에서 흡수 영역을 작동시킴으로써, 열 전달 유체를 승온으로 가열하는데 사용될 수 있는 고온 산 스트림이 발생된다. 열 전달 유체는 전형적으로는 약 144℃를 초과하는 온도로, 예를 들어, 160℃ 내지 235℃ 범위로 가열된다. 따라서, 열교환기 (5)가 열 회수 시스템 (HRS) 가열기일 경우, 스팀은 이곳에서 0.4 메가파스칼 (4 바아) 게이지를 초과하는 압력에서, 더 전형적으로는 0.5 메가파스칼 (5 바아) 게이지를 초과하는 압력에서, 바람직하게는 약 0.5 메가파스칼 (5 바아) 내지 약 1 메가파스칼 (10 바아)의 압력에서 발생될 수 있다. 스팀은 1.8 이하 내지 2 메가파스칼 (18 내지 20 바아) 게이지 범위의 압력에서 발생될 수 있으며, 이것은 지역 서비스 요구 및 전체 공정 경제학에 의해서 증명된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 흡수기는 선택적으로 그리고 이롭게는 2개의 흡수 영역을 포함한다. 1차 열 회수 흡수 영역 (3)은 고온에서 작동되어 산 순환 펌프 (11)를 통해 흡수 에너지를 유용한 형태로 회수하기 위한 열교환기 (5)를 통해 순환되는 고온 흡수 산 스트림을 생성한다. 2차 흡수 영역 (15)은 탑 (1) 내의 1차 흡수 영역 위에 위치한다. 2차 산 입구 (17)에서 도입된 산은 1차 흡수 영역을 나가는 기체에 대해 향류적으로 2차 흡수 영역을 통과한다. 2차 흡수 영역은 기체 스트림을 냉각하고, 증기 상으로부터의 잔류 황산을 응축하고, 2차 흡수 산 중의 흡수에 의해서 기체 스트림으로부터 잔류하는 SO3를 제거하는 기능을 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 2차 흡수 산은 1차 흡수 영역으로, 하향으로 유동하고, 1차 영역을 통해 유동하는 1차 흡수 산 스트림의 일부가 된다.
2차 흡수 영역 (15)을 나가는 고갈 기체 스트림은 잔류하는 황산 미스트의 제거를 위해서 미스트 제거기 (19)를 통과한다. 열 회수 흡수 시스템이 인터패스 플랜트의 인터패스 흡수기를 포함하는 경우, 미스트 제거기를 나가는 기체는 컨버터의 추가 단계로 되돌아간다. 단일 통과 플랜트에서, 미스트 제거기를 나간 기체는 대기로 방출된다.
종래 기술 공정에서, 희석수의 일부는 흡수 탑 기체 입구 (23)의 업스트림에서 주입 포트 (21)를 통해서 수증기로서 SO3 전환 기체 스트림에 도입된다. 그러나, 부식 및 미스트 발생 문제로 인해서, 흡수기의 업스트림에서 기체에 도입되는 수증기의 비율은 약 33% 이하로 제한된다. 즉, 수증기는, 1차 흡수 영역 (3)에 들어가기 전에, 기체의 대응하는 전체 수증기 함량 비율이 기체 스트림의 대응하는 전체 SO3 함량 1 몰 당 0.33 몰 이하이도록 하는 비율로 도입된다. 희석수의 적어도 약 67%는 희석기 (7)를 통해서 전형적으로는 액체 형태로 도입된다. 대안적으로, 나머지 희석수의 일부 또는 전부는 2차 산 입구 (17)를 통해서 더 낮은 농도 황산의 직교류에 의해서 공급될 수 있다.
이에 비해, 본 발명의 공정에서는, 수증기는 기체 스트림이 흡수 영역에 들어가기 전에, 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 약 0.40 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 도입된다. 바람직하게는, 수증기는 기체 스트림이 흡수 영역에 들어가기 전에, 기체의 대응하는 수증기 함량을 기체의 대응하는 전체 SO3 함량 1 몰 당 적어도 약 0.50 몰, 더 바람직하게는 적어도 약 0.55 몰, 더 바람직하게는 적어도 약 0.60 몰, 더욱 더 바람직하게는 적어도 약 0.70 몰, 가장 바람직하게는 적어도 약 0.80, 0.90 또는 0.95 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 도입된다. 수증기가 산화황 기체 유동 방향에 대해 컨버터의 업스트림에서 도입되는 경우, 이러한 비율은 전체 SO2 함량에 대해서 측정될 수 있다. 더 일반적으로는, 이것은 대응하는 전체 산화황 기체 함량, 즉, SO2와 대응하는 SO3의 합에 대해서 표현될 수 있다. 이러한 비율의 목적을 위해서, 대응하는 수증기 함량은 기체 상에서 황산으로 전환된 수증기를 포함하며, 대응하는 SO3 함량은 기체 상에서 황산으로 전환된 SO3를 포함한다.
본 발명의 공정은, 황 연소 공기가 연소 공기 유동 방향에 대해 황 연소기의 업스트림의 건조 탑에서 황산과 접촉함으로써 건조되는 "무수 기체" 플랜트, 또는 황 공급원이 건조되지 않은 주변 공기 중에서 연소되고/연소되거나 황 공급원 자체가 수분의 공급원인 "습식 기체" 플랜트에서 수행될 수 있다. 금속성 플랜트에서 발생된 SO2 스트림은 전형적으로는 "습식"인데, 이는 폐황산 분해에 의해서 발생된 SO2 스트림이기 때문이다. 일부 황 공급원은 수소를 함유하는 황 화합물, 예를 들어 황화수소 또는 머캅탄을 포함하며, 이들은 전환을 위해서 습식 SO3 기체 공급원으로 전환되는 "습식" SO2 기체를 본질적으로 생성한다. 무수 기체 플랜트에서, 수증기는 대응하는 전체 수증기 함량을 제공하기에 충분한 비율로 SO3-포함 기체에 도입된다. 습식 기체 플랜트에서, 수증기는 목적하는 대응하는 수증기 함량과 기체 중에 이미 존재하는 수증기 농도 간의 차이에 상응하는 비율로 도입된다. 황 공급원이 H2S일 수 있는 본 발명의 실시양태에서, 수증기를 추가적으로 주입하지 않고, 희석수 필요량의 100%가 연소 기체에 제공된다. 일반적으로, 1차 열 회수 흡수 영역에서의 매스 유동 비율, 1차 및 2차 흡수 영역에서의 산 농도 프로파일, 1차 흡수 영역에 들어가는 전환 기체 온도의 선택, 1차 반응 영역에서의 기체 상 조성 프로파일, 및 산 미스트의 제어를 위한 각종 항목과 관련된 본 발명의 개선 및 개질은 황-연소 플랜트를 위해서 개발되었다. 바람직하게는, 이들은 또한 황 공급원이 황 원소가 아닌 공정, 예를 들어 금속성 공급원 및 H2S와 같은 공급원인 공정에 적합한 곳에는 어디든 적용된다. 더 바람직한 실시양태에서, 황 공급원은 황 원소 또는 황화물 광석이다.
일부 건조한 지리학적 지역에서, 주변 공기의 상대 습도는, 황 연소 공기를 위한 건조 탑의 부재 시에도, 황-연소 접촉식 황산 플랜트의 작동이 "무수 기체" 플랜트와 유사할 수 있도록 하는 정도일 수 있다. 그러나, 본 발명의 목적을 위해서, 공기 중에서 황을 연소시켜 생성된 연소 기체가 SO2 1 몰 당 0.005 몰을 초과하는 수증기를 함유하면, 플랜트는 "습식 기체" 플랜트라고 간주될 수 있다. 본 발명의 공정은 SO2 스트림의 전환에 의해서 얻어지는 SO3의 흡수가 SO2 1 몰 당 0.005 이하, 더 전형적으로는 약 0.002 이하의 수증기를 함유하는 무수 기체 작동에 적용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템에 대한 예시적인 흐름도가 도 2에 도시되어 있다. 흡수 시스템은 열 회수 (1차) 흡수 영역 (103) 및 2차 흡수 영역 (115)을 포함하는 흡수 탑 (101)을 포함한다. 두 흡수 영역은 기체 상과 액체 상 사이에서 기체/액체 접촉 및 매스 전달을 촉진시키기 위해서 패킹 또는 다른 수단을 포함한다. SO3-포함 전환 기체는 기체 입구 (123)를 통해서 탑의 하부에 도입된다. 기체는 흡수 산의 하향 유동에 대해서 향류적으로 1차 흡수 영역 (103)을 통해 상향으로 유동한다. SO3의 흡수 및 기체 상으로부터의 H2SO4의 응축에 의해서 증가된 흡수 산은 흡수 산으로부터의 열을 열 전달 유체로 전달하여 유용한 형태로 흡수 열을 회수하기 위해서 1차 흡수 영역의 하부를 나가고, 산 출구 (109)에서 탑으로부터 제거되고, 산 순환 펌프 (111)를 통해 열교환기 (105)로 순환된다. 열교환기를 나가는 산은 흡수 시스템에서 주로 열 회수 흡수 영역에서 순수한 황산 생성물에 상응하는 분획, 및 (예를 들어, 2차 흡수 영역에서 또는 희석 매질로서 직교류에서 사용하기 위해서) 외부 공급원으로부터 제공된 임의의 산을 제거하기 위해서 분할된다. 남아있는 분획은 탑 산 복귀 입구 (113)를 통해서 1차 흡수 영역 (103)의 상부로 재순환된다.
1차 흡수 영역 (103)의 상부를 나가는 고갈 기체 스트림은 2차 흡수 영역의 상부에서 또는 그 위에서 2차 산 입구 (117)를 통해 탑에 공급되는 2차 흡수 산에 대해 향류적으로 2차 흡수 영역 (115)을 통해 상향으로 통과한다. 도시된 바와 같이, 2차 흡수 산은 2차 흡수 영역의 산 출구 (하부)로부터 1차 흡수 영역으로 유동하며, 여기에서 이것은 1차 흡수 산 스트림의 일부가 된다. 2차 흡수 영역 (115)의 상부를 나가는 고갈 기체는 황산 미스트의 제거를 위해서 미스트 제거기 (119)를 통과한다. 그 뒤에, 기체는 컨버터의 추가 단계로 되돌아가거나 또는 시스템으로부터 제거된다.
본 발명의 목적을 위해서, SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템은 열 회수 흡수 영역 (103), 2차 흡수 영역 (115) (존재하는 경우), 열 회수 흡수 영역을 나가는 흡수 산으로부터 유용한 형태로 에너지를 회수하기 위한 열교환기 (105), 산 순환 펌프 (111), 및 열 회수 흡수 영역이 포함된 열 회수 탑 (101)을 포함한다. 본 발명의 기재에서, 1차 열 회수 흡수 영역으로서의 열 회수 흡수 영역 (103)의 명칭은 2차 흡수 영역 (115)의 존재를 필연적으로 수반하는 것은 아님을 이해해야 한다. 공정의 바람직한 실시양태에서, 스팀은 열교환기 (105) 내에서, 바람직하게는 적어도 약 0.4 메가파스칼 (4 바아) 게이지의 압력에서 발생된다. (1차) 열 회수 영역 또는 2차 흡수 영역 (존재하는 경우)으로부터의 흡수 산의 제거 후에 유용한 에너지가 흡수 산으로부터 회수되는 임의의 다른 열교환기가 또한 SO3 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템의 일부이다. 이들 중 일부가 본 명세서에 기재되어 있다. 흡수 및 흡수 에너지 회수 시스템은 또한 고갈 기체 스트림이 (1차) 열 회수 영역 또는 2차 흡수 영역 (존재하는 경우)을 나간 후, 그러나 SO3 컨버터의 추가 단계로 도입되기 전에, 고갈 기체 스트림으로부터 잔류하는 열을 회수하기 위해서 임의의 열교환기를 포함할 것이다.
이와 같이 열 회수 흡수 시스템은 산화황 기체 스트림의 유동에 대해서 열 회수 흡수 영역의 업스트림에서 임의의 산화황 기체 스트림, 즉, SO2 연소 기체 또는 SO3 전환 기체로부터 열을 제거하기 위한 임의의 수단, 또는 SO2에서 SO3로의 추가의 전환이 열 회수 탑의 다운스트림에서 발생되는 기체로부터의 에너지 회수를 위한 임의의 수단을 포함하지 않는다. 그러나, 본 명세서에서 달리 특정한 것을 제외하고는, 이러한 수단의 존재는 본 발명의 공정을 포함하는 황산 공정으로부터 배제되지는 않는다. 열 회수 흡수 시스템은 (1차) 열 회수 영역 또는 2차 흡수 영역으로 도입되고/되거나 재순환되는 임의의 산 스트림 내에 위치할 수 있는 임의의 희석기를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 열 회수 흡수 시스템은 희석기를 포함하지 않는다. 따라서, 이러한 바람직한 실시양태에서, 희석수의 100%는 수증기 주입 포트 (121)를 통해서 수증기를 전환 기체에 주입함으로써 공급되며, 탑 기체 입구 (123)의 업스트림에서 전환 기체 공급 도관 (129) 내에서 수증기 주입 영역 (127) 내의 기체와 혼합된다. 그러나, 바람직할 경우, 1차 흡수 영역의 업스트림에서의 주입에 의해서 공급되는 희석수의 비율은, 기체 스트림이 1차 흡수 영역으로 들어가기 전에, 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 약 0.40 몰 내지 약 1.05 몰로 증가시키기에 충분한 비율의 값으로 제어될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 몰 비가 약 1.00 미만일 경우, 도 1의 희석기 (7)와 대등한 희석기를 통해서 또는 1차 흡수 영역 내에서 기체 스트림 또는 산 스트림에 주입함으로써 추가의 희석수가 첨가될 수 있다. 일반적으로, 수증기는 1차 흡수 영역 (103)에 들어가는 기체에서 대응하는 SO3 함량에 대한 대응하는 수증기 함량의 몰 비가 약 0.40 내지 1.05, 바람직하게는 약 0.50 내지 약 0.98 또는 1.00, 바람직하게는 약 0.55 내지 약 0.98 또는 1.00, 더 바람직하게는 약 0.60 내지 약 0.98 또는 1.00, 더욱 더 바람직하게는 약 0.70 내지 약 0.98 또는 1.00, 가장 바람직하게는 약 0.80 또는 0.90 내지 약 0.98 또는 1.00이도록 하는 충분한 비율로 주입 포트 (121)를 통해서 첨가된다.
1차 흡수 영역에 도입되는 SO3-포함 기체 스트림의 온도는 적어도 약 260℃, 더 바람직하게는 적어도 약 270℃, 더욱 더 바람직하게는 적어도 약 285℃, 가장 바람직하게는 적어도 약 300℃이다. 이러한 스트림의 온도는 바람직하게는 약 345℃ 이하이다. 따라서, 예를 들어, SO3-포함 스트림의 온도는 약 260℃ 내지 약 345℃, 약 270℃ 내지 약 345℃, 약 290℃ 내지 약 340℃, 약 300℃ 내지 약 340℃, 또는 약 310℃ 내지 약 330℃, 최적으로는 약 300℃ 내지 330℃의 근처 또는 약 300℃ 내지 약 320℃이고, 이의 이슬점보다 적어도 약 40℃를 초과하는 온도일 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 기체 스트림은 1차 열 회수 흡수 영역에서 흡수 액체 스트림에 대해 향류적으로 통과한다. 본 기술 분야의 숙련인은, 예를 들어, 벤투리 탑과 같은 병류식 흡수기에서 흡수 산 및 SO3 전환 기체를 접촉시킴으로써 본 발명이 또한 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 본 명세서에 논의된 바와 같은 바람직한 작동 조건은 도면에 도시된 유형의 향류 시스템에서의 작동을 지칭한다.
도 2의 공정에 대한 바람직한 제어 전략에는, 열 회수 흡수 영역으로 되돌아가는 산의 유동을 제어함으로써 열 회수 열교환기를 나가는 산의 온도를 제어하는 것, 및 스팀 주입기에 대한 유동을 먼저 조절함으로써 그리고 2차 흡수 영역으로 유동하는 산의 농도 및 유량을 조절함으로써 열 회수 흡수 영역을 나가는 산의 농도를 제어하는 것이 포함된다.
열 회수 흡수 시스템에서의 최대 열 회수를 위해서, SO3-포함 기체 스트림은 수증기 주입 영역과 1차 흡수 영역 사이에서 산화황-포함 기체 스트림 중 임의의 성분의 임의의 중간 응축 없이 1차 흡수 영역에 도입된다. 바람직하게는, 응축에 의해서든, 또는 유의한 현열의 전달에 의해서든, 또는 달리는 수증기 주입 영역과 1차 흡수 열 회수 영역 사이에서 기체 스트림의 유동 동안이든, 어떠한 형태로도, 유의한 양의 열이 SO3 전환 기체 스트림으로부터 제거되지 않는다. 바람직하게는, 물은 전환 기체에서 대응하는 SO3 1 킬로그램 당 70 kJ (대응하는 SO3 1 파운드 당 30 Btu)을 초과하는 비율로 전환 기체로부터 유용한 에너지를 회수하기 위해서 임의의 열교환기의 다운스트림에 도입된다.
흡수 산은 바람직하게는 적어도 약 180℃, 전형적으로는 170℃ 내지 220℃ 범위의 온도에서 1차 흡수 영역에 도입된다. 산은 바람직하게는 약 200℃ 내지 약 240℃의 온도에서 1차 흡수 영역을 나간다.고온 흡수 산은 산 출구 (109)를 통해서 탑 (101)으로부터 제거되고, 펌프 (111)에 의해서, 열교환기 (105)를 통해 순환되는데, 이것에서는 SO3 흡수 열, SO3와 H2O의 반응의 증기 상 열, 및 H2SO4의 응축 열이 열 전달 유체로 전달되고, 유용한 형태로 회수된다. 열 전달 유체는 약 150℃를 초과하는 온도, 바람직하게는 약 160℃ 내지 약 235℃, 더 바람직하게는 약 180℃ 내지 약 220℃ 범위의 온도로 가열된다. 따라서, 열교환기 (105)가 가열기인 경우, 스팀은 0.3 메가파스칼 (3 바아) 게이지를 초과하는 압력에서, 바람직하게는 0.5 메가파스칼 (5 바아) 게이지를 초과하는 압력에서, 더 전형적으로는 약 0.5 내지 약 1 메가파스칼 (5 내지 약 10 바아 게이지), 더욱 더 바람직하게는 0.7 메가파스칼 (7 바아) 게이지를 초과하는 압력에서, 일부 예에서는 1.8 내지 2 메가파스칼 (18 내지 20 바아) 게이지만큼 높은 압력에서 열교환기 내에서 발생될 수 있다.
1차 흡수 영역을 통한 통과에서, 기체 스트림은 그것이 접촉하는 흡수 산과의 직접 열 교환에 의해서 냉각되어, 출구 기체 스트림을 입구 산 스트림의 온도로 상당히 냉각시킨다.
1차 흡수 영역을 나가는 흡수 산의 농도는 바람직하게는 약 99.1 중량% 내지 약 99.8 중량% 범위, 더 바람직하게는 약 99.3 중량% 내지 약 99.7 중량% 범위의 H2SO4이다. 임의의 소정의 출구 산 농도에서, 입구 산 농도는 1차 흡수 영역에 도입하기 전에 SO3 전환 기체 스트림에 도입되는 수증기 형태로 제공되는 희석수의 비율에 의존하여 필연적으로 변한다. 열 회수 흡수 영역에 들어가기 전에, 희석수의 100%가 기체 스트림에 제공되는 경우, 열 회수 흡수 영역에서는 농도 기울기가 존재하지 않는다. 희석수의 일부가 순환 산 루프에서, 예를 들어, 도 1의 (7)에 도시된 것과 대등한 희석기에서 제공되는 경우, 1차 흡수 영역에서 농도 기울기가 발생된다. 최소 조건, 즉, 1차 영역에 들어가는 기체의 대응하는 수증기 함량이 대응하는 SO3 함량 1 몰 당 약 0.40 몰인 경우, 1차 흡수 영역에 들어가는 흡수 산의 농도는 전형적으로는 약 99 내지 약 99.5%일 수 있다.
1차 흡수 영역을 나가는 산의 농도를 열 회수 가열기에서 그리고 최후의 구조물이 합금으로 구성된 열 회수 탑 쉘의 하부 부분에서의 부식을 최소화하기에 적합한 만큼 높게 유지하는 것이 중요하다. 99.3 내지 99.7%의 흡수 산 농도가 이러한 목적에 바람직하지만, 일부 작업에서는, 산 농도가 1차 흡수 영역의 기저부에서 이러한 범위의 상한에 근접할 경우 흡수 효율이 불규칙하게 될 수 있는 것이 추가로 관찰되었으며, 예를 들어, 과량의 SO3 분획의 2차 영역으로의 누출(breakthrough)로 인해서 산 미스트 형성의 제어를 잠재적으로 위태롭게 하거나, 수율 손실 및 SO3 방출로까지 이어진다. 개별 유닛의 특이성 및 산 농도를 측정하는데 사용되는 전도성 장비의 보정의 변화를 고려할 경우, 목적하는 산 농도를 향류 열 회수 흡수 영역의 산 입구/기체 출구에서 약 99.5% 이하로 유지하는 것이 큰 부피의 산업용 실시에서 일반적으로 바람직하다. 1차 영역을 나가는 기체 스트림의 조성이 SO3 함량에 대해서 모니터링되고, 2차 영역의 입구로의 산의 유동 또는 농도를 조정함으로써 희석수가 2차 영역에 제공되는 경우, 99.5%를 약간 초과하는 증가는 허용될 수 있다.
흡수 산은 1차 흡수 영역을 통해서 비교적 높은 속도로 순환된다. 바람직하게는, 1차 흡수 영역에서 기체에 대한 액체의 매스 유동 비율 (L/G)은 적어도 약 3, 전형적으로는 약 4 내지 약 15이다. 1차 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림의 SO3 함량과 관련하여 표현될 경우, 매스 L/G는 바람직하게는 적어도 약 4 또는 적어도 약 15이고, 약 120 만큼 크고, 전형적으로는 약 20 내지 약 120 또는 약 20 내지 약 70, 더 전형적으로는 약 25 내지 약 110, 가장 바람직하게는 약 30 내지 약 100이다.
2차 흡수 영역을 나가는 산 스트림은 1차 흡수 영역을 나가는 (즉, 2차 흡수 영역에 들어가는) 기체의 온도보다 바람직하게는 약 35℃ 이하, 더 바람직하게는 약 30℃ 이하, 더 바람직하게는 약 25℃ 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 20℃ 이하, 최적으로는 약 15℃ 이하, 심지어는 약 10℃ 이하만큼 더 낮다. 2차 흡수 영역을 통한 산의 유동은 1차 흡수 영역을 통한 유량에 비해 느리다. 산은 약 40℃ 내지 약 110℃의 온도에서 2차 흡수 영역에 도입되고, 약 175℃ 내지 약 215℃ 범위의 온도에서 2차 영역으로부터 제거될 수 있다. 하기에서 추가로 논의될 바와 같이, 미스트의 최적의 제어는 2차 영역에서 기체 상과 액체 상 간의 Δt 또는 온도 차이를 제어함으로써 쉬워진다. 산 스트림의 입구 및 배출구 모두에서의 Δt의 제어는, 산의 입구 온도가 바람직한 범위의 상위로, 예를 들어, 약 65℃ 내지 약 95℃, 또는 약 75℃ 내지 약 90℃로 유지되도록 하고, 유량이 2차 영역으로부터의 산의 출구 온도가 1차 영역을 나가는 기체의 온도보다 상당히 낮지는 않도록 제어하는 것이 필요할 수 있다. 2차 흡수 영역을 나가는 2차 산의 산 농도는 일반적으로 열 회수 시스템 열교환기로부터 1차 흡수 영역의 입구로 재순환되는 1차 흡수 산의 농도와 유사하게 유지되며, 이것은 바람직하게는 공비 상태 이상이다. 2차 흡수 영역에 들어가는 산 농도 및 산의 유량은, 1차 흡수 영역을 나가는 기체 중에 잔류하는 SO3의 흡수를 보장하고, 2차 영역의 출구에서 목적하는 범위로 산 스트림을 생성하도록 제어된다. 따라서, 전형적으로는 큰 분획의 SO3 반응수가 1차 흡수 영역에 들어가는 전환 기체에 도입되는 경우에서와 같이, 1차 영역에 들어가는 1차 산의 농도가 비교적 높은 경우, 2차 영역에 들어가는 기체 스트림에서 예측된 비교적 높은 SO3의 잔류 농도에 맞추기 위해서 물은 2차 영역에 들어가는 산에서 비교적 높은 속도로 공급된다. 그러나, 전형적으로는 스팀이 주입되지 않는 무수 기체 플랜트 (따라서 열 회수 시스템 열교환기로부터 되돌아가는 1차 흡수 산을 실질적으로 희석시키는 것이 필요함)에서의 경우와 같이, 1차 흡수 영역에 들어가는 1차 산의 농도가 비교적 낮은 경우, 물이 2차 영역에 들어가는 2차 산에 공급되어야 하는 속도는 비교적 낮을수 있는데, 이는 2차 영역에 들어가는 기체 중에 잔류하는 SO3가 또한 비교적 낮을 것으로 예측되기 때문이다.
일반적으로, 1차 영역을 나가는 산은 약 99.0 내지 약 99.7%, 더 전형적으로는, 약 99.3 내지 약 99.6%의 농도를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 반응수의 상당한 분획이 스팀의 주입에 의해서 전환 기체에 공급되는 경우, 1차 흡수 영역에 들어가는 1차 흡수 산의 농도는 일반적으로 99.0 내지 99.7%, 더 전형적으로는 99.2 내지 99.6% 범위이고, 2차 흡수 영역을 나가는 2차 산은 약 99.0 내지 약 99.7%, 더 전형적으로는 약 99.1 내지 약 99.6%이다. 그러나, 스팀을 주입하지 않은 무수 기체의 경우, 1차 흡수 영역에 들어가는 1차 산의 농도는, 열교환기와 1차 영역 산 입구 사이에서 물 또는 비교적 묽은 산을 도입함으로써 약 98.5 내지 약 99.2%, 더 전형적으로는 약 98.8 내지 약 99.2%의 범위로 희석된다. 100% 스팀 주입의 경우 입구 1차 산과 접촉하는 기체의 평형 SO3 농도는, 스팀이 주입되지 않은 경우의 무수 기체에서 입구 1차 산과 접촉하는 기체의 평형 SO3 농도보다 본질적으로 약간 더 높기 때문에, 바람직하게는, 전자의 경우에 약간 더 많은 반응수가 2차 흡수 영역에 제공된다. 따라서, 약 100%의 스팀 주입의 경우, 2차 흡수 영역에 들어가는 산의 농도는 전형적으로는 약 98.0 내지 약 99.2%, 바람직하게는, 약 98.2% 내지 약 99.1%이지만, 무수 기체의 경우, 2차 흡수 영역에 들어가는 산의 농도는 약 98.3 내지 약 99.2%, 더 전형적으로는 약 98.4% 내지 약 99.0%이다.
1차 흡수 영역 및 2차 흡수 영역 모두에 들어가는 산 농도의 범위 및 여기를 나가는 산 농도의 범위가 하기 표 1에 기재되어 있다. 중간 작동 조건 하에서, 즉, 반응수의 분획이 스팀 주입에 의해서 예를 들어, 40% 내지 70%로 공급되는 경우, 1차 흡수 영역의 입구, 2차 흡수 영역의 출구, 및 2차 흡수 영역의 입구에서의 산 농도에 대한 바람직한 값은 일반적으로 약 100%의 스팀을 주입한 제한적인 경우와 스팀 주입을 하지 않은 무수 기체의 제한적인 경우에 대해서 표에 언급된 값들 사이에 포함될 것이다.
[표 1]
2차 산의 유동은 1차 산에 비해서는 매우 낮지만, 2차 산이 1차 흡수 영역에 들어가는 1차 산과 혼합되면, 2차 산은 그래도 어느 정도 희석될 수 있다. 이것은 결국 1차 영역에서 부식을 증가시키고 미스트 형성에 기여하는 경향이 있을 수 있는 1차 영역에서의 농도 기울기를 생성한다. 본 발명에 따르면, 2차 흡수 영역이 산의 비교적 높은 출구 산 농도로, 예를 들어 99.1 내지 99.2% 만큼 높은 범위에서 작동될 수 있어서, 2차 산이 1차 영역으로 유동할 때 임의의 희석 효과가 최소화된다는 것을 발견하였다. 대안적으로, 2차 영역을 나가는 2차 흡수 산을 1차 영역에 들어가는 1차 산과 함께 혼합하기 보다는 산 수집 탱크로 우회시킴으로써, 1차 흡수 산의 희석이 방지될 수 있다. 그러나, 이러한 대안은 2차 영역에서 잔류하는 SO3의 흡수 열의 회수, 및 기체 스트림으로부터의 2차 흡수 액체로의 현열의 전달을 희생시킨다. 비교적 소량이기는 하지만, 후자의 에너지의 공급원은 도 2의 공정에서 회수된다.
하기에서 추가로 상세히 논의될 바와 같이, 2차 영역에서의 L/G는 바람직하게는 2차 영역 전체에서 기체/액체 Δt를 최소화하도록 조정된다.
전환 기체에 스팀을 주입하는 것을 포함하는 본 발명의 공정의 실시양태에서, 에너지는 예를 들어 상기에 논의된 스팀 압력에서 비교적 높은 등급의 형태로 그리고 실질적으로 증가된 양으로 회수될 수 있다. 유용한 높은 값의 에너지 회수는 전환 기체 스트림에서 SO3 1 킬로그램 당 1160 KJ (SO3 1 lb. 당 500 Btu)을 초과하는 양이다. 필요한 희석수의 절반을 실질적으로 초과하는 양이 1차 흡수 영역에 들어가는 SO3 전환 기체 스트림에서 수증기 형태로 제공되는 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 유용한 높은 값의 에너지 회수는 전환 기체 스트림에서 SO3 1 킬로그램 당 1220 KJ (SO3 1 lb. 당 525 Btu)을 초과하는 양이다. 대응하는 SO3에 대한 대응하는 수증기의 몰 비가 1차 흡수 영역에 들어가는 전환 기체 스트림에서 0.80을 초과하는 실시양태에서, 유용한 높은 값의 에너지 회수는 SO3 1 킬로그램 당 1280 KJ (SO3 1 lb. 당 550 Btu)을 초과하며, 실질적으로 100%의 희석수가 기체 스트림에서 대응하는 수증기로 제공되는 경우, 높은 값의 에너지 회수는 SO3 1 킬로그램 당 1330 KJ (575 Btu/lb. SO3)을 초과할 수 있다.
열 회수 시스템 가열기로부터의 스팀 생성의 관점에서 표현된 바와 같이, 적어도 약 0.4 메가파스칼 (4 바아) 게이지, 바람직하게는 적어도 약 0.5 메가파스칼 (5 바아) 게이지의 압력을 갖는 스팀 형태의 에너지 회수는 생성물 황산 1 킬로그램 당 스팀 0.5 ㎏ (스팀 0.5 톤/톤)을 초과할 수 있다. 바람직하게는, 스팀은 생성물 황산 1 킬로그램당 적어도 약 0.55 ㎏ (0.55 톤/톤)의 비율로 이러한 압력에서 발생된다. 희석산의 95 내지 100%가 흡수기에 앞서서 스팀 주입의 형태로 전환 기체에 제공되는 경우, 에너지 회수는 생성물 산 1 킬로그램 당 대략 0.64 ㎏ (0.64 톤/톤)이다. 이러한 조건 하에서의 작동은, 열 회수 시스템 열교환기의 크기를 약간 증가시키는 것, 즉, 33%의 스팀 주입과 비교하여 열 교환 표면적을 최대 약 25% 증가시키는 것이 필요할 수 있다.
본 발명의 공정은 또한 예를 들어, 보다 더 승압에서 스팀을 발생시킴으로써 에너지 회수가 성취되는 온도를 증가시키도록 작동되고 제어될 수 있다. 보다 높은 산 온도에서의 작동을 위해서, 산 농도는 바람직하게는 탑의 기저부 및 열교환기에서의 부식 속도가 유의하게 증가되는 것을 막기 위해서 적합한 최대 수준에서 유지된다. 2차 흡수 영역에서 평형 단계의 수를 적절히 조정하고/하거나 2차 흡수 산의 유동을 약간 증가시켜, 1차 흡수 산 온도 및 농도가 모두 허용가능한 범위의 최대 값인 1차 흡수 영역에서 약간 증가된 SO3 슬리패지(slippage)를 보상할 수 있다. 2차 흡수 영역에서의 L/G의 과도한 증가는 이 영역에 들어가는 기체의 급 냉각을 유발할 수 있고, 그 결과 미스트 발생에 악영향을 미치지만; 특히 1차 영역이 바람직한 산 농도의 최대 값에서 작동될 경우에는 약간의 증가가 허용될 수 있는데, 이는 부분적으로는, 기체의 보다 높은 SO3 함량이 2차 흡수 영역의 보다 낮은 대역에서 증가된 열 발생을 유발하여 심지어는 보다 높은 L/G에서도 출구 산이 너무 차갑게 되는 것을 방지하기 때문이다. 그러나, 심지어는 약하게라도, 2차 영역 L/G를 증가시키는 것이 필요하도록 2차 영역에 대한 SO3의 임의의 유의한 누출을 방지하는 것이 바람직하다. 2차 영역에 대한 산의 농도는 SO3 누출에 반응하여 쉽게 제어되지 않기 때문에, 1차 영역을 나가는 기체의 SO3 함량에서 임의의 유의한 일탈(excursion)을 방지하기 위해서는 1차 영역에서 조건을 유지하는 것이 바람직하다. 다른 대안은 1차 흡수 영역의 기저부에서 우세한 산 농도보다 낮은 농도로 2차 흡수 산을 도입하는 것이다.
추가의 대안에 따라서, 산 농도는 SO3 슬리패지를 최소화하도록 1차 흡수 영역에서 약간 낮아질 수 있으며, 이는 비교적 높은 농도가 2차 흡수 영역에서 유지되도록 하며, 2차 흡수 영역을 나가는 산의 온도는 1차 영역에 들어가는 산의 온도에서 또는 이 온도 근처에서 유지된다. 하기에서 논의될 바와 같이, 이러한 농도 프로파일은 미국 특허 제5,538,707호의 도 3과 일치하며, 이것은 2차 흡수 영역에서 임의의 SO3 슬리패지가 접촉하는 산이 공비 상태 이상일 경우 미스트 형성이 최소화된다는 것을 나타낸다. 이러한 대안 하에서, 탑의 상부 부분에서의 낮은 부식 속도에 의해서 탑의 기저부에서의 높은 부식 속도가 상쇄될 수 있다. 이러한 실시양태에서, 탑의 기저부의 설계 및 구성에는 더 높은 부식 내성(corrosion tolerance)이 내재되어 있으며, 탑의 나머지 부분에는 더 낮은 부식 내성이 사용되어, 잠재적으로는 종래 기술의 형상과 대등한 총 장비 비용을 유지한다.
적절한 선택, 및 상기에 기재된 범위 내에서의 공정 가변성의 조합에 의해서, 에너지 회수 증가가 제공하는 경제적 이점을 실질적으로 손상시키는 흡수 탑 부식 또는 황산 미스트 발생의 문제를 상쇄하지 않으면서, 흡수 시스템으로부터의 에너지 회수가 유의하게 개선된다. 추가의 이점은 열 회수 탑 및/또는 1차 영역 위에 2차 흡수 영역을 또한 포함하는 탑의 1차 흡수 영역의 전체 높이를 감소시킴으로써 얻어질 수 있다. 바람직한 비교적 높은 L/G에서의 작동은 매스 전달을 개선하고, 평형 단계의 수 및/또는 탑의 열 회수 영역에서의 이론적인 전달 유닛의 높이를 감소시킨다. 이것은 탑에 들어가는 SO3 전환 기체의 유량에 대한 탑의 높이를 감소시킨다. 더욱이, 탑 직경은 산 유동보다는 기체 유동에 의해서 주로 영향을 받기 때문에, 증가된 L/G에 의해서는 직경이 증가될 필요가 없다. 이러한 인자는 신규 탑의 설비 투자 요건을 감소시키고, 열 회수 시스템을 갖지 않는 기존의 플랜트, 또는 스팀 주입을 하지 않고 작동되거나 또는 열 회수 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 SO3 함량의 단지 33% 이하로 증가시키기에 충분한 스팀 주입 속도에서 작동되는 시스템을 갖는 기존의 플랜트를 재조절하는 것을 용이하게 한다.
열 회수 흡수 영역에서 바람직한 온도 조건 하에서 작동하는 것은 증가된 양의 열 회수뿐만 아니라 고온에서 증가된 양의 회수를 제공한다. 열 회수 흡수 영역은 도 2의 공정의 1차 흡수 영역, 또는 2차 흡수 영역이 없는 흡수 시스템의 단일 흡수 영역을 포함한다. 고온에서의 작동이 열교환기 및 합금 열 회수 탑의 기저부에서 부식 속도를 증가시키는 경향이 있지만, 상기에서 논의된 바와 같이, 비교적 높은 산 농도에서의 작동은 흡수 산의 부식성을 제한하고, 과도한 부식 속도를 유발하지 않으면서 고온 작동을 허용한다.
바람직한 260℃ 내지 345℃ 범위에서, 열 회수 흡수 영역의 입구에서 SO3-포함 기체 스트림의 온도를 성취하기 위해서 컨버터를 나가는 기체는 수증기 주입 영역 (127)의 업스트림에서 약 160℃ 내지 약 250℃ 범위의 온도로 폐열 가열기, 스팀 과열기, 이코노마이저 등에서 냉각된다. 바람직하게는, 기체 스트림이 열 회수 흡수 영역에 들어가기 전에, 수증기 주입 영역에서 또는 수증기 주입 영역의 다운스트림에서 경로를 따라서 기체 스트림으로부터 응축이 일어나지 않는다. 더 바람직하게는, 전환 기체가 열 회수 흡수 영역에 들어가기 전에, 수증기 주입 영역에서 또는 수증기 주입 영역으로부터의 다운스트림에서 경로를 따라서 기체 스트림으로부터 상당한 열 제거가 일어나지 않는다. 본 기술 분야의 숙련인은 환경으로의 일부 열의 손실은 불가피하지만, 환경적인 열 손실 비율보다는 유의하게 더 큰 비율의 열 제거는 바람직하게 회피됨을 이해할 것이다.
바람직한 온도 조건 하에서의 작동은, SO2에서 SO3로의 반응 열이 열 회수 흡수 시스템의 업스트림에서 실질적으로 제거되도록 하지만, 모두 그런 것은 아니지만, SO3와 수증기의 반응의 수증기 상 열, 황산의 응축 열, 및 SO3와 물의 반응의 액체 상 열은 높은 비율로 열 회수 흡수 시스템에서 회수된다. 습식 기체 플랜트에서의 주변 연소 공기의 성분이 흡수 시스템에서의 에너지 회수로부터 실질적으로 감소되지 않기는 하지만, 흡수 시스템에서의 에너지 회수는, SO2 연소 기체보다는 SO3-포함 전환 기체에 도입될 경우 최대화된다. 미국 특허 제5,130,112호에 기재된 대안에 따라서, 수증기는 이코노마이저의 업스트림에서 SO3-포함 전환 기체에 도입되어, SO3와 물의 반응 열의 일부를 비교적 고압의 스팀 형태로 회수할 수 있다. 이코노마이저가 응축 이코노마이저인 경우, 황산의 응축 열의 일부가 동일한 방식으로 회수된다. 추가의 대안에 따라서, 스팀은 황 연소기와 폐열 가열기 사이에서 SO2-포함 기체 스트림에 주입될 수 있거나, 또는 컨버터 단계에 들어가는 SO2-포함 기체 스트림 또는 컨버터 단계를 나가는 SO3-포함 기체 스트림에 주입될 수 있다. 본 발명의 공정의 특정 실시양태는 이러한 증가된 흡수 열 회수에 대한 대안을 포함하지만, 단 수증기는 기체 스트림이 열 회수 흡수 영역에 들어가기 전에, 기체의 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 1 몰 당 적어도 약 0.40 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 열 회수 흡수기의 업스트림의 일부 지점에서 주입되며, 바람직하게는, 대응하는 수증기 함량은 열 회수 흡수 영역으로 들어갈 시에, 대응하는 전체 산화황 기체 1 몰 당 적어도 0.40으로 유지되어야 한다는 것을 이해할 것이다. 더 바람직하게는, 수증기는 기체 스트림이 열 회수 흡수 영역에 들어가기 전에, 기체의 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 1 몰 당 적어도 약 0.50, 적어도 약 0.55, 적어도 약 0.60, 적어도 약 0.70 몰, 가장 바람직하게는 적어도 약 0.80 몰, 적어도 약 0.90 몰, 또는 적어도 약 0.95 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 주입되며, 바람직하게는, 대응하는 수증기 함량은 열 회수 흡수 영역으로 들어갈 시에, 대응하는 전체 산화황 기체 1 몰 당 적어도 약 0.50 몰, 적어도 약 0.55, 적어도 약 0.60 몰, 적어도 약 0.70 몰, 적어도 약 0.80 몰, 또는 적어도 약 0.90 몰로 유지된다.
더 복잡한 고려사항이 산 미스트의 문제에 영향을 미친다. 도 4에는 물, SO3 및 황산의 증기압이 온도의 함수로서 플로팅되어 있다. 증기압의 로그 스케일을 절대 온도의 역수에 대해서 선형 스케일로 도시하여 선형 형상이 제공되었다. 이러한 곡선은 순수한 성분에 대한 것이며, 황산과 평형 상태, 특히 흡수 산에서 우세한 농도에서 SO3 또는 물의 증기압을 나타내지 않는다. 그러나, SO3의 높은 휘발성을 설명할 시에, 이 곡선은 높은 농도의 황산의 경우 공비 농도에 비교적 매우 근접하게 흡수 시스템을 작동시키는 것이 바람직함을 나타낸다.
산 농도가 기체 출구에서 공비 상태인 경우, 열 회수 흡수 영역에서 SO3의 최대 회수가 얻어진다. 본 발명에 이르러서, 바람직한 열 회수 영역 흡수 영역 산 농도 조건 하에서의 작동은 공비 상태로부터 약간 높게 이동하는 것을 발견하였다. 본 발명에 따라서 전개되는 데이터는, 1차 흡수 영역에서 우세한 온도에서는 공비 조성이 약 99 중량%이고, 바람직하게는, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같은 공정의 2차 흡수 영역에서 우세한 온도에서는 약 99.2 중량%임을 나타낸다. 공비 상태보다 약간 높은 조건에서의 작동은, 흡수되지 않은 SO3가 흡수 시스템을 통과할 수 있는 정도를 증가시키고, 잠재적으로는 다운스트림에서 심각한 산 미스트 문제를 발생시키고, 그 결과 소량의 SO2를 함유하는 무수 기체와만 접촉할 것이라는 것을 기초로 구성 재료가 선택된 다운스트림 장비에 부식을 일으키는 경향이 있을 수 있다. 그러나, 상기에 논의되고, 하기에 추가로 논의될 바와 같은 조건의 조합에 따라서 작동시킴으로써 산 미스트가 보통 수준으로 유지된다는 것을 추가로 발견하였다. 본 명세서에 추가로 설명되어 있는 바와 같이, 산 미스트의 추가적인 제어는, 열 회수 영역을 나가는 기체 스트림을 2차 흡수 또는 응축 영역에 통과시킴으로써 제공될 수 있다. 이러한 조치에 의해서, 흡수 탑을 나가는 미스트는, 통상적인 미스트 제거기 부재를 사용하여 잔류하는 미스트가 경제적으로 제거될 수 있는 정도로 감소된다.
허용될 수 없는 산 미스트의 발생은, 수증기의 주입을 통해서 희석수의 33%를 실질적으로 초과하는 양을 1차 흡수 영역의 업스트림에서 전환 기체 스트림에 공급함으로써 발생했을 것이라고 예측되었다. 증기 상에서 황산의 형성 및 수증기의 주입은 기체 스트림의 이슬점을 본질적으로 높이고, 이것이 산 미스트 형성을 악화시킨다고 예견된다. 예를 들어, 미국 특허 제5,118,490호의 도 2에 도시된 바와 같이, 미스트 형성은, 흡수기에 들어가는 기체의 이슬점이 이것과 접촉되는 산의 온도를 초과하는 정도로 증가되며, 또한 기체의 온도와 이의 이슬점 하강 간의 차이만큼 증가한다. 따라서, 미국 특허 제5,118,490호의 도 2에 따르면, 열 회수 흡수 영역의 업스트림에서 스팀 주입에 의해서 희석수가 공급되는 정도의 증가 및 수반되는 기체 이슬점의 증가는 미스트 형성을 악화시키는 명백한 잠재성을 갖는다. 산업적인 실시에서, 이러한 고려사항이 기체 스트림에 수증기로서 공급되는 희석수의 비율을 약 33%를 초과하게 증가시키는 것을 억제한다고 여겨진다.
그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 수증기의 주입은 전환 기체 스트림을 이의 포화점으로 이동시키기 않는다. 대신에, SO3와 물의 반응의 증기 상 열은 기체 상 온도를 증가시키며, 이것은 SO3의 황산으로의 전환을 막아서, 이슬점의 증가를, 주입에 의해서 전환 기체에 첨가되는 수증기의 비율의 함수로서 조절하는 경향이 있다. 따라서, 대기의 스팀이 단열 조건 하에서 무수 SO3와 혼합되는 경우, 기체가 대응하는 SO3에 대해 약 0.33의 몰 비로 대응하는 수증기를 함유할 때에는, 기체 온도와 기체 이슬점 간의 차이는 약 44℃로 증가되며, 기체가 SO3에 대해 약 0.50의 몰 비로 대응하는 수증기를 함유할 때에는, 그 차이는 약 53℃로 증가되며, 약 1.0의 몰 비에서는 궁극적으로 그 차이는 약 58℃에 이른다. 시스템에 들어가는 기체 내에서, 증기 상에서 SO3의 황산으로의 정량적인 전환을 성취하는 것 대신에, 기체 상에서 증가된 열 발생의 효과는 기체 상에서의 H2SO4/SO3의 평형 비율을 더 낮은 값으로 이동시키고, 증기 상에서 SO3의 H2SO4로의 전환을 열 회수 흡수 영역에 분배한다. 이것은 기체 상과 액체 상 간의 Δt를 감소시키고, SO3 흡수를 위한 유도력을 증가시켜서, SO3가 증기 상보다는 액체에서 황산으로 전환되는 정도를 증가시키는 경향이 있다. 이러한 인자는 산 미스트의 발생을 제한할 수 있다.
도 5는, 100% 스팀 주입이 미국 특허 제 5,118,490호의 도 2의 미스트 발생 상관 관계에서 x-축 인자의 분모를 이롭게 증가시키지만, 열 회수 흡수 영역을 나가는 흡수 산의 온도가 유의하게 증가되지 않으면, 분자 또한 증가되어야 한다는 것을 나타낸다. 이러한 효과를 최소화하기 위해서, 열 회수 흡수 영역은 바람직하게는 습기를 포함한 유입 SO3-포함 스트림이 열 회수 흡수 영역의 산 출구에서 흡수 산과 접촉할 때 급 냉각을 최소화하도록 높은 산 온도에서 작동된다. 그러나, 산 온도의 주된 증가는 열 회수 시스템 가열기 및 합금 열 회수 탑의 기저부에서의 부식을 상당히 악화시킬 수 있다. 결론적으로, 열 회수 탑을 나가는 산의 온도는 단지 33%의 스팀 주입 비율에서 종래 기술 작동을 위해서 설정된 일반적인 범위에서 바람직하게 유지된다.
우연히, 미국 특허 제5,118,490호의 도 2의 반경험적인 관계가 본 발명에 포함되는 높은 비율의 스팀 주입 작동에 완전히 적용될 수는 없거나; 또는 적용될 수 있는 경우, 도 5에 나타낸 데이터의 지식 및 이해가 없이는 스팀 주입 적용에 대한 적절한 지도를 제공할 수 없음을 발견하였다. 무수 전환 기체에 스팀을 주입하는 비례하는 비율을 33%에서 44%로 증가시켜, 즉, 대응하는 SO3 함량에 대한 대응하는 물 함량의 몰 비를 0.33에서 0.44로 증가시켜 플랜트 시험을 수행하였다. 이 시험의 결과가 하기 표 2에 기재되어 있다. 기체 온도와 기체 이슬점 간의 차이를 증가시키는 것의 바람직한 효과는, 큰 분획의 희석수가 증기로서 흡수기에 들어가는 기체 스트림 중에 제공되는 이러한 작동에서, 기체 이슬점을 상승시키는 악영향을 상쇄시킨다는 것을 발견하였다.
[표 2]
이러한 값은 단지 미스트에 대한 것이며, 증기 적재량을 반영하는 것은 아니다.
흡수 시스템으로부터의 최대 에너지 회수는, 스트림이 열 회수 흡수 영역에 들어가기 전에, SO3 전환 기체 스트림에 수증기를 주입함으로써 모든 희석수가 공급되는 실시양태에서 성취된다. 주지되는 바와 같이, 이것은 열 회수 영역에서의 임의의 산 농도 기울기를 본질적으로 제거한다. 특별하게는, 단지 하나의 흡수 영역이 존재하는 실시양태에서, 공비 상태 미만에서의 작동은 고온에서의 황산의 휘발성으로 인해서 미스트를 발생시킬 수 있고, 금속 합금 열 회수 탑의 부식을 유발할 수 있지만, 공비 상태를 초과하는 열 회수 흡수 영역의 작동은 SO3 슬리패지, 즉, 흡수되지 않은 SO3의 탑 통과를 유발할 수 있기 때문에 산 농도의 균형을 주의깊게 맞추는 것이 필요하다. SO3 슬리패지는 고갈 기체 스트림이 냉각될 때 다운스트림에서 미스트 발생을 유발할 수 있다.
공비 조성은 온도에 역비례하게 변한다는 것을 추가로 발견하였다. 따라서, 열 회수 영역 조건의 함수로서 열 회수 영역 및/또는 다운스트림에서 미스트 발생을 최소화하는 한 방식은, 향류 열 회수 흡수 영역의 기체 입구에서는 공비 상태를 초과하지만, 기체 출구에서 우세한 온화하게 낮은 산 온도에서는 공비 상태에서 또는 그 근처인 일정한 산 농도에서 작동하는 것이다. 이것은 SO3 흡수를 위한 유도력을 제한하지만, 이것은 황산의 응축 속도에 영향을 미치지는 않는다. 1차 흡수 영역 내의 산 상 조작선을 따르는 위치에서 산 농도 좌표가 상응하는 온도 좌표에서의 공비 농도를 약간 초과하는 경우, SO3 흡수 효율은 또한 허용가능하게 유지되지만; 단, 흡수 액체의 산 농도는 흡수 액체 농도와 공비 상태 간의 차이가 열 회수 영역 전체에서 약 1.0 중량% 이하이도록 제어되며, 출구 산 농도는 변곡점 이하, 예를 들어 99.5% 내지 99.6%에서 유지되어야 하며, 변곡점 이상에서는 흡수 효율이 일부 산업 작동에서 불규칙해지거나 또는 급속히 악화되는 것이 관찰된다. SO3 모니터링으로, 산업적인 산 플랜트는 99.6% 내지 99.7% 범위에서 신뢰할 수 있게 작동될 수 있다. 바람직하게는, 산 농도와 공비 농도 간의 차이는 열 회수 영역 전체에서 -0.2 중량% 이상 내지 +1.0 중량% 이하, 더 바람직하게는 0.0% 이상 내지 +1.0 중량% 이하이다. 이 차이는 하기와 같이 정의될 수 있다:
Δazi = [H2SO4]i - [H2SO4az]i
[상기 식에서,
Δazi = 영역 내의 지점 i에서의 차이이고;
[H2SO4]i = 지점 i에서의 실제 누적 평균 H2SO4 농도 좌표이고;
[H2SO4az]i = 지점 i의 누적 평균 온도 좌표에서의 공비 상태 농도이고;
지점 i = 1차 흡수 영역의 하부에서 산 출구를 통과하는 수평면으로부터 동일 거리인 영역 내의 위치의 임의의 지점이다.
따라서, 음의 차이는, 지점 i의 온도에서는 실제 농도가 공비 상태보다 낮다는 것을 의미하고, 양의 차이는 지점 i의 온도에서는 실제 흡수 산 농도가 공비 상태보다 높다는 것을 의미한다.
1차 흡수 영역의 작동을 위한 바람직한 조건이 도 22에 도식적으로 도시되어 있다. 도 22의 곡선 S1 및 S2는 향류 1차 흡수 영역 내에서 흡수 산 상에 대한 대안의 산 농도 조작선, 즉, 영역의 기체 입구/산 출구로부터의 거리의 함수로서, 1차 영역에서의 농도 대 위치의 플로팅이다. 곡선 S2는 곡선 S1보다 약간 더 높은 입구 산 농도를 기초로 한다. 곡선 T는 1차 영역 내에서의 산 상의 온도 프로파일이며, 곡선 Z는 이 영역 내에서 온도의 함수로서의 공비 농도의 플로팅이다. 따라서, 영역의 하부로부터의 임의의 소정의 거리에 그린 수평선은 곡선 S1 또는 S2 상의 위치의 농도 좌표 및 곡선 T 상의 위치의 온도 좌표뿐만 아니라 곡선 T 온도에서의 공비 조성과 만난다. 영역의 상부에서, 입구 산 온도에서 곡선 S1 상의 입구 산 농도와 공비 농도의 차이는 -0.1 중량%이고, 산 출구 온도에서 출구 산 농도와 곡선 S1 상의 공비 농도의 차이는 +0.5 중량%인 것을 인식할 것이다. 그에 비해, S2 상에서의 상응하는 차이는 각각 +0.2 중량% 및 +0.8 중량%이다. 곡선 S1은 입구 산 농도에 대한 바람직한 하한을 반영하며, 곡선 S2는 도시된 가상적인 경우에서 우세한 L/G에서 입구 산 농도에 대한 바람직한 최대값에 근접한다.
증기 상에서 SO3의 황산으로의 전환은 산 증기가 응축할 때 정반응으로 이동되며, 기체의 냉각은 정반응을 위해서 보다 바람직한 평형을 만든다. 수증기의 응축은 증기 상 반응을 지연시키는 경향이 있을 수 있지만, 훨씬 더 낮은 H2SO4의 증기압은 수증기의 응축보다 황산의 응축 및 SO3의 증기 상 전환을 선호한다. 더욱이, 열 회수 영역에서 산 농도를 공비 상태 이상으로 유지시키는 것은, SO3의 분획이 흡수 영역의 기체 출구에서 흡수되지 않은 채로 유지됨으로써 유발되는 미스트 형성 정도를 최소화시키는 추가의 이점을 제공한다. 미국 특허 제5,538,707호의 도 3에 도시된 바와 같이, 산 농도가 공비 상태 미만이고, SO3 슬리패지에 기인하는 SO3 압력의 증가와 함께, 출구 기체 스트림이 평형 SO3 및 수증기 분압을 조합한 조성을 가질 경우, 출구 기체의 이슬점은 평형 조성 단독에 비해서 증가된다. 이것은 증기 상에서의 과포화를 유발하며, 이것은 전형적으로는 미스트 형성으로 이어진다. 그러나, 슬리패지에 기인하는 대등한 SO3 증가가 존재하지만, 산 농도는 공비 상태 이상인 경우, 출구 기체의 이슬점은 SO3 슬리패지에 의해서 실제로 감소되고, 이 지점에서 과포화 조건이 방지된다. 출구 SO3 및/또는 H2SO4 증기 농도가 중요하면, 다른 측정치는 바람직하게는 다운스트림 구역에서 미스트가 발생하는 것을 방지하는 방식으로 SO3를 회수하기 위해서 열 회수 영역의 다운스트림에서 얻어진다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 하기에 추가로 상세히 기재될 바와 같이, 1차 영역을 나가는 기체 스트림은 잔류하는 SO3의 흡수를 위해서 2차 흡수 영역을 통과될 수 있다. 하기에서 추가로 논의될 바와 같이, 이러한 2차 영역의 작동 조건은 후반 흡수 영역 또는 추가의 다운스트림에서 미스트 형성을 최소화하도록 제어될 수 있다.
대안적으로, SO3 흡수를 위한 증가된 순수한 유도력은, 열 회수 흡수 영역에 앞서서 SO3-포함 기체 스트림에 대한 수증기의 주입을 통해서 모든 화학량론적 물 필요량보다 적은 양을 공급함으로써, 일정한 열 회수 영역 출구 산 농도에서 생성될 수 있다. 예를 들어, 스팀은 대응하는 SO3 함량에 대한 대응하는 수분 함량의 몰 비를 0.40 초과 내지 1.0 미만의 값으로 상승시키기에 충분한 비율로 SO3 전환 기체에 주입될 수 있다. 그러나, SO3 흡수를 위해 증가된 유도력을 제공하는 산 농도 프로파일이 설정되면, 향류 흡수 영역의 기체 출구에서 산 농도는 공비 상태보다 상당히 낮을 수 있고, 이것은 임의의 SO3 슬리패지가 발생되면, 특히, 열 회수 흡수 영역의 다운스트림에서 우세한 낮은 온도에서 비교적 높은 증기압 및 미스트 형성의 위험성을 유발한다. 다른 한편, 출구 기체 스트림과 접촉되는 산의 증기압을 최소화하기 위해서 향류 흡수 영역에 들어가는 산의 농도가 공비 상태에서 유지되면, SO3 전환 기체에 100%보다 상당히 적은 수증기를 주입하는 작동은 증가가 아니라, 기체 출구로부터 먼 흡수 영역의 구역 전체에서 SO3 흡수를 위한 유도력을 유의하게 감소시키는 효과를 갖는다. 더욱이, SO3 전환 기체에 도입되는 증기로서보다는 산 순환 루프를 통해 희석수가 제공되므로, 에너지 회수의 불이익이 발생한다.
열 회수 흡수 영역이 상기에 언급된 바와 같은 바람직한 L/G 범위에서 작동되는 경우, 매스 전달 계수가 개선되어, SO3 슬리패지의 제어에 기여하고, 이로 인해서 산 미스트의 제어에 추가로 기여한다. 더욱이, 높은 L/G는 외부 열교환기를 통한 낮은 산 측 온도(acid side temperature) 강하를 유발하고, 결국에는 열 전달 유체에 열을 전달하기 위한 유도력이 증가된다. 패킹의 적절한 선택에 의해서, 동일한 기체 비율 및 비교적 낮은 통상적인 L/G에서 작동하기 위해서 설계된 열 회수 탑의 성능과 비교할 때, 열 회수 탑의 직경을 과도하게 증가시키거나 또는 증가된 기체 압력 강하를 겪지 않고도 바람직한 비교적 높은 L/G 비율이 성취될 수 있다. 따라서, 상기에 기재된 바람직한 높은 L/G 비율에서의 작동에서, 흡수 산 액체의 매스 유량은 바람직하게는 적어도 약 18,440 ㎏/㎡-hr (3,770 lbs/ft2-hr), 더 바람직하게는 적어도 약 22,100 ㎏/㎡-hr (4500 lbs/ft2-hr), 전형적으로는 약 29,500 내지 약 73,800 ㎏/㎡-hr (약 6000 내지 약 15000 lbs/ft2-hr)이다. 열 회수 흡수 영역을 통과하는 기체의 매스 유량은 열 회수 흡수 영역을 통해서 약 1.77 ㎪ (18 ㎝ H2O (7.1 in. H2O))의 압력 강하에서 전형적으로는 약 320 내지 약 1,100 lbs/ft2-hr (1,500 내지 5,200 ㎏/㎡-hr) 범위이다.
신속하고 효율적인 매스 전달은 구조화된 패킹의 사용에 의해서 가능해 진다. 예를 들어, 기체 상과 액체 상 간의 기체/액체 접촉 및 매스 전달을 촉진하기 위한 수단은 코크 나이트 엘엘씨(Koch Knight LLC)에서 상표명 FLEXERAMIC® 88 KG 또는 FLEXERAMIC® 28 KG로 시판되는 구조화된 패킹을 포함할 수 있다. 대안의 탑 패킹은 코치-글리취(Koch-Glitsch)로부터 입수가능한 7.6 ㎝ (3 in) 인탈록스 새들(Intalox saddle), 및 또한 코크 나이트 엘엘씨로부터 입수가능한 플렉시새들(Flexisaddle) LPD 7.6 ㎝ (3 in) KG를 포함한다.
요약하면, 열 회수 흡수 영역에서의 미스트 발생은, 흡수 시스템의 업스트림에서 SO3 전환 기체에 높은 비율의 스팀을 주입함으로써 성취되는 높은 기체 온도, 열 회수 영역의 산 출구에서 일반적으로 높은 흡수 산 온도, 및 높은 농도의 흡수 산의 조합에 의해서 최소화된다. 도 7은 흡수 영역의 기체 입구에서 기체 스트림의 대응하는 SO3 함량에 대한 대응하는 수증기 함량의 몰 비를 대략 0.95 내지 1.0으로 증가시키기에 충분한 속도로 수증기 주입 영역 (123)에 수증기를 주입하는 것을 비롯한, 바람직한 작동 조건 하의 향류 열 회수 흡수 영역 내의 온도 프로파일을 도시한다. 영역의 기저부에서, 산은 상당히 고온이지만, 기체 상과 액체 상 간의 상당한 Δt가 여전히 존재한다. 기체는 이의 이슬점 위에서 상당히 신속하게 냉각되지만, 그러나 이것이 이슬점에 근접하고 그 미만에서 통과할 때, 감소된 Δt 및 잠열 방출 효과는 기체가 보다 천천히 냉각되게 하여, 기체 상 중에서의 과포화 및 미스트의 발생이 최소화된다. 과포화가 방지될 경우, 황산은 기체 스트림 중에서 단기 응축 및 미스트 형성보다는 액체 상에 정연히 전달된다. 사실, 도 12에 추가로 도시된 바와 같이, 열 회수 영역의 기저부에서는 본질적으로 미스트가 형성되지 않는다. 기체가 이의 이슬점에 도달할 때 보통 수준의 미스트가 발생되고, H2SO4의 벌크 응축이 발생될 경우 흡수 영역의 기체 출구/산 입구 근처에서 미스트의 다른 증가가 발생된다.
도 12에 추가로 도시된 바와 같이, 액체 상 온도는 산 배출구에서 최대이지만, 흡수 영역 하부에서 산 출구 위에서는, 기체 온도는 액체 온도에 급속히 도달하고, 이 둘은 산 출구로부터 산 입구로의 길의 약 1/3의 동일한 수준에서 라인 아웃된다.
본 발명의 향류 열 회수 컬럼에 대한 기체 상 조작선은 도 7을 참고로 이해될 수 있다. 이 그래프에서의 프로파일은, 열 회수 영역 내에서 유체 유동 경로의 위치보다는 온도의 함수로서, 대응하는 SO3 기준에 대한 기체 조성을 실제로 플로팅한다. 그러나, 기체 온도 및 흡수 영역 내의 위치의 상관관계로 인해서, 이들은 도 7의 오른쪽에서 "컬럼 단계 1" 하에서 대응하는 SO3 기준에 대한 열 회수 흡수 영역 조작선의 설명을 제공한다. 도시된 경우에서, 전환 기체 유동 방향에 대해서 열 회수 흡수 영역의 업스트림에서 SO3 전환 기체 스트림에 수증기를 주입함으로써 희석수의 100%가 제공된다. 기체 스트림이 흡수 영역에 들어가기 전에는, 바람직하게는, 황산의 응축, 및 임의의 상당한 현열의 제거가 방지된다. 따라서, 기체 스트림은 315℃의 온도에서 열 회수 흡수 영역에 들어간다. 기체가 들어갈 때 기체의 조성은 그래프의 오른쪽 끝부분에 나타나 있고, 즉, 대응하는 SO3를 기준으로, 기체는 약 69 몰%의 SO3 및 약 31 몰%의 H2SO4를 포함하며, SO3에 대한 H2SO4의 몰 비는 약 0.45이다. 이것은 전환 기체가 열 회수 흡수 영역에 들어가기 전에, 희석수의 95 내지 100%가 첨가되는 경우이기 때문에, 본 발명에 포함되는 작동의 범위는 일반적으로 SO3에 대한 황산 증기의 몰 비가 적어도 약 0.25, 바람직하게는 적어도 약 0.30, 더 바람직하게는, 적어도 약 0.35인 기체 스트림을 도입하는 것을 포함한다. 기체 스트림이 흡수 액체에 대해 향류적으로 흡수 영역을 통해 이동하기 때문에, 도 7은 기체의 SO3 함량이 계속해서 감소하는 것을 나타낸다. 기체 입구 및 산 출구 근처의 흡수 영역의 구역에서, 황산 증기 함량은, 기체가 이의 이슬점에 도달하는 지점까지는, 기체 온도가 하강하는 동안 기체가 흡수 영역을 통과함에 따라 계속해서 증가한다. 기체가 이의 이슬점 이하의 온도로 냉각되면, 황산이 액체 상으로 응축됨으로써 증기 상에서의 황산의 지속적인 형성이 상쇄된다. 따라서, 황산 함량은 기체 온도가 약 260℃일 때 SO3 기준 상에서 약 63 몰%의 피크부터 감소되기 시작한다. 도 7의 플로팅은 약간 뾰족한 감소를 나타내지만, 도 12와의 비교는, 증기 상 황산 함량이 63 몰%에서 약 15 몰%로 감소하는 것은 기체가 열 회수 흡수 영역의 바닥 1/3 보다 개략적으로 위로 이동할 때 발생된다는 것을 설명하며, 이것은 도 7의 경우에서는, 약 1.5 미터 (5 ft.)의 거리, 또는 0.75 sec-1의 공간 속도이다. 일반적으로, 컨버터에서 발생된 SO3의 적어도 40%, 바람직하게는 적어도 50%가 기체 상으로부터 황산으로서 응축되고, 기체 상으로부터 황산의 응축이 발생되는 열 회수 영역의 구역에서 공간 속도는 적어도 약 0.3 sec-1, 바람직하게는 약 0.3 내지 약 1 sec-1인 것이 바람직하다.
도 7에 도시된 최고 황산 증기 함량에서, 남아있는 SO3 함량은 대응하는 SO3를 기준으로 약 33 몰%이어서, SO3 함량에 대한 황산 함량의 몰 비는 약 1.9이다. 다시 한번, 이것은 전환 기체가 열 회수 흡수 영역에 들어가기 전에, 희석수의 95 내지 100%가 첨가되는 경우이다. 본 발명에 포함되는 작동 범위에서, 산화황-포함 기체 스트림에 도입되는 수증기의 비율, 황산 농도, 흡수 영역에 도입되는 흡수 액체의 온도, 및 흡수 영역에서의 L/G 비율은, 이의 기체 입구 및 기체 출구의 중간의 흡수 영역 내의 위치에서 SO3에 대한 황산 증기의 몰 비가 적어도 약 1.2, 바람직하게는 적어도 약 1.5의 최대값에 도달하도록 제어된다.
도 7에 도시된 작동에서, 기체 상은 열 회수 흡수 영역의 기체 출구/산 입구에서 약 10 몰%의 H2SO4 및 약 4 몰%의 SO3를 함유하며, 흡수 영역에 도입되는 대응하는 SO3의 기준으로 표현될 때는 즉, 몰 비는 약 2.5이다. 동일한 기준에서, 흡수 영역을 나가는 기체 스트림의 SO3 함량과 전체 H2SO4 증기의 합은 흡수 영역을 나가는 기체 스트림의 대응하는 SO3 함량의 약 14 몰%이다. 바람직하게는, 기체 출구에서 기체의 SO3 함량과 전체 H2SO4 증기의 합은, 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림의 대응하는 SO3 함량의 약 25% 이하, 더 바람직하게는 약 20% 이하이고, 기체 출구에서 기체 스트림의 SO3 함량은 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림의 SO3 함량의 약 8% 이하이고, 출구 증기 스트림에서 SO3에 대한 H2SO4의 몰 비는 1.6 이하이다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 산 미스트의 제어는, 기체 스트림 중에 잔류하는 SO3를 회수하기 위해서 열 회수 흡수 영역을 나가는 기체를 2차 흡수 영역에 통과시킴으로서 가능해진다. 2차 흡수 영역을 통과한 2차 흡수 산은 또한 기체 스트림을 냉각하고, 증기 상으로부터 2차 산으로 추가의 황산을 응축하는 작용을 한다. 본 명세서에 기재된 방식의 2차 흡수 영역의 작동은, 열 회수의 정도가 수증기의 주입에 의해서 증가되는 흡수 열 회수 시스템의 작동에서뿐만 아니라, 추가의 수증기가 전환 기체, 연소 기체 또는 연소 공기에 주입되지 않는 통상적인 무수 기체 또는 습식 기체 황산 플랜트에서 일반적으로 미스트 발생의 제어에 효과적이라는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에 기재된 2차 흡수 영역의 작동의 신규한 원칙은, 열 회수가 수증기의 주입에 의해서 증가되는지에 관계없이 실질적으로 동일하다.
도 17은 전환 기체가 기체 입구 (123)에서 2개 영역 열 회수 탑 (101)에 들어가기 전에 수증기가 전환 기체에 주입되지 않는 것을 제외하고는, 도 1의 것과 유사한 공정을 도시한다. 무수이거나 연소 공기로부터 유래된 대기 수분을 함유하는 전환 기체는 패킹 및 기체/액체 접촉 및 매스 전달을 촉진시키기 위한 다른 수단을 포함하는 1차 흡수 영역 (103)을 상향으로 통과한다. SO3가 1차 흡수 영역에서 기체 상으로부터 액체 상으로 전달되고, 황산이 풍부해진 액체는 산 출구 (109)에서 열 회수 탑을 나가고, 순환 펌프 (111)에 의해서 가열기 (105)를 통해 순환된다. 가열기의 다운스트림에서 순수한 황산 생성물을 제거한 후, 산 스트림은 컨버터 기체로부터의 SO3와 반응시키기 위해서 물을 첨가하여 희석되고 (도시되지 않은 희석기), 이어서 산 입구 (113)에서 1차 흡수 영역의 상부로 되돌아간다.
1차 흡수 영역 (103)의 상부를 나가는 기체는, 또한 패킹 또는 기체/액체 접촉 및 매스 전달을 위해서 다른 수단을 포함하는 2차 흡수 영역 (115)의 하부에 들어간다. 기체는 산 입구 (117)에서 탑에 들어가는 2차 흡수 산에 대해 향류적으로 2차 영역 (115)을 상향으로 유동한다. 이어서, 기체 스트림은 미스트 제거기 (119)를 통과하여 탑을 나가고, 그 후 컨버터로 되돌아가거나 또는 공정을 떠난다. 2차 흡수 영역에 들어오거나 이곳을 나가는 산의 바람직한 농도는 상기에 논의되어 있으며, 본질적으로는 스팀 주입 및 무수 실시양태 모두에 대해서 동일하다. 1차 흡수 영역의 기체 입구/산 출구에서 산의 농도는 또한 바람직하게는 스팀 주입 작동에 대해서 기재된 바와 같지만, HRS 가열기로부터 1차 흡수 영역으로 산 스트림이 복귀하기 전에 희석수가 도입되는 것이 필요하기 때문에, 1차 흡수 영역에 대한 입구 산 농도는 비교적 낮다. 이것은 1차 영역의 상부에서 산 농도를 공비 상태 미만으로 이동시킬 수 있고, 이로 인해서 1차 흡수 영역의 상부 단부에서 미스트 형성을 증가시키지만, 상기에 기재된 조건 하에서 2차 흡수 영역을 작동시킴으로써 미스트의 제어가 여전히 성취된다.
도 18은 전환 기체 스트림이 무수이거나 또는 대기 수분만을 함유하는 다른 공정에 대한 흐름도이다. 이 공정은, 생성물 산 제거 지점의 다운스트림에서 산 스트림이 산 입구 (113)에서 1차 흡수 영역에 들어가는 1차 흡수 산 스트림, 및 예를 들어, 산 입구 (117)를 통해서 2차 흡수 영역의 상부에 복귀하기 전에, 가열기 공급수를 가열하여 2차 흡수 산의 온도를 목적하는 약 40℃ 내지 110℃, 바람직하게는 약 65℃ 내지 95℃, 더 바람직하게는, 약 75℃ 내지 90℃ 범위로 낮춤으로써 추가적인 흡수 열이 제거되는 보조 열교환기 (131)를 통과하는 2차 흡수 산으로 분할되는 것을 제외하고는, 도 17의 것과 동일하다. 도면에 나타낸 바와 같이, 생성물 산은 보조 열교환기 (131)의 업스트림 또는 다운스트림에서 2차 산 스트림으로부터 제거될 수 있다. 스팀을 주입하지 않는 것을 제외하고는, 도 18의 공정은 도 3 (하기에서 상세히 논의됨)의 것과 대등하다.
종래 기술 문헌은 2차 흡수 영역에서 산의 농도와 관련하여 이들의 교시가 다르다. 미국 특허 제4,996,038호에는 산이 99.5%의 농도에서 2차 흡수 영역에 들어가고, 99.8%의 농도에서 이곳을 나가는 예시적인 작동이 기재되어 있다. 비교하면, 응축 단계로서 2차 단계를 언급한 미국 특허 제5,118,490호에는 응축 단계를 나가는 산 스트림이 98.5 내지 99.0%의 농도를 가진다고 언급되어 있다. 미국 특허 제5,130,112호에는 산 스트림은 약 98.5%에서 응축 단계를 나간다고 보고되어 있지만, 미국 특허 제5,538,707호에서는 산이 98.8%의 농도에서 2차 흡수 영역을 나간다고 언급되어 있다. 본 발명의 공정에서, 이러한 조건 중 임의의 것이 선택될 수 있다.
그러나, 본 발명에 따르면, 미스트 제어의 목적을 위해서는 2차 영역의 기체 입구/산 출구에서는 비교적 높은 산 농도, 예를 들어, 공비 상태이거나 심지어는 이것보다 약간 높은 조건에서, 그러나 1차 흡수 영역으로부터 들어온 기체 스트림으로부터 잔류하는 SO3를 실질적으로 완전히 회수하는 것을 보장하기에 충분하게 2차 영역의 기체 출구/산 입구에서는 약간 낮은 농도에서 작동시키는 것이 바람직함을 발견하였다. 따라서, 1차 흡수 영역에 들어가는 1차 산의 농도가 99.2% 내지 99.4%, 또는 98.5 내지 99.0%, 바람직하게는 98.5 내지 98.7% 범위일 경우, 1차 흡수 영역에 들어가는 1차 산이 99.4% 내지 99.6% 범위일 경우, 2차 영역의 기체 출구에서 산 농도는 일반적으로 약 98.7% 내지 약 99.2%, 예를 들어, 98.8% 내지 99.0%이다. 후자의 경우, 1차 영역에서 흡수되지 않은 채로 유지되어 기체 스트림 중에서 2차 영역에 통과하는 비교적 더 많은 분획의 잔류하는 SO3의 흡수를 위해서 충분한 유도력을 보장하기 위해서는 2차 흡수 영역의 산 입구/기체 출구에서 비교적 낮은 산 농도가 필요하다. L/G가 2차 흡수 영역 전체에서 산과 기체 간의 Δt를 최소화시키는 범위로 유지되고, 특히, 들어가는 기체와 접촉하는 2차 흡수 영역을 나가는 산의 온도가 1차 흡수 영역의 기체 출구에서 산보다 유의하게 낮지 않은 것이 추가로 바람직하다.
2차 영역의 기체 입구에서의 비교적 높은 산 농도는, 1차 영역을 나가는 기체가 먼저 만나는 2차 산이 공비 상태 이상인 것을 보장하여서, 2차 영역에 평형 증기와, 1차 흡수 영역으로부터의 임의의 SO3 슬리패지의 혼합은 과포화 및 미스트 형성을 유발하지 않고, 오히려 이슬점을 하강시키고, 잔류하는 SO3의 흡수 제어를 용이하게 한다. 2차 영역의 기체 출구에서 약간 낮은 산 농도는 잔류하는 SO3의 효율적인 흡수를 보장하여, 흡수기의 다운스트림에서 SO3와 H2O의 반응에 의한 미스트 형성을 위한 잠재력을 최소화시킨다.
미국 특허 제5,538,707호의 도 3을 참고로, 1차 흡수 영역 및 2차 흡수 영역의 기체 입구/산 출구에서, 공비 상태 이상의 산 스트림을 사용하는 작동은 SO3가 1차 영역을 나가는 기체 스트림에서 흡수되지 않은 채로 유지됨으로써 기체의 이슬점이 증가되는 것을 방지한다. 이것은 가장 많은 비율의 산 미스트는 대개는 2차 영역에서 발생되기 때문에 중요할 수 있다. 1차 흡수 영역을 나가는 기체가 190℃ 내지 210℃의 온도 및 공비 상태 미만의 농도를 갖는 2차 흡수 산과 2차 흡수 영역의 하부 대역에서 접촉하면, 기체의 SO3 함량이 산 상으로부터의 수증기와 반응하기 때문에, 이슬점은 기체 온도를 초과하여 급격히 증가하여, 비교적 낮은 산 농도 및 높은 부식성의 황산 미스트를 상당한 부피로 형성한다.
그러나, 2차 영역의 기체 출구/산 입구에서, 약간 낮은 산 농도가 허용가능하고 바람직하다. 사실, 대부분의 경우, 2차 영역에 들어가는 산 농도는 잔류하는 SO3의 흡수를 위한 유도력을 제공하기 위해서 공비 상태보다 약간 낮다. 2차 흡수 영역에 들어가는 산에서 공비 상태 미만의 농도는, 입구 산의 온도가 비교적 낮기 때문에, 미국 특허 제5,538,707호의 도 3에서 반영된 피해를 생성하지 하지 않는다. 2차 영역을 나가는 기체는 들어오는 산과 포화 평형 상태이지만, 온도가 낮기 때문에, 관련된 미스트 적재량은 적다. 주지되는 바와 같이, 2차 영역에 대한 입구 산은 바람직하게는 약 65℃ 내지 95℃ 범위, 더 바람직하게는 약 75℃ 내지 90℃ 범위에서 유지되며, 여기에서, 산의 H2SO4 증기압은 상대적으로 무시해도 될 정도이다. 출구 기체에 남아있거나 또는 출구 기체에서 형성되는 모든 미스트 분획은 통상적인 미스트 제거기에 의해서 쉽게 제거될 수 있다.
2차 흡수 영역에서 SO3의 최대 흡수를 성취하는 것의 중요성은 도 19 내지 21을 참고로 인식될 수 있다. 도 19는 향류 흡수 공정에서, 1차 흡수 영역의 기체 입구로부터 기체 배출구까지의 기체 스트림 중에서 SO3, H2SO4 증기 및 H2O 증기의 성분 유동을 도시하며, 여기서, 1차 흡수 영역의 업스트림에서 전환 기체에 스팀을 주입함으로써 희석수 (반응수)의 실질적으로 100%가 공급되며, 1차 흡수 산은 99.5%의 농도에서 유지된다. 황산 증기는 액체 산 상으로 실질적으로 전달되고, SO3는 실질적으로 흡수되거나 수증기와 반응하여 액체 산 상에 전달되는 황산 증기를 생성하고, H2O는 실질적으로 흡수되거나 SO3와 반응하여 액체 산 상에 전달되는 황산을 생성한다는 것이 인식된다. 그러나, SO3 및 황산의 물질 농도는 온도가 200℃ 범위이고, 1차 흡수 산 농도가 99.5%인 1차 흡수 영역의 기체 출구에서 증기 스트림 중에 남아있다. 약 2.25 ㎏-몰/hr의 SO3 (300 lb-몰/hr의 SO3), 약 0.68 ㎏-몰/hr (90 lb-몰/hr)의 황산 증기, 및 약 0.05 ㎏-몰/hr (7 lb-몰/hr)의 수증기가 1차 흡수 영역으로부터 2차 흡수 영역을 통과하는 기체 스트림 중에 남아있다.
도 20은 도 19에 도시된 바와 같은 1차 흡수 영역을 나간 조성 및 약 200℃의 온도를 갖는 기체 스트림이, 2차 산이 98.5%의 농도에서 상부로 도입되는 향류 2차 흡수 영역에 들어가는 공정의 실시양태를 도시한다. 약 95℃의 온도에서 2차 영역을 나가는 기체 스트림에서, SO3 유량은 약 0.02 g-몰/hr (0.003 lb-몰/hr)로 감소되고, 황산 증기 유량은 약 0.45 g-몰/hr (0.06 lb-몰/hr)로 감소되고, 수증기 적재량은 약 1.2 g-몰/hr (0.16 lb-몰/hr)로 감소된다. 기체 출구에서 산의 농도, 즉, 98.5%는 95℃의 출구 온도에서 공비 상태보다 낮지만, SO3, H2SO4 및 H2O 증기 적재량이 너무 적어서 시스템 상에서 유의한 다운스트림 미스트 적재량을 보유할 수 없다. 더욱이, 2차 영역의 기체 입구에서 우세한 고온에서, 산 농도는 바람직하게는 공비 상태보다 높다.
그에 비해, 도 21은 1차 영역에 들어가는 1차 산 스트림의 농도가 99.5%이고, 2차 영역에 들어가는 2차 산의 농도가 99.2인 실질적으로 100%의 스팀 주입에서의 작동을 도시한다. SO3의 잔류 성분 유동은 0.23 g-몰/hr (0.03 lb-몰/hr)이거나 또는 2차 산이 98.5%에서 2차 영역에 들어가는 경우에 성취되는 수준의 10x이고, 황산 증기의 잔류 성분 유동은 6 g-몰/hr (0.8 lb-몰/hr)이거나 또는 98.5%에서의 속도의 12 내지 14x이다. 수증기의 잔류 성분 유동은 0.075 g-몰/hr (0.01 lb-몰/hr)이거나 또는 98.5%에서의 속도보다 약간 낮지만, 너무 높은 SO3 및 H2SO4 증기 유동은 흡수기의 다운스트림에서 상당히 많은 미스트 형성을 보장한다.
도 12 내지 16에 반영되어 있는 바와 같이, 다운스트림 공정 부재 상에 적재된 미스트는 기체 스트림에 실제로 존재하는 액체 상 미스트와, 기체 중의 잔류하는 SO3 및 수증기로부터 형성되는 H2SO4를 비롯하여, 기체가 냉각될 때 응축되는 H2SO4 증기의 합이다. 이것은 도 20 및 21에 반영되어 있다. 미스트 제거기에 의해서 완전히 제거될 수는 없는 실제 액체 상 미스트 적재량의 임의의 분획과, 기체 중에서 수증기와 반응하여 추가의 H2SO4를 생성하는, 미스트 제거기를 통해 유동하는 기체의 SO3 함량의 합은 흡수기의 다운스트림에서 공정 사이드 장비 및 도관 표면의 낮은 온도에서 비교적 낮은 온도의 기체 스트림으로부터 응축될 수 있고, 여기서, 흡수기는 2차 흡수 영역을 나가는 기체의 전형적인 온도인 95℃보다 유의하게 낮은 수준으로 온도를 내릴 수 있다.
미스트 제어의 목적을 위해서, 2차 흡수 영역의 입구 및 배출구에서, 더 바람직하게는 실질적으로 영역 전체에서 기체 상과 액체 상 간의 Δt를 최소화시키는 것이 매우 바람직하다. 큰 Δt는 SO3 및 황산 증기의 액체 상으로의 매스 전달에 비해 너무 신속한, 기체 상으로부터 액체 상으로의 열 전달을 유발하고, 이로 인해서 SO3 및 황산 증기의 액체 상으로의 매스 전달보다 우선적으로 미스트 형성이 유발된다. 기체 입구 근처의 2차 영역의 구역에서, 이것은 기체 스트림을 급 냉각시켜서, 기체 상에서 미세한 황산 소적의 다량의 침전을 유발한다. 도 13 내지 16에 도시되고, 하기에 논의될 바와 같이, 2차 영역의 기체 출구 근처에서의 과도한 Δt는 전형적으로는 불충분한 산 유동 및 잔류하는 SO3 (이어서, 이것은 2차 영역의 다운스트림에서 기체 중에서 수증기와 합쳐져서, 기체가 추가로 냉각될 때 미스트를 형성함)의 부적절한 흡수와 관련된다. 바람직하게는, Δt는 산 입구, 산 배출구 및 더 바람직하게는 영역 전체에서 약 35℃ 이하이다. 더욱 더 바람직하게는, 산 입구 Δt, 산 배출구 Δt, 영역 전체에서의 Δt는 약 30℃ 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 25℃ 이하, 또는 약 20℃ 이하이다. 최적의 조건 하에서, 입구 및 배출구 Δt는 약 15℃이하이거나 심지어는 약 10℃ 이하이다. 따라서, 2차 영역에서의 L/G는 기체 스트림이, 바람직하게는 2차 영역을 나가는 산의 온도에 비교적 인접한, 1차 흡수 영역을 나가는 온도로부터 제2 단계에 공급되는 산의 온도에 인접한 온도로 냉각되도록 에너지 균형을 제어하기 위해서 설정된다.
산 및 기체 모두에 대해서 바람직한 2차 영역 입구 및 배출구 온도를 규정함으로써, 하기 관계식에 따라서 제2 단계에 대한 에너지 균형에 의해서 L/G가 효과적으로 결정된다:
G Cp기체 (T기체 입구 - T기체 배출구) + H반응 SO3 + H응축 H2SO4 = L Cp액체 (T액체 입구 - T액체 출구)
상기 식에서, G 및 L은 액체 및 기체 유동이고, Cp기체 및 Cp액체는 기체 및 액체의 열 용량이다. 또한 삼산화황의 반응 열 및 황산의 응축 열 (대부분의 삼산화황 및 황산은 제1 단계에서 응축되기 때문에 이러한 용어는 중요하지 않음)을 갖는다.
산 농도는 일반적으로 제2 단계의 상부 부분에서 공비 상태보다 낮지만, 황산 휘발성은 2차 영역의 상부 부분에서 우세한 낮은 온도에서 훨씬 낮아서, SO3는 기체 상에서 우세하여, 미스트에서 비교적 농축된 산을 생성한다.
2차 흡수 영역을 위한 온도 프로파일을 상기에 기재된 범위에서 유지하기 위해서, 2차 흡수 영역은 비교적 낮은 매스 L/G 비율, 예를 들어, 전체 기체를 기준으로 약 0.3 내지 약 2.0에서 작동된다. 2차 흡수 영역의 온도 프로파일은 L/G 비율에 매우 민감하다는 것이 밝혀졌다. 도 13은 높은 액체 유량, 즉, 약 2.2의 L/G 비율에서 향류적으로 작동되는 2차 흡수 영역의 전형적인 온도 프로파일을 도시한다. 도시된 바와 같이, 이러한 작동은 2차 흡수 영역의 기체 입구에서 기체 상과 액체 상 간에 매우 큰 Δt를 유발한다. 프로파일에 추가로 도시된 바와 같이, 그 결과에 따른 기체 스트림의 급 냉각은 다량의 미스트 형성을 유발한다. 따라서, 이러한 조건 하에서의 2차 흡수 영역의 효과는 산 미스트를 제어하는 것이 아니라 오히려 그것을 생성한다.
그러나, 매우 낮은 2차 흡수 산 액체 유동이 또한 미스트를 생성할 수 있다. 약 0.5의 낮은 L/G에서의 작동은 도 14에서 플로팅된 온도 프로파일로 도시된다. 이 경우, 액체 유량은 기체 스트림을 적절하게 냉각하고/하거나 잔류하는 SO3를 흡수하기에 불충분하여, 향류 2차 영역의 기체 입구로부터 기체 배출구로 이동하면서 기체/액체 Δt가 계속적으로 증가되고, 유체 온도가 영역을 통과하는 기체의 체류에 벗어나기 때문에 결과적으로 계속적으로 산 미스트가 형성된다.
도 15는 약 0.8의 L/G를 제공하는 중간의 또는 균형을 이룬 액체 유동을 사용하는 본 발명의 바람직한 실시양태를 도시한다. 이 경우, 기체 상과 액체 상 간의 Δt는 약 10 내지 12℃보다 결코 크지 않다.기체가 냉각될 때 일부 미스트가 불가피하게 형성되지만, 미스트의 분획은 통상적인 미스트 제거 부재를 사용하여 처리될 수 있는 범위이다. 미스트의 추가의 제거는 상기 본 명세서에서 논의된 유형의 구조화된 패킹을 사용하여 실현될 수 있다. 이러한 작동은, Δt가 2차 흡수 영역 전체에서 약 8℃ 내지 10℃ 이하이고, 미스트 발생이 도 15의 경우에서보다 약 20% 낮은 도 16에 도시되어 있다.
일반적으로, 2차 흡수 영역은 전체 기체 유동을 기준으로 약 0.3 내지 약 2, 더 바람직하게는 약 0.4 내지 약 1.5, 가장 바람직하게는 약 0.4 내지 약 1.0의 L/G로 작동되는 것이 바람직하며, 최적의 비율은 일반적으로 2차 영역에 도입되는 산의 농도로 인해서 증가된다. 이러한 바람직한 비율은 수증기가 1차 흡수 영역에 들어가는 전환 기체에 주입되는 지에 관계없이 또는 전환 기체가 무수이거나 또는 대기 수분만을 함유하는 지에 관계없이 적용된다. 2차 흡수 액체의 매스 유량은 전형적으로는 적어도 약 1850 ㎏/㎡-hr (380 lbs/ft2-hr), 바람직하게는 약 2,000 내지 약 5,500 ㎏/㎡-hr (약 415 내지 약 1,130 lbs/ft2-hr)이지만, 기체 상의 매스 유량은 적어도 약 1,040 ㎏/㎡-hr (200 lbs/ft2-hr), 바람직하게는 약 2,000 내지 약 5,000 ㎏/㎡-hr (약 400 내지 약 1,100 lbs/ft2-hr)이다. 미스트 형성을 최소화하기 위해서, 2차 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림과 2차 흡수 영역에 들어가는 2차 흡수 액체 스트림의 상대적인 유량은, 기체 상의 국부 벌크 온도와, 기체가 접촉하는 2차 흡수 액체 상의 국부 벌크 온도 간의 차이가 2차 흡수 영역의 액체 입구 또는 액체 출구에서 약 35℃ 이하이도록 하는 정도인 것이 바람직하다. 예를 들어, 기체 상의 국부 벌크 온도와, 기체가 접촉하는 2차 흡수 액체 상의 국부 벌크 온도 간의 차이는 2차 흡수 영역의 액체 입구 또는 액체 출구 모두에서 약 15℃ 내지 약 35℃이다. 기체/액체 Δt가 2차 영역의 기체 입구/액체 출구에서 약 30℃ 이하, 더 바람직하게는 약 25℃ 이하, 더 바람직하게는 약 20℃ 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 15℃ 이하, 최적으로는 약 10℃ 이하인 것이 특히 바람직하다. 이러한 상대적인 유량은, 기체 상의 국부 벌크 온도와, 기체가 접촉하는 2차 흡수 액체 상의 국부 벌크 온도 간의 최대 차이가 액체 입구에서 영역까지의 일정한 거리로 규정된 영역 내의 기체/액체 접촉의 임의의 지점 내에서 약 35℃ 이하, 더 바람직하게는 약 30℃ 이하, 더 바람직하게는 약 25℃ 이하, 더 바람직하게는 약 20℃ 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 15℃ 이하, 최적으로는 약 10℃ 이하이도록 하는 정도인 것이 또한 바람직하다. 다른 방식으로 언급된 바와 같이, 기체 상의 온도와, 기체가 접촉하는 2차 흡수 액체 상의 온도 간의 국부 누적 평균 차이는 2차 흡수 영역 내의 어디에서든 약 35℃ 이하, 바람직하게는 약 30℃ 이하, 더 바람직하게는 약 25℃ 이하, 더 바람직하게는 약 20℃ 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 15℃ 이하, 최적으로는 약 10℃ 이하이고, 이러한 국부 누적 평균 접촉 온도 차이는 액체 입구에서 영역까지의 일정한 거리로 규정된 영역 내에서 기체/액체 접촉의 임의의 위치에 지점에 대한 적분에 의해서 결정된다.
바람직한 L/G 범위에서, 2차 흡수 영역을 나가는 산 온도는 상기에 언급된 범위, 즉, 약 40℃ 내지 110℃, 더 바람직하게는 약 75℃ 내지 90℃로 유지될 수 있으며, 산 출구 온도는 약 175℃ 내지 215℃ 범위로 유지된다. 상응하는 기체 온도는 기체가 접촉하는 산의 온도보다 전형적으로는 10℃ 내지 35℃ 더 높다. 향류 2차 흡수 영역에 대한 입구 산의 바람직한 농도, 즉, 2차 영역을 나가는 기체 스트림과 접촉하는 산의 농도는 상기에 기재된 바와 같고, 표 1에 기재된 바와 같다. L/G를 바람직한 범위로 제어하는 것은, 기체 상과 액체 상 간의 Δt를 2차 흡수 영역 전체에서 최소 수준으로, 예를 들어 2차 흡수 영역 전체에서 약 35℃를 초과하지 않는 Δt로 제어하는 기능을 한다. 2차 영역을 나가는 기체 스트림에서 산 농도는, 2차 흡수 영역 출구 산 농도, 입구 산 농도 및 입구 산/출구 기체 온도를 제어함으로써 제어된다. 출구 기체의 온도는 그 영역의 입구 산 온도를 제어함으로서 제어된다.
상기에 기술된 범위의 출구 기체 온도가 허용가능하지만, 40℃ 내지 110℃ 범위의 하부 부분에서의 온도에서 2차 흡수 산을 도입함으로써, 미스트 적재량을 추가로 감소시키는 것이 가능하다. 그러나, 바람직한 L/G 비율에서 목적하는 Δt 프로파일을 보존하기 위해서는, 낮은 입구 산 온도 및 낮은 출구 기체 온도를 수용하기 위해서 2차 흡수 영역에 충진(packed) 높이를 추가하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 출구 기체 스트림의 온도가 낮기 때문에, 출구 기체 스트림에서 SO3, 황산 증기 및 수증기의 미스트 적재량에 대한 기여는 작다.
도 12와 도 13 내지 16의 비교하면, 산 미스트 형성을 위한 주요 위치는 액체 유동이 매우 높은 업스트림 부분 또는 액체 유동이 매우 낮은 다운스트림 부분에서 2차 흡수 영역 내에 존재하는 것을 알 수 있다. 어느 경우에나, 2차 영역에서의 미스트 형성은 1차 영역에서의 미스트 형성을 훨씬 초과한다. 2차 영역의 1차 목적은 미스트 형성을 제어하는 것이지만, 이러한 프로파일은, 효과적인 미스트 제어는 L/G, 입구 산 농도 및 기체 대 액체 Δt의 적절한 균형이 2차 영역 전체에서 보존되는 경우에만 성취된다는 것을 나타낸다. L/G의 좋지 못한 선택으로 인해서, 산 유동이 너무 높거나 또는 너무 낮으면, 또는 입구 산 농도가 바람직한 범위 내에 포함되지 않으면, 2차 영역의 작동은 이것이 존재하는 원칙적인 목적에 미치지 못한다. 1차 영역에서의 바람직하지 않은 조건의 선택에 의해서, 예를 들어 공비 상태 미만의 흡수 산을 사용하여 작동함으로써 미스트 문제가 악화되는 것을 방지하는 것이 바람직하지만, 미스트 제어의 주된 부담은 2차 영역에서의 조건을 조절하고 제어하는 것이다.
1차 흡수 영역에 높은 속도로 수증기를 주입하는 작동에서, 1차 흡수 산은 전형적으로는 발연 황산(oleum) 부분이다. 즉, 흡수 영역의 산 출구 및 산 입구 모두에서 공비 상태를 초과한다. 산이 흡수 에너지의 회수를 위해서 순환되는 열교환기의 Fe/Cr 합금 튜브의 부식 속도를 최소화하기 위해서, 영역의 출구에서 높은 산 농도가 매우 바람직하다. 수증기의 주입에 의해서 높은 비율, 예를 들어, 80%, 90% 또는 그 이상을 초과하는 반응수가 제공되는 경우, 흡수기에서 아주 작은 농도 기울기가 존재하며, 이것은 입구 (기체 출구) 산 농도가 또한 전형적으로는 발연 황산 측에 또는 약간은 발연 황산 측 상에 존재한다는 것을 의미한다.
1차 흡수 영역을 나가는 기체는 본질적으로는 1차 영역에 들어가는 산과 평형 상태이기 때문에, 2차 흡수 영역에 들어가는 기체 또한 공비 상태를 초과하는 조성을 가지며, 이것은 1차 흡수 산에서 제거되지 않은 감지할 만한 잔류하는 SO3의 농도를 갖는다는 것을 의미한다. SO3가 기체 상으로부터 제거되지 않는 한, 2차 흡수 영역을 나가는 기체에서 미스트 형성에 대한 상당한 가능성이 존재한다.
SO3가 1차 흡수 영역을 나가는 기체로부터 완전히 스트리핑되었다는 것을 보장하기 위해서, 1차 영역을 통한 SO3 슬리패지에 대해서 적어도 화학량론적 당량으로, 즉, 2차 영역에 들어가는 기체의 SO3 함량에 대한 당량으로 2차 흡수 영역에 순수한 물 공급을 제공하기에 충분할 여지로, 2차 흡수 영역에 들어가는 2차 산이 황산의 공비 농도 미만인 것이 중요하다.
이런 점에서는, 2차 흡수 영역의 작동 원칙은 맥알리스터(McAlister) 등의 미국 특허 제5,130,112호에서 권고되고, 이의 도 3에 도시된 바와 같은 1차 흡수 영역의 작동의 원칙과 상이하다. 맥알리스터 개시물은, 향류 1차 흡수 영역에 들어가는 산 및 그 영역을 나가는 기체는, 비교적 낮은 이슬점을 보장하고 이로 인해서 1차 영역을 나가는 기체가 냉각될 때 미스트 형성을 최소화하기 위해서, SO3 농도가 공비 상태를 초과하는 조성을 갖는 것을 권고하지만, 상이한 그러나 보완적인 원칙은, 기체가 2차 영역을 나갈 때 우세한 보다 낮은 온도에서 적용된다. 기체는 2차 영역을 통과하는 통로에서 냉각하기 때문에, 이슬점보다 높게 유지하는 유일한 방식은 기체로부터 SO3를 제거하는 것이며; 이러한 목적을 위해서는, 과량의 물이 필요하다.
도 24는 영역에서 최소 기체/액체 온도 차이 또는 Δt, 및 1차 영역의 출구로부터 유동하는 기체와 함께 들어가는 잔류하는 SO3를 제거하기에 충분하게 2차 흡수 산에서 물 제공 모두를 보장하는 방식으로 2차 흡수 영역의 작동을 제어하기 위한 시스템의 도식도이다.
온도 센서 (TS)는 2차 흡수 영역 (115)에 들어가는 기체의 온도 (TS1), 2차 흡수 영역을 나가는 2차 흡수 액체의 온도 (TS2), 2차 흡수 영역에 들어가는 2차 흡수 액체의 온도 (TS3) 및 2차 흡수 영역을 나가는 기체의 온도 (TS4)를 측정한다. 이러한 온도 센서로부터의 신호는 Δt 제어 프로세서 (171)에 공급된다. 2차 흡수 영역에 대한 2차 흡수 산 공급 라인에서 Δt 제어 프로세서로부터 제어 밸브 (173)로의 신호는, 2차 흡수 영역의 산 입구 및 산 배출구 모두에서 기체/액체 Δt가 약 35℃ 이하, 바람직하게는 약 30℃ 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 25℃ 이하, 또는 약 20℃ 이하이도록, 흡수 영역에 전달되는 2차 산의 유동을 조정한다. 최적의 조건 하에서, 입구 및 배출구 Δt는 약 15℃이하이거나 심지어는 약 10℃ 이하이다.
1차 흡수 영역 (103)에 들어가는 1차 흡수 산과 접촉하는 전도성 센서 (CS1)는 1차 흡수 산 전도성 기록기/제어기 (CRC1) 및 2차 산 농도 제어 프로세서 (175) 모두에 신호를 보낸다. 이러한 신호에 반응하여, 전도성 제어기 (CRC1)는 제어 밸브 (177)를 조정하는 신호를 보내서, 1차 흡수 영역 (103)으로 재순환되는 흡수 산의 바람직한 농도를 유지하는 속도로 순환 1차 흡수 산 스트림에 희석수를 공급하는 속도를 제어한다. 선택적으로 그리고 이롭게는, 비교적 묽은 산, 예를 들어, 93% 산의 직교류가 희석을 위한 물의 공급원으로서 사용될 수 있다.
수증기는, 흡수기에 들어가는 전환 기체의 대응하는 물 함량이 1차 흡수 영역에 들어가는 기체에서 대응하는 전체 산화황 함량 1 몰 당 적어도 0.40 몰, 더 바람직하게는 적어도 0.50, 0.55, 0.60, 0.70 몰, 또는 0.80 몰, 가장 전형적으로는 약 0.55 내지 약 0.98 몰이도록 충분한 속도로 수증기 주입 영역 (127)의 포트 (121)를 통해서 전환 기체에 주입된다. 대응하는 물/대응하는 산화황 비율이 0.98에 근접하기 때문에, 작동은 1차 흡수 영역을 위한 모든 반응수가 (127)에서 수증기의 주입에 의해서 공급되는 지점에 근접하며, 이는 밸브 (177)를 통해서 물 또는 희석 산을 도입시킬 필요성을 없앤다. 전형적으로는, 흡수 시스템으로부터 제거된 순수한 산 생성물의 균형 비율은 흡수 탑 배수조 또는 분리된 산 펌프 탱크 (도시되지 않음)에서 산의 수준 또는 전도성 제어에 의해서 유지될 수 있다.
1차 영역을 나가는 기체 스트림이 그 영역에 들어가는 산과 평형 상태에 있다는 것을 전제로 하여, 2차 산 농도 제어 프로세서 (175)에 저장된 평형 데이터, 및 (CS1)로부터 수신된 전도성 신호로부터, 프로세서 (175)는 1차 흡수 영역 (103)을 나가는 기체의 황산 증기, 수증기 및 SO3 증기 함량, 및 2차 흡수 영역 (115)에 들어가는 기체의 황산 증기, 수증기 및 SO3 증기 함량을 산출한다.
2차 산 농도 제어 프로세서 (175)는 또한 2차 흡수 영역 (115)에 들어가는 2차 산 스트림 내의 유동 센서 (FS1), 1차 흡수 영역 (103)에 들어가는 전환 기체 스트림 내의 유동 센서 (FS2), 및 전환 기체의 SO3 함량을 측정하는 전환 기체 스트림 내의 인-라인 분석기 (179)로부터 신호를 수신한다. (CS1) 전도성 신호 및 저장된 평형 상태 데이터로부터 측정된 바와 같은, 이러한 3개의 신호와 2차 흡수 영역 (115)에 들어가는 기체의 조성으로부터, 프로세서 (175)는 2차 흡수 영역을 통한 물질 균형을 산출하는데, 이것은 2차 흡수 영역을 나가는 기체의 조성이 물 함량에 대해서는 공비 조성 이상이고, SO3 함량에 대해서 공비 조성 이하인 것을 보장하기에 충분하게 순수한 사용가능한 물 공급을 2차 영역에 제공하기 위해서, 2차 흡수 영역 (115)에 들어가는 2차 산 스트림에 물이 첨가되어야 하는 속도를 결정한다.
정상 상태 조건이 설정되는 경우, 황 원소 또는 다른 균일한 황 공급원이 황 연소기에 공급되는 속도가 측정될 수 있고, 물질 균형은 인-라인 분석기 (179) 및 유동 센서 (FS2)에 의해서 측정되는 기체 유동의 조합보다 프로세서 (175)에 대한 이러한 속도를 공급하는 것을 산출한다.
전도성 센서 (CS2)는 2차 흡수 영역에 들어가는 산의 전도성을 측정하고, 2차 산 스트림에 도입되는 희석수 (또는 직교류의 묽은 산)의 속도를 제어하는 밸브 (181) 상의 밸브 위치제어기와 소통하는 전도성 기록기/제어기 (CRC2) 및 2차 산 농도 제어 프로세서 (175) 모두에 신호를 전달한다. 프로세서 (175)는 또한 2차 흡수 영역에 들어가는 산의 온도를 측정하는 온도 센서 (TS3)로부터 신호를 수신한다. 2차 영역에 대해서 산출했던 물질 균형으로부터, 프로세서 (175)는 흡수 영역을 나가는 기체에서 SO3가 기체가 냉각될 때 과량의 미스트 형성을 피하기에 충분한 수준으로 진압되는 것을 보장하는 순수한 물 공급을 제공하기에 충분한 2차 산 흡수 영역 (115)에 들어가는 2차 산의 농도를 측정한다. 프로세서는 바람직한 농도를 (TS3)에 의해서 측정되는 바와 같은 산 온도에서 전도성으로 변형시키고, 밸브 (181)를 조정하여 2차 흡수 영역을 나가는 기체의 바람직한 조성을 설정하는 속도로 순환 2차 산 스트림에 희석수를 전달하는 속도를 제어하는 전도성 기록기 제어기 (CRC2)에 신호를 전달한다. 프로세서는 2차 산이 1차 영역으로 유동함으로써 1차 흡수 영역에서 산 농도를 실질적으로 희석하는 초과량을 생성하지 않으면서, 2차 흡수 영역을 나가는 기체에서 SO3의 제거를 보장하는 물 첨가 속도를 설정한다.
도 24의 제어 도식의 원칙은 도 24에서 시행된 장비, 프로세서 및 피드백 제어 루프에 필수적으로 의존하는 것은 아닌 공정 설계 및 시동 프로토콜에 적용될 수 있다는 것이 추가로 밝혀졌다. 도 24와 관련하여 개략적으로 기재된 작동을 좌우하는 물질 균형, 열 균형, 평형 관계식은 공정의 설계, 시동 및 작동의 선험적 결정에 지배를 받는다. 균형 정상 상태 설계 작동 하에서, 2차 흡수 영역으로의 2차 산의 전달 속도는, 황 원소 또는 다른 황 공급원이 황 연소기로 전달되는 속도, 및 1차 흡수 영역에 들어가는 산의 전도성 및 1차 흡수 영역을 나가는 산의 전도성에 의해서 측정되는 바와 같은 산 농도의 제어에 의해서 지배되는 작동의 임의의 엄선된 속도를 위해서 고정된 수준에서 설정될 수 있다. 물질 균형 및 공지된 평형 관계식으로부터, 임의의 정의된 작동 속도에서, 2차 흡수 영역에 전달되는 산의 유량은, 2차 흡수 영역의 종점에서의 Δt를 설계 목표값 미만으로, 예컨대 약 35℃ 이하 또는 약 30℃ 이하 등으로 제어하도록 고정된 값으로 설정될 수 있으며, 희석수의 첨가 속도는 이러한 한 스트림의 농도를 제어하도록 고정된 값으로 설정될 수 있다.
1차 및 2차 흡수 영역이 본 명세서에 기재된 바람직한 조건 하에서 작동되는 경우, 2차 흡수 영역을 나가는 기체에서 실제 미스트 적재량은 전형적으로는 약 20 g/Nm3 이하이다. 미스트 함량은 통상적인 미스트 제거기에서 5.0 mg/Nm3만큼 낮게 추가로 감소될 수 있다. 더욱이, 흡수기를 나가는 기체 중에서의 비교적 낮은 미스트 적재량으로 인해서, 미스트 적재량은 미스트 제거기 시스템을 나가는 기체에서 약 20 g/Nm3에서 약 0.1 g/Nm3 미만 또는 약 0.05 g/Nm3 미만으로 낮아질 수 있지만, 미스트 제거기를 통과하는 비교적 높은 속도, 예를 들어, 기체 유동 방향을 가로지르는 미스트 제거기 부재 표면적의 제곱 미터 당 적어도 약 300 Nm3/시간 또는 적어도 약 340 Nm3/시간 또는 약 340 내지 약 500 Nm3/시간의 속도는 유지된다.
적절하게 작동되는 2차 흡수 영역의 유효성의 설명은, 산업적인 스케일의 접촉식 황산 플랜트의 1차 열 회수 흡수 영역, 2차 흡수 영역 및 미스트 제거기 각각을 나가는 기체에 대해서 하기에 표로 만들어진 미스트 및 증기 적재량 데이터에서 확인될 수 있다.
2차 흡수 영역에서의 바람직한 비교적 낮은 L/G는 1차 영역에서의 바람직한 L/G보다 훨씬 더 낮다는 것을 주목할 수 있다. 따라서, 매스 전달을 위해서 2차 영역 내에서 단위 부피 당 보다 큰 면적을 제공하는 것이 바람직하다. 예로서, 새들의 경우, 1차 영역은 이롭게는7.6 ㎝ (3 인치) 공칭 치수의 새들로 충진될 수 있지만, 2차 영역은 바람직하게는 5 ㎝ (2 인치) 공칭 치수의 새들로 충진될 수 있다.
희석수의 80% 초과, 바람직하게는 90% 초과, 가장 바람직하게는 95 내지 100%가 열 회수 흡수 영역의 업스트림에서 SO3 전환 기체에 도입되고, 유용한 에너지가 흡수기에 들어가는 것을 기준으로 1160 KJ/㎏ SO3, 1220 KJ/㎏ SO3, 1270 KJ/㎏ SO3 또는 심지어는 1330 KJ/㎏ SO3 (500 Btu/lb SO3, 525 Btu/lb SO3, 550 Btu/lb SO3, 또는 심지어는 575 Btu/lb SO3)를 초과하는 비율로 흡수 시스템으로부터 회수되는 경우에도, 상기 본 명세서에 기재된 바람직한 조건 하에서의 작동에서, 공정은 흡수 시스템을 나가는 고갈 기체 표준 입방 미터 당 약 20 g 이하, 바람직하게는 약 15 이하, 10 또는 5.0 g 이하의 미스트를 생성하도록 제어될 수 있다. 다른 관점으로부터 고려될 경우, 예를 들어, 미스트 제거 부재를 통한 선형 속도가 적어도 200 m/hr, 바람직하게는 적어도 300 m/hr, 더 바람직하게는 적어도 약 400 m/hr이도록, 유동에 대해 수직인 총 단면적을 갖는 미스트 제거 부재를 제공함으로써 비교적 보통의 미스트 제거기 용량으로 이러한 조건 하에서 공정이 작동될 수 있다. 예를 들어, 미스트 제거기는 이 부재를 통한 선형 기체 속도가 약 250 내지 약 650 m/hr, 바람직하게는 약 400 내지 약 500 m/hr이도록 하는 크기일 수 있다.
추가로 본 발명에 따르면, 열 회수 흡수 산에서 회수된 에너지는 종래 기술에서 적용되었던 목적을 넘어서는 목적을 위해서 부분적으로 사용될 수 있다. 도 3은 도 2의 공정과 상당히 동일한 방식으로 작동되지만, 주 열교환기 (105)를 나가는 산이 시스템으로부터 제거된 산의 순수한 생성물을 포함하는 스트림, 1차 흡수 영역 (103)에 되돌아가는 재순환 산 스트림, 및 보조 열교환기 (131)를 통과하는 2차 흡수 산 스트림을 포함하는 보조 산 (또한 본 명세서에서는 "2차 열 회수 액체"로 지칭됨)으로 분할되는 본 발명의 대안의 실시양태를 도시한다. 열은 선택적으로는 1차 흡수 영역 (103)의 업스트림의 수증기 주입 영역 (127)에서 SO3 전환 기체 스트림에 주입하기 위해서 저압의 스팀을 발생하는 보조 열교환기 (131)에서 보조 산 스트림으로부터 물 스트림으로 전달된다. 보조 열교환기 (131)를 나가는 냉각된 보조 산은 분할되어 생성물 산 분획, 및 2차 흡수 영역 (115)의 산 입구 (117)로 순환되는 2차 흡수 산 분획을 제공한다.
열교환기 (105) 및 (131)은 도 3에 도시된 바와 같이 직렬로(in series), 또는 순환 흡수 액체에 대해 병렬로(in parallel) 작동될 수 있다. 바람직한 압력에서 스팀을 발생시키기 위해서 사용가능한 최대 열이 주 열교환기 (105)에서 회수된 후에도, 순환 산의 온도 및 에너지 함량은 수증기 주입 영역 (127)에서 주입을 위한 스팀을 발생시키기에 상당히 적절하기 때문에, 직렬 작동이 바람직할 수 있다. 그러나, 보조 열교환기를 통과해야 하는 산의 분획이 그런 것처럼, 보조 열교환기에 들어가는 산의 온도가 병렬 작동에서 더 높기 때문에, 보조 열교환기의 필요한 표면적은 더 작아진다.
도 3의 공정에 대한 바람직한 제어 전략은, 열 회수 흡수 영역을 나가는 산의 농도가 스팀 주입기에 대한 스팀 유동, 및 생성물 산이 흡수 시스템으로부터 제거되는 체적비(volumetric rate)를 조절함으로써 제어될 수 있다는 것을 제외하고는 도 2의 것과 유사하다.
도 9는 2개의 보조 열교환기가 2차 열 회수 액체 순환 루프에서 직렬로 존재하고, 흡수 시스템에서 황산의 순수한 생성물을 포함하는 황산 스트림이 제2 보조 열교환기 (133)의 다운스트림에서 2차 산 스트림으로부터, 더 정확히는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 1차 흡수 산 순환 루프로부터 분할되는 것을 제외하고는, 도 3의 것과 유사한 공정을 예시한다. 제1 보조 열교환기 (131)는 수증기 주입 영역 (127)에서 SO3 전환 기체 스트림에 주입하기 위한 스팀을 생성한다. 제1 보조 열교환기 (131)에서 스팀의 형태로 최대 100%의 희석수 필요량을 생성한 후, 산 스트림은 2차 흡수 영역에 대한 바람직한 산 입구 온도를 초과하는 온도에서 유지된다. 따라서, 2차 흡수 산의 유동에 대해서 제1 보조 열교환기 (131)로부터 다운스트림인 제2 보조 열교환기 (133)에서 유용한 형태로 추가의 열이 회수된다.
도 9의 흐름도에서, 주 열교환기 또는 가열기 (105)를 나가는 흡수 산은 분할되어 1차 흡수 영역으로 재순환하는 스트림, 및 궁극적으로 2차 흡수 산 및 순수한 생성물 스트림이 유래되는 보조 (2차 열 회수 액체) 스트림을 제공한다. 도 9의 흐름도는 또한 제1 보조 열교환기 (131)의 업스트림의 보조 산 스트림에서 희석 영역 (135)을 포함한다. 희석을 하거나 또는 하지 않고, 보조 산 스트림은 먼저 수증기 주입 영역에서 SO3 전환 기체 스트림에 주입하기 위해서 대기 스팀이 발생되는 제1 보조 열교환기 (131)를 통과한다. 이어서, 제1 보조 열교환기 (131)를 떠나는 보조 산 스트림은, 가열기 (105)를 위해서 가열기 공급수에 추가로 열을 전달하는 제2 보조 열교환기 (133)를 통과한다. 제2 보조 열교환기 (133)를 나가는 보조 산은 분할되어 열 회수 흡수 시스템에서 황산의 순수한 생성물을 구성하는 스트림, 및 2차 흡수 산으로서 제공되는 스트림을 제공한다. 후자는 2차 흡수 영역 (115)의 상부에서 탑 산 입구 (117)를 통해서 전달된다.
희석기 (135)에서 보조 산 스트림을 희석함으로써, 2차 흡수 산 및 순수한 생성물 산 모두는 1차 흡수 산의 농도와 관계없이 낮은 농도에서 제어될 수 있다. 바람직할 경우, 1차 흡수 산의 과도한 희석은 회피될 수 있으며, 1차 흡수 영역으로 유동시키는 것보다는 2차 흡수 영역을 나가는 2차 산을 산 수집 탱크, 건조 탑 산 공급 탱크 또는 다른 도착지로 우회시킴으로써 흡수 시스템으로부터 과량의 물이 제거될 수 있다. 도 1 및 도2에 도시된 공정 도식에서 바람직할 경우, 후자의 선택이 또한 사용가능함을 이해해야 한다.
도 10은 금속성 플랜트, 예를 들어, 구리 광석 로스터에서 발생된 SO2로부터 황산을 생성하도록 개작된 공정을 도시한다. 도 10의 공정은 도 9의 공정과 가장 상세하게 유사하지만, 보조 산 스트림의 희석을 위한 배열에 대해서는 상이하다. 보조 산을 위한 희석 영역 (137)은 2차 흡수 산 유동 방향에 대해서 제1 보조 열교환기 (131)의 업스트림보다는 제2 보조 열교환기 (133)의 다운스트림에 제공된다. 추가 희석 영역 (107)은 2차 산 스트림으로부터 분리된 후에 그리고 산 복귀 입구 (113)를 통해 탑 (101)에 들어가기 전에 재순환 1차 산 스트림에 제공된다. 도 9 및 도 10 모두에서, 더 묽은 산의 직교류가 산 순환 루프(들)에서 산의 희석을 위한 물의 공급원으로서 사용될 수 있다.
도 11은 SO3 흡수 에너지가 탈기기에서 가열기 공급수를 스트리핑하기 위한 스팀을 생성하는데 사용되는 도 9의 공정의 추가의 변형을 도시한다. 탈기기로부터의 배기 스트림은, 흡수 영역의 업스트림에서 SO3-포함 기체 스트림에 주입하기 위한 수증기 공급원으로 사용될 수 있는 낮은 압력에서 수증기를 함유한다. 탈기기 배기 스트림 중의 비응축성 물질은 이들이 도입되는 SO3-포함 스트림을 실질적으로 희석하지 않으며, 흡수 영역에서 SO3의 흡수 또는 H2SO4의 응축 효율을 방해하지 않는다. 비응축성 물질은 접촉식 산 공정으로부터의 테일 가스(tail gas) 중에서 편리하게 처리된다.
도 11에 도시된 바와 같이, 열 회수 흡수 영역 (103)을 나가는 흡수 액체는, 중간 압력의 스팀을 생성하기 위해서 흡수 액체로부터 가열기 공급수로 열이 전달되는 주 열교환기 또는 가열기 (105)를 통과한다. 스팀은 본 명세서에 기재된 압력에서 발생될 수 있다. 주 열교환기 (105)를 나가는 흡수 액체는 분할되어 열 회수 흡수 영역 (103)으로 재순환되는 주 흡수 액체 스트림, 및 2차 흡수 액체와 순수한 황산 생성물을 포함하는 보조 (2차 열 회수) 산 스트림을 제공한다. 도시된 바와 같은 바람직한 실시에 따르면, 보조 산 스트림은 궁극적으로 분할되어 생성물 산 탱크로 보내지는 순수한 산 생성물, 및 남아있는 액체, 즉, 1차 흡수 영역 (103)을 나가는 기체 스트림으로부터 잔류하는 SO3를 회수하기 위해서 2차 흡수 영역 (115)에 도입되는 2차 흡수 액체를 제공한다.
분할 지점과 2차 흡수 영역 사이의 유동 경로에서, 보조 산 스트림은, 보조 액체로부터 탈기기 보조 열교환기 (163)와 탈기기 (165) 사이에서 순환되는 물 스트림으로 열이 전달되는 탈기기 보조 열교환기 (163)를 통과한다. 물 스트림은 바람직하게는 탈기기에서 우세한 압력 하에서, 전형적으로는 대기압 근처에서, 본질적으로는 이의 비등점에서 탈기기 보조 열교환기 (163)에 들어간다. 탈기기 보조 열교환기에서의 열 전달은 상당한 분획의 물 스트림을 스팀으로 전환하며, 열교환기를 나가는 액체수 및 스팀 혼합물은 탈기기에 도입되는데, 여기에서 이것은 비탈기된 가열기 공급수를 접촉하고 비응축성 물질을 공급수로부터 스트리핑한다. 탈기된 응축물은 탈기기의 하부로부터 또는 탈기기의 하부 근처에서 흘러 나가고, 비응축성 물질은 전형적으로는 적어도 약 99.5 부피%, 더 전형적으로는 적어도 약 99.8 부피%, 가장 전형적으로는 약 99.8 부피% 내지 약 99.999 부피%의 수증기를 함유하는 탈기기 배기 스트림으로 탈기기의 상부로부터 배기된다.
탈기기로부터의 배기 스트림은 전형적으로는 약 34.5 Kpascal (5 psi) 게이지 미만, 더 전형적으로는 약 13.8 KPascal (2 psi) 게이지 미만, 가장 전형적으로는 약 18 인치 물 이하의 압력에서 존재한다. 이러한 스트림은 이롭게는 흡수기 기체 입구 (123)의 업스트림의 기체 공급 도관 (129)에서 주입 포트 (121)로 보내진다. 하기에서 추가로 논의될 바와 같이, 탈기기 배기 스트림에서 수증기의 유량은 기체 스트림 중의 SO3를 황산으로 전환시키는데 필요한 큰 분획의 반응수를 공급하기에 충분할 수 있다. 비응축성 물질은 황산 설비로부터 테일 가스 중에서 해롭지 않게 배기된다.
도 11에 도시된 바와 같은 공정에서, 보조 산 (2차 열 회수 액체) 스트림은 2차 산 유동 방향에 대해서 탈기기 보조 열교환기 (163)의 업스트림에 존재하는 가열기 공급수 예비가열기 (167)를 먼저 통과한다. 가열기 공급수 예비가열기 (167)는 보조 스트림으로부터 가열기 공급수로 열이 전달되고, 바람직하게는 압력 하에서, 가열기 공급수를 가열기에서 스팀이 발생되는 압력에서 평형 온도에 가까운 온도로 가열하는 간접 열교환기를 포함한다. 도 11에 또한 도시된 바와 같은, 예시적인 공정의 추가의 바람직한 실시양태에서, 가열기 공급수 예비가열기 (167)에서 가열된 가열기 공급수는 열 회수 흡수 영역을 떠나는 흡수 액체로부터의 SO3 흡수 열의 전달에 의해서 중간 압력 스팀이 발생되는 주 열교환기 (105)에 가압된 공급수로서 전달된다.
가열기 공급수 예비가열기 (167)를 나가는 보조 산은 탈기기 보조 열교환기 (163)로 안내된다.
탈기기 보조 열교환기 (163)를 나간 후, 보조 산은 분할되어 순수한 생성물 산 스트림, 및 2차 흡수 영역 (115)에 전달될 수 있는 2차 흡수 액체 스트림을 제공하는데, 여기에서 이것은 기체가 흡수 시스템을 나가고, 컨버터의 추가 단계로 되돌아가거나 또는 접촉식 산 설비로부터 테일 가스로서 배기되기 전에, 1차 흡수 영역 (103)을 나가는 기체를 접촉하고, 기체 스트림을 냉각하고, 이로부터 잔류하는 SO3를 흡수하는 작용을 한다. 도 11에 도시된 바와 같은 추가의 바람직한 실시양태에서, 산이 순수한 생성물 스트림 및, 흡수기로 되돌아가는 2차 흡수 산 스트림으로 분할되기 전에, 탈기기 보조 열교환기 (163)를 나가는 보조산을 또 다른 간접 열교환기에 통과시킴으로써 추가의 SO3 흡수 열이 회수된다. 도 11의 실시양태에서, 처리되었지만, 비탈기된 가열기 공급수는 탈기기 보조 열교환기 (163)를 나가는 보조 산으로부터의 열 전달에 의해서 비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)에서 예비가열된다. 이어서, 비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)를 나가는 물은 탈기기 (165)로 유동한다.
도 11에 도시된 바와 같은, 특히 바람직한 신규한 공정의 실시양태에서, 가열기 공급수 예비가열기 (167)에 도입된 가열기 공급수는 탈기기 (165)를 나가는 탈기수이다. 따라서, 도 11의 전체 도식에서, 비탈기수는 비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)에서 예비가열되고, 예비가열된 물은 탈기기 (165)에서 탈기되고, 여기서, 비응축성 물질은 탈기기 보조 열교환기 (163)에서 발생된 스팀을 사용하여 스트리핑되고, 탈기수는 탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (167) 내의 압력 하에서, 주 열교환기 (105)의 유틸리티 사이드 상에서 우세한 압력에서 증기/액체 평형 온도로 또는 그 근처로 가열된다. 이러한 각각의 단계에서, 열의 공급원은 탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (167), 탈기기 보조 열교환기 (163), 및 비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)를 통한 물의 유동에 대해 향류로 효과적으로 유동하는 보조 산 스트림이다. 탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (167)를 나가는 가압된 물은, 열 회수 흡수 영역을 나가는 흡수 액체로부터의 열을 전달함으로써 중간 압력의 스팀으로 전환하기 위해서 주 열교환기 (105)에 전달된다.
비탈기된 가열기 공급수를 예비가열하고, 탈기를 위한 스팀을 발생시키기 위한, 보조 흡수 액체로부터 사용가능한 에너지는, 탈기기로부터의 배기 스트림이 컨버터 기체 중에 함유된 SO3와의 반응에 필요한 상당한 분획의 수증기를 제공할 수 있게 하기에 충분하다. 탈기기 보조 열교환기 (163)가 충분한 열 전달 용량을 가진다면, 탈기기 (165)와 탈기기 보조 열교환기 (163) 사이에서 순환되는 상당한 분획의 물 스트림이 스팀으로 전환될 수 있고, 이로 인해서 탈기기 배기 기체에서 상당한 수증기 유동이 발생한다. 예를 들어, 탈기기에 들어가는 비탈기된 가열기 공급수의 유량 및 온도, 및 탈기기 보조 열교환기에서 보조 흡수 액체로부터 물 스트림으로의 열 전달 속도는, 탈기기 배기 스트림에서, 산화황-포함 기체 스트림의 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 0.40 몰, 바람직하게는 적어도 약 0.55 몰, 바람직하게는 적어도 약 0.60 몰, 더 바람직하게는 적어도 약 0.70 몰, 가장 바람직하게는 적어도 약 0.80 몰의 수증기를 생성하는 조합으로 제어될 수 있다.
보조 산으로부터의 사용가능한 에너지는 또한 가열기 공급수가 탈기 온도로 예비가열되고, 가열기 (105)의 물 요구량을 초과하는 부피로 탈기될 수 있도록 하기에 충분하다. 따라서, 탈기된 가열기 공급수는 도 11에 도시된 시스템으로부터 전해지고, 제조 설비의 다른 곳으로, 예를 들어 황 공급원을 연소시켜 SO2를 생성하여 발생되는 연소 기체로부터 에너지를 회수하기 위한 폐열 가열기에 전달될 수 있다.
더욱이, 도 11의 공정 도식은 열 회수 흡수 영역의 업스트림에서 SO3-포함 기체에 주입하기 위해 생성되는 수증기를 최대화하고, 스팀이 이러한 목적을 위해서 다른 공급원으로부터 공급되어야 하는 속도를 최소화하거나, 또는 흡수 열 회수 시스템으로부터 전해지는 탈기수 가열기 공급수의 유동을 최대화하도록 작동될 수 있다. 큰 분획의 보조 산 냉각 부하(cooling load)가 탈기기 보조 열교환기에 할당될 경우, 최대 분획의 수증기가 흡수기의 컨버터 기체 업스트림에 주입하기 위한 반응수로서 발생될 수 있다. 탈기기에 대한 물 유동 속도가 탈기기 보조 열교환기에서의 열 전달 속도에 비해서 클 경우, 가열기 (105)에서 사용하기 위해서 그리고/또는 흡수 시스템으로부터의 전달을 위해서, 그리고 제조 플랜트의 다른 곳에서 사용하기 위해서 최대량의 탈기된 가열기 공급수가 생성될 수 있다. 마지막 대안에 따르면, 탈기기에 들어가는 비탈기수의 유량과 온도, 및 탈기기 보조 열교환기에서 보조산 스트림으로부터 물 스트림으로의 열 전달 속도의 조합은, 흡수 영역에 들어가는 대응하는 삼산화황에 대한 탈기기를 나가는 탈기된 가열기 공급수의 매스 유동 비율이 적어도 약 1.0, 바람직하게는 적어도 약 1.5, 더 바람직하게는 적어도 약 2.0, 전형적으로는 약 2.0 내지 약 3.0이도록 제어될 수 있어서, SO2 연소 기체 폐열 가열기 또는 동력실(power house) 가열기에 탈기된 공급수의 상당한 전달을 가능하게 한다. 황산 부분을 포함하고, 플랜트 물 및 에너지 균형을 종합적으로 제조하는 공정이 수행되는 특정 설비의 요구에 따르면, 주입을 위해서 증기로서 보조 산 스트림으로부터 회수된 흡수 열의 비율은 흡수 열 회수 시스템으로부터의 전달을 위해서 가열기 공급수를 탈기하는데 소모되는 흡수 열의 비율과 대략 균형을 이룰 수 있다.
탈기기 배기 스트림에서 수증기 형태로 2차 흡수 액체로부터 최대 에너지를 회수할 때 조차도, 가열기 공급수로부터 비응축성 물질을 적절히 스트리핑하는 것을 보장하기 위해서, 바람직하게는 추가적인 낮은 압력 스팀이 탈기기에 도입된다. 탈기기 보조 열교환기에서의 스팀 발생 속도가, 열 회수 흡수 영역에 들어가는 삼산화황-포함 기체 스트림에 주입하기 위해서 탈기기 배기 기체에서 소정의 목적하는 수증기의 유동을 제공하기에 불충분하면, 탈기기에 공급되는 추가적인 스팀이 부족 부분을 채울 수 있어서, 탈기기 배기, 및 주입 혼합 영역에서 열 회수 흡수 영역에 들어가는 컨버터 기체의 대응하는 전체 삼산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 0.40, 0.55, 0.60, 0.70, 또는 0.80 몰의 수증기를 제공한다.
추가적인 스팀은 전형적으로는 적어도 약 13.8 KPascal (2 psi) 게이지, 바람직하게는 적어도 약 34.5 KPascal (5 psi) 게이지, 전형적으로는 약 55 내지 약 83 KPascal (8 내지 약 12 psi) 게이지의 압력에서 도입된다. 추가적인 스팀은 열 회수 흡수 영역의 업스트림에서 SO3-포함 스트림에 주입하기 위해서 수증기가 탈기기 배기 스트림에 공급될 수 있는 속도에 추가로 기여한다.
추가적인 스팀은 고정된 속도로 탈기기에 도입될 수 있거나 또는 선택적으로는 추가적인 스팀 공급 속도는, 흡수기의 업스트림에서 SO3-포함 기체 스트림에 탈기기 배기물을 주입함으로써 반응수가 전달되는 속도를 제어하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 탈기기에 낮은 압력 스팀을 도입하는 속도는, 이의 개시 내용이 참고로 본 명세서에 도입되어 있는 미국 특허 제5,538,707호에 기재된 바와 같이 제어될 수 있다. 본 발명의 공정의 특히 바람직한 실시양태에서, 추가적인 스팀의 첫번째 공급은 고정된 속도로 탈기기에 도입되지만, 추가적인 스팀의 두번째 공급은 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림에서 대응하는 삼산화황에 대한 대응하는 수증기의 비율을 제어하도록 제어되는 속도로 배기 스트림에 도입된다. 두번째 추가적인 공급은 바람직하게는 탈기기 내에서, 또는 탈기기와 SO3 기체 공급 도관 (129)에서 수증기 주입 영역 (127)에 대한 주입 포트 (121)의 사이에서 배기 스트림에 도입된다.
도 23은 SO3 흡수 에너지가 흡수 영역의 업스트림에서 SO3-포함 기체 스트림에 주입하기 위한 수증기 공급원으로서 사용하기 위한 스팀을 생성하는데 사용되는 도 11의 공정에 대한 대안을 도시한다. 도 23에 도시된 바와 같이, 열 회수 흡수 영역 (103)을 나가는 흡수 액체는 주 열교환기 또는 가열기 (105)를 통과하는데, 여기서, 열은 중간 압력 스팀을 생성하기 위해서 흡수 액체로부터 가열기 공급수로 전달된다. 스팀은 본 명세서에 기재된 압력에서 발생될 수 있다. 주 열교환기 (105)를 나가는 흡수 액체는 분할되어 열 회수 흡수 영역 (103)으로 재순환되는 주 흡수 액체 스트림, 및 2차 흡수 액체와 순수한 황산 생성물을 포함하는 보조 (2차 열 회수) 산 스트림을 제공한다. 도시된 바와 같은 실시에 따르면, 보조 산 스트림은 궁극적으로 분할되어 생성물 산 탱크로 보내지는 순수한 산 생성물, 및 남아있는 액체, 즉, 1차 흡수 영역 (103)을 나가는 기체 스트림으로부터 잔류하는 SO3를 회수하기 위해서 2차 흡수 영역 (115)에 도입되는 2차 흡수 액체를 제공한다.
보조 산 (2차 열 회수 액체) 스트림은 먼저 가열기 공급수 예비가열기 (167)를 통과한다. 가열기 공급수 예비가열기 (167)는 보조 스트림에서 가열기 공급수로 열이 전달되고, 바람직하게는 가열기 공급수를 압력 하에서, 가열기에서 스팀이 발생되는 압력에서 평형 온도에 가까운 온도로 가열하는 간접 열교환기를 포함한다. 가열기 공급수 예비가열기 (167)에서 가열된 가열기 공급수는 열 회수 흡수 영역을 떠나는 흡수 액체로부터의 SO3 흡수 열의 전달에 의해서 중간 압력 스팀이 발생되는 주 열교환기 (105)에 가압된 공급수로서 전달된다.
도 23에 도시된 바와 같은 공정에서, 가열기 공급수 예비가열기 (167)를 나가는 보조 산은 플래쉬 탱크 예비가열기 (180)로 안내되는데, 여기서, 열은 보조 산으로부터 플래쉬 탱크 (182)로부터의 물 스트림으로 전달된다. 플래쉬 탱크 예비가열기에서의 열 전달은 압력 하에서 물 스트림을 가열하고, 나머지는 플래쉬 탱크로 되돌아는데, 여기서, 압력이 감소되어 상당한 부분의 가열된 물 스트림이 증발되고 낮은 압력 스팀을 형성한다. 이러한 낮은 압력 스팀은 이롭게는 흡수기 기체 입구 (123)의 업스트림의 기체 공급 도관 (129)에서 주입 포트 (121)로 보내진다. 플래쉬 탱크 (182)로부터의 수증기의 유량은 기체 스트림 중의 SO3를 황산으로 전환시키기에 필요한 큰 분획의 반응수를 공급하기에 충분할 수 있다.
도 23의 실시양태에서, 가열기 공급수 (예를 들어, 터빈발전기 응축물)는 플래쉬 탱크 예비가열기 (180)를 나가는 보조 산으로부터 열을 전달함으로써 비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)에서 먼저 예비가열된다. 이어서, 가열된 응축물은 선택적으로는 탈기기 (165)에 도입되고, 플래쉬된다. 임의의 보충(make-up) 수가 또한 탈기를 위해서 탈기기 (165)에 도입될 수 있다. 탈기된 응축물은 탈기기의 하부 근처에서 또는 하부로부터 흘러 나오고, 비응축성 물질은 탈기기 배기 스트림에서 탈기기의 상부로부터 배기된다. 도 23에 도시되지는 않았지만, 탈기기 배기 스트림은 흡수기 기체 입구 (123)의 업스트림의 기체 공급 도관 (129)에서 플래쉬 탱크 (182)로부터 주입 포트 (121)로 보내지는 낮은 압력 스팀과 합쳐질 수 있다. 이어서, 탈기기 (165)를 나가는 탈기된 응축물은 가열기 공급수 예비가열기 (167)로 유동한다. 도 23에 도시된 바와 같이, 탈기기 (165)로부터의 탈기된 응축물의 일부분은 선택적으로는 플래쉬 탱크 (182)로 통과될 수 있다.
비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)를 나간 후, 보조 산은 분할되어 순수한 생성물 산 스트림, 및 2차 흡수 영역 (115)에 전달될 수 있는 2차 흡수 액체 스트림을 제공하는데, 여기에서 이것은 기체가 흡수 시스템을 나가고, 컨버터의 추가 단계로 되돌아가거나 또는 접촉식 산 설비로부터 테일 가스로서 배기되기 전에, 1차 흡수 영역 (103)을 나가는 기체를 접촉하고, 기체 스트림을 냉각하고, 이로부터 잔류하는 SO3를 흡수하는 작용을 한다.
따라서, 도 23의 전체 도식에서, 터빈발전기 응축물은 비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)에서 예비가열되고, 선택적으로는 탈기되고, 예비가열된 탈기수는 가열기 공급수 예비가열기 (167) 내의 압력 하에서, 주 열교환기 (105)의 유틸리티 사이드 상에서 우세한 압력에서 증기/액체 평형 온도로 또는 그 근처로 가열되고, 플래쉬 탱크 (182)로부터의 액체수는 플래쉬 탱크 예비가열기 (180) 내의 압력 하에서 가열된다. 이러한 각각의 단계에서, 열 공급원은 보조 산 스트림이다. 가열기 공급수 예비가열기 (167)를 나가는 가압된 물은, 열 회수 흡수 영역을 나가는 흡수 액체로부터 열을 전달함으로써 중간 압력의 스팀으로 전환하기 위해서 주 열교환기 (105)에 전달된다.
가열기 공급수를 예비가열하고, 스팀을 발생하기 위해서 보조 흡수 액체로부터 사용가능한 에너지는, 플래쉬 탱크가 컨버터 기체 중에 함유된 SO3와의 반응에 필요한 상당한 분획의 수증기를 제공할 수 있게 하기에 충분하다. 필요할 경우, 열 회수 흡수 영역에 들어가는 삼산화황-포함 기체 스트림에 주입하기 위한 소정의 목적하는 수증기의 유동을 제공하기 위해서 추가적인 낮은 압력 스팀이 도입될 수 있다.
도 6은 흡수 시스템의 업스트림에서 SO3 전환 기체 스트림에 스팀을 주입하기 위한 시스템을 도시한다. 도면에는 열 회수 탑 (101), 1차 흡수 영역 (103) 및 SO3 전환 기체 공급 도관 (129)이 도식적으로 도시되어 있다. 대기 스팀은 도관 노즐 (143) 내에서 공통축을 갖도록 배열되고, 도관 노즐 상의 플랜지 (147)에 고정된 플랜지 (145) 상에 지지된 폴리테트라플루오로에틸렌 캡슐화된 주입 노즐 (141)을 통해서 공급원 (139) (예를 들어, 도 10의 제1 보조 열교환기 (131))으로부터 수증기 주입 영역 (127)으로 공급된다. 도관 노즐은 도관 (129) 내의 엘보 (149) 상에 위치한다. 스팀과 전환 기체의 혼합은, 기체 유동 방향에 대해서 주입 노즐의 다운스트림에서 도관 (129)의 내벽 상의 배플 (151)에 의해서 촉진된다. 바람직하게는, 혼합은 황산이 응축될 수 있는 저온 스팟을 생성할 수 있는 국부 조성 및 온도 기울기를 방지하기에 충분하다. 배플 (151) 또는 고정된 혼합 탭 및 도관 (129)은, 예를 들어, 미국 특허 제4,929,088호에 기재된 바와 같이 적합하게 구축되어 있으며, 내부식성 코팅이 제공될 수 있다. 지지대 (153)는 도관 (129)을 지탱하지만, 황산이 응축될 수 있는 저온 스팟을 생성하는 것을 회피하기 위해서 이로부터 열적으로 단리된다. 지지대는 산 응축물의 임의의 축적을 수집하기 위한 오목부 (157)인 힐(heel)에서, 제2 엘보 (155)의 다운스트림에 위치한다. 산 벽돌 또는 타일 (159)은 배수 밸브 (161)와 소통하는 낮은 스팟을 제공하기 위해서 기울어진 오목부의 하부에 채워져 있으며, 이것을 통해서 임의의 산 응축물은 밸브와 연결될 수 있는 트랩 또는 시일(seal)을 통해 주기적으로 제거될 수 있다.
추가로 본 발명에 따르면, SO3 흡수 열을 회수하기 위한 공정은 인터패스 흡수기를 포함하는 기존의 접촉식 황산 플랜트에서 작동되며, 이것은 열 회수 흡수 영역을 제공하기 위해서 재조절된다. 열 회수 흡수 영역은, 고온에서 작동하여 고온의 흡수 산을 생성하도록 균형잡혀 있고 구축된 신규 흡수기의 설치에 의해서 제공되며, 신규 열교환기에서 열은 다른 유체로의 열의 전달에 의해서 전달되어, 다른 유체를 약 150℃를 초과하는 온도로 가열한다. 예를 들어, 도 2, 3 또는 9 내지 11에 도시된 바와 같이, 2차 흡수 영역을 제공하는 것이 바람직할 경우, 기존의 인터패스 흡수기가 2차 흡수 영역을 포함하도록 개작될 수 있다.
그러나, 인터패스 탑은 전형적으로는 본래 설계된 기체에 대한 흡수 액체의 매스 유동 비율에서 바람직하게 작동하지 않는다는 것이 밝혀졌다. 인터패스 탑이 전형적으로는 7 내지 12 부피%의 SO3를 함유하는 기체 스트림으로부터 SO3를 회수하기 위해서 설계된 경우, 이것은 전형적으로는 약 6 내지 약 10의 기체에 대한 액체의 매스 유동 비율에서 작동하도록 균형잡혀 있고 구축된다. 그러나, 본 발명에 따라서, 이러한 L/G 범위, 및 상기에 기재된 온도 내에서 2차 흡수 영역을 작동시키는 것은 일부 경우에 과다한 다량의 미스트 발생을 유발한다는 것이 밝혀졌다. 그러나, 놀랍게도, 기존의 인터패스 탑 내에서 작동되는 2차 흡수 영역에서의 미스트 발생 문제는, 인터패스 탑이 본래 설계되고, 균형잡혀 있고, 구축된 L/G보다 뚜렷하게 낮거나 또는 뚜렷하게 높은 L/G에서 작동함으로써 대부분 해결될 수 있다는 것이 추가로 밝혀졌다. 특정 이론에 얽매이고자 함은 아니지만, 약 1.0 내지 약 7.0 범위의 비교적 낮은 L/G에서의 작동은, 탑이 본래 설계된 L/G에서 겪는 급 냉각 및 많은 미스트 발생을 회피하면서, 기체 스트림이 비교적 고온에서 2차 흡수 영역을 통과하는 것을 가능하게 한다고 여겨진다. 한편, 약 14 내지 약 18 범위의 비교적 높은 L/G에서의 작동은, 급 냉각 효과를 본질적으로 회피하는 것은 아니지만, 미스트가 발생될 때 미스트를 제거하고, 기체 스트림이 2차 흡수 영역을 나가기 전에 2차 흡수 액체에서 미스트 산을 포획하는 과량의 액체 유동을 제공한다. 이러한 설명이 사후에 시도될 수 있지만, 미스트 발생 문제는 이들이 전형적으로는 인터패스 탑 설계 L/G 조건일 때 불리할 것이라는 예측에는 어떠한 근거도 없으며, 더 높은 L/G 또는 더 낮은 L/G, 이들 모두 보다 훨씬 더 작은 것이 이러한 문제에 대한 실질적인 해결책을 제공할 것이라는 예측에는 아주 약간의 근거가 존재한다는 것은 사실이다.
추가로, 본 발명은 황산에서 SO3의 흡수 열을 고온에서 회수하기 위해서 기존의 인터패스 흡수기를 포함하는 기존의 접촉식 황산 플랜트를 재조절하는 방법에 관한 것이다. 방법에 따라서, 신규 흡수기는 삼산화황을 포함하는 컨버터 기체를 전달받기 위해서 설치된다. 신규 흡수기는, 황산을 포함하는 1차 흡수 액체에서 SO3의 고온 흡수를 위해서 설계된 1차 흡수 영역을 포함하여, 그곳에서 추가의 황산을 생성한다. 신규 흡수기는 고온에서 작동하고, 고온 흡수 산을 발생시키도록 구축되고, 균형잡혀 있다.
재조절 방법은 SO3 흡수 열을 1차 흡수 액체로부터 다른 유체로 전달하도록 설계된 고온 열교환기를 설치하여, 적어도 150℃의 온도로 다른 유체를 가열하는 것을 포함한다. 바람직하게는, 고온 열교환기는 스팀이 적어도 약 0.4 메가파스칼 (4 바아)의 압력에서 발생되는 흡수 열 회수 가열기를 포함한다. 신규 흡수기의 1차 흡수 영역과 고온 열교환기 사이에서 1차 흡수 액체를 순환시키기 위한 수단이 제공된다. 이러한 순환 수단은 전형적으로는 신규 흡수기에서 적어도 18,440 ㎏/㎡-hr (3,770 lb/ft2-hr)의 흡수 액체 매스 유량을 생성하기에 충분한 용량을 갖는 큰 부피의 산 펌프, 신규 흡수기의 산 출구를 신규 열교환기의 입구에 연결하는 산 유동 도관, 및 신규 흡수기의 1차 흡수의 입구에 열교환기의 출구를 연결하는 산 유동 도관을 포함한다.
기체 유동 도관은 신규 고온 흡수기를 나가는 기체 스트림을 기존의 인터패스 흡수기의 입구로 안내하기 위해서 설치된다. 이러한 목적을 위해서 도관 형상에서 어떠한 수정이 필요하던지 간에, SO3-포함 컨버터 기체를 인터패스 탑에 공급하기 위해서 미리 제공된 기체 도관은 신규 흡수기로 재안내된다.
추가로, 기존의 인터패스 흡수기를 통해 2차 흡수 액체를 순환시키기 위한 수단이 제공되며, 여기서, 잔류하는 SO3는 2차 흡수 액체로의 전달에 의해서 1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림으로부터 제거될 수 있다. 이롭게는, 흡수 열 회수 열교환기를 나가는 흡수 액체는 분할되어 1차 흡수 영역을 재순환하는 1차 흡수 액체, 및 기존의 인터패스 탑의 상부로 전달되는 2차 흡수 액체를 제공할 수 있다. 따라서, 이러한 실시양태에서, 인터패스 탑 위로 순환하기 위한 수단은 흡수 열의 회수를 위해서 신규 흡수기와 신규 열교환기 사이에서 흡수 산을 순환시키기 위해서 설치된 펌프와 함께, 2차 흡수 액체를 분할 지점으로부터 인터패스 탑의 상부로 안내하기 위해서 설치된 도관을 포함한다.
2차 흡수 액체를 순환시키기 위한 수단은, 2차 흡수 영역에서 기체에 대한 2차 흡수 액체의 매스 유동 비율이 약 1.0 내지 약 7.0 또는 약 14 내지 약 18이도록 하는 크기이고/이거나 유동 제어 설비가 필요하다.
추가로 본 발명에 따라서, 흡수 시스템이 높은 삼산화황의 농도, 예를 들어, 11 부피% 내지 13 부피% 범위를 함유하는 입구 컨버터 기체 스트림으로 작동되는 경우 매우 높은 비율의 중간 압력 스팀 발생이 실현될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 높은 산화황 수준은, 금속성 플랜트에서 또는 과량 공기의 감소된 비율에서의 작동에서 발생된 SO2의 전환에 의해서 실현될 수 있다. 기체 스트림에서 비응축성 물질에 대한 감소된 현열 손실로 인해서, 중간 압력 스팀은 적어도 0.4 메가파스칼 (4 바아) 게이지의 압력에서, 흡수 영역에 들어가는 SO3로부터 발생된 황산 1 킬로그램 당 적어도 약 0.50 ㎏ (0.50 톤/톤)의 양으로 발생될 수 있다. 기체 농도가 상기에 기재된 바람직한 높은 범위이고, 필요한 반응수의 70%를 초과하는 양이 수증기로서 열 회수 흡수 영역에 앞서서 컨버터 기체 스트림에 주입되는 경우, 0.4 메가파스칼 게이지 이상에서 스팀이 순수한 황산 생성물 1 킬로그램 당 적어도 약 0.55 ㎏ (0.55 톤/톤)의 양으로 발생될 수 있다. 반응수의 80%를 초과하는 양이 열 회수 흡수기에 앞서서 증기로서 주입되는 경우, 0.4 메가파스칼 게이지 이상에서 스팀이 순수한 황산 생성물 1 킬로그램 당 적어도 약 0.60, 더 바람직하게는 적어도 약 0.65, 가장 바람직하게는 적어도 약 0.70 ㎏ /킬로그램 (0.70 톤/톤)의 양으로 발생될 수 있다. 대략적으로, 스팀은 순수한 황산 생성물 1 킬로그램 당 0.4 내지 약 0.9 ㎏ (0.4 내지 약 0.9 톤/톤)의 범위로 발생될 수 있다.
높은 기체 농도에서의 작동은, 흡수 열 회수 시스템이 인터패스 접촉식 산 설비를 위한 인터패스 흡수기로서 작용하는 경우, 특히 매력적일 수 있다. 높은 기체 농도 및 감소된 과량의 공기 모두는, 컨버터를 나가고 열 회수 흡수 시스템을 통과하는 기체 스트림에서 약간 높게 잔류하는 SO2 함량을 유발한다. 그러나, 기체가 추가의 컨버터 단계 그리고 그 뒤에 최종 흡수기로 되돌아가는 경우, 최종 황산 수율에서 실제 손실은 없는 것으로 무시해도 될 정도로 없다.
상기에 기재된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시양태는, 이롭게는 인터패스 접촉식 황산 플랜트에서 시행될 수 있고, 여기서, 열 회수 흡수기는 인터패스 흡수기로서 작용하며, 도 2, 3 및/또는 9 내지 11에 예시된 바와 같은 2차 흡수 영역이 존재하거나 존재하지 않는다. 그러나, 열 회수 시스템은 또한 단일 통과 산 플랜트에서 시행될 수 있고, 여기서, 열 회수 흡수 시스템은 단독 흡수 시스템으로 제공된다는 것을 이해할 것이다. 후자의 예에서, 추가의 대안은 열 회수 흡수기를 나가는 기체 스트림을 응축 단계로 안내하는 것이며, 여기서, 실질적으로 100%의 증기 상 산 및 잔류하는 물 및 SO3는 진한 황산의 형태로 응축된다. 이러한 실시양태에서, 응축 열 전달 표면은 진한 황산의 응축을 위해서 본 기술 분야에서 공지된 물질로 구성될 수 있다.
하기 실시예는 본 발명의 공정을 추가로 설명한다.
실시예 1
도 2에 도시된 공정에서, 165℃의 온도에서, 50 표준 입방 미터/초(106,000 표준 입방 피트/분)의 속도로 유동하고, 11.6 몰%의 SO3, 0.6 몰%의 SO2, 4.2 몰%의 O2, 및 83. 6 몰%의 N2를 함유하는 무수 SO3 전환 기체 스트림이 간접 열교환기를 통과하여, 과열된 스팀으로의 전달에 의해서 SO2의 반응 열 및 SO3를 회수한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 165℃에서 스팀 과열기를 나가는 SO3 기체 스트림은 약 0.2 메가파스칼 (18 psia)의 절대 압력에서 수증기 주입 영역 (127)에 전달된다. 주입 영역 (127)에서, 기체 라인 내의 압력보다 적어도 약 0.1 메가파스칼 (1 바아)이 높은 압력에서 스팀은, 기체 스트림에서 대응하는 SO3에 대한 대응하는 수증기의 몰 비를 약 0.95 내지 1.0으로 설정하기에 충분한, 4.3 ㎏/s (570 lbs/min)로 기체 스트림에 주입된다. 수증기 주입 영역에서, SO3와 수증기의 증기 상 반응 열은 기체 스트림의 온도를 312℃로 상승시킨다.
전환 기체는 1차 열 회수 흡수 영역 (103) 아래의 기체 입구 (123)를 통해서 도 2의 열 회수 탑 (101)에 도입된다. 기체는 열교환기 또는 가열기 (105)로부터 재순환된 1차 흡수 산 분획과 2차 흡수 영역 (115)의 산 출구로부터 하향으로 유동하는 2차 흡수 산을 합하여 형성된 1차 흡수 산에 대해 향류적으로 흡수 영역을 통해 상향으로 유동한다. 99.5%의 농도 및 200℃의 온도를 갖는 재순환된 흡수 산은 대략 560 ㎏/s (74,000 lbs/min)의 유량으로 산 복귀 입구 (113)를 통해서 탑 (101) 내의 1차 흡수 영역 (103)으로 되돌아가며, 2차 흡수 산은 약 48.5 ㎏/s (6,400 lbs/min)의 속도 및 대략 190℃의 온도에서 2차 흡수 영역의 산 출구로부터 하향으로 유동한다. 1차 흡수 산이 흡수 영역 (103)을 통해서 하향으로 유동하기 때문에, 황산은 기체 상으로부터 액체 상으로 응축되고 SO3는 기체 상으로부터 액체 상으로 흡수되고, 이것은 물과 반응하여 추가의 황산을 형성한다. 1차 흡수 산은 흡수 영역을 나가고, 산 출구 (109)를 통해서 232℃의 온도 및 대략 630 ㎏/s (83,000 lbs/min)의 유량으로 탑으로부터 제거된다. 수증기가, 흡수 영역에 들어가는 전환 기체에서 대응하는 SO3에 대한 대응하는 수증기의 몰 비가 대략 1.0이 되도록 충분한 속도로 전환 기체에 도입되었기 때문에, 산 농도는 탑 전체에서, 그리고 배출구 (109)를 통해서 탑을 나가는 고온 흡수 산에서 99.5%로 유지된다.
탑 출구 (109)로부터 제거된 산은 가열기 (105)를 통해서 순환되고, 여기서, 열이 산으로부터 전달되어 열 회수 흡수 영역 (103)에서 황산의 응축 및 SO3의 흡수에 의해서 생성된 산 1 순 킬로그램(net kilogram) 당 0.6 ㎏의 스팀 (1 순 톤(net ton) 당 0.6 톤의 스팀)의 비율로 0.9 내지 1 메가파스칼 (9 내지 10 바아)의 압력을 갖는 스팀을 생성한다. 흡수로 생성된 순수한 황산을 제거하는 사이드 스트림을 제외하고, 열교환기 (105)를 나가는 산은 복귀 입구 (113)를 통해서 1차 흡수 영역으로 되돌아간다. 순수한 산 생성물은 대략 25 ㎏/s (2,100 lbs/min)이다.
2차 흡수 산은 60℃의 온도, 대략 48.5 ㎏/s (6,400 lbs/min)의 유량 및 98.5%의 농도로 입구 (117)를 통해서 열 회수 탑 (101) 내의 2차 흡수 영역 (115)에 도입된다. 1차 열 회수 흡수 영역 (103)의 상부를 나가는 고갈 기체는 2차 흡수 산에 대해 향류적으로 2차 흡수 영역 (115)을 통해 상향으로 유동하고, 이로 인해서 잔류하는 SO3 및 H2SO4는 기체 스트림으로부터 2차 흡수 산으로 전달된다. 기체 스트림은 미스트 제거기 (119)를 통해서 흡수 영역의 상부를 나가고, 기체는 70℃의 온도 및 약 44.3 표준 입방 미터/초 (94,000 SCFM)의 유량으로 나간다. 무수 출구 기체 스트림은 대략 0.001 몰%의 SO3, 0.6%의 SO2, 4.2 몰%의 산소, 및 95.2 몰%의 질소를 함유한다.
실시예
2
도 3에 도시된 공정에서, 작동은 1차 흡수 영역이 보다 높은 L/G에서 작동되고, 1차 흡수 영역을 통해서 상응하게 보다 낮은 산 측 온도 증가가 존재하고, 주 열교환기 (105)를 통해서 보다 낮은 산 측 온도 강하가 존재하는 것을 제외하고는, 실시예 1의 것과 유사하다. 주 열교환기 (105)를 나가는 흡수 산은 산 복귀 입구 (113)를 통해서 1차 흡수 영역으로 되돌아가는 1차 흡수 산 스트림, 순수한 산 생성물 스트림, 및 보조 열교환기 (131)에서 60℃로 냉각되는 2차 흡수 산 스트림으로 분할된다. 대안적으로, 주 열교환기 (105)를 나가는 산 스트림은 1차 흡수 산 스트림, 및 보조 열교환기 (131)를 통과하는 보조 산 스트림으로 분할되고, 보조 산 스트림은 그 후 순수한 생성물 스트림, 및 2차 흡수 영역 (115)으로 되돌아가는 2차 산 스트림으로 분할된다.
도 3의 실시양태에서, 재순환된 흡수 산은 약 200℃ 및 710 ㎏/s (94,000 lbs/min)의 속도로 1차 흡수 영역에 들어가고, 여기서, 이것은 2차 흡수 영역 (115)의 하부를 나가는 약 48.5 ㎏/s (6,400 lbs/min)의 산과 혼합된다. 흡수 산은 약 790 ㎏/s (104,000 lbs/min)의 속도 및 226℃의 온도에서 1차 흡수 영역의 하부로부터 제거되고, 순수한 황산 생성물은 약 13.5 ㎏/s (1,800 lbs/min)에서 유지된다. 실시예 1에서와 같이, 산 농도는 1차 흡수 영역 전체에서 99.5%이다. 기체 측 온도, 유동 및 조성은 2차 산 온도, 유동 및 조성이 그러한 것처럼 실시예 1에서와 동일하다.
도 3의 보다 높은 L/G에서의 작동은 1차 흡수 영역에서 증가된 매스 전달, 및 열 회수 탑의 기저부에서 그리고 주 열교환기 (105)에서 약간 더 낮은 부식 가능성을 제공한다.
실시예 3
도 9의 공정에서, 과량의 산소를 함유하는 폐산 플랜트로부터의 습윤 SO2 스트림이 촉매 층을 통과하여 SO2가 SO3로 전환된다. 추가의 수증기가 스팀 주입 영역 (227)에서 기체 스트림에 도입되어 입구 (123)에서 열 회수 탑 (101)에 들어가고 315℃의 온도에서 1차 흡수 영역 (103)으로 유동하는 기체 스트림을 생성한다. 스팀 주입 후 흡수 영역에 도입될 때, 전환 기체는 103 ㎏ 몰/s (13,623 lb 몰/hr)로 유동하고 0.4 부피%의 SO2, 5.4 부피%의 SO3, 2.3 부피%의 산소, 72.7 부피%의 질소, 5.6 부피%의 수증기, 11 부피%의 CO2 및 2.5 부피%의 H2SO4를 포함한다. 흡수 산은 99.5%의 농도, 107 ㎏ 몰/s (14,100 lb 몰/hr)의 유량, 및 204℃의 온도에서 1차 흡수 영역을 떠난다. 주 열교환기 (105)를 통과한 후, 산 스트림은 분할되어 열 회수 흡수 영역 (103)으로 되돌아가는 재순환 산 스트림 및 2차 흡수 산을 포함하는 보조 스트림을 제공한다. 보조 스트림은 희석 영역 (135)에서 물로 희석되어 산 농도가 99.2%로 감소된다. 희석된 산은 제1 보조 열교환기 (131)를 통과하고, 여기서, 열은 기체 공급 도관 (129) 내의 수증기 주입 영역 (127)에서 전환 기체 스트림에 주입하기 위해서 대기압보다 약간 높은 압력에서 스팀을 생성하기 위해서 산 스트림으로부터 전달된다. 제1 보조 열교환기 (131)를 나가는 산은 제2 보조 열교환기 (133)를 통과하고, 여기서, 이것은 예를 들어, 가열기 공급수에 열을 전달함으로써 추가로 냉각된다. 그 후, 산 스트림은 분할되어 8.4 ㎏ 몰/s (1,113 lb 몰/hr)의 속도, 99.2%의 농도, 및 71℃의 온도에서 흡수 시스템으로부터 제거되는 순수한 생성물 분획을 생성한다. 동일한 농도 및 온도에서 남아있는 산 분획은 98.4 ㎏ 몰/s (13,000 lb 몰/시간)의 속도로 산 입구 (113)로 재순환되는 2차 흡수 산을 포함한다.
0.9 메가파스칼 (9 바아)의 압력을 갖는 스팀이 흡수 시스템에서 생성된 순수한 황산 1 킬로그램 당 0.45 ㎏ (0.45 톤/톤)의 비율로 주 열교환기 (105)에서 생성된다.
2차 흡수 영역을 나가는 고갈 기체는 미스트 제거기 (119)를 통과하고, 89 ㎏ 몰/s (11,770 lb 몰/hr)의 속도 및 70℃의 온도에서 흡수 시스템을 떠난다. 고갈 기체는 0.5 부피%의 SO2, 12.7 부피%의 CO2, 2.7 부피%의 산소 및 84.1 부피%의 질소를 포함한다.
실시예 4
도 10의 공정에서, 과량의 산소를 함유하는 황 연소 플랜트로부터의 습윤 SO2 스트림이 촉매 층을 통과하여 SO2가 SO3로 전환된다. 추가의 수증기가 스팀 주입 영역 (127)에서 기체 스트림에 도입되어, 입구 (123)에서 열 회수 탑 (101)에 들어가고, 293℃의 온도에서 1차 흡수 영역 (103)으로 유동하는 기체 스트림을 형성한다. 흡수 영역에 도입될 때, 기체는 0.2 부피%의 SO2, 4.3 부피%의 SO3, 9 부피%의 산소, 79.2 부피%의 질소, 3.7 부피%의 수증기, 및 3.5 부피%의 H2SO4를 포함한다. 기체 스트림은, 주 열교환기 (105)로부터 재순환된 산과 2차 흡수 영역 (115)의 산 출구로부터 하향으로 유동하는 2차 흡수 산을 합함으로써 영역의 상부에서 형성된 1차 흡수 산에 대해 향류적으로 1차 흡수 영역 (103)을 통해서 상향으로 유동한다. 1차 흡수 영역 전체에서 산 농도는 99.5%이다. 1차 흡수 영역을 나가는 고온 1차 흡수 산은 주 열교환기 (105)를 통해서 순환되기 위해서 산 출구 (109)를 통해서 탑 (101)의 하부로부터 제거된다.
주 열교환기 (105)를 나가는 산은 산 복귀 입구 (113)를 통해서 탑으로 되돌아가는 재순환 분획, 및 2개의 보조 열교환기 (131) 및 (133)를 직렬로 통과하는 보조 분획으로 분할된다. 2차 흡수 산 유동 방향에 대해서, 제2 보조 열교환기 (133)의 다운스트림 및 2차 흡수 산 탑 입구 (117)의 업스트림에 존재하는 희석기 (137)에서, 물이 첨가되어 2차 흡수 영역에 들어가는 산의 농도를 99.5% 내지 99.2%로 낮춘다. 희석 열은 2차 산의 온도를 71℃로 상승시킨다. 희석 영역과 탑 입구 (117)의 사이에서, 황산의 순수한 생성물을 포함하는 황산 스트림은 7 ㎏ 몰/s (920 lb 몰/hr)의 속도에서 제거되고, 14.8 ㎏ 몰/s (1,960 lb 몰/시간)에서 유동하는 2차 흡수 산 스트림을 2차 흡수 영역으로 보낸다.
주 열교환기 (105)에서, 0.4 메가파스칼 (4 바아)의 압력을 갖는 스팀이 순수한 황산 생성물 0.86 ㎏/킬로그램 (0.86 톤/톤)의 속도로 생성된다.
2차 흡수 영역을 나가는 고갈 기체는 미스트 제거기 (119)를 통과하고, 78.2 ㎏ 몰/s (10,330 lb 몰/hr)의 속도 및 71.1℃의 온도에서 흡수 시스템을 떠난다. 고갈 기체는 0.2 부피%의 SO2, 10.2 부피%의 산소 및 89.6 부피%의 질소를 포함한다.
실시예 5
도 8에 도시된 바와 같은 공정을 모의실험하였다. 스팀 주입 후, 시스템에 도입된 SO3 전환 기체는 실시예 3에 기재된 금속성 공정 기체로서 동일한 조성을 갖는다. 이 실시예의 공정은 도 3의 공정과 특정 측면에서 유사하지만, 단일 흡수 영역 만을, 즉, 열 회수 흡수 영역만을 포함하며, 2차 흡수 영역은 존재하지 않음을 인식할 수 있다. 흡수 영역이 1단, 2단, 또는 3단의 증기/액체 평형 단계를 포함하는 공정에 대해서 분리 모의실험을 수행하였다.
각각의 경우에, 향류 열 회수 흡수 영역 (203)에 들어가는 전환 기체는 실시예 3에서와 동일한 조성, 온도 및 유량을 갖는다. 각각의 경우에, 순환 흡수 산은 99%의 농도에서 열 회수 흡수 영역을 나가고, 그 후 먼저 열교환기 (205)를 통과하고, 여기서, 산이 183℃로 냉각되고 스팀이 중간 압력에서 발생될 수 있다. 이어서, 열교환기 (205)를 통과한 산은 분할되어 순환 스트림 및 순수한 생성물 스트림을 제공한다. 순수한 생성물은 183℃의 온도에서 1,086 lb 몰/hr이다.
순환 산 스트림은 13,000 lb 몰/hr의 속도에서 보조 열교환기 (231)를 통과하고, 여기서, 산이 60℃로 냉각되고, 이어서 열 회수 흡수 영역 (203) 위의 탑의 상부로 재도입된다. 순환 산 스트림 모두가 탑의 상부로 되돌아가기 때문에, 이와 같이 2차 흡수 영역이 존재하지 않는다. 각각의 경우에 대해서, 각각의 평형 단계를 나가는 기체 스트림의 조성이 표 3에 기재되어 있다. 표 3A는 단일 평형 흡수 단계의 모의실험을 기록하며, 표 3B는 2단의 평형 흡수 단계로 구성된 시스템의 모의실험을 기록하며, 표 3C는 단일 컬럼에서 3단의 평형 흡수 단계를 포함하는 시스템의 모의실험을 기록하며 표 3D는 단일 컬럼에서 4단의 평형 단계를 포함하는 시스템의 모의실험을 기록한다.
[표 3A]
[표 3B]
[표 3C]
[표 3D]
실시예
6
도 11의 공정에서, 황 연소 접촉식 황산 플랜트는 SO2를 SO3로 전환하기 위해서 컨버터를 통과하는 SO2-포함 연소 기체 스트림을 제공하도록 작동된다. 수증기는 주입 포트 (121)를 통해서 주입 영역 (127) 내의 컨버터 기체 스트림에 도입되어, 입구 (123)에서 열 회수 탑 (101)에 들어가는 기체 스트림을 생성하고, 315℃의 온도에서 1차 흡수 영역 (103)으로 유동한다. 흡수 영역 (103)은 패킹, 또는 기체/액체 접촉을 촉진시키기 위한 다른 수단을 포함하며, 이것을 통해서 기체 스트림은 하향으로 유동하는 99.5 중량%의 황산을 포함하는 1차 흡수 액체에 대해서 향류적으로 상향으로 유동한다. 1차 흡수 영역 (103)을 나가는 기체 스트림은 2차 흡수 영역 (115)을 통해서 상향으로 유동하고, 여기서, 이것은 기체 스트림으로부터 잔류하는 SO3를 제거하기 위해서 2차 흡수 액체와 접촉된다. 이어서, 2차 흡수 액체는 98.5 내지 99.2 중량%의 황산 농도에서 2차 흡수 영역의 상부에 들어가고, 약 99.2% 내지 99.5 중량%의 농도에서 2차 흡수 영역의 하부로부터 1차 흡수 영역으로 유동한다.
1차 흡수 영역 (103)의 하부를 나가는 흡수 산은 펌프 (111)를 통해서 가열기를 포함하는 주 열교환기 또는 가열기 (105)를 통해 순환되고, 여기서, 열이 흡수 산으로부터 전달되어 대략 125 psig, 즉, 0.85 메가파스칼 (8.5 바아) 게이지의 압력에서 스팀이 생성된다. 흡수 산은 204℃의 온도에서 가열기 (105)를 나가고, 분할되어 1차 흡수 영역 (103)의 상부로 재순환되는 주 흡수 액체, 및 2차 흡수 영역 (115)의 상부로 재순환되는 2차 흡수 액체를 포함하는 보조 산 스트림을 제공한다.
분할 지점과 2차 흡수 영역의 상부의 산 입구의 사이에서, 보조 산 스트림은 3개의 직렬 간접 열교환기, 즉, 열교환기 (167), (163) 및 (169)를 직렬로 통과한다. 가열기 공급수 예비가열기 (167)는 주 열교환기 (105)에 대한 탈기된 가열기 공급수를 위한 예비가열기이고, 탈기기 보조 열교환기 (163)는 탈기기 (165)를 보조하고, 비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)는 가열기 공급수의 유동에 대해서 탈기기의 업스트림에서 비탈기된 가열기 공급수를 위한 예비가열기이다.
가열기 공급수 예비가열기 (167)에서, 보조 산 스트림은 204℃에서 165℃로 냉각되어, 탈기된 가열기 공급수를 108℃에서 178℃로 가열하고, 이것은 대략적으로 가열기 (105)에서 발생되는 스팀의 압력인 850 ㎪ (8.5 바아)에서 증기 액체 평형 온도이다. 가열기 공급수 예비가열기 (167)를 나가는 가압된 물은 도면에 도시된 바와 같이 바람직하게는 가열기 (105)에 직접 전달된다.
탈기기 보조 열교환기 (163)에서, 보조 산은 165℃에서 115℃로 냉각되어, 108℃의 일정한 온도에서 탈기기 보조 열교환기 (163)와 탈기기 (165) 사이에서 순환되는 상당한 분획의 물을 증발시킨다. 탈기기 보조 열교환기 (163)를 나가는 혼합된 액체수/스팀 혼합물은 탈기기 (165)로 되돌아가고, 여기서, 스팀은 도면에 도시된 바와 같이 바람직하게는 비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)의 물 출구로부터 전달받은 탈기된 가열기 공급수로부터 비응축성 물질을 스트리핑을 하는 것을 돕는 작용을 한다.
비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)에서, 보조 산 스트림은 115℃에서 64℃로 냉각되어 비탈기된 가열기 공급수를 40℃에서 108℃로 가열한다. 비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)를 나가는 보조 산은 2차 흡수 영역 (115)의 상부로 2차 흡수 액체가 복귀하기 전에, 필요에 따라 희석기 (137)에서 물 또는 더 묽은 (예를 들어, 93 중량%) 직교류의 황산으로 희석될 수 있다.
처리되었지만 비탈기된 가열기 공급수는 4,320 lb. 몰/시간으로 공급되고, 공급수 예비가열기에서 40℃에서 108℃로 가열되고, 그 후 탈기기 보조 열교환기 (163)를 나가는 스팀 스트림 및 혼합된 액체수와 함께 탈기기 (165)로 도입된다. 0.07 메가파스칼 (10 psig) 게이지의 압력에서 포화된 추가적인 스팀이 또한 132 lb. 몰/시간의 속도로 탈기기로 도입된다. 탈기기에 도입된 스팀은 비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)로부터 탈기기로 유동하는 비탈기된 가열기 공급수로부터 비응축성 물질을 스트리핑하는 기능을 하여, 대략 99.9 부피%의 수증기를 포함하고 나머지는 비응축성 물질을 포함하는 배기 스트림을 생성한다. 선택적으로는, 추가적인 저압 스팀이 탈기기에 도입되어 탈기기 배기 기체의 수증기 함량을 1차 흡수 영역 (103)에 들어가는 컨버터 기체 스트림의 대응하는 삼산화황 함량에 대한 소정의 비율로 제어한다.
탈기기 보조 열교환기 (163)에서 발생된 스팀을 포함하는 탈기기 배기 기체와 외부 공급원으로부터의 추가적인 스팀의 합은 1차 흡수 영역 (103)에 도입되는 컨버터 기체와의 혼합을 위해서 주입 포트 (121)를 통해서 주입 영역 (127)으로 재순환된다. 700 lb. 몰/시간의 속도의 수증기가 주입 영역으로 재순환되는 탈기기 배기물에 함유되어 있다. 이 중에서, 대략 550 lb. 몰/시간은 2차 흡수 산을 165℃에서 115℃로 냉각함으로써 전달되는 열로부터 발생된다.
탈기기로부터의 응축물은 3,300 lb. 몰/시간의 속도로 탈기기의 하부로부터 주 열교환기 (105)의 유틸리티 사이드 입구로 유동하고, 여기서, 850 ㎪ (8.5 바아)의 압력에서 3,300 lb. 몰/시간의 속도로 스팀이 발생된다. 552 lb. 몰/시간의 응축물의 약간의 추가적인 증가는 접촉식 황산 플랜트의 다른 곳에서, 또는 황산 플랜트가 위치한 제조 플래트의 다른 곳에서 가열기 공급수로서 이용하기 위해서 열 회수 흡수 시스템으로부터 배출된다.
스팀은 순수한 황산 생성물 1 킬로그램 당 0.64 ㎏ (0.64 톤/톤)의 비율로 열교환기 (105)에서 850 ㎪ (8.5 바아)의 압력에서 생성된다.
이 실시예의 실시양태에서, 2차 흡수 액체에 함유된 큰 분획의 에너지는 열 회수 흡수 영역에 들어가는 컨버터 기체 스트림에 주입하기 위한 수증기를 생성하는데 소비된다고 이해될 수 있다.
실시예 7
실시예 7의 공정의 작동은 이의 전체 흐름도에서는 실시예 6의 작동과 실질적으로 동일하지만, 2차 흡수 액체에 함유된 열 에너지의 분포에서는 상당한 차이점이 존재한다.
실시예 7의 작동은 1차 흡수 영역 (103), 중간 압력 스팀의 생성을 위한 주 열교환기 또는 가열기 (105), 및 탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (167)에 대해서는 실시예 6과 동일하다. 탈기된 가열기 공급수가 가열기 공급수 예비가열기 (167) 내의 압력 하에서 가열되는 온도가 그런 것 처럼, 비탈기된 가열기 공급수가 비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)를 통해서 탈기기 (165)를 통과하고, 탈기기 (165)로부터의 탈기된 가열기 공급수가 탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (167)를 통해서 가열기 (105)를 통과하는, 물 측 흐름 도식 또한 동일하다.
그러나, 실시예 7의 공정은 탈기기 보조 열교환기 (163)에서 보조 산 스트림으로부터, 실시예 6의 공정에서보다 훨씬 더 적은 분획의 열을 추출한다. 따라서, 탈기기 보조 열교환기 (163)에서 스팀으로 전환되는 탈기기에 들어가는 물 분획은, 실시예 6에서보다 실시예 7에서 훨씬 적다. 그 결과, 탈기기 배기 기체에서의 단지 약 209 lb. 몰/시간의 수증기 성분이 탈기기 보조 열교환기의 작동에 기인한다. 132 lb. 몰/시간의 속도에서 0.07 메가파스칼 (10 psig) 스팀의 고정된 추가적인 유동과, 주입 혼합 영역 (127)에서 컨버터 기체 스트림과 혼합하기 위해서 주입 포트 (121)로 재순환되는 배기 스트림에서 700 lb. 몰/시간의 총 수증기 함량을 제공하도록 조절되는 두번째 추가적인 스팀 공급의 조합으로부터 491 lb. 몰/시간의 추가 성분이 얻어진다.
그러나, 비탈기된 가열기 공급수 예비가열기 (169)를 통해서 도입되는 더 적은 양의 공급수가 증발되기 때문에, 실시예 7의 도식은 실시예 6의 실시양태에서보다 훨씬 더 많은 탈기된 응축물의 공급을 제공한다. 따라서, 가열기 공급수 예비가열기 (167) 및 가열기 (105)에 3,300 lb. 몰/시간의 탈기된 가열기 공급수를 공급한 후, 탈기기는 접촉식 산 설비의 다른 곳에서 또는 제조 플랜트의 다른 곳에서 사용하기 위해서 108℃에서 또다른 5,593 lb. 몰/시간의 탈기된 가열기 공급수를 배출한다.
스팀은 순수한 황산 생성물 1 킬로그램 당 0.56 순 ㎏ (0.56 순 톤/톤)의 비율로 주 열교환기 (105)에서 발생된다.
모든 추가적인 스팀은 주 열교환기에서, 또는 접촉식 산 플랜트 또는 더 큰 제조 설비의 다른 곳에서 스팀의 생성을 위해서 사용되는 생성물 황산 스트림에서 공정수로서 또는 탈기된 가열기 공급수로서 회수된다.
상기 내용에 비추어 보면, 본 발명의 몇몇 목적들이 달성되고 다른 유리한 결과가 성취되었음을 알 수 있을 것이다.
발명의 범주로부터 벗어나지 않고서도 다양한 변화가 상기에서 이루어질 수 있기 때문에, 상기 명세서에 포함되고 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 제한적인 의미가 아닌 예시적인 것으로 해석되어야 함이 의도된다.
본 발명 또는 그의 바람직한 실시 형태(들)의 요소를 도입하는 경우, 관사("a", "an", "the") 및 "상기"는 하나 이상의 요소들이 있음을 의미하는 것으로 의도된다. "포함하는", "구비하는" 및 "갖는"이라는 용어들은 포괄적인 것으로 열거된 요소들 이외에 부가적인 요소들이 있을 수 있음을 의미하는 것으로 의도된다.
Claims (148)
- 연소 영역에서 황을 과량의 산소를 포함하는 무수 기체 중에서 연소시켜 이산화황, 산소, 및 SO2 1 몰 당 0.005 몰 이하의 수증기를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 단계;
상기 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을, 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉시켜, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3 1 몰 당 0.005 몰 이하의 수증기를 함유하는 전환 기체로 전환하는 단계;
전환 기체를 황산을 포함하는 흡수 액체와 1차 열 회수 흡수 영역에서 접촉시켜, 황산을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달하는 단계;
기체 스트림이 1차 열 회수 흡수 영역에 들어가기 전에, 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 0.55 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 1차 열 회수 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 수증기를 도입하는 단계; 및
상기 흡수 액체를 상기 1차 열 회수 흡수 영역과 간접 열교환기 - 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생되는 열이 열 전달 유체로 전달됨 - 사이에서 순환시켜, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열하는 단계
를 포함하는 황산의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 수증기 도입 단계에서 산화황-포함 기체는 전환 기체이고, 수증기는 기체 유동 방향에 대해서 상기 1차 열 회수 흡수 영역의 업스트림에서의 수증기 주입 영역에서 상기 전환 기체에 도입되는 방법.
- 제2항에 있어서, 전환 기체는 상기 수증기 주입 영역과 상기 1차 열 회수 흡수 영역 사이에서 전환 기체 스트림 중 임의의 성분의 중간 응축 없이 1차 열 회수 흡수 영역에 도입되는 방법.
- 황 공급원을 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 연소시켜 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 단계;
상기 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을, 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉시켜, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환하는 단계;
전환 기체를 황산을 포함하는 흡수 액체와 열 회수 흡수 영역에서 접촉시켜, 삼산화황을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달하는 단계;
상기 흡수 액체를 상기 흡수 영역과, 열이 주 열 전달 유체로 전달되는 주 열교환기 사이에서 순환시켜, 상기 주 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열하는 단계;
상기 주 열교환기를 나가는 흡수 액체 스트림을 분할하여 상기 열 회수 흡수 영역으로 재순환되는 주 흡수 액체 스트림, 및 보조 흡수 액체 스트림을 제공하는 단계;
상기 보조 흡수 액체 스트림을 탈기기 보조 열교환기에 통과시키는 단계 - 열은 탈기 스팀의 발생을 위해서 상기 탈기기 보조 열교환기에서 상기 보조 흡수 액체 스트림으로부터 물 스트림으로 전달됨 -;
탈기 스팀을 탈기기로 안내하는 단계 - 여기서, 가열기 공급수는 가열기 공급수로부터 비응축성 물질을 스트리핑하기 위해서 탈기 스팀과 접촉됨 -;
수증기 및 비응축성 기체를 포함하는 탈기기 배기 스트림을 상기 탈기기로부터 제거하는 단계; 및
상기 탈기기 배기 스트림 중의 수증기를 기체 유동 방향에 대해서 흡수 영역의 업스트림에서 전환 가스에 도입하는 단계
를 포함하는 황산의 제조 방법. - 인터패스 흡수기를 포함하는 접촉식 황산 제조 설비 - 상기 설비는 적어도 150℃의 온도에서 유용한 형태로 SO3의 흡수 열을 회수하는 공정에 따라서 작동되도록 재조절됨 -에서 황산을 제조하는 방법으로서,
황 공급원을 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 연소시켜 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 단계;
상기 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을, 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉시켜, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환하는 단계;
전환 기체를 황산을 포함하는 1차 흡수 액체와 1차 흡수 영역에서 접촉시켜, 삼산화황을 흡수하고/하거나 황산을 전환 기체로부터 1차 흡수 액체로 전달하는 단계;
상기 1차 흡수 영역과 간접 열교환기 - 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 1차 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생되는 열이 열 전달 유체로 전달됨 - 사이에서 상기 흡수 액체를 순환시켜, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열하는 단계; 및
1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림을 황산을 포함하는 2차 흡수 액체와 2차 흡수 영역에서 접촉시키는 단계 - 상기 2차 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림 중에 함유된 잔류하는 SO3는 2차 흡수 액체에서 황산으로서 회수되며, 여기서,
상기 2차 흡수 영역은 상기 재조절 전에 상기 설비에 존재하는 인터패스 흡수기로 구성되고, 상기 2차 흡수 영역에서 기체에 대한 상기 2차 흡수 액체의 매스 유동 비율은 1.0 내지 7.0 또는 14 내지 18임 -를 포함하는 방법. - 황산에서 SO3의 흡수 열을 고온에서 회수하기 위해서 인터패스 흡수기를 포함하는 기존의 접촉식 황산 플랜트를 재조절하는 방법으로서,
삼산화황을 포함하는 컨버터 기체를 전달받기 위해서 신규 흡수기 - 상기 신규 흡수기는 황산을 포함하는 1차 흡수 액체에서 SO3의 고온 흡수를 위해서 설계된 1차 흡수 영역을 포함하여 이곳에서 추가의 황산을 생성함 -를 설치하는 단계;
SO3 흡수 열을 상기 1차 흡수 액체로부터 다른 유체로 전달하여, 다른 유체를 적어도 150℃의 온도로 가열하기 위해서 설계된 고온 열교환기를 설치하는 단계;
상기 1차 흡수 액체를 상기 1차 흡수 영역과 상기 고온 열교환기 사이에서 순환시키기 위한 수단을 설치하는 단계;
상기 신규 흡수기를 나가는 기체 스트림을 2차 흡수 영역을 포함하는, 기존 플랜트의 상기 인터패스 흡수기의 입구로 안내하기 위한 도관을 설치하는 단계; 및
2차 흡수 액체를 상기 인터패스 흡수기를 통해 순환시키기 위한 수단을 설치하는 단계 - 여기서, 잔류하는 SO3는 상기 2차 흡수 액체로 전달됨으로써 상기 1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림으로부터 제거될 수 있고, 상기 2차 흡수 액체를 순환시키기 위한 상기 수단은 상기 2차 흡수 영역에서 기체에 대한 상기 2차 흡수 액체의 매스 유동 비율이 1.0 내지 7.0 또는 14 내지 18이도록 하는 크기이고/이거나 유동 제어 설비가 필요함 -를 포함하는 방법. - 황 공급원을 과량의 산소를 포함하는 기체 중에서 연소시켜 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 단계;
상기 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을, 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉시켜, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3를 함유하는 전환 기체로 전환하는 단계;
전환 기체를 황산을 포함하는 1차 흡수 액체와 1차 흡수 영역에서 접촉시켜, 황산을 전환 기체로부터 1차 흡수 액체로 전달하는 단계;
대응하는 수증기 함량을 1차 흡수 영역에 들어가는 기체에서 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 0.40 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 기체 유동 방향에 대해서 1차 흡수 영역의 업스트림에서 수증기를 산화황-포함 기체에 도입하는 단계;
상기 1차 흡수 영역과 간접 열교환기 - 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 1차 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생되는 열이 열 전달 유체로 전달됨 - 사이에서 상기 1차 흡수 액체를 순환시켜, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열하는 단계;
1차 흡수 영역을 나가는 기체 스트림을 2차 흡수 영역 - 상기 2차 흡수 영역에 들어가는 기체 스트림 중에 함유된 잔류하는 SO3는 2차 흡수 액체에서 황산으로서 회수됨 -에서 황산을 포함하는 2차 흡수 액체와 접촉시키는 단계;
2차 흡수 산의 2차 흡수 영역으로의 전달 속도를 제어하여, 기체 상의 국부 벌크 온도와, 기체가 접촉하는 2차 흡수 액체 상의 국부 벌크 온도 간의 차이를 2차 흡수 영역의 액체 입구 및 액체 출구 모두에서 25℃ 이하로 유지시키는 단계; 및
2차 흡수 영역에 들어가는 2차 흡수 산의 농도를 제어하여, 2차 흡수 영역을 나가는 기체의 조성이 물 함량에 대해서는 공비 조성 이상이고, SO3 함량에 대해서는 공비 조성 이하인 것을 보장하기에 충분하게 2차 영역에 순수한 사용가능한 물 공급을 제공하는 단계
를 포함하는 황산의 제조 방법. - 산소-함유 기체를 건조제와 접촉시켜 건조된 산소-함유 기체를 제공하는 단계;
황 및 건조된 산소-함유 기체를 연소 영역에 도입하는 단계 - 상기 영역에 도입되는 산소-함유 기체의 산소 함량은 상기 영역에 도입되는 황에 비해 화학량론적 과량임 -;
황을 건조된 기체의 산소와 연소시켜 이산화황 및 산소를 포함하는 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 생성하는 단계;
상기 연소 기체를 포함하는 산화황-포함 기체 스트림을 이산화황을 삼산화황으로 전환하기 위해서 촉매와 접촉시켜, 산화황-포함 기체 스트림을 SO3 함유 전환 기체로 전환하는 단계;
열 회수 흡수 영역에서 전환 기체를 황산을 포함하는 흡수 액체와 접촉시켜, 황산을 전환 기체로부터 흡수 액체로 전달하는 단계;
기체 스트림이 흡수 영역에 들어가기 전에, 기체의 대응하는 수증기 함량을 대응하는 전체 산화황 기체 함량 1 몰 당 적어도 0.55 몰로 증가시키기에 충분한 비율로 산화황-포함 기체 유동 방향에 대해서 흡수 영역의 업스트림에서 산화황-포함 기체에 수증기를 도입하는 단계; 및
상기 흡수 영역과 간접 열교환기 - 이것에서는 삼산화황과 물의 반응, 황산의 응축, 및/또는 삼산화황의 흡수 액체로의 흡수에 의해서 발생되는 열이 열 전달 유체로 전달됨 - 사이에서 상기 흡수 액체를 순환시켜, 열 전달 유체를 적어도 150℃로 가열하는 단계
를 포함하는 황산의 제조 방법. - 삭제
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