KR102615985B1 - 황산의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SO2를 포함하는 공정 가스로부터 황산의 제조를 위한 공정 설비에 관한 것으로, 그 설비는 공정 가스 입구, 입구 및 출구를 가지는 제1 SO2 변환기, 가스 입구, 가스 출구 및 액체 출구를 가지는 제1 콘덴서, 제1 입구, 제2 입구 및 출구를 가지는 가스 혼합 장치, 입구 및 출구를 가지는 공정 가스 히터, 입구 및 출구를 가지는 제 2 SO2 변환기, 가스 입구, 가스 출구 및 액체 출구를 가지는 제2 콘덴서, 황산의 냉각 및 저장을 위한 하나 이상의 수단 및 정제된 공정 가스 출구를 포함하며,
상기 제1 콘덴서의 가스 출구는 혼합 장치의 제1 입구와 유체 연통되고,
상기 혼합 장치의 출구는 공정 가스 히터의 입구와 유체 연통되며,
상기 공정 가스 히터의 출구는 상기 제2 SO2 변환기의 입구 및 상기 가스 혼합 장치의 제2 입구와 유체 연통되고,
이런 공정 설비와 관련된 유익은 제1 콘덴서를 이탈하는 가스를 가열하는 공정 설비와 비교하여, 에너지 효율적이고 내식 재료에 대한 요구가 감소되는 것이다.
상기 제1 콘덴서의 가스 출구는 혼합 장치의 제1 입구와 유체 연통되고,
상기 혼합 장치의 출구는 공정 가스 히터의 입구와 유체 연통되며,
상기 공정 가스 히터의 출구는 상기 제2 SO2 변환기의 입구 및 상기 가스 혼합 장치의 제2 입구와 유체 연통되고,
이런 공정 설비와 관련된 유익은 제1 콘덴서를 이탈하는 가스를 가열하는 공정 설비와 비교하여, 에너지 효율적이고 내식 재료에 대한 요구가 감소되는 것이다.
Description
본 발명은 황산의 제조 방법에 관한 것이다.
농축 황산 (H2SO4)은 예컨대 비료 제조, 알킬화, 금속 광석 침출 및 이산화 티탄, 종이 및 고무의 제조를 위한 여러 산업 분야에서 사용되는 매우 흔한 화학물질이다.
황산 제조를 위한 대부분의 공급 원료는 오일 및 가스의 탈황으로부터의 원소 황이지만, 또한 탈황 공정으로부터 직접 회수되는 H2S 가스가 광범위하게 사용된다. 금속 제련 공정 중에 방출된 SO2 또한 중요한 공급 원료이다.
황 기반 공급 원료를 황산으로 변환시키는 공정은 수없이 많지만, 그것들의 대부분은 동일한 기본 레이아웃 (layout): 황 기반 공급 원료의 SO2를 포함하는 가스로의 변형, SO2의 SO3으로의 촉매적 산화 및 원하는 황산 생성물을 회수하기 위한 SO3의 H2SO4 용액으로의 흡수 또는 H2SO4로의 응축을 공유한다.
공급 원료 조성 및 지역적인 환경 제정법에 따라, 바람직한 SO2 변환 효율은 그 공정 레이아웃을 나타낸다. 고 SO2 농도 및 고 SO2 변환 효율을 위해서는, 황산 설비를 위한 대부분의 통상적인 공정 레이아웃은 소위 이중 변환 타입: 제1 SO2 산화 및 제1 황산 회수와 이어서 제2 최종 SO2 산화 및 제2 최종 황산 회수의 것이다. 생성물의 제1 회수는 제2 SO2 단계에서 선호되는 SO2 변환 열역학을 보장하고 이때 99.95%를 초과하는 그런 레이아웃 전체의 SO2 변환 효율이 이루어질 수 있다.
본 개시는 상이한 황 함유 공급 원료의 처리를 위한, 선행 기술보다 간단한 레이아웃 및 더 높은 열 회수율을 가지는 그런 황산 설비 레이아웃을 기술한다. 구체적으로, 본 개시는 더 적은 열 교환 면적, 감소된 작동 비용 및 황산 설비의 더 강력한 작동을 제공하는, 제1 황산 응축 단계 및 제1 공정 가스 재가열 단계의 레이아웃의 개선점을 기술한다.
정의
본원에서 사용되는 황산 설비는 공정 장비 및 공급 가스 입구, SO2의 SO3으로의 촉매적 변환 및 황산을 형성하기 위한 SO3의 수화를 포함하는 공정, 뿐만 아니라 밸브, 펌프, 열 교환기 등을 포함하는 관련 지지 공정들로서 인지되어야 한다.
본원에서 사용되는 촉매적 활성 물질은, 한정하는 것은 아니지만 촉매 펠릿, 압출 촉매, 모노리스 촉매 및 촉매적 활성 물질로 코팅된 표면을 포함하여, 임의의 형태 및 형상의 촉매일 수 있다. 촉매적 활성 물질은, 한정하는 것은 아니지만 다음의 활성 물질, 알칼리-바나듐, 백금, 세슘, 산화 루테늄 및 활성 탄소를 포함하여, SO2의 SO3으로의 산화를 촉매하는 것으로 기술분야에 알려져 있는 임의의 물질을 포함할 수 있다.
본 텍스트 전체를 통해, 사소하지만 중요한 엘레먼트, 예컨대 펌프, 밸브 및 열 교환기는 분명하게 언급되지 않을 수 있지만, 그런 생략이 부재로 분명하게 언급되지 않는 한, 그 엘레먼트들의 부재로서 해석되지 않아야 한다.
출원 전체를 통해 화학적 화합물은 화학식, 화학명 또는 관용명에 의해 언급될 수 있다. 이것들은 완전히 동의어로서 인지되어야 하고, 이 용어의 차이로부터 특수한 의미가 부여되지 않아야 한다.
바로 상류 또는 바로 하류와 같은 용어가 사용되는 경우에, 그것은 단지 무의미한 공정 단계 또는 엘레먼트가 논의된 두 공정 단계 또는 엘레먼트 사이에 존재하는 것을 나타낸다.
하기에서 단위 Nm3은 "정상" m3인 것으로, 즉 가스의 양이 0℃ 및 1기압에서 이 부피를 취하는 것으로서 인지되어야 한다.
가스의 한 성분에 대한 이슬점 (예컨대 황산 이슬점)은 가스 상 (gas phase)으로부터 그 성분 (황산)이 응축되기 시작하는 온도 및 압력이다.
일반적으로 화학 반응은 구체적으로 진술되지 않는 한, 변환, 분해, 반응 또는 산화의 용어들 중 임의의 것에 의해, 그 용어로부터 취해져야 하는 임의의 특수한 이해 없이도 기술될 수 있다.
가스 상의 농도 (%)가 주어지는 경우, 그것들은 다르게 명시되지 않는 한 몰 농도이다.
본원에서 사용되는 바, 가스 형태의 삼산화 황의 농도는 모든 육가 황이 삼산화 황으로서 존재한다는 추정하에 몰%로서 진술되고, 따라서 그것은 가스 황산으로 수화된 삼산화 황뿐 아니라 삼산화 황을 포함한다. 유사하게 만약 물 농도가 "수화되지 않은" 것으로서 진술된다면, 그것은 물이 황산에 결합되지 않은 것으로 추정된다.
용어 유체 연통은 한정하는 것은 아니지만, 열 교환기의 동일 측을 통한 파이프 및 배관을 통한 연결을 포함하여, 그러나 촉매 충전된 반응기를 통한 연결은 배제한, 두 공정 엘레먼트 사이의 임의의 실질적으로 방해받지 않는 연결로서 해석되어야 한다.
용어 열 연통은 한정하는 것은 아니지만 열 교환기를 통한 동일한 열 교환기의 별도 측에 존재하고 있는 열 연통되는 두 매질과의 연결 또는 열 교환 매질을 통한 열적 연결에 의한 연결을 포함하여, 두 공정 엘레먼트 사이의 임의의 실질적으로 방해받지 않는 열적 연결로서 해석되어야 한다.
본 발명의 광범위한 측면은 공정 가스 입구, 입구 및 출구를 가지는 제1 SO2 변환기, 가스 입구, 가스 출구 및 액체 출구를 가지는 제1 콘덴서, 제1 입구, 제2 입구 및 출구를 가지는 가스 혼합 장치, 입구 및 출구를 가지는 공정 가스 히터, 입구 및 출구를 가지는 제 2 SO2 변환기, 가스 입구, 가스 출구 및 액체 출구를 가지는 제2 콘덴서, 황산의 냉각 및 저장을 위한 하나 이상의 수단 및 정제된 공정 가스 출구를 포함하고,
상기 공정 가스 입구는 제1 SO2 변환기의 입구와 유체 연통되며,
제1 SO2 변환기의 출구는 제1 콘덴서의 가스 입구와 유체 연통되고,
제1 콘덴서의 액체 출구는 황산의 냉각 및 저장을 위한 상기 수단들 중 하나와 유체 연통되며,
상기 제1 콘덴서의 가스 출구는 혼합 장치의 제1 입구와 유체 연통되고,
상기 혼합 장치의 출구는 공정 가스 히터의 입구와 유체 연통되며,
상기 공정 가스 히터의 출구는 상기 제2 SO2 변환기의 입구 및 상기 가스 혼합 장치의 제2 입구와 유체 연결되고,
제2 SO2 변환기의 출구는 제2 콘덴서의 가스 입구와 유체 연통되며,
제2 콘덴서의 액체 출구는 황산의 저장을 위한 상기 수단들 중 하나와 유체 연통되고,
상기 제2 콘덴서의 가스 출구는 정제된 공정 가스 출구와 유체 연통되는, SO2를 포함하는 공정 가스로부터 황산의 제조를 위한 공정 설비에 관련되며,
상기 가스 혼합 장치의 제1 입구는, 중간의 열 교환 없이, 상기 제1 콘덴서의 출구와 유체 연통되는 것을 특징으로 하고,
그런 공정 설비로 얻어지는 유익은 제1 콘덴서를 이탈하는 가스를 가열하는 공정 설비와 비교하여, 에너지 효율적이고 내식 재료에 대한 요구가 감소되는 것이다.
추가의 구체예에서 상기 혼합 장치는 혼합을 증대시키기 위한 하나 이상의 엘레먼트, 예컨대 충돌 포집판 (impingement plates) 또는 팩킹 엘레먼트를 포함하며,
그런 혼합 장치와 관련된 유익은 저온의 부분적으로 탈황된 가스와 재순환된 고온 공정 가스의 증가된 혼합, 및 그로 인한 부식성 황산의 응축의 위험의 감소이다.
추가의 구체예에서 상기 제1 및 제2 콘덴서 중 하나 또는 둘 다는 냉각 매질 입구 및 냉각 매질 출구를 가지는 냉각 매질 엔클로저를 포함하며,
그런 콘덴서와 관련된 유익은 응축 온도의 개선된 조절이다.
추가의 구체예에서 상기 냉각 매질 엔클로저는 압력 쉘이고, 상기 콘덴서는 내식 재료로 만들어진 많은 튜브를 포함하며, 그런 콘덴서와 관련된 유익은 집약적이다.
추가의 구체예에서 상기 냉각 매질 엔클로저는 내식 재료로 만들어진 많은 튜브를 포함하고 상기 콘덴서는 내식 재료로 만들어진 쉘을 포함하여 부식성 공정 가스가 튜브들의 쉘 측에 있는 것을 허용한다.
추가의 구체예에서 공정 설비는 입구 및 출구를 가지는 제2 공정 가스 히터를 포함하며 제2 공정 가스 히터의 상기 입구는 제1 공정 가스 히터의 출구와 유체 연통되고 제2 공정 가스 히터의 출구는 제2 SO2 변환기와 유체 연통되며, 제1 및 제2 공정 가스 중 적어도 하나는 제2 SO2 변환기의 출구와 열 연통되고, 이때 관련된 유익은 제2 SO2 변환기에서 발생된 열의 회복으로부터의 개선된 열 통합이다.
추가의 구체예에서 황산 제조용 공정 설비는 공급 원료 입구, 산화제 입구, 선택적 지지체 연료 입구 및 출구를 가지는 소각로를 추가로 포함하고, 상기 황을 포함하는 공급 원료는 상기 공급 원료 입구와 유체 연통되며, 산화제, 예컨대 공기, 가열된 공기 또는 산소 풍부 가스는 상기 산화제 입구와 유체 연통되고, 선택적 지지체 연료 공급은 상기 지지체 연료 입구와 유체 연통되며 소각로 출구는 상기 공정 가스 입구와 유체 연통되고, 불순물을 포함하는 폐황산뿐 아니라 H2S와 같은 환원 황 및 원소 황을 포함하여, 황을 포함하는 광범위한 공급 원료와 관련된 유익은 소각로를 포함하는 그런 공정 설비와 부합하는 것이다.
발명의 추가 측면은 SO2 및 O2를 포함하는 공정 가스를 SO2의 SO3으로의 산화에 촉매적으로 활성인 물질과 접촉하도록 하여 산화된 공정 가스를 제공하는 단계,
선택적으로 SO3의 H2SO4로의 수화를 위해 물을 상기 공정 가스 또는 산화된 공정 가스에 첨가하고 그것을 제1 콘덴서로 보내는 단계,
상기 제1 콘덴서로부터 응축된 H2SO4 및 적어도 150℃, 160℃ 또는 180℃ 내지 190℃, 200℃ 또는 220℃의 온도를 가지는 부분적으로 탈황된 가스를 회수하는 단계,
상기 부분적으로 탈황된 가스를 재순환된 고온 중간 공정 가스와 조합하여 중간 공정 가스를 제공하는 단계,
상기 중간 공정 가스를 하나 이상의 열 교환기에서 열 교환에 의해 가열하여 고온 중간 공정 가스를 제공하는 단계,
상기 고온 중간 공정 가스의 일정량을 재순환된 고온 중간 공정 가스로서 회수하는 단계,
상기 고온 중간 공정 가스를 SO2의 SO3으로의 산화에 촉매적으로 활성인 제2 물질로 향하게 하여 완전히 산화된 공정 가스를 제공하는 단계,
선택적으로 SO3의 H2SO4로의 수화를 위해 물을 상기 고온 중간 공정 가스 또는 완전히 산화된 공정 가스에 첨가하고 그것을 제2 콘덴서로 보내는 단계,
상기 제2 콘덴서로부터 응축된 H2SO4 및 탈황된 가스를 회수하는 단계를 포함하는 황산 제조 방법에 관련되며,
이런 방법과 관련된 유익은 제1 콘덴서로부터 회수된 가스가 더 낮은 온도를 가지는 동등한 방법과 비교하여 열적으로 더 효율적이고 더 저렴한 장비 비용을 가지는 것이다.
추가의 구체예에서 제1 SO2 변환기로 들어가는 공정 가스의 온도는 360℃, 370℃ 또는 380℃ 내지 400℃, 410℃ 또는 420℃이고, 이런 공정 조건과 관련된 유익은 SO2의 SO3으로의 변환에서 고도로 효과적인 것이다.
추가의 구체예에서 제1 콘덴서로 들어가는 공정 가스의 온도는 240℃, 260℃ 또는 280℃ 내지 290℃, 300℃ 또는 310℃이고, 이런 공정 조건과 관련된 유익은 부분적으로 변환된 공정 가스를 냉각 및 재가열하기 위해 필요한 에너지의 손실을 감소시키는 것이다.
추가의 구체예에서 SO2의 SO3으로의 산화에 촉매적으로 활성인 상기 물질은 알칼리-바나듐, 백금, 세슘, 산화 루테늄 및 활성 탄소로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 한 원소를 포함하고, 이런 촉매적 활성 물질과 관련된 유익은 SO2의 SO3으로의 산화에 대해 고도로 선택적이고 강력하다는 것이다.
추가의 구체예에서 공정 가스는 1 내지 10 몰%의 SO2를 포함하고, 이런 공정 가스와 관련된 유익은 설비의 열 평형을 유지하기 위해 적절한 열 방출을 가진다는 것이다.
추가의 구체예에서 황산의 제조 방법은 황이 풍부한 공급 원료를 산화제의 존재하에 소각하여 상기 공정 가스를 형성하는 추가 단계를 포함하며, 이런 공정과 관련된 유익은 불순물을 포함한 폐황산뿐 아니라 H2S와 같은 환원 황 및 원소 황을 포함하여, 황을 포함하는 광범위한 공급 원료를 활용할 수 있다는 것이다.
추가의 구체예에서 고온 재순환된 공정 가스의 온도는 360℃, 370℃ 또는 380℃ 내지 400℃, 410℃ 또는 420℃이며, 이런 온도를 가진 가스와 관련된 유익은 부분적으로 탈황된 가스의 재가열에 꽤 적합하고 동시에 SO2의 SO3으로의 촉매적 산화에 적합하다는 것이다.
추가의 구체예에서 부분적으로 탈황된 가스와 재순환된 고온 중간 공정 가스의 흐름 사이의 비율은 12:1 내지 4:1이며, 이런 비율과 관련된 유익은 흐름을 혼합하는 능력과 황산 이슬점을 안전하게 초과하는 수준으로 재가열된 부분적으로 탈황된 가스의 온도를 상승시키는 능력 사이의 양호한 균형이다.
황 기반 공급 원료를 황산으로 변환시키는 방법은 소위 습식 황산 공정을 포함하는데, 그 공정에서 황 기반 공급 원료는 SO2로 변형되고, 그것은 SO3으로 촉매적으로 산화되며 수화되어 H2SO4를 형성하고, 그것은 응축되어 원하는 산 생성물이 제조된다.
황산 제조를 위한 설비의 열 관리는 복잡하다. SO2의 SO3으로의 산화는 촉매의 존재하에 360℃를 초과하는 활성화 온도를 필요로 하는 발열 과정이다. SO2 발열 효율은 보통 고온에서 SO2를 향해 이동하는, 화학적 평형에 의해 제한된다. 그러므로 부분적으로 변환된 공정 가스 온도는 선호하는 평형 조건을 얻기 위해 촉매 활성화 온도를 초과하는 온도를 여전히 유지하면서, 층간 (interbed) 열 교환에 의해 감소된다.
응축된 농축 H2SO4가 고도로 부식성이기 때문에 변환된 공정 가스 온도는 H2SO4의 의도하지 않은 응축을 피하기 위해 황산 이슬점을 초과해야 한다. 응축이 일어나는 것으로 의도된 설비의 섹션은, 적어도 응축 조건이, 예컨대 공기로의 희석에 의해 또는 이슬점 온도를 초과하는 공정 가스의 가열에 의해 극복될 때까지 내식성일 것이 요구된다, 즉 라이닝된 표면을 가지는 비싼 장비로부터 만들어지거나, 또는 유리로부터 만들어지는 것이 요구된다.
나아가 황산의 응축은 매우 복잡한데, 만약 응축 공정이 공정 가스의 적절한 냉각 속도를 적용함으로써 제어되지 않는다면 에어로졸을 형성하려는 경향이 높다. 에어로졸은 재-증발시키기가 어려울 수 있다. 나아가 다른 형태로 황산 콘덴서를 빠져나가는 공정 가스는 만약 저온 표면이 존재하고, 자주 부식 효과도 있다면 콘덴서 바로 하류에서 바람직하지 못한 응축이 일어나기 쉽다.
전통적으로 습식 황산 설비에 대한 디자인 기준은 SO2 변환기로부터의 출구 온도를 최소화하여 결과적으로 변환기에서 SO2의 SO3으로의 최대 변환을 이루는 것을 포함하였다. 유사하게 콘덴서의 출구 온도는 황산의 완전한 응축을 보장하기 위해 최소화되었다. 그러나, 이중 응축 공정의 도입으로, 작동 매개변수들의 범위가 확대되었고, 공정 작동을 개선할 수 있는 특별한 가능성이 확인되었다.
제2 SO2 변환기 및 제2 콘덴서를 사용하여, 제1 변환기 중에서 더 높은 수준의 SO2 및 제1 콘덴서 중에서 더 높은 수준의 H2SO4를 가지는 것이, 이들 더 높은 수준이 제2 변환기 및 제2 콘덴서에서 경감될 수 있는 한, 허용될 수 있다. 바로 그런 응축 성질은 이중 응축 레이아웃에서와 같이 열적으로 비효율적인 공정 가스의 냉각을 필요로 하는데, 제2 스테이지에 대한 공정 가스가 SO2의 SO3으로의 변환을 위한 촉매 활성화 온도를 이루기 위해 재가열될 필요가 있기 때문이다.
그러므로 응축 단계에서 공정 가스의 냉각이 제한되고 재가열에 대한 필요가 유사하게 제한되는 공정 레이아웃은 공정의 열적 효율을 증가시킨다. 증가된 황산 증기 및 공정 가스 중의 SO2 농축으로부터의 결점이 작은 것인 한, 제1 변환 및 제1 응축 단계를 차선의 방식으로 작동하는 것이 유익할 것이다.
도 1은 공급 원료로서 산 가스 (H2S) 또는 원소 황을 사용하는, 선행 기술에 따르는 공정 레이아웃을 도시한다.
도 2는 선행 기술의 상세한 공정 레이아웃을 도시한다.
도 3은 공급 원료로서 산 가스 (H2S) 또는 원소 황을 사용하는, 본 개시의 공정 레이아웃을 도시한다.
도 4는 공급 원료로서 소위 폐황산을 사용하는, 본 개시의 공정 레이아웃을 도시한다.
도 2는 선행 기술의 상세한 공정 레이아웃을 도시한다.
도 3은 공급 원료로서 산 가스 (H2S) 또는 원소 황을 사용하는, 본 개시의 공정 레이아웃을 도시한다.
도 4는 공급 원료로서 소위 폐황산을 사용하는, 본 개시의 공정 레이아웃을 도시한다.
도 1에서, 소위 이중 변환 이중 응축 황산 설비를 위한 선행 기술의 전공정 레이아웃이 도시된다. 황 함유 공급 원료 (1), 예컨대 H2S 함유 가스 및/또는 원소 황은 연소실 (5)로 공급되고, 그곳에서 임의의 황 화합물이 연소기의 고온 불꽃 구역에서 SO2로 변환된다. 공급 원료의 산화를 위한 산소가 제1 황산 응축 단계로부터 예열된 주변 공기 (4)로서 연소실 (5)에 첨가된다. 만약 지지체 연료가 필요하게 되면, 그것 또한 연소실 (5)에 첨가된다. 고온 소각 가스 (6)는 800 내지 1,200℃에서 연소실 (5)을 이탈하고 열 교환기 (8)에서 380 내지 420℃로 냉각되어 고온 SO2 함유 공정 가스 (24)가 형성된다. 전형적으로 이 열 교환기는 소위 폐열 보일러이고, 고온 소각 가스 (6)로부터 전달된 듀티 (duty)로부터 포화된 고압 스팀을 생성한다. 고온 SO2 함유 공정 가스 (24)는 SO2의 SO3으로의 산화에 적합한 촉매의 하나 이상의 층 (28)이 설치되어 있는 제1 SO2 변환기 (26) 안으로 들어간다. 촉매 층 (28)의 수는 원하는 SO2 변환 효율에 따라 전형적으로 1 내지 3이다. SO2의 산화는 촉매와 공정 가스의 온도를 증가시키는 발열 반응이고, SO2 변환에 대한 유익한 열역학적 조건을 제공하기 위하여 반응 열은 전형적으로, 촉매 층들 사이에 설치되어 있는 하나 이상의 층간 냉각기(들) (30)에서 제거된다. 보통 다음 촉매 층에 대한 최적 온도로 공정 가스를 냉각시키기 위해 고압 스팀이 사용된다. 제1 SO2 변환기 (26)의 최종 촉매 층 후에, 전형적으로 95%의 SO2가 산화되고 부분적으로 변환된 공정 가스는 부분적으로 변환된 공정 가스 냉각기 (32)에서 대략 280 내지 300℃로 냉각되어 고압 포화 스팀이 생성된다. 냉각된 SO3 함유 공정 가스 (34)는 제1 황산 콘덴서 (36)로 향하게 되고 거기서 공정 가스가 주변 공기 (94)와의 열 교환에 의해 대략 100℃로 냉각된다. SO3은 가스 상에서 물과 반응하여 H2SO4가 형성되고 냉각시 H2SO4는 가스 상으로부터 응축되고 제1 황산 콘덴서의 바닥에서 제1 콘덴서 (40)의 액체 출구로부터 회수된다. 콘덴서를 이탈하는 냉각된 부분적으로 탈황된 가스 (38)는 특히 황산 증기가 없지만, 소량의 황산 에어로졸은 피할 수 없다. 이 황산 에어로졸을 증발시키기 위해, 부분적으로 탈황된 가스 (38)는 제1 공정 가스 재가열기 (39)로 향하게 되는데, 그것은 내식 재료로 만들어지고 제1 황산 콘덴서 (36) 및 냉각 공기 히터 (97)로부터의 고온 공기를 사용하여 재가열된 공정 가스 (43)의 온도를 대략 180℃, 즉 황산 이슬점 온도보다 위의 온도로 상승시킨다. 이차 공정 가스 (44) 온도를 대략 210℃로 증가시키기 위해, 재순환된 고온 공정 가스 (59)가 재가열된 공정 가스 (43)와 혼합된 후 공정 가스 송풍기 (46)에서 압축된다. 제2 공정 가스 재가열기 (50)에서 가압된 공정 가스 (48)는 제2 SO2 변환기 (60)로부터의 완전히 변환된 공정 가스 (64)와 열을 교환하고 예열된 공정 가스 (52)의 최종 재가열은 제3 공정 가스 재가열기 (54)에서 수행될 수 있어서, 제2 SO2 변환기 (60)로 들어가는 공정 가스의 최적 온도가 370 내지 410℃가 되는 것을 보장한다. 제3 공정 가스 재가열기 (54)로부터의 고온 공정 가스의 부분은 공정 가스 송풍기 (46) 상류의 위치로 재순환된다 (59). 재순환을 위한 공정 가스는 또한 위치 (52)로부터 회수되었지만, 공정 가스의 더 낮은 온도로 인해 더 높은 유량을 필요로 할 수 있다. 제2 SO2 변환기로 들어가는 공정 가스 (58)는 낮은 SO2 및 SO3 농도를 가짐으로써 단일 촉매 층 (62)만으로도 높은 SO2 변환 효율을 이룰 수 있지만, 원칙적으로 제2 SO2 변환기는 또한, 제1 SO2 변환기 (26)에서 도시된 것과 같이, 층간 냉각기에 의해 분리된 두 촉매 층으로 구성될 수 있을 것이다. 제2 SO2 변환기를 이탈하는 완전히 변환된 공정 가스 (64)는 제2 공정 가스 재가열기 (50)에서 냉각되고 냉각된 공정 가스 (66)는 제1 황산 콘덴서 (36)와 동일 방식으로 작동하는 제2 황산 콘덴서 (68)로 향하게 된다. 제1 콘덴서의 액체 출구 (40) 및 제2 콘덴서의 액체 출구 (70)로부터 회수된 황산은 혼합되고 냉각된 후 황산 저장 탱크로 이송된다.
대략 100℃에서 제2 황산 콘덴서를 이탈하는 완전히 변환된 탈황 공정 가스 (72)는 최소량의 SO2 및 황산 에어로졸을 함유하고 추가 처리 없이 스택 (88)으로 이송될 수 있다.
제2 황산 콘덴서를 위한 냉각 공기 (78)는 제2 황산 콘덴서 (68)로 들어가기 전 제2 냉각 공기 송풍기 (76)에서 압축되는 주변 공기일 수 있다. 제2 콘덴서로부터의 고온 냉각 공기 (80)는 스택 공기 열 교환기 (82)에서 가열되어 고온 공기 (84)의 온도가 증가되고 황산 에어로졸의 완전한 증발을 보장하고 건조한 스택 가스 (86)를 제공하기 위해 완전히 변환된 탈황 공정 가스 (72)와 직접 혼합되도록, 스택 (88)은 건조 조건을 위해 디자인될 수 있다. 일부 경우에 제2 콘덴서 (80)로부터의 고온 냉각 공기의 온도를 증가시키는 것이 불필요할 수 있고, 따라서 스택 공기 열 교환기 (82)가 생략될 수 있다. 만약 스택이 내식 재료의 사용에 의해 "습식" 조건을 위해 디자인된다면 스택 공기 열 교환기 (82)는 다르게는 고온 냉각 공기를 냉각시키기 위해 사용될 수 있고, 그로써 설비의 열 회수율이 증가된다.
도 1의 상세한 설명에 해당하는 도 2에서, 제1 황산 콘덴서 및 부분적으로 탈황된 가스의 제1 재가열에 관련된 선행 기술의 공정 레이아웃이 도시된다. 냉각된 SO3 함유 공정 가스 (34)는 공정 가스가 바닥으로부터 튜브에 들어가게 되는 수직 유리 튜브들의 튜브 뱅크로 구성된 제1 황산 콘덴서 (36)의 바닥에서 들어간다. 공정 가스가 튜브를 통해 그것의 위 자리에서 냉각됨에 따라, 황산이 형성되고 유리 튜브 내면 및/또는 열 교환의 증대를 위해 사용된 내부 코일에서 응축된다. 중력에 의해 응축된 황산은 튜브의 바닥으로 흐르고 제1 콘덴서의 액체 출구 (40)에서 회수된다. 100℃에서 실제적으로 황산이 없는 공정 가스 출구 온도는 부분적으로 탈황된 가스 (38)의 가스 상으로 존재할 수 있지만, 소량의 황산 에어로졸이 형성되었고, 그것의 대부분은 유리 튜브의 상부에서 수분 제거 장치에서 포획된다. 부분적으로 탈황된 가스 (38)를 함유하고 있는 공정 가스 라인은 따라서 "습식"인 것으로 여겨지고 황산의 부식 성질을 견디기에 적합한 재료로 만들어져야 한다. 제1 공정 가스 재가열기 (39)에서 공정 가스의 온도는 160℃ 내지 200℃로 증가되고, 그것은 황산 에어로졸의 증발 및 따라서 제2 SO2 변환기 (60)에서 최종 SO2 변환을 위해 필요한 370 내지 410℃까지의 추가의 재가열을 위한 "건조" 공정 가스를 제공하기에 충분하다. 제1 공정 가스 재가열기 (39)는 공정 가스 측에서 내황산성 재료로 구성되어야 하고, 유리가 보통 그것의 매우 높은 내식성 및 상대적으로 낮은 비용으로 인해 선택된다.
주변 공기 (90)는 제1 황산 콘덴서에서 냉각 매질로서 사용된다. 냉각 공기는 제1 냉각 공기 송풍기 (92)에서 압축되고 전형적으로 20 내지 50℃ 범위의 온도에서 제1 황산 콘덴서의 저온 단부로 이송된다. 제1 황산 콘덴서 (36)에서 냉각 공기는 가열되고, 제1 황산 콘덴서 (36)를 이탈하는 한편 제1 공정 가스 재가열기 (39)의 구성 재료에 대한 디자인 온도를 초과할 정도로 고온은 아닌 부분적으로 탈황된 가스 (38)를 재가열하기에 적합한, 전형적으로 200 내지 260℃ 범위의 온도에서 가열된 냉각 공기 (96)로서 콘덴서를 이탈한다.
가열된 냉각 공기 (96)는 선택적인 냉각 공기 가열기 (97)를 통과할 수 있는데, 그것은 공정 가스 재가열기 (39)로의 고온 냉각 공기 (98)의 온도를, 가열된 냉각 공기 (96)가 이미 230 내지 260℃의 온도가 아니라면, 원하는 그 온도로 증가시킨다.
제1 공정 가스 재가열기 (100)를 이탈하는 냉각 공기는 전형적으로 180 내지 220℃이고, 설비의 열 회수율을 증가시키기 위해서는 이 잔류 열 에너지가 사용될 수 있다. 도 1에는 냉각 공기의 연소기 부분 (102)이 연소 공기 송풍기 (104)에서 압축되고 연소실 (5)에서 연소 공기 (4)에 대해 사용되는 레이아웃이 도시된다. 이런 방식으로 냉각 공기의 모든 열 에너지가 설비에서 회수된다. 냉각 공기 흐름은 전형적으로 연소 공기의 양의 2배이고 그러므로 냉각 공기의 과잉 부분 (116)은 다른 경로를 통해 이동되어야 한다. 만약 경제적으로 실행 가능하다면, 열은 저온 냉각 공기 (120)가 통풍되기 전에, 냉각 공기 열 복열기 (118)에서 냉각 공기 중에서 얻을 수 있다. 냉각 공기로부터의 열은 예컨대 보일러 공급수 예열, 탈염수 예열, 저압 스팀 제조 및/또는 건조 목적에 사용될 수 있다.
이 공정 가스 냉각 및 재가열 레이아웃의 한 가지 결점은 공정 가스를 270 내지 300℃로부터 100℃로 냉각시키고 그것을 다시 100℃로부터 180℃로 재가열하기 위해 많은 냉각 듀티가 필요하다는 것이다. 이것은 가스/가스 열 교환기가 상대적으로 낮은 열 전달 계수를 가지기 때문에, 고냉각 공기 흐름 및 큰 열 교환기 면적을 필요로 한다. 나아가 오프셋 조건, 예컨대 저 로드 작동 중에 (흐름 및/또는 황산 제조 둘 다와 관련됨) 제1 황산 콘덴서를 이탈하는 가열된 냉각 공기 (96)의 고온을 유지하는 것이 어려울 수 있고 그러므로 냉각 공기 히터 (97)를 첨가하는 것이 필요할 수 있는데, 그것은 설비의 비용을 증가시키고 복잡성을 더하게 한다. 전기 히터, 스팀 및 고온 오일 히터가 냉각 공기 가열에 사용될 수 있다. 또한 시동 및 정지 중에, 장비의 가열 및 황의 양의 변동으로부터의 화학적 변동으로 인해 제1 재가열기 (39)로 공기의 온도를 제어하는 것이 어려울 수 있고, 그로써 방출된 에너지의 양이 그런 상황들에서 다를 수 있다.
도 3 및 4에는 상기 기술된 선행 레이아웃의 몇몇 결점들을 경감시키는 개선된 레이아웃이 제안된다.
도 3에서, 소위 이중 변환 이중 응축 황산 설비에 대한 선행 기술의 전체 공정 레이아웃의 실례가 도시된다. 공정 레이아웃의 대부분은 도 1에 도시된 레이아웃에 해당하는데, 황 함유 공급 원료 (1), 예컨대 SO2 함유 가스 및/또는 원소 황이 연소실 (5)로 공급되고, 그곳에서 임의의 황 화합물이 연소기의 고온 불꽃 구역에서 SO2로 변환된다. 공급 원료의 산화를 위한 산소가 제1 황산 응축 단계로부터 예열된 주변 공기 (4)로서 연소실 (5)에 첨가된다. 지지체 연료가 필요하다면, 그것 또한 연소실 (5)에 첨가된다. 고온 소각 가스 (6)는 800 내지 1,200℃에서 연소실 (5)을 이탈하고 열 교환기 (8)에서 380 내지 420℃로 냉각되어 고온 SO2 함유 공정 가스 (254)가 형성된다. 전형적으로 이 열 교환기는 소위 폐열 보일러로, 고온 황산 가스 (6)로부터 전달된 듀티로부터 포화된 고압 스팀을 생성한다. 고온 SO2 함유 공정 가스 (24)는 SO2의 SO3으로의 산화에 적합한, 하나 이상의 촉매 층 (28)이 설치되어 있는 제1 SO2 변환기 (26)로 들어간다. 촉매 층 (28)의 수는 원하는 SO2 변환 효율에 따라 전형적으로 1 내지 3이다. SO2의 산화는 발열 반응으로, 촉매 및 공정 가스의 온도를 증가시키고 변환을 위해 유익한 열역학 조건을 제공하기 위하여, 반응 열이 촉매 층들 사이에 설치된 하나 이상의 층간 냉각기(들) (30)에서 전형적으로 제거된다. 보통 고압 스팀이 사용되어 다음 촉매 층에 대해 최적의 온도로 공정 가스를 냉각시킨다. 제1 SO2 변환기 (26)에서 최종 촉매 층 후에, 전형적으로 95%의 SO2가 산화되었고 부분적으로 변환된 공정 가스가 부분적으로 변환된 공정 가스 냉각기 (32)에서 대략 270 내지 300℃로 냉각되어 고압 포화 스팀이 생성된다.
냉각된 SO3 함유 공정 가스 (34)는 제1 황산 콘덴서 (36)로 향하게 되는데, 그것은 도 1에 기술된 것과 유사하지만 주요 차이점은 부분적으로 탈황된 가스가 180℃에서 제1 황산 콘덴서를 이탈하고, 그로써 제1 황산 콘덴서의 냉각 듀티를 유의미하게 감소시키며 제1 공정 가스 재가열 단계를 제거한다는 것이다. 140 내지 190℃ 범위의 온도를 가지는, 부분적으로 탈황된 가스 (38)는 재순환된 고온 공정 가스 (59)와 조합되어 부분적으로 탈황된 가스 (38) 중의 소량의 황산 에어로졸을 증발시키고 하류 공정 가스 송풍기 (46)에 건조 가스를 제공한다. 혼합 지점 (41)과 공정 가스 송풍기 사이에, 혼합을 증대시키기 위한 엘레먼트, 예컨대 충돌 포집판 또는 팩킹 엘레먼트를 포함하는 가스 혼합기 (42)가, 두 가스 (38 및 59)가 충분히 혼합되어 공정 가스 송풍기 (46) 전에 이차 공정 가스 (44)에서 에어로졸 증발이 완료되는 것이 보장되는 것을 확실히 하기 위해 설치될 수 있다.
제1 황산 콘덴서 (36)로부터의 가열된 냉각 공기 (96)의 흐름은 선행 기술과 비교하여 감소되지만, 여전히 연소 공기 (4)에 대한 요구와 비교하여 과잉이고 고온 냉각 공기의 일부 (그러나 더 큰 부분)만이 연소 공기 송풍기 (104)를 향해 간다. 과잉 냉각 공기 (116)의 더 작은 부분이 선행 기술에서 기술된 것과 같은 가열 목적에 대해 사용될 수 있다.
이차 공정 가스 (44) 온도를 대략 210℃로 증가시키기 위하여, 재순환된 고온 공정 가스 (59)가 부분적으로 탈황된 공정 가스 (38)와 혼합된 후 공정 가스 송풍기 (46)에서 압축된다. 제2 공정 가스 재가열기 (50)에서 가압된 공정 가스 (48)는 제2 SO2 변환기 (60)로부터의 완전히 변환된 공정 가스 (64)와 열을 교환하고 예열된 공정 가스 (52)의 최종 재가열은 제3 공정 가스 재가열기 (54)에서 수행될 수 있어서, 제2 SO2 변환기 (60)로 들어가는 공정 가스의 최적 온도, 전형적으로 370 내지 410℃가 보장된다. 재순환을 위한 공정 가스는 또한 위치 (52)로부터 회수되었지만, 공정 가스의 더 낮은 온도로 인해 더 높은 유량을 필요로 할 수 있다.
제2 SO2 변환기로 들어가는 공정 가스 (58)는 낮은 SO2 및 SO3 농도를 가지고 그로써 단지 단일 촉매 층 (62)을 사용하여 높은 SO2 변환 효율을 이루는 것이 가능하지만, 원칙적으로 제2 SO2 변환기는 또한 제1 SO2 변환기 (26)에서 도시된 것과 같이, 층간 냉각기에 의해 분리된 두 촉매 층으로 구성될 수 있을 것이다. 제2 SO2 변환기를 이탈하는 완전히 변환된 공정 가스 (64)는 제2 공정 가스 재가열기 (50)에서 냉각되고 냉각된 공정 가스 (66)는 제1 황산 콘덴서 (36)와 동일한 방식으로 작동하는 제2 황산 콘덴서 (68)로 향하게 된다. 제1 콘덴서 (40)의 액체 출구 및 제2 콘덴서 (70)의 액체 출구로부터 회수된 황산은 혼합되고 냉각된 후 황산 저장 탱크로 이송된다.
대략 100℃에서 제2 황산 콘데서를 이탈하는 완전히 변환된 탈황 공정 가스 (72)는 최소량의 SO2 및 황산 에어로졸을 함유하고 추가 처리 없이 스택 (88)으로 이송될 수 있다.
제2 황산 콘덴서를 위한 냉각 공기 (78)는 제2 황산 콘덴서 (68)로 들어가기 전 제2 냉각 공기 송풍기 (76)에서 압축되는 주변 공기일 수 있다. 제2 콘덴서로부터의 고온 냉각 공기 (80)는 스택 공기 열 교환기 (82)에서 가열되어 고온 공기 (84)의 온도가 증가되고 황산 에어로졸의 완전한 증발을 보장하고 건조한 스택 가스 (86)를 제공하기 위해 완전히 변환된 탈황 공정 가스 (72)와 직접 혼합되도록, 스택 (88)은 건조 조건을 위해 디자인될 수 있다. 일부 경우에 제2 콘덴서 (80)로부터의 고온 냉각 공기의 온도를 증가시키는 것이 불필요할 수 있고, 따라서 스택 공기 열 교환기 (82)가 생략될 수 있다. 만약 스택이 내식 재료의 사용에 의해 "습식" 조건을 위해 디자인된다면 스택 공기 열 교환기 (82)는 다르게는 고온 냉각 공기를 냉각시키기 위해 사용될 수 있고, 그로써 설비의 열 회수율이 증가된다.
도시되지 않은 대체예에서 콘덴서를 냉각시키기 위해 사용된 열 교환 매질은 주변 공기 대신 공정 가스일 수 있다. 이것은 반응 전 공정 가스의 적어도 부분적인 예열을 제공할 수 있는 유익을 갖지만, 가스 누출과 관련하여 더 세심한 콘덴서 디자인을 필요로 할 수 있다.
도시되지 않은 추가의 대체예에서, 소각로에 대해 지시된 산화제는 주변 공기 대신 순수 산소 또는 다른 산소 풍부 가스일 수 있다. 이것은 더 높은 연소 효율 및 더 낮은 공정 가스 부피라는 유익을 갖지만, 산소 비용이 너무 높고 감소된 부피 또한 방출된 열의 감소된 열적 희석을 의미한다는 결점이 있을 수 있다.
도 4에서, 예컨대 알킬화 장치로부터의 소위 폐황산의 재생을 위한 대체 이중 변환 이중 응축 공정 레이아웃이 도시된다. 레이아웃이 도 3에 도시된 공정 레이아웃과 상이한 것은 주로 황산 설비의 전방 단부이다.
알킬화 장치로부터의 폐황산은 대략 90 %w/w H2SO4, 5 %w/w H2O 및 5%w/w 탄화수소이고, 그것은 다시 알킬화 장치로 재순환되기 전에 적어도 98%w/w H2SO4로 재생되어야 한다. 폐산을 재생하는 방법은 탄화수소가 CO2 및 H2O로 산화되는 고온 (> 1000℃)에서 탄화수소를 연소시키는 것이다. 그 온도에서, 황산은 SO2, O2 및 H2O로 분해된다. 다음에 SO2는 SO3으로 산화되어야 하고, 물과 반응하여 H2SO4가 형성되고 응축되어 원하는 황산 생성물이 생성된다.
이 실례에서 황 함유 공급 원료 (1)인 폐황산은 압축된 분무 공기 (2)에 의해 연소실 (5)의 불꽃으로 분무된다. 높은 연소 온도를 지속시키고 지지체 연료 소비를 감소시키기 위하여 지지체 연료 (3)가 필요하며, 고온 연소 공기 (4)가 O2 공급원으로서 사용된다. 만약 더 높은 산 생성이 바람직하다면, 다른 황 함유 공급, 예컨대 H2S 가스 및/또는 원소 황이 첨가될 수 있다. 연소실로부터의 고온 공정 가스는 폐열 보일러일 수 있는 열 교환기 (8)에서 450 내지 550℃로 냉각되어 고압 포화 스팀을 생성할 수 있으며, 추가로 공정 가스 냉각기 (12)에서 380 내지 420℃ 범위의 온도로 냉각된다. 폐산 공급이 일정(미)량의 용해된 금속을 함유함에 따라, 금속이 연소 중에 산화물 및 설페이트를 형성할 것이고 공정 가스 (6, 10 및 14)는 미량의 고체를 함유할 것이며, 그것들은 여과 장치 (16)에서 제거된다. 필터는 전기 집진기 또는 세라믹 필터일 수 있다. 고체는 공정 가스로부터 분리되고 라인의 필터 (17)로부터 회수된다. 고체-없는 공정 가스 (18)는 선택적으로 NH3을 함유하는 고온 에어 스트림 (114)과 조합된다. 제1 황산 콘덴서 (36)로부터의 압축된 냉각 공기 (108)가 연소 공기 송풍기 (104)의 출구에서 240 내지 280℃로부터 공정 가스 냉각기 (12)에서 380 내지 420℃로 가열된다. 고온 희석 공기 (110)는 선택적으로 NH3 공급원 (112), 예컨대 무수 NH3, 수성 NH3 또는 우레아와 혼합된 후, 선택적으로 NH3을 포함하는 희석 공기 (114)가 SO2 함유 공정 가스와 조합된다. 연소실 (5)은 적당히 과잉의 O2로 작동하여, 공정 가스 흐름을 최소화시키고 그로써 연소실 (5), 열 교환기 (8) (폐열 보일러) 및 여과 장치 (16)의 부피 및 비용이 최소화된다. 그러므로 SO2가 가득한 공정 가스 (18)는 제1 SO2 변환기 (26)에서 SO2의 SO3으로의 완전한 산화에 충분한 O2를 함유하지 않고 그로써 희석 공기 (114)가 필요하다. 다르게는 연소실 (5)의 과잉 O2가 증가된 공정 가스 부피 및 장비 비용에서, 더 높아질 수 있다.
희석된 공정 가스 (20)는 선택적으로 SCR 촉매 반응기 (22)를 통과하는데, 그곳에서 공정 가스 중의 NO 및 NO2는 희석 공기 (114)를 통해 공급된 NH3 (112)과 반응하여, 소위 선택적 촉매 환원 (SCT) 공정으로, 무해한 N2 및 H2O가 형성된다.
다음에 공정 가스는 SO2가 SO3으로 촉매적으로 산화되는 제1 SO2 변환기 (26)로 들어가고 제1 황산 응축 단계, 공정 가스 재가열, 제2 SO2 산화 단계 및 제2 황산 응축 단계는 앞서 기술된 것과 같다 - 또한 도 3 참조.
대체 레이아웃은, SCR 반응기가 필요한 경우, 고온 희석 공기 (110)를 두 부분: 도 4에 도시된 것과 같은 하나의 NH3 함유 스트림 (114) 및 SO2 변환기 (26) 바로 상류의 스트림 (24)과 혼합되는 NH3-없는 스트림으로 나누는 것이다. NH3에 대한 최소 담체 공기를 사용함으로써, 희석 공기 (110)의 주요 부분은 SCR 촉매 반응기 (22)를 우회하고, 그로써 반응기의 크기가 최소화된다.
예시되지 않은 추가의 구체예에서, SCR 반응기 및 NH3 함유 스트림을 포함하는 동등한 SCR 시스템이 도 3에 도시된 공정 레이아웃에 부가될 수 있다.
실시예 1: 900 MTPD 황산 설비를 위한 제1 황산 콘덴서 및 공정 가스 재가열
이 실시예에서는 900 MTPD (1일당 미터톤)에 대한 공정 계산을 상기 기술된 이중 변환 이중 응축 공정의 두 레이아웃에 대해 계산하였다. 선행 기술의 제1 황산 콘덴서의 공정 가스를 도 1에서 스케치한대로 290℃로부터 100℃로 냉각시키고 180℃로 재가열한다. 도 3에 도시한 바와 같은 제안된 새로운 레이아웃으로 동일 공정 가스를 290℃로부터 180℃로 냉각시킨다.
제1 황산 콘덴서로 들어가는 공정 가스의 흐름 및 조성은 상류 공정들이 두 레이아웃에 대해 유사한 것과 같이 유사하다. 제1 재가열 섹션 하류의 설비 레이아웃 (즉 스트림 (44)으로부터 스택 (88)까지) 또한 두 레이아웃에 대해 유사하다. 온도의 80℃ 증가로 인해 스트림 (38) 중의 공정 가스 조성은 약간 더 높은 농도의 H2SO4를 가진다.
표 1에서, 이 H2SO4 설비에 대해 열 교환기 (36 및 39)의 크기 및 듀티를 비교하고, 총 열 교환 듀티가 20.9 Gcal/h로부터 16.0 Gcal/h로 감소, 즉 23% 감소한 것을 알 수 있다. 전달될 감소된 듀티를 열 교환 매질들 사이의 더 큰 온도 차이와 조합하여 필요한 열 교환 면적에서 거의 40% 감소를 초래한다.
제1 황산 콘덴서에서 필요한 더 낮은 듀티는 또한 더 낮은 냉각 공기 흐름 (스트림 90)을 초래하고 그로써 냉각 공기 송풍기 (92)에서 유의미하게 더 낮은 동력 소비를 초래한다.
| 설명 | 선행 레이아웃 | 새로운 레이아웃 |
| 제1 황산 콘덴서 (36)의 듀티 | 18.4 Gcal/h | 16.0 Gcal/h |
| 제1 공정 가스 재가열기 (39)의 듀티 | 2.5 Gcal/h | N/A |
| 열 교환 면적 (36)+(39) | 12,000 m2 | 7,300 m2 |
| 제1 냉각 공기 송풍기 (92)의 동력 | 1,150 kW | 860 kW |
실시예 2: 제1 황산 콘덴서를 이탈하는 공정 가스 중의 황산 농도
이 실시예에서는 제1 황산 콘덴서 (36)를 이탈하는 공정 가스 (38)의 온도가 증가하는 효과를 계산한다. 제1 황산 콘덴서의 공정 가스 출구에 수분 제거 장치가 설치되어 있고, 콘덴서를 이탈하는 공정 가스는 수분 제거 장치 필라멘트에 붙들린 황산과 열역학적으로 평형을 이룬다.
표 2에서, 제1 황산 콘덴서 (36)를 이탈하는 공정 가스 (38) 중의 H2SO4의 증기 농도는 1.013 바 (bar)의 공정 가스 압력에서 공정 가스 온도의 함수로서 표시된다. 제1 황산 콘덴서로 들어가는 공정 가스는 6 부피%의 SO3 (수화되지 않음) 및 10 부피%의 H2O (수화되지 않음)를 함유한다. 대부분의 황산은 황산 콘덴서의 바닥에서 응축되고 회수된다. 공정 가스와 함께 이탈하는 증기 상 황산은 제2 황산 콘덴서 (68)에서 응축될 것이다.
표에서 알 수 있는 것과 같이, H2SO4 증기 농도는 온도 증가와 함께, 실제적으로는 100℃에서 0 농도로부터 220℃에서 0.9 부피%만큼 많이 증가한다. 100℃에서 실제로 100%의 산이 응축 생성물로서 회수되는데, 그것은 220℃에서 86.7%로 감소한다.
원칙적으로 제1 황산 콘덴서는 220℃에서 작동할 수 있고, 나아가 제1 황산 콘덴서의 듀티 및 공정 가스 재가열에 대한 필요를 감소시킨다. 그러나 제1 황산 콘덴서를 이탈하는 H2SO4 증기의 큰 분율은, H2SO4가 SO2 변환기에서 고온에서 SO3 및 H2O로 분해되기 때문에, 제2 SO2 변환기에서 일어나는 SO2+0.5 O2 ↔ SO3의 반응의 열역학적 평형에 부정적으로 영향을 미칠 것이다. 그 결과는 더 낮은 SO2 변환 효율 및/또는 필요로 하는 더 큰 촉매 부피일 것이다.
또한 제2 황산 콘덴서로의 공정 가스 중의 더 높은 H2SO4 농도는 이 장치의 크기 및 듀티를 증가시킬 것이고, 제1 황산 콘덴서에 대해 얻어진 비용 절감을 감소시킬 것이다.
제1 황산 콘덴서를 이탈하는 공정 가스의 160 내지 190℃ 온도는 자본 및 작동 비용과 SO2 변환 효율 사이의 최적 균형을 나타낸다.
공정 가스 출구 온도의 추가의 유익은 더 많은 수증기가 수분 제거 산으로부터 분리되고 공정 가스와 함께 휩쓸려가서 응축된 생성물 산의 농도를 약간 증가시킨다는 것이다.
| 부분적으로 탈황된 가스의 온도 | ℃ | 100 | 120 | 140 | 160 | 180 | 200 | 220 |
| H2SO4 증기 농도 | 부피% | 0.00 | 0.00 | 0.01 | 0.03 | 0.12 | 0.37 | 0.90 |
| 액체로서 제거된 H2SO4의 분율 | % | 100 | 100 | 99.1 | 99.5 | 98.2 | 94.6 | 86.7 |
도면에서 사용된 엘레먼트
(1) 황 함유 공급 원료
(2) 압축된 분무 공기
(3) 지지체 연료
(4) 연소 공기
(5) 연소실
(6) 고온 소각 가스
(8) 열 교환기
(12) 공정 가스 냉각기
(16) 여과 장치
(17) 고체 라인
(18) 고체-없는 공정 가스
(20) 희석된 공정 가스
(22) SCR 촉매 반응기
(24) 고온 SO2 함유 공정 가스
(26) 제1 SO2 변환기
(28) 촉매 층
(30) 층간 냉각기(들)
(32) 부분적으로 변환된 공정 가스 냉각기
(34) 냉각된 SO3 함유 공정 가스
(36) 제1 황산 콘덴서
(38) 부분적으로 탈황된 가스
(39) 제1 공정 가스 히터
(40) 제1 콘덴서의 액체 출구
(41) 혼합 지점
(43) 재가열된 부분적으로 탈황된 가스
(44) 이차 공정 가스
(46) 공정 가스 송풍기
(48) 가압된 공정 가스
(50) 제2 공정 가스 재가열기
(52) 예열된 공정 가스
(54) 제3 공정 가스 재가열기
(58) 고온 부분적으로 탈황된 공정 가스
(59) 재순환 고온 공정 가스
(60) 제2 SO2 변환기
(62) 촉매 층
(64) 완전히 변환된 공정 가스
(66) 냉각된 공정 가스
(68) 제2 황산 콘덴서
(70) 제2 콘덴서의 액체 출구
(72) 완전히 변환된 탈황 공정 가스
(74) 제2 황산 콘덴서용 냉각 공기
(76) 제2 냉각 공기 송풍기
(78) 제2 황산 콘덴서용 가압된 냉각 공기
(80) 제2 콘덴서로부터의 고온 냉각 공기
(82) 스택 (stack) 공기 열 교환기
(84) 고온 공기
(86) 스택 가스
(88) 스택
(90) 제1 황산 콘덴서용 냉각 공기
(92) 제1 냉각 공기 송풍기
(94) 제1 황산 콘덴서용 가압된 냉각 공기
(96) 고온 냉각 공기
(97) 냉각 공기 히터
(98) 제1 공정 가스 재가열기로의 고온 공기
(100) 제1 공정 가스 재가열기를 이탈하는 공기
(102) 냉각 공기의 연소기 부분
(104) 연소 공기 송풍기
(108) 압축된 희석 공기
(110) 고온 희석 공기
(112) NH3 공급원
(114) 희석 공기 혼합물
(116) 과잉 냉각 공기
(118) 냉각 공기 열 복열기
(120) 저온 냉각 공기
(1) 황 함유 공급 원료
(2) 압축된 분무 공기
(3) 지지체 연료
(4) 연소 공기
(5) 연소실
(6) 고온 소각 가스
(8) 열 교환기
(12) 공정 가스 냉각기
(16) 여과 장치
(17) 고체 라인
(18) 고체-없는 공정 가스
(20) 희석된 공정 가스
(22) SCR 촉매 반응기
(24) 고온 SO2 함유 공정 가스
(26) 제1 SO2 변환기
(28) 촉매 층
(30) 층간 냉각기(들)
(32) 부분적으로 변환된 공정 가스 냉각기
(34) 냉각된 SO3 함유 공정 가스
(36) 제1 황산 콘덴서
(38) 부분적으로 탈황된 가스
(39) 제1 공정 가스 히터
(40) 제1 콘덴서의 액체 출구
(41) 혼합 지점
(43) 재가열된 부분적으로 탈황된 가스
(44) 이차 공정 가스
(46) 공정 가스 송풍기
(48) 가압된 공정 가스
(50) 제2 공정 가스 재가열기
(52) 예열된 공정 가스
(54) 제3 공정 가스 재가열기
(58) 고온 부분적으로 탈황된 공정 가스
(59) 재순환 고온 공정 가스
(60) 제2 SO2 변환기
(62) 촉매 층
(64) 완전히 변환된 공정 가스
(66) 냉각된 공정 가스
(68) 제2 황산 콘덴서
(70) 제2 콘덴서의 액체 출구
(72) 완전히 변환된 탈황 공정 가스
(74) 제2 황산 콘덴서용 냉각 공기
(76) 제2 냉각 공기 송풍기
(78) 제2 황산 콘덴서용 가압된 냉각 공기
(80) 제2 콘덴서로부터의 고온 냉각 공기
(82) 스택 (stack) 공기 열 교환기
(84) 고온 공기
(86) 스택 가스
(88) 스택
(90) 제1 황산 콘덴서용 냉각 공기
(92) 제1 냉각 공기 송풍기
(94) 제1 황산 콘덴서용 가압된 냉각 공기
(96) 고온 냉각 공기
(97) 냉각 공기 히터
(98) 제1 공정 가스 재가열기로의 고온 공기
(100) 제1 공정 가스 재가열기를 이탈하는 공기
(102) 냉각 공기의 연소기 부분
(104) 연소 공기 송풍기
(108) 압축된 희석 공기
(110) 고온 희석 공기
(112) NH3 공급원
(114) 희석 공기 혼합물
(116) 과잉 냉각 공기
(118) 냉각 공기 열 복열기
(120) 저온 냉각 공기
Claims (15)
- 공정 가스 입구, 입구 및 출구를 가지는 제1 SO2 변환기, 가스 입구, 가스 출구 및 액체 출구를 가지는 제1 콘덴서, 제1 입구, 제2 입구 및 출구를 가지는 가스 혼합 장치, 입구 및 출구를 가지는 공정 가스 히터, 입구 및 출구를 가지는 제 2 SO2 변환기, 가스 입구, 가스 출구 및 액체 출구를 가지는 제2 콘덴서, 황산의 냉각 및 저장을 위한 하나 이상의 수단 및 정제된 공정 가스 출구를 포함하고,
상기 공정 가스 입구는 제1 SO2 변환기의 입구와 유체 연통되며,
제1 SO2 변환기의 출구는 제1 콘덴서의 가스 입구와 유체 연통되고,
제1 콘덴서의 액체 출구는 황산의 냉각 및 저장을 위한 상기 수단들 중 하나와 유체 연통되며,
상기 제1 콘덴서의 가스 출구는 혼합 장치의 제1 입구와 유체 연통되고,
상기 혼합 장치의 출구는 공정 가스 히터의 입구와 유체 연통되며,
상기 공정 가스 히터의 출구는 상기 제2 SO2 변환기의 입구 및 상기 가스 혼합 장치의 제2 입구와 유체 연통되고,
제2 SO2 변환기의 출구는 제2 콘덴서의 가스 입구와 유체 연통되며,
제2 콘덴서의 액체 출구는 황산의 냉각 및 저장을 위한 상기 수단들 중 하나와 유체 연통되고,
상기 제2 콘덴서의 가스 출구는 정제된 공정 가스 출구와 유체 연통되는, SO2를 포함하는 공정 가스로부터 황산의 제조를 위한 공정 설비에 있어서,
상기 가스 혼합 장치의 제1 입구는, 중간의 열 교환 없이, 상기 제1 콘덴서의 출구와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 공정 설비. - 제1 항에 있어서, 상기 혼합 장치는 충돌 포집판 또는 팩킹 엘레먼트와 같이 혼합을 증대시키기 위한 하나 이상의 엘레먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 설비.
- 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 콘덴서 중 하나 또는 둘 다는 냉각 매질 입구 및 냉각 매질 출구를 가지는 냉각 매질 엔클로저를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 설비.
- 제3 항에 있어서, 상기 냉각 매질 엔클로저는 압력 쉘이고, 상기 콘덴서는 내식 재료로 만들어진 많은 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 설비.
- 제3 항에 있어서, 상기 냉각 매질 엔클로저는 내식 재료로 만들어진 많은 튜브를 포함하고 상기 콘덴서는 내식 재료로 만들어진 쉘을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 설비.
- 제1 항에 있어서, 입구 및 출구를 가지는 제2 공정 가스 히터를 포함하고 제2 공정 가스 히터의 상기 입구는 제1 공정 가스 히터의 출구와 유체 연통되며 제2 공정 가스 히터의 출구는 제2 SO2 변환기와 유체 연통되고, 제1 및 제2 공정 가스 히터 중 적어도 하나는 제2 SO2 변환기의 출구와 열 연통되는 것을 특징으로 하는 공정 설비.
- 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서, 임의의 산화 상태의 황을 포함하는 공급 원료로부터 황산을 제조하기 위한 공정 설비로서, 공급 원료 입구, 산화제 입구, 선택적 지지체 연료 입구 및 출구를 가지는 소각로를 더 포함하고, 황을 포함하는 상기 공급 원료는 상기 공급 원료 입구와 유체 연통되며, 공기, 가열된 공기 또는 산소 풍부 가스와 같은 산화제는 상기 산화제 입구와 유체 연통되고, 선택적 지지체 연료 공급은 상기 지지체 연료 입구와 유체 연통되며, 소각로 출구는 상기 공정 가스 입구와 연통되는 것을 특징으로 하는 공정 설비.
- a. SO2 및 O2를 포함하는 공정 가스를 SO2의 SO3으로의 산화에 촉매적으로 활성인 물질과 접촉하도록 하여 산화된 공정 가스를 제공하는 단계,
b. 선택적으로 SO3의 H2SO4로의 수화를 위해 물을 상기 공정 가스 또는 산화된 공정 가스에 첨가하고 그것을 제1 콘덴서로 보내는 단계,
c. 상기 제1 콘덴서로부터 응축된 H2SO4 및 적어도 150℃, 160℃ 또는 180℃ 내지 190℃, 200℃ 또는 220℃의 온도를 가지는 부분적으로 탈황된 가스를 회수하는 단계,
d. 상기 부분적으로 탈황된 가스를 재순환된 고온 중간 공정 가스와 조합하여 중간 공정 가스를 제공하는 단계,
e. 상기 중간 공정 가스를 하나 이상의 열 교환기에서 열 교환에 의해 가열하여 고온 중간 공정 가스를 제공하는 단계,
f. 상기 고온 중간 공정 가스의 일정량을 재순환된 고온 중간 공정 가스로서 회수하는 단계,
g. 상기 고온 중간 공정 가스를 SO2의 SO3으로의 산화에 촉매적으로 활성인 제2 물질로 향하게 하여 완전히 산화된 공정 가스를 제공하는 단계,
h. 선택적으로 SO3의 H2SO4로의 수화를 위해 물을 상기 고온 중간 공정 가스 또는 완전히 산화된 공정 가스에 첨가하고 그것을 제2 콘덴서로 보내는 단계,
i. 상기 제2 콘덴서로부터 응축된 H2SO4 및 탈황된 가스를 회수하는 단계
를 포함하는 황산의 제조 방법. - 제8 항에 있어서, 제1 SO2 변환기로 들어가는 공정 가스의 온도는 360℃, 370℃ 또는 380℃ 내지 400℃, 410℃ 또는 420℃인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제8 항에 있어서, 제1 콘덴서로 들어가는 공정 가스의 온도는 240℃, 260℃ 또는 280℃ 내지 290℃, 300℃ 또는 310℃인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제8 항에 있어서, SO2의 SO3으로의 산화에 촉매적으로 활성인 상기 물질은 알칼리-바나듐, 백금, 세슘, 산화 루테늄 및 활성탄으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제8 항에 있어서, 공정 가스는 1 내지 10 몰%의 SO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제8 항에 있어서, 산화제의 존재하에 황이 풍부한 공급 원료를 소각하여 상기 공정 가스를 형성하는 추가의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제8 항에 있어서, 고온 재순환된 공정 가스의 온도는 360℃, 370℃ 또는 380℃ 내지 400℃, 410℃ 또는 420℃인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제8 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서, 부분적으로 탈황된 가스와 재순환된 고온 중간 공정 가스의 흐름 사이의 비율이 12:1 내지 4:1인 것을 특징으로 하는 방법.
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