WO2009060022A1 - Verfahren zur herstellung von schwefelsäure - Google Patents

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    • C01B17/50—Preparation of sulfur dioxide
    • C01B17/58—Recovery of sulfur dioxide from acid tar or the like or from any waste sulfuric acid

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of sulfuric acid by the contact method.
  • Sulfuric acid is one of the basic products of the chemical industry. Sulfuric acid is made from sulfur dioxide, which is oxidized to sulfur trioxide. This is reacted with water in concentrated sulfuric acid to sulfuric acid.
  • the sulfur dioxide is produced largely by burning elemental sulfur, but also from waste sulfuric acids by their cleavage.
  • Liquid sulfur of 140 - 150 0 C is sprayed by means of nozzles in finely divided droplet form in combustion chambers.
  • the concentration of sulfur dioxide in the exiting gas mixture is usually adjusted with air to 9-1 1, 5% by volume;
  • the content of oxygen present in the gas mixture is sufficient for the subsequent production of sulfur trioxide.
  • the hot gases are then cooled to about 450 0 C via a waste heat boiler, in which water vapor is generated. A cleaning operation is not necessary (see KH Büchel et al .: Industrial Inorganic Chemistry, 3rd edition, Verlag Chemie, Weinheim 1999, p 1 10 - 122).
  • sulfur dioxide can also be obtained from waste sulfuric acids by splitting them.
  • Contaminated sulfuric acids are found in many processes, especially in organic chemistry, petrochemistry and the metal industry.
  • the surest way to avoid waste problems and possible environmental impacts is the thermal cracking to form sulfur dioxide, according to the following reaction equation:
  • Sulfuric acid is widely used as one of the key products of the chemical industry.
  • An important field of application is the concentration of so-called azeotropic nitric acid, ie nitric acid with a concentration in the range of the azeotropic composition, from about 68% nitric acid, to concentrated nitric acid, with a nitric acid content of up to 100%.
  • Concentrated nitric acid is needed, for example, for the production of dinitrotoluene.
  • the object is achieved by a process for the production of sulfuric acid, whereby sulfur dioxide-containing process gases are obtained by combustion of liquid sulfur with process air supplied from outside or by splitting waste sulfuric acids, and the sulfur dioxide from the sulfur dioxide-containing process gases is oxidized to sulfur trioxide and into sulfuric acid is transferred by the contact method, which is characterized in that the process air, which is supplied from the outside for the combustion of sulfur, or the sulfur dioxide-containing process gases, which are obtained by splitting of waste sulfuric acid, are reduced in their water vapor content by being cooled.
  • the process air is passed from the outside to the combustion of liquid sulfur via a compressor. It is advantageous to use the process air
  • the process is more favorable in terms of energy, because the compressor compresses cooler air and thus requires less energy for thermodynamic reasons.
  • the process air for the combustion of liquid sulfur or the sulfur dioxide-containing process gases obtained by splitting waste sulfuric acids are cooled in a preferred embodiment of the invention by direct contact with a cooling medium.
  • cooling medium is advantageously used water having a temperature in the range of 1 to 10 0 C or sulfuric acid having a temperature in the range of -5 to +10 0 C or brine.
  • the process air for the combustion of liquid sulfur or the sulfur dioxide-containing process gases, which are obtained by cleavage of waste sulfuric acids can be cooled in a further preferred embodiment by indirect cooling with a cooling medium.
  • the indirect cooling can be done advantageously with a commercial air conditioning.
  • the expert will decide on the basis of economic aspects in an individual case, taking into account in particular the water vapor loading of the air at the site of the Process and the desired degree of concentration of the sulfuric acid to be produced.
  • the externally supplied process air for the combustion of sulfur or the sulfur dioxide-containing process gases can be cooled to a temperature below 5 ° C.
  • the water vapor content of the process air for the combustion of liquid sulfur or the sulfur dioxide-containing process gases, which are formed by cleavage of waste sulfuric acids, can preferably be reduced to less than 1% by volume.
  • the inventive method has the advantage that it reduces the entry of water into processes for the production of sulfuric acid in a technically easy to implement way.
  • Figure 1 shows a flow diagram of a sulfuric acid plant according to the invention by the double contact method
  • FIG. 2 is a flow diagram of a Spaltschwefelklare plant according to the invention.
  • air, stream 1 is fed, according to the invention, via a heat exchanger WT, to a combustion plant VS1 for liquid sulfur, stream 2.
  • Much of the energy released during combustion is used to produce steam while the combustion gas is being cooled down by transferring feed water, stream 3, into steam, stream 4.
  • the reaction mixture from the sulfur combustion VS1 is fed to a first process stage, VS2, the so-called double-contact process, which has an efficiency of about 95%.
  • VS3 sulfuric acid and oleum, stream 6, are prepared.
  • sulfur trioxide is dissolved in concentrated sulfuric acid with the uniform addition of water, stream 5.
  • the concentration of oleum is kept constant by the continuous addition of sulfuric acid.
  • Process stage VS4 is the second stage of the catalytic oxidation of sulfur dioxide with atmospheric oxygen to sulfur trioxide by the double contact process.
  • the removal of sulfur trioxide from the chemical equilibrium carried out in process stage VS3 favors the conversion of the remaining about 5% sulfur dioxide in process stage VS4.
  • the total sales in process steps VS2 and VS4, ie the first and second stages of the double-contact process, is more than 99.7%.
  • sulfuric acid is produced by absorption of the sulfur trioxide formed in process stage VS4 in the final absorber, VS5.
  • the exhaust gas leaving the final absorber VS5, stream 7, consists essentially of nitrogen and the remaining oxygen.
  • the dashed lines between VS3 and VS5 indicate the acid exchange between the intermediate and final absorption stages.
  • FIG. 2 shows the flow diagram of a Spaltschwefelklare plant according to the invention.
  • the cracking and vapor extraction A are supplied with feed water, stream 8, back acid, stream 9, heavy oil, stream 10, sulfur, stream 11, atomizing air, stream 12 and air, stream 13.
  • stream 14 From the cleavage and steam extraction steam, stream 14, deducted and sulfur dioxide-containing process gas 15, which is derived via a gas cleaning and cooling B, from which wastewater 16, according to the invention via a not shown SO 2 -Trockner and heat exchanger in a contact part C and further to the absorption D passed. From this exhaust air 17 and sulfuric acid, stream 18, deducted.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure, wonach schwefeldioxidhaltige Prozessgase durch Verbrennung von flüssigem Schwefel mit Prozessluft, die von außen zugeführt wird, oder durch Spaltung von Abfallschwefelsäuren erhalten werden, und das Schwefeldioxid aus den schwefelhaltigen Prozessgasen zu Schwefeltrioxid oxidiert und in Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren übergeführt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Prozessluft, die von außen zur Verbrennung von Schwefel zugeführt wird, oder die schwefeldioxidhaltigen Prozessgase, die durch Spaltung von Abfallschwefelsäure erhalten werden, in ihrem Wasserdampfgehalt reduziert werden, indem sie gekühlt werden.

Description

Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren.
Schwefelsäure ist eines der Grundprodukte der chemischen Industrie. Schwefelsäure wird aus Schwefeldioxid hergestellt, welches zu Schwefeltrioxid oxidiert wird. Dieses setzt man mit Wasser in konzentrierter Schwefelsäure zu Schwefelsäure um.
Das Schwefeldioxid wird zum großen Teil durch Verbrennen von Elementarschwefel erzeugt, jedoch auch aus Abfallschwefelsäuren durch deren Spaltung.
Die Verbrennung von Elementarschwefel mit Luftsauerstoff zu Schwefeldioxid ist stark exotherm:
S + O2 →SO2 (AH =-297 kJ/mol)
Sie erfolgt technisch in Verbrennungsöfen mit Zerstäuberbrennern für flüssigen Schwefel, mit getrockneter Luft als Oxidationsmittel. Flüssiger Schwefel von 140 - 1500C wird mittels Düsen in fein verteilter Tröpfchenform in Brennkammern eingesprüht. Die Konzentration an Schwefeldioxid im austretenden Gasgemisch wird üblicherweise mit Luft auf 9-1 1 ,5 % Volumenanteil eingestellt; der im Gasgemisch vorhandene Gehalt an Sauerstoff reicht für die sich anschließende Erzeugung von Schwefeltrioxid. Die heißen Gase werden dann über einen Abhitzekessel, in dem Wasserdampf erzeugt wird, auf etwa 4500C abgekühlt. Eine Reinigungsoperation ist nicht notwendig (vgl. K.H. Büchel et al.: Industrielle Anorganische Chemie, 3. Auflage, Verlag Chemie, Weinheim 1999, S. 1 10 - 122).
Alternativ lässt sich Schwefeldioxid auch aus Abfallschwefelsäuren, durch deren Spaltung, gewinnen. Verunreinigte Schwefelsäuren fallen bei vielen Prozessen an, vor allem in der organischen Chemie, der Petrochemie und in der Metallindustrie. Der sicherste Weg zur Vermeidung von Abfallproblemen und möglichen Umweltbelastungen ist die thermische Spaltung unter Bildung von Schwefeldioxid, nach der folgenden Reaktionsgleichung:
2H1SO. → 2SO, +O, +2H7O und anschließende Überführung des Schwefeldioxids in Schwefelsäure, die wieder verwendet werden kann.
Die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid und dessen Überführung in Schwefelsäure erfolgt heute fast ausschließlich nach dem Kontaktverfahren, insbesondere nach dem Doppelkontaktverfahren. Dem Kontaktverfahren zur Oxidation von Schwefeldioxid liegt das Gleichgewicht
502 +-O2 →. SO3 (AH = -99,0 kJ Imoϊ)
zu Grunde; es stellt sich nur in Gegenwart eines Katalysators genügend schnell ein. Da es sich andererseits mit steigender Temperatur zu Gunsten der Ausgangsmaterialien verschiebt, muss bei möglichst tiefer Temperatur gearbeitet werden, wobei die untere Temperaturgrenze durch die Betriebstemperatur des Katalysators bestimmt wird. Ein höherer Schwefeldioxidumsatz kann dadurch erreicht werden, dass man die Konzentration des gebildeten Schwefeltrioxids erniedrigt (Doppelkontaktverfahren) oder unter erhöhtem Druck (5 bar) arbeitet (Verfahren nach Ugine-Kuhlmann). Als Katalysatoren werden heute in der Technik fast ausschließlich Kupfer/Bismut- Katalysatoren verwendet.
Die Überführung von Schwefeltrioxid zu Schwefelsäure,
503 +H2O→H2 SO4 (AH = -132 kJ Imoϊ)
erfolgt durch Lösen von Schwefeltrioxid in konzentrierter Schwefelsäure unter gleichmäßiger Zugabe von Wasser oder nieder konzentrierterer Schwefelsäure.
Schwefelsäure findet als eines der Schlüsselprodukte der chemischen Industrie vielfältige Verwendung. Ein wichtiges Einsatzgebiet ist die Aufkonzentrierung von so genann- ter azeotroper Salpetersäure, d.h. von Salpetersäure mit einer Konzentration im Bereich der azeotropen Zusammensetzung, von etwa 68% Salpetersäure, auf konzentrierte Salpetersäure, mit einem Gehalt an Salpetersäure von bis zu 100%. Konzentrierte Salpetersäure wird beispielsweise zur Herstellung von Dinitrotoluol benötigt. In diesem Prozess ist es vorteilhaft, hochkonzentrierte Schwefelsäure, von über 86 Gew.-% Schwefelsäure, oder auch über 95 gew.-%-ige Frisch-Schwefelsäure, einzusetzen, um eine energieintensive Aufkonzentrierung durch Destillation von im Prozess der Aufkonzentrierung von Salpetersäure anfallender verdünnter Schwefelsäure zu vermeiden. Es war daher Aufgabe der Erfindung, den Wassereintrag im Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure zu reduzieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure, wobei schwefeldioxidhaltige Prozessgase durch Verbrennung von flüssigem Schwefel mit Prozessluft, die von außen zugeführt wird, oder durch Spaltung von Abfallschwefelsäuren erhalten werden, und das Schwefeldioxid aus den schwefeldioxidhaltigen Prozessgasen zu Schwefeltrioxid oxidiert und in Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren übergeführt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Prozessluft, die von außen zur Verbrennung von Schwefel zugeführt wird, oder die schwefeldioxidhaltigen Prozessgase, die durch Spaltung von Abfallschwefelsäure erhalten werden, in ihrem Wasserdampfgehalt reduziert werden, indem sie gekühlt werden.
In einer Ausführungsform wird die Prozessluft von außen zur Verbrennung von flüssi- gern Schwefel über einen Verdichter geleitet. Es ist vorteilhaft, die Prozessluft zur
Verbrennung von flüssigem Schwefel vor der Zuleitung zu dem Verdichter in ihrem
Wasserdampfgehalt zu reduzieren, indem sie gekühlt wird. Dadurch wird nicht nur die
Wasserbilanz des Verfahrens positiv beeinflusst, sondern das Verfahren ist darüber hinaus energetisch günstiger, weil der Verdichter kühlere Luft komprimiert und somit aus thermodynamischen Gründen weniger Energie braucht.
Die Prozessluft für die Verbrennung von flüssigem Schwefel oder die schwefeldioxidhaltigen Prozessgase, die durch Spaltung von Abfallschwefelsäuren erhalten werden, werden in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch direkten Kontakt mit einem Kühlmedium gekühlt.
Als Kühlmedium wird vorteilhaft Wasser mit einer Temperatur im Bereich von 1 bis 100C oder Schwefelsäure mit einer Temperatur im Bereich von -5 bis +100C oder Sole eingesetzt.
Die Prozessluft für die Verbrennung von flüssigem Schwefel oder die schwefeldioxidhaltigen Prozessgase, die durch Spaltung von Abfallschwefelsäuren erhalten werden, können in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform durch indirekte Kühlung mit einem Kühlmedium gekühlt werden.
Die indirekte Kühlung kann vorteilhaft mit einer handelsüblichen Klimaanlage erfolgen.
Wie weit die Reduzierung des Wasserdampfgehaltes durch Kühlung zu gehen hat, wird der Fachmann anhand wirtschaftlicher Gesichtspunkte im Einzelfall entscheiden, unter Berücksichtigung insbesondere der Wasserdampfbeladung der Luft am Einsatzort des Verfahrens und des gewünschten Konzentrationsgrades der herzustellenden Schwefelsäure. Vorteilhaft kann die von außen zugeführte Prozessluft für die Verbrennung von Schwefel oder die schwefeldioxidhaltigen Prozessgase auf eine Temperatur unterhalb von 5°C gekühlt werden.
Der Wasserdampfgehalt der Prozessluft für die Verbrennung von flüssigem Schwefel oder der schwefeldioxidhaltigen Prozessgase, die durch Spaltung von Abfallschwefelsäuren entstehen, kann bevorzugt auf unter 1 Vol.-% reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es in technisch einfach zu realisierender Weise den Wassereintrag in Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure reduziert.
Darüber hinaus werden durch den Einsatz von vorgekühlter Prozessluft die Energie- kosten für den Verdichter für die Prozessluft niedriger. Durch die erfindungsgemäße Behandlung von schwefeldioxidhaltigen Prozessgasen aus Spaltschwefelsäuren kann im Verfahren zur Aufkonzentrierung von Salpetersäuren verdünntere und somit preiswertere Schwefelsäure eingesetzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein Fließbild einer erfindungsgemäßen Schwefelsäure-Anlage nach dem Doppelkontaktverfahren und
Figur 2 ein Fließbild einer erfindungsgemäßen Spaltschwefelsäure-Anlage.
In der in Figur 1 dargestellten Anlage wird Luft, Strom 1 , erfindungsgemäß über einen Wärmetauscher WT einer Verbrennungsanlage VS1 für flüssigen Schwefel, Strom 2, zugeführt. Ein Großteil der bei der Verbrennung freigesetzten Energie wird unter Ab- kühlung des Verbrennungsgases zur Erzeugung von Dampf genutzt, indem Speisewasser, Strom 3, in Dampf, Strom 4, übergeführt wird.
Das Reaktionsgemisch aus der Schwefelverbrennung VS1 wird einer ersten Verfahrensstufe, VS2, des so genannten Doppelkontaktverfahrens zugeführt, die einen Wir- kungsgrad von etwa 95% hat. In der dritten Verfahrensstufe, VS3, werden Schwefelsäure und Oleum, Strom 6, hergestellt. Hierbei wird Schwefeltrioxid in konzentrierter Schwefelsäure unter gleichmäßiger Zugabe von Wasser, Strom 5, gelöst. Die Konzentration des Oleums wird durch kontinuierliche Zugabe von Schwefelsäure konstant gehalten. Verfahrensstufe VS4 ist die zweite Stufe der katalytischen Oxidation von Schwefeldioxid mit Luftsauerstoff zu Schwefeltrioxid nach dem Doppelkontaktverfahren. Durch die in Verfahrensstufe VS3 erfolgte Entfernung von Schwefeltrioxid aus dem chemischen Gleichgewicht wird die Konvertierung der restlichen ca. 5% Schwefeldioxid in Verfah- rensstufe VS4 begünstigt. Der Gesamtumsatz in den Verfahrensstufen VS2 und VS4, d.h. der ersten und der zweiten Stufe des Doppelkontaktverfahrens, beträgt mehr als 99,7%.
Analog wie im Zwischenabsorber in Verfahrensstufe VS3 wird durch Absorption des in Verfahrensstufe VS4 gebildeten Schwefeltrioxids im Endabsorber, VS5, Schwefelsäure hergestellt. Das den Endabsorber VS5 verlassende Abgas, Strom 7, besteht im Wesentlichen aus Stickstoff und dem restlichen Sauerstoff.
Die gestrichelten Linien zwischen VS3 und VS5 deuten den Säureaustausch zwischen der Zwischen- und der Endabsorptionsstufe an.
Figur 2 zeigt das Fließbild einer erfindungsgemäßen Spaltschwefelsäure-Anlage. Der Spaltung und Dampfgewinnung A werden Speisewasser, Strom 8, Rücksäure, Strom 9, Schweröl, Strom 10, Schwefel, Strom 11 , Zerstäuberluft, Strom 12 und Luft, Strom 13, zugeführt. Aus der Spaltung und Dampfgewinnung wird Dampf, Strom 14, abgezogen und Schwefeldioxid enthaltendes Prozessgas 15, das über eine Gasreinigung und -kühlung B, woraus Abwasser 16 abgeleitet wird, erfindungsgemäß über einen nicht dargestellten SO2-T rockner und Wärmetauscher in einen Kontaktteil C und weiter zur Absorption D geleitet. Hieraus werden Abluft 17 und Schwefelsäure, Strom 18, abge- zogen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure, wobei schwefeldioxidhaltige Pro- zessgase durch Verbrennung von flüssigem Schwefel mit Prozessluft, die von außen zugeführt wird, oder durch Spaltung von Abfallschwefelsäuren erhalten werden, und das Schwefeldioxid aus den schwefelhaltigen Prozessgasen zu Schwefeltrioxid oxidiert und in Schwefelsäure nach dem Kontaktverfahren übergeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessluft, die von außen zur Verbrennung von Schwefel zugeführt wird, oder die schwefeldioxidhaltigen Prozessgase, die durch Spaltung von Abfallschwefelsäure erhalten werden, in ihrem Wasserdampfgehalt reduziert werden, indem sie gekühlt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Prozessluft von außen zur Verbrennung von flüssigem Schwefel über einen Verdichter geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessluft vor der Zuleitung zu dem Verdichter in ihrem Wasserdampfgehalt reduziert wird, indem sie gekühlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozess- luft für die Verbrennung von flüssigem Schwefel oder die schwefeldioxidhaltigen
Prozessgase, die durch Spaltung von Abfallschwefelsäuren erhalten werden, durch direkten Kontakt mit einem Kühlmedium gekühlt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium Wasser mit einer Temperatur im Bereich zwischen 1 und 100C oder Schwefelsäure mit einer Temperatur im Bereich zwischen -5 und +100C oder Sole eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozess- luft für die Verbrennung von flüssigem Schwefel oder die schwefeldioxidhaltigen
Prozessgase, die durch Spaltung von Abfallschwefelsäuren erhalten werden, durch indirekte Kühlung mit einem Kühlmedium gekühlt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die indirekte Kühlung mit einer handelsüblichen Klimaanlage erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung auf Temperaturen unterhalb von 5°C erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampfgehalt der Prozessluft, die von außen zur Verbrennung von Schwefel zugeführt wird, oder der schwefeldioxidhaltigen Prozessgase, die durch Spaltung von Abfallschwefelsäuren erhalten wurden, auf weniger als 1 Vol.-% reduziert wird.
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