WO2017143416A1 - Método e equipamento para resfriar ácido sulfúrico - Google Patents
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Definitions
- TECHNICAL STATE - One of the steps in the contact sulfuric acid (H 2 S0 4 ) production process is the absorption of S0 3 (sulfur trioxide), made by a stream of concentrated sulfuric acid (sulfuric acid) solution in a column or in a liquid gas contact device, so that the product of this reaction is an even more concentrated sulfuric acid, which will later be diluted to process and / or commercial use concentrations.
- S0 3 sulfur trioxide
- This highly exothermic reaction releases a substantial amount of energy, which concentrates and heats up the acid stream used in the absorption / reaction process, so that the The acid stream that leaves the process, in addition to being more concentrated, is also warmer.
- the effluent hot acid cooling of the S0 3 absorption processes is done indirectly in shell and tube or plate or even spiral type metal, cast iron, stainless steel heat exchangers with or without anodic protection or special alloys depending on specific process conditions.
- all these systems use water as refrigerant.
- the use of water as refrigerant provides great benefits, such as the high heat transfer coefficients achieved, the abundance and low cost of this input or the possibility of generating low or medium pressure steam directly in the acid cooling process.
- the objective of the present invention is to provide a method and apparatus that provides additional benefits to operators of sulfuric acid manufacturing plants, particularly in the cooling stage of sulfuric acid, then performed the S0 3 absorption stage.
- Another objective is to provide a flexible sulfuric acid cooling method and equipment that provides numerous application variants.
- Another objective is to provide flexible sulfuric acid cooling method and equipment to apply to non-energy recovery acid manufacturing processes or energy recovery acid manufacturing processes for application in the acid manufacturing process or other adjacent process or the generation of electricity or other forms of energy recovery.
- Another objective is to provide sulfuric acid cooling method and equipment that reduces or minimizes the risk of corrosion of equipment and materials in the event of a leak and thereby reduces or minimizes the risk of hydrogen formation and its con- sequences.
- this fluid indirectly exchanges heat with water or any other refrigerant, is cooled and reused, and this method can be used to simply cool sulfuric acid or, moreover, to produce low, medium or high pressure steam, or even to be used to heat other process streams, whether from the acid plant or from adjacent industrial or process plants.
- FIG. 1 shows a schematic of a conventional indirect sulfuric acid cooling system without energy recovery, steam generation
- FIG. 2 shows a schematic of a non-energy recovery, steam-generating indirect sulfuric acid cooling system according to the present invention using inert refrigerant and acid-fluid intermediate heat exchanger;
- FIG. 3 shows a schematic of a conventional energy recovery, steam generation indirect sulfuric acid cooling system
- FIG. 4 shows a schematic of a conventional redundant indirect recovery cooling system with energy recovery, steam generation
- Fig. 5 shows a schematic of one embodiment of the energy-generating, energy-recovery sulfuric acid indirect cooling system using inert refrigerant, intermediate heat exchanger and boiler according to the invention with plate-type heat exchangers and fig. 5A shows a possibility with shell and tube type changers;
- FIG. 6 shows a schematic of one embodiment of the energy recovery, steam generation indirect cooling sulfuric acid cooling system according to the invention
- FIG. 7 shows a system with the intermediate heat exchanger heating more than one user according to the invention
- Fig. 8 shows intermediate changer system heating more than one user with approximate values for a sulfuric acid production plant of approximately 1000 t / day capacity according to the invention with plate-type heat exchangers and fig. 8A shows one embodiment with a plate heater and a shell and tube; and
- Figs. 9 to 11 schematically show options for plate, shell and tube and spiral type heat exchangers, respectively, used in the equipment object of the invention for both refrigerant and acid cooling.
- said contact sulfuric acid production process when of non-energy recovery type, usually comprises, among others (Fig. 1):
- 1 - SO 3 (sulfur trioxide) absorption step made by a stream of concentrated sulfuric acid solution in one or more columns or one or more liquid gas contact devices, which produce as heated concentrated sulfuric acid effluent;
- Cooling step of effluent hot acid from the absorption step of S0 3 made indirectly in heat exchangers that usually use cooling water as fluid for thermal exchange.
- the method and apparatus of the present invention (Figs. 2, 5 to 8) are intended to cool sulfuric acid with shell-type heat exchangers and tubes, to plates, or spirals or otherwise, with or without energy recovery. overcome the drawbacks of the state of the art.
- the indirect cooling step according to the method of the present invention instead of using cooling water as it usually does, employs fluids such as perfluorocarbons or fluorinated hydrocarbons of chains with 5 or more carbon atoms, such as for example hydrofluoroethers or perfluoropolyethers or mixtures thereof or the like.
- fluids such as perfluorocarbons or fluorinated hydrocarbons of chains with 5 or more carbon atoms, such as for example hydrofluoroethers or perfluoropolyethers or mixtures thereof or the like.
- the choice of the most appropriate fluorinated fluid will depend mainly on hot acid temperatures, as the shorter chains have more favorable heat transfer characteristics. but more volatile while longer chains are less heat transfer efficient but less volatile.
- said 2 - Indirect cooling step in the present invention comprises:
- Second indirect cooling heated coolant step cooling water or other fluid (3 fluid) which provides indirect heat exchange between the fluid heated refrigerant and water or other fluid in a plate heat exchanger, shell and tube, spiral or another, generating refrigerant fluid inert to the cooled sulfuric acid that is recirculated and water or other heated fluid, which may be reused in the process or other adjacent processes.
- steam generation also comprises 3) - Energy recovery step, steam generation, which generates heated water / steam which can be harnessed in the manufacturing process. sulfuric acid or other adjacent process or in the generation of electricity or others.
- an acid cooling circuit 10 comprising: an acid-water heat exchanger 1 of a type which uses cooling water, which heat exchange indirectly with the heated concentrated acid from the absorption tower of S0 3 1; by feed pipe 12 derived from pump 4 and feeding sulfuric acid into heat exchanger 11; by sulfuric acid recirculation piping 13 with a concentration of 97.0 to 99.5% and a temperature of 70 to 90 ° C for the S0 3 1 absorption tower; return pipe and water supply 14 to heat exchanger 1 1 and others.
- the acid cooling circuit 10 (fig. 2) is comprised of: an acid-fluid intermediate (heat exchanger, shell and tube) heat exchanger 20, which cools the heated concentrated sulfuric acid by heat exchange with inert refrigerant; per second fluid-water heat exchanger 1 1 which receives and cools the heated inert refrigerant through thermal exchange with cooling water; by feed pipe 12, which fluidly connects pump 4 and heat exchanger 20 and feeds on this sulfuric acid at a temperature of @ 70 to 120 ° C and a concentration of 98 to 101% after absorption in the absorption tower from SO 3 1; cooled sulfuric acid recirculation pipe 13 with a temperature of 70 to 120 ° C and a concentration of 97.0 to 99.5% for the absorption tower of S0 3 1; by inert refrigerant reuse tubing 21 which makes the fluid connection between the acid-fluid intermediate heat exchanger 20 and the second fluid-water / other fluid heat exchanger 11 and comprised substantially of tubing, water vessel
- the acid used in the absorption may be at temperatures ranging from 100 to 240 ° C and with a concentration ranging from 97% to 101%.
- acid cooling rather than acid-water heat exchangers is done in boilers. These, as cool the hot acid, produce low or medium pressure steam, depending on the temperature of the acid used to absorb S0 3 and which is being cooled.
- a typical unit of this type may consist of: (fig. 3) a single or double-stage absorption tower assembly 1, which absorbs S0 3 of the process gases with sulfuric acid at concentrations of 98-101% and temperatures above 120 ° C; acid outlet 2 after absorption, whereby heated acid circulates at a temperature of from @ 120 to 240 ° C; acid circulation tank 3 and pump 4.
- the unit also includes a cooling and energy recovery circuit, steam generation, 10, comprising: a steam generator boiler 30 which cools the acid and produces low or medium pressure steam; by feed pipe 12 which fluidly connects pump 4 and boiler 30 and through which heated acid circulates after absorption at a temperature of> 120 to 240 ° C and a concentration of 97 to 101%; recirculating tubing 13 which connects the output of boiler 30 to the absorption tower of S0 3 1 and through which cooled acid circulates at a temperature of 100 - 240 ° C and a concentration of 97 - 101%; boiler water supply pipe 14 at pressure between 3bar to 30 bar; low or medium pressure steam outlet piping 31 3 to 15 bar from boiler 30.
- a steam generator boiler 30 which cools the acid and produces low or medium pressure steam
- feed pipe 12 which fluidly connects pump 4 and boiler 30 and through which heated acid circulates after absorption at a temperature of> 120 to 240 ° C and a concentration of 97 to 101%
- recirculating tubing 13 which connects the
- the facility also provides cold acid supply piping 15 for temperature adjustment in tower 1 which feeds acid with a concentration between 97 to 101% and a temperature between 70 to 120 ° C.
- All system equipment, tower, boiler, tanks, pipelines are typically constructed of specially selected (noble) metal material to resist corrosion in sulfuric acid under operating conditions.
- an acid cooling circuit 10 comprising an acid-water heat exchanger 11 associated with the output of the S0 3 1 absorption tower and a 10 'steam generation and cooling circuit comprised by a generation boiler is provided. acid-water vapor 30 associated with vessel outlet 40.
- the machine is understood, substantially: for the whole absorption tower, formed: by absorption tower 1 S0 3; tower outlet 2 for heated acid after absorption at @ 70 to 120 ° C; acid circulation tank 3 and pump 4; furthermore said equipment comprises a S0 3 absorption vessel assembly, connected upstream of the S0 3 1 absorption tower, formed: by a S0 3 absorption venturi scrubber 40, connection 41 thereof to tower 1, outlet 42 of the a vessel through which heated acid circulates after absorption at a concentration of 98% to 101% and a temperature of> 100 to 240 ° C; tank 43 and acid circulation pump 44.
- the apparatus further comprises an acid-water cooling circuit 10 associated with tower 1, formed by: an acid-water heat exchanger 11; by acid feed pipe 12 which connects heat exchanger 1 1 to pump 4; by recirculation tubing 13 which connects heat exchanger 1 1 to tower 1 and through which cooled acid circulates for absorption with concentration 97 to 99.5% and temperature between 70 to 120 ° C; and heat exchanger cooling water supply and return piping 1 1.
- an acid-water cooling circuit 10 associated with tower 1 formed by: an acid-water heat exchanger 11; by acid feed pipe 12 which connects heat exchanger 1 1 to pump 4; by recirculation tubing 13 which connects heat exchanger 1 1 to tower 1 and through which cooled acid circulates for absorption with concentration 97 to 99.5% and temperature between 70 to 120 ° C; and heat exchanger cooling water supply and return piping 1 1.
- Said equipment is further comprised of a cooling circuit and energy recovery 10 'associated with vessel 40 and formed: by steam generating boiler 30; by piping 12 'from pump 44 to boiler 30 through which acid circulates after absorption at a temperature of @ 100 to 240 ° C; acid recirculation line 13 'between boiler 30 and vessel 40 through which cooled acid circulates after steam generation at @ 100 to 240 ° C; 14 'boiler water supply pipe at pressure between @ 3 bar to 30 bar; boiler steam outlet pipe 31 through which low or medium pressure steam circulates from 3 to 30 bar and which may be associated with, for example, an electricity generation turbine (not shown) or others.
- a cooling circuit and energy recovery 10 associated with vessel 40 and formed: by steam generating boiler 30; by piping 12 'from pump 44 to boiler 30 through which acid circulates after absorption at a temperature of @ 100 to 240 ° C; acid recirculation line 13 'between boiler 30 and vessel 40 through which cooled acid circulates after steam generation at @ 100 to 240 ° C;
- a conventional energy recovery unit cools sulfuric acid. at a concentration of 99.5% and a temperature of 220 ° C to, for example, a temperature of 200 ° C.
- the steam generated in the boiler of this system has pressures not exceeding 10-12 bar, with a saturation temperature of 170-180 ° C, therefore 40 ° C below the temperature of the warmest acid and 20 ° C. C below the coldest acid.
- Such an installation is comprised of: single or double stage S0 3 absorption tower 1; its outlet 2, in which heated acid circulates after absorption at a temperature of> 100 to 240 ° C; acid circulation tank 3 and pump 4.
- An acid cooling circuit is also part of the installation. 10 comprised: by intermediate acid-fluid heat exchanger 20; second fluid-water heat exchanger 11, both plate type (fig. 5) or shell and tube (fig.
- a feed line 12 which fluidly connects the pump 4 and the intermediate acid-fluid heat exchanger 20 and through which the heated acid circulates after absorption at a temperature of 100 to 240 ° C and a concentration of 98 to 101%; by recirculation pipe 13 of cooled acid between the intermediate acid-fluid heat exchanger
- Inert refrigerant reuse 21 which makes the fluid connection between the acid-fluid intermediate heat exchanger 20 and the second fluid-water heat exchanger 11 and comprised substantially of tubing, accumulation vessel and recirculation pump and through which fluid circulates heated and cooled.
- the installation is further formed by a power recovery circuit, steam generation, 10 'formed by steam generation boiler 30; by supply and return piping 14 between the second heat exchanger 11 and boiler 30; by boiler water supply pipe 31 at a pressure of from @ 3 to 35 bar; by steam pipe 32 at low or medium pressure between 3 and 15 bar leaving the boiler 30 and can be fed into any system.
- cold acid feed tubing 15 for temperature adjustment in tower 1 which feeds acid with a concentration of 98 to 101% and a temperature of 70 to 120 ° C.
- the energy recovery system pro- shown in Figure 5 utilizes an intermediate plate-refrigerant acid-fluid exchanger 20 to cool the hot acid; a second refrigerant-water fluid exchanger 11 to cool the refrigerant and heat the steam generating means and a boiler 30 which uses water from the second heat exchanger 11 to generate steam.
- This system has a number of benefits.
- the intermediate heat exchanger 20 which cools hot acid with inert refrigerant can operate with the refrigerant circuit at a lower pressure than acid (unlike conventional systems where water / vapor is at pressures higher than acid).
- any leakage that may occur will be from the acid side to the inert refrigerant side.
- This leakage may be detected in an expansion tank (not shown) suitably associated with the system in which acid separates from fluid by gravity.
- a conductivity meter or pH instrument (not shown) can easily detect leakage. Since in the event of any leakage there is no acid dilution, there is therefore also no accelerated corrosion or hydrogen generation by the formation of hot diluted acid.
- the acid cooling circuit changer 20 used in the present invention may be of the plate, shell and tube type or high heat transfer rate spiral, and therefore one may seek to approximate the temperature of the fluid more closely. acid soda.
- Another aspect related to the present invention concerns the fact that the heat exchanger 20, pipes and others associated therewith, belonging to the acid cooling circuit, in the face of having contact with it, are constructed of nobler material and, therefore more costly, to resist such contact.
- the second (fluid / water) heat exchanger 11, boiler 30 and others associated therewith which do not have contact with acid may be of less noble and less expensive material and, therefore, particularly heat exchanger 1 1 and boiler 30 can be constructed with larger heat exchange area to recover more energy, which is also an advantage for the system.
- This is indicated in figure 6, whose arrow N, facing the region of the equipment that contacts the acid, particularly the heat exchanger 20 and its associated piping, are constructed of noble material, and the arrow C, Aimed at the region of the equipment that has no contact with acid but with the refrigerant, particularly the heat exchanger 11, boiler 30 and associated components can be constructed of conventional materials.
- the system illustrated in figure 5 can be constructed more simply without the second fluid-water exchanger 11 and needs to be seeing only one acid-fluid changer 20 (fig. 6) and the boiler 30.
- the refrigerant itself is used to generate steam.
- Boiler 30 can therefore be constructed to a higher temperature approximation, such as 10 ° C instead of 20 ° C to generate better quality steam (using fluid entering at 235 ° C and leaving at 215 ° C from the boiler) pressures of up to 18 bar can be achieved, as opposed to the 12 bar achieved with the conventional arrangement.
- the device is substantially comprised (fig. 6) by the whole absorption tower 1 S0 3; its outlet 2, tank 3 and acid circulation pump 4; by the acid cooling circuit 10 formed: by feed pipe 12 derived from pump 4; by the shell-and-tube acid-fluid heat exchanger, to plates or spirals 20, to which the pipe 12 is connected; by cooled acid recirculation tubing 13, which fluidly connects heat exchanger 20 and tower 1; by energy recovery circuit 10 'formed by boiler 30 and by feed and return piping 14 disposed between it and heat exchanger 20, which has accumulation tank and booster pump.
- the shell and tube type acid-fluid heat exchanger, plate or spiral 20 is constructed of noble materials and all other equipment from this, such as boiler 30 and others made of conventional materials such as: carbon steel, stainless steel 304, nox 316 and the like. Boiler 30 being of less noble material can be constructed with larger heat exchange area to recover more energy.
- Another advantage of an intermediate heat exchanger system is the possibility of recovering part of the energy as high pressure steam.
- the method and equipment of the present invention may provide arrangements to meet this situation by providing for the intermediate changer which makes it possible to divert part of the preheated water by the fluid water exchanger to a boiler water preheater of the high pressure system.
- Figure 7 illustrates this possibility, in which an installation with intermediate exchanger and heating for more than one user is seen.
- the installation according to the invention is comprised of: the absorption tower assembly, formed by: single or double stage S0 3 absorption tower 1; its outlet 2, in which heated acid circulates after absorption at a temperature of> 100 to 240 ° C; acid circulation tank 3 and pump 4.
- the installation further comprises: an acid cooling circuit 10 comprising: an intermediate acid-fluid heat exchanger 20; per second fluid-water heat exchanger 11, both shell and tube type, to plates or spirals; by a feed line 12 which makes the fluid connection between the pump 4 and the intermediate acid-fluid heat exchanger 20 and through which the heated acid circulates after the absorption at a temperature between 100 to 240 ° C and concentration between 97 and 101%; by recirculation pipe 13 of cooled acid between the intermediate acid-fluid heat exchanger
- the installation finally comprises energy recovery circuit, steam generation, boiler water preheating of the high pressure system 10 'formed by: steam generation boiler 30; by boiler water preheater 50; by piping 14 exiting the second heat exchanger 11 and entering boiler 30 and boiler water preheater 50 and through which hot water for steam generation circulates; via return pipe 14 'which exits boiler 30 and from boiler water preheater 50, connects to an accumulator vessel 21 and through which chilled water circulates after steam generation; by piping 14 "exiting the storage vessel 21 and entering the second heat exchanger 11 and through which chilled water circulates; by piping water supply 31 in the boiler at pressure from 3 to 35 bar; by steam piping 32 low or medium pressure between 3 and 15 bar that exits from boiler 30 and can be fed into any system by 16 'and 16' return piping connected to the preheater boiler water 50 and through which water and high pressure boiler circulates @ 20-65 bar;
- cold acid feed pipe 15 for temperature adjustment in tower 1 which feeds acid with a concentration of 97 to 101% and a temperature of 70 to 120 ° C.
- FIG. 8 shows a version of the equipment with two plate-type exchangers and fig. 8 A version with a plate type heat exchanger and another shell and tube type heat exchanger.
- Such an arrangement may be suitable for generating only medium or low pressure steam, or in another arrangement having more users, such as phosphoric acid heating, industrial or collective water heating, thermal fluid heating.
- the sulfuric acid inert refrigerant is preferably in liquid phase at operating temperatures; is chemically and thermally stable; non combustible or flammable; has good chemical compatibility with metals and plastics; has low vapor pressure at operating temperatures; It is practically insoluble in water and preferably minimally toxic or non-toxic.
- Said sulfuric acid inert refrigerant comprises the family of perfluorocarbons, fluorinated hydrocarbons, chains of more than 5 carbon atoms, such as hydrofluoroethers or perfluoropolyethers or mixtures thereof in their varying degrees of polymerization and fluoridation.
- the equipment When the equipment is of a type consisting of two heat exchangers, both may be of the same type as a plate-type heat exchanger (Figs. 5, 7, 8) or shell and tubes (Figs. or spiral or the equipment may be formed of two different types operated together as shown, for example, in fig. 8 A, all as per the convenience of design.
- the equipment can be comprised of a set, quite, to be installed in an existing plant, formed by heat exchanger which is preferably installed upstream of the existing heat exchanger in the plant, so that it is composed by the tower. S0 3 absorption and first and second heat exchangers as provided in the invention.
- the new heat exchanger can be installed downstream of the heat exchanger heat already present in the plant as desired.
- the installation is composed by: the absorption tower of S0 3 , by first acid-fluid heat exchanger, preferably that which is part of quite, and by second heat exchanger inert-water refrigerant or other fluid, preferably already existing in the plant.
- FIG. 9 to 11 show schematics of heat exchanger options used in the equipment of the invention.
- Fig. 9 shows a schematic of a coolant-water fluid plate exchanger 20 on one side provided with heated acid inlet after S0 3 absorption and cooled acid outlet for S0 3 absorption and on the opposite side heated and refrigerant outlet inlet for cooled refrigerant.
- Fig. 10 shows a schematic of a shell-type heat exchanger and pipe-type heat exchanger 20 having left inlet for heated acid from S0 3 absorption and outlet in heated refrigerant and right out of cooled acid for S0 3 absorption and cooled refrigeranet fluid inlet.
- Fig. 11 shows the schematic of a coolant-water fluid spiral heat exchanger having the heated acid inlet side of the S0 3 absorption and superiorly the cooled acid outlet for the S0 3 absorption, on the opposite side the heated coolant outlet and upper face inlet for cooled fluid.
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Abstract
O presente resumo refere-se a pedido de patente de invenção para método e equipamento para resfriar soluções aquosas de ácido sul-fúrico (H2SO4), pertencente ao campo dos processos químicos, que faz parte de processo de produção de ácido sulfúrico por contato sem ou com recuperação de energia, que compreende, entre ou-tras: 1) - Etapa de absorção de SO3 que produz ácido sulfúrico con-centrado aquecido; e 2) – Etapa de resfriamento indireto do ácido quente; dito método compreende: o uso de fluído refrigerante inerte ao ácido sulfúrico; e a 2) Etapa de refriamento compreendida: por etapa de resfriamento indireto intermediária ácido fluído e - Segun-da etapa de resfriamento indireto fluído água ou fluído – 3º fluído, sendo que, quando o processo é de tipo com recuperação de ener-gia é prevista 3)- Etapa de recuperação de energia, geração de va-por; referida invenção compreende ainda equipamento que realiza o método, que funciona junto ao conjunto da torre de absorção de SO3 (1), compreendido por circuito de resfriamento de ácido (10) formado: por trocador de calor intermediário ácido-fluido (20) e se-gundo trocador de calor fluído-água (11) e, quando o processo é com recuperação de energia, dito equipamento prevê caldeira de geração de vapor (30).
Description
"MÉTODO E EQUIPAMENTO PARA RESFRIAR ÁCIDO SULFÚRICO"
[001]. INTRODUÇÃO - O presente relatório descritivo refere-se a um pedido de patente de invenção para método e equipamento para resfriar soluções aquosas de ácido sulfúrico, pertencente ao campo dos processos químicos, que foram desenvolvidos para proporcionar maior segurança no resfriamento do ácido, aplicações em processos com e sem recuperação de energia e várias possibilidades de arranjos para adequar-se a diferentes plantas de fabricação de ácido sulfúrico por contato.
[002]. ESTADO DA TÉCNICA - Uma das etapas do processo de produção de ácido sulfúrico (H2S04) por contato é a absorção de S03 (trióxido de enxofre), feita por uma corrente de solução aquosa ácido sulfúrico concentrado (ácido sulfúrico) em uma coluna ou em um dispositivo de contato gás liquido, de modo que o produto desta reação seja um ácido sulfúrico ainda mais concentrado, que posteriormente será diluído para as concentrações de utilização em um processo e/ou de comercialização.
[003]. A reação entre o S03 e a corrente de ácido sulfúrico concentrado se dá, de fato, entre o S03 da corrente gasosa e a á- gua residual H20 presente na corrente de ácido líquido posto em contato com o gás, de maneira simplificada representado pelas formulas abaixo:
S03 + H20 > H2SO4 ΔΗ ~ - 810 kJ/mol (formula 1)
[004]. Esta reação, altamente exotérmica, libera uma quantidade substancial de energia, que concentra e aquece a corrente de ácido utilizada no processo de absorção/reação, de modo que a
corrente de ácido que deixa o processo, além de mais concentrada, está também mais quente.
[005]. Esta energia (aquecimento) precisa ser removida do sistema, de modo a manter os parâmetros de processo controlados e que a absorção se processe nas faixas de temperatura e concentração projetadas e desejadas.
[006]. O resfriamento do ácido quente efluente dos processos de absorção de S03 é feito indiretamente em trocadores de calor do tipo casco e tubos ou do tipo placas ou até mesmo do tipo espiral metálicos, de ferro fundido, aço inoxidável com ou sem proteção anódida ou de ligas especiais dependendo das condições de processo específicas. Em comum, todos estes sistemas utilizam água como fluído refrigerante. O uso da água como fluído refrigerante proporciona grandes benefícios, tais como, os elevados coeficientes de transferência de calor alcançados, a abundância e baixo custo deste insumo ou a possibilidade de se gerar vapor de baixa ou média pressão diretamente no processo de resfriamento do ácido.
[007]. No entanto, por outro lado, um eventual vazamento de água para o circuito de ácido ou deste para o circuito de água gera necessariamente a produção de ácido sulfúrico diluído quente, uma vez que a reação entre o ácido e a água, como já mencionado anteriormente, é bastante exotérmica. A geração do ácido sulfúrico diluído pode, por sua vez, acelerar ou levar à um processo de corrosão acelerada os trocadores de calor, tubulações e outros equipamentos, destruindo em todo ou em parte estes equipamentos e criando importantes custos com paradas de fábrica para manutenção e reparo dos danos.
[008]. Ainda pior, a reação entre o ácido sulfúrico e o ferro e outros elementos constituintes dos metais de fabricação dos trocadores de calor produz hidrogénio que, em estado gasoso, dependendo da magnitude e velocidade do processo corrosivo, pode se acumular e posteriormente provocar explosões. O assunto é grave e tema de muitos estudos e fóruns internacionais. São diversos os relatos recentes de explosões causadas por hidrogénio na indústria de ácido sulfúrico mundial.
[009]. OBJETIVOS DA INVENÇÃO - O objetivo da presente invenção é prover um método e equipamento que proporcione benefícios extras para os operadores de plantas de fabricação de ácido sulfúrico, particularmente na etapa de resfriamento do ácido súlfúrico, realizada em seguida à etapa de absorção de S03.
[010]. Outro objetivo é prover um método e equipamento de resfriamento de ácido sulfúrico que sejam flexíveis para proporcionar inúmeras variantes de aplicação.
[011]. Outro objetivo é prover método e equipamento de resfriamento de ácido sulfúrico que sejam flexíveis para aplicar-se a processos de fabricação do ácido sem recuperação de energia ou processos de fabricação do ácido com recuperação de energia para aplicação no processo de fabricação do ácido ou em outros processo adjacentes ou ainda a geração de energia elétrica ou outras forma de recuperação de energia.
[012]. Outro objetido é prover método e equipamento de resfriamento de ácido sulfúrico que reduza ou minimize o risco de corrosão dos equipamentos e materiais em caso de vazamento e assim reduza ou minimize o risco de formação de hidrogénio e suas con-
sequências.
[013]. DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO - Tendo em vista as dificuldades e inconvenientes observados no estado da técnica, acima aludidos e no propósito de superá-los e visando atender aos objetivos relacionados, foram desenvolvidos o método e equipamento para resfriar ácido sulfúrico, objeto da presente patente, que consiste em, ao invés de se resfriar o ácido sulfúrico quente efluente das reações de absorção com água, como acontece usualmente, resfriá-lo com fluídos refrigerentes inertes ao ácido sulfúrico, como os fluídos perfluorocarbonos, hidrocarbonetos fluo- retados de cadeias c5-c29, como, por exemplo os hidrofluoroeteres ou os perfluoropoliéteres ou mesmo misturas dos mesmos, de modo que, em uma primeira etapa, o ácido sulfúrico seja resfriado transferindo calor indiretamente para este fluído e em uma segunda etapa este fluído troque calor indiretamente com água ou qualquer outro fluído refrigerante, é resfriado e reutilizado, sendo que esse método pode ser usado para simplesmente resfriar o ácido sulfúrico ou para, além disso, produzir vapor de baixa, média ou alta pressão, ou mesmo ser utilizado para aquecer outras correntes de processo, sejam elas da planta de ácido ou de plantas industriais ou processo adjacentes.
[014]. Essa forma de construção do método e equipamento proporciona inúmeras vantagens que ficam mais claras nas descrições seguintes feitas com bases em figuras ilustrativas da invenção.
[015]. FIGURAS ILUSTRATIVAS DA INVENÇÃO - Os desenhos anexos referem-se ao método e equipamento para resfriar ácido sulfúrico, objeto da presente patente, nos quais:
[016]. A fig. 1 mostra um esquema de um sistema convencional de resfriamento indireto de ácido sulfúrico sem recuperação de energia, geração de vapor;
[017]. A fig. 2 mostra um esquema de um sistema de resfriamento indireto de ácido sulfúrico sem recuperação de energia, geração de vapor, segundo a presente invenção, que usa fluído refrigerante inerte e trocador de calor intermediário ácido-fluído;
[018]. A fig. 3 mostra um esquema de um sistema convencional de resfriamento indireto de ácido sulfúrico com recuperação de energia, geração de vapor;
[019]. A fig. 4 mostra um esquema de um sistema convencional redundante de resfriamento indireto de ácido sulfúrico com recuperação de energia, geração de vapor;
[020]. A fig. 5 mostra um esquema de uma possibilidade de realização do sistema de resfriamento indireto de ácido sulfúrico com recuperação de energia, geração de vapor, que usa fluído refrigerante inerte, trocador de calor intermediário e caldeira, segundo a invenção com trocados de calor tipo placa e a fig. 5 A mostra uma possibilidade com trocadores tipo casco e tubo;
[021]. A fig. 6 mostra um esquema de uma possibilidade de realização do sistema de resfriamento indireto de ácido sulfúrico com recuperação de energia, geração de vapor, segundo a invenção;
[022]. A fig. 7 mostra um sistema com o trocador de calor intermediário aquecendo mais de um usuário, segundo a invenção;
[023]. A fig. 8 mostra sistema com trocador intermediário aquecendo mais de um usuário com valores aproximados para uma
planta de produção de ácido sulfúrico de capacidade aproximada de 1000 t/dia, segundo a invenção com trocadores de calor tipo placa e a fig. 8 A mostra uma possibilidade de realização com um aquecedor de placas e um casco e tubo; e
[024]. As figs. 9 a 1 1 mostram esquematicamente opções de trocadores de calor, respectivamente, de tipo à placa, casco e tubo e espiral, usados no equipamento objeto da invenção, tanto para resfriar o fluído refrigerante como o ácido.
[025]. DESCRIÇÃO DETALHADA COM BASE NAS FIGURAS - Conforme é previsto na invenção, o método e equipamento, obje- tos da presente patente, fazem parte do processo de produção de ácido sulfúrico (H2S04) por processo de contato sem ou com recuperação de energia.
[026]. Assim, referido processo de produção de ácido sulfúrico por contato, quando de tipo sem recuperação de energia, compreende, usualmente, entre outras (fig. 1 ):
[027]. 1 - Etapa de absorção de S03 (trióxido de enxofre) feita por uma corrente de solução de ácido sulfúrico concentrado em uma ou mais colunas ou em um ou mais dispositivos de contato gás liquido, que produzem como efluente de ácido sulfúrico concentrado aquecido; e
[028]. 2 - Etapa de resfriamento do ácido quente efluente da etapa de absorção de S03 feita indiretamente em trocadores de calor que usualmente empregam água de refrigeração como fluído para a troca térmica.
[029]. Quando o processo de produção de ácido sulfúrico (H2S04) por contato usual é de tipo com recuperação de energia
(figs. 3, 4), faz parte do mesmo, adicionalmente:
[030]. 3)- Etapa de recuperação de energia, geração de vapor, para utilização no processo de fabricação de ácido sulfúrico ou em outros processo adjacentes ou geração de energia elétrica ou outros.
[031]. Esses processos usuais quando de tipo sem recuperação de energia são realizados com equipamento ilustrado esquematicamente na figura 1 e quando com recuperação de energia como ilustrado esquematicamente nas figuras 3, 4.
[032]. Os processos e equipamentos do estado da técnica, acima descritos e ilustrados, atendem suas finalidades, mas apresentam inconvenientes descritos mais detalhadamente mais adiante neste relatório.
[033]. O método e equipamento da presente invenção (figs. 2, 5 a 8) visam resfriar ácido sulfúrico, com trocadores de calor do tipo casco e tubos, a placas, ou espirais ou outros ainda que seja, com ou sem recuperação de energia de modo a superar os inconvenientes do estado da técnica.
[034]. Para tal, a 2 - Etapa de resfriamento indireto, segundo o método da presente invenção, ao invés de usar água de refrigeração como ocorre usualmente, emprega fluídos tais como perfluoro- carbonos ou hidrocarbonetos fluoretados de cadeias com 5 ou mais átomos de carbono, como, por exemplo, os hidrofluoroéteres ou os perfluoropoliéteres ou misturas dos mesmos ou similares. A escolha do fluído fluoretado mais apropriado dependerá principalmente das temperaturas do ácido quente, visto que as cadeias mais curta possuem características de transferência de calor mais favoráveis po-
rém mais voláteis enquanto as cadeias mais longas são menos eficientes no que diz respeito à transfderência de calor, porém menos voláteis .
[035]. Ainda, referida 2 - Etapa de resfrimento indireto, na presente invenção, compreende:
[036]. - Etapa de resfriamento indireto intermediária ácido sulfúrico - fluído refrigerante inerte, realizada por trocador de calor localizado na saída de ácido da etapa de absorção de S03, a qual proporciona troca indireta de calor entre o ácido sulfúrico aquecido e o fluído refrigerante num trocador de calor à placas, casco e tubos, espiral ou outro, gerando ácido sulfúrico resfriado que é recir- culado para a etapa de absorção de S03 e fluído refrigerante inerte ao ácido sulfúrico aquecido; e
[037]. - Segunda etapa de resfriamento indireto fluído refrigerante aquecido - água de refrigeração ou outro fluído (3o fluído) que proporciona troca indireta de calor entre o fluído refrigerante aquecido e água ou outro fluído, num trocador de calor a placas, casco e tubos, espiral ou outro, gerando fluído refrigerante inerte ao ácido sulfúrico resfriado que é recirculado e água ou outro fluido aquecido, que pode ser reutilizado no processo ou em outros processos adjacentes.
[038]. Quando o processo de fabricação de ácido sulfúrico é de tipo com recuperação de energia, geração de vapor, compreende também 3) - Etapa de recuperação de energia, geração de vapor, que gera água/vapor aquecido que pode ser aproveitado no processo de fabricação de ácido sulfúrico ou outro processo adjacente ou na geração de energia elétrica ou outros.
[039]. As descrições acima fizeram uma abordagem da essência da matéria relativa à invenção e as descrições abaixo visam melhor detalhar o assunto.
[040]. Assim, detalhando, faz parte de uma planta de fabricação de ácido sulfúrico convencional, entre outros: uma torre de absorção de S03 (fig. 1), em cuja saída 2 circula efluente de ácido sulfúrico concentrado aquecido; tanque 3 e bomba 4 de circulação do ácido sulfúrico concentrado quente. Quando o processo de fabricação de ácido sulfúrico é de tipo sem recuperação de energia, (fig. 1 ) é previsto circuito de resfriamento de ácido 10 compreendido: por trocador de calor ácido-água 1 1 de tipo que usa água de resfriamento, a qual troca calor indiretamente com o ácido concentrado aquecido proveniente da torre de absorção de S03 1 ; por tubulação de alimentação 12 derivada da bomba 4 e que alimenta o ácido sulfúrico no trocador de calor 1 1 ; por tubulação 13 de recirculação do ácido sulfúrico com concentração de 97,0 a 99,5% e temperatura de 70 a 90 °C para a torre de absorção de S03 1 ; tubulação de retorno e alimentação 14 de água para o trocador de calor 1 1 entre outros.
[041]. Ocorre que ácido sulfúrico concentrado é corrosivo e um processo de corrosão que possa levá-lo a entrar em contato com a água, seja por corrosão dos materiais metálicos ou defeitos de fabricação, produzirá ácido sulfúrico diluído quente, ainda mais corrosivo que o ácido concentrado. Esta corrosão pode danificar ou destruir o equipamento e tubulações entre outros, parar a fábrica por horas ou até mesmo dias e ainda levar a geração de hidrogénio que, por sua vez, pode causar uma explosão.
[042]. Para superar isso, foi desenvolvido o método objeto da
invenção, acima descrito (que usa fluído refrigerante inerte ao ácido sulfúrico; etapa intermediária de resfriamento ácido aquecido-fluído refrigerante; segunda etapa de resfriamento fluído refrigerante aquecido-água/outro fluído) que, quando o processo é de tipo sem recuperação de energia, é realizado por equipamento conforme ilustrado na figura 2, que usa fluido refrigerante inerte e circuito de resfriamento de ácido 10 dotado de trocador de calor intermediário, podendo este trocador ser do tipo à placas, do tipo casco e tubos, do tipo espiral ou de outro de contato indireto, ácido-fluido refrigerante.
[043]. Assim, na presente invenção, o circuito de resfriamento de ácido 10 (fig. 2) é compreendido: por trocador de calor intermediário (a placas, casco e tubos, espiral ou outro) ácido-fluido 20, que resfria o ácido sulfúrico concentrado aquecido através de troca térmica com fluido refrigerante inerte; por segundo trocador de calor fluído-água 1 1 que recebe e resfria o fluído refrigerante inerte aquecido através de troca térmica com água de resfriamento; por tubulação de alimentação 12, que faz a ligação fluída entre a bomba 4 e o trocador de calor 20 e que alimenta neste ácido sulfúrico com temperatura de @70 a 120 °C e concentração de 98 a 101 % após a absorção na torre de absorção de S03 1 ; tubulação 13 de recircula- ção do ácido sulfúrico resfriado com temperatura de 70 a 120 °C e concentração de 97,0 a 99,5% para a torre de absorção de S03 1 ; por tubulação 21 de reaproveitamento do fluído refrigerante inerte que faz a ligação fluida entre o trocador de calor intermediário ácido-fluido 20 e o segundo trocador de calor fluido-agua/outro fluído 1 1 e compreendida substancialmente por tubulação, vaso de acu-
mulação e bomba de recirculação; por tubulação 14 de retorno e alimentação de água para o segundo trocador de calor fluído-água 1 1 entre outros.
[044]. Esse novo arranjo do equipamento fica evidentemente mais complexo. Porém os benefícios proporcionados superam com folga a maior complexidade da instalação.
[045]. De fato, com a nova construção do equipamento não há interface ácido água, mas sim interface ácido sulfúrico fluído refrigerante inerte. Com isso, quando de um eventual vazamento do circuito de ácido sulfúrico para o circuito de fluído refrigerante, o ácido não é diluído, não ensejando assim a aceleração da corrosão do trocador, nem liberação de energia. Este vazamento pode ser facilmente identificado na linha de fluído refrigarente através da medição de pH, condutividade ou até mesmo pela drenagem da linha de circulação de fluído refrigerante, caso a pressão desta seja inferior à pressão do sistema de ácido ou pela redução de volume de fluído refrigerante no sistema caso a pressão de operação do fluído refri- gerabte seja menor que a do ácido sulfúrico.
[046]. O fato do eventual vazamento não produzir ácido diluído nem aumentar a temperatura do ácido pelo efeito do calor de diluição, reduz a velocidade de crescimento do furo por onde o ácido vaza. Desse modo, o ritmo de crescimento do problema evolui mais vagarosamente, permitindo ao operador da planta ganhar tempo para preparar a parada ou até mesmo operar a planta por períodos prolongados monitorando a evolução do ritmo de crescimento do furo/vazamento, algo inconcebível num sistema ácido-água.
[047]. O fato do vazamento não autocatalisar a corrosão do
equipamento reduz os danos causados a este, reduzindo a despesa de manutenção posterior e ao mesmo tempo estendendo a vida útil do equipamento.
[048]. Numa situação de eventual vazamento do circuito de á- cido para o circuito de fluido refrigerante, não há liberação de hidrogénio, pois a não produção de ácido diluído não acelera a corrosão do equipamento e elimina a geração de hidrogénio e o risco de explosão.
[049]. Nos projetos de muitas unidades de fabricação de ácido sulfúrico foi evitado o uso de trocadores a placas no sistema de resfriamento indireto do ácido concentrado com água, devido as placas terem paredes de baixa espessura e em razão disso, um eventual vazamento, poder ser desastroso para a unidade.
[050]. Por outro lado, o sistema com uso de fluído refrigerante reduz ou elimina o risco de um vazamento em um trocador a placas destruir o mesmo, visto que não há água para diluir o ácido, e assim catalisar a sua corrosividade, evitando a destruição do equipamento. Assim, unidades equipadas com trocadores a placas e trocadores espirais tem um benefício adicional quando usadas com um circuito intermediário com fluído refrigerante inerte quando comparadas a trocadores a placas ou espriais instalados em sistemas convencionais.
[051]. No entanto, além das unidades convencionais que absorvem o S03 a temperaturas que podem variar de 70 a 120 °C sem recupração de energia, conforme a ilustrado na figura 1 , há também, e vem se tornando cada vez mais populares, as unidades com recuperação de energia, como as ilustrada nas figuras 3, 4.
[052]. Nestas unidades, o ácido utilizado na absorção pode estar a temperaturas que podem variar de 100 à 240°C e com concentração que pode variar de 97% à 101 %. Neste tipo de sistema, o resfriamento do ácido, ao invés de ser feito em trocadores de calor ácido-água, é feito em caldeiras. Estas, à medida que resfriam o ácido quente, produzem vapor de água de baixa ou média pressão, dependendo da temperatura do ácido usado para absorver o S03 e que está sendo resfriado. Um dos primeiros sistemas de recuperação da energia produzida na absorção de ácido quente foi desenvolvido pela Monsanto Enviro-Chem Systems Inc (United States Pa- tent 4,576,813, United States Patent 4,670,242, United States Pa- tent 4,996,038, United States Patent 8,586,001 , WIPO Patent Application WO/2014/144699).
[053]. Uma unidade típica desse tipo pode ser composta: (fig. 3) por conjunto da torre de absorção, simples ou de duplo estágio, 1 , que absorve o S03 dos gases de processo com ácido sulfúrico com concentrações de 98-101 % e temperaturas acima de 120°C; saída 2 de ácido após a absorção, pela qual circula ácido aquecido a temperatura entre @120 a 240 °C; tanque 3 e bomba 4 de circulação de ácido.
[054]. Faz parte da unidade ainda circuito de resfriamento e recuperação de energia, geração de vapor, 10, compreendido: por caldeira de geração de vapor 30 que resfria o ácido e produz vapor de baixa ou média pressão; por tubulação de alimentação 12 que faz a ligação fluida entre a bomba 4 e a caldeira 30 e pela qual circula ácido aquecido após a absorção com temperatura entre @120 a 240 °C e concentração entre 97 a 101 %; tubulação de recircula-
ção 13 que liga a saída da caldeira 30 à torre de absorção de S03 1 e pela qual circula ácido resfriado com temperatura de 100 - 240°C e concentração de 97 - 101 %; tubulação 14 de alimentação de á- gua na caldeira a pressão entre 3bar à 30 bar; tubulação 31 de saída de vapor de baixa ou média pressão 3 a 15 bar da caldeira 30. A instalação prevê ainda tubulação 15 de alimentação de ácido frio para ajuste da temperatura na torre 1 que alimenta ácido com concentração entre 97 a 101 % e temperatura entre 70 a 120 °C. Todos os equipamentos do sistema, torre, caldeira, tanques, tubulações são tipicamente construídas em material metálico especialmente selecionado (nobre) para resistir à corrosão em meio de ácido sulfúrico nas condições de operação.
[055]. Esse sistema concebido pela Monsanto enviro-Chem Systems, Inc. traz enormes vantagens ao operador da planta. A produção de vapor de baixa ou média pressão na caldeira 30 aumenta significativamente a geração de energia da planta de ácido sulfúrico; simultaneamente há uma redução do consumo de água de resfriamento já que o calor de absorção do S03 , que em alguns casos responde por mais 35% da energia total gerada na planta, pode ser usado no aquecimento de outros equipamentos ou sistemas e/ou na geração de energia elétrica.
[056]. Entretanto, o principal fator negativo deste sistema é o risco de corrosão e parada da unidade, em especial nos casos de falha da caldeira 30. Numa situação desta natureza, a água/vapor saturado pode entrar em contato com o ácido, e justamente por estarem pressurizados, promover a diluição muito rápida do ácido - inclusive a uma velocidade muito maior que aquela em que ocorre-
ria se os fluídos estivessem a pressão mais próximas - com consequente aumento acelerado da temperatura. Neste caso, o ácido diluído produzido é extremamente corrosivo, está a temperatura bastante elevada, e pode destruir a totalidade do sistema em poucas horas. Um vazamento destes num sistema pode ser catastrófico se não for remediado em poucos minutos ou horas. Também, uma falha desta natureza na caldeira tira toda unidade de serviço, visto que não há como operar a planta em modo que não seja o de recuperação de energia.
[057]. Uma alternativa para evitar que uma falha na caldeira de geração de vapor leve à parada total da unidade produtora de ácido foi proposta pela Outotec/Lurgi. Neste sistema, a absorção do S03 com ácido quente (@ 100-240°C e 98-101 %) ocorre (fig. 4) num vaso 40 separado (tipicamente um venturi scrubber) instalado à montante da torre de absorção de S03 1 , que, por sua vez, opera absorvendo eventual S03 não absorvido no primeiro vaso através do uso de ácido às temperaturas usuais de processo, na faixa de 70-120°C e concentrações da ordem de 97-99.5%, sendo que, nesta solução, é previsto um circuito de resfriamento de ácido 10 compreendido por trocador de calor 1 1 ácido-água associado à saída da torre de absorção de S03 1 e um circuito de resfriamento e geração de vapor 10' compreendido por uma caldeira de geração de vapor ácido- água 30 associada à saída do vaso 40.
[058]. A vantagem deste sistema é que na eventualidade da falha da caldeira 30, o circuito da torre de absorção 1 pode fazer a totalidade da absorção do S03 da forma usual, evitando que a planta pare devido a uma falha no sistema de circulação de geração e
recuperação de energia. O objetivo primordial da fábrica, produzir ácido, é preservado em caso de falha do sistema de recuperação de energia/geração de vapor.
[059]. Evidentemente, neste sistema, a redundância, aumenta sobre maneira o custo de instalação apesar de trazer o benefício do aumento de confiabilidade. Um exemplo do arranjo geral desta opção é apresentado na figura 4.
[060]. Neste caso, o equipamento fica compreendido, substancialmente: por conjunto da torre de absorção, formado: por torre de absorção de S03 1 ; saída 2 da torre para o ácido aquecido após a absorção a @70 a 120 °C; tanque 3 e bomba 4 de circulação de á- cido; adicionalmente dito equipamento compreende conjunto de vaso de absorção de S03, ligado a montante da torre de absorção de S03 1 , formado: por equipamento (venturi scrubber) de absorção de S03 40, ligação 41 deste à torre 1 , saída 42 do vaso pela qual circula ácido aquecido após a absorção, com concentração de 98% à 101 % e temperatura de @100 a 240 °C; tanque 43 e bomba 44 de circulação de ácido.
[061]. O equipamento compreende ainda um circuito de resfriamento ácido-água 10 associado à torre 1 , formado: por um trocador de calor ácido-água 1 1 ; por tubulação de alimentação de ácido 12 que liga o trocador de calor 1 1 à bomba 4; por tubulação de re- circulação 13 que liga o trocador de calor 1 1 à torre 1 e pelo qual circula ácido resfriado para absorção com concentração 97 a 99.5% e temperatura entre 70 a 120 °C; e tubulação 14 de alimentação e retorno de água de resfriamento do trocador de calor 1 1 . Dito equipamento é compreendido ainda por um circuito de resfriamento e
recuperação de energia 10' associado ao vaso 40 e formado: pela caldeira de geração de vapor 30; por tubulação 12' de ligação da bomba 44 à caldeira 30 pela qual circula ácido após a absorção com temperatura entre @ 100 a 240 °C; tubulação 13' de recircula- ção do ácido entre a caldeira 30 e o vaso 40 pela qual circula ácido resfriado pós geração de vapor entre @ 100 a 240 °C; tubulação 14' de alimentação de água na caldeira a pressão entre @ 3 bar a 30 bar; tubulação 31 de saída de vapor da caldeira pela qual circula vapor de baixa ou média pressão 3 a 30 bar e que pode ser associado a, por exemplo, uma turbina para geração de eletricidade (não ilustrada) ou outros.
[062]. Um aspecto curioso dos sistemas de recuperação de energia convencionais, como os acima descritos, é que a caldeira, em qualquer temperatura ou pressão que opere, acaba necessitando produzir vapor com uma temperatura/pressão substancialmente mais baixas do que aquela do vapor que estaria à mesma temperatura do ácido resfriado. Isto por que há que haver uma substancial diferença de temperatura entre o ácido e o vapor para que a área de troca térmica da caldeira seja otimizada. Poder-se-ia trabalhar gerando vapor de temperatura e pressão mais alta, desde que a á- rea pudesse ser substancialmente aumentada. No entando, visto que o equipamento é extremamente caro, devido aos materiais de construção, é necessária uma qualidade da energia recuperada para que seja possível manter o custo do equipamento num valor aceitável.
[063]. Assim, por exemplo, tipicamente, uma unidade de recuperação de energia convencional, por exemplo, resfria ácido sulfúri-
co a uma concentração de 99.5% e temperatura de 220°C até, por exemplo, uma temperatura de 200°C. No entanto, tipicamente, o vapor gerado na caldeira deste sistema tem pressões que não ultrapassam os 10-12 bar, com uma temperatura de saturação de 170-180°C, portanto, 40°C abaixo da temperatura do ácido mais quente e 20°C abaixo do ácido mais frio.
[064]. Os dois exemplos de sistemas convencionais de resfriamento de ácido sulfúrico com recuperação de energia, (figs. 3, 4), acima descritos, têm interface ácido-água que causa os problemas já descritos anteriormente.
[065]. Para superar isso, o método e equipamento, objetos da presente patente, têm também construções para resfriar ácido sulfúrico e recuperar energia, geração de vapor, ilustradas nas figuras 5 a 8.
[066]. Assim, em uma possibilidade de realização do equipamento da presente invenção (fig. 5), para resfriamento de ácido sulfúrico e recuperação de energia, (que utiliza fluído refrigerante inerte; etapa de resfriamento intermediária ácido-fluido; segunda etapa de resfriamento fluido-água; e etapa de recuperação de energia) permite que as etapas de resfriamento sejam feitas em trocadores de calor de casco e tubos, a placas ou espirais e a recuperação de energia, geração de vapor, em caldeira para geração de vapor.
[067]. Uma instalação desse tipo fica compreendida: pela torre de absorção de S03 de estágios simples ou duplo 1 ; sua saída 2, na qual circula ácido aquecido após a absorção com temperatura entre @100 a 240°C; tanque 3 e bomba 4 de circulação de ácido. Faz parte da instalação ainda um circuito de resfriamento de ácido 10
compreendido: por trocador de calor ácido-fluido intermediário 20; por segundo trocador de calor fluido-água 1 1 , ambos de tipo de placas (fig. 5) ou casco e tubos (fig. 5A) ou espirais; por tubulação de alimentação 12 que faz a ligação fluida entre a bomba 4 e o trocador de calor ácido-fluido intermediário 20 e pela qual circula o ácido aquecido após a absorção com temperatura entre 100 a 240 °C e concentração entre 98 a 101 %; por tubulação 13 de recirculação de ácido resfriado entre o trocador de calor ácido-fluido intermediário
20 e a torre de absorção de S03 de estágios simples ou duplo 1 , pela qual circula acido resfriado após a absorção com concentração entre 98 a 101 % e temperatura entre 100 a 240 °C; por tubulação
21 de reaproveitamento do fluído refrigerante inerte que faz a ligação fluida entre o trocador de calor intermediário ácido-fluido 20 e segundo trocador de calor fluido-água 1 1 e compreendida substancialmente por tubulação, vaso de acumulação e bomba de recirculação e pela qual circula fluido aquecido e resfriado. A instalação é formada ainda por circuito de recuperação de energia, geração de vapor, 10' formado por caldeira de geração de vapor 30; por tubulação 14 de alimentação e retorno entre o segundo trocador de calor 1 1 e a caldeira 30; por tubulação 31 de alimentação de água na caldeira a pressão de entre @ 3 a 35 bar; por tubulação 32 de vapor a baixa ou média pressão entre 3 a 15 bar que sai da caldeira 30 e pode ser alimentado em um sistema qualquer. Faz parte da instalação ainda tubulação 15 de alimentação de ácido frio para ajuste da temperatura na torre 1 que alimenta ácido com concentração entre 98 a 101 % e temperatura entre 70 a 120 °C.
[068]. Desse modo, o sistema de recuperação de energia pro-
posto na Figura 5 utiliza um trocador ácido-fluído refrigerante a placas intermediário 20 para resfriar o ácido quente; um segundo trocador fluído refrigerante-água 1 1 para resfriar o fluido refrigerante e aquecer o meio de geração de vapor e uma caldeira 30, que usa a água do segundo trocador de calor 1 1 para gerar vapor. Este sistema traz uma série de benefícios.
[069]. Assim, o trocador de calor intermediário 20 que resfria o ácido quente com fluído refrigerante inerte pode operar com o circuito de fluído refrigerante a uma pressão inferior à do ácido (ao contrário dos sistemas convencionais em que a água/vapor está a pressões superiores a do ácido).
[070]. Desta forma, qualquer vazamento que eventualmente ocorra será no sentido do lado ácido para o lado do fluído refrigerante inerte. Este vazamento poderá ser detectado em um tanque de expansão (não ilustrado) adequamente associado ao sistema no qual o ácido se separa do fluído por gravidade. Da mesma forma um condutivímetro ou instrumento de pH (não ilustrados) podem facilmente detectar o vazamento. Uma vez que na ocorrência de um eventual vazamento não há diluição de ácido, não há também, portanto, corrosão acelerada ou geração de hidrogénio pela formação de ácido diluído a quente.
[071]. Outro aspecto interessante da presente invenção diz respeito à qualidade do vapor recuperado. O trocador 20 do circuito de resfriamento de ácido, usado na presente invenção, pode ser de tipo à placas, casco e tubos ou espiral de alta taxa de transferência de calor, e, portanto, pode-se buscar se aproximar mais a temperatura do fluído refrigerante à do ácido.
[072]. Outro aspeto relacionado com a presente invenção diz respeito ao fato de que o trocador de calor 20, tubulações e outros associados ao mesmo, pertencentes ao circuito de resfriamento de ácido, em face de terem contato com este, são construídos em material mais nobre e , portanto, de maior custo, que resista a esse contato. O segundo trocador de calor (fluido/água) 1 1 , a caldeira 30 e outros associados aos mesmos que não têm contato com ácido, podem ser de material menos nobre e de menor custo e, em razão disso, particularmente o trocador de calor 1 1 e a caldeira 30 podem ser construídos com maior área de troca térmica para recuperar mais energia, o que constitui também vantagem para o sistema. Isso é indicado na figura 6, cuja seta N, voltada para a região do e- quipamento que tem contato com o ácido, particularmente o trocador de calor 20 e a tubulação associada ao mesmo, são construídos com material nobre, e a seta C, voltada para a região do equipamento que não tem contato com ácido, mas sim com o fluido refrigerante, particularmente o trocador de calor 1 1 , caldeira 30 e componentes associados aos mesmos podem ser construídos com materiais convencionas.
[073]. Outro aspecto interessante é que na situação de falha da caldeira 30, desde que haja opção para se rejeitar calor do sistema para, por exemplo, uma torre de resfriamento, o sistema pode continuar operando a temperaturas de recuperação de energia ou a temperaturas de unidades que não possuem recuperação de energia.
[074]. O sistema ilustrado na figura 5 pode ser construído de forma mais simples, sem o segundo trocador fluido-água 1 1 e pre-
vendo somente um trocador ácido-fluído 20 (fig. 6) e a caldeira 30. Neste caso, o próprio fluído refrigerante é usado para gerar vapor. A caldeira 30 pode, portanto, ser construída para uma aproximação de temperaturas maior, como, por exemplo, de 10°C ao invés de 20°C de modo a gerar vapor de melhor qualidade (usando um fluído entrando a 235°C e saindo a 215°C da caldeira) é possível se alcançar pressões da ordem de até 18 bar, ao contrário dos 12 bar que se consegue com o arranjo convencional.
[075]. Neste caso o equipamento fica compreendido substancialmente (fig. 6) pelo conjunto da torre de absorção de S03 1 ; sua saída 2, tanque 3 e bomba 4 de circulação de ácido; pelo circuito de resfriamento de ácido 10 formado: por tubulação de alimentação 12 derivada da bomba 4; pelo trocador de calor ácido-fluído tipo de casco e tubos, a placas ou espirais 20, no qual se liga a tubulação 12; pela tubulação de recirculação de ácido resfriado 13, que faz ligação fluida entre o trocador de calor 20 e a torre 1 ; por circuito de recuperação de energia 10' formado pela caldeira 30 e por tubulação de alimentação e retorno 14 disposta entre esta e o trocador de calor 20, a qual tem tanque de acumulação e bomba de recalque. O trocador de calor ácido-fluído de tipo de casco e tubos, a placas ou espirais 20 é construído com materiais nobres e todos os demais equipamentos a partir deste, como a caldeira 30 e outros construídos com materiais convencionais, como: aço carbono, inox 304, i- nox 316 e similares. A caldeira 30 sendo de material menos nobre pode ser construída com maior área de troca térmica para recuperar mais energia.
[076]. Enquanto o arranjo sem o segundo trocador de calor 1 1 ,
conforme acima descrito e ilustrado na figura 6, aumenta um pouco a qualidade da energia recuperada e reduz o custo total da instalação, o sistema com o segundo trocador de calor 1 1 , ilustrado na figura 5, traz a vantagem de proporcionar maior segurança (mesmo que vaze ácido para o circuito de fluído refrigerante este ainda não expõe a caldeira a riscos pois há o trocador intermediário, no caso o segundo trocador de calor 1 1 ).
[077]. Outra vantagem de um sistema com trocador intermediário é a possibilidadederecuperação de parte da energia como vapor de alta pressão.
[078]. Por outro lado, muitas plantas de ácido sulfúrico possuem geração de vapor de alta pressão obtido pelo resfriamento de fornalha de enxofre e leitos catalíticos. Nessas condições, vapores com pressão de 30 bar, 40 bar e 65 bar são comuns.
[079]. O método e equipamento da presente invenção podem prever arranjos para atender essa situação, devido prever o trocador interemediário que torna possível desviar parte da água pré- aquecida pelo trocador fluído água para um pré aquecedor da água de caldeira do sistema de alta pressão. A figura 7 ilustra esta possibilidade, na qual é vista uma instalação com trocador intermediário e aquecimento para mais de um usuário.
[080]. Para exemplificar esse caso com base numa situação comercial, supõe-se que o usuário possua uma planta de ácido de capacidade aproximada de 1000 t/dia. Esta planta deve produzir, a partir dos calores produzidos na fornalha de enxofre e nos reatores catalíticos, aproximadamente. 50.000 kg/h de vapor superaquecido a 42 bar e 450°C, uma energia total aplicada ao vapor (supondo o
aquecimento a partir de uma água de caldeira a 100°C e 42 bar da ordem de 40MW).
[081]. Por outro lado, esta mesma planta produz na absorção de S03 por ácido concentrado aproximadamente 11 MW de energia que, numa unidade convencional, é rejeitada para água de resfriamento.
[082]. Em unidades com recuperação de energia tradicional, isto é, com a geração de vapor de baixa ou média pressão direta- mente numa caldeira, estes aproximados 1 1 MW produziriam aproximadamente 20.000 kgs por hora de vapor de 8 bar e 180 °C , por exemplo. Se esta unidade contasse com um sistema de resfriamento indireto, parte desta energia poderia ser usada para aumentar a geração de vapor de alta pressão, enquanto o excedente continuaria gerando vapor de média ou baixa pressão.
[083]. Assim, a instalação conforme a invenção, ilustrada na figura 7, é compreendida: pelo conjunto da torre de absorção, formado: pela torre de absorção de S03 de estágios simples ou duplo 1 ; sua saída 2, na qual circula ácido aquecido após a absorção com temperatura entre @100 a 240°C; tanque 3 e bomba 4 de circulação de ácido.
[084]. A instalação é formada ainda: por circuito de resfriamento do ácido 10 compreendido: por trocador de calor ácido-fluido intermediário 20; por segundo trocador de calor fluido-água 1 1 , ambos de tipo de casco e tubos, a placas ou espirais; por tubulação de alimentação 12 que faz a ligação fluida entre a bomba 4 e o trocador de calor ácido-fluido intermediário 20 e pela qual circula o ácido aquecido após a absroção com temperatura entre 100 a 240 °C e
concentração entre 97 a 101 %; por tubulação 13 de recirculação de ácido resfriado entre o trocador de calor ácido-fluido intermediário
20 e a torre de absorção de S03 de estágios simples ou duplo 1 , pela qual circula acido resfriado após a absorção com concentração entre 97 a 101 % e temperatura entre 100 a 240 °C; por tubulação
21 de reaproveitamento do fluído refrigerante inerte que faz a ligação fluida entre o trocador de calor intermediário ácido-fluido 20 e segundo trocador de calor fluido-água 1 1 e compreendida substancialmente por tubulação, vaso de acumulação e bomba de recirculação e pelo qual circula, em uma linha, fluido aquecido e em outra linha, fluido resfriado.
[085]. A instalação compreende finalmente circuito de recuperação de energia, geração de vapor, pré-aquecimento da água de caldeira do sistema de alta pressão 10' formado: por caldeira de geração de vapor 30; por pré-aquecedor de água de caldeira 50; por tubulação 14 que sai do segundo trocador de calor 1 1 e entra na caldeira 30 e no pré-aquecedor de água de caldeira 50 e pela qual circula água quente para geração de vapor; por tubulação de retorno 14' que sai caldeira 30 e do pré-aquecedor de água de caldeira 50, se liga a um vaso acumulador 21 e pela qual circula água resfriada após a geração de vapor; por tubulação 14" que sai do vaso acumulador 21 e entrada no segundo trocador de calor 1 1 e pela qual circula água resfriada; por tubulação 31 de alimentação de água na caldeira a pressão de entre @ 3 a 35 bar; por tubulação 32 de vapor a baixa ou média pressão entre 3 a 15 bar que sai da caldeira 30 e pode ser alimentado em um sistema qualquer; por tubulação de alimentação 16 e de retorno 16' ligada ao pré-aquecedor
de água de caldeira 50 e pela qual circula água e caldeira de alta pressão @20-65 bar;
[086]. Faz parte da instalação ainda tubulação 15 de alimentação de ácido frio para ajuste da temperatura na torre 1 que alimenta ácido com concentração entre 97 a 101 % e temperatura entre 70 a 120 °C.
[087]. Sem considerar a vantagem oferecida de uma melhor aproximação das temperaturas obtidas num trocador a placas, casco e tubos ou espiral quando comparadas à temperaturas obtidas em uma caldeira, ainda gerando 1 1 MW na absorção de ácido quente, podería-se direcionar aproximadamente 1.5MW para o vapor de alta pressão, gerando vapor de baixa ou média em quantidade menor de aproximadamente, 9.5MW.
[088]. Essa possibilidade é ilustrada na figura 8, na qual é visto um sistema com trocador intermediário aquecendo mais de um u- suário 70 com valores aproximados para uma planta de 1000t/dia. Na figura 8 é ilustrada uma versão do equipamento com dois trocadores tipo placa e na fig. 8 A uma versão com um trocador de calor tipo placa e outro tipo casco e tubos.
[089]. Esse arranjo pode prestar-se para apenas gerar vapor de média ou baixa pressão, ou, em outro arranjo, possuir mais usuários, como, por exemplo, aquecimento de ácido fosfórico, aquecimento de água para uso industrial ou coletivo, aquecimento de fluídos térmicos.
[090]. Dentro das construções básicas acima escritas, pleiteia- se que o método e equipamento, objeto da presente patente, possam receber modificações quanto a materiais, dimensões, configu-
ração funcional e/ou ornamental sem fugir do âmbito de proteção solicitado nas reivindicações.
[091]. Dentro disso, o fluido refrigerante inerte ao ácido sulfúrico esta, preferencialmente, em fase liquida nas temperaturas de operação; é quimicamente e termicamente estável; não combustível ou inflamável; tem boa compatibilidade química com metais e plásticos; tem pressão de vapor baixa nas temperaturas de operação; é praticamente insolúvel em água e preferencialmente minimamente tóxico ou atóxico. Referido fluido refrigerante inerte ao ácido sulfúrico compreende a família dos perfluorocarbonos, dos hidrocarbonetos fluoretados, de cadeias com mais que 5 átomos de carbono, como por exemplo os hidrofluoroéteres ou os perfluoropoliéteres ou misturas dos mesmos ou similares em seus diversos graus de polimerização e fluoretação.
[092]. Quando o equipamento é de tipo composto por dois tro- cadres de calor, os dois podem ser de um mesmo tipo dentre trocador de calor tipo placa (figs. 5, 7, 8) ou casco e tubos (fig. 2, 5 A) ou espiral ou o equipamento pode ser formado por dois tipos diferentes funcionado em conjunto como mostrado, por exemplo, na fig. 8 A, tudo conforme a conveniência de projeto.
[093]. O equipamento pode ser compreendido por um conjunto, quite, para ser instalado em uma planta já existente, formado por trocador de calor que é instalado, preferencialmente, a montante do trocador de calor já existente na planta, de modo que esta fica composta pela torre de absorção de S03 e por primeiro e segundo trocadores de calor conforme previsto na invenção. Opcionalmente, o novo trocador de calor pode ser instalado à jusante do trocador de
calor já existente na planta, conforme desejado.
[094]. O quite é formado ainda por carga de fluido refrigerante inerte ao ácido sulfúrico que colabora com o primeiro trocador de calor, intercalado entre a torre de absorção de S03 e o segundo trocador de calor, este usando como fluído refrigerante água ou outro fluído, conforme previsto na invenção. Desse modo, a instalação fica composta: pela torre de absorção de S03, por primeiro trocador de calor ácido-fluído, preferencialmente o que faz parte do quite, e por segundo trocador de calor fluído refrigerante inerte-água ou outro fluído, preferencialmente o já existente na planta.
[095]. As figuras 9 a 1 1 mostram esquemas de opções de trocadores de calor usados no equipamento da invenção.
[096]. A fig. 9 mostra um esquema de um trocador à placas flluído refrigerante-água 20 em uma lateral dotado de entrada para ácido aquecido após a absorção de S03 e saída para ácido resfriado para a absorção de S03 e na lateral oposta saída para fluído refrigerante aquecido e entrada para fluído refrigerante resfriado.
[097]. A fig. 10 mostra um esquema de um trocador de calor tipo casco e tubos tipo fluído refrigerante-água 20 tendo à esquerda entrada para ácido aquecido da absorção de S03 e saída de fluído refrigerante aquecido e à direita saída de ácido resfriado para a absorção de S03 e entrada de fluído refrigeranet resfriado.
[098]. A fig. 1 1 mostra o esquema de um trocador de calor espiral fluído refrigerante-água tendo na lateral entrada para ácido a- quecido da absorção de S03 e superiormente saída ácido resfriado para a absorção de S03 , na lateral oposta saída para fluído refrigerante aquecido e na face superior entrada para fluído resfriado.
Claims
Reivindicações
1 ) - "MÉTODO PARA RESFRIAR ÁCIDO SULFÚRICO", que faz parte de processo de produção de ácido sulfúrico (H2S04) por con- tato que, quando de tipo sem recuperação de energia, compreende, entre outras: 1 ) - Etapa de absorção de S03 (trióxido de enxofre) feita por uma corrente de ácido sulfúrico concentrado em uma coluna ou em um dispositivo de contato gás líquido, que produz um e- fluente de ácido sulfúrico concentrado aquecido; e 2) - Etapa de resfriamento do ácido quente efluente da etapa de absorção de S03 feita indiretamente em trocadores de calor, caracterizado pela 3) - Etapa de resfriamento indireto usar fluído refrigerante inerte ao ácido sulfúrico; e compreender: - Etapa de resfriamento indireto ácido sulfúrico- fluído refrigerante inerte, que proporciona troca indireta de calor entre o ácido sulfúrico aquecido e o fluído refrigerante inerte, gerando ácido sulfúrico resfriado que é recirculado para a etapa de absorção de S03 e fluído refrigerante inerte ao ácido sulfúrico aquecido; e - Segunda etapa de resfriamento indireto fluído refrigerante aquecido - água ou outro fluído de refrigeração que proporciona troca indireta de calor entre o fluído refrigerante inerte aquecido e água ou outro fluído, gerando fluído refrigerante inerte ao ácido sulfúrico resfriado que é reaproveitado e água ou outro fluído aquecido, que pode ser resfriado em torre de resfriamento ou realimen- tado no processo ou reutilizado em outros processos .
2) - "MÉTODO PARA RESFRIAR ÁCIDO SULFÚRICO", de acordo com a reivindicação 1 e quando o processo é de tipo com recuperação de energia, caracterizado por prever 2)- Etapa de resfriamento indireto do ácido sulfúrico que usa fluido refrigerante inerte ao ácido
sulfúrico, compreendendo etapa de resfriamento indireto intermediária ácido sulfúrico- fluído refrigerante inerte; Segunda etapa de resfriamento indireto fluído refrigerante aquecido por trocador de calor para recuperação de energia ou caldeira de geração de vapor, para utilização no processo de fabricação de ácido sulfúrico ou em outros processo adjacentes ou na geração de energia elétrica ou outros. 3) - "MÉTODO PARA RESFRIAR ÁCIDO SULFÚRICO", de acordo com a reivindicação 1 e quando o processo é de tipo com recuperação de energia, caracterizado por prever 2)- Etapa de resfriamento indireto do ácido sulfúrico que usa fluido refrigerante inerte ao ácido sulfúrico, compreendendo etapa de resfriamento indireto intermediária ácido sulfúrico- fluído refrigerante inerte; Segunda etapa de resfriamento indireto fluído refrigerante aquecido - água de refrigeração e adicionalmente, sendo prevista 3)- Etapa de recuperação de energia ou geração de vapor, para utilização no processo de fabricação de ácido sulfúrico ou em outros processo adjacentes ou na geração de energia elétrica ou outros.
4- "MÉTODO PARA RESFRIAR ÁCIDO SULFÚRICO", de acordo com as reivindicações 1 , 2 e 3 caracterizado pelos fluidos refrigerantes inertes ao ácido sulfúrico serem hidrocarbonetos fluoretados ou perfluorcarbonos de cadeias poliméricas com 5 ou mais átomos de carbono, total ou parcialmente fluoretados.
5- "MÉTODO PARA RESFRIAR ÁCIDO SULFÚRICO", de acordo com a reivindicação 4, caracterizado, pelos fluídos refrigerantes inertes serem hidrofluoroéteres ou os perfluoropoliéteres ou misturas dos mesmos ou similares.
6) - "EQUIPAMENTO PARA RESFRIAR ÁCIDO SULFÚRICO", que
realiza o método das reivindicações 1 a 5 e que quando o processo é de tipo sem recuperação de energia compreende: torre de absorção de S03 (1), saída (2) da torre na qual circula efluente de ácido sulfúrico concentrado aquecido; tanque (3) e bomba (4) de circulação do ácido sulfúrico concentrado quente; circuito de resfriamento do ácido (10), caracterizado por circuito de resfriamento de ácido (10) compreendido: por trocador de calor intermediário ácido-fluido (20), que resfria o ácido sulfúrico concentrado aquecido através de troca térmica com fluido refrigerante inerte; por segundo trocador de calor fluído-água (1 1) que recebe e resfria o fluído refrigerante inerte aquecido através de troca térmica com água de resfriamento; por tubulação de alimentação (12), que faz a ligação fluída entre a bomba (4) e o trocador de calor (20); por tubulação (13) de recircu- lação do ácido sulfúrico resfriado para a torre de absorção de S03 (1); por tubulação (21) de reaproveitamento do fluído refrigerante inerte que faz a ligação fluida entre o trocador de calor intermediário ácido-fluído (20) e o segundo trocador de calor fluido-agua/outro fluido (1 1 ) e compreendida substancialmente por tubulação, vaso de acumulação e bomba de recirculação; por tubulação (14) de retorno e alimentação de água para o segundo trocador de calor fluído- água (1 1).
7) - "EQUIPAMENTO PARA RESFRIAR ÁCIDO SULFÚRICO", de acordo com a reivindicação 6 e quando do tipo com recuperação de energia, compreendido por torre de absorção de S03 (1), saída (2) da torre na qual circula efluente de ácido sulfúrico concentrado a- quecido; tanque (3) e bomba (4) de circulação do ácido sulfúrico concentrado quente; circuito de resfriamento do ácido (10); e circui-
to de resfriamento recuperação de energia, geração de vapor, (10)', caracterizado por circuito de resfriamento de ácido (10) compreendido: por trocador de calor ácido-fluido intermediário (20); por segundo trocador de calor fluido-água/outro fluido (1 1 ), ambos de tipo de casco e tubos, a placas ou espirais; por tubulação de alimentação (12) que faz a ligação fluida entre a bomba (4) e o trocador de calor ácido-fluido intermediário (20); por tubulação (13) de recircula- ção de ácido resfriado entre o trocador de calor ácido-fluido intermediário (20) e a torre de absorção de S03 de estágios simples ou duplo (1); por tubulação (21) de reaproveitamento do fluído refrigerante inerte que faz a ligação fluida entre o trocador de calor intermediário ácido-fluido (20) e segundo trocador de calor fluido- água/outro fluído (1 1) e compreendida substancialmente por tubulação, vaso de acumulação e bomba de recirculação; por circuito de recuperação de energia, geração de vapor, (10)' formado por caldeira de geração de vapor (30); por tubulação (14) de alimentação e retorno entre o segundo trocador de calor (1 1) e a caldeira (30); por tubulação (31) de alimentação de água na caldeira.
8) - "EQUIPAMENTO PARA RESFRIAR ÁCIDO SULFÚRICO", de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por circuito de resfriamento de ácido (10) formado: por tubulação de alimentação (12) derivada da bomba (4); pelo trocador de calor ácido-fluido tipo de casco e tubos, a placas ou espirais ou outro (20), no qual se liga a tubulação (12); pela tubulação de recirculação de ácido resfriado (13), que faz ligação fluida entre o trocador de calor (20) e a torre (1 ); por circuito de recuperação de energia (10)' formado pela caldeira (30) e por tubulação de alimentação e retorno (14) disposta entre esta e
o trocador de calor (20), a qual tem tanque de acumulação e bomba de recalque, de modo que o próprio fluido refrigerante inerte colabora com a caldeira (30) na geração de vapor.
9) - "EQUIPAMENTO PARA RESFRIAR ÁCIDO SULFÚRICO", de acordo com a reivindicação 7 caracterizado por prever circuito de recuperação de energia, geração de vapor, pré-aquecimento da á- gua de caldeira do sistema de alta pressão (10)' formado: por caldeira de geração de vapor (30); por pré-aquecedor de água de caldeira (50); por tubulação (14) que sai do segundo trocador de calor (1 1 ) e entra na caldeira (30) e no pré-aquecedor de água de caldeira (50) e pela qual circula água quente para geração de vapor; por tubulação de retorno (14)' que sai caldeira (30) e do pré-aquecedor de água de caldeira (50), se liga a um vaso acumulador (21 ) e pela qual circula água resfriada após a geração de vapor; por tubulação (14)" que sai do vaso acumulador (21) e entrada no segundo trocador de calor (1 1 ) e pela qual circula água resfriada; por tubulação (31 ) de alimentação de água na caldeira; por tubulação (32) de vapor a baixa ou média pressão que sai da caldeira (30) e pode ser alimentado em um sistema qualquer; por tubulação de alimentação (16) e de retorno (16)' ligada ao pré-aquecedor de água de caldeira (50) e pela qual circula água de caldeira de alta pressão.
10) "EQUIPAMENTO PARA RESFRIAR ÁCIDO SULFÚRICO", de acordo com a reivindicação 6 caracterizado por ser um conjunto, quite, montável em uma planta existente, compreendido por trocador de calor instalado prefrencialmente a montante do trocador de calor já existente na planta, de modo que esta fica composta pela torre de absorção de S03 , primeiro e segundo trocadores de calor;
dito quite formado ainda por carga de fluido refrigerante inerte ao ácido sulfúrico que colabora com o primeiro trocador de calor, de modo a formar-se na instalação já existente primeiro trocador de calor ácido-fluido e segundo trocador de calor fluido- água ou outro fluido refrigerante.
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WO (1) | WO2017143416A1 (pt) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109761203A (zh) * | 2019-03-04 | 2019-05-17 | 长沙有色冶金设计研究院有限公司 | 一种高浓度so2转化制酸工艺 |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11469006B2 (en) * | 2016-08-04 | 2022-10-11 | Dominion Engineering, Inc. | Suppression of radionuclide deposition on nuclear power plant components |
US11604031B2 (en) | 2019-09-27 | 2023-03-14 | Clark Solutions Llc | Safety buffered multi-fluid heat exchanger and safety buffered multi-fluid heat exchange process |
CN112604541B (zh) * | 2020-11-25 | 2023-02-07 | 河北超威电源有限公司 | 一种蓄电池用胶体酸的制备方法及专用制备装置 |
CN113521966A (zh) * | 2021-07-26 | 2021-10-22 | 浙江大学 | 基于传质-反应调控的分区多级循环co2捕集浓缩方法 |
CN116101982B (zh) * | 2023-01-09 | 2024-06-14 | 江苏吉华化工有限公司 | 一种硫磺制酸系统及制酸方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1991014651A1 (en) * | 1990-03-23 | 1991-10-03 | Monsanto Company | Methods for recovering high grade process energy from a contact sulfuric acid process |
US5118490A (en) * | 1989-06-21 | 1992-06-02 | Monsanto Company | Absorption of wet conversion gas |
DE102010006541A1 (de) * | 2010-02-01 | 2011-09-29 | Outotec Oyj | Verfahren und Anlage zur Abkühlung von Säure |
DE202015106813U1 (de) * | 2014-12-19 | 2016-01-20 | Outotec (Finland) Oy | Anlage zur energieeffizienteren Herstellung von Schwefelsäure |
-
2016
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5118490A (en) * | 1989-06-21 | 1992-06-02 | Monsanto Company | Absorption of wet conversion gas |
WO1991014651A1 (en) * | 1990-03-23 | 1991-10-03 | Monsanto Company | Methods for recovering high grade process energy from a contact sulfuric acid process |
DE102010006541A1 (de) * | 2010-02-01 | 2011-09-29 | Outotec Oyj | Verfahren und Anlage zur Abkühlung von Säure |
DE202015106813U1 (de) * | 2014-12-19 | 2016-01-20 | Outotec (Finland) Oy | Anlage zur energieeffizienteren Herstellung von Schwefelsäure |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109761203A (zh) * | 2019-03-04 | 2019-05-17 | 长沙有色冶金设计研究院有限公司 | 一种高浓度so2转化制酸工艺 |
CN109761203B (zh) * | 2019-03-04 | 2021-07-02 | 长沙有色冶金设计研究院有限公司 | 一种高浓度so2转化制酸工艺 |
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