專利名稱：冷凝硫酸蒸氣生產(chǎn)硫酸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硫酸的生產(chǎn)方法，是通過從含有0.01-10體積％的硫酸蒸氣(以假定SO3完全水合計)和0-50體積％的水蒸氣的氣體混合物中冷凝而得到硫酸。
背景技術(shù)：
在很多情況下是通過在冷卻方法中冷凝含H2SO4蒸氣和水蒸氣的氣體來生產(chǎn)硫酸的。然而，眾所周知通過冷卻和冷凝含有水蒸氣的氣體中的硫酸蒸氣混合物會形成硫酸霧即小液滴硫酸的氣溶膠。
歐洲專利號0 417 200 B1和美國專利號5,108,731已經(jīng)公開了一種硫酸的生產(chǎn)方法，其中在垂直放置的抗酸腐蝕管中冷凝含有0.01-10％的硫酸蒸氣和0-50％的水蒸氣的硫酸蒸氣混合物，該管子是用空氣或氣體從外部冷卻的。這些專利是通過使向上流動的含硫酸氣體和向下流動的氣態(tài)冷卻劑之間的溫度差保持在某一規(guī)定范圍內(nèi)，從而避免冷凝后氣體中生成大量酸霧。然后可以在高速氣溶膠纖維過濾器中收集冷凝過程中產(chǎn)生的大部分硫酸霧，這些過濾器置于如上述專利所述的每個管子的頂部。
歐洲專利號0,419,539 B1和美國專利號5,198,206中記載了在進入冷凝塔之前通過向氣體中添加固體顆粒，可將冷凝含有0.01-10％的硫酸蒸氣和0-50％的水蒸氣的硫酸蒸氣混合物而溢出的酸霧量減至低于10-15ppm的H2SO4。這些顆粒作為硫酸蒸氣的冷凝核并抑制在過濾裝置中不易收集的小液滴硫酸自發(fā)均勻核。
下面的“硫酸塔”指的是如美國專利號4,348,373中所述的填充吸收塔或是含有歐洲專利號0 417 200 B1中所述管子的塔。

發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果在進塔的氣體中加入少量的NH3能夠顯著減少從硫酸冷凝塔中溢出的下游氣體中的酸霧量。
本發(fā)明中，利用添加NH3減少酸霧量可在硫酸冷凝過程中進行，是通過在填充硫酸塔中使用美國專利號4,348,373中已知方法描述的用循環(huán)硫酸作為冷卻劑來進行逆流冷卻。
也可在基本上垂直放置的從外部冷卻的管子中冷卻含有硫酸的氣體混合物實現(xiàn)本發(fā)明方法，管中氣體混合物從底部向上流動，與優(yōu)選氣態(tài)外部冷卻劑逆流，即與歐洲專利0 417 200 B1一致。
本發(fā)明一個優(yōu)選實施方案包括在如美國專利5,198,206中垂直放置的外部冷卻且抗酸腐蝕的管子中冷凝含有0.01-10％的硫酸蒸氣和0-50％的水蒸氣的氣體混合物中的硫酸蒸氣來生產(chǎn)硫酸。在高于其露點的溫度T1下從管子底部充入這些氣體。在向上流動中使充入的氣體冷卻到其H2SO4蒸氣壓低于2·10-6巴的溫度T2。在每個管子頂部，使氣壓通常下降2-10mbar的小型纖維過濾器收集氣體中出現(xiàn)的硫酸液滴，和排回到該管中通常為50-80wt％的冷凝硫酸，隨著冷凝硫酸向下流動，其在管中濃縮為93-98.5wt％的H2SO4。用與含硫酸氣體逆向流動或是交叉逆向流動的氣體介質(zhì)外部冷卻該管子，因此將氣體介質(zhì)由0-50℃的入口溫度TA1加熱到出口溫度TA2，TA2滿足下列條件TA2＞T1-(75-6·S-2·W)·(1+hi/ho)(1)其中S是硫酸蒸氣的體積％，而W是水蒸氣的體積％(以假定氣體中的SO3完全水合成H2SO4計)，hi是管子內(nèi)部的熱導(dǎo)系數(shù)并用W/m2/K表示，ho是管子外部的傳熱系數(shù)并用W/m2/K表示。
本發(fā)明中，在塔入口處，通過向氣流中添加含0.1-20ppm體積的NH3氣流，將過濾器下游的氣體流中的酸霧濃度減少到低于10摩爾ppm的H2SO4。氣體中所需的NH3濃度幾乎同H2SO4蒸氣濃度無關(guān)?？諝庵刑砑拥腘H3可占0.1-100％(體積)，但更典型使用的是1-10％(體積)?；旌蠠o水NH3和空氣或是向含水NH3中鼓入空氣可得到NH3-空氣混合物。在冷凝硫酸之前最好將含NH3氣體預(yù)熱到氣體露點以上。
當(dāng)NH3被混入到含硫酸的氣體中并在冷凝塔中冷卻時，按照下列反應(yīng)生成一種硫酸氫銨(AHS)氣溶膠(2)這些AHS顆粒或液滴在硫酸冷卻過程中充當(dāng)冷凝核的角色，因此有利于非均勻冷凝并抑制新的硫酸液滴自發(fā)均勻成核。
利用NH3產(chǎn)生顆粒的好處在于NH3容易得到并且不需要單獨的顆粒形成系統(tǒng)。因為顆粒在主生產(chǎn)線上生成，也就避免了插入顆粒注入系統(tǒng)。
作為每個冷凝管中的單獨的過濾器的替代手段，從很多管出來的氣體可在一普通過濾器，如密網(wǎng)高速過濾器，Brownian型低速過濾器或濕靜電沉淀器中混合并被過濾。在這種情況下，從過濾器中排出的硫酸必須被轉(zhuǎn)移到濃縮器中以便濃縮到濃度＞90wt％的H2SO4。
具體實施例方式
實施例為了舉例說明本發(fā)明，將在

圖1中的實驗設(shè)備中進行一系列的實驗，該圖中顯示的是工業(yè)規(guī)模硫酸設(shè)備的操作過程。工業(yè)設(shè)備通常能在很多管中處理10000-1000000Nm3/h的進料氣，而本實驗設(shè)備只能在一濃縮管中處理10-20Nm3/h的進料氣。通過混合線路1中的環(huán)境空氣和線路2中SO2，在電熱器3中預(yù)熱該混合物并由線路4加入水蒸氣以得到所需的氣體組成來制備含硫酸的氣體。在電熱器5中進一步將混合物加熱至420℃，并使其通過SO2催化轉(zhuǎn)化器6，該轉(zhuǎn)化器中在含釩和鉀作為活生成分的公知類型硫酸催化劑的作用下氣體中約96％含量的SO2被氧化成SO3。此后在進入由長度為6.7m，內(nèi)徑為36mm和外徑為40mm的玻璃單管13組成的硫酸冷凝器之前，該氣體在冷卻器7中被冷卻至250-290℃(T1)。管13的上部6.2m被一更大的管14包住，溫度TA1為0-50℃的冷空氣從管14的頂部開始通過管14，使得管13中的氣流逆流冷卻至通常的溫度100℃(T2)。用200mm的礦棉使外部管14，管13的未冷卻部分和酸收集容器12絕熱。由置于長200mm和內(nèi)徑為44mm的圓柱狀玻璃管濾筒16中的過濾器17收集管子出來的氣體中的硫酸液滴。過濾器17由厚度為0.3mm的碳氟聚合物絲組成并被織成寬度約150mm的網(wǎng)，該網(wǎng)被卷起以適合過濾筒。絲狀材料約占卷形物體積的7％。當(dāng)氣體中的硫酸液滴向上通過卷形物時，液滴將被擋住，它們凝聚成大液滴并與氣體逆流向下流動并通過玻璃管。線路9中的少量NH3氣流被加入到線路8的空氣流中，在通常含0.1-1體積％NH3的混合物被注入線路11的含硫酸氣體中之前，其在電熱器10中被通常預(yù)熱至300℃。
用連續(xù)工作的氣溶膠光度計表測量在過濾器出來的向下的酸霧濃縮物流，該光度計表按照環(huán)保署(EPA)的指南EPA-600/3-84-056(1984.4)所述的方法經(jīng)常由氣體中H2SO4的化學(xué)定量來校準。
作為一實施例，在線路11中氣流速率為12Nm3/h的情況下進行一系列的實驗，其中Nm3是指在0℃，1atm和在所有SO3都被完全水合成H2SO4的標準條件下的計量。該氣體混合物含有3體積％的H2SO4蒸氣和4體積％的水蒸氣(以假定其中的SO3是完全水合時計)。該氣體混合物在冷凝器中由入口溫度T1＝280℃冷卻至出口溫度T2＝100℃，而冷卻氣由入口溫度TA1＝25℃被加熱至出口溫度TA2＝225℃。由于這些不變的操作條件，對于線路9中的不同的NH3流記錄由過濾器出來的下流的酸霧濃度。
圖2顯示的是作為在線路11中充入至冷凝器的進料氣體中NH3濃度的函數(shù)的酸霧濃度。當(dāng)氣體中含4-7ppm的NH3時，由過濾器出來的下流的酸霧能保持在低于10ppm的H2SO4。在低NH3濃度時，由NH3和H2SO4按照反應(yīng)(2)進行反應(yīng)而產(chǎn)生的AHS核濃度是如此小，以致于在管中進行冷卻時為使硫酸冷凝而進行的后續(xù)冷卻超過臨界值20-25K，從而導(dǎo)致高濃度小硫酸液滴自發(fā)均勻成核。來自于這些液滴非均勻冷凝的后續(xù)增長不充分，從而不能保證過濾器能涂去它們。在高NH3濃度時，氣體中的AHS核濃度是如此高，以至于抑制了硫酸蒸氣的均勻成核。然而，在這種情況下，來自于硫酸在核上非均勻冷凝的液滴增長由于核濃度過高也不充分，從而不能保證過濾器能除去它們。對于入口氣體中的3體積％H2SO4，在4-7ppmNH3的范圍內(nèi)，核濃度高得足以抑制硫酸蒸氣的均勻成核，但也低得足以保證通過硫酸在核上非均勻冷凝而使液滴充分增長。
權(quán)利要求
1.一種硫酸的生產(chǎn)方法，包括在硫酸塔中通過氣體冷卻從含有以假定SO3已完全水合成H2SO4計0.01-10體積％的H2SO4蒸氣和0-50體積％的水蒸氣的氣體混合物中冷凝硫酸蒸氣，其中在塔入口處，向塔中上升氣流中添加氣流中NH3占0.01-100ppm體積的含NH3氣流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述硫酸的生產(chǎn)方法，其中在填充硫酸塔中利用循環(huán)硫酸作為冷卻劑對該氣體混合物進行逆流冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述硫酸的生產(chǎn)方法，其中在基本上垂直的外部冷卻的管子中進行該氣體混合物的冷卻，其中氣體混合物從管底部向上與外部冷卻劑成逆向流動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述硫酸的生產(chǎn)方法，其中外部冷卻劑是氣態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述硫酸的生產(chǎn)方法，進一步包括從硫酸塔出來的下流氣體中分離硫酸液滴的步驟，所述液滴返回至硫酸塔頂部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述硫酸的生產(chǎn)方法，進一步包括對在冷凝后以液態(tài)冷凝硫酸形式向下經(jīng)過管子的進料氣體硫酸蒸氣進行冷凝，所述進料氣體在管中的壓力和溫度條件下至少是硫酸露點的溫度T1下由管子底部充入，進料氣體于向上流中冷卻至溫度T2，T2低于H2SO4蒸氣壓達到與管子出口水蒸氣分壓保持均衡的2·10-6巴時的溫度，用基本上與含硫酸氣體逆流流動的氣體介質(zhì)從外部冷卻該管子，所述的氣體介質(zhì)也因此從0-50℃的入口溫度TA1被加熱到出口溫度TA2，TA2滿足下列條件TA2＞T1-(75-6·S-2·W)·(1+hi/ho)其中TA2和TA1用℃表示，S是硫酸蒸氣的體積百分比，而W是水蒸氣的體積百分比，以假定SO3已經(jīng)完全水合成H2SO4計時，hi是管子內(nèi)部的熱導(dǎo)系數(shù)并用W/m2/K表示，ho是管子外部的傳熱系數(shù)并用W/m2/K表示。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述硫酸的生產(chǎn)方法，進一步包括在氣密連接的每個管子的附近、里面或頂部聚集的氣體中分離硫酸液滴的步驟，所述液滴將引導(dǎo)流回，向下經(jīng)過管子。
8.上述權(quán)利要求中任一生產(chǎn)方法，進一步包括在添加含NH3的氣體之前，凈化充入的氣體以除去本來就存在的固體顆粒。
全文摘要
一種硫酸的生產(chǎn)方法，包括在硫酸塔中通過氣體冷卻冷凝含有以假定SO
文檔編號C01B17/76GK1519194SQ20041000194
公開日2004年8月11日 申請日期2004年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月18日
發(fā)明者K·A·克里斯蒂森, P·斯考拜, K A 克里斯蒂森, 及 申請人:赫多特普索化工設(shè)備公司