制备液体酸的方法和装置与流程

纯硫酸(H2SO4)是一种无色、透明、腐蚀性和吸湿性的液体，其具有油状稠度。它是最重要的基本化学品之一，可用在各种技术领域中，包括制备肥料，制备其它矿物酸，用作氧化剂和用作多种矿石的溶解剂。商业上可得到的液体H2SO4的浓度随目标用途而不同，常用浓度在35wt％H2SO4(电池酸)，75wt％H2SO4和100wt％H2SO4范围内。

发烟硫酸(H2S2O7)是一种三氧化硫(SO3)在硫酸中的溶液。它尤其用作输送硫酸和含硫酸的化合物的媒介，用作有机化学中的反应试剂以及用于爆炸物的制备。商业上可得到的发烟硫酸的SO3浓度随目标用途而不同，常用浓度在25wt％SO3，30-35wt％SO3和65wt％SO3范围内。

已知制备硫酸或发烟硫酸的各种方法，例如铅室法和硫酸工艺。由于不同的程序缺点，如今硫酸或发烟硫酸几乎专用所谓接触法来制备。对于发烟硫酸，该工艺在例如Douglas K.Louie，“Handbook of Sulphuric Acid Manufacturing”，第二版，DKL Engineering，Inc.，Richmond Hill，Ontario，Canada，2008，第19-7页中描述。

尤其地，接触法的特征在于一定浓度的液体硫酸或液体发烟硫酸转移到吸收器中，其中发生与含SO3气体的接触并且导致所述硫酸或发烟硫酸的浓度增加。在硫酸的情况下，SO3与由硫酸结合的水的放热反应将根据以下反应方程式发生：

SO3+H2O→H2SO4

在发烟硫酸的情况下，硫酸与SO3的放热反应根据以下反应方程式发生：

SO3+H2SO4→H2S2O7

浓缩的酸/浓缩的发烟硫酸通常在SO3吸收后被移除并充分稀释以使一部分酸/发烟硫酸可被再循环到吸收器中同时另外的部分作为最终产物被抽出。

所需SO3可通过SO2经V2O5催化剂的反应来制备，其一般通过K2SO4来促进。SO2可通过在干燥的含氧气体，例如干燥的空气中燃烧元素硫来获得。

为了生产所需量的干燥的含氧气体以燃烧元素硫，可利用硫酸的吸湿性质。然而，原则上也可使用其它吸湿性液体酸，例如磷酸。含水气体被引入干燥塔中，在其中来自所述气体的水分被酸吸收。该吸收的结果是在干燥塔内酸的浓度将降低。然而，为了保证充分的干燥，硫酸浓度必须保持在一定最小浓度。

这带来了问题，在一些应用中在最终产物中期望的硫酸/发烟硫酸的浓度与在吸收器中反应或在干燥塔中移除水所需的浓度不同，从而不可能均匀稀释或浓缩以及后续分离如上描述的在吸收器中或在干燥塔中形成的产物。例如，进料到吸收器的硫酸具有约98.5wt％的浓度，从吸收器中抽出的硫酸具有典型地约99.4wt％的浓度，同时最终产物的期望浓度在一些情况下约为99.1-99.2wt％。类似地，进料到干燥塔中的硫酸可能需要具有大于约94wt％的浓度，同时最终产物的期望浓度可能约为93wt％。

在现有技术中，至今，该问题例如通过使用单独的吸收器或单独的干燥塔制备期望浓度的硫酸/发烟硫酸来解决。这在技术上复杂并导致了在能量和材料使用方面额外的成本。

本发明的目标是提供克服上述现有技术的缺点的方法和系统。

该技术问题令人惊讶地通过分别根据权利要求1和7制备液体酸的方法和装置而解决。

本发明的优选实施方式由从属权利要求是显而易见的。

本发明提供了一种制备液体酸的方法，其包括以下步骤：

(i)将具有第一浓度的液体酸进料到气体纯化中；

(ii)使气体经过所述气体纯化以达到所述液体酸的第二浓度；

(iii)从所述气体纯化的槽中抽出所述液体酸，

其特征在于，

所述气体纯化槽通过分隔壁分为第一部分和第二部分，

将在第一部分中收集的液体酸的浓度调节到第一浓度，

将来自第一部分的具有第一浓度的液体酸至少部分进料返回到步骤(i)中，和，

将在第二部分收集的具有第二浓度的液体酸作为产物至少部分抽出。

通过将气体纯化槽分隔为两部分，可从一部分抽出产物酸并使用在另一部分中收集的酸作为循环酸。不需要循环酸的单独泵槽。

优选地，已在气体纯化槽内进行了浓度调节，因而避免了单独的收集罐。

更优选地，浓度用水，例如去离子水来调节。然而，也可使用酸，例如来自干燥塔的酸交叉流来进行浓度调节。

在本发明的一个优选选项中，控制两个槽部分中的液面以使两部分中的液体之间没有混合。

可替代地，可具有来自第二部分的液体的溢流，在第二部分中，酸浓度与到第一部分中的酸的浓度不同。

在一个特别优选的实施方式中，从中抽出产物酸的第二部分设计为使得进入第二部分的向下进来的液体的体积比从气体纯化中抽出的产物酸的量大，因此总是存在进入第一部分的溢流，从第一部分中抽出循环酸。

气体可以相对于向下进来的酸以并流以及以逆流两者经过气体纯化。逆流方式是优选的，因为贯穿塔的高度可以获得更大的浓度梯度，这会使通过气体调节酸的浓度更有效。

优选地，气体包含SO3。更优选地，步骤(ii)中的含SO3气体具有至少5至35wt％的SO3的体积分数。其它可能的组分为二氧化硫(SO2)，氧气(O2)，氮气(N2)，二氧化碳(CO2)和一些少量的其它组分。

在另一个实施方式中，气体可包含二氧化硫(SO2)。优选地，来自整个制备液体酸工艺的含有二氧化硫的废气可被再循环至气体纯化。因此，可以减少总体二氧化硫排放。

本发明的方法可主要地使用任何浓度的任何酸实施和制备任何浓度的任何酸。优选地，液体酸是硫酸或发烟硫酸。

对于硫酸(H2SO4)，H2SO4的第二浓度优选为至少93wt％，更优选为至少99wt％。进一步优选的是在步骤(i)中的H2SO4浓度为98-99wt％。

对于发烟硫酸(H2S2O7)，游离三氧化硫(SO3)的第二浓度优选为至少20wt％，更优选为至少40wt％，同时游离SO3可达到的最大浓度取决于在步骤(ii)中的气体中的SO3浓度以及液体的温度，或更具体地，依赖于温度的发烟硫酸的SO3的分压。

进一步优选的是，步骤(i)中游离SO3的浓度比SO3的优选最小浓度高约1-2wt％。典型的最小浓度为33-40wt％，优选是36wt％的浓度。

在一个优选的实施方式中，气体纯化是吸收器，优选是硫酸装置的吸收器。制备具有一定的最小浓度的液体酸的方法包括以下步骤：

(i)将浓度低于最小浓度的液体酸进料到吸收塔中；

(ii)使含有三氧化硫(SO3)的气体通过吸收塔以使得三氧化硫在液体酸中被至少部分吸收，从而使液体酸的浓度增加到至少最小浓度；

(iii)从吸收器槽中抽出酸，

其中吸收器槽通过分隔壁分为第一部分和第二部分，其中将在第一部分中收集的液体酸稀释到低于最小浓度的浓度，然后至少部分再循环到步骤(i)中，和其中来自第二部分的液体酸作为产物至少部分抽出。

在另一个优选的实施方式中，气体纯化是干燥塔，优选是硫酸装置的干燥塔。所以，本发明也提供一种在干燥塔中制备具有一定的最大浓度的液体酸的方法，其包括以下步骤：

(i)将浓度大于产物(最大)浓度的液体酸进料到吸收器中；

(ii)使含有水的气体通过干燥塔以使得水在液体酸中被至少部分吸收，从而使液体酸的浓度降低到低于最大浓度；

(iii)从干燥塔槽中抽出液体酸，

其中干燥塔槽通过分隔壁分为第一部分和第二部分，其中在第一部分中收集的液体酸被浓缩到大于产物(最大)浓度的浓度，然后至少部分再循环到步骤(i)中，和其中来自第二部分的液体酸作为产物至少部分抽出。

特别地，在干燥塔内的液体酸硫酸的浓度必须设定为大于92wt％，优选93-94wt％的浓度。

本发明进一步包括一种制备液体酸的装置，其适合于实施根据权利要求1至8中任一项的方法。装置特别包括具有液体酸供应系统的气体纯化器，气体入口，以及具有酸出口的气体纯化器槽，其中气体纯化器槽通过分隔壁分为第一部分和第二部分，其中分别提供单独的出口用于第一和第二部分，和其中第一部分与酸供应系统相连。

在本发明的一个实施方式中，在第一部分中提供调整液体的入口，其中提供喷枪用于将调整液体引入第一部分中。然而，浓度调整也可在酸从第一部分中抽出之后发生。

气体纯化器中的分隔壁优选由具有或不具有砖内衬的砖或碳钢或不锈钢制成。

如果分隔壁的顶部水平面位于气体入口的最低点的下方，可以保证引入气体纯化器的气体不通过在气体纯化器槽中收集的酸，以使得在该部分中不发生额外的吸收。另外，可以避免将酸引入到气体入口并腐蚀所述气体入口。

优选在第一和第二部分之间，特别是从第二部分到第一部分提供溢流。

优选地，在第一和/或第二部分中提供水平面控制以避免部分之间的任何酸交换。最优选的是从第一部分到第二部分的控制。

在一个特别优选的实施方式中，气体纯化器是吸收器，特别地是填充床吸收器，其中液体酸通过灌注系统(irrigation system)引入并通过填充床滴流。填充床增加了酸表面并由此促进吸收。

在另一个优选的实施方式中，气体纯化器是干燥塔，特别是填充床干燥塔。

在以上提到的优选的实施方式中，本发明还包括制备液体酸的装置，其包括具有液体酸供应系统的吸收器和/或干燥塔，气体的气体入口和具有酸出口的槽，其中所述槽通过分隔壁分为第一部分和第二部分，其中分别提供单独的出口用于第一部分和第二部分，和其中第一部分与酸供应系统相连。

本发明的方法和本发明的装置可以以能量和资源有效的方式实现一定的最小和/或最大浓度的硫酸或发烟硫酸的制备。吸收器槽和/或干燥塔槽的分开允许在单个装置中制备不同浓度的硫酸或发烟硫酸组分。

本发明的另外的实施方式、优势和应用还从以下对优选的实施方式和附图的描述中是显而易见的。所有特征单独或以任何组合的形式描述和/或阐述本发明的主题，不考虑其包含在权利要求中或其向后引用。

在附图中：

图1示意性地示出了实施用于制备具有一定的最大浓度的发烟硫酸的本发明方法的合适的吸收器；

图2示出了用于本发明的方法和装置中的吸收器或干燥塔的下部分；

图3是图2沿线A-A的示意截面图；

图4示意性地示出了在吸收器中制备硫酸的本发明方法；

图5示意性地示出了在吸收器中制备发烟硫酸的本发明方法；

图6示意性地示出了在干燥塔中制备具有一定的最小浓度的硫酸的本发明方法。

本发明参考附图1-3通过施例首选进行说明。

在图1中，吸收器1描述为包括位于吸收器槽3上方的填充床2的填充床吸收塔。酸供应系统4以本领域已知的灌注系统的形式提供在填充床2上方以引入液体酸，特别是硫酸或发烟硫酸，然后通过填充床2滴流并在吸收器槽3中收集。在填充床2下方提供气体入口5以引入包含三氧化硫(SO3)和可能包含二氧化硫(SO2)的气体，其随后向上逆流流动通过填充床2。通过与向下进来的硫酸接触，三氧化硫在酸中吸收，由此提高了酸浓度。

在发烟硫酸的情况下，不吸收的三氧化硫可通过再循环管线6再循环到气体入口5。可替代地，包含三氧化硫以及可能的二氧化硫的气体可通过管线6旁通通过气体出口7并且旁通气体的量可通过气体阀8来调节。

吸收器槽3通过分隔壁9分为第一部分3a和第二部分3b。

稀释介质，特别是水或稀释酸，通过管线10引入到第一部分3a中，以将所述部分3a中的酸浓度降低到期望值。稀释介质的量可通过阀11调节。在稀释介质为硫酸的情况下，稀释酸可从干燥塔(未示出)中移除并通过管线12和10引入吸收器1中。液体酸通过出口喷嘴13(图2)和管线14和15经由泵16，17从第一部分3a中抽出并随后通过再循环管线18再循环至酸供应系统4中。酸的温度可在再循环至吸收器1之前通过热交换器(冷却器)19，20来调节。

显然地，可分别仅使用一个出口喷嘴13，管线14，泵16和热交换器19。也可在从第一部分3a中抽出酸之后在吸收器槽3的外面实施稀释。

从吸收器槽3的第二部分3b中，酸/发烟硫酸通过出口喷嘴21(图2)和管线22经由泵23和热交换器(冷却器)24作为产物抽出并且随后通过管线25抽出和/或通过管线26部分再循环至第二部分3b中。再循环的酸/发烟硫酸的量可通过阀27来控制，其中从工艺中抽出的产物酸/发烟硫酸的量通过阀28来控制。如果有必要，产物酸/发烟硫酸的浓度可通过引入稀释介质例如水或稀释酸(示于图4和5中)来调整至期望值，其中水(图4)或酸(图5)分别引入罐29中。

图2示出了具有填充床2(部分)和吸收器槽3的吸收器1的下部分。如在图2中可见，分隔壁9由砖制成，但也可以由其它合适的材料例如碳钢、不锈钢等组成。

在所述的逆流设置的情况下，含SO3气体的气体入口5位于填充床2的下方并且其最低点在分隔壁9的顶部水平面上方的预定距离h，优选100-300mm处，以保证含SO3气体不流过第二部分3b的产物酸。

在吸收器槽3的第一部分3a中，稀释介质优选通过喷枪30直接引入第一部分3a中。引入稀释介质的其它方法是可以想象的，例如在第一部分3a的酸水平面上方的喷嘴。稀释酸通过喷嘴13从第一部分3a中抽出。水平面控制第一部分3a中的酸水平面，以保证没有稀释酸穿过分隔壁9而进入到第二部分中。

在第二部分3b中的酸水平面通过分隔壁的高度以及从填充床2滴入第一部分3a中的酸与从出口喷嘴21中抽出的酸流之间的关系来确定。当可类似于第一部分3a水平面控制第二部分3b中的酸水平面时，优选第二部分3b(产物部分)设计成使向下进来的液体的量大于产率，即通过喷嘴21抽出的酸流。因此从第二部分3b到第一部分3a的酸的溢流总是存在。溢流可在分隔壁9的顶部水平面的上方或通过特定的溢流管道(未示出)。第二部分3b(产物部分)的最小区域的计算基于：

期望产率(m³/h)除以灌注速率(m³/m²h)

根据本发明，在干燥塔31中的硫酸生产在图6中示意性地示出。干燥塔31描述为包括位于干燥塔槽33上方的填充床32的填充床干燥塔。

在填充床32上方提供现有技术中已知的酸供应系统(未示出)以引入液体酸，特别是硫酸或发烟硫酸，其随后滴流通过填充床32并在干燥塔槽33中收集。在填充床32下方提供气体入口34，以引入含水气体，例如空气，所述气体可能含有氧气和二氧化硫(SO2)，其随后向上逆流流经填充床32并通过气体出口35移除。通过与向下进来的硫酸接触来吸收水，由此降低酸浓度。

干燥塔槽33通过分隔壁9分为第一部分33a和第二部分33b。在第一部分33a中的稀释酸通过经由管线36引入高度浓缩的硫酸来浓缩。浓缩的酸通过管线37再循环到干燥塔的顶部。稀释酸通过管线38和泵39从第二部分33b中抽出。

实施例1(在吸收器中制备硫酸)

如图4所示，从吸收器1中引导温度为70至90℃、优选80℃的液体硫酸(H2SO4)加上通过管路12来自干燥塔的交叉流酸，其中吸收器1由不锈钢或砖内衬碳钢制成。除了具有特定的浓度和温度外，液体H2SO4实际上不含类似二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)的杂质化合物。液体H2SO4以相对于10至40m³/m²h的灌注速率的体积注入并且向下流经由陶瓷鞍制成的填充床2进入吸收器槽3中，并同时被通过气体入口5进入吸收器1中的含三氧化硫(SO3)气体逆流流过。含SO3气体的入口位于填充床2下方并位于分隔壁9的顶部水平面上方。含SO3气体在160至240℃的温度下进入吸收器，SO3的体积分数为5至35wt％。由于SO3与硫酸中含有的水的反应，硫酸的浓度增加到99.4wt％。任何未吸收的SO3通过位于吸收器1的顶部处的管线7离开吸收器1并可任选再循环。典型地，SO3的体积分数在离开吸收器1时降低到远远小于1wt％。

在吸收器1的槽3中收集浓度为99.4wt％和温度为90至140℃的硫酸。槽3通过用耐酸砖、碳钢或不锈钢制成的分隔壁9分为两部分3a，3b。控制第一部分3a中的液面，从而使得没有从第一部分3a到第二部分3b中的液体溢流。来自第二部分3b的未稀释的硫酸通过管线22和泵23抽出并首先进料到热交换器24中，在其中它被冷却到70至90℃的温度然后进入任选的稀释器29中。在稀释器29中，硫酸的浓度用水调节到99.1wt％的期望的最终浓度，随后作为最终产物抽出。

在吸收器槽3的第一部分3a中的硫酸通过经由管线10供应水稀释到98.5wt％的浓度，同时优选持续监控硫酸的浓度。稀释的硫酸通过管线14从吸收器1中移除并且通过管线18至少部分再循环至吸收器1的酸供应系统4中。

实施例2(制备发烟硫酸)

如图5所示，浓度为34wt％游离SO3和温度为40至70℃、优选50℃的液体发烟硫酸(H2S2O7)在闭合环路中引入由碳钢或不锈钢或砖衬碳钢制成的吸收器1的头部。液体发烟硫酸进料到塔的顶部并向下流经由陶瓷填料如Intalox鞍制成的填充床2进入到吸收器槽3中，并且同时与通过气体入口5进入吸收器1的含三氧化硫(SO3)气体逆流接触。含SO3气体的入口位于填充床2下方并位于分隔壁9的顶部水平面上方。含SO3气体在160至240℃的温度下以5至35wt％的体积分数进入吸收器。由于SO3与发烟硫酸中含有的酸反应，在发烟硫酸中的游离SO3的浓度增加到35.5wt％。任何未吸收的SO3通过位于吸收器1的顶部处的管线7离开吸收器1并且可以任选地再循环。

浓度为35.5wt％游离SO3以及具有升高的温度的发烟硫酸在吸收器1的槽3中收集。槽3通过分隔壁9分为两部分3a，3b。控制第一部分3a中的液面，以使得没有从第一部分3a到第二部分3b中的液体溢流。来自第二部分3b的未稀释的发烟硫酸通过管线22和泵23抽出并首先进料到热交换器24中，并且随后进入任选的稀释器29中。在稀释器29中发烟硫酸的浓度用酸调整到35.1wt％游离SO3的期望最终浓度，并且作为最终产物抽出。

在吸收器槽3的第一部分3a中的发烟硫酸通过经由管线10供应具有98至99wt％浓度的硫酸而稀释到34wt％游离SO3的浓度，同时优选持续监视并控制硫酸的浓度。稀释的发烟硫酸通过管线14从吸收器1中移除并且至少部分再循环至吸收器1的顶部。

实施例3(在干燥塔中制备硫酸)

如图6中所示，浓度为94wt％和温度为70至90℃的液体硫酸(H2SO4)从由不锈钢或砖衬碳钢制成的干燥塔31中引导，并以相对于10至40m³/m²h的灌注速率的体积注入并向下流经由陶瓷鞍组成的填充床32进入干燥塔槽33中。同时空气作为含水气体通过气体入口34引入干燥塔31中。气体的入口位于填充床32下方并位于分隔壁9的顶部水平面上方。含水气体在5至40℃的温度下进入干燥塔。由于硫酸的吸湿性质，空气中含有的水在酸中吸收并且硫酸的浓度降低到93wt％。水含量小于50mg(H2O)/Nm³的干燥空气通过位于干燥塔31顶部处的管线35离开干燥塔31并且可用于元素硫的燃烧。在另一个的实施方式中，来自整个硫酸制备工艺的废气再循环至干燥塔中，因为这些废气包含未反应的二氧化硫。

浓度为93wt％和温度为80至100℃的硫酸在干燥塔31的槽33中收集。槽33通过由耐酸砖、碳钢或不锈钢制成的分隔壁9分为两部分33a，33b。控制第一部分33a的液面，以使得没有从第一部分33a到第二部分33b的液体溢流。来自第二部分33b的硫酸通过管线38和泵39作为最终产物抽出。

在吸收器槽3的第一部分3a中的硫酸通过经由管线36提供浓度为至少98wt％的硫酸而浓缩到94wt％的浓度，同时优选持续监控硫酸的浓度。浓缩的硫酸从干燥塔31中通过管线37移除并且至少部分再循环至干燥塔31的顶部。

附图标记列表

1吸收器

2填充床

3吸收器槽

3a第一部分

3b第二部分

4酸供应系统

5(含SO3气体的)气体入口

6再循环管线

7气体出口

8气体阀

9分隔壁

10管线

11阀

12交叉流管线

13出口喷嘴

14，15酸流出物管线

16，17泵

18再循环管线

19，20热交换器

21出口喷嘴

22管线

23泵

24热交换器

25管线

26管线

27，28阀

29稀释器

30喷枪

31干燥塔

32干燥塔的填充床

33干燥塔槽

34气体入口

35气体出口

36管线

37再循环管线

38管线

39泵

h分隔壁9的顶部水平面到气体入口5的距离