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Anwendungen von Reaktoren für heterogene Reaktionen

Kontaktverfahren zur Schwefelsäureherstellung

Als Rohstoffbasis für die Schwefelsäureherstellung dienen elementarer Schwefel und sulfidische Erze, insbesondere Pyrit (FeS2). Das Kontaktverfahren kann in vier Schritte unterteilt werden:

  • 1. Abrösten des Pyrits im Wirbelschichtröstofen bzw. Verbrennung des elementaren Schwefels zu Schwefeldioxid und Abhitzeverwertung zur Erzeugung von Dampf
Abb.1
  • 2. Gasreinigung Um Schwefeldioxid von Katalysatorgiften wie H2S zu befreien, werden mittels Heißgasreinigung Staubteilchen abgeschieden. Gasförmige Begleitstoffe werden mittels Gaswäsche mit Wasser und Schwefelsäure herausgewaschen (Nassgasreinigung).
  • 3. Katalytische Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid im Hordenreaktor
Abb.2

Reaktion am Vanadium-Katalysator:

V2O5 SO2 V2O4 SO3 V2O4 0,5O2 V2O5 SO2 0,5O2 SO3
  • 4. Absorption des Schwefeltrioxids mit konzentrierter wasserhaltiger Schwefelsäure
Abb.3

Kontaktverfahren

Durch die bei der katalytischen Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid frei werdende Reaktionswärme erwärmt sich das Gas beim adiabatischen Durchgang durch die Katalysatorschicht, so dass das thermodynamische Gleichgewicht mit zunehmender Temperatur nachteilig in Richtung Schwefeldioxid verschoben wird. Die katalytische SO2-Oxidation wird deshalb in mehreren Schritten im Hordenreaktor durchgeführt, indem das Gas jeweils vor dem Eintritt in die nächste Katalysatorschicht auf eine optimale Eingangstemperatur gebracht wird. Beim Kontaktverfahren ist der Katalysator im Hordenreaktor auf vier übereinandergeordneten, räumlich getrennten Horden untergebracht, und nach jeder Horde erfolgt eine Kühlung des Gases direkt durch Einblasen von Luft bzw. kaltem SO2-Gas oder indirekt durch Wärmetauscher. In einem Rieselturm oder Venturi-Apparat wird das im Gas enthaltende SO3 in umlaufender Schwefelsäure absorbiert. Durch Wasserzugabe wird die Konzentration konstant auf 98 bis 99 Gew.-% gehalten. Die Reaktionswärme wird über Kühler abgeführt, die in den Säurekreislauf eingeschaltet sind.

Abb.4
Schwefelsäure-Normalkatalyseanlage

Doppelkontaktverfahren

Im Gegensatz zur Normalkatalyse wird das gebildete SO3 zwischen zwei Horden des katalytischen Reaktors in einen Zwischenabsorber geleitet, so dass das SO3 fast vollständig aus dem Reaktionsgas entfernt wird und sich das Reaktionsgleichgewicht zugunsten der SO3-Bildung verschiebt. Bei gleicher Anzahl der Horden wird im Vergleich zum Kontaktverfahren ein höherer SO3-Endumsatz erreicht, der in der Praxis bei über 99,5 % liegt.

Abb.5
SO2-Umsatz im 4-Horden-Kontakt

Vergleich Normal- und Doppelkatalyse

Das in einem Abhitzekessel vorgekühlte SO2-Gas wird z.B. in einem 4-Horden-Kontaktkessel zu SO3 umgesetzt. Zwischen der 1. und 2. Horde erfolgt die Kühlung der Kontaktgase in einem Dampfüberhitzer. Nach der 2. Horde werden die umgesetzten Gase in einem Gas-Gas-Zwischenwärmetauscher gekühlt und zur Zwischenabsorption geführt. Nach der SO3-Absorption wird das Rest-SO2-Gas wieder auf Kontakttemperatur gebracht. Nach der 3. und 4. Horde erfolgt die Kühlung des Kontaktgases in einem Dampferzeuger. Nach der 4. Horde wird das heiße SO3 nochmals gekühlt und schließlich in einem Economizer der Endabsorption zugeführt.

Anschauliches: Bild einer Kontaktverfahren-Anlage zur SO2-Oxidation

Anschauliches: Bild einer Schwefelsäure-Doppelkatalyseanlage

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