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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 ( $Fe S_{2}$ ). 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 $H_{2} S$ 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:

\begin{matrix} V_{2} O_{5} & S O_{2} & \to & V_{2} O_{4} & S O_{3} \\ V_{2} O_{4} & 0,5 O_{2} & \to & V_{2} O_{5} \\ S O_{2} & 0,5 O_{2} & \to & S O_{3} \end{matrix}

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 $S O_{2}$ -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 $S O_{2}$ -Gas oder indirekt durch Wärmetauscher. In einem Rieselturm oder Venturi-Apparat wird das im Gas enthaltende $S O_{3}$ 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 $S O_{3}$ zwischen zwei Horden des katalytischen Reaktors in einen Zwischenabsorber geleitet, so dass das $S O_{3}$ fast vollständig aus dem Reaktionsgas entfernt wird und sich das Reaktionsgleichgewicht zugunsten der $S O_{3}$ -Bildung verschiebt. Bei gleicher Anzahl der Horden wird im Vergleich zum Kontaktverfahren ein höherer $S O_{3}$ -Endumsatz erreicht, der in der Praxis bei über 99,5 % liegt.

Abb.5: $S O_{2}$ -Umsatz im 4-Horden-Kontakt

Vergleich Normal- und Doppelkatalyse

Das in einem Abhitzekessel vorgekühlte $S O_{2}$ -Gas wird z.B. in einem 4-Horden-Kontaktkessel zu $S O_{3}$ 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 $S O_{3}$ -Absorption wird das Rest- $S O_{2}$ -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 $S O_{3}$ nochmals gekühlt und schließlich in einem Economizer der Endabsorption zugeführt.