Schwefelsäure-Hochkonzentrierung

Bewährter QVF®-Prozess durchgeführt mit zuverlässigen Apparaturen von De Dietrich Process Systems.

Vorteile

•  Fördermenge von 100 kg/h bis zu 145 t/h
•  Rückkonzentrierung bis 98 Gew.-%
•  Geringe Säurekonzentration im Kondensat < 1 %
•  Individuelles Design passend zu den vorhandenen Betriebsmitteln 
•  QVF® S.A.C.-Verfahren
•  Komponenten aus der eigenen Produktion von De Dietrich Process  Systems
•  Minimaler Wartungsbedarf
•  Über 250 Installationen weltweit

Verfahren

Die Konzentrierung von Schwefelsäure ist im Grunde die Verdampfung von Wasser. Jegliche nicht flüchtigen Verunreinigungen wie Salze bleiben in der Säure und können ausfallen, um dem Verdampfer entzogen zu werden. Nicht flüchtige organische Verunreinigungen werden entweder während des Konzentrierungsvorgangs zersetzt oder müssen vor dem Eintritt in den QVF® Horizontalverdampfer abgespalten werden. Ein gebräuchlicher verdünnter Zulauf für die Rückgewinnung hochkonzentrierter Schwefelsäure ist z. B. Schwefelsäure aus einem Chlortrocknungsprozess mit einer Konzentration von 74 - 78 Gew.-%. Der Konzentrierungsprozess wird unter Vakuum durchgeführt, um die Siedetemperatur herabzusetzen. Das ist nötig, um Korrosion zu vermeiden und die Nutzung von Dampf (üblicherweise bei 13 - 17 barg) als Heizmedium für die Tantal-Rohrbündelwärmeübertrager zu ermöglichen. Das optimale Prozessvakuum wird unter Berücksichtigung des Temperaturunterschieds zwischen Heizdampf und kochender Säure sowie der Temperatur des Kühlmittels gewählt. Alternativ zum Heizdampf können auch elektrische Quarzheizstäbe verwendet werden.

Für eine Hochkonzentrierung von beispielsweise 66 % würde der Prozess in zwei Stufen ablaufen, wobei die erste Stufe mit Vakuumverdampfung bis zu 88 - 90 Gew.-% und eine zweite Stufe bei einem noch geringeren Vakuum die Endkonzentration der hochkonzentrierten Schwefelsäure ergeben würde.

Aufgrund des Säuregehalts der Dämpfe von der kochenden hochkonzentrierten Schwefelsäure müssen die Dämpfe gewaschen werden. Dieser Vorgang erfolgt in einer Kolonne oberhalb des Verdampfers, der die verdünnte Schwefelsäure zugeführt wird. Die Konzentration der Schwefelsäure im Kondensat ergibt sich hauptsächlich durch eingeschlossene Säuretröpfchen und liegt bei unter 1 Gew.-%.

Beispielhaft für eine gute verfahrenstechnische Praxis und zur Minimierung der Betriebskosten erfolgt die Energierückgewinnung durch die Vorwärmung des kalten Zulaufs mithilfe der heißen, flüssigen konzentrierten Schwefelsäure, die den Verdampfer verlässt.

Die Dämpfe werden in korrosionsbeständigen Kondensatoren kondensiert.

Ist der Säureabfallstrom nicht hinreichend gut definiert, um die Prozesssicherheit zu gewährleisten, führen wir mit Ihrem Abfallstrom gerne Probeläufe in unserer Testeinrichtung durch, um die erforderlichen Produktqualitäten und einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen.

Vakuumerzeugung

Die Erzeugung des Hauptvakuums bzw. des Vakuums der ersten Stufe erfolgt durch die Nutzung des flüssigen Kondensats mit einer Flüssigkeitsringpumpe oder einer korrosionsbeständigeren Konfiguration. Für das schließlich benötigte niedrigere Vakuum in der zweiten Verdampfungsstufe wird eine Strahlpumpe mit Dampf eingesetzt.

Wärmerückgewinnung, Kühlung und Kondensation

Der verdünnte Säurezulauf wird mit heißer konzentrierter Schwefelsäure in einem Wärmeübertrager vorgewärmt, der auf beiden Medienseiten korrosionsbeständig ist. Eine ideale Lösung für diesen Prozessschritt sind die QVF® Rohrbündelwärmeübertrager. Sie bestehen aus:

• Rohren aus SiC oder Borosilikatglas
• Mantel und Haube aus Email oder Borosilikatglas 3.3
• Rohrboden aus PTFE oder PTFE/PVDF mit eingelassener Edelstahlplatte
• PTFE-Verschlussschrauben und -Dichtungen

Zur weiteren Kühlung der konzentrierten Schwefelsäure und Kondensation des sauren Wassers müssen die Rohrbündelwärmeübertrager nur mantelseitig korrosionsbeständig sein, so dass kühlwasserseitig Edelstahlabdeckungen und Verstärkungsplatten verwendet werden können, die einen Kühlwasserdruck von bis zu 6 bar erlauben.

QVF® Horizontalverdampfer

De Dietrich Process Systems entwickelt diesen Verdampfertyp bereits seit den 1970er Jahren. Er besteht in erster Linie aus einem Bündel Tantal-Heizkerzen im unteren Teil eines liegenden Horizontalverdampfermantels, der in Abhängigkeit von der Größe entweder aus Borosilikatglas 3.3 oder Stahlemail gefertigt ist. Die verdünnte Schwefelsäure tritt in der Nähe der Haube des Heizkerzenbündels in den Mantel ein. Während der Konzentrierung fließt die verdünnte Säure dann in Richtung Auslass des Verdampfermantels, wo die Heizkerzen enden. Auf ihrem Weg durch den Horizontalverdampfer strömt die Säure durch das Wehr, das den horizontalen Verdampferkörper in verschiedene Stufen unterteilt. Da das Wehr eine Rückmischung verhindert, entsteht durch die fortschreitende Konzentrierung im Verdampfer ein Temperaturprofil. Dadurch erhöht sich der durchschnittliche Temperaturunterschied zwischen Dampf und Säure und infolgedessen wird der erforderliche Wärmeübertragungsbereich minimiert, was wiederum die Kosten für Tantal-Heizstäbe senkt.

Der Säuregehalt des Dampfes steigt praktisch exponentiell zur Säurekonzentration. Bei den oben genannten Konzentrationen haben die am vorderen Ende des QVF® Horizontalverdampfers erzeugten Dämpfe einen Säuregehalt im Bereich von 1 ppm verglichen mit fast 3 % am Auslass des QVF® Horizontalverdampfers. Dadurch ergibt sich ein weiterer Vorteil des QVF® Horizontalverdampfers, da er den Säuregehalt in den austretenden Dämpfen reduziert und somit weniger Säureverluste und niedrigere Abwasseraufbereitungskosten ermöglicht.

Da der gesamte Vorgang im Inneren des Verdampfers abläuft, werden darüber hinaus keine Zirkulationsleitungen oder Umwälzpumpen zur Förderung der heißen, konzentrierten Schwefelsäure benötigt und es können Wartungskosten eingespart sowie Ausfallrisiken minimiert werden.

In Abhängigkeit von den Konzentrationsunterschieden zwischen Zulauf und Produkt bieten ein, zwei oder drei Verdampferstufen mit verschiedenen Vakuumhöhen die optimale Lösung. Unter Idealbedingungen kann der QVF^® Horizontalverdampfer für Schwefelsäurekonzentrationen bis 98 % eingesetzt werden, andernfalls sind Quarzheizstäbe vorgesehen.

Skizze eines QVF^® Horizontalverdampfers aus Email und Temperaturprofil

Vorteile des QVF® Horizontalverdampfers:

• Ein niedriger Flüssigkeitsstand über den Heizflächen bedeutet reduzierten hydrostatischen Druck und somit verbesserte Verdampfungsraten.
• Geringer Rückstau im Verdampfer für einen sicheren und flexiblen Betrieb – Regelbereich von 25 % bis 100 % ohne Leistungsverlust.
• Reduzierter Säuregehalt in der Dampfphase aufgrund des Temperaturgefälles entlang des Verdampfers.
• Erhöhte durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen Dampf und Säure reduziert die Menge benötigter Tantal-Heizkerzen.
• Niedrige Bauhöhe des Verdampfers.
• Verdampfer ohne Pumpe und mit wenigen Flanschverbindungen erleichtert die Wartung und erhöht die Zuverlässigkeit.

Wäscherkolonne

Die Kolonne besteht aus Komponenten wie Kolonnenschüssen, Verteilern, Füllkörpern und Tragrosten, die von De Dietrich Process Systems über Jahrzehnte entwickelt wurden.

Zur Minimierung der Konzentration von Schwefelsäure im Kondensat werden die vom Verdampfer aufsteigenden Dämpfe mit dem am oberen Ende einer Wäscherkolonne eintretenden Säurezulauf gewaschen. Der Säurestrom wird mithilfe von Verteilern in verschiedenen Ausführungen von QVF®, die sich nach Kolonnengröße und Durchsatz richten, gleichmäßig über die gesamte Querschnittsfläche der Kolonnenpackung verteilt. Die Füllkörper müssen eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine Trennleistung mit einem niedrigen zulässigen Druckabfall haben.  In den meisten Fällen ist daher die QVF® DURAPACK die beste Wahl. Diese eigengefertigte Packung ist eine patentierte geordnete Packung aus Borosilikatglas 3.3.

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