[发明专利]由二氧化硫制备三氧化硫、硫酸和发烟硫酸的方法

说明书

发明领域

本发明涉及通过二氧化硫氧化制备三氧化硫的新方法。本发明还涉及通过接触法制备液体硫酸(H₂SO₄)和/或发烟硫酸的方法，其中使SO₂氧化生成SO₃，再与水或硫酸溶液接触产生附加硫酸和/或发烟硫酸。本发明还涉及由此接触法期间产生的热量回收高级能量。

发明背景

硫酸是世界上产量最高的化学品。多数硫酸用于生产复合肥中的磷酸。硫酸还用于例如染料和颜料、工业炸药、刻蚀应用、烷基化催化、电镀浴和有色金属冶炼。据报道目前世界上每天生产约570 000吨，约30％在美国生产。

接触法是制备硫酸和发烟硫酸(“发烟硫酸”是SO₃的硫酸溶液，也称为“H₂S₂O₇”)的最普遍方法之一。该方法一般包括三步：(1)由含硫原料形成SO₂，(2)使SO₂催化氧化生成SO₃，和(3)使SO₃与水或浓硫酸接触使SO₃水合形成硫酸和/或发烟硫酸。

接触法中用多种含硫原料形成SO₂。例如，多数硫酸厂通过在热燃烧区使可氧化的含硫原料(例如元素硫或含硫化物的金属矿)氧化形成SO₂。相反，其它厂(例如硫酸再生厂)大多在可分解硫酸盐存在下燃烧碳质材料(即燃料)提供使所述硫酸盐分解成SO₂和各种副产物所需热量。

形成SO₂之后，常通过在分子氧存在下在SO₂催化氧化的有效温度下(例如对于V₂O₅催化剂而言在约410至约420℃下)与催化剂(例如五氧化二钒(V₂O₅)催化剂)接触使SO₂氧化成SO₃。该反应通常在包括多个串联催化剂床(通常4或更多催化剂床)的催化转化器中进行。此反应的麻烦之一归因于它是高度放热反应。这需要控制反应条件以致所述氧化反应产生的热量不使所述催化剂过热至可能导致催化剂热损伤和过早失活和/或不利地影响反应平衡的温度。例如，可通过限制供入催化转化器的SO₂或氧的浓度，或采用如Daley等在US 4 643 887中公开的包括管壳装置的转化器，其中通过与冷却介质(例如空气或熔盐)间接换热使催化剂冷却，控制所述氧化反应。例如，使用V₂O₅催化剂的工艺中，典型地控制反应条件使催化剂床的温度保持在低于约650℃，更典型地低于约630℃。

硫酸和/或发烟硫酸的形成通常在SO₃吸收塔内吸收区中进行，其中含SO₃的转化气与水或更典型地与浓硫酸溶液(例如含约98.5wt％硫酸的溶液)接触形成硫酸和/或发烟硫酸。水一般是不优选的，因为它易产生难以冷凝的H₂SO₄的酸雾。

虽然SO₃与浓H₂SO₄的反应迅速而且完全，但SO₂至SO₃的氧化一般不完全。因此，离开SO₃吸收塔的尾气通常含有剩余SO₂。多数国家限制H₂SO₄厂可排放至大气中的SO₂量。例如美国环境保护机构目前将SO₂排放限制在4磅/短吨(2kg/公吨)H₂SO₄。这相当于所述催化氧化步骤中SO₂至SO₃的最小转化率为99.7％(即不多于0.3％的进入SO₂可在SO₃吸收器的尾气中离开系统)。

供给催化转化器的气体中SO₂浓度增加一般趋于降低反应效率。这又导致工厂排放的尾气中残留更多的SO₂。因此，随着硫酸厂经营者设法通过提高供给转化器的气体中SO₂的浓度提高产量，工厂排放的SO₂将趋于增加。因而，一般迫使硫酸厂限制其生产速率或冒不遵守环境法规的危险。