Procedimiento para producir ácido sulfúrico a partir de gases de alimentación que contienen 0,

1-30% de SO2, que comprende las etapas de: (a) hacer pasar el gas de alimentación a una primera etapa de conversión catalítica, en la que el SO2 se oxida en SO3 sobre uno más lechos de catalizador, (b) enfriar el gas con contenido en SO3 procedente de dicha primera etapa de contacto haciendo pasar dicho gas a una fase de condensación intermedia retirando un gas que contiene SO2 no convertido y SO3 no absorbido y retirando una corriente de producto de ácido sulfúrico concentrado, (c) recalentar dicho gas que contiene SO2 no convertido y SO3 no absorbido, (d) hacer pasar el gas procedente de la etapa (c) a una segunda etapa de conversión catalítica, en la que el SO2 no convertido se oxida en SO3 sobre uno o más lechos de catalizador, (e) enfriar el gas procedente de la etapa (d) hasta una temperatura de 0 a 100ºC por encima del punto de rocío ácido de dicho gas, (f) hacer pasar el gas procedente de la etapa (e) con una relación molar de H2O a SO3 de al menos 1,05, calculada bajo el supuesto de que el SO3 no se hidrate para formar H2SO4, y un punto de rocío ácido por debajo de aproximadamente 240ºC a una fase de condensación en húmedo final, en la que el ácido sulfúrico remanente se condensa enfriando dicho gas mediante intercambio de calor indirecto o directo con un medio refrigerante, (g) proveer en el gas, antes de llevar a cabo la etapa (f), un contenido de 1010 a 1013 partículas sólidas por Nm3 por % en volumen de SO3, calculado bajo el supuesto de que SO3 no se hidrate para formar H2SO4, (h) retirar de la fase de condensación en húmedo final de la etapa (f) una corriente de ácido sulfúrico al 70-98% en peso

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a la producción de ácido sulfúrico a partir de un gas de alimentación de dióxido de azufre. En particular, la invención se refiere a la producción de ácido sulfúrico a partir de gases de alimentación húmedos que contienen SO2 en concentraciones de 0,1% en volumen a 30% en volumen, en particular de 6% en volumen a 30% en volumen, y que tienen una relación molar de H2O a SO2 + SO3 mayor que uno, tales como gases de escape procedentes de operaciones metalúrgicas y procedentes de la combustión de combustibles con contenido en hidrógeno tales como ácido consumido procedente de la alquilación petroquímica, sulfuro de hidrógeno, residuos de sulfato de amonio y combustibles fósiles, incluidos residuos de aceites pesados y coque de petróleo. Más particularmente, la invención se refiere a la mejora en el control de la neblina ácida de plantas con una fase de condensación en húmedo única para la producción de ácido sulfúrico después de la etapa de conversión de SO2, y en que el agente de enfriamiento en dicha fase de condensación es un medio gaseoso tal como aire.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La producción de ácido sulfúrico a partir de gases de escape en operaciones industriales comunes se lleva a cabo, normalmente, mediante una fase de oxidación catalítica, en que SO2 se convierte en SO3, seguida de una etapa de hidratación, en que SO3 se convierte en vapor de ácido sulfúrico. Después, el ácido sulfúrico se condensa en una etapa de enfriamiento mediante intercambio indirecto de calor con un medio refrigerante, normalmente aire.

La patente de EE.UU. nº 5.198.206 describe un procedimiento de este tipo, en el que un gas que contiene SO3 y un exceso de agua se somete a una fase de condensación en húmedo única para producir ácido sulfúrico condensado. En este procedimiento, vapores de ácido sulfúrico se condensan de una manera en la que se evita esencialmente la formación de gotitas de neblina ácida fina, facilitando con ello la filtración de la neblina ácida durante el contacto del gas con un filtro de alta velocidad. Pequeñas partículas sólidas que actúan como núcleos sobre los que se condensa el vapor de ácido sulfúrico se proporcionan antes de que comience la condensación, con el fin de limitar la cantidad de neblina ácida emitida. Esta patente describe, además, el uso de un gas de alimentación sintético en una disposición experimental que contiene un tubo de vidrio para condensar ácido sulfúrico, en donde dicho gas sintético ha sido adaptado de modo que tenga un punto de rocío ácido de 185ºC. El gas sintético que penetra en la fase de condensación sencilla corresponde al que normalmente se obtiene después de la conversión de SO2 cuando se tratan gases de alimentación débiles, es decir gases que contienen bastante menos de 6% en volumen de SO2, por ejemplo 0,1% en volumen de SO2.

Sin embargo, en muchas situaciones prácticas, también necesitan ser tratados gases de alimentación fuertes, es decir gases que contienen 6-30%, particularmente 10-30% en volumen de SO2. En plantas que tienen una fase de condensación en húmedo sencilla, tal como en la patente de EE.UU. nº 5.198.206, el gas de alimentación fuerte dirigida a la planta necesita ser esencialmente diluido en aire, de modo que el punto de rocío ácido del gas antes de la fase de condensación en húmedo sencilla se mantenga en aproximadamente 260ºC, ya que cuanto mayor sea el contenido de SO2 y SO3 en el gas, tanto mayor será su punto de rocío ácido. De esta manera, emisiones de neblina ácida pueden mantenerse en aproximadamente 10-20 ppmv.

Una dilución sustancial en aire, por ejemplo desde un gas fuerte que contiene 14% en volumen de SO2 a un gas que contenga 5-6% en volumen de SO2 con el fin de reducir su punto de rocío hasta 260ºC antes de penetrar en la fase de condensación en húmedo tiene el inconveniente de que el procedimiento opera con un mayor flujo de gas y, por consiguiente, se requieren plantas mayores y más costosas. Este problema se hace más acusado cuando aumenta el SO2 en el gas de alimentación. Otra desventaja es que, en función del diseño del condensador y de las condiciones del procedimiento, se sigue emitiendo todavía algo de neblina ácida procedente del condensador. A pesar de que pueden ser permisibles las actuales emisiones de neblina ácida de aproximadamente 20 ppmv, se esperan en un futuro próximo legislaciones medioambientales más estrictas que requerirán incluso emisiones aún más bajas de 5-10 ppmv o incluso por debajo de 5 ppmv. En particular, emisiones de neblina ácida procedentes de plantas de condensación en húmedo sencillas para el tratamiento de gases que contienen 6% en volumen a 30% en volumen, en particular 10% en volumen a 30% en volumen de SO2, no se pueden mantener por debajo de 10-20 ppmv de H2SO4 diluyendo en aire el gas hasta un punto de rocío

Por lo tanto, sería deseable poder proporcionar un gas de alimentación a la fase de condensación en húmedo con un punto de rocío ácido inferior a 260ºC sin que se requiera una dilución sustancial en aire del gas de alimentación que contiene SO2, mientras que, al mismo tiempo, lograr emisiones de neblina ácida de aproximadamente 20 ppmv de acuerdo con los actuales requisitos de emisiones de neblina ácida.

También sería deseable poder proporcionar un procedimiento para producir ácido sulfúrico a partir de un gas de alimentación que contenga SO2, sin requerir una dilución sustancial en aire de dicho gas de alimentación, mientras que al mismo tiempo se consigan emisiones de neblina ácida de 5-10 ppmv o menores a 5 ppmv.

Otro inconveniente de un procedimiento con una fase de condensación en húmedo sencilla es la limitación en equilibrio de la conversión de SO2. Incluso con los catalizadores de oxidación de SO2 comerciales más activos, la conversión total máxima de SO2 queda limitada a 99,5-99,7%, dependiendo de la concentración de O2 en el gas. Para conversiones mayores, debe incluirse un costoso lavado de gas de cola, p. ej. con H2O2 o NaOH. Por ejemplo, al diluir en aire un gas de alimentación que contenga 8-9% en volumen de SO2 en un gas que contenga 5-6% en volumen de SO2, la conversión en equilibrio a 380ºC de SO2 en SO3 en el convertidor catalítico aguas arriba de la fase de condensación puede incrementarse únicamente desde 99,5 a 99,7%, lo cual se queda corto en cuanto a los requisitos de conversión de SO2 superiores a 99,7% de hoy en día.

Se ha sabido durante años que la conversión de SO2 en SO3 se puede incrementar introduciendo un segundo absorbedor antes de la fase de conversión final, si bien la fase de absorción final ha sido normalmente llevada a cabo en condiciones secas, en las que la relación molar de SO2 + SO3 a agua en el gas de alimentación dirigido al convertidor de SO2 es superior a 1. Por ejemplo, la patente de EE.UU. nº 4.368.183 describe un proceso en húmedo/seco para producir ácido sulfúrico concentrado, utilizando una fase de absorción intermedia. Gases con contenido en SO2 se convierten catalíticamente en SO3 en una primera fase de contacto en un convertidor de SO2. El gas que contiene SO3 y vapor de agua, en que la relación molar de agua a SO3 es inferior a uno, se hace pasar entonces a una fase de absorción intermedia que incluye un Venturi, en la que se produce ácido sulfúrico. El gas de salida seco procedente de esta fase intermedia se devuelve al convertidor de SO2, de modo que el SO2 restante se convierte catalíticamente en SO3 en una segunda fase de contacto y, finalmente, se hace pasar a un absorbedor final, en el que la producción final de ácido sulfúrico se lleva a cabo bajo condiciones en seco en el gas esencialmente exento de SO2. Por lo tanto, este procedimiento puede manipular gases de alimentación con una relación molar de SO2 + SO3 a agua por encima de aproximadamente 1, en donde el gas que emerge de la torre de absorción intermedia se seca por parte del ácido sulfúrico. Para gases de alimentación con más agua que SO2 + SO3 sobre una base molar, el gas que emerge de la fase de absorción intermedia contiene vapor de agua que se condensa en la torre de absorción final en forma de una neblina ácida, la cual es difícil de eliminar de un modo económico.

Sería deseable poder tratar gases de alimentación con un exceso molar de vapor de agua en comparación con SO2 + SO3 y seguir siendo capaces de producir ácido sulfúrico concentrado a más de 98% en peso, ya que gases de alimentación...

1. Procedimiento para producir ácido sulfúrico a partir de gases de alimentación que contienen 0,1-30% de SO2, que comprende las etapas de:

(a) hacer pasar el gas de alimentación a una primera etapa de conversión catalítica, en la que el SO2 se oxida en SO3 sobre uno más lechos de catalizador,

(b) enfriar el gas con contenido en SO3 procedente de dicha primera etapa de contacto haciendo pasar dicho gas a una fase de condensación intermedia retirando un gas que contiene SO2 no convertido y SO3 no absorbido y retirando una corriente de producto de ácido sulfúrico concentrado,

(c) recalentar dicho gas que contiene SO2 no convertido y SO3 no absorbido,

(d) hacer pasar el gas procedente de la etapa (c) a una segunda etapa de conversión catalítica, en la que el SO2 no convertido se oxida en SO3 sobre uno o más lechos de catalizador,

(e) enfriar el gas procedente de la etapa (d) hasta una temperatura de 0 a 100ºC por encima del punto de rocío ácido de dicho gas,

(f) hacer pasar el gas procedente de la etapa (e) con una relación molar de H2O a SO3 de al menos 1,05, calculada bajo el supuesto de que el SO3 no se hidrate para formar H2SO4, y un punto de rocío ácido por debajo de aproximadamente 240ºC a una fase de condensación en húmedo final, en la que el ácido sulfúrico remanente se condensa enfriando dicho gas mediante intercambio de calor indirecto o directo con un medio refrigerante,

(g) proveer en el gas, antes de llevar a cabo la etapa (f), un contenido de 1010 a 1013 partículas sólidas por Nm3 por % en volumen de SO3, calculado bajo el supuesto de que SO3 no se hidrate para formar H2SO4,

(h) retirar de la fase de condensación en húmedo final de la etapa (f) una corriente de ácido sulfúrico al 70-98% en peso.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el gas de alimentación en la etapa (a) que contiene SO2 es un gas fuerte que contiene 6% en volumen a 30% en volumen de SO2.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, que comprende, además, enfriar el gas procedente de la etapa (a) hasta una temperatura de 0ºC a 100ºC por encima del punto de rocío ácido de dicho gas, antes de llevar a cabo la etapa (b).

4. Procedimiento de acuerdo con cualesquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende, además, proporcionar las partículas de la etapa (g) al gas que resulta de la etapa (e).

5. Procedimiento de acuerdo con cualesquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la fase de condensación intermedia de la etapa (b) se lleva a cabo en una torre de ácido sulfúrico empaquetada que comprende una zona de concentración y de condensación, poniendo en contacto la corriente de gas con contenido en SO3 con ácido sulfúrico líquido con una concentración de 70-98% en peso que fluye en contracorriente con el gas con contenido en SO3.

6. Procedimiento de acuerdo con cualesquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende, además, retornar la corriente de ácido sulfúrico al 70-98% en peso de la etapa (h) a la fase de condensación intermedia (b).

7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la fase de condensación intermedia de la etapa (b) se lleva a cabo en tubos esencialmente verticales, en los que el enfriamiento de la corriente de gas con contenido en SO3 tiene lugar mediante intercambio indirecto de calor con un medio refrigerante, en que dicho medio refrigerante es aire que fluye en contracorriente.

8. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el enfriamiento del gas en la fase de condensación final se lleva a cabo en tubos esencialmente verticales mediante intercambio indirecto de calor con un medio refrigerante, en que dicho medio refrigerante es aire que fluye en contracorriente.

9. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el enfriamiento del gas en la fase de condensación final se lleva a cabo en una torre de ácido sulfúrico empaquetada mediante intercambio indirecto de calor con ácido sulfúrico circulante.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende, además, hacer pasar aire caliente a 400-550ºC a la zona de concentración de la fase de concentración intermedia, y hacer pasar el gas con contenido en SO3 desde la primera etapa de conversión catalítica directamente a la zona de condensación de dicha fase de condensación intermedia, con lo que se produce ácido sulfúrico concentrado mediante el contacto en contracorriente con dicho aire caliente.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende, además, dividir dicha fase de condensación intermedia en al menos una zona de concentración superior y una zona de concentración inferior, haciendo pasar el gas con contenido en SO3 desde la primera etapa de conversión catalítica a la zona de concentración superior de la fase de concentración intermedia, y haciendo pasar aire caliente a 400-550ºC a la zona de concentración inferior, con lo que se produce ácido sulfúrico concentrado mediante el contacto en contracorriente con dicho aire caliente.

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, que comprende, además, desviar una corriente de gas de escape procedente del aire caliente que ha estado en contacto con el ácido sulfúrico en la etapa de condensación intermedia a la fase de condensación final, combinando dicha corriente de gas de escape con la corriente de gas con contenido en SO3 enfriada, retirada de la segunda etapa de conversión catalítica de la fase de conversión de SO2.