Schwefelsäure an jedem Ort der Welt produzieren

Schwefelsäure ist besonders vielseitig einsetzbar und maßgeblicher Bestandteil verschiedenster Prozesse. Neben der Produktionsmenge von Chlor ist die Größenordnung der Schwefelsäurekapazitäten ein Indikator für die industrielle Entwicklung und den Leistungsstand eines Landes – schließlich sind viele alltägliche Produkte ohne sie nicht effizient zu produzieren. Etwa 70 % der weltweit jährlich produzierten Schwefelsäure dienen der Herstellung von Düngemitteln und sorgen damit für reiche Ernten. Darüber hinaus kommt sie zum Einsatz bei der Herstellung von Kunststoffen und von Tensiden für Waschmittel und Farbstoffe. Des Weiteren ist die Schwefelsäureherstellung von großer Bedeutung bei der Aufbereitung sulfidischer Erze in der pyrometallurgischen Industrie. Hydrometallurgische Verfahren nutzen Schwefelsäure zur Auslaugung von Erzen sowie bei der anschließenden Gewinnung der Metalle.

Die Herstellung von Schwefelsäure ist ein kostenintensiver Prozess. Dem konventionellen Verfahren liegt eine adiabate Reaktionsführung der katalytischen Oxidation von SO2 zugrunde. In einem Hordenreaktor wird ein Reaktionsgas über mehrere Reaktionsstufen in räumlich getrennten Festbetten zum Erreichen eines hohen Umsatzgrades umgesetzt. Eine solche Anlage erfordert große Betriebsflächen und rentiert sich folglich nur für die Herstellung großer Mengen von Schwefelsäure im Bereich zwischen 100 000 und 500 000 t, aber kaum für kleine, spezialisierte Betriebe.

In oftmals entlegenen Gebieten nutzt man verhältnismäßig geringe Mengen Schwefel-säure zur Herstellung von Flusssäure oder Sprengstoffen und für das sogenannte Leaching, wobei man Schwermetalle durch Laugung aus den Erzen löst und fördert. Der Transport der Schwefelsäure in diese Gebiete unterliegt strengen Vorschriften, er ist aufwendig und risikobehaftet. Daher haben CAC und das Tochterunternehmen Hugo Petersen das klassische Verfahren so optimiert, dass es nun die Herstellung von Schwefelsäure in kleintonnagigen Mengen von bis zu 25 000 t/a ermöglicht. „Dabei galt es, besonders den Reaktor kleiner und kompakter zu gestalten, bei möglichst verbesserter Effizienz“, erläutert Dr. Mario Kuschel, Leiter der Verfahrenstechnik bei CAC. Hierin wird ein Katalysatorbett durch das Reaktionsgas in einen flüssigkeitsähnlichen Zustand versetzt. Auf diese Weise werden Strömungsbedingungen geschaffen, bei denen eine sehr gute Abführung der Reaktionswärme aus dem Inneren des Katalysatorbetts gegeben ist. Durch die damit erreichte isotherme Reaktionsführung ist es möglich, mit nur einer Fluidbettstufe Umsatzgrade von mehr als 95 % zu erzielen. Mit dem herkömmlichen Verfahren wären für solche Umsatzgrade mindestens drei adiabate Reaktionsstufen notwendig. Folglich können durch die neue Fluidbetttechnologie Anlagen zur Herstellung von Schwefelsäure gebaut werden, die kleiner und effizienter sind.

Mit der Entwicklung dieser Technologie meisterten die Verfahrenstechniker eine große Herausforderung der Industrie. Zunächst war es notwendig, einen Katalysator zu entwickeln, der auf einem bewährten katalytischen System beruht und die Anforderungen für den Einsatz im Fluidbett erfüllt. Hierzu wurde anfangs das komplexe Zusammenspiel von Kinetik, Stoff- und Wärmetransport und Fluiddynamik bei der Umsetzung von SO2 im Fluidbettuntersucht und simuliert. Auf Grundlage dieser Betrachtungen und der Durchführung von Technikumsversuchen konnte gemeinsam mit weiteren Partnern aus der Industrie ein neuer Katalysator entwickelt werden. Die Zusammensetzung sowie die texturellen und mechanischen Eigenschaften des Katalysators sind direkt auf die speziellen Bedingungen des Fluidbettprozesses zugeschnitten. Die neue Fluidbetttechnologie wurde anschließend in einer Versuchsanlage mit einer Kapazität von 100 t/a erfolgreich getestet. Die erste Industrieanlage soll dann mit einer Kapazität von 25 000 t/a errichtet werden. Ein Transport der Mineralsäure entfällt, wodurch Unfallrisiken minimiert und die Sicherheit für Mensch und Umwelt maximiert werden.

Das neu entwickelte Verfahren setzt viel Energie in Form von Reaktionswärme frei. Damit diese Energie genutzt wird, haben die Ingenieure von CAC über die Herstellung der Schwefelsäure hinaus gedacht und das System um clevere Funktionen erweitert. Die Reaktionswärme dient zwar weiterhin der Erzeugung von Wasserdampf, nur der Ort der Wärmeabführung aus dem Prozess wurde optimiert. Mit dem erzeugten Wasserdampf ist es möglich, Strom zu erzeugen oder die Gebäude vor Ort zu beheizen. Hinzu kommt eine überaus kompakte Bauweise, wodurch das gesamte System auf einem Gestell installiert werden könnte. In Kooperation mit Hugo Petersen, der TU Bergakademie Freiberg und einem Industriepartner forscht CAC derzeit an einer Optimierung der kleintonnagigen Anlage, um eine Produktion von Schwefelsäure vor Ort noch effizienter zu gestalten. Durch die umfangreichen Verbesserungen des Gesamtverfahrens ergeben sich weitere Einsatzgebiete. Als skid-mounted Unit ist die Anlage bei Bedarf einfach transportierbar und kann als zusätzliche Anlange parallel zu einer bereits bestehenden Anlage betrieben werden, um bei steigender Nachfrage die Kapazitäten vor Ort zu erweitern. Außerdem ist die Technologie durch die isotherme Reaktionsführung für die Behandlung von sauerstoffangereicherten Prozessgasen mit hohem SO2-Gehalt, wie sie für metallurgische Prozesse typisch sind, und nasskatalytische Umsetzungen geeignet.

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