Sulfuric Acid Manufacture

429 Pages·2005·6.36 MB·English

by  Matt King

SSuullffuurriicc AAcciidd MMaannuuffaaccttuurree
AAnnaallyyssiiss,, CCoonnttrrooll aanndd OOppttiimmiizzaattiioonn
EEllsseevviieerr IInntteerrnneett HHoommeeppaaggee
hhttttpp::////wwwwww..eellsseevviieerr..ccoomm
CCoonnssuulltt tthhee EEllsseevviieerr hhoommeeppaaggee ffoorr ffuullll ccaattaalloogguuee iinnffoorrmmaattiioonn oonn aallll bbooookkss,, jjoouurrnnaallss
aanndd eelleeccttrroonniicc pprroodduuccttss aanndd sseerrvviicceess..
EEllsseevviieerr TTiittlleess ooff RReellaatteedd IInntteerreesstt
HHAANNDDBBOOOOKK OOFF CCHHEEMMIICCAALL TTEECCHHNNOOLLOOGGYY AANNDD PPOOLLLLUUTTIIOONN CCOONNTTRROOLL,,
33RRDD EEDDIITTIIOONN
MMaarrttiinn BB.. HHoocckkiinngg
22000055,, IISSBBNN:: 00112200888877996677
wwwwww..eellsseevviieerr..ccoomm//llooccaattee//iissbbnn//00112200888877996677
RReellaatteedd JJoouurrnnaallss
TThhee ffoolllloowwiinngg jjoouurrnnaallss rreellaatteedd ttoo cchheemmiiccaall aanndd iinndduussttrriiaall eennggiinneeeerriinngg ccaann aallll bbee ffoouunndd aatt
hhttttpp::////wwwwww..sscciieenncceeddiirreecctt..ccoomm
CChheemmiiccaall EEnnggiinneeeerriinngg JJoouurrnnaall
CChheemmiiccaall EEnnggiinneeeerriinngg SScciieennccee
CCoommppuutteerrss && CChheemmiiccaall EEnnggiinneeeerriinngg
CChheemmiiccaall EEnnggiinneeeerriinngg aanndd PPrroocceessssiinngg
BBiioocchheemmiiccaall EEnnggiinneeeerriinngg JJoouurrnnaall
CChheemmiiccaall HHeeaalltthh aanndd SSaaffeettyy
CCoommppuutteerrss && IInndduussttrriiaall EEnnggiinneeeerriinngg
JJoouurrnnaall ooff EEnnggiinneeeerriinngg aanndd TTeecchhnnoollooggyy MMaannaaggeemmeenntt
IInntteerrnnaattiioonnaall JJoouurrnnaall ooff IInndduussttrriiaall EErrggoonnoommiiccss
TToo CCoonnttaacctt tthhee PPuubblliisshheerr
EEllsseevviieerr wweellccoommeess eennqquuiirriieess ccoonncceerrnniinngg ppuubblliisshhiinngg pprrooppoossaallss:: bbooookkss,, jjoouurrnnaall ssppeecciiaall
iissssuueess,, ccoonnffeerreennccee pprroocceeeeddiinnggss,, eettcc.. AAllll ffoorrmmaattss aanndd mmeeddiiaa ccaann bbee ccoonnssiiddeerreedd.. SShhoouulldd
yyoouu hhaavvee aa ppuubblliisshhiinngg pprrooppoossaall yyoouu wwiisshh ttoo ddiissccuussss,, pplleeaassee ccoonnttaacctt,, wwiitthhoouutt oobblliiggaattiioonn,,
tthhee ccoommmmiissssiioonniinngg eeddiittoorr rreessppoonnssiibbllee ffoorr EEllsseevviieerr’'ss mmaatteerriiaallss sscciieennccee bbooookkss ppuubblliisshhiinngg
pprrooggrraammmmee::
VViijjaallaa KKiirruuvvaannaayyaaggaamm
SSeenniioorr PPuubblliisshhiinngg EEddiittoorr,, MMaatteerriiaallss SScciieennccee && EEnnggiinneeeerriinngg
EEllsseevviieerr LLiimmiitteedd
TThhee BBoouulleevvaarrdd,, LLaannggffoorrdd LLaannee TTeell..:: ++4444 11886655 8844 33668833
KKiiddlliinnggttoonn,, OOxxffoorrdd FFaaxx:: ++4444 11886655 8844 33993311
OOXX55 11GGBB,, UUKK EE--mmaaiill:: vv..kkiirruu@@eellsseevviieerr..ccoomm
GGeenneerraall eennqquuiirriieess iinncclluuddiinngg ppllaacciinngg oorrddeerrss,, sshhoouulldd bbee ddiirreecctteedd ttoo EEllsseevviieerr’'ss RReeggiioonnaall
SSaalleess OOffffiicceess –- pplleeaassee aacccceessss tthhee EEllsseevviieerr iinntteerrnneett hhoommeeppaaggee ffoorr ffuullll ccoonnttaacctt ddeettaaiillss..
SSuullffuurriicc AAcciidd MMaannuuffaaccttuurree
AAnnaallyyssiiss,, CCoonnttrrooll aanndd OOppttiimmiizzaattiioonn
WWiilllliiaamm GG.. DDaavveennppoorrtt
UUnniivveerrssiittyy ooff AArriizzoonnaa,, AArriizzoonnaa,, UUSSAA
aanndd
MMaatttthheeww JJ.. KKiinngg
HHaattcchh,, PPeerrtthh,, WWeesstteerrnn AAuussttrraalliiaa
ELSEVIER
AAmmsstteerrddaamm -- BBoossttoonn -- HHeeiiddeellbbeerrgg -- LLoonnddoonn -- NNeeww YYoorrkk -- OOxxffoorrdd
PPaarriiss -- SSaann DDiieeggoo -- SSaann FFrraanncciissccoo -- SSiinnggaappoorree -- SSyyddnneeyy -- TTookkyyoo
EELLSSEEVVIIEERR BB..VV.. EELLSSEEVVIIEERR IInncc.. EELLSSEEVVIIEERR LLttdd.. EELLSSEEVVIIEERR LLttdd..
RRaaddaarrwweegg 2299 552255 BB SSttrreeeett,, SSuuiittee 11990000 TThhee BBoouulleevvaarrdd,, LLaannggffoorrdd LLaannee 8844 TThheeoobbaallddss RRooaadd
PP..OO.. BBooxx 221111,, 11000000 AAEE SSaann DDiieeggoo,, CCAA 9922110011--44449955 KKiiddlliinnggttoonn,, OOxxffoorrdd OOXX55 11GGBB LLoonnddoonn WWCC11XX 88RRRR
AAmmsstteerrddaamm,, TThhee NNeetthheerrllaannddss UUSSAA UUKK UUKK
©© 22000066 EEllsseevviieerr LLttdd.. AAllll rriigghhttss rreesseerrvveedd..
TThhiiss wwoorrkk iiss pprrootteecctteedd uunnddeerr ccooppyyrriigghhtt bbyy EEllsseevviieerr LLttdd..,, aanndd tthhee ffoolllloowwiinngg tteerrmmss aanndd ccoonnddiittiioonnss aappppllyy ttoo iittss uussee::
PPhhoottooccooppyyiinngg
SSiinnggllee pphhoottooccooppiieess ooff ssiinnggllee cchhaapptteerrss mmaayy bbee mmaaddee ffoorr ppeerrssoonnaall uussee aass aalllloowweedd bbyy nnaattiioonnaall ccooppyyrriigghhtt llaawwss.. PPeerrmmiissssiioonn ooff tthhee
PPuubblliisshheerr aanndd ppaayymmeenntt ooff aa ffeeee iiss rreeqquuiirreedd ffoorr aallll ootthheerr pphhoottooccooppyyiinngg,, iinncclluuddiinngg mmuullttiippllee oorr ssyysstteemmaattiicc ccooppyyiinngg,, ccooppyyiinngg ffoorr
aaddvveerrttiissiinngg oorr pprroommoottiioonnaall ppuurrppoosseess,, rreessaallee,, aanndd aallll ffoorrmmss ooff ddooccuummeenntt ddeelliivveerryy.. SSppeecciiaall rraatteess aarree aavvaaiillaabbllee ffoorr eedduuccaattiioonnaall
iinnssttiittuuttiioonnss tthhaatt wwiisshh ttoo mmaakkee pphhoottooccooppiieess ffoorr nnoonn--pprrooffiitt eedduuccaattiioonnaall ccllaassssrroooomm uussee..
PPeerrmmiissssiioonnss mmaayy bbee ssoouugghhtt ddiirreeccttllyy ffrroomm EEllsseevviieerr’'ss RRiigghhttss DDeeppaarrttmmeenntt iinn OOxxffoorrdd,, UUKK:: pphhoonnee ((++4444)) 11886655 884433883300,, ffaaxx ((++4444))
11886655 885533333333,, ee--mmaaiill:: ppeerrmmiissssiioonnss@@eellsseevviieerr..ccoomm.. RReeqquueessttss mmaayy aallssoo bbee ccoommpplleetteedd oonn--lliinnee vviiaa tthhee EEllsseevviieerr hhoommeeppaaggee ((hhttttpp::////
wwwwww..eellsseevviieerr..ccoomm//llooccaattee//ppeerrmmiissssiioonnss))..
IInn tthhee UUSSAA,, uusseerrss mmaayy cclleeaarr ppeerrmmiissssiioonnss aanndd mmaakkee ppaayymmeennttss tthhrroouugghh tthhee CCooppyyrriigghhtt CClleeaarraannccee CCeenntteerr,, IInncc..,, 222222 RRoosseewwoooodd
DDrriivvee,, DDaannvveerrss,, MMAA 0011992233,, UUSSAA;; pphhoonnee:: ((++11)) ((997788)) 77550088440000,, ffaaxx:: ((++11)) ((997788)) 77550044774444,, aanndd iinn tthhee UUKK tthhrroouugghh tthhee CCooppyyrriigghhtt
LLiicceennssiinngg AAggeennccyy RRaappiidd CClleeaarraannccee SSeerrvviiccee ((CCLLAARRCCSS)),, 9900 TTootttteennhhaamm CCoouurrtt RRooaadd,, LLoonnddoonn WW11PP 00LLPP,, UUKK;; pphhoonnee:: ((++4444))
2200 77663311 55555555;; ffaaxx:: ((++4444)) 2200 77663311 55550000.. OOtthheerr ccoouunnttrriieess mmaayy hhaavvee aa llooccaall rreepprrooggrraapphhiicc rriigghhttss aaggeennccyy ffoorr ppaayymmeennttss..
DDeerriivvaattiivvee WWoorrkkss
TTaabblleess ooff ccoonntteennttss mmaayy bbee rreepprroodduucceedd ffoorr iinntteerrnnaall cciirrccuullaattiioonn,, bbuutt ppeerrmmiissssiioonn ooff tthhee PPuubblliisshheerr iiss rreeqquuiirreedd ffoorr eexxtteerrnnaall rreessaallee
oorr ddiissttrriibbuuttiioonn ooff ssuucchh mmaatteerriiaall.. PPeerrmmiissssiioonn ooff tthhee PPuubblliisshheerr iiss rreeqquuiirreedd ffoorr aallll ootthheerr ddeerriivvaattiivvee wwoorrkkss,, iinncclluuddiinngg ccoommppiillaattiioonnss aanndd
ttrraannssllaattiioonnss..
EElleeccttrroonniicc SSttoorraaggee oorr UUssaaggee
PPeerrmmiissssiioonn ooff tthhee PPuubblliisshheerr iiss rreeqquuiirreedd ttoo ssttoorree oorr uussee eelleeccttrroonniiccaallllyy aannyy mmaatteerriiaall ccoonnttaaiinneedd iinn tthhiiss wwoorrkk,, iinncclluuddiinngg aannyy cchhaapptteerr
oorr ppaarrtt ooff aa cchhaapptteerr..
EExxcceepptt aass oouuttlliinneedd aabboovvee,, nnoo ppaarrtt ooff tthhiiss wwoorrkk mmaayy bbee rreepprroodduucceedd,, ssttoorreedd iinn aa rreettrriieevvaall ssyysstteemm oorr ttrraannssmmiitttteedd iinn aannyy ffoorrmm oorr bbyy
aannyy mmeeaannss,, eelleeccttrroonniicc,, mmeecchhaanniiccaall,, pphhoottooccooppyyiinngg,, rreeccoorrddiinngg oorr ootthheerrwwiissee,, wwiitthhoouutt pprriioorr wwrriitttteenn ppeerrmmiissssiioonn ooff tthhee PPuubblliisshheerr..
AAddddrreessss ppeerrmmiissssiioonnss rreeqquueessttss ttoo:: EEllsseevviieerr’'ss RRiigghhttss DDeeppaarrttmmeenntt,, aatt tthhee ffaaxx aanndd ee--mmaaiill aaddddrreesssseess nnootteedd aabboovvee..
NNoottiiccee
NNoo rreessppoonnssiibbiilliittyy iiss aassssuummeedd bbyy tthhee PPuubblliisshheerr ffoorr aannyy iinnjjuurryy aanndd//oorr ddaammaaggee ttoo ppeerrssoonnss oorr pprrooppeerrttyy aass aa mmaatttteerr ooff pprroodduuccttss
lliiaabbiilliittyy,, nneegglliiggeennccee oorr ootthheerrwwiissee,, oorr ffrroomm aannyy uussee oorr ooppeerraattiioonn ooff aannyy mmeetthhooddss,, pprroodduuccttss,, iinnssttrruuccttiioonnss oorr iiddeeaass ccoonnttaaiinneedd iinn tthhee
mmaatteerriiaall hheerreeiinn.. BBeeccaauussee ooff rraappiidd aaddvvaanncceess iinn tthhee mmeeddiiccaall sscciieenncceess,, iinn ppaarrttiiccuullaarr,, iinnddeeppeennddeenntt vveerriiffiiccaattiioonn ooff ddiiaaggnnoosseess aanndd
ddrruugg ddoossaaggeess sshhoouulldd bbee mmaaddee..
FFiirrsstt eeddiittiioonn 22000066
IISSBBNN--1133:: 997788--00--0088--004444442288--44
IISSSSNN--1100:: 00--008800--4444442288--88
@ TThhee ppaappeerr uusseedd iinn tthhiiss ppuubblliiccaattiioonn mmeeeettss tthhee rreeqquuiirreemmeennttss ooff AANNSSII//NNIISSOO ZZ3399..4488--11999922 ((PPeerrmmaanneennccee ooff PPaappeerr))..
PPrriinntteedd iinn GGrreeaatt BBrriittaaiinn..
0055 0066 0077 0088 0099 1100 1100 99 88 77 66 55 44 33 22 11
Working together to grow
libraries in developing countries
"wwelsevierxom www.bookaid.org www.sabre.org
ELSEVIER BOOK AID Sabre Foundation
International
v
Preface
This book is the culmination of about ten years of studying sulfuric acid plants.
Its objectives are to introduce readers to sulfuric acid manufacture and to show
how acid production may be controlled and optimized.
One of the authors (MJK) operated an acid plant while writing this book. His
Ph.D. work also centered on analyzing sulfuric acid manufacture. He is now a
sulfuric acid and smelter specialist with Hatch.
The other author (WGD) has been interested in sulfuric acid plants since his
1957 student internship at Cominco's lead/zinc smelter in Trail, British
Columbia. Cominco was making sulfuric acid from lead and zinc roaster
offgases at that time. It was also making ammonium sulfate fertilizer.
In the book, we consider SO2(g) to be the raw material for sulfuric acid
manufacture. Industrially it comes from:
(a) burning elemental sulfur with air
(b) smelting and roasting metal sulfide minerals
(c) decomposing spent acid from organic catalysis.
These sources are detailed in the book, but our main subject is production of
sulfuric acid from SO2(g). Readers interested in smelting and roasting offgases
might enjoy our other books Extractive Metallurgy of Copper (2002) and Flash
Smelting (2003).
The book begins with a 9 chapter description of sulfuric acid manufacture.
These chapters introduce the reader to industrial acidmaking and give reasons for
each process step. They also present considerable industrial acid plant operating
data. We thank our industrial colleagues profusely for so graciously providing
this information.
The book follows with a mathematical analysis of sulfuric acid manufacture. It
concentrates on catalytic SO(g) + '/2O(g) -> SO oxidation. It also examines
2 2 3
temperature control and production of HSC>4(f) from SO3(g).
2
We have tried to make our analysis completely transparent so that readers can
adapt it to their own purposes. We have used this approach quite successfully in
our examinations of several metallurgical processes. We hope that we have also
succeeded here.
vViI
We have used Microsoft Excel for all our calculations. We have found it
especially useful for matrix calculations. We also like its Goal Seek, Visual
Basic and Chart Wizard features. All the Excel techniques used in this book are
detailed in our forthcoming book Excel for Freshmen. Please note that,
consistent with Excel, we use * for multiply throughout the book.
A note on units - we have used Si-based units throughout. The only
controversial choice is the use of K for temperature. We use it because it greatly
simplifies thermodynamic calculations. We use bar as our pressure unit for the
same reason. Lastly we use Nm3 as our gas volume unit. It is 1 m3 of gas at 273
K and 1 atmosphere (1.01325 bar) pressure. 22.4 Nm3 contain 1 kg-mole of
ideal gas.
We were helped enormously by our industrial colleagues during preparation of
this book. We thank them all most deeply.
As with all our publications, Margaret Davenport read every word of our
typescript. While she may not be an expert on sulfuric acid, she is an expert on
logic and the English language. We know that if she gives her approval to a
typescript, it is ready for the publisher. We also wish to thank George
Davenport for his technical assistance and Vijala Kiruvanayagam of Elsevier
Science Ltd. for her unflagging support during our preparation of this and other
books.
Lastly, we hope that our book Sulfuric Acid Manufacture brings us as much joy
and insight as Professor Dr von Igelfeld's masterpiece Portuguese Irregular
Verbs* has brought him.
William G. Davenport Matthew J. King
Tucson, Arizona Perth, Western Australia
# See, for example, At the Villa of Reduced Circumstances, Anchor Books, a Division of
Random House, Inc., New York (2005), p63.
vVilil
CONTENTS
Preface
Overview
1.1 Catalytic Oxidation of SO to SO
2 3
1.2 HSO Production
2 4
1.3 Industrial Flowsheet
1.4 Sulfur Burning
1.5 Metallurgical Offgas
1.6 Spent Acid Regeneration
1.7 Sulfuric Acid Product
1.8 Recent Developments
1.9 Alternative Process
1.10 Summary
Suggested Reading
References
Production and Consumption 11
2.1 Uses 13
2.2 Acid Plant Locations and Costs 15
2.3 Price 15
2.4 Summary 16
Suggested Reading 16
References 17
Sulfur Burning 19
3.1 Objectives 19
3.2 Sulfur 20
3.3 Molten Sulfur Delivery 20
3.4 Sulfur Atomizers and Sulfur Burning Furnaces 22
3.5 Product Gas 26
3.6 Summary 28
References 29
vVililil
Metallurgical Offgas Cooling and Cleaning 31
4.1 Initial and Final SO Concentrations 31
2
4.2 Initial and Final Dust Concentrations 33
4.3 Offgas Cooling and Heat Recovery 34
4.4 Electrostatic Collection of Dust 35
4.5 Water Scrubbing 39
4.6 HO(g) Removal from Scrubber Exit Gas 42
2
4.7 Summary 43
Suggested Reading 44
References 44
Regeneration of Spent Sulfuric Acid 47
5.1 Spent Acid Compositions 49
5.2 Spent Acid Handling 49
5.3 Decomposition 50
5.4 Decomposition Furnace Product 52
5.5 Optimum Decomposition Furnace Operating Conditions 52
5.6 Preparation of Offgas for SO Oxidation and HSO Making 54
2 2 4
5.7 Summary 56
Suggested Reading 56
References 56
Dehydrating Air and Gases with Strong Sulfuric 59
Acid
6.1 Objectives 61
6.2 Dehydration with Strong Sulfuric Acid 61
6.3 Residence Times 64
6.4 Recent Advances 64
6.5 Summary 69
Suggested Reading 69
References 69
Catalytic Oxidation of SO to SO 71
2 3
7.1 Objectives 71
7.2 Industrial SO Oxidation 72
2
7.3 Catalyst Necessity 74
7.4 SO Oxidation 'Heatup' Path 76
2
7.5 Industrial Multi Catalyst Bed SO Oxidation 77
2
7.6 Industrial Operation 80
7.7 Recent Advances
7.8 Summary
Suggested Reading
References
iIXx
SO Oxidation Catalyst and Catalyst Beds 89
2
8.1 Catalytic Reactions 90
8.2 Maximum and Minimum Catalyst Operating Temperatures 91
8.3 Composition and Manufacture 91
8.4 Choice of Size and Shape 93
8.5 Choice of Chemical Composition 93
8.6 Catalyst Bed Thickness and Diameter 94
8.7 Gas Residence Times 96
8.8 Catalyst Bed Maintenance 97
8.9 Summary 97
Suggested Reading 98
References 98
Production of H SO (^) from SO (g) 99
2 4 3
9.1 Objectives 100
9.2 Sulfuric Acid Rather than Water 100
9.3 Industrial HSO Making 102
2 4
9.4 Choice of Input and Output Acid Compositions 104
9.5 Acid Temperatures 105
9.6 Gas Temperatures 105
9.7 Operation and Control 105
9.8 Double Contact HSO Making 107
2 4
9.9 Intermediate vs. Final HSO Making 109
2 4
9.10 Summary 116
Suggested Reading 116
References 116
10 Oxidation of SO to SO - Equilibrium curves 119
2 3
10.1 Catalytic Oxidation 119
10.2 Equilibrium Equation 121
10.3 K as a Function of Temperature 122
E
10.4 K in Terms of % SO Oxidized 123
E 2
10.5 Equilibrium % SO Oxidized as a Function of Temperature 124
2
10.6 Discussion 126
10.7 Summary 127
Reference 127
Problems 127
11 SO Oxidation Heatup Paths 129
2
11.1 Heatup Paths 129
11.2 Objectives 130
11.3 Preparing a Heatup Path - the First Point 130
11.4 Assumptions 131
11.5 A Specific Example 131
11.6 Calculation Strategy 132
11.7 Input SO, O and N Quantities 132
2 2 2