Schwefelsäure ist ein wichtiges Produkt der chemischen Industrie und findet in den verschiedensten Prozessen Verwendung. Während dabei in der Düngemittelindustrie die Schwefelsäure ein Ausgangsstoff für das Endprodukt ist, wird sie bei vielen organischen Verfahren als Hilfsmittel für die Durchführung der Synthese eingesetzt oder zum Trocknen von Gasen wie Chlor, Brom oder Chlormethan. Auch zur Entwässerung von Salz-, Salpeter- oder Essigsäure wird konzentrierte Schwefelsäure verwendet.
Die Schwefelsäure verlässt den Prozess verdünnt und ist meist verunreinigt mit organischen Substanzen. Eine Kreislaufführung ist dann möglich, wenn sie auf die ursprüngliche Zusammensetzung konzentriert wird und es gleichzeitig gelingt, die organischen Verunreinigungen zu entfernen. Hierzu hat QVF ein umfassendes Know-how in den letzten 50 Jahren angesammelt:

>> Vorkonzentrierung bis 70 wt%
>> Hochkonzentrierung bis 96 wt%
>> Chlortrocknung/Schwefeldioxid mit Schwefelsäure
>> Salpetersäurekonzentrierung mit Schwefelsäure
>> Konzentrierung wässriger HCl-Lösung bis zur HCl-Gas-Erzeugung
>> Schwefelsäurekonzentrierung zum Wiedereinsatz in Nitrierprozessen
>> Schwefelsäure im Prozess der DNT-Nitrierung

Das Stoffsystem Schwefelsäure/Wasser
Bei Umgebungsdruck weist das System Schwefelsäure/Wasser bei 98,3 wt% Schwefelsäure und 338°C ein Maximum-Azeotrop auf. Wie dem in Abb. 1 dargestellten Gleichgewichtsdiagramm zu entnehmen ist, liegt ein großer Trennfaktor vor. Weiterhin ist in der Dampfphase bis zu einer Flüssigphasenkonzentration von etwa 70 wt% fast keine Schwefelsäure enthalten. Erst ab Flüssigkeitskonzentrationen von etwa 85 wt% steigt die Dampfphasenkonzentration der Schwefelsäure sehr stark an.

Abb. 1: Gleichgewichtsdiagramm-Trennfaktor	Abb. 2: Gleichgewichtsdiagramm-Druckabhängigkeit

Grundlagen für den Konzentrierungsprozess
Konzentrierungsprozesse werden heute – insbesondere bei höheren Konzentrationen – zwecks Absenkung der Siedetemperaturen überwiegend im Vakuum durchgeführt. Zum besseren Verständnis wurden in Abb. 2 die Druckabhängigkeit der Siedetemperatur für verschiedene Schwefelsäurekonzentrationen aufgetragen. Zusätzlich sind in dieser Abbildung Bereichsgrenzen für eine Kühlwassertemperatur von 20°C und eine Sattdampftemperatur von 200°C, entsprechend einem Überdruck von 15 bar, eingetragen. Man entnimmt daraus, dass z.B. bei einer Produktkonzentration von 80 wt% und einem Druck von 150 mbar eine ausreichende Temperaturdifferenz sowohl zum Heiz- als auch zum Kühlmedium existiert. Strebt man dagegen eine Endkonzentration von z.B. 92 wt% an, so ergibt sich bei einem Druck von etwa 50 mbar noch eine Temperaturdifferenz von 25°C auf der Heizdampfseite. Gleichzeitig lassen sich die Brüden (vereinfachend als reines Wasser mit 0% Schwefelsäure angenommen) gerade noch mit Kühlwasser von 20°C kondensieren.

<<<< Abb. 3 zeigt die Siedetemperatur bei 3 verschiedenen Drücken über den gesamten Konzentrationsbereich

Aus den Gleichgewichtsdaten und den Dampfdruckkurven lassen sich folgende Hinweise für die Konzentrierung von Schwefelsäure ableiten:

• Man kann durch Wasserabdampfung aufgrund des Azeotropes keine 100% erreichen. Da sich jedoch die Konzentration durch Zugabe von SO3 erhöhen lässt, ist es wirtschaftlicher, nur bis zu maximal
  96 wt% Schwefelsäure zu konzentrieren.
  
• Bis zur Endkonzentration von etwa 70 wt% kann man wegen des geringen Partialdrucks der Schwefelsäure in der Dampfphase mit einfachen Verdampferanlagen arbeiten.
  
• Im sogenannten Bereich der Hochkonzentrierung mit höheren Konzentrationen als 70 wt% sind zusätzliche Vorkehrungen zu treffen, um den Schwefelsäureanteil im Brüdenkondensat zu reduzieren.
  

Siehe auch:
Referenzen gebauter Anlagen
unter
>>> Literatur