황산은 가장 많이 생산되는 중요한 화학물질 중 하나로, 다양한 산업 및 공정에서 광범위하게 사용됩니다. 이는 비료, 세제, 색소, 염료와 같은 산업 화학물질 생산, 배터리 제조, 야금 공정, 석유 정제, 염색 및 섬유 산업, 폭발물 생산, 반도체 산업, 실험실 사용 및 분석 화학 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 황산 생산에는 여러 공정이 있으며, 대표적으로 챔버 공정, 단일 접촉 공정, 이중 접촉 공정이 있습니다. 이중 접촉 공정은 현재 삼산화황과 황산의 높은 전환율로 인해 가장 선호되고 널리 사용됩니다. 높은 전환율은 배출 가스 내 SO2 잔류를 줄여 대기 중의 SO2 배출을 감소시키고, 주변 대기 오염을 완화하는 데 도움을 줍니다.
황산 생산에는 접촉 공정 또는 황산 제조 공정으로 널리 알려진 단계별 공정이 포함됩니다. 이 과정은 이산화황 (SO2)을 황산 (H2SO4)으로 변환합니다. 황산 생산에 사용되는 원료는 황을 연소시켜 얻은 가스, 황철석(pyrites), 또는 야금 산업에서 발생하는 배출가스를 포함한 황 함유 가스입니다.
황산 생산에는 여러 단계가 있으며, 그 단계는 다음과 같습니다.
1단계: 유황 연소
황산이 원료로서 순황(Elemental Sulfur), 황철석(Pyrite), 또는 금속 황화 광석(Metal Sulfide Ore)에서 제조되는 경우, 공정은 황(S)을 연소하여 이산화황(SO2)을 생성하는 것으로 시작됩니다.
S + O2→ SO2
2단계: 이산화황 전환
이산화황을 변환기로 보내기 전에 불순물을 제거하기 위한 전처리를 거칩니다. 먼저 이산화황은 세척탑에서 처리하여 온도를 낮춘 다음, 벤츄리 세척기를 통과하여 미세 입자를 제거합니다. 그런 다음 냉각탑으로 보내 온도를 더욱 낮추고 물을 제거합니다. 그런 다음 미스트 침전기를 통과하여 남아 있는 미세 입자와 미스트를 제거합니다.
이산화황과 산소를 삼산화황으로 전환하는 것은 과잉 산소의 양에 크게 의존합니다. 따라서 황산 건조 공기로 희석하여 촉매 반응에 필요한 양의 공기를 제공합니다. 변환기에서 접촉 공정에 들어가기 전 마지막 처리 단계는 건조탑으로, 여기서 이산화황 가스에서 남아 있는 물을 제거합니다.
마지막으로, 정제된 이산화황은 접촉 공정을 위해 변환기로 보내지며, 그 동안 이산화황은 촉매의 존재 하에 삼산화황(SO3) 으로 변환됩니다. 일반적으로 사용되는 촉매는 오산화 바나듐 (V2O5) 또는 알루미나 (Al2O3)입니다.
2SO2+ O2⇌ 2SO3
위에서 언급한 평형은 온도와 산소 과잉에 매우 민감합니다. 따라서, 처리 공정 후 SO2및 O2의 농도를 제어하는 것은 전환 공정 전에 최적의 조건을 확립하는 데 중요하다.
3단계: 황산 흡수
삼산화황(SO3)은 일반적으로 98~99 %의 농도로 농축 황산 (H2SO4)에 용해되어 발연 황산(oleum) (H2S2O7)을 생성한다. 발연 황산은 황산과 삼산화황의 혼합물입니다. 업셋 상태를 방지하기 위해 흡수탑의 황산 농도를 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다. 이상 조건에서는 흡수 과정이 올바르게 진행되지 않을 수 있으며, 이는 최적의 작동 조건을 유지하는 것의 중요성을 강조합니다. 제조 공정(단일 접촉 단일 흡수 또는 이중 접촉 이중 흡수)에 따라 단일 타워 또는 다중 흡수탑으로 흡수가 발생할 수 있습니다.
SO3+ H2SO4→ H2S2O7(발연 황산)
4단계: 희석
흡수탑에서 생산된 올레움은 원하는 농도의 황산을 얻기 위해 물로 희석합니다. 희석은 일반적으로 농도가 약 93%에서 98% 사이인 상업용 황산을 생산하는 데 중요한 단계입니다.
H2S2O7+ H2O → 2H2SO4
5단계: 냉각 및 보관
희석된 황산은 냉각되어 저장 탱크로 옮겨집니다.
이중 접촉 이중 흡수 공정의 경우, SO3는 농축 황산에 흡수되어 첫 번째 (중간) 흡수탑에서 올레움을 생성합니다. 한편, 산화되지 않은 SO2는 두 번째 접촉을 위해 변환기로 이동됩니다. 변환 과정을 거친 후, SO2 와 O2는 다시 반응하여 SO3로 전환된 후 제2(최종) 흡수탑으로 보내져 농축된 황산 (H2SO4)에 흡수되어 나는 발연 황산(oleum, H2S2O7)이 생성됩니다.
접촉 공정은 높은 효율성을 갖추고 있으며, 산업에서 황산의 대규모 생산을 위해 널리 사용됩니다. 이중 접촉 공정은 대체로 단일 접촉 공정으로 대체되었는데, 단일 접촉 공정은 황산 생산량을 증가시키고 SO2흡수율이 더 향상되어 SO2배출이 줄어들임으로써 환경 친화적인 장점을 제공합니다. 황산 생산 과정은 부식성이 강하고 잠재적으로 위험할 수 있기 때문에, 철저한 안전 조치와 환경 관리가 필수적입니다.
98% 이상의 생산 수율을 달성하기 위해 황산 생산 공정을 최적으로 제어해야 합니다. HORIBA는 연속 가스 분석기인 ENDA-5000 시리즈를 통해 황산 생산 공정에 기여합니다. 배출 가스 모니터링 분야에서 50년 이상의 경험과 전문성을 바탕으로 한 맞춤형 설계 시료 가스 전처리 시스템은 물론 코어의 자체 개발 및 생산을 기반으로 합니다. 구성 요소는 황산 생산 공정에서 부식성이 높은 SO2의 정확한 측정에 기여합니다.
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