Simulationsstudie zur Rückgewinnung von Stickoxiden

Abstract

Die Prozesssimulation kann man heute als eines der wichtigsten Werkzeuge eines Verfahrenstechnikers bezeichnen. Mit ihr lassen sich einzelne Prozesseinheiten und deren Kombination zu komplexen Gesamtprozessen analysieren. Sie hat sich unter anderem zu einem hilfreichen Werkzeug bei der Planung, Dimensionierung, Scale-up und Optimierung chemischer und verfahrenstechnischer Anlagen entwickelt. Der wichtigste Grund dafür ist, dass sich Simulationen an komplizierten verfahrenstechnischen Modellen schnell und günstig durchführen lassen, die in realen Prozessen nicht oder nur mit großem Aufwand möglich wären. In der vorliegenden Arbeit wurde die Oxidationskolonne einer Pyromars-Anlage (Pyrolytic Mixed Acid Recovery System) zur Regeneration einer salpetersäure- und flusssäurehaltigen Abbeize mit dem kommerziellen Prozesssimulationsprogramm ASPEN PLUS® V7.2 berechnet. Ziel dieser Arbeit war es mittels Variationen von Parametern wie Druck, Temperatur und Säurekonzentration in der Oxidationskolonne einer Pyromars-Anlage die Absorption und damit den Rückgewinnungsgrad an Stickoxiden und die Ausbeute an Salpetersäure zu verbessern. Für die Simulation der Oxidationskolonne wurde das Stoff- und Wärmeübergangsmodell verwendet. Das Flüssig-Dampf-Gleichgewicht wurde mit dem ELECNRTL-Modell realisiert. Für die Berechnung der Löslichkeit der Stockoxide in Elektrolyten wurden Aussalzparameter als Funktion der Ionenstärke verwendet. Um die Löslichkeitskurven an die Literaturdaten anzupassen wurden zusätzlich NRTL-Parameter für die Stickoxide und Salpetersäure benötigt. Zu den 6 ionischen Gleichgewichtsreaktionen wurden 8 weitere Reaktionen für die Absorption der Stickoxide in das Simulationsmodell implementiert. Die Überprüfung des Simulationsmodells erfolgte anhand von Anlagendaten, welche von der Firma ANDRITZ Metals zur Verfügung gestellt worden sind. Bei den durchgeführten Versuchen wurde festgestellt, dass neben dem Druck und der Säurekonzentration vor allem die Kolonnentemperatur einen großen Einfluss auf die Absorption und Kondensation hat. Durch die Simulation hat sich auch gezeigt, dass es einen optimalen Betriebsbereich für die Oxidationskolonne gibt, bei dem die Stickoxide im Abgas geringer und die Ausbeute an zurückgewonnener Salpetersäure größer werden.

Process simulation nowadays is one of the most important tools used in chemical engineering. It enables the analysis of single unit operations as well as their combination to complex overall processes. Process simulation became a helpful tool for planning, design, scale-up and optimizing of chemical plants. Main reason for this development is that process simulation enables the analysis of chemical processes in an efficient and cheap way. Moreover, process simulation offers the possibility of investigations, which are difficult to perform in real processes. This work tries to improve the absorption of NOx in the oxidation column of the PYROMARS-Process (Pyrolytic Mixed Acid Regeneration System) system utilizing the process simulation tool ASPEN PLUS® V7.2. Parameters like pressure, temperature, and acid concentration were varied in the oxidation column, in order to increase the recovery rate of nitric acid from nitrogen oxides. For setting up the simulation model, a rate-based approach for the mass and heat transfer in the column was selected as most suitable. For modelling of the vapor-liquid-equilibrium the ELECNRTL activity model was applied. Solubility of nitrogen oxides in electrolytes was calculated via Henry-s law considering the influence of ion strength (salting-in/out). To match literature data with the used solubility functions, additional NRTL parameters for NOx and HNO3 are estimated using UNIFAC model. Besides 6 ionic equilibrium reactions taking place in the electrolyte system a total of 8 additional reactions, equilibrium and rate based are implemented in the simulation model to properly represent the absorption of nitrogen oxides in the developed model. Model results are compared to experimental data obtained from ANDRITZ Metals. Based on simulation results it was found that besides the pressure and the concentration of nitric acid in the oxidation column, especially the column temperature has a great influence on the absorption and condensation. Simulation showed that there is an optimum operating range for the oxidation column in which the nitrogen oxides content of the exhaust gas is reduced and the yield of recovered nitirc acid increases.