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图3-3 炉气干燥工艺流程 1-干燥塔；2-酸冷却器3-干燥酸贮槽
经净化除去杂质的湿炉气及补加空气，在干燥塔内与塔顶喷淋的浓硫酸逆流接触，气相中水分被硫酸吸收，经捕沫器除去气体夹带的酸沫后进入转化系统。 干燥塔吸收水分后湿度升高，经酸冷却器冷却后流人酸贮槽，再由泵送到塔顶喷淋。为维持干燥酸浓度，必须将吸收系统98％H2S04引入酸贮槽中。贮槽中酸由循环酸泵出口引出，作为产品酸送人酸库或引入回收塔循环酸槽。
第四章 二氧化硫的催化氧化
4.1二氧化硫催化氧化的基本原理
4.1.1二氧化硫催化氧化反应的化学平衡 二氧化硫氧化为三氧化硫的反应为：
此反应是可逆放热、体积缩小的反应。同时，这个反应，只有在催化剂存在下，才能实现工业生产。
其平衡常数可表示为： Kp=
Pso3Pso2Po20.5 （4-2）
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式中Pso2,Po2,Pso3—分别为SO2、O2及SO3的平衡分压。
在400～700℃范围内，平衡常数与温度的关系可用下式表示：
lg Kp=
4905.5-4.6544 （4-3） T平衡常数Kp随着温度降低而增大。平衡转化率则反映在某一温度下，反应可以进行的极限程度。 xT=
Pso3Pso3?Pso2 （4-4）
式中xT——反应的平衡转化率。由此不难得出： xT=
KPKP?1Po2 （4-5）
若以a,b分别表示混合气体中SO2，O2 的初始体积或摩尔含量，p表示系统总压力(MPa)。当100体积的混合气反应达平衡时，被氧化的SO2体积为a xT, 所消耗的氧体积为0.5 a xT; O2的剩余体积b- 0.5 a xT,平衡时气体混合物的总体积为100- 0.5 a xT，故氧的平衡分压可表示为： PO2=
b?0.5axTP （4-6）
100?0.5axT将式（4-6）代入式（4-5）得： xT=
KPKP?100?0.5axT(b?0.5axT)P （4-7）
式(4—7)是关于xT 的隐含数，可由试差法求解。
当混合气体中a为7.5%，b为10.5%时，平衡转化率与温度、压力的关系如表4-1。
表4-1 平衡转化率(％)与温度、压力的关系 P/MPa 0.1 99.20 97.50 93.50 85.60 0.5 99.60 98.20 96.90 92.90 1.0 99.70 99.20 97.80 94.90 2.5 99.87 99.50 98.60 96.70 5.0 99.88 99.60 99.00 97.70 10.0 99.90 99.70 99.30 98.30 T/C 400 450 500 550 0- 24 -
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600 73.70 85.80 89.50 93.30 95.00 96.40 而在常压下平衡转化率与起始组成、温度的关系如表4-2所示。 由表 4-1 和表 4-2可见，影响平衡转化率的主要因素是温度、压力和炉气起始组成。
(1)温度 由表4-l和表4-2均可看出，当压力、炉气的起始组成一定时。降低温度，平衡转化率可得到提高，这是二氧化硫氧化反应系放热反应所致。温度越低，则平衡转化率越高。
(2)压力 二氧化硫氧化反应是体积缩小的反应，故压力增大可提高平衡转化率。由表4-1可知，其他条件不变时，增大压力，平衡转化率也随之增大，但压力对平衡转化率的影响没有像温度对平衡转化率的影响那样显著。
(3)炉气的起始组成 由表4-2可知，温度、压力一定时，焙烧同样的含硫原料，因所采用的空气过剩系数不同，平衡转化率也不同。气体的起始组成中,a越小或 b越大,平衡转化率越大，反之亦然。
表4-2 平衡转化率与炉气起始组成、温度得关系
温度/C 400 450 500 550 oa=7,b=11 0.992 0.975 0.934 0.855 a=7.5,b=10.5 0.991 0.973 0.931 0.849 a=8,b=9 0.990 0.969 0.921 0.833 a=9,b=8.1 0.988 0.964 0.910 0.815 a=10,b=6.7 0.984 0.952 0.886 0.779 4.1.2 二氧化硫氧化的反应速率 二氧化硫在钒催化剂上氧化是一个比较复杂的过程，其机理尚无定论。 温度对该反应的速率有很大影响。由于该反应是可逆放热反应，所以存在最适宜反应温度。表4-3是在一定起始气体组成条件下，对应于不同转化率，该反应的最适宜温度。
表4-3 在钒催化剂上二氧化硫氧化的最适宜温度 （原始气体成分二氧化硫7%，氧11%，压力101.3KPa）
转化率/% 最适宜温度/C o97 434 60 604 65 589 70 574 75 558 80 540 85 520 90 494 94 466 96 446 从表4-3的数据中可以看出，转化率越低，最适宜温度越高，也就是说，对应一定的起始组成，反应刚开始时，其最适宜温度最高，随着反应的进行，其最适宜温度越来越低。
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炉气的起始浓度对反应速率也有影响，炉气中SO2起始浓度增大，氧的起始浓度则相应地降低，反应速率则随之减慢。为保持一定的反应速率，则希望炉气中 SO2起始浓度不要太高。
该反应是一个气固相催化反应，扩散过程对反应速率也有一定影响，特别当温度较高，表面反应速率较大时，扩散的影响就更不可忽视。
扩散的影响又分外扩散的影响和内扩散的影响。外扩散主要由气流速度所决定，实际生产中，二氧化硫气体通过催化剂床层的气流速度是相当大的，故外扩散的影响可忽略不计。内扩散主要取决于催化剂的内表面结构(或称催化剂的孔隙结构)，催化剂的孔道愈细愈长，则扩散阻力愈大，内扩散的影响也愈大。如果催化剂的颗粒较小，反应温度比较低时，这时的阻力主要来自表面反应，内扩散的影响可以不考虑。
4.1.3 二氧化硫氧化催化剂
4.3二氧化硫的氧化的工艺条件的选择
1、反应温度
SO2催化氧化的反应是可逆放热反应。其反应温度与SO2的起始浓度有直接关系，且受到催化剂活化温度的限制。在使用钒催化剂的条件下；反应温度应在420～580℃的范围。各段温度的分布情况，随催化氧化流程的不同有所不同。
2、二氧化硫的起始浓度
若增加炉气中SO2的浓度，就相应地降低了炉气中氧的浓度，这种情况下，反应速度会相应降低。为达到一定的最终转化率所需要的催化剂量也随之增加。因此从减少催化剂用量来看，采用低二氧化硫浓度是有利的。但是，降低炉气中二氧化硫浓度，将会使生产每吨硫酸所需要处理的炉气量增大，这样，在其他条件一定时，就要求增大其它设备的尺寸，或者使系统中各个设备的生产能力降低，从而使设备的折旧费用增加。因此，应当根据硫酸生产总费用最低的原则来确定二氧化硫的起始浓度，根据经济核算得知，若采用普通硫铁矿为原料，对一转一吸流程，当转化率为97.5％时SO2浓度为7～7.5％最适宜。若原料改变或具体生产条件改变时，最佳浓度值亦将改变。例如，以硫磺为原料，SO2最佳浓度为8.5％左右；以含煤硫铁矿为原料，SO2最佳浓度小于7％；以硫铁矿为原料的两转两吸
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流程，SO2最佳浓度可提高到9％～10％，最终转化率仍能达99.5％。
3、最终转化率
最终转化率是硫酸生产的主要指标之一。提高最终转化率可以减少尾气SO2 的含量，减轻环境污染，同时也可提高硫的利用率；但却导致催化剂用量和流体阻力的增加。所以最终转化率也有个最佳值问题。
最终转化率的最佳值与所采用的工艺流程、设备和操作条件有关。一次转化一次吸收流程，在尾气不回收的情况下，当最终转化率为97.5％～98％时，硫酸的生产成本最低。如采用SO2回收装置，最终转化率可以取低些。加采用两次转化两次吸收流程，最终转化率则应控制在99.5％以上。
4.4转化设备
二氧化硫转化工序的设备主要有转化器、换热器、鼓风机和加热炉等，以及其
它许多阀门、仪表等附属设备。下面主要介绍转化器、换热器及鼓风机。 4.4.1转化器
转化器型式按床层类型分，有固定床和流化床两种：按换热器位置分，有内部换热型和外部换热型；按气流在床内流动方向分，有抽向转化器和径向转化器。
无论何种形式转化器，在设计时应考虑以下因素：A．转化过程要尽可能满足最佳温度曲线的要求，以减少单位酸产量催化剂的使用量，一般出口温度不超过600℃。B．转化器单台能力与全系统能力配套。C．设备阻力既要小．又能使气体在床层内部分布均匀。D．应最大限度地回收和利用S02反应热。E．设备应便于制造、安装、检修，便于更换催化剂。F．转化器的建设费用应低。
图4-1 外部换热式转化器
外部换热式较内部换热式转化器结构简单．便于制造、安装和维修，易于实现大型化。
2、内部换热式转化器
80年代初，加拿大chemieties公司设计的“2+2“式两次转化器，壳体和内件均用不锈钢焊接组合，用于600／d的硫磺制酸系统，结构如图4-2所示。
图4-2 内部换热式转化器
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