【正文】 往集酸極移動，并附著在集酸極上，進行電性中和。（4）、清洗 附在集酸極上的酸霧或爐塵在集酸極上失去負電荷，靠自重和水沖洗經下部漏斗流入密封罐。第三節(jié) 三氧化硫吸收工藝原理一、三氧化硫吸收的基本原理 化工生產中的吸收過程，一種是不明顯的化學反應，為單純的物理過程，稱為物理吸收，如發(fā)煙硫酸吸收三氧化硫的過程。另一種是具有明顯的化學反應的吸收過程，被稱為化學吸收。如用硫酸水溶液吸收三氧化硫。 在生產硫酸的吸收操作中，這兩種吸收過程都存在。習慣上統(tǒng)稱為三氧化硫的吸收。按下列反應進行。 nSO3（氣）+H2O（液） H2SO4+（n1）SO3+Q 該吸收過程以化學吸收為例大體按下述五個步驟進行： （1） 氣體中的三氧化硫從氣相主體中向界面擴散。 （2） 穿過界面的三氧化硫在液相中向反應區(qū)擴散。 （3） 與三氧化硫起反應的水份，在液相主體中向反應區(qū)擴散。 （4） 三氧化硫和水在反應區(qū)進行化學反應。 （5） 生成的硫酸向液相主體擴散。 事實上，氣體中的三氧化硫不可能百分之百被吸收，只有吸收氣體中超過硫酸相平衡的那一部分三氧化硫，超過的越多，吸收過程的推動力就越大，吸收速度就越快，吸收率就越高。一般把被吸收的三氧化硫數量和原來氣體中三氧化硫的總數量之百分比稱為吸收率。 式中： n——吸收率，% a——進吸收塔的三氧化硫數量，克分子； b——出吸收塔的三氧化硫數量，克分子； 目前，%以上。二、影響吸收率的因素 影響吸收率的因素主要有：用作吸收劑的硫酸濃度，吸收溫度和循環(huán)酸量、設備結構和氣速等。硫酸濃度的影響 從三氧化硫吸收反應方程式中可以看出，吸收三氧化硫似乎可以用水，同時三氧化硫又能溶解在任何濃度的硫酸水溶液中。因此，從單純完成化學反應的角度來看，水和任意濃度的硫酸，都可以做為三氧化硫的吸收劑。但從生產上要求對三氧化硫的吸收要快，要完全，不生產或盡量少生成酸霧，還要保證能夠得到一定濃度的硫酸成品（工業(yè)硫酸）。所以使用水和稀硫酸顯然是不適宜的。 只有用濃硫酸吸收三氧化硫，才能達到上述要求，%為最好，%時吸收效率都是逐步降低的，%時，吸收率最高。這是什么原因呢？ 這是因為，%時，%的硫酸液面上的水蒸汽分壓為最低。%的硫酸作吸收劑、是兼顧了這兩個特性。在此濃度下，大部分三氧化硫能直接穿過界面與酸液中的水份結合生成硫酸。少部分三氧化硫在氣相中與水蒸汽反應，生成硫酸蒸汽后再進入酸液中。 %時，硫酸液面上的水蒸汽含量，隨著硫酸濃度的下降而增加。氣態(tài)三氧化硫與這種濃度的硫酸接觸時，除直接被吸收的以外，還有相當一部分三氧化硫與水蒸汽作用生成硫酸蒸汽。由于水蒸汽不斷與三氧化硫反應，氣相中水蒸汽含量就將不斷減少，氣相中的水蒸汽分壓就會比酸液面上的水蒸汽平衡分壓低，因此酸液中的水份就將不斷被蒸發(fā)。又因水的蒸發(fā)速度大于硫酸蒸汽的吸收速度，故氣相中硫酸蒸汽的含量逐漸增多，甚至會超過其平衡含量，引起硫酸蒸汽的過飽和現象。如果過飽和度超過了臨界值，硫酸蒸汽將會凝結成酸霧。酸霧顆粒是一種比硫酸分子大得多的懸浮粒子，運動速度比硫酸分子慢，不易穿過界面進入酸液中，極易被氣流帶走。帶有酸霧的氣體排入大氣中，就能見到爐囪冒白爐。實踐證明，用于吸收三氧化硫的硫酸濃度越低吸收三氧化硫就越不完全，尾氣爐囪冒出的白爐就越多。 %時,隨著酸濃度的升高，液面上的硫酸和三氧化硫蒸汽壓力也相應增大。當通入轉化氣時，相對來說,吸收推動力就要減小，吸收率就會降低。當酸濃度高到一定程度，將出現酸液上的三氧化硫平衡分壓與進塔氣體三氧化硫分壓相當的現象，此時吸收過程已停止、吸收率等于零。因此，%時，其吸收率是隨著酸濃度升高而降低的。 吸收酸濃度過高或過低引起的吸收率下降，可以從尾氣顏色的變化上加以判斷。如果尾氣出爐囪時顏色較暗，隨著與爐囪距離的增大而變淡而消失，通常是由于吸收酸濃度過高引起的。若尾氣出爐囪口時呈白色，隨著爐囪距離的增大而變淡消失，往往是吸收酸濃度過低引起的。吸收溫度的影響 影響吸收溫度的主要因素是酸溫和氣溫。任何濃度的硫酸，隨著酸溫的升高，液面上的三氧化硫、水蒸汽、硫酸蒸汽的平衡分壓都跟著相應增加。對吸收過程來說，在進塔氣體條件不變的情況下，則意味著隨著酸溫的不斷升高，推動力越來越小，收率越來越低。同酸濃度升高一樣、酸溫無限制地升高也會出現液面上三氧化硫的平衡分壓（Pso3）和進塔氣體中三氧化硫分壓（Pso3）成為相當的狀態(tài)，這時三氧化硫的吸收過程停止、吸收率等于零。因此，要有較高的吸收率，酸溫不能過高。 酸溫的控制是不是越低越好呢？實際上并不是這樣。原因有兩個： 第一、生產條件下，進塔氣體不易絕對干燥的，一般都含有一定量的水份（規(guī)定），盡管進塔氣溫較高，如果酸溫很低，在傳熱傳質過程中。不可避免地會發(fā)生局部溫度低于露點。那么，氣體中的三氧化硫就會有相當數量變成酸霧隨氣流帶走，這無疑是降低了吸收率。 第二、為保持低的酸溫，需要龐大的冷卻設備和大量的冷卻水，這樣會造成硫酸成本不必要的升高。此外，過低的酸溫還會造成輸送困難，甚至凍結。生產中，三氧化硫在塔內被吸收的過程是絕熱進行的，酸溫隨著吸收過程的進行逐步升高。酸溫升高的主要原因是： （1）氣體帶入塔內的熱量。氣體帶入塔內的熱量直接與氣體溫度、氣體量和氣體成份有關。當溫度高，氣量大和三氧化硫含量高時，其熱量就多。在一般的操作條件下，隨著兩相傳質傳熱的進行，約有70%氣體帶入塔內的熱量傳給液相硫酸，使酸溫升高。 （2） 吸收反應熱。吸收三氧化硫過程中，反應熱的情況是比較復雜的。目前一般認為，該反應熱包括了三氧化硫生成100%硫酸（液）的反應熱、當100%硫酸稀釋到出塔酸濃度時的稀熱，進塔酸濃度提高到出塔酸濃度時的濃縮熱。其中，濃縮熱是負值，其它都是正值，它們的代數和即為吸收過程的反應熱。反應熱的多少，最終還是決定于吸收三氧化硫的總量。在一般的操作條件下，引起出塔酸溫上升的因素中，反應熱約占60%左右。 因此，出塔酸溫一定高于進塔酸溫，如果不對吸收酸進行冷卻，隨著吸收三氧化硫過程的進行，酸溫將越來越高，必將引起吸收率下降，甚至使吸收完全停止。所以必須使進塔酸通過冷卻器降溫。 影響吸收溫度的另一個因素是進塔氣溫。從氣體吸收的一般情況來看，進塔氣溫控制得低一些對吸收率有利，但對三氧化硫來講，它是有限度的。進塔氣溫不能太低，原因有三：（1）需要增大氣體冷卻設備和動力消耗；（2）低于露點溫度時會產生酸霧，引起吸收率下降并造成爐害和腐蝕設備；（3）不利于熱能的合理利用。 既能氣體進塔溫度不能太低，那么提高氣體進塔溫度行不行呢？過高地提高溫度肯定是不行的。實踐證明，適當提高進塔氣體溫度，非但不會降低吸收率，反而對吸收有利。 總的來說，為了達到較高的吸收率，必須在操作上對影響吸收溫度的因素實行控制。通常的辦法是：（1）調節(jié)進塔氣體溫度；（2）調節(jié)進塔酸溫；（3）調節(jié)噴淋酸量。 我們對吸收系統(tǒng)采用的工藝是高溫吸收工藝，所謂高溫吸收不是單純指入口氣體溫度高或吸收酸溫度高，而是入口氣體溫度與吸收酸溫同時高。 高溫吸收工藝具有下列特點： （1）綜合考慮了影響吸收溫度的條件因素，提高了吸收溫度，從而避免了生成酸霧，有利于提高吸收率。 在前面曾討論了酸霧的成因，可知生成到酸霧的先決條件是爐氣溫度低于露點溫度。凡是發(fā)生整個或局部氣體溫度低于露點溫度，就會發(fā)生硫酸蒸汽的冷凝。冷凝量和酸霧的生成量，主要取決于三氧化硫和水蒸汽含量的多少，冷卻速度和其它工藝設備等各種條件。這樣，避免生成酸霧，要求注意如下幾點： a、盡量降低干燥后的氣體含水量，從而達到有效地降低氣體的露點溫度； b、提高吸收塔氣體的進塔溫度，使進塔前的氣體不發(fā)生局部冷凝成酸霧，并使塔內的吸收溫度保持在露點以上； c、提高進塔酸溫。從吸收溫度上看，即使提高了進塔氣體溫度，若吸收酸溫較低，吸收溫度仍可能在露點以下，這樣就會在塔內的局部范圍產生酸霧。所以，在提高進塔氣體溫度的同時還要提高進塔酸溫，如果能保證出塔酸溫也在露點以上，那是完全可以避免生成酸霧的。 高溫吸收工藝，%的硫酸在100℃左右時，液面上的三氧化硫分壓和水蒸汽分壓仍然接近于零，以及酸霧生成條件的可控性，改變了兩相溫度的控制范圍，提高了吸收溫度，避免了酸霧產生，從而能獲得比普通吸收過程還要高的吸收效率。 （2）轉化氣以較高溫度進入吸收塔，可以省掉三氧化硫冷卻器，從而筒化了工藝流程并相應地降低了能耗。 （3）出塔酸溫度高，約為90—110℃，由此增加了傳熱溫差，故意可適當減少濃硫酸冷卻器的換熱面積。 （4）由于提高了進塔氣溫和吸收酸溫，有利于解決兩轉兩吸的熱平衡問題。但是，采用高溫吸收操作之后，也有一些問題，主要是吸收系統(tǒng)的設備腐蝕加大，對材料提出了更高的要求。循環(huán)酸量的影響 為了較完全地吸收三氧化硫，必須有足夠數量的循環(huán)酸液做吸收劑。數量過多，過少都是不適宜的。若酸量不足，在吸收過程中，酸的濃度、溫度增長的幅度就全很大。當酸的濃度和溫度超過規(guī)定指標后，就會使吸收率下降。作為填料塔，由于循環(huán)酸量不足，填料表面不能充分潤濕，傳質狀態(tài)就會顯著變壞。循環(huán)酸量過多又怎樣呢？實踐證明，不但對提高吸收率無益，而且還會增加流體阻力，增大動力消耗，所以，在吸收過程中必須控制適當的循環(huán)酸量，對于填料塔而言，以噴淋密度表示循環(huán)酸量。氣流速度的影響 所謂氣流速度，是指在單位時間內，氣體通過塔截面的速度。單位為米/秒。習慣上稱此為空塔氣速也稱操作氣速。填料塔的操作氣速由所用的填料性能決定。在正常生產條件下，不要超過規(guī)定的操作氣速范圍。若是超了，除引起動力消耗增大外，還會造成吸收率下降，嚴重時會產生液泛現象，造成氣體大量帶液。當然，氣速過小也是不妥的。因此，氣速過低、過高都是要防止的。吸收設備的影響 為了達到較高的吸收率，采用填料吸收塔時，應符合下列要求： （1）要有足夠的傳質面積，填料堆放要符合技術規(guī)定。 （2）要求含三氧化硫的氣體和吸收酸在塔內的截面上分布均勻，特別是分酸設備的安裝質量要高，防止漏酸和堵塞。 （3）選用性能優(yōu)越的填料 （4）要求在允許的操作氣速范圍內運行。第四節(jié) 二氧化硫轉化的工藝原理一、二氧化硫轉化與硫酸生產方法 二氧化硫轉化為三氧化硫，一般情況下是不能進行的，必須借助于催化劑起催化作用。由于二氧化硫氣體轉化制酸所用的催化劑和進行轉化的方法不同，先后形成了生產硫酸的兩大方法：硝化法和接觸法。 隨著科學發(fā)展，硝化法已淘汰，目前全世界都在用接觸法。 接觸法生產硫酸、簡言之，是經過凈化的二氧化硫氣體，通過催化劑作用，被氧所氧化，生成三氧化硫，再用水加以吸收，即得硫酸。其反應式如下： SO2+1/2O2 == SO3+Q SO3+H2O == H2SO4+Q 接觸法比硝化法，具有產品濃度高，雜質少的優(yōu)點。本章討論的是接觸法中的關鍵部分—二氧化硫的接觸氧化。二、轉化反應是可逆的反應過程 二氧化硫轉化為三氧化硫的反應，是按下面方程式進行的。 SO2+1/2O2 == SO3+Q 從這個方程式可以看出。在二氧化硫與氧反應生成三氧化硫（化學上稱這個從左向右方向進行的反應叫正反應）的同時，三氧化硫也有一部分分解為二氧化硫和氧（這個從右向左方向進行的反應稱逆反應）。因此，我們說二氧化硫轉化反應是一個可逆的反應過程。已反應了的二氧化硫對起始二氧化硫總量之百分比叫做轉化率。 二氧化硫的轉化反應的平衡是相對的，不平衡是絕對的。只要條件變化，原來的平衡就會被破壞，重新建立新的平衡。在不同的溫度、不同的壓力、不同的原始氣體濃度條件下，二氧化硫平衡轉化率是不同的，如果從轉化過程中，把生成物的SO3除去，逆反應速度必大大減小，平衡狀態(tài)立即被打破，反應就變得有利于正反應的進行，進一步提高了轉化率。這就是建立兩轉兩吸流程的理論依據。三、二氧化硫轉化是在一定溫度下進行的放熱反應 二氧化硫轉化，在0℃。 一切放熱的化學反應，降低溫度都會使平衡反應率提高。這是一個規(guī)律。二氧化硫轉化反應是放熱反應，因此平衡轉化率也隨反應溫度的降低而提高。 二氧化硫的平衡轉化率隨溫度降低而升高，這主要是由于二氧化硫轉化的反應平衡常數隨溫度上升而減小，隨溫度降低而增加。 因此，從平衡轉化率與溫度的關系來看，為了獲得高的轉化率，反應溫度應該盡可能控制低些。因此，在二氧化硫轉化過程中一定要移走一部分反應熱，維持一定的反應溫度，為什么在生產上不把反應溫度盡量降低呢？這主要由下述兩點因素來決定的。隨著反應溫度的降低，平衡轉化率雖然可以提高，但是反應速度（即一定量的觸媒在一定時間內能夠轉化的氣體量）卻下降很快。這是因為，反應速度與溫度成正比關系。 反應速度隨溫度升高而加快。增快的倍數相當大，溫度由400℃升到575℃時反應速度增大了30多倍。對于一定的轉化器和一定數量的催化劑來說，提高反應溫度可使二氧化硫的轉化數量增加很多，從而大大提高轉化設備的生產能力。當溫度降低到某一限度時，催化劑便不能繼續(xù)起催化作用而使反應停止。這個使催化劑不能起催化作用的最低限度的溫度，叫做催化劑的起燃溫度。因此，催化劑的起燃溫度應當低一些好。其起燃溫度的高低與催化劑特性及進入轉化器的氣體成分有關。 從上述可見，如果只考慮反應速度，則反應溫度應當越高越好，如果只考慮轉化率，則反應溫度應當越低越好。這是矛盾的，因此，在選擇轉化溫度指標時，不但要