本發明涉及三氧化硫的產生裝置和方法，尤其涉及一種產生三氧化硫并維持其氣體狀態的系統及其方法。
背景技術：
三氧化硫(so3)氣體并不穩定且難以保持，因此，純度高的三氧化硫通常不能通過購買獲得，即三氧化硫氣體不宜采用氣體鋼瓶或氣罐的形式出售。由于三氧化硫可在水存在的情況下在較低溫度條件下迅速轉化為硫酸(h2so4)，因此，氣態三氧化硫的獲取是一技術難題。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明提出了一種產生三氧化硫并維持其氣體狀態的系統，包括n個供氣裝置和與之相連的主體發生裝置，所述儲氣/供氣裝置和主體發生裝置之間連接有質量流量控制器，其特征在于，所述主體發生裝置內部以隔板分隔成勻氣室和氧化室，所述主體發生裝置外表面安裝外殼，所述主體發生裝置連接有帶有第一溫度傳感器的加熱裝置，n≥2。
進一步地，所述主體發生裝置為圓柱體。
進一步地，所述外殼由隔熱材料制成，且外部安裝余熱回收裝置。
進一步地，所述勻氣室內設有遮流板組。
進一步地，所述氧化室內部設置催化劑室。
進一步地，所述主體發生裝置配置安裝加熱裝置。
進一步地，其特征在于，還包括自動控制器。
本發明還提供一種產生三氧化硫的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟ⅰ、主體發生裝置接收已知濃度和流量的二氧化硫；步驟ⅱ、主體發生裝置接收已知濃度和流量的含氧氣體；步驟ⅲ、將步驟ⅰ和步驟ⅱ中主體發生裝置接收的二氧化硫與含氧氣體均勻混合后暴露于催化劑室的表面，將氧化室加熱至設定溫度，促進二氧化硫向三氧化硫的轉化，產生三氧化硫；步驟ⅳ、主體發生裝置內通入加熱的空氣來稀釋三氧化硫氣體，將生成的已知濃度的三氧化硫氣體保持為氣體狀態。
進一步地，所述步驟ⅲ中催化劑室使用的催化劑包括金屬或金屬物質的混合物。
進一步地，所述步驟ⅲ中使用加熱裝置加熱。
本發明系統對現有工藝進行了改進，優化了反應條件，提高了二氧化硫轉化效率和能量利用率，有效實現了氣態三氧化硫的發生，降低了投入費用，利于裝置的推廣使用。
附圖說明
圖1為本發明中一種產生三氧化硫并維持其氣體狀態的系統的示意圖；
圖2為本發明實施例2采用空氣泵時的示意圖；
圖3為本發明中產生三氧化硫方法的流程圖。
圖中：1-1-第一儲氣罐、1-2-第二儲氣罐、2-1-二氧化硫輸送管道、2-2-稀釋氣輸送管道、2-3-熱空氣管道、2-4-清洗氣管道、2-5-混合氣入口管道、2-6-三氧化硫出口管道、3-1-第一減壓閥、3-2-第二減壓閥、4-1-第一截止閥、4-2-第二截止閥、4-3-第三截止閥、4-4-第四截止閥、4-5-第五截止閥、4-6-第六截止閥、5-1-第一質量流量控制器、5-2-第二質量流量控制器、5-3-第三質量流量控制器、5-4-第四質量流量控制器、6-加熱裝置、7-空氣泵、8-干燥裝置、9-余熱回收裝置、10-主體發生裝置、10-1-勻氣室、10-2-氧化室、10-3-催化劑室、10-4-外殼、11-1-第一溫度傳感器、11-2-第二溫度傳感器、11-3-第三溫度傳感器、12-自動控制器、13-遮流板組。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明一種產生三氧化硫并維持其氣體狀態的系統及其方法的具體實施方式進行詳細說明，該實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
實施例1
如圖1，一種產生三氧化硫并維持其氣體狀態的系統，包括n個儲氣/供氣裝置、主體發生裝置10和加熱裝置6，n為2。主體發生裝置10由一體化的勻氣室10-1和氧化室10-2以及外殼10-4組成，外殼10-4為φ200×500mm的圓柱體，外殼10-4由隔熱材料制成，如氣溶膠板，并包裹于主體發生裝置10表面，從而實現裝置保溫的效果。勻氣室10-1、氧化室10-2均置于外殼10-4內部，勻氣室10-1與氧化室10-2之間以布氣板隔開，勻氣室10-1與氧化室10-2的尺寸均為φ100×225mm，可調節的反應氣體流速范圍為0.1-2.0m3/h。勻氣室10-1內部設有迷宮式遮流板組13，以改變氣體流動狀態，從而提高混合氣混合的均勻程度，最終均勻進入氧化室10-2。氧化室10-2包含催化劑室10-3和支撐結構，催化劑室10-3通過支撐結構固定于氧化室10-2。
儲氣裝置包括第一儲氣罐1-1、第二儲氣罐1-2，第一儲氣罐1-1與主體發生裝置10相連的二氧化硫輸送管道2-1上依次安裝第一減壓閥3-1、第一截止閥4-1和第一質量流量控制器5-1，第二儲氣罐1-2與主體發生裝置10相連的稀釋氣輸送管道2-2上依次安裝第二減壓閥3-2、第二截止閥4-2和第二質量流量控制器5-2。第一儲氣罐1-1為包含已知濃度二氧化硫和空氣的氣體混合物的氣缸，第一減壓閥3-1控制第一儲氣罐1-1中的氣體從第一儲氣罐1-1流入二氧化硫輸送管道2-1，并通過第一截止閥4-1和第一質量流量控制器5-1控制從第一儲氣罐1-1中流出的氣體以一定流速經混合氣入口管道2-5流入主體發生裝置10的勻氣室10-1。混合氣入口管道2-5設有布氣孔。第二儲氣罐1-2為包含空氣、氮氣或其它稀釋氣體的氣缸，該氣源提供的氣體通過第二減壓閥3-2進入稀釋氣輸送管道2-2，在通過第二截止閥4-2后，氣體通過第二質量流量控制器5-2控制其以一定流速進入混合氣入口管道2-5，與第一儲氣罐1-1中流出氣體混合并進入勻氣室10-1。
加熱裝置6用于反應溫度的控制，將反應的溫度控制在一定溫度范圍內可以促進二氧化硫氣體向三氧化硫氣體的轉化，并維持三氧化硫以氣體狀態存在。如圖1和圖2，主體發生裝置10中催化劑室10-3處及三氧化硫出口管道2-6處，分別裝有第一溫度傳感器11-1和第三溫度傳感器11-3，以控制發生裝置環境溫度。通過氣體源控制和溫度傳感器控制溫度等方式，氧化室10-2為二氧化硫和含氧氣體在催化劑室10-3表面上的反應提供了相對無水環境，以生成已知濃度的三氧化硫氣體。在本實施方案中，加熱裝置6為電加熱裝置，置于勻氣室10-1和催化劑室10-3外部，用于加熱催化劑室10-3和包括二氧化硫和含氧氣體在內的原料氣至所需溫度，以利于二氧化硫在氧化室10-2內向三氧化硫轉化。產生的三氧化硫氣體通過三氧化硫出口管道2-6向主體發生裝置10外輸出特定濃度的三氧化硫氣體。
此外，在主體發生裝置10的外殼10-4外部、在三氧化硫出口管道2-6和混合氣入口管道2-5之間，設有管式余熱回收裝置9，用以適當降低裝置出口三氧化硫氣體溫度，并收集發生裝置出口處熱量，用以預加熱入口氣體，以提高能量的利用率。
在本實施方案中，氧化室10-2的溫度需維持在400攝氏度至500攝氏度之間，并將三氧化硫輸出管道2-6維持在200攝氏度至300攝氏度之間。同時，第一儲氣罐1-1、第二儲氣罐1-2、以及各管路上的質量流量控制器處于室溫狀態，與加熱環境分離或在加熱環境外部。于此實施方案中，可通過調節二氧化硫氣體的流速以及稀釋比例，提供已知濃度的三氧化硫氣體。
用于提供稀釋氣的第二儲氣罐1-2為主體發生裝置10提供反向吹掃氣。吹掃時，截止閥4-1、4-3應處于關閉狀態，吹掃氣經由清洗管道2-4、第四質量流量計5-4和第四截止閥4-4進入主體發生裝置10，由排放口經第五截止閥4-5排出。
主體發生裝置10配套有自動控制器12，該模塊通過電子信號采集二氧化硫氣體和稀釋氣體流量，以及催化劑部分和三氧化硫氣體輸出部分溫度等實時數據，通過信號反饋控制加熱裝置6與各氣路閥門的狀態，以此控制三氧化硫發生過程所需溫度，并依據需求調節二氧化硫氣體和稀釋氣體流量，從而實現三氧化硫氣體發生過程的控制自動化以及更好的實現二氧化硫以約100％的轉化率高效轉化。
實施例2
如圖2，在本實施方案中，采用空氣泵7提供空氣，空氣經干燥裝置8干燥后為氧化室10-2提供干燥的稀釋氣。加熱裝置6加熱由空氣泵7提供的氣體，使氣體溫度達到400℃-500℃，第六截止閥4-6和第三質量流量控制器5-3控制加熱后氣體的流速，依次流過氧化室10-2和勻氣室10-1外部，以加熱氧化室10-2和勻氣室10-1的溫度為設定值，從而控制二氧化硫轉化的環境溫度。作為熱源的空氣可循環使用，以提高能量的利用率。
在本實施方案中，經由空氣泵7的氣路提供的干燥空氣還用于稀釋氣和反向吹掃氣的供氣。作為稀釋氣的供氣由稀釋氣輸送管道2-2通入，并以第二截止閥4-2和第二質量流量計5-2控制空氣氣量；反向吹掃時，截止閥4-1、4-2、4-3、4-6應處于關閉狀態，吹掃氣經由清洗管道2-4、第四質量流量計5-4和第四截止閥4-4進入主體發生裝置10，由排放口經第五截止閥4-5排出。
由于二氧化硫和空氣的混合物中有少量水的存在，會導致一部分三氧化硫轉化為硫酸，本發明的實施方案通過氣體源控制和溫度傳感器控制溫度等方式，氧化室10-2為二氧化硫和含氧氣體在催化劑室10-3表面上的反應提供了無水環境或控制濕度環境，用于二氧化硫轉化為三氧化硫的過程。當水含量很小，如第一儲氣罐1-1提供的氣體混合物包含百萬分之一的水時，這些水不能污染二氧化硫輸送管道2-1、氧化室10-2、稀釋氣輸送管道2-2等部分的氣體混合物，確保了產生的三氧化硫具備已知濃度。
圖3為本發明一種利用上述系統產生三氧化硫的方法的流程圖，在步驟ⅰ中，主體發生裝置10接收已知濃度的二氧化硫，例如第一儲氣罐1-1提供的二氧化硫。由于二氧化硫在環境溫度下的穩定性，可將其暫存于氧化室10-2的氣罐中。該氣體可為純二氧化硫，或包含一些二氧化碳、氮氣或者其它惰性氣體的已知濃度的二氧化硫混合氣。其中，將二氧化硫的濃度表示為百萬分之一(ppm)或十億分之一(ppb)。
在步驟ⅱ中，主體發生裝置10接收已知濃度的含氧氣體。含氧氣體可以通過第一儲氣罐1-1(此時該儲氣罐提供的二氧化硫混合氣中以混合有一定量的氧氣)直接供氣。此時，關閉質量流量控制器5-2、5-3以防止另外的含氧氣體混入，并通過第一質量流量控制器5-1控制和檢測混合氣在氧化室10-2中暴露于催化劑室10-3之前的流速。
在另一實施方案中，除第一儲氣罐1-1提供含二氧化硫氣體以外，還以儲氣罐1-2提供稀釋氣(此時儲氣罐1-1提供的二氧化硫為高純氣體或以惰性氣體為背景氣體)以發生三氧化硫氣體，通過質量流量控制器5-1和5-2分別控制和檢測二氧化硫和含氧氣體的流速，并控制上述兩種氣體暴露于催化劑室10-3之前的混合。
在另一個替代方案中，用空氣泵7通過從主體發生裝置10周圍環境中抽取空氣，經由干燥裝置8干燥后作為含氧氣體供入氧化室10-2中。第二截止閥4-2和第二質量流量計5-2控制含氧氣體的氣體源。
在步驟ⅲ中，主體發生裝置10接收的已知濃度的二氧化硫與含氧氣體均勻混合后暴露于催化劑室10-3的中催化劑的表面。催化劑可降低二氧化硫氧化成為三氧化硫所需要的活化能，從而使反應可在較低的溫度條件下進行。常用的催化劑包括金屬或金屬物質的混合物，如鈀、鉑、不銹鋼、氧化鐵或五氧化二釩等。催化劑室10-3有幾種配置方式，可采用疏松的金屬材料(如微粒、粉末、薄片、顆粒等)以建立混合氣體的必要通路、加大混合氣體于催化劑表面的接觸面積，以促進二氧化硫向三氧化硫的轉化。
氧化室10-2內的催化劑可使用加熱裝置6加熱，從而促進已知濃度二氧化硫和含氧氣體的反應。加熱裝置6可選用如管式加熱器等熱源。在不含催化劑的條件下，當氧化室10-2內充分加熱，如溫度高于600攝氏度時，二氧化硫得以轉化。而裝有催化劑的主體發生裝置10在400攝氏度左右即可有效產生三氧化硫。因此，通過控制主體發生裝置10的參數可控制二氧化硫的轉化率，從而產生已知濃度的三氧化硫。
二氧化硫轉化為三氧化硫的反應是一對一的反應，即當二氧化硫的起始濃度為100ppm且轉化率為100％時，生成的三氧化硫為100ppm。而在氧氣過量的情況下，影響二氧化硫轉化率的參數包括氧化室10-2的入口和出口流速、催化劑室10-3的溫度、表面積、相對濕度等。通過控制這些參數，三氧化硫發生裝置的主體發生裝置10可將約100％的二氧化硫轉化為三氧化硫。
在步驟ⅳ中，主體發生裝置10將生成的已知濃度的三氧化硫氣體保持為氣體狀態。在一個實施方案中，通過清洗管道2-4和質量流量控制器5-4向三氧化硫輸出管道2-6中通入加熱的空氣來稀釋三氧化硫氣體，并控制管式余熱回收裝置9，維持三氧化硫使用氣體的溫度高于硫酸的轉化/縮合點。
運行過程中，會發生催化劑中毒現象，即催化劑狀態退化，導致二氧化硫轉化率的下降。這一現象一般發生于三氧化硫產生幾天或幾小時之后，一般為可逆過程。為回復催化劑活性，可暫時加熱催化劑至550攝氏度以上，以燒除使用過程中于催化劑0-3表面聚集的雜質。在該過程后，催化劑可有效恢復活性(如大于98％)。
本發明三氧化硫發生裝置對現有工藝進行了改進，優化了反應條件，提高了二氧化硫轉化效率和能量利用率，有效實現了氣態三氧化硫的發生，降低了投入費用，利于裝置的推廣使用。
本發明裝置具有如下有益的技術效果：
1.裝置中的余熱回收裝置，可將高溫三氧化硫氣體的熱量傳遞給主體發生裝置入口二氧化硫和含氧氣體的混合氣，以實現反應氣體預熱的目的，從而提高能量的利用率，降低投入費用。
2.勻氣室中設有遮流板組，可優化氣體的混合的均勻性；在催化劑室下方設置布氣隔板，使混合氣在催化劑表面的均布分布，更有利于二氧化硫轉化反應的進行。
3.二氧化硫的轉化過程充分考慮到影響化學反應進行的條件，使用五氧化二釩催化劑，增加混合氣與催化劑的接觸時間，優化反應溫度條件，使二氧化硫的轉化率達到100％。
4.裝置內部有自動控溫裝置，提高了系統的自動化程度，使操作簡單化，利于裝置的推廣使用。
以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。