CN101929971B - 一种硫酸生产用钒催化剂活性评价的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硫酸生产用钒催化剂活性评价的方法。本发明应用绝热反应器，反应气体经气体进口管连续进入绝热反应器，在磁环填料处分布均匀后与催化剂接触；随着反应的进行，催化剂温度自上而下逐渐升高；此时，设置于反应器隔热层外壁的测温装置测到内外温差，自动控温装置控制置于隔热层外的电加热材料内消除这一温差，经一段时间后达到稳定状态，使相同轴向位置隔热层内外温差为零，实现绝热；反应后的气体经气体出口管排出；反应器温度信号及电加热材料供电由电信号及供电引入管引入引出。本发明涉及的绝热反应器可以达到满足要求的绝热效果；得到的实验数据及其动力学方程较传统等温实验反应器中取得的结果更加接近工业实际。

Description

一种硫酸生产用钒催化剂活性评价的方法
技术领域
本发明涉及一种硫酸生产用钒催化剂活性评价的方法，该评价方法使用绝热反应器，沿反应途程测定反应器温度分布，从而得到催化剂活性信息。 
背景技术
硫酸是国民经济中极为重要的化学产品，是化肥、冶金、材料、能源、航天以及民用轻工各行各业都不可或缺的基本化工原料。建国六十年来，硫酸的产量一直保持着强劲的增长势头。1949年我国硫酸年产量是4.9万吨，1978年为661万吨，2004年4400万吨，并从此跃居世界首位。2007年产量达到5700万吨，生产企业490家。 
硫酸生产的原料为硫铁矿、硫磺及冶炼烟气等。原料经过焚烧、净化、反应和吸收等步骤得到硫酸产品。其中反应是关键步骤，其转化率的高低决定了硫酸产品的收率和尾气中二氧化硫的含量。目前主流技术一般采用五段反应中间吸收的3+2两转两吸流程。几乎所有二氧化硫氧化反应在工业上都是在多段绝热反应器中进行的。在绝热反应器中，钒催化剂催化氧化二氧化硫成为三氧化硫，钒催化剂活性好坏是决定硫酸生产成败的关键。 
目前我国超过50％的硫酸是用进口催化剂生产的。而国内约有十余家钒催化剂的生产厂家，所生产的催化剂多数供给一些小型硫酸厂。与进口催化剂相比，国内的催化剂厂家不能提供给用户催化剂装量和二氧化硫转化率的保证值或许是国产催化剂销路不好的原因之一。而这一保证是建立在对催化剂活性进行有效检验的基础之上的。因此，钒催化剂活性的检验就成为催化剂制备中的关键问题。 
多年来，硫酸生产用钒催化剂的活性检验一直沿用上世纪五十年代前苏联的方法进行。该方法基于等温积分反应器，在给定的入口操作条件和温度下，检测反应器出口二氧化硫的转化率，达到标准中给定的转化率值即为合格，否则即为不合格。这一方法于1979年成为部颁标准，而后成为国家标准HG/T 2089-1991。 
本发明的思路是，以化学反应工业过程动力学理论为基础，改变过去传统的等温积分反应器模式，直接在绝热反应器中进行实验，测得反应温度沿催化剂床层的分布，根据温度分布建立反应在实际生产条件下的动力学方程。 
发明内容
本发明的目的是：建立一种新的、针对硫酸生产中二氧化硫氧化反应钒催化剂活性的评价方法。 
一种硫酸生产用钒催化剂活性评价的方法，其特征在于该方法应用以下绝热反应器进行：该绝热反应器6顶部设有气体进口管7，底部设有气体出口管13，外层是保温层12，内层是隔热层10；隔热层10内装有催化剂9，在催化剂9上方设有磁环填料8；隔热层10和保温层12之间为电加热材料11；反应器隔热层10外壁设有测温装置，测量装置在反应器隔热层外壁轴向位置的内外壁上设置若干对；电信号及供电引入管14连接用于控制置于隔热层外的电加热材料11的自动控温装置； 
反应气体经气体进口管7连续进入绝热反应器6，在磁环填料8处分布均匀后与催化剂9接触；随着反应的进行，催化剂温度自上而下逐渐升高；此时，设置于反应器隔热层10外壁的测温装置测到内外温差，自动控温装置控制置于隔热层外的电加热材料11内消除这一温差，经一段时间后达到稳定状态，使相同轴向位置隔热层内外温差为零，实现绝热；反应后的气体经气体出口管13排出；反应器温度信号及电加热材料供电由电信号及供电引入管14引入引出。 
反应器在绝热条件下操作，反应转化率与反应温度呈一一对应的线性关系。反应器直径为50-500mm，催化剂层有效高度不小于200mm，操作温度为350-650℃。在反应器中，沿轴向位置，设置若干测温元件，实时检测反应器床层温度。为保证反应器在绝热状态下操作，反应器采用本发明所独创的无温差保温方法。其特点在于，但不限于，在反应器隔热层某些特定轴向位置的内外壁上设置若干对温差测量装置，并以此温差控制反应器隔热层外侧的加热元件，跟踪反应器隔热层内壁温度，使相同轴向位置隔热层内外温差为零，达到保温绝热的目的。经检测，在稳定操作时本绝热反应器的热量损失小于5％。见附图2。 
为保证本反应器的操作条件在所设定的范围内，反应器还设有必要的预转化装置、温度控制装置及尾气吸收装置等。其技术领域都在本行业技术人员所熟知的范围之内。 
发明点：1、通过在绝热反应器中接近工业实际的实验取得反应转化率随反应器床层高度的变化数据，回归分析，建立化学反应的工业过程动力学方程。2、能够达到绝热要求的实验反应器。 
本发明的效果：本发明涉及的绝热反应器可以达到满足要求的绝热效果； 得到的实验数据及其动力学方程较传统等温实验反应器中取得的结果更加接近工业实际。动力学方程可用来设计、优化反应器，同时，对现有工业反应器的优化操作亦有指导意义。 
附图说明：
图1为本发明的实验流程图 
1缓冲罐；2预热器；3第一预反应器；4第二预反应器；5预转化率调节阀；6绝热反应器 
图2为本发明所使用的绝热反应器示意图 
7气体进口管；8磁环填料；9催化剂；10隔热层；11电加热材料；12保温层；13气体出口管；14电信号及供电引入管 
图3为实施例1操作条件及实验数据 
图4为实施例1操作条件及实验数据 
具体实施方式
以下结合附图详细说明。 
图1：按照一定O2、N2和二氧化硫比例配置好的原料气经过缓冲罐1进入原料预热器2加热至反应温度(大约400℃)。如果模拟工业反应器的第一段，原料气将通过调节阀5直接进入绝热反应器6；如果模拟工业反应器的第二段及其它各段，部分原料气将通过第一预反应器3、第二预反应器4进行预转化。预转化的转化率由预转化器的操作条件和调节阀的开度配合调节。反应气体在绝热反应器中，在催化剂的作用下进行2SO2+O2＝2SO3反应。由于此反应是一个放热反应且本反应器于绝热条件下操作，反应温度和反应转化率呈一一对应关系。沿反应器轴向位置设置的温度测量装置记录下反应温度沿反应器轴向位置的分布。通过数学处理，这一温度分布可以转变为转化率分布，即催化剂装填高度(轴向位置自上而下)与反应进行程度(转化率)之间的关系。这一关系代表了催化剂活性。同样的装填高度，转化率越高，催化剂活性越好；同样的转化率，催化剂装填高度越小，催化剂活性越好。反应过后的气体在吸收掉反应生成的SO3和未完全反应的SO2后排空。 
图2：反应气体经气体进口管7连续进入绝热反应器6，在磁环填料8处分布均匀后与催化剂9接触。由于此反应是放热反应，随着反应的进行，催化剂温度自上而下逐渐升高。外层是保温层12。此时，设置于反应器隔热层10内外壁的测温装置测到内外温差，自动控温装置控制置于隔热层外的电加热材料11消除这一温差，经一段时间后达到稳定状态，隔热层内外壁温差为0，实现绝热。反应后的气体经气体出口管13排出。反应器温度信号及电加热材料供电由电信号及供电引入管14引入引出。 
实施例1 
本实施例采用如图1所示实验流程及附图2所示装置，对象为某型号国产催化剂。操作条件及实验数据(图3)如下： 
实验条件 
  入口气体流量   入口氧含量  入口SO2含量   入口温度   环境温度
  1.43m3h-1   12.50％  8.37％   421.3℃   23℃
实验结果 
  反应器轴向  位置(cm)   温度(℃)   反应器轴向  位置(cm)   温度(℃)
  0   421.3   18   581.6
  1   423.3   20   585.7
  3   425.1   22   590.0
  4   429.3   24   591.1
  6   433.9   26   588.3
  8   440.8   28   590.3
  9   445.0   30   591.5
  12   501.3   32   589.0
  14   537.1   36   595.0
  16   563.5   40   596.0
实施例2 
本实施例采用如图1所示实验流程及附图2所示装置，对象为某型号国产催化剂。操作条件及实验数据(图4)如下： 
实验条件 
  入口气体  流量   入口氧含量   入口SO2  含量   入口转化率   入口温度   环境温度
  2.12m3h-1   10.23％   7.10％   80.29％   443.7℃   23℃
实验结果 
  反应器轴向位置  (cm)   温度(℃)   反应器轴向位置  (cm)   温度(℃)
  0   443.7   28   472.7
  4   447.5   32   469.0
  8   452.5   44   477.4
  12   458.2   48   477.5
  16   464.7   56   479.0
  20   464.1   64   477.6
  24   472.7    

Claims (1)

1.一种硫酸生产用钒催化剂活性评价的方法，其特征在于该方法应用以下绝热反应器进行：该绝热反应器(6)顶部设有气体进口管(7)，底部设有气体出口管(13)，外层是保温层(12)，内层是隔热层(10)；隔热层(10)内装有催化剂(9)，在催化剂(9)上方设有磁环填料(8)；隔热层(10)和保温层(12)之间为电加热材料(11)；反应器隔热层(10)外壁设有测温装置，测温装置在反应器隔热层外壁轴向位置的内外侧上设置若干对；电信号及供电引入管(14)连接用于控制置于隔热层外的电加热材料(11)的自动控温装置；
反应气体经气体进口管(7)连续进入绝热反应器(6)，在磁环填料(8)处分布均匀后与催化剂(9)接触；随着反应的进行，催化剂温度自上而下逐渐升高；此时，设置于反应器隔热层(10)外壁的测温装置测到内外温差，自动控温装置控制置于隔热层外的电加热材料(11)消除这一温差，经一段时间后达到稳定状态，使相同轴向位置隔热层内外温差为零，实现绝热；反应后的气体经气体出口管(13)排出；反应器温度信号及电加热材料供电由电信号及供电引入管(14)引入引出；
在绝热条件下，反应温度和反应转化率呈一一对应关系；对沿反应器轴向位置的反应温度信号的分布进行数学处理，转变为转化率分布，得到催化剂装填高度与反应转化率之间的关系，即同样的装填高度，转化率越高，催化剂活性越好；同样的转化率，催化剂装填高度越小，催化剂活性越好。
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