4二氧化硫的催化氧化

学习情境四

硫酸的生产技术

工作任务

二氧化硫的催化氧化

授课地点

多媒体教室5-9

教学方法

讲授法

课时

4

任务描述及任务目标

二氧化硫的催化氧化的基本原理

反应动力学

催化氧化的最佳条件

包含章节

第四章第四节

主要教具、设备、工具

多媒体

学习重点

及难点

二氧化硫的催化氧化的基本原理、动力学、最佳条件

学生学习

基础

已具有无机化学,化工单元操作,物理化学,化工热力学等的学习基础，具有一定的自学能力，接受知识的能力也较强.

知识点：

一、二氧化硫催化氧化的基本原理

二、反应动力学

1.钒催化剂

目前硫酸工业中二氧化硫催化氧化反应所用催化剂仍然是钒催化剂，也称为钒触媒。以五氧化二钒（V2O5含量5%～10%为主催化剂，氧化钾（K2O）为助催化剂，以硅藻土（主要成分是SiO2）为载体而制成的。

2.二氧化硫催化氧化反应速率

在工业生产条件下，作为气-固相催化反应的二氧化硫催化氧化，其气流速率已足够大，不会出现外扩散控制。

关于二氧化硫催化氧化反应机理，目前尚无定论，有的认为二氧化硫在催化剂表面的氧化过程包括以下六个步骤：

①氧分子从气相中扩散到催化剂表面，

②氧分子被吸附到催化剂表面

③氧分子断键，形成活化氧原子

④二氧化硫吸附到催化剂表面

⑤吸附在催化剂表面的二氧化硫与氧原子进行电子重排，形成三氧化硫

⑥三氧化硫分子从催化剂表面脱附，扩散进入气相主体

三、最佳工艺条件

根据平衡转化率和反应速率综合分析，二氧化硫催化氧化的工艺条件主要涉及反应温度、起始浓度和最终转化率等三个方面。

表示反应速率;

a 表示SO2的起始浓度（（体积）%）;

b 表示O2的起始浓度（（体积）%）;

x表示瞬时转化率; xT表示平衡转化率 ;

k1表示正反应速率常数。

1.最适宜温度

二氧化硫氧化反应是可逆的放热反应，反应速率与反应温度之间的关系比较复杂。

为保证反应以最大速率进行，充分发挥催化剂的作用，应该使反应由较高温度开始，随反应进行，转化率升高，设法使温度沿着最适宜温度曲线逐步降低。对于任何组成的炉气，转化过程的最适宜温度都是先高后低。

2.二氧化硫的起始浓度

进入转化器的二氧化硫的最适宜浓度，必须根据具体流程和原料的具体情况，进行经济比较后选定。

3.最终转化率

提高最终转化率，可以使放空尾气中二氧化硫含量减少，不但提高了原料中硫的利用率，而且也减少了对大气的污染；但是，提高最终转化率需要增加催化剂的用量，并增大了流体阻力。

因此，在实际生产中，主要考虑的是硫酸生产总成本最低的最终转化率。

四、二氧化硫催化氧化的工艺流程与设备

二氧化硫催化氧化反应放热量不大，而且催化剂的导热系数很小，因此，一般都采用绝热多段中间换热式反应器 。目前多采用四段或五段二氧化硫转化器。

1.中间换热式四段转化流程

图4-1 中间换热式四段转化流程图

2.“两转两吸”工艺

将经过三段催化剂反应后（转化率高于90%）的混合气体先通过中间吸收塔进行第一次三氧化硫吸收，借以降低反应混合气体中三氧化硫浓度；然后再通入第四段催化剂，继续进行反应，反应生成的三氧化硫最后经第二吸收塔进行二次吸收，从而提高二氧化硫的最终转化率。

图4-2常用的两转两吸流程

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教学设计、组织实施、时间安排：

一、教师引导学生一起复习高中二氧化硫反应生成三氧化硫的反应方程式，导出新课二氧化硫的催化氧化 15min

二、多媒体讲解二氧化硫的催化氧化

1、二氧化硫催化氧化的基本原理 30min

2、反应动力学 25min

3、最佳工艺条件的选择 40min

4、二氧化硫催化氧化的工艺流程与设备 40min

教师讲解二氧化硫催化氧化的基本原理并用多媒体展示反应动力学，由学生进行小组讨论，归纳出最佳工艺条件，再由教师讲解二氧化硫催化氧化的工艺流程与设备

三、分组讨论 10min

学生分组讨论并由学生阐述本节主要知识点

四、小结 教师总结工业上炉气净化的原料、流程、参数等 10min

五、布置思考题和作业 5min

教学反思