本发明涉及三氧化硫的产生装置和方法，尤其涉及一种产生三氧化硫并维持其气体状态的系统及其方法。
背景技术：
三氧化硫(so3)气体并不稳定且难以保持，因此，纯度高的三氧化硫通常不能通过购买获得，即三氧化硫气体不宜采用气体钢瓶或气罐的形式出售。由于三氧化硫可在水存在的情况下在较低温度条件下迅速转化为硫酸(h2so4)，因此，气态三氧化硫的获取是一技术难题。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提出了一种产生三氧化硫并维持其气体状态的系统，包括n个供气装置和与之相连的主体发生装置，所述储气/供气装置和主体发生装置之间连接有质量流量控制器，其特征在于，所述主体发生装置内部以隔板分隔成匀气室和氧化室，所述主体发生装置外表面安装外壳，所述主体发生装置连接有带有第一温度传感器的加热装置，n≥2。
进一步地，所述主体发生装置为圆柱体。
进一步地，所述外壳由隔热材料制成，且外部安装余热回收装置。
进一步地，所述匀气室内设有遮流板组。
进一步地，所述氧化室内部设置催化剂室。
进一步地，所述主体发生装置配置安装加热装置。
进一步地，其特征在于，还包括自动控制器。
本发明还提供一种产生三氧化硫的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤ⅰ、主体发生装置接收已知浓度和流量的二氧化硫；步骤ⅱ、主体发生装置接收已知浓度和流量的含氧气体；步骤ⅲ、将步骤ⅰ和步骤ⅱ中主体发生装置接收的二氧化硫与含氧气体均匀混合后暴露于催化剂室的表面，将氧化室加热至设定温度，促进二氧化硫向三氧化硫的转化，产生三氧化硫；步骤ⅳ、主体发生装置内通入加热的空气来稀释三氧化硫气体，将生成的已知浓度的三氧化硫气体保持为气体状态。
进一步地，所述步骤ⅲ中催化剂室使用的催化剂包括金属或金属物质的混合物。
进一步地，所述步骤ⅲ中使用加热装置加热。
本发明系统对现有工艺进行了改进，优化了反应条件，提高了二氧化硫转化效率和能量利用率，有效实现了气态三氧化硫的发生，降低了投入费用，利于装置的推广使用。
附图说明
图1为本发明中一种产生三氧化硫并维持其气体状态的系统的示意图；
图2为本发明实施例2采用空气泵时的示意图；
图3为本发明中产生三氧化硫方法的流程图。
图中：1-1-第一储气罐、1-2-第二储气罐、2-1-二氧化硫输送管道、2-2-稀释气输送管道、2-3-热空气管道、2-4-清洗气管道、2-5-混合气入口管道、2-6-三氧化硫出口管道、3-1-第一减压阀、3-2-第二减压阀、4-1-第一截止阀、4-2-第二截止阀、4-3-第三截止阀、4-4-第四截止阀、4-5-第五截止阀、4-6-第六截止阀、5-1-第一质量流量控制器、5-2-第二质量流量控制器、5-3-第三质量流量控制器、5-4-第四质量流量控制器、6-加热装置、7-空气泵、8-干燥装置、9-余热回收装置、10-主体发生装置、10-1-匀气室、10-2-氧化室、10-3-催化剂室、10-4-外壳、11-1-第一温度传感器、11-2-第二温度传感器、11-3-第三温度传感器、12-自动控制器、13-遮流板组。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种产生三氧化硫并维持其气体状态的系统及其方法的具体实施方式进行详细说明，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
如图1，一种产生三氧化硫并维持其气体状态的系统，包括n个储气/供气装置、主体发生装置10和加热装置6，n为2。主体发生装置10由一体化的匀气室10-1和氧化室10-2以及外壳10-4组成，外壳10-4为φ200×500mm的圆柱体，外壳10-4由隔热材料制成，如气溶胶板，并包裹于主体发生装置10表面，从而实现装置保温的效果。匀气室10-1、氧化室10-2均置于外壳10-4内部，匀气室10-1与氧化室10-2之间以布气板隔开，匀气室10-1与氧化室10-2的尺寸均为φ100×225mm，可调节的反应气体流速范围为0.1-2.0m3/h。匀气室10-1内部设有迷宫式遮流板组13，以改变气体流动状态，从而提高混合气混合的均匀程度，最终均匀进入氧化室10-2。氧化室10-2包含催化剂室10-3和支撑结构，催化剂室10-3通过支撑结构固定于氧化室10-2。
储气装置包括第一储气罐1-1、第二储气罐1-2，第一储气罐1-1与主体发生装置10相连的二氧化硫输送管道2-1上依次安装第一减压阀3-1、第一截止阀4-1和第一质量流量控制器5-1，第二储气罐1-2与主体发生装置10相连的稀释气输送管道2-2上依次安装第二减压阀3-2、第二截止阀4-2和第二质量流量控制器5-2。第一储气罐1-1为包含已知浓度二氧化硫和空气的气体混合物的气缸，第一减压阀3-1控制第一储气罐1-1中的气体从第一储气罐1-1流入二氧化硫输送管道2-1，并通过第一截止阀4-1和第一质量流量控制器5-1控制从第一储气罐1-1中流出的气体以一定流速经混合气入口管道2-5流入主体发生装置10的匀气室10-1。混合气入口管道2-5设有布气孔。第二储气罐1-2为包含空气、氮气或其它稀释气体的气缸，该气源提供的气体通过第二减压阀3-2进入稀释气输送管道2-2，在通过第二截止阀4-2后，气体通过第二质量流量控制器5-2控制其以一定流速进入混合气入口管道2-5，与第一储气罐1-1中流出气体混合并进入匀气室10-1。
加热装置6用于反应温度的控制，将反应的温度控制在一定温度范围内可以促进二氧化硫气体向三氧化硫气体的转化，并维持三氧化硫以气体状态存在。如图1和图2，主体发生装置10中催化剂室10-3处及三氧化硫出口管道2-6处，分别装有第一温度传感器11-1和第三温度传感器11-3，以控制发生装置环境温度。通过气体源控制和温度传感器控制温度等方式，氧化室10-2为二氧化硫和含氧气体在催化剂室10-3表面上的反应提供了相对无水环境，以生成已知浓度的三氧化硫气体。在本实施方案中，加热装置6为电加热装置，置于匀气室10-1和催化剂室10-3外部，用于加热催化剂室10-3和包括二氧化硫和含氧气体在内的原料气至所需温度，以利于二氧化硫在氧化室10-2内向三氧化硫转化。产生的三氧化硫气体通过三氧化硫出口管道2-6向主体发生装置10外输出特定浓度的三氧化硫气体。
此外，在主体发生装置10的外壳10-4外部、在三氧化硫出口管道2-6和混合气入口管道2-5之间，设有管式余热回收装置9，用以适当降低装置出口三氧化硫气体温度，并收集发生装置出口处热量，用以预加热入口气体，以提高能量的利用率。
在本实施方案中，氧化室10-2的温度需维持在400摄氏度至500摄氏度之间，并将三氧化硫输出管道2-6维持在200摄氏度至300摄氏度之间。同时，第一储气罐1-1、第二储气罐1-2、以及各管路上的质量流量控制器处于室温状态，与加热环境分离或在加热环境外部。于此实施方案中，可通过调节二氧化硫气体的流速以及稀释比例，提供已知浓度的三氧化硫气体。
用于提供稀释气的第二储气罐1-2为主体发生装置10提供反向吹扫气。吹扫时，截止阀4-1、4-3应处于关闭状态，吹扫气经由清洗管道2-4、第四质量流量计5-4和第四截止阀4-4进入主体发生装置10，由排放口经第五截止阀4-5排出。
主体发生装置10配套有自动控制器12，该模块通过电子信号采集二氧化硫气体和稀释气体流量，以及催化剂部分和三氧化硫气体输出部分温度等实时数据，通过信号反馈控制加热装置6与各气路阀门的状态，以此控制三氧化硫发生过程所需温度，并依据需求调节二氧化硫气体和稀释气体流量，从而实现三氧化硫气体发生过程的控制自动化以及更好的实现二氧化硫以约100％的转化率高效转化。
实施例2
如图2，在本实施方案中，采用空气泵7提供空气，空气经干燥装置8干燥后为氧化室10-2提供干燥的稀释气。加热装置6加热由空气泵7提供的气体，使气体温度达到400℃-500℃，第六截止阀4-6和第三质量流量控制器5-3控制加热后气体的流速，依次流过氧化室10-2和匀气室10-1外部，以加热氧化室10-2和匀气室10-1的温度为设定值，从而控制二氧化硫转化的环境温度。作为热源的空气可循环使用，以提高能量的利用率。
在本实施方案中，经由空气泵7的气路提供的干燥空气还用于稀释气和反向吹扫气的供气。作为稀释气的供气由稀释气输送管道2-2通入，并以第二截止阀4-2和第二质量流量计5-2控制空气气量；反向吹扫时，截止阀4-1、4-2、4-3、4-6应处于关闭状态，吹扫气经由清洗管道2-4、第四质量流量计5-4和第四截止阀4-4进入主体发生装置10，由排放口经第五截止阀4-5排出。
由于二氧化硫和空气的混合物中有少量水的存在，会导致一部分三氧化硫转化为硫酸，本发明的实施方案通过气体源控制和温度传感器控制温度等方式，氧化室10-2为二氧化硫和含氧气体在催化剂室10-3表面上的反应提供了无水环境或控制湿度环境，用于二氧化硫转化为三氧化硫的过程。当水含量很小，如第一储气罐1-1提供的气体混合物包含百万分之一的水时，这些水不能污染二氧化硫输送管道2-1、氧化室10-2、稀释气输送管道2-2等部分的气体混合物，确保了产生的三氧化硫具备已知浓度。
图3为本发明一种利用上述系统产生三氧化硫的方法的流程图，在步骤ⅰ中，主体发生装置10接收已知浓度的二氧化硫，例如第一储气罐1-1提供的二氧化硫。由于二氧化硫在环境温度下的稳定性，可将其暂存于氧化室10-2的气罐中。该气体可为纯二氧化硫，或包含一些二氧化碳、氮气或者其它惰性气体的已知浓度的二氧化硫混合气。其中，将二氧化硫的浓度表示为百万分之一(ppm)或十亿分之一(ppb)。
在步骤ⅱ中，主体发生装置10接收已知浓度的含氧气体。含氧气体可以通过第一储气罐1-1(此时该储气罐提供的二氧化硫混合气中以混合有一定量的氧气)直接供气。此时，关闭质量流量控制器5-2、5-3以防止另外的含氧气体混入，并通过第一质量流量控制器5-1控制和检测混合气在氧化室10-2中暴露于催化剂室10-3之前的流速。
在另一实施方案中，除第一储气罐1-1提供含二氧化硫气体以外，还以储气罐1-2提供稀释气(此时储气罐1-1提供的二氧化硫为高纯气体或以惰性气体为背景气体)以发生三氧化硫气体，通过质量流量控制器5-1和5-2分别控制和检测二氧化硫和含氧气体的流速，并控制上述两种气体暴露于催化剂室10-3之前的混合。
在另一个替代方案中，用空气泵7通过从主体发生装置10周围环境中抽取空气，经由干燥装置8干燥后作为含氧气体供入氧化室10-2中。第二截止阀4-2和第二质量流量计5-2控制含氧气体的气体源。
在步骤ⅲ中，主体发生装置10接收的已知浓度的二氧化硫与含氧气体均匀混合后暴露于催化剂室10-3的中催化剂的表面。催化剂可降低二氧化硫氧化成为三氧化硫所需要的活化能，从而使反应可在较低的温度条件下进行。常用的催化剂包括金属或金属物质的混合物，如钯、铂、不锈钢、氧化铁或五氧化二钒等。催化剂室10-3有几种配置方式，可采用疏松的金属材料(如微粒、粉末、薄片、颗粒等)以建立混合气体的必要通路、加大混合气体于催化剂表面的接触面积，以促进二氧化硫向三氧化硫的转化。
氧化室10-2内的催化剂可使用加热装置6加热，从而促进已知浓度二氧化硫和含氧气体的反应。加热装置6可选用如管式加热器等热源。在不含催化剂的条件下，当氧化室10-2内充分加热，如温度高于600摄氏度时，二氧化硫得以转化。而装有催化剂的主体发生装置10在400摄氏度左右即可有效产生三氧化硫。因此，通过控制主体发生装置10的参数可控制二氧化硫的转化率，从而产生已知浓度的三氧化硫。
二氧化硫转化为三氧化硫的反应是一对一的反应，即当二氧化硫的起始浓度为100ppm且转化率为100％时，生成的三氧化硫为100ppm。而在氧气过量的情况下，影响二氧化硫转化率的参数包括氧化室10-2的入口和出口流速、催化剂室10-3的温度、表面积、相对湿度等。通过控制这些参数，三氧化硫发生装置的主体发生装置10可将约100％的二氧化硫转化为三氧化硫。
在步骤ⅳ中，主体发生装置10将生成的已知浓度的三氧化硫气体保持为气体状态。在一个实施方案中，通过清洗管道2-4和质量流量控制器5-4向三氧化硫输出管道2-6中通入加热的空气来稀释三氧化硫气体，并控制管式余热回收装置9，维持三氧化硫使用气体的温度高于硫酸的转化/缩合点。
运行过程中，会发生催化剂中毒现象，即催化剂状态退化，导致二氧化硫转化率的下降。这一现象一般发生于三氧化硫产生几天或几小时之后，一般为可逆过程。为回复催化剂活性，可暂时加热催化剂至550摄氏度以上，以烧除使用过程中于催化剂0-3表面聚集的杂质。在该过程后，催化剂可有效恢复活性(如大于98％)。
本发明三氧化硫发生装置对现有工艺进行了改进，优化了反应条件，提高了二氧化硫转化效率和能量利用率，有效实现了气态三氧化硫的发生，降低了投入费用，利于装置的推广使用。
本发明装置具有如下有益的技术效果：
1.装置中的余热回收装置，可将高温三氧化硫气体的热量传递给主体发生装置入口二氧化硫和含氧气体的混合气，以实现反应气体预热的目的，从而提高能量的利用率，降低投入费用。
2.匀气室中设有遮流板组，可优化气体的混合的均匀性；在催化剂室下方设置布气隔板，使混合气在催化剂表面的均布分布，更有利于二氧化硫转化反应的进行。
3.二氧化硫的转化过程充分考虑到影响化学反应进行的条件，使用五氧化二钒催化剂，增加混合气与催化剂的接触时间，优化反应温度条件，使二氧化硫的转化率达到100％。
4.装置内部有自动控温装置，提高了系统的自动化程度，使操作简单化，利于装置的推广使用。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。