本发明涉及了一种在非定态条件下催化氧化二氧化硫制造硫酸的转化器。 在传统的硫酸生产工艺中，由于自热转化的节能需要，二氧化硫催化氧化过程都是在配有中间换热器和外部换热器的多层绝热固定床转化器中进行的。其工艺流程复杂，系统阻力大，钢材耗量显著，各层反应气体进口条件的控制要求高。而且，由于严重的管道及设备腐蚀，每年的大修费用也很显著。据估计，一半以上的投资费用和操作费用均用在换热器系统上。此外，越来越重要的环境保护需要进一步提高二氧化硫的出口转化率，两转两吸流程被广泛采用，然而它却导致了换热器面积和系统阻力成倍增加。因此按传统工艺建立大型反应器极为困难。
为了克服传统工艺的缺点，Y.S.Matros等（见美国专利：4，478，808，1984）提出了一种在非定态条件下催化氧化二氧化硫气体的方法，解决了低浓度SO2气体（SO2的体积百分含量在1-5%之间）转化的自然平衡问题，比如有色金属冶炼烟气中的SO2转化的自热平衡问题。由于该方法革除了换热器部分，使投资费用和操作费用相对减少，节能效果极为显著。但是，当工艺原料气体中的SO2含量大于5%时，比如硫磺及硫铁矿焙烧气体，该方法只有在反应气体的空速很低（小于0.05米/秒）时，才能使床层内的温度不持续超过催化剂允许的最高温度（600℃），而且SO2地总转化率很低，只有85-90%。显然这种状况不符合硫酸生产工业化的要求。为此，A.A巴拉索夫等（见非专利文献XNM.ΠPOM.No.12，1987）对这种方法作了改进，融合了传统工艺中的两转两吸流程，设置了两个非定态转化器。其中，第一个非定态转化器的催化剂床层又被分成了两段，并在其间安置了一台起散热作用的换热器，以降低来自第一段床层的气体温度-从620℃降到470℃，以防止床层下游催化剂温度持续超过600℃;从散热换热器出来的气体再进入第二段床层。在这种情况下，反应气体空速提高到0.23米/秒，但转化率只能达到90-92%。从第一非定态转化器出来的反应气体经吸收去除SO3后，再进入第二个非定态转化器。改进后的工艺可以满足工业生产中高转化率和足够大的气速的要求，使非定态方法在硫酸生产中有了工业应用的前境。可是，这种方法的流程依然比较复杂，中间散热器的操作控制尤其困难，投资费用也较高。这表明，传统工艺中的缺点还没有被完全克服，而且催化剂的生产强度也较传统方法低，催化剂的装填量增加了25%。
本发明的目的在于完全克服了现有技术的缺点，提供了一种适用于SO2含量为5-10%（体积百分率）的高浓度SO2气体转化的组合式非定态二氧化硫转化器。以该转化器为核心的硫酸生产工艺不仅革除了实现自热平衡的各种换热器，而且取消了起中间散热作用的换热器。它的最突出的优越性在于，在同一个转化器中，同时满足了硫酸生产工艺所需要的高转化率（SO2的转化率大于99%）和足够大的空速（反应气体的空速为0.2-0.35米/秒）的工业化要求。此外，催化剂的生产强度也较传统工艺提高了50-100%，即从传统工艺的200-220升催化剂/日、吨酸下降到100-150升催化剂/日、吨酸。
本发明的构思是这样的：
面对高浓度的二氧化硫气体如何实现沿着SO2可逆放热氧化反应的最佳温度曲线的优化操作。为此在设计的转化器中，催化剂床层必须有一特定的温度分布，即中间高两端低的温度分布。这不仅确保了高转化率，而且由于反应可逆性限制，第一层（升温区）出口端温度不会过高。
Matros等人设计的转化器，其进口端催化剂的温度就已高达500℃，当新鲜的高浓度SO2原料气体接触到这个温度下的催化剂时，由于远离平衡，反应速度很大，即放热强度很大，固体催化剂的温度激剧上升，超过600℃。更糟糕的是，这个高温将向下游移动，并继续上升，其上升的幅度及移动的速度随SO2进口浓度和气体空速的增大而增大。这正是Matros等人的方法不能适用于高浓度SO2气体的原因。据此，本发明提出了一种调控转化器中催化剂床层温度预分布的方法，即将转化器分成升温区、高温区和降温区，分别控制各区的温度，使其沿着二氧化硫可逆放热氧化反应的最佳温度曲线进行优化操作。
在升温区，通过采用初始预温度分布（沿轴向从下到上温度逐步上升;即由200～300℃逐步上升到500～520℃）和装入低起燃温度的钒催化剂（简称低温催化剂）来控制SO2的转化率在85～90%之间，此外通过在升温区采用惰性填料子区和低温催化剂子区相组合的方法，以降低催化剂的用量，（实际上低温催化剂当温度低于其起燃温度时，亦是一种惰性填料）。
在高温区装入高温钒催化剂，当气流中的SO2已有85～90%被转化时，高温区催化剂的负荷较小。
因高温区的任务在于将SO2的总转化率从85～90%提高到92%左右，所以，二氧化硫氧化所放出的热量很少，当高温区的初始预温度分布为520～540℃时，仅将高温区的最高温度（中心点温度）升至540～570℃（最高温度可控制在600℃以下），当升温区的SO2转化率不足85%时，高温区的中心点温度会随即升高，当中心点温度升至600℃时，必须切换进气方向，所以高温区是实现本发明操作的控制点。
在降温区：沿轴向方向，由下到上装入低温钒催化剂和惰性填料（原因同升温区一样），其初始预温度分布为：500～520℃下降至300～200℃，这种预温度分布与二氧化硫可逆放热氧化反应最佳温度曲线相吻合，故当已有92%SO2被转化的气流进入降温区时，可使其中的SO2的总转化率上升至99%以上。
在大量实验数据基础上，设计了一种组合式非定态二氧化硫转化器。
这种转化器可以产生以下效果：
1.调控催化剂床层的温度预分布，可以使系统处在温和条件下进行二氧化硫的催化氧化反应，从而防止了床层温度发生突跃导致催化剂过热的现象。
2.组合式非定态SO2转化器，不仅可以实现硫酸工业生产中的自热平衡，而且在一个转化器中同时满足硫酸工业生产所需要的高转化率（SO2出口转化率可达99%以上）和足够大的气流速度（反应气体空速在0.2-0.35米/秒之间）。
3.提高了催化剂的生产强度，催化剂用量可比传统工艺减少35-50%。
4.可以使系统阻力大大减小，与传统工艺相比，系统阻力可下降40%以上，从而可显著提高单台转化器的生产能力和降低鼓风机功率消耗。
5.可以使硫酸生产工艺流程大大简化，设备投资和操作费用可大幅度降低。
本发明亦是这样实现的：
本发明所说的组合式非定态二氧化硫转化器系由三个区域组成，即由升温区、高温区和降温区所组成，并按非定态操作原理定时切换气流方向，实现非定态操作条件下的二氧化硫催化氧化。
其中，升温区有一个从200～300℃到500～520℃的床层轴向初始预温度分布，内装代号为S105的国产低温钒催化剂和惰性填料，因而升温区又进一步划分为升温惰性区和升温反应区两个子区域。在惰性区内，主要发生固体向气体的传热，即反应气体的升温，其温度分布随时间变化较快;在反应区内，催化剂表面反应、固体向气体传热和催化剂固体本身升温三个过程同时发生，在接近惰性区的反应区固体催化剂温度下降;在接近高温区的反应区固体催化剂温度上升，但幅度不大。S105催化剂的起燃温度（即反应开始的温度）为365-375℃，气体经过这个区域后，转化率可达到85～90%。升温区中的反应子区在这里扮演了传统工艺中的第一层绝热固定床的角色，但具有更高的转化能力。它所产生的另一个效果就是减轻了高温区的负荷。
高温区装有代号为S101的国产钒催化剂，床层初始预温度分布为520～540℃～520℃。催化剂的起燃温度为390-400℃，比S105具有更好的高温活性。反应气体进入该区后，SO2的转化率可进一步提高到90-92%，由于进入该区的反应气体中的SO2已有85～90%被升温反应区所转化，在该区域内，SO2的转化任务不重，而且由于温度较高，反应接近平衡，放热强度很小。通常情况下，该区域的催化剂温度先有较小幅度的下降，接着又有较小幅度的上升。更为有趣的是，高温区的温度变化速度远较升温区和降温区为小;在整个通气半周期中几乎没有什么变化。
降温区采用与升温区相同的填充方式，有一从500-520℃到300～200℃初始预温度分布，同样有两个子区域，即降温反应子区和降温隋性子区。在降温反应子区内，催剂表面反应、气体向固体传热和气体温度下降三个过程同时发生;在降温隋性子区内，主要发生气体向固体的传热，即气体降温和固体蓄热，两个子区域中温度分布的变化速率分别与升温区中反应子区和惰性子区相当。当反应气体进入该区域后，反应状况非常接近于二氧化硫可逆放热反应的最佳温度曲线，整个转化器的出口转化率接近365-375℃时的平衡转化率，大于99%。
在另一个通气半周期，反应气体反向进料，原降温区就变成了升温区，原升温区变成了降温区;高温区域维持不变。各区域的工作原理与前述相同。
为了尽快实现操作的周期稳定性（指床层温度分布和出口最终转化率随时间的变化表现出良好的周期性）、缩短开工时间，初始预温度分布极为重要。它要求高温区催化剂床层温度在520-540℃间，升温区和降温区催化剂床层分别呈现200～500℃和500-200℃的温度变化。为获得这种温度分布，必须对转化器的各个区域分别预热。在实验的转化器中，每隔100mm安装一组热电偶，它们直接与快速多点式温度记录仪相连，随时记录各点的温度变化。在各区域的未端都设有取样口，以便分析SO2的浓度，观察各区域的转化情况。
在上述转化器中进行非定态二氧化硫氧化反应，经4-10个操作周期后，床层温度分布及SO2出口转化率随时间的变化趋于周期稳定。
各区域温度变化如下所述：
1.升温区：当进入转化器的反应气体温度为60℃时，升温区床层的温度沿轴向变化，由60℃至500-520℃。在这个区域内有一点，其温度为催化剂的起燃温度，即365-375℃，定义为升温隋性子区和升温反应子区的交界点，它随时间向床层下游移动。因此，这里所指的两个子区域的宽度在操作（即转化器运行）时，是变化的。惰性子区并不仅仅指惰性填料充填的区域，它有可能包括一部分催化剂充填区;反应子区并不全部包括催化剂充填区。充填惰性填料可以节约催化剂。就转化器本身的结构而言，惰性子区和反应子区就是对应的惰性填料和催化剂充填区。升温区的反应气体进口端，温度下降很快，在1-2分钟内，惰性填料的温度从200℃下降到60℃。随着时间的推移升温反应区在不断地缩小，因此，当升温反应区缩小到一定时，将不足以使85%的二氧化硫转化掉，必须切换转化器的进气方向，此时升温区变为降温区。反应气体在该区域的停留时间为0.5-1.5秒。
2.高温区：由升温区出来的反应气体进入高温区。该区的床层温度呈近似正弦的分布，沿轴向由500-520℃上升到540-570℃，再下降到520-500℃，随时间的变化不大。但是，当升温区的二氧化硫的转化率降至85%以下时，高温区的最高温度将会显著上升并超过600℃，换句话说，由于升温区失控，将导致高温区转化负荷的增加，高温区的催化剂温度升高。为使高温区的最高温度保持在最佳的工况下，即540～570℃下，必须及时切换反应气体的进气方向。所以高温区的中心点温度是本发明的主要控制点。反应气体在此区域的停留时间为0.5-1.0秒。
3.降温区：从高温区出来的反应气体进入降温区，其床层的温度分布呈近似直线下降，由520-500℃下降到出口气体的温度。与升温区相似，降温区存在一个反应子区和隋性子区的交界点，其温度为365-375℃。通常情况下，进料反应气体中的SO2浓度高，出口反应气体温度亦高，比如，当气体进口浓度为9.52%时，出口气体温度为320℃左右;当进口浓度为5.88%时，出口气体温度为210℃左右。出口端固体温度从最初的60℃（上半个周期的进口端温度）上升到这些温度的时间很短，在1-2分钟以内。反应气体在这个区域的停留时间为0.5-1.5秒。
当气体反向进料时，原降温区成为升温区，重复上半个周期的升温区温度变化;原升温区成为降温区，重复上半个周期的降温区温度变化;而高温区的温度分布变化较小。因此，在整个操作周期中，这种转化器的床层温度分布呈现出一种“跷跷板”式的变化，而高温区正是此“跷跷板”的支点。
下面结合附图和实施例进一步阐述本发明的内容。
附图为本发明所说的组合式非定态二氧化硫转化器示意图
其中：
1-转化器壳体
2a、2b-惰性填料子区
3a、3b-转化器下锥盖、上锥盖
4a、4b-低温催化剂（S105）子区
5a、5b、5c-支承筛板
6a、6b-气体予分布器
7a、7b-分别为下端气体进口（或出口）、上端气体出口（或进口）
8-高温区催化剂层（S101），放置在支承筛板5c上
由2a和4a两个子区组成升温区（或降温区）
4b和2b两个子区组成降温区（或升温区），它们分别放置在支承筛板5a，5b上
V1、V2、V3、V4-电磁阀或气动阀。
本发明所说的转化器主要由壳体、下锥盖、上锥盖和催化床层诸部件组合而成，其中催化床层由升温区、高温区和降温区三部分组成，两端分别安装一个低阻力气体预分布器，以提高转化器横截面上气-固相间接触的均匀性，防止催化剂局部过载而引起的过热。
在升温区装入0.1-0.2米厚的惰性填料和0.2-0.4米厚的S105国产钒催化剂。由于催化剂具有较好的低温活性，通过升温区的反应气体的SO2转化率可达85～90%。
在高温区填入0.1-0.2米厚的国产S101钒催化剂。由于进入该区的反应气体中的SO2浓度已显著降低（85%-90%已被升温区所转化），使该区催化剂的负荷显著降低，而且由于温度较高，反应接近平衡，所产生的反应热有限。故在该区前一部分催化剂床层有较小温升，随后又缓慢下降。通过高温区后反应气体中SO2总转化率达90～92%。
在降温区，同升温区一样，装有0.2-0.4米厚的S105钒催化剂和0.1-0.2米厚的惰性填料。在该区，床层温度沿轴向下降，从500℃下降到200-300℃，正好符合二氧化硫氧化反应的高转化率低反应温度的要求。由于反应接近平衡，出口转化率接近催化剂起燃温度365-375℃的平衡转化率99.2-99.5%。因此，通过该转化器，可以获得99%以上的高转化率。
实施例1
本实施例及以下各实施例都是在上述附图所示的组合式非定态转化器中进行的。该转化器直径为φ108×4mm，总高度为1600mm，催化剂总装填量为7.8升。惰性填料2a及S105催化剂区域4a充填高度分别为150和250mm，2b和4b分别与2a和4a相同。S101催化剂区域8高度为200mm。锥形顶盖3a和3b的高度均为150mm，内部均设有一个由两个同心圆锥组成的气体预分布器。各区的端部均设有取样口，共四个。在床层内每隔100mm设置一组热电偶，分别与快速多点温度记录仪相连，实时记录床层内各点的温度变化。转化器通过适当的保温可以做到良好的绝热。在转化器壳体的外部对应于三个区域（2a和4b）、（8）和（4b和2b），分别设有电热丝，可以方便地调控所需要的初始预温度分布。
本实施例采用下面的初始预温度分布;
在2a中，沿床层轴向向上形成220-354℃的上升温度分布。
在4a中，沿床层轴向向上形成354-507℃的上升温度分布。
在8中，沿床层轴向向上形成507-524-507℃的近似正弦曲线的温度分布。
在4b中，沿床层轴向向上形成507-347℃的下降温度分布。
在2b中，沿床层轴向向上形成347-185℃的下降温度分布。
待各区域的温度分布趋于稳定后，将温度为60℃，SO2含量为9.52%（体积百分率），氧气含量为11.2%，其余为氮气的干燥反应气体从下端通入（此时电磁阀V4、V2开，V1、V3关）。体积流量为95升/分钟，相当于转化器内反应气体的空速0.2米/秒。
通过多点温度记录仪，可以看到床层内各点温度有如下变化：位于高温区的床层中心点温度先是缓慢上升，经过55分钟左右接近平稳、由原来的520℃上升到570℃;升温区中隋性区2a的温度快速下降，进口端即惰性区的始点温度不到2分钟内便下降到反应气体的进口温度，升温反应区4a中下端的温度最初下降较快，以后便逐渐缓慢下来;降温区2b和4b中各点温度最初都很快上升，转化器出口端，即降温惰性区终点温度在不到2分钟内便上升到220℃，随后上升幅度又缓慢下来。升温区温度下降速率同降温区温度上升率度基本相当。在55分钟时，反应气体出口温度为316℃。
各区域转化率变化情况如下：升温区出口在通气1分钟时转化率为88.2%，随后缓慢下降，到50分钟时为86.7%，高温区出口在1分钟时转化为91.2%，以后缓慢下降，在50分钟时为90.4%;降温区出口，即转化器出口在一分钟时为99.1%。随后又缓慢上升，50分钟时为99.4%。
该实例的通气时间是根据高温区的中心点的温度变化来确定的。在向上通气55分钟后，改变流向，使反应气体从上端进入转化器（此时电磁阀V1、V3开、V4、V2关），床层各点温度变化如下：中心点温度先是缓慢下降，下降幅度约为10℃。接着又缓慢上升，大约经55分钟后接近平稳，温度值与向上通气时相当，也为570℃。这样，本实施例的气体流动方向切换周期便确定为110分钟。在这个通气半周期内，2b和4b成为升温区，而2a和4a成为降温区，各区域的温度变化与向上通气相似。在50分钟时，出口转化率为99.3%。
当再一次改变流向，气体从下端进时，高温区的中心点温度变化与上半个周期从上端进料时相同，先有小幅度下降，接着又缓慢上升，回到初始温度570℃时，接近平稳。经过6个周期，床层温度分布趋于周期稳定。转化器出口最终转化率在99.1-99.4%之间，温度不大于320℃。
实施例2
实施例2的反应气体组成为SO28.24%，O211.4%，其余氮气。体积流量是120升/分钟，相当于空速0.25米/秒
它的初始预温度分布如下：
在2a中，沿床层轴向向上形成237-347℃的上升温度分布。
在4a中，沿床层轴向向上形成347-540℃的上升温度分布。
在8中，沿床层轴向向上形成540-550-538℃的近似正弦曲线的温度分布。
在4b中，沿床层轴向向上形成538-334℃的下降温度分布。
在2b中，沿床层轴向向上形成334-220℃的下降温度分布。
床层中各点温度变化与实施例1相似。中心点最高温度为564℃，流向变换周期为90分钟，经8个周期后，床层温度分布趋于周期稳定。各区转化率分布情况是：升温区转化率为89.1-87.2%，高温区为91.6-90.6%，降温区为99.0-99.4%，其中的范围显示了通气半周期中转化率随时间的变化。反应气体出口温度不超过280℃。
实施例3
实施例3的反应气体组成为SO26.9%，O211.4%，其余为氮气。体积流量为130升/分钟，相当于转化器空速0.28米/秒。它的初始预温度分布如下：
在2a中，沿床层轴向向上形成315-360℃的上升温度分布。
在4a中，沿床层轴向向上形成360-557℃的上升温度分布。
在8中，沿床层轴向向上形成557-575-540℃的温度分布。
在4b中，沿床层轴向向上形成540-360℃的下降温度分布。
在2b中，沿床层轴向向上形成365-296℃的下降温度分布。
对这个实施例，采用阶梯式开工策略。转化器首先在流向变换周期为20分钟下运行5个周期，接着在40分钟下运行10个周期;最后变换周期确定为60分钟。再经4个周期后，床层温度分布趋于周期稳定。每个周期中床层的温度变化情况与实施例1相似，床层中心点最高温度为555℃。各区域的转化率分布情况如下：升温区为90.4-88.7%，高温区为91.6-89.4%，降温区为99.0-99.4%，反应气体出口温度在单向通气30分钟时为230-234℃。
实施例4
实施例4的反应气体组成为SO25.88%，O210.7%，其余为氮气，体积流量为150升/分钟，转化器空速为0.32米/秒。本实施例的初始预温度分布是实施例1经过42个稳定周期后的向下通气结束时的床层温度分布。这样做的目的是为了考查反应气体进口浓度变化对本发明的转化器操作性能的影响，即考查该组合式转化器的操作弹性。初始预温度分布如下：
在2a中，沿床层轴向向上形成320-315℃的上升温度分布。
在4a中，沿床层轴向向上形成315-520℃的上升温度分布。
在8中，沿床层轴向向上形成520-570-540℃的温度分布。
在4b中，沿床层轴向向上形成540-184℃的下降温度分布。
在2b中，沿床层轴向向上形成184-60℃的下降温度分布。
切换周期为70分钟，经过4个周期后，床层温度分布趋于周期稳定。床层最高温度为540℃，各区域温度变化同实施例1相似。各区域转化率分布为：升温区89.2-87.4%，高温区92.0-91.4%，降温区99.1-99.4%。反应气体出口温度在单向通气35分钟时为212℃。
由上可见，本发明良好地实现了高浓度二氧化硫（SO2的体积百分率为5～10%）气流下的非定态操作，可望对硫酸的工业生产带来巨大的技术进步。