《硫化氫製備硫酸的工藝方法》是上海科洋科技發展有限公司於2011年7月1日申請的專利，該專利的申請號為2011101841284，公布號為CN102320579A，授權公布日為2012年1月18日，發明人是周人、黃銳。
《硫化氫製備硫酸的工藝方法》包括如下步驟：（1）將含H2S原料氣與富氧空氣中的氧氣進行氧化還原反應製備SO2，控制該步驟後的氧氣殘餘量摩爾百分比≥2％，其中，當H2S摩爾百分比為≥8％時，反應為燃燒反應，反應溫度≥900℃；當H2S摩爾百分比為＜8％時，反應為催化反應，反應起燃溫度≥200℃；（2）將所得產物冷卻至390℃～430℃，然後與氧氣進行催化氧化反應，該反應分級進行至其中SO2轉化率≥98.7％或者SO2出口濃度≤550毫克/立方米；（3）將所得產物冷卻至溫度為≥H2SO4露點溫度以上10℃，然後再冷卻至60℃～120℃，並收集H2SO4產品，冷卻後的氣體經過聚結分離，即可直接排空。該方法H2S脫除效率高，工藝流程簡單，且能實現裝置經濟效益和能量合理利用。
2016年12月7日，《硫化氫製備硫酸的工藝方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《硫化氫製備硫酸的工藝方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：硫化氫製備硫酸的工藝方法
- 公布號：CN102320579A
- 授權日：2012年1月18日
- 申請號：2011101841284
- 申請日：2011年7月1日
- 申請人：上海科洋科技發展有限公司
- 地址：上海市金山區興塔鎮興福利路168弄38號3廳19室
- 發明人：周人、黃銳
- Int.Cl.：C01B17/74(2006.01)I
- 代理機構：北京市浩天智慧財產權代理事務所
- 代理人：劉雲貴
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
硫化氫（H2S）是煤炭、天然氣和石油等一次性能源利用過程中的伴生產物，一般在天然氣淨化、石油精煉、煤氣化利用以及煉焦等過程中均有大量H2S產生。H2S是一種無色有臭雞蛋氣味的劇毒氣體，是強烈的神經毒素，對黏膜有強烈的刺激作用。
H2S酸性廢氣不可直接排放環境，中國環境標準《工業企業設計衛生標準》TJ36-79中規定H2S最高容許濃度為10毫克/立方米。2011年前技術工業上，一般採用克勞斯工藝處理H2S並回收得到硫磺，即將H2S與空氣中氧氣反應，部分氧化為SO2，進一步地，在H2S和SO2摩爾（體積）比為2:1的條件下催化反應生成硫磺。然而，對於克勞斯工藝方法，由於其工藝條件複雜，流程長，設備多，同時該反應又受工藝條件限制，尾氣污染物殘留量高，不能滿足環保標準排放，還另需配套建設龐大的尾氣處理裝置，由此可見，克勞斯法裝置投資高，運行費用高，操作困難。考慮到經克勞斯法高成本生產出的硫磺中約90％均用於生產硫酸，若能將H2S直接製備濃硫酸，相比通過克勞斯裝置製備硫磺、再由硫磺製備濃硫酸的工藝，具有裝置投資低，運行成本低的綜合優勢。但是，2011年前技術中並沒有一種有效脫除H2S、工藝流程簡單，設備簡單，且能實現裝置經濟效益和能量合理利用的H2S直接製備濃硫酸的工藝方法。該現狀亟待解決。
發明內容
專利目的
《硫化氫製備硫酸的工藝方法》所要解決的技術問題是克服了2011年前技術中的處理硫化氫廢氣的克勞斯工藝方法存在投資高、運行費用高和操作困難的缺陷，提供了一種H2S脫除效率高，工藝流程簡單，且能實現裝置經濟效益和能量合理利用的硫化氫製備硫酸的工藝方法。
技術方案
《硫化氫製備硫酸的工藝方法》的硫化氫製備硫酸的工藝方法包括如下步驟：
（1）將含H2S原料氣與富氧空氣中的氧氣進行氧化還原反應製備SO2，控制該氧化還原反應步驟後的氧氣殘餘量摩爾百分比≥2％，其中，當含H2S原料氣中的H2S摩爾百分比為≥8％時，氧化還原反應為燃燒反應，反應溫度≥900℃；當含H2S原料氣中的H2S摩爾百分比為＜8％時，氧化還原反應為催化反應，反應起燃溫度≥200℃；
（2）將步驟（1）所得產物冷卻至390℃～430℃，然後與氧氣進行催化氧化反應，該催化氧化反應分級進行至其中SO2的轉化率≥98.7％或者SO2出口濃度≤550毫克/立方米；
（3）將步驟（2）所得產物冷卻至溫度為≥H2SO4露點溫度以上10℃，然後再進一步冷卻至60℃～120℃，並收集H2SO4產品，冷卻後得到的氣體經過聚結分離，即可直接排空。
下面，進一步對《硫化氫製備硫酸的工藝方法》的硫化氫製備硫酸的工藝方法進行詳細介紹：
（1）將含H2S原料氣與富氧空氣中的氧氣進行氧化還原反應製備SO2，控制該氧化還原反應步驟後的氧氣殘餘量摩爾百分比≥2％，其中，當含H2S原料氣中的H2S摩爾百分比為≥8％時，氧化還原反應為燃燒反應，反應溫度≥900℃；當含H2S原料氣中的H2S摩爾百分比為＜8％時，氧化還原反應為催化反應，反應起燃溫度≥200℃。
該發明所述的含H2S原料氣為該領域常規所說的含H2S的廢氣，一般在煤炭、天然氣和石油等一次性能源利用過程中，或者在天然氣淨化、石油精煉、煤氣化利用以及煉焦等過程中產生獲得，其H2S的含量一般在摩爾百分比1％～90％，較佳的為5.2％～28.9％。
其中，當含H2S原料氣中含有NH3時，其中的NH3含量一般在摩爾百分比≤15％，較佳的為1.2％。當含H2S原料氣中含有NH3，H2S摩爾百分比為≥8％時，燃燒反應的反應溫度較佳的為≥1250℃；H2S摩爾百分比為＜8％時，氧化還原反應為催化反應，NH3也進行催化反應，其反應條件與H2S催化反應條件一致，所述的催化反應使用催化劑為該領域常規使用催化劑。由此可實現完全裂解NH3，防止銨鹽堵塞催化劑床層。
該發明所述的富氧空氣為該領域常規所說的氧氣濃度可在摩爾百分比20.8％～100％之間調節的空氣，可通過純氧和空氣混合製備，例如，當需要摩爾百分比30％的富氧空氣，可將空氣與氧氣按照7:1的比例混合即可。《硫化氫製備硫酸的工藝方法》使用的富氧空氣中氧氣的具體濃度使用，該領域技術人員會根據含H2S原料氣中H2S含量以及《硫化氫製備硫酸的工藝方法》設定的反應後的氧氣殘餘量相應計算調整，例如，當H2S摩爾濃度為8％-15％時，使用的富氧空氣中氧氣摩爾百分比為28％。
該發明所述的氧化還原反應為燃燒反應時，反應溫度較佳的為1050℃，含H2S原料氣中的H2S含量優選為摩爾百分比8％～90％。所述的氧化還原反應為催化反應時，含H2S原料氣中的H2S含量優選為摩爾百分比1％～8％。
該發明所述的催化反應的催化劑可為該領域常規使用，一般為γ-氧化鋁基催化劑，且採用固定床式反應器，即催化劑裝填於反應器底部的催化劑柵板上進行，均市售可得。
該發明所述的氧化還原反應步驟後的氧氣殘餘量較佳的為摩爾百分比2％～10％，更佳的為2％～6％，進一步更佳的為2％～3％。
該發明所述的含H2S原料氣與富氧空氣中的氧氣進行氧化還原反應涉及的設備為該領域常規使用設備均可實施。此步驟，不需要另行添加燃料等物，能耗低。
（2）將步驟（1）所得產物冷卻至390℃～430℃，然後與氧氣進行催化氧化反應，該催化氧化反應分級進行至其中SO2的轉化率≥98.7％或者SO2出口濃度≤550毫克/立方米。
該發明所述的將步驟（1）所得產物冷卻的溫度較佳的為410℃～420℃。
該發明所述的步驟（2）的催化氧化反應中的氧氣的含量較佳的為摩爾百分比≥5％，更佳的為5％～7％，SO2的含量較佳的為摩爾百分比≤4％。所述的氧氣的量該領域技術人員知道根據步驟（1）中殘餘量和該步驟的要求調整。
該發明所述的催化氧化反應分級進行的級數較佳的為2～5級，更佳的為3～4級。
該發明所述的催化氧化反應分級進行至其中SO2的轉化率較佳的≥99％。
該發明所述的催化氧化反應的催化劑可為該領域常規使用，一般為釩基催化劑，且採用固定床式反應器，即催化劑裝填於反應器底部的催化劑柵板上。
該發明空氣中的氮氣在高溫環境下與氧氣結合反應生成少量的NO2，且當含H2S原料氣中含有NH3時，NH3在高溫環境中生成NO2，因此，經《硫化氫製備硫酸的工藝方法》人大量實驗研究發現，當含H2S原料氣中含有NH3時，所述的催化氧化反應較佳的加入50-100ppmV的氣氨，使氣氨與NO2進行反硝化反應轉化為N2。所述的反硝化反應為催化反應，催化劑為該領域常規使用催化劑，一般釩基催化劑（如V2O5等）和WO3催化劑，催化劑可裝填於固定床式反應器中。該催化劑均市售可得。
該發明所述的冷卻步驟可用該領域常規所用方式冷卻，較佳的為換熱器進行冷卻或直接添加空氣降溫，當使用換熱器降溫較佳的還使用冷的工藝氣或中低壓飽和蒸汽作為冷卻介質用於熱量回收，以生產過熱蒸汽，做為動力蒸汽推動壓縮機透平做功，以節約能耗。所述的催化氧化反應涉及的設備為該領域常規使用設備如多級段間換熱反應器均可實施，較佳的為臥式多級反應器。
（3）將步驟（2）所得產物冷卻至溫度為≥H2SO4露點溫度以上10℃，然後再進一步冷卻至60℃～120℃，並收集H2SO4產品，冷卻後得到的氣體經過聚結分離，即可直接排空。
該發明所述的將步驟（2）所得產物冷卻溫度較佳的為H2SO4露點溫度以上10℃～30℃，更佳的為H2SO4露點溫度以上15℃～17℃。所述的露點溫度為該領域技術術語，是指恆定氣壓條件下，H2SO4蒸汽冷卻到飽和時的溫度。所述的溫度為≥H2SO4露點溫度以上10℃即指溫度≥（H2SO4露點溫度+10℃），H2SO4露點溫度以上10℃～30℃即指溫度範圍為（H2SO4露點溫度+10℃）至（H2SO4露點溫度+30℃）。
該發明所述的再進一步冷卻的溫度較佳的為105℃～120℃。
該發明所述的步驟（2）所得產物冷卻至溫度為≥H2SO4露點溫度以上10℃可用該領域常規所用的換熱器進行冷卻，還可使用冷的工藝氣或中低壓飽和蒸汽作為冷卻介質用於生產高壓飽和蒸汽或過熱蒸汽，另作他用以節約能耗。其中，中低壓飽和蒸汽是指一般壓力為0.5兆帕～7.8兆帕的飽和蒸汽。
該發明所述的聚結分離可用該領域常規所用的聚結分離器即可。
《硫化氫製備硫酸的工藝方法》所得的H2SO4產品中H2SO4濃度可達質量百分比93％～98％，可根據具體需要進一步調整為恆定濃度的工業級濃硫酸方便使用。
《硫化氫製備硫酸的工藝方法》的硫化氫製備硫酸的工藝方法流程匯總可生產高壓飽和蒸汽或過熱蒸汽，可產過熱蒸汽氣量約為0.8～1.2噸蒸汽/噸硫酸，可適當利用該過熱蒸汽用於推動壓縮機的透平，每天可顯著節約電耗約8000千瓦·小時。
該發明所述進一步冷卻至60℃～110℃使用的設備較佳的為熱交換器，該換熱器包括一殼體，所述殼體的頂部設有一尾氣的排放口，所述殼體的底部設有一出液口，在所述殼體內沿所述殼體的長軸方向設有用於流通冷卻介質的若干玻璃管，所述玻璃管均跨設於所述殼體的兩側壁之間，所述玻璃管位於該冷卻介質上游的一端為首端，位於該冷卻介質下游的一端為尾端，在該冷卻介質的上游和下游之間相鄰的所述玻璃管首尾相連通從而形成至少一條單嚮導流的冷卻介質流道。由玻璃管形成的單嚮導流的冷卻介質通道能夠耐受高溫和強腐蝕，避免在高溫和強腐蝕性環境中發生變形和腐蝕現象，從而確保長時間使用中冷卻介質的流暢性，以及熱交換器使用中的安全性。另外，沿熱交換器長軸方向在熱交換器側壁間橫向設定玻璃管能有效縮短玻璃管的長度，提高玻璃管的剛性，克服玻璃管過脆、耐熱衝擊性差、易破裂的問題。上述玻璃管可以採用硼矽酸鹽玻璃、石英玻璃等或者化學領域中其他公知的能耐高溫防腐蝕的玻璃，在此不做限制。
需要說明的是，當上述殼體為一圓柱體時，該圓柱體的軸線延伸方向即為所述殼體的長軸方向，而圓柱體繞該軸線迴旋所形成的表面則為所述的側壁。
另外，所述玻璃管的首端和尾端可均位於所述殼體內部，此時所述玻璃管的首、尾通過適配的玻璃管道連線。在此對所形成的冷卻介質流道的形狀不做限制，其可以為“弓”字型、“Z”字型或者其他形狀。
其中，所述冷卻介質流道設有一冷卻介質進口和一冷卻介質出口，所述冷卻介質進口靠近所述頂部，所述冷卻介質出口靠近所述底部。尤其當冷卻介質為空氣時，為配合冷空氣下降的特性，上進下出的流向設計能進一步提高冷卻介質的流動性，提高介質流速，繼而提高冷凝效率。
為使玻璃管的長度設定最短，所述玻璃管的延伸方向與所述長軸方向垂直（即與熱交換器的短軸平行），並且所述玻璃管的首、尾均延伸至所對應的側壁的外部。此時可在殼體外部對玻璃管進行連線，裝配更為方便。
尤其當所述熱交換器為立式熱交換器時，橫置的玻璃管的受力更為均勻，安裝方便，不易破裂。
較佳地，所述玻璃管為等距離均勻分布並沿所述長軸方向被分成若干玻璃管單元；每個所述玻璃管單元中的所述玻璃管的首端位於同側，所述玻璃管的首端所在的一側形成所述玻璃管單元的首部，所述玻璃管的尾端所在的一側形成所述玻璃管單元的尾部，在該冷卻介質上游和下游之間相鄰的所述玻璃管單元的首尾錯位設定並通過一管箱首尾連通。該結構能有效增加冷卻介質的流動面積，增大單位時間裡冷卻介質的輸入量，提高冷卻速度。此外，將玻璃管單元化並將相鄰的單元通過管箱連線能有效節省裝配時間，提高熱交換器的生產效率。再者，均勻分布的玻璃管能使得整台熱交換器的換熱更為均勻。
當然，所述玻璃管單元中的玻璃管的排列方式可以為矩陣形式或者為發散形式；此外首尾相連的兩組玻璃管單元中的玻璃管數量可以相等或不相等，在此不做限制。
而所述管箱與相應的側壁之間可通過螺栓等便於拆卸的緊固件進行連線。便於對管道和玻璃管進行清洗。
其中，相鄰的所述玻璃管之間通過“U”型管道連通。“U”型管道能對玻璃管內的冷卻介質起到更好的導向作用，避免在兩根玻璃管的交匯處形成湍流。該“U”型管道的材質可以為橡膠、金屬或者玻璃。除此之外，該領域技術人員也可採用2011年前技術中其他的管連線件將玻璃管首尾連通。
其中，所述冷卻介質進口和冷卻介質出口分別設於兩個所述管箱上。
其中，所述玻璃管的兩端分別穿設於一緊固件中，所述緊固件穿設於所述側壁上。
其中，所述緊固件與所述側壁為間隙配合；所述緊固件與所述側壁上對應的內表面和/或外表面之間還設有一O型密封圈。緊固件與側壁為間隙配合，也就是說該緊固件的外徑略大於側壁上對應的安裝部位的孔徑。一方面有利於玻璃管的裝配，更重要的是可以抵消殼體以及殼體上的內襯物由於熱膨脹而對緊固件和玻璃管產生的剪下力，避免玻璃管發生破裂。
其中，在所述排放口的上游還設有一用於捕集分離液體顆粒的過濾機構。冷凝處理後的廢氣中難免存在離液體顆粒，通過過濾機構過濾防止這些離液體顆粒被排放到大氣中。
較佳地，所述過濾機構為纖維濾板。
其中，在所述殼體的內壁上還設有一防腐蝕保護層。該結構能對殼體起到防腐蝕的保護作用，提高殼體的使用壽命。
較佳地，在所述防腐蝕保護層為聚四氟乙烯板材。
其中，所述殼體靠近所述出液口的部位沿著排液方向逐漸縮小。有利於集中回收具有黏性的冷凝產物，避免冷凝產物在殼體內發生掛壁現象。
其中，上述換熱器的優選條件在符合該領域常識的基礎上可任意組合，即得《硫化氫製備硫酸的工藝方法》各較佳換熱器。
《硫化氫製備硫酸的工藝方法》優選的熱交換器利用玻璃管替代2011年前技術中的貴金屬或聚四氟乙烯換熱管，並形成一單嚮導流的冷卻介質流道，提高了熱交換器在高溫、強腐蝕環境下的使用壽命。在側壁之間跨設玻璃管能有效縮短其長度，提高其強度。進一步地，自上而下的單嚮導流的冷卻介質流向能避免冷卻介質在流道內發生湍流，繼而也提高熱交換器的換熱效率。
更進一步地，當冷凝後的液態強腐蝕性介質回到殼體底部時會遇上自殼體底部輸入的高溫氣態強腐蝕性介質以及位於殼體底部的換熱後的冷卻介質，受到它們的高溫影響，液態強腐蝕性介質中的水分得以被進一步的蒸發，從而提高冷凝產物的濃度。此外，由於換熱效率提高、冷卻充分，使得冷卻介質排出的溫度相較2011年前技術提高，通過與2011年前的熱能回收裝置連線則可對這股熱能進行二次利用，更為環保節能。
《硫化氫製備硫酸的工藝方法》所用試劑和原料均市售可得。
在符合該領域常識的基礎上，《硫化氫製備硫酸的工藝方法》中上述的各技術特徵的優選條件可以任意組合得到該發明較佳實例。
改善效果
《硫化氫製備硫酸的工藝方法》的硫化氫製備硫酸的工藝方法H2S脫除效率高，處理含H2S的廢氣後所排放尾氣中H2S濃度低於10ppmV顯著優於現行環保標準，若涉及其他污染物包括但不限於SO2、SO3和NO2均優於現行環保標準GB16297-1996的要求；並且工藝流程布局合理、簡單且經濟效益顯著，綜合能量利用率高；特別採用的橫置高硼矽玻璃換熱管使得裝置操作簡便靈活，設備造價低，節能環保。
附圖說明
圖1為《硫化氫製備硫酸的工藝方法》的實施例1中的熱交換器的結構示意圖。
圖2為圖1中的熱交換器的右側結構示意圖。
圖3為該發明的實施例1中玻璃管單元的另一結構示意圖。
圖4為該發明的實施例1中玻璃管與殼體側壁連線的結構示意圖。
圖5為該發明實施例2工藝方法的流程示意圖。
圖6為該發明實施例3工藝方法的流程示意圖。
圖7為該發明實施例4工藝方法的流程示意圖。
技術領域
《硫化氫製備硫酸的工藝方法》涉及一種硫化氫製備硫酸的工藝方法。
權利要求
1.一種硫化氫製備硫酸的工藝方法，其特徵在於：其包括如下步驟：
（1）將含H2S原料氣與富氧空氣中的氧氣進行氧化還原反應製備SO2，控制該氧化還原反應步驟後的氧氣殘餘量摩爾百分比≥2％，其中，當含H2S原料氣中的H2S摩爾百分比為≥8％時，氧化還原反應為燃燒反應，反應溫度≥900℃；當含H2S原料氣中的H2S摩爾百分比為＜8％時，氧化還原反應為催化反應，反應起燃溫度≥200℃；
（2）將步驟（1）所得產物冷卻至390℃～430℃，然後與氧氣進行催化氧化反應，該催化氧化反應分級進行至其中SO2的轉化率≥98.7％或者SO2出口濃度≤550毫克/立方米；
（3）將步驟（2）所得產物冷卻至溫度為≥H2SO4露點溫度以上10℃，然後再進一步冷卻至60℃～120℃，並收集H2SO4產品，冷卻後得到的氣體經過聚結分離，即可直接排空。
2.如權利要求1所述的工藝方法，其特徵在於：所述的含H2S原料氣H2S的含量為摩爾百分比1％～90％，較佳的為5.2％～28.9％；所述的氧化還原反應為燃燒反應時，反應溫度為1050℃；當含H2S原料氣中含有NH3，NH3含量為摩爾百分比≤15％，較佳的為1.2％，H2S摩爾百分比為≥8％時，燃燒反應的反應溫度為≥1250℃；所述的富氧空氣為氧氣濃度在摩爾百分比20.8％～100％之間的空氣。
3.如權利要求1所述的工藝方法，其特徵在於：所述的步驟（1）氧化還原反應步驟後的氧氣殘餘量為摩爾百分比2％～10％，較佳的為2％～6％，更佳的為2％～3％。
4.如權利要求1所述的工藝方法，其特徵在於：所述的將步驟（1）所得產物冷卻的溫度為410℃～420℃；所述的步驟（2）的催化氧化反應中的氧氣的含量為摩爾百分比≥5％，更佳的為5％～7％，SO2的含量為摩爾百分比≤4％；所述的步驟（2）的催化氧化反應分級進行的級數為2～5級，較佳的為3～4級；所述的催化氧化反應分級進行至其中SO2的轉化率≥99％。
5.如權利要求1所述的工藝方法，其特徵在於：所述的步驟（2）的催化氧化反應，當含H2S原料氣中含有NH3時，所述的催化氧化反應加入50-100ppmV的氣氨。
6.如權利要求1所述的工藝方法，其特徵在於：所述的步驟（2）的冷卻步驟為換熱器進行冷卻或直接添加空氣，當使用換熱器降溫還使用工藝氣或中低壓飽和蒸汽作為冷卻介質。
7.如權利要求1所述的工藝方法，其特徵在於：所述的步驟（3）的將步驟（2）所得產物冷卻溫度為H2SO4露點溫度以上10℃～30℃，較佳的為H2SO4露點溫度以上15℃～17℃；所述的再進一步冷卻的溫度為105℃～120℃。
8.如權利要求1所述的工藝方法，其特徵在於：所述的步驟（3）的將步驟（2）所得產物冷卻至溫度為≥H2SO4露點溫度以上10℃用換熱器進行冷卻，使用工藝氣或中低壓飽和蒸汽作為冷卻介質。
9.如權利要求1所述的工藝方法，其特徵在於：所述的步驟（3）的進一步冷卻至60℃～110℃使用的設備為熱交換器，該熱交換器包括一殼體，所述殼體的頂部設有一尾氣的排放口，所述殼體的底部設有一出液口，在所述殼體內沿所述殼體的長軸方向、在兩側壁之間跨設有若干用於流通冷卻介質的玻璃管，所述玻璃管位於該冷卻介質上游的一端為首端，位於該冷卻介質下游的一端為尾端，在該冷卻介質的上游和下游之間相鄰的所述玻璃管首尾相連通從而形成至少一條單嚮導流的冷卻介質流道。
10.如權利要求9所述的工藝方法，其特徵在於：所述冷卻介質流道設有一冷卻介質進口和一冷卻介質出口，所述冷卻介質進口靠近所述頂部，所述冷卻介質出口靠近所述底部；所述玻璃管的延伸方向與所述長軸方向垂直，並且所述玻璃管的首、尾均延伸至所對應的側壁的外部；所述玻璃管為均勻分布並沿所述長軸方向被分成若干玻璃管單元；每個所述玻璃管單元中的所述玻璃管的首端位於同側，並形成所述玻璃管單元的首部，所述玻璃管的尾端所在的一側形成所述玻璃管單元的尾部，在該冷卻介質上游和下游之間相鄰的所述玻璃管單元的首尾錯位設定並通過一管箱首尾連通。
實施方式
實施例1 該發明的熱交換器
為敘述方便，以下採用立式熱交換器進行說明，下文中所稱“左”、“右”與圖1本身的左、右方向一致；但這不能成為對《硫化氫製備硫酸的工藝方法》的限制。附圖中的圓圈和叉分別表示流向相反的兩根玻璃管。
如圖1所示，與2011年前技術相同的該實施例中的熱交換器包括一豎直放置的長方形的殼體1，該殼體1的頂部具有一排放廢氣的排放口11，在殼體1的底部具有一個輸入硫酸蒸汽的進氣口12。在進氣口12的下方還具有一個排液口13，用於排出冷凝後的濃硫酸。其中，該殼體1的底部成半圓形結構，排液口13位於圓形結構的最下方。當然，殼體1底部可以為其他沿液體排出方向逐漸縮小的結構，例如倒三角形或者倒梯形。另外，殼體1的頂部位於排放口11的上游設有一作為過濾機構的纖維濾板3，用於過濾冷凝後產生的尾氣中的液態小顆粒。
與2011年前技術不同的是，如圖1和圖2所示，在殼體1左、右兩側壁之間沿著長軸方向（即圖1中豎直方向）設有玻璃管，該實施例中的玻璃管為均勻分布並沿長軸方向被劃分成十二組玻璃管單元，每組玻璃管單元中均包含多根沿水平面分布的玻璃管。同一玻璃管單元中的玻璃管的首端位於殼體1的同側從而形成了該玻璃管單元的首部，同理由這些玻璃管的尾端形成該玻璃管單元的尾部。並且，在冷空氣的上游和下游之間相鄰的兩組玻璃管單元，即沿豎直方向相鄰的兩組玻璃管單元的首部和尾部錯位設定，並通過設於殼體1外壁上的管箱連通。在最上方的一個管箱上設有冷卻介質進口51，在位於最下方的一個管箱上設有冷卻介質出口52，因此冷空氣自左向右進入、自上而下流動。
具體地，在殼體1的左、右兩側上、下錯位地設定若干管箱。自上而下第一組玻璃管單元61的首部位於左側上方的第一管箱53內，尾部位於右側上方的第二管箱54內；自上而下第二組玻璃管單元62的首部位於第二管箱54內，尾部位於第一管箱53下方的第三管箱55內；自上而下第三組玻璃管單元63的首部位於第三管箱55內，尾端位於第二管箱54下方的第四管箱56內，依次類推，從而形成多通道、單嚮導流的冷卻介質流道。
所有的管箱均通過螺栓與殼體連線。另外，位於同側的管箱可為一體成型，包括一從第一組玻璃管單元61上方延伸到最後一組玻璃管單元的本體，然後由若干的導風板將由該本體和側壁形成的腔室分割成相互獨立的導風腔。相鄰的玻璃管單元通過導風腔聯通，具體連線方式見上述。
另外，如圖3所示，玻璃管單元61’中玻璃管的排布也可為三維空間分布的矩陣形式。從而能在節省空間的基礎上起到增加空氣流動面積，提高流量和冷卻效率的目的。
此外，如圖4所示，在殼體1的側壁內表面上還設有作為防腐保護層的聚四氟乙烯板材14，用於防止殼體1與強腐蝕性介質直接接觸，影響其使用壽命。
下面結合圖4以玻璃管21為例進一步說明玻璃管與殼體1的連線關係。
玻璃管21端部穿設於一螺栓41中，而螺栓41穿設於殼體1的側壁上隨後用螺母43將其固定在殼體1上。其中，螺栓41與殼體1的側壁以及側壁內表面的聚四氟乙烯板材14為間隙配合，從而為聚四氟乙烯板材14留下受熱膨脹的空間，避免其受熱膨脹後對螺栓41和玻璃管21產生擠壓導致玻璃管21破裂。在螺栓41與聚四氟乙烯板材14之間還設有一密封圈42從而將安裝玻璃管21的部位有效密封，防止硫酸蒸汽從裝配部位泄漏。
需要說明的是，殼體中設定的玻璃管數量可根據實際情況進行增減，例如用於實驗室使用的小型熱交換器的玻璃管數量較少，而用於大型產業批量生產的熱交換器的玻璃管數量則會較多。
該實施例中，該殼體1的長寬高依次為2米，1.5米和8米。十二組玻璃管單元中的玻璃管總數為3250根，且每根的長度為1.6米。
實施例2
含H2S的酸性氣氣體組成為（摩爾濃度）：H2S25.1％，COS0.94％，CO273.36％，CH40.48％，CH3OH0.12％。
該實施例的工藝流程示意圖可參見圖5所示。
（1）該原料氣與空氣在反應器F-1中發生燃燒反應，反應溫度約為1050℃，反應後工藝氣中氧氣殘餘含量為摩爾百分比3％，經燃燒反應原料酸性氣中H2S全部氧化轉化為SO2，同時產生大量的H2O；
（2）熱工藝氣送至換熱器E-1冷卻，所釋放的熱量用於生產中高壓飽和蒸汽，經冷卻的工藝氣補加空氣以提高工藝氣中氧氣濃度，同時調整SO2濃度為4％，在溫度為410℃，O2濃度高於7％條件下進入多段催化反應器R-1，催化氧化SO2生成SO3，採用段間換熱移出工藝氣熱量，降低溫度後再進入下一床層進一步反應，反應級數為4級；催化反應器R-1出口處SO2轉化率在99.2％；
（3）然後工藝氣在換熱器E-2（實施例1的換熱器）中進一步冷卻至275℃，該溫度高於硫酸露點溫度15℃的溫差，工藝氣然後在換熱器E-3中進一步降低溫度至105℃，以促使SO3及H2SO4蒸汽完全吸收及冷凝，換熱器E-3底部出口的濃硫酸降溫調質後送出界區；E-3出口的不凝氣需經聚結分離器C-1聚結和收集不凝氣中的H2SO4氣溶膠，然後不凝氣送至煙囪放空，其污染物濃度分別為60毫克/立方米NO2和520毫克/立方米SO2，H2S濃度低於10ppmV，該濃度嚴格滿足環保標準。
實施例3
含H2S的酸性氣氣體組成為（摩爾濃度）：H2S28.9％，COS1.2％，CO268.59％，CH41.2％，CH3OH0.13％，NH31.2％。
該實施例的工藝流程示意圖可參見圖6所示。
（1）由於酸性氣含有NH3，需要提高熱反應溫度以促使NH3完全反應，防止NH3與SO2形成銨鹽沉積，導致催化劑短時失活，同時堵塞管道和催化劑床層，導致系統阻力增大造成系統操作波動；該酸性氣在F-1內與30％氧含量的富氧空氣發生燃燒反應，該富氧空氣通過空氣與氧氣以7:1比例混合製備，此條件下F-1內熱反應溫度1250℃，滿足燒氨工藝需要，反應後H2S全部氧化轉化為SO2，NH3轉化為NO2，同時產生大量的H2O；
（2）熱工藝氣送至E-1冷卻，所釋放的熱量用於生產中高壓飽和蒸汽。經冷卻的工藝氣補加空氣以提高工藝氣中氧氣濃度，同時調整SO2濃度為4％，同時工藝氣需補加50-100ppmV的氣氨，在溫度為415℃，O2濃度高於7％條件下進入多段催化反應器R-1，促使上述燃燒工段產生NO2轉化為N2，然後工藝氣催化氧化SO2生成SO3，採用段間換熱移出工藝氣熱量，降低溫度後再進入下一床層進一步反應，反應級數為2級；R-1出口處NO2轉化率為95％，SO2轉化率在99.2％；
（3）然後出口工藝氣在E-2（實施例1的換熱器）中進一步冷卻至280℃，該溫度高於硫酸露點溫度17℃的溫差，工藝氣然後在E-3中進一步降低溫度至110℃，以促使SO3及H2SO4蒸汽完全吸收及冷凝，E-3底部出口的濃硫酸降溫調質後送出界區；E-3出口的不凝氣經C-1聚結和收集不凝氣中的H2SO4氣溶膠，然後不凝氣送至煙囪放空，其污染物濃度（NO2，SO2，SO3）嚴格滿足環保標準，H2S濃度低於10ppmV。
實施例4
含H2S的酸性氣氣體組成為（摩爾濃度）：H2S5.2％，COS0.8％，CO292.6％，CH41.2％，CH3OH0.2％。
該實施例的工藝流程示意圖可參見圖7所示。
（1）該酸性氣的特點是H2S濃度低，在催化劑作用下與空氣在F-1中發生催化氧化反應，反應起始溫度為210℃，反應結束溫度為445℃，為防止H2S劇烈氧化放熱導致催化劑床層飛溫，採用2級反應，段間冷介質換熱降低工藝氣溫度，反應後工藝氣中氧氣殘餘含量為2％，經催化反應原料酸性氣中H2S全部氧化轉化為SO2，同時產生大量的H2O；
（2）經冷卻的工藝氣補加空氣以提高工藝氣中氧氣濃度，同時調整SO2濃度為4％，經補加冷空氣後溫度降至420℃，O2濃度提高於5％進入多段催化反應器R-1，催化氧化SO2生成SO3，採用段間換熱移出工藝氣熱量，降低溫度後再進入下一床層進一步反應，反應級數為3級；R-1出口處SO2轉化率在98.7％；
（3）然後出口工藝氣在E-2（實施例1的換熱器）中進一步冷卻至260℃，該溫度高於H2SO4露點溫度15℃的溫差，工藝氣然後在E-3中進一步降低溫度至120℃，以促使SO3及H2SO4蒸汽完全吸收及冷凝，E-3底部出口的濃硫酸降溫調質後送出界區；E-3出口的不凝氣需經C-1聚結和收集不凝氣中的H2SO4氣溶膠，然後不凝氣送至煙囪放空，其污染物濃度分別為30毫克/立方米NO2和520毫克/立方米SO2，該濃度嚴格滿足環保標準，H2S濃度低於10ppmV。
榮譽表彰
2016年12月7日，《硫化氫製備硫酸的工藝方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
