三氧化硫磺化装置由液体SO2为起始剂，催化转化后形成气体SO3，用于磺化反应，反应产生的尾气经两级吸收可安全排放。装置由三氧化硫发生、空气干燥、磺化和老化、中和、尾气处理等几大工序组成，可以在实验室内实现气体三氧化硫的稳定产出，平稳完成磺化反应。

目前实验室三氧化硫磺化系列装置经过多年发展已经形成系列化，特别是经过四次优化升级，装置预热更快，磺化量更小，具有快速、稳定、安全和环保的多重优势。

三氧化硫(SO3)是硫酸的酸酐，能量储量高，磺化反应速率快，工业生产无废液产生，是磺化/硫酸化工业向快速化、环保化转变的良好选择。

三氧化硫磺化装置实验室科研工作是工业发展的强大技术支撑。但是实验室内的SO3不易保存，用发烟硫酸制取SO3稳定性不能保证。因此高校、企事业单位和科研院所在开展磺化/硫酸化实验时常使用的是液体磺化剂——浓硫酸。浓硫酸作为磺化剂使用时，每反应一分子硫酸即产生一分子水。产生的水分会将浓酸稀释，不但降低了反应速率，拖延了反应时间，增加了分离工序，而且产生了大量工业废酸，增加了生产成本。2005年出台的先关条例将硫酸列为管制化学品，在高校科研和企业生产中，浓硫酸和发烟硫酸的采购和储存愈发困难，对磺化/硫酸化科研工作造成的很大的影响。

目前国内实验室使用的SO3多通过加热发烟硫酸来制取，再由氮气稀释形成混合气体，然后用于磺化反应。通常有简易的尾气硫酸吸收，没有中和、水解单元，不能称为连续磺化装置，在工艺、设备、操作条件方面与实际生产装置没有可比性，尤以稳定性差的缺点很明显。原因在于装置氮气流量不稳定，SO3产量也不稳定，造成SO3浓度波动。同时SO3熔点和沸点都比较接近室温，造成SO3很容易在管道冻结阻塞管道，此时波动的氮气气流很容易将玻璃器皿的连接口冲开，逸出的SO3会瞬间形成大量的酸雾且不能消散，酸雾会触发室内烟雾报警器，中断实验。在操作时实验可重复性差，人为因素更为明显。同时，发烟硫酸使用危险性高，采购困难，还存在剩余废酸待处理的现实问题。

实验室三氧化硫磺化系列装置由液体SO2为起始剂，经加热气化后与干燥空气在转化塔内高温反应，产生气体SO3装置可配备多种磺化器，并可根据需求配置中和、水解等单元。同时为了更好地让科研人员观察实验现象，装置配备的磺化器等设备很大限度地使用了玻璃材质，并相应增加很多其它便利措施，具有气源安全稳定，操作简便，参数量化，排放环保的优势。

实验室三氧化硫磺化系列装置的出现，能够将实验室科研工作与工业生产需求有效衔接。

1 实验室三氧化硫磺化装置的发展

目前SO3磺化工艺已经从传统的表面活性剂生产领域扩展到了印染、皮革、采油、食品、医药、农药和其它化工中间体等诸多方面。为了适应科研发展需要，从2002年面世起，经历了四次大的优化升级。代为仪表控制和显示；第二代升级为PLC触摸屏集中远传控制；第三代采用更的涡流加热方式，使转化塔能够在1 h内达到所需温度，预热时间更短；第四代在第三代基础上开发微型装置，将传统的3~8 kg/h的产量降低到0.5~1 kg/h，SO3稳定产气量小到30 mL/min，真正满足了快速化、微量化的实验需求。本装置可以广泛用于表面活性剂、染料、医药化工、化工中间体等领域的相应磺化/硫酸化的科研实验、教学演示和工业开发领域。

2 工艺简介

由空气干燥、三氧化硫发生、磺化和老化、中和、尾气处理等工序组成，可以根据不同原料的工艺需要增加相应的工序（比如增加水解工序），很大限度地满足不同原料的磺化实验需求。

2.1 空气干燥

目的：本工序旨在提供经深度干燥、具有一定压力的工艺空气，用于制备三氧化硫，完成磺化反应。

过程简述：空气经无油空压机压缩，进入过滤器、冷冻机、精密过滤器、吸附式干燥机后，经减压阀减至所需压力，得到深度干燥的洁净空气，供后续工序使用，工艺空气量由空气质量流量计控制。

图1 空气干燥单元工艺流程示意图

2.2 三氧化硫发生

目的：将纯净的SO2气体与干燥的工艺空气引入转化塔，经钒触媒（V2O5）催化转化成三氧化硫/空气混合气体，再经冷却器冷却，加入定量的稀释空气，成为一定浓度的SO3气体，供磺化使用。

过程简述：用电加热器控制SO2钢瓶的温度，使SO2气体出口压力保持恒定，液体充分气化，SO2气体和工艺空气由质量流量计控制，工艺空气经过电加热器加热的送至转化塔。SO2和空气混合气体经两层催化剂的催化转化得到SO3气体，转化塔层间温度由冷激风进行调节。SO3气体通过冷却器冷却至磺化所需温度，再经SO3过滤器将冷凝酸滤出后进入磺化工序。

2.3 磺化和老化（以降膜式磺化器生产烷基苯磺酸为例）

目的：有机原料与三氧化硫/空气混合气体在磺化器内完成磺化反应。

过程简述：有机原料经原料罐、齿轮泵定量送至磺化器（以降膜磺化器为例）的有机物腔，沿管内壁均匀成膜状降落，与顶部通入的SO3气体并流而下，完成磺化反应。反应热由夹套冷却水带走。磺化后的气液混合物经气液分离器进行气液分离。对于烷基苯磺化，磺化液体产物磺酸经产品输出泵送至磺酸老化罐，老化后进入产品罐待水解。

磺化反应为瞬时反应，有机物一经与SO3接触即进行磺化反应，并放出大量的热量，必须通过冷却水保证恒温反应，以控制副反应的发生，保证产品质量。

2.4 中和

目的：磺化产物与液碱快速均匀中和得到相应的弱碱性的更易于稳定保存的盐溶液。

过程简述：磺化产物由磺酸出料泵送至中和系统，与定量稳定进料的液碱、工艺水按照相应比例在一定的温度和压力下快速搅拌，得到相应的盐溶液。为了将中和反应热迅速除去，采用环路循环中和，由循环泵、高剪切均质泵、静态混合器、冷却器、计量泵及pH控制器组成。

2.5 尾气处理

目的：磺化尾气中含有微量未转化的SO2、未反应的SO3、硫酸雾和有机酸雾。为达到环保的要求，采用不锈钢丝网除雾器、有机物吸收和碱吸收装置将其除去。

过程简述：从磺化工序来的磺化尾气进入金属丝网除雾器，将有机酸雾、硫酸雾凝聚排出，尾气则从顶部排至有机物吸收罐进行吸收，除去尾气中的SO3，再从顶部排至碱吸收罐进行碱吸收，除去尾气中的SO2。

2.6 水解（适用于AOS）

目的：打开磺内酯，形成磺酸盐。

过程简述：来自中和部分的α-烯烃磺酸盐由物料增压输送泵输送，经预热器、高温高压水解器，在高温和一定的压力下反应，充分打开磺内酯，再与多余的碱中和反应，产品经冷却器冷却得到AOS产品。

3 装置分类

根据产量分以下三类。

3.1  FJEE-I型磺化装置（0.1kg/h）

该型磺化装置多用于实验室内科研开发。产气量少却非常稳定，多配合搅拌釜式磺化器使用。

SO3用气量低带来的技术难题是如何保证转化设备达到所需的温度且保证稳定均衡，实现稳定的、较高的转化率。

本类装置的主要特点是设备精致，占地面积小在1~2 m2以内，可以置于通风橱内，配合实验台使用。SO3转化率≥95%，预热时间缩短至0.5~1 h以内，在搭建实验台的同时即可完成转化塔预热，可以满足科研即插即用的快速实验需求。

图7  FJEE-I型磺化装置

该型装置的规模和磺化量根据客户需求相应订制，例如，上图的三氧化硫产量为20~100 mL/min的磺化装置，折合磺化量仅为18~90 g/h，转化率97%。装置通过西门子触摸屏控制，占地面积0.7 m2，预热时间仅为30 min。

3.2  FJEE-II型磺化装置（0.5~2 kg/h）

该型装置由空气干燥、三氧化硫发生、磺化、尾气处理等几个单元组成。可以匹配釜式磺化器和降膜磺化器等多种反应器。磺化量为0.5~2 kg/h（以烷基苯磺酸钠计）。

该装置的主要特点是设备外观精致，预热时间短，SO2/SO3转化率高，三氧化硫产量稳定，仅需一人便可顺利完成实验。几种磺化器切换便捷，更加适应实验室内的小批量、快速灵活的科研需求。

图8  FJEE-II型室磺化装置

3.3  FJEE-III型磺化装置（3~8 kg/h）

实验室磺化装置包括空气干燥、三氧化硫发生、磺化及老化、中和、水解、尾气处理六个单元，可以用于科研实验需要，更可以模拟中试放大的磺化、水解、中和等产品生产所需的整条生产线开发需求。可以匹配所有类型的磺化反应器，包括：釜式磺化器、降膜式磺化器、喷射反应器和超重力反应器。磺化量为3~8 kg/h左右（以烷基苯磺酸钠计）。

本类装置的主要特点是三氧化硫产量稳定、转化率更高，可以满足科研所需，适应中试放大，与多种磺化反应器有效匹配。可以用于行业的教学、科研，生产部门探索新原料、新工艺、优化操作条件等方面，具有实验周期短、成本低、操作简便等特点。

图9   FJEE-III型磺化装置

4 磺化器分类

根据客户需要及相应原料和产品适应性上的差异，可配套的磺化器分四大类，分别为釜式磺化器、降膜式磺化器、喷射磺化器和超重力磺化器。

4.1 釜式磺化

釜式磺化是传统的气液反应的方式——鼓泡反应。釜式磺化操作简单易实现，产品适应范围广，因此在实验室是使用很多的反应方式，缺点是传质和传热效果差，大量未反应SO3逸出，冷却效果有限。而且由于长时间在酸性环境中反应，不利于硫酸化反应[1]。

釜式磺化通常只有水平方向搅拌，传质效果一般，如何改善釜式磺化搅拌方式、实现气体的均匀分布是解决釜式磺化传质效果差的努力方向。

4.2 降膜式磺化(以列管磺化器为例)

有机物在磺化管内壁呈膜流下，气体在管中间与液体有机物顺流而下发生反应，管外是冷却水。膜式磺化在表面活性剂工业领域应用广泛，优点是磺化反应速率快，反应率高，冷却效果好，产品品质可控，色泽浅，更有利于硫酸化这种快速反应的需求[2]。

降膜式磺化的原料也有相应的要求，就是有机物粘度要适中，磺化产物与原料粘度相差不大。粘度太小，则流动快，易断膜；停留时间短，反应不充分；粘度太大，降膜流速慢易堵管；同时，膜式磺化不适合挥发性较大原料的磺化反应，因为原料损耗较大。

实验室三氧化硫磺化系列装置的膜式磺化器为玻璃材质，便于观察磺化效果，随时调整磺化工艺，因此更适用于新产品的膜式磺化开发。的磺化管长度在2 m以内，磺化量在0.5~8 kg/h之间。

4.3 喷射磺化

喷射磺化利用文丘里原理，一般由高速流动的气体卷吸液体反应。在喷射器喉管部分，高速气体将液体击碎至几微米的液滴，使相对少量的液体以小液滴的形式分散于高速碰撞的气流中，以液滴为传质反应的基本单元，属于液滴型反应器[3]。

喷射反应的优点在于反应速度快，磺化率更高，反应器体积小；缺点在于气体带压，因此气体设备制作标准要求较高，同时真正实现稳定反应技术难度较大。

喷射磺化适用于磺化后产物粘度陡增，磺化产品纯度不好，磺化后易出现结渣的采油行业的磺化，或者对磺化温度非常敏感的甲苯等磺化场合使用。

4.4 超重力磺化

超重力磺化器是将有机物在填料转鼓高速旋转形成的离心力的作用下，在填料表面甩成膜，与逆向而来的SO3接触反应。可以将超重力反应器看成一个水平放置的膜式磺化器，不同之处在于膜式磺化器是1个重力加速度(G)，超重力反应器的离心力可达几个甚至上百个G，因此形成的膜更薄，膜厚只有微米甚至纳米级，比表面积更大，加上与气体SO3逆向运动而接触，传质效果更好，反应速度快，很小的反应器可实现很大的磺化产量[4]。

超重力反应由于离心力巨大，常规粘度的原料难以均匀成膜，反而高粘度的物料挂膜更均匀，更适合本装置，因此超重力磺化用于磺化反应缓慢、原料粘度高或者磺化后粘度陡增无法流动的场合。