Phản ứng chuyển hoá khí SO2 thành SO3:
SO2 + O2 SO3 + 297 kJ/mol
Nghiên cứu phổ hồng ngoại người ta xác định trong xúc tác có hình thái của các hợp chất Kali sunfovanadat (V2O5.K2O.SO3) hay pyrosunfovanadat (V2O5.K2O.2SO3). Ở nhiệt độ làm việc (420) các hợp chất này nóng chảy trên bề mặt chất mang của xúc tác. SO2 và O2 bị hấp thụ trên bề mặt xúc tác và hòa tan vào hợp chất nóng chảy đó.
V2O5 + SO2 V2O4 + SO3
V2O4 + O2 V2O5
Quá trình oxy hóa SO2 thành SO3 diễn ra trong tháp tiếp xúc.
Hỗn hợp khí SO2 sau lò đốt có nhiệt độ 950 - 1050oC đi qua nồi hơi tận dụng nhiệt, trao đổi nhiệt với nước. Tại nồi hơi nhiệt độ hỗn hợp khí giảm xuống còn 420 - 430oC, sau đó tiếp tục qua thiết bị lọc gió nóng đi vào lớp 1 của tháp tiếp xúc dạng tầng có trao đổi nhiệt bên ngoài.
Đây là quá trình tỏa nhiệt, cân bằng sẽ dịch chuyển về phía thu SO3 khi giảm nhiệt độ và tăng áp suất. Tuy nhiên, ở những giai đoạn đầu oxy hoá, thậm chí ngay cả khi có mặt những chất xúc tác mạnh cần phải tăng nhiệt độ cao hơn 450oC để tăng vận tốc phản ứng.
Cơ chế quá trình oxi hoá SO2 trên xúc V2O5 tác chia thành các giai
V2O5
- Khuếch tán cấu tử phản ứng (SO2 và O2) từ dòng khí đến bề mặt hạt xúc tác, sau đó khuếch tán vào trong các mao quản của xúc tác.
- Hấp thụ oxy bằng chất xúc tác (chuyển điện tử từ chất xúc tác đến các nguyên tử oxy).
- Hấp phụ phân tử SO2 để tạo thành phức [SO2.O.Xt]. - Chuyển nhóm điện tử để tạo thành phức [SO3.Xt]. - Giải hấp phụ SO3 (quá trình nhả hấp thụ).
- Khuếch tán SO3 từ các mao quản của khối tiếp xúc và từ bề mặt của các hạt ra ngoài.
a) Điều kiện oxi hóa SO2 trên xúc tác V2O5
Để tốc độ phản ứng đạt giá trị cực đại cần giảm nhiệt độ thích hợp (420 - 450oC). Do oxi hóa SO2 là quá trình tỏa nhiệt nên sau mỗi lớp xúc tác nhiệt độ càng tăng cao hệ đạt trạng thái cân bằng tốc độ phản ứng về không. Cần phải làm nguội hỗn hợp khí sau mỗi lớp xúc tác.
Dòng khí đi vào tháp tiếp xúc có tốc độ cao có thể làm vỡ xúc tác người ta thiết kế cho dòng khí đi qua một lớp đá thạch anh dày khoảng 200 mm để giảm vận tốc khí và phân khối khí đều ra toàn bộ bề mặt lớp xúc tác.
Ở trên và dưới các lớp xúc tác cũng được rải một lớp đá thạch anh mỏng (50 mm). Ngoài việc bảo vệ xúc tác các lớp thạch anh này còn có tác dụng duy trì nhiệt độ cho lớp xúc tác, tránh không cho nhiệt độ tăng cao cục bộ hay giảm xuống mức quá thấp.