銅系低變催化劑實驗室活性評價方法探討

陳延浩

（南化集團研究院，南京 210048）

研究與開發

銅系低變催化劑實驗室活性評價方法探討

陳延浩

（南化集團研究院，南京 210048）

在分析一氧化碳銅系低溫變換催化劑工業使用條件的基礎上，提出了一種實驗室條件下的活性評價方法，并對該方法的可靠性進行了驗證。結果表明，在實驗室條件下采用本方法可客觀地評價低變催化劑在工業狀況下的主要性能，也基本滿足催化劑研發過程中篩選以及催化劑產品定型后正常生產質量控制的要求。

催化劑；銅系；低溫；變換；實驗室；活性

一氧化碳銅系低溫變換催化劑（以下簡稱低變催化劑）廣泛應用于合成氨及制氫工業中，它串聯在中溫變換催化劑之后使用。工業生產中經過中溫變換后氣體中的CO的質量分數在3%左右，再經低溫變換，CO的質量分數可降至0.4%，甚至更低，這樣可提高H2產率，并減輕后面凈化工序的負擔和投資費用。生產實踐證明，如果低溫變換出口氣體中CO的質量分數每降低0.1%，則H2或NH3的產率可增加1.1%～1.6%[1]。可見，低變催化劑是制氫、制氨廠非常關鍵的催化劑，其低溫性能的好壞直接影響著工廠的經濟效益，因而考量其性能的活性試驗方法的合理性就顯得尤為重要。

結合催化劑工廠使用的實際情況，提出了1種實驗室銅系低變催化劑加壓活性試驗方法，并考察低變催化劑活性試驗方法本身的合理性、科學性。

1 試驗方法

1.1 工藝流程

低變催化劑加壓活性試驗工藝流程見圖1。

以銅為活性組分的低變催化劑易被S、Cl等中毒而失去活性。目前活性測定所用的原料氣大多用工廠氣配制，含有不同程度的S和不飽和烴，這些都是對催化劑有害的雜質，故在試驗裝置中必須增加脫硫劑或分子篩、硅膠等脫附劑脫除以免影響催化劑活性的測定。

1.2 試驗樣品

催化劑A、B、C為中原某公司先后選用的3種低變催化劑，催化劑D、E為安陽某集團先后選用的2種低變催化劑。

1.3 試驗條件

1.3.1 反應器

我國催化劑的實驗室活性評價大多采用碎粒度的微型反應器。采用這樣少裝量的反應器，其優點是操作簡單、穩定，對反應溫度的變化敏感，也很少出現氣體分布的問題；缺點是只反映了催化劑的本征狀態，而且裝量少代表性差，對催化劑質量好壞的分辨能力也差。原粒度管式反應器的優點是與工業反應器比較接近，更能反應催化劑工業使用的實際狀況，缺點是投資大，試驗用氣量也大，試驗成本較高。為模擬催化劑的工業應用狀況，實驗室條件下采用原粒度管式反應器。低變催化劑的粒度一般為Φ5 mm×5 mm，按照反應器直徑應在催化劑直徑的6～12倍、催化劑的床層高度應在反應器直徑的2.5～3倍這一要求，選用反應器的內徑為32 mm[2]。

1.3.2 還原條件

低變催化劑一般由氧化銅、氧化鋅和氧化鋁等成分組成，在未經還原前不具有活性。使用前必須采用氫氣將氧化銅還原為銅，還原后的活性銅對一氧化碳的變換反應具有良好的活性。

工業生產中催化劑還原時，其氣體空速通常在200～1 500 h-1。還原初期H2的質量分數為0.1%～0.5%，還原中期至接近還原末期的H2的質量分數為2%左右，還原末期H2的質量分數逐漸提高至10%～20%。其升溫速率為20～30℃/h，從100℃升至180℃時，可按12℃/h進行。為了脫除催化劑中水分，宜在70～80℃和120℃時恒溫脫水，在180℃時低變催化劑基本已進入還原階段，此時應恒溫2～4 h，以縮小床層的徑向和軸向溫差，防止還原反應不均勻[3]。

不同型號的催化劑，其組成成分和含水量也不同，要求的升溫速度和恒溫時間也不同。參照工業還原條件，同時為了簡化操作，縮短試驗時間，實驗室條件下采用空速為1 000 h-1，壓力為0 MPa，其他的升溫還原條件見表1。

表1 實驗室的催化劑升溫還原條件Tab 1 Condition of catalyst temperature rising on reduction in lab

1.3.3 耐熱條件

低變催化劑的操作溫度一般在180～260℃，其特點是不能長時間經受高溫操作，工業生產中一般也不易使低變催化劑超溫至400℃以上很長時間，因而實驗室條件下采用的耐熱溫度為400℃、耐熱時間為2 h。

1.3.4 活性測定

目前，國內大型合成氨廠工業生產中其變換壓力多不相同；工業生產中一段轉化的水碳質量比一般為2.75，相當于低變爐的汽氣體積比為0.33[4]。變換氣經過中溫變換反應后，出口氣中CO的質量分數一般在 2%～5%、空速在 2 000～4 000 h-1，低變爐的操作溫度在180～260℃，因而實驗室條件下壓力采用2.0 MPa、汽氣體積比為0.33、原料氣中CO的質量分數為2.5%～4%、空速為4 000 h-1、檢測溫度為200℃。

1.4 穩定性考察

低變催化劑加壓活性試驗裝置中有2只反應器，分別為1#爐、2#爐，兩爐之間活性（以CO轉化率y計）測定結果的平行性和復現性是反映該試驗裝置穩定性能優劣的重要特性。

試驗前，先對催化劑活性試驗裝置的流量和等溫區等進行校驗，以確保測定結果的準確性。表2為采用具有代表性的不同型號催化劑樣品在不同日期進行試驗所得的兩爐之間平行性和復現性的結果。

表2 催化劑活性的平行性和復現性Tab 2 Parallelities and reproducibilities of catalyst activity

從表2可以看出，CO低溫變換化劑加壓活性試驗裝置，在不同日期用不同型號樣品測得的活性其平行性均≤1.4%，復現性均≤2.0%，說明該活性評價裝置有較強的穩定性。

2 結果與討論

2.1 試驗結果

表3為催化劑的活性測定結果。

表3 催化劑的活性測定結果Tab 3 Determination results of the catalyst activity

2.2 結果分析

催化劑A在中原某公司運行期間各項主要性能指標均超過了該公司前2爐所用低變催化劑B和催化劑C，運行初期催化劑A的反應區域集中在上層，上層溫升明顯高于前2爐催化劑，預示該催化劑使用壽命更長。

圖2為該公司使用3種催化劑時低變爐出口CO含量的變化，所示的出口CO為當年運行的平均值。催化劑B共使用了53個月、催化劑C共使用了45個月其出口CO就已超過了設計值，因而更換為催化劑A。而催化劑A運行了80多個月，使用壽命大大超出其他2種催化劑，可見其具有高活性和良好的穩定性。

表4為催化劑D、E在安陽某集團工業運行時床層軸向溫度的分布。

由表4可見，催化劑D的反應平衡點在T4-4點，同期催化劑E在T4-5點才趨近平衡。催化劑E在T4-2處沒有溫升。與使用催化劑E同期相比，催化劑D的主反應區處于低變第1段床層的中部，而催化劑E的主反應區在低變第1段床層的底部，說明催化劑D較催化劑E具有更高的活性。

催化劑實驗室活性評價的特點是簡便、快捷、試驗成本低，其方法的科學性、合理性主要反映在試驗條件以及反應器的選擇上。本試驗方法的測定條件基本采用了工廠使用的工藝條件，而所采用的原粒度管式反應器雖滿足了反應器直徑應在催化劑直徑的6～12倍這一要求、卻沒有滿足催化劑的床層高度應在反應器直徑的2.5～3倍這一要求。如按這一要求，催化劑裝量至少在65 mL，反應器等溫層至少要達到70 mm以上，這對反應器的加工及保溫都提出了更高的要求，同時也大大地增加了試驗用氣量，增加了試驗成本。本方法采用的催化劑裝量為30 mL，其床層高度約在40 mm左右，高徑比約在1.3左右。然而用該方法所測得的活性數據卻比較穩定，也較好的反映了催化劑工業使用狀況。

表4 催化劑D、E床層軸向溫度Tab 4 Axial temperatures of catalyst D,E,bed

試驗方法的優劣主要反映與工業使用效果相關性上的差別。從表3可以看出催化劑實驗室的活性測定結果與工廠使用的實際狀況基本一致，說明采用該方法來模擬催化劑工業應用狀況，是對催化劑比較合理的模擬試驗方法。

綜上所述，在實驗室條件下采用本方法可客觀地評價低變催化劑在工業狀況下的主要性能，也基本滿足催化劑研發過程中篩選以及催化劑產品定型后正常生產質量控制的要求。

3 結語

眾所周知，實驗室催化劑反應器的種類很多，各類反應器均有各自的用途，或者說各種反應器都有它的優點，但也不可避免地存在其局限性，迄今為止還沒有研究出一種全能反應器。實驗室催化反應器的分類也各有不同，僅按催化劑床層溫度的分布來分，就分為3類，即等溫反應器、非等溫反應器、絕熱反應器。

本方法采用的反應器為固定床假等溫積分式反應器，其特點是催化劑的床層存在徑向與軸向溫差，也就是說存在含量遞度和溫度梯度。對于進行催化劑反應動力學等基礎性研究的實驗室，筆者認為采用“絕熱反應器”將更為合適。

[1]王月生.B204-1型低溫變換催化劑的工業應用[J].天然氣化工,2001(2):30-33.

[2]劉化章.氨合成催化劑（實踐與理論）[M].北京:化學工業出版社,2007.

[3]向徳輝,劉惠云.化肥催化劑實用手冊[G].北京:化學工業出版社,1992.

[4]武湘利,王燕,王林.低變催化劑的裝填與還原情況總結[J].大氮肥,2006(5):355-357.

Activity Evaluation Method of Low-Temperature Shift Copper Catalyst in the Laboratory

ChenYanhao

(Research Institute of Nanjing Chemical Industry Group,Nanjing 210048)

On the basis of the analysis of carbon monoxide copper low temperature shift catalyst in industrial using condition,put forward a kind of activity evaluation method in lab,and the reliability of the method was validated.In laboratory conditions using the method could objectively evaluate the main performance of low temperature shift catalyst in industry condition and basically meet the screening in the catalyst research process and request of normal production and quality control.

catalyst;Copper;low temperature;shift;laboratory;activity

TQ032.41

ADOI10.3969/j.issn.1006-6829.2012.02.008

2012-02-16