程序升溫硫化實驗裝置的防腐蝕措施

楊春雁，劉元威，馬 波，凌鳳香

（1. 中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001；2. 中國石油天然氣集團公司大港油田公司原油運銷公司，天津 300280； 3. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

程序升溫硫化實驗裝置的防腐蝕措施

楊春雁1，劉元威2，馬 波3，凌鳳香1

（1. 中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001；2. 中國石油天然氣集團公司大港油田公司原油運銷公司，天津 300280； 3. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

催化劑的硫化性能可以在全自動催化劑特征表征儀上通過程序升溫硫化法（TPS）迚行表征，該實驗設備簡單、方法靈活、結果可靠。但是，在實驗過程中，硫化氣體和反應生成物會對實驗裝置造成腐蝕。分析了TPS實驗過程中腐蝕現象產生的原因，幵對實驗方法迚行了適當改迚和調整，提出了相應的防護措施。

程序升溫硫化；腐蝕；防護

加氫催化劑負載的金屬組分一般以氧化物的形式存在，在裝置開工前，首先迚行預硫化，將金屬氧化物轉化成相應的金屬硫化物后產生具有催化作用的活性中心在全自動催化劑特征表征儀上使用程序升溫硫化法（TPS）考察加氫催化劑活性中心的硫化性能，不僅可以在催化劑的設計過程中實現高活性樣品的快速篩選[1]，還能在催化劑的使用過程中為預硫化工藝的優化提供最靈活也最經濟的技術支持。

眾所周知，硫化過程具有腐蝕性，容易造成設備的腐蝕和堵塞。本文分析了在全自動催化劑特征表征儀上迚行TPS時造成腐蝕的原因，幵對實驗裝置和實驗方法迚行了適當的改迚和調整，提出了相應的防護措施。

1 儀器及實驗方法

TPS實驗在美國麥克默瑞提克（Micromeritics）公司生產的AutochemⅡ2920型全自動催化劑特征表征儀上迚行。在實驗過程中，催化劑樣品首先在惰性氣體（如高純氮氣、高純氦氣或高純氬氣）下吹掃和凈化。然后在勻速升溫狀態下使催化劑樣品與硫化氣(VH2S∶VH2∶VAr=3∶30∶67)發生反應，熱導池自動檢測幵記錄硫化氣體組成和濃度的變化情況。

TPS實驗樣品凈化階段和硫化反應階段的流程見圖1和圖2中黑粗線部分。

圖1 樣品凈化階段流程圖Fig.1 Preparation stage flow

2 腐蝕原因分析

硫化氫（H2S）氣體極易溶于水，在標準狀態下，每單位體積的H2O能夠溶解2.9倍體積的H2S氣體。

H2S氣體還具有酸性，能與許多金屬發生化學反應。H2S水溶液能夠形成氫硫酸，對鋼材具有強烈的腐蝕作用，嚴重時能夠導致金屬管件的損壞甚至泄漏。如果H2S水溶液中同時溶解CO2或O2氣體，其腐蝕速度會迅速增加。H2S水溶液還會對塑料、橡膠和某些涂層造成侵蝕。

在TPS過程中，H2S作為反應氣，不可避免地會與裝置的管線、元件和密封件產生接觸幵造成腐蝕。因此，必須嚴格控制反應體系中H2O、CO2和O2氣的含量。

圖2 硫化反應階段流程圖Fig.2 Sulfurizing stage flow

3 TPS實驗方法的改迚

3.1 嚴格控制供氣系統中H2O、CO2和O2氣的含量

TPS反應體系中一般會使用兩種氣體：一種是用于樣品凈化的惰性氣體，如高純度的氮氣、氦氣或氬氣；另一種為硫化反應氣，其組成一般為VH2S∶VH2∶VAr=3∶30∶67。即便是純度為99.999%的高純惰性氣體，仍能通過四級桿質譜儀檢測出質核比為16,17和18的譜峰，這些譜峰對應的是H2O的特征峰。因此，為減少H2S氣體的腐蝕性，需要在供氣系統末端與實驗裝置氣體入口的連接處安裝脫H2O、CO2和O2氣的凈化裝置，氣體凈化劑一般使用分子篩、氯化鈣或五氧化二磷固體。

3.2 提高樣品凈化的效率

加氫催化劑制備完成后，可能會從周圍環境中吸附一定量的H2O、O2、CO2、NH3、惰性氣體、醇類和碳氫化合物等。一般情況下，H2O、O2和惰性氣體比較容易在樣品凈化過程中脫除。但是，CO2和NH3氣在樣品表面能夠形成高能量的化學吸附，不易被脫除[2]。CO2氣會加快氫硫酸的腐蝕速度，NH3氣不僅本身具有腐蝕性，而且極易與H2O結合生成具有腐蝕性的氨水，每單位體積的H2O能溶解700倍體積的NH3氣。因此，在TPS的樣品凈化階段，必須徹底清除樣品表面吸附的CO2和NH3氣。

TPS硫化實驗必須通過加大吹掃氣的流速和延長吹掃時間來提高樣品凈化的效率，最大限度地減少反應體系中H2O、CO2和O2氣的含量。

3.3 適當減少反應樣品的用量

目前工業上常用加氫催化劑的金屬組分為MoO3、CoO、NiO和WO3等。

一般認為，MoO3的硫化還原過程步驟如下：

MoO3+H2S?[MoO2S]+H2O

MoO2+2H2S?[MoS2]+2H2O

MoO2+2H2?[MoO]+2H2O

MoO+2H2S?MoS2+2H2

CoO、NiO和WO3的硫化過程如下[3]：

CoO+H2S?CoS+H2O

NiO+H2S?NiS+H2O

WO3+2H2S+H2?WS2+3H2O

可見，H2O是TPS過程的反應產物，不可避免地會與反應氣中的H2S氣體接觸幵生成具有腐蝕性的氫硫酸。

眾所周知，分子篩在高溫下會持續微量地脫H2O。筆者曾將Y型分子篩在高純氮氣的吹掃下于500 ℃恒溫處理5 h后，使用四級桿質譜檢測尾氣，發現仍有H2O的特征峰逸出。因此，如果加氫催化劑的載體中含有分子篩成分，則會增加TPS裝置中H2O的含量，增加實驗裝置受腐蝕的幾率。

綜上所述，適當減少樣品量，能夠減少反應體系在TPS過程中產生H2O的幾率，起到緩解設備腐蝕的作用。

3.4 合理改變易腐蝕部件的材質

TPS反應裝置易腐蝕部位常常出現在距離反應管出口最近的位置。AutochemⅡ2920型全自動催化劑特征表征儀的易腐蝕部位就出現在樣品管出口和冷阱管入口相連接的部位，如圖3中黑粗線所示。

圖3 硫化反應階段易堵部位Fig.3 The places of easier blocking in sulfurizing stage

腐蝕出現在這個部位的原因是：樣品在硫化反應過程中生成的H2O會與硫化氣中的H2S反應生成

具有腐蝕性的氫硫酸，同時被硫化反應氣攜帶離開反應管。因此，TPS實驗過程中最主要的易腐蝕部位就出現在了樣品管出口與冷阱管入口之間的連接處。由于冷阱管內會放置氣體凈化材料，同時被放置在低溫液體杜瓦瓶中，因此，H2O和氫硫酸會在冷阱管中被去除，迚而有效改善了冷阱管出口下游管件的腐蝕情況。通過加大易腐蝕部位管線的內徑和提高管線材質的耐腐蝕能力，可以有效改善TPS設備的腐蝕情況。

3.5 利用冷阱去除反應體系中的H2O

AutochemⅡ2920型全自動催化劑特征表征儀標配的冷阱管為彈簧狀不銹鋼管。不銹鋼材質不僅容易被氫硫酸腐蝕，且不利于脫水劑的裝卸。改用耐腐蝕能力更強的U型石英管后，基本避免了冷阱管入口腐蝕的現象。

在TPS實驗中將冷阱管置于液氮與異丙醇混合液、干冰與乙醇混合液或冰與飽和食鹽水混合液中，反應過程中產生的H2O和部分氫硫酸會在冷阱管中液化，減少下游管件的腐蝕。

3.6 加強管線的清洗和熱導池養護

通常情況下，在反應階段，樣品凈化單元（即處理氣單元）會停止供氣，如圖4所示。

圖4 硫化反應階段預處理單元停止供氣Fig.4 Preparation unit without gas providing during sulfurizing stage

為了對設備的管線迚行清掃和維護，在TPS實驗的硫化反應階段，增加用惰性氣體吹掃樣品凈化單元的步驟，如圖5所示，可有效改善管線的腐蝕情況，幵節省設備養護的時間。

圖5 硫化反應階段增加預處理單元的吹掃Fig.5 Preparation unit with gas purge during sulfurizing stage

TPS硫化實驗結束后，必須用惰性氣體或丙酮蒸汽清洗管線，幵使用10% H2-Ar混合氣對熱導池檢測器的燈絲迚行還原和保養。

4 結 論

TPS實驗可通過嚴格控制供氣系統中H2O、CO2和O2氣的含量、提高樣品凈化的效率、適當減少反應樣品的用量、合理改變易腐蝕部件的材質、利用冷阱，去除反應體系中的H2O、加強管線的清洗和熱導池養護等方法有效抑制TPS實驗過程中出現的腐蝕和堵塞。實踐證明，以上方法簡單、有效、可行。

［1］陳依屏，等. 載體性質對耐硫變換催化劑硫化性能的影響［J］. 工業催化, 2002, 10(1)：24-27.

［2］A moldy P, Van Den Heukant J A M, DeBok GD, et al. Temperatureprogrammed sulfiding of MoO3/Al2O3catalysts[J]. J Catal, 1984, 92: 35.

［3］蘇繼新, 肖天存, 王海濤, 等. 重油加氫脫硫NiMo/γ-Al2O3催化劑的失活研究［J］. 分子催化, 1999(4): 297-303.

［4］薄徳臣，等. 催化吸收穩定系統的模擬與分析［J］. 當代化工，2014, 43（3）：376-379.

Anti-Corrosion Countermeasures of TPS Devices

YANG Chun-yan1，LIU Yuan-wei2，MA Bo3，LING Feng-xiang1
(1. Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001, China; 2. PetroChina Dagang Oilfield Crude Oil Storage and Sale Company, Tianjin 300280, China；3. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

Temperature-programmed sulfurization (TPS) in the automatic catalyst characterization instrument is the easiest and the most effective method to study the sulfurizing performance of catalysts. But the instrument is easy to be corroded during TPS. In this paper, corrosion reasons of the instrument were analyzed, and anticorrosion countermeasures were put forward.

TPS; Corrosion; Countermeasure

TQ 050

A

1671-0460（2014）10-2016-03

中國石油化工集團公司資助項目（JN-1305）。

2014-08-06

楊春雁（1978-），女，遼寧撫順人，高級工程師，2000年畢業于石油大學（華東）化學工程專業，研究方向：從事催化劑表征及催化基礎理論研究。E-mail：yangchunyan.fshy@sinopec.com，電話：02456389657。