一种缓和加氢裂化催化剂
本发明涉及一种缓和加氢裂化催化剂。
缓和加氢裂化是将重质油部分转化为轻质产品,控制>350℃馏份(或>370℃)转化率在20-50%范围内的加氢裂化过程。典型的工艺条件是:
压力 MPa 3.5-10.4
空速 hr-1 0.3-1.0
氢/油 Nm3/M3 300-1000
温度 ℃ 360-430
该过程与高压加氢裂化比较,具有装置投资和操作费用低,可以在中压下操作的优点,特别是氢气耗量可降低50%左右。目前现有的缓和加氢裂化技术的目的大多是增产中间馏份油(132-350℃馏份),尾油(>350℃或370℃馏份)用作催化裂化进料,或作为燃料油,用作蒸汽裂解原料的不多,欧洲有几家工厂将高压加氢裂化装置经过改造,进行缓和加氢裂化生产,提供蒸汽裂解原料,如美国Unlon/Lummos FPP工艺,使用HC-K与加氢裂化HC-16催化剂。
美国专利4,738,767、4,689,314、4,600,703和4,396,500等提出的缓和加氢裂化催化剂制备技术是用Mo-Ni-P或Mo-Si-P(Si为有机硅化合物)溶液浸渍r-Al2O3或SiO2-Al2O3。同时美国专利4,600,498、4,309,277和3,853,747等提出以不同弱酸性沸石为加氢裂化催化剂酸性组份,如US3,853,747使用Ni或Co水热稳定的Y型沸石,US4,600,498、EP0320247则是使用一种SiO2/Al2O3为3.5-4.0,比表面500-700M2/g,晶胞常数24.25-24.35,250℃、4.6mmHg柱水蒸汽分压下水吸附量<8%的疏水沸石(LZ-10),该沸石与无定形SiO2-Al2O3分散在Al2O3基质中制成的载体,而后用Mo-Ni-P溶液浸渍,或用W-Ni溶液浸渍制成缓和加氢裂化催化剂。法国催化剂产品公司在中国申请的专利CN85103645中介绍了用于生产中间馏份的加氢裂化催化剂,用中等程度酸性的沸石,其SiO2/Al2O3克分子比12-40,结晶度最好是60%,相应的比表面为550M2/g,孔径20-80的孔容占3-15%,其余孔容的孔径<20,没有>80的中孔。
本发明的目的是寻找一种酸性沸石分散在r-Al2O3基质中作为载体,调整金属原子比以提高加氢活性,发展一种活性高、抗氮性能好、选择性好、中压下稳定性好的缓和加氢裂化催化剂,特别是使用该催化剂生产的>350℃尾油的BMCI值低,是优质的蒸汽裂解原料。
本发明的催化剂载体含有10-60%(重)的REUHP沸石组份和20-40%(重)的r-Al2O3,加氢活性组份选自VIII族中至少一种金属的化合物和VIb族中至少一种金属化合物,催化剂中加氢活性组份含量(以氧化物计)是10-45%(重),VIII/(VIII+VIb)原子比在0.2-0.8之间,以及0-10%(以P2O5,重量计)含磷氧化物。最好是含有20-50%(重)的REUHP沸石,25-35%(重)r-Al2O3,15-35%(重)的上述金属化合物,以及3-6%(以P2O5,重量计)含磷氧化物。
本发明的催化剂所用REUHP沸石具有如下特性:
SiO2/Al2O3分子比 5-10
Na2O含量(重) 0.1-0.15%
晶胞常数 24.30-24.5025℃水蒸汽吸附量(P/P0=0.1时,以重量计) 2-6%
比表面 500-700M2/g
RE2O3含量(重) 3-10%
本发明的催化剂所用的载体氧化铝具有如下特性:
孔容(乙醇法) 0.8-1.1ml/g
比表面(BET法) 200-300M2/g
三水氧化铝含量(X光衍射法,重) 0-3%
孔径>50的孔容占 80-95%
本发明的催化剂中的VIb族金属化合物是钼或钨的氧化物,VIII族金属化合物是钴或镍的氧化物,VIb和VIII族金属氧化物在催化剂中的总含量最好是15-35%(重),VIII/(VIII+VIb)金属原子比最好为0.3-0.6。
本发明所用REUHP沸石,SiO2/Al2O3分子比5-10,晶胞常数24.30-24.50,酸中心数少,酸度比超稳Y沸石低,红外酸度为0.4-0.8mM/g,因而可以减少一次裂解产物吸附在邻近酸中心上遭受二次裂解的机率,同时具有孔径集中在<20及200左右的双峰孔,沸石中形成的二次孔及晶格倒塌形成的大孔径孔容有利于平均碳数为20-40的大分子扩散,使一次裂解产物迅速扩散出来,也可以避免二次或过多的裂解。
沸石的热稳定性及水热稳定性主要取决于交换的阳离子形式及骨架SiO2/Al2O3比,阳离子交换形式对脱铝影响较大,因而影响沸石的SiO2/Al2O3比,而沸石的SiO2/Al2O3又与酸度、酸分布有一定关系。本发明所用沸石引入了RE离子,沸石中稀土含量是关键因素之一,它不仅影响催化剂活性,而且对热稳定性也有一定影响,本发明所用REUHP沸石,RE2O3含量最好是4-8%(重)。
REUHP沸石的制备,是以含Na2O9-11%(重)、SiO2/Al2O3分子比4-6、晶胞常数24.60-24.70、结晶度87-100%、比表面750-950M2/g的NaY沸石为原料。原料NaY沸石用(NH4)2SO4、NH4Cl或NH4NO3水溶液在90-100℃下至少进行一次离子交换,使Na2O含量降至<3%(重),最好是降至2.6-2.8%(重),而后用富镧或富铈的混合稀土的氯化物或硝酸盐的水溶液至少进行一次回交换,使RE2O3含量达到3-10%(重),最好是4-8%(重),经第一次水热处理,温度450-650℃,压力0.5-5巴,水蒸汽分压至少为0.026巴,停留时间至少30分钟。此后再用(NH4)2SO4、NH4Cl或NH4NO3水溶液进行至少一次离子交换,降低Na2O含量至<0.3%(重),最好≤0.15%(重),然后在比第一次水热处理温度高20-100℃,其他条件相同下,进行第二次水热处理,即可得到所需的REUHP沸石。同时也可以用Na2O含量小于0.2%(重)、晶胞常数24.44-24.55的USY沸石,经RE3+交换和焙烧制成REUHP沸石。具体做法是用2-4%的RECl3、RE2(SO4)3或RE(NO3)3的水溶液,在90-100℃,PH3-5,对USY沸石进行RE3+交换0.5-2小时,抽滤、冲洗至滤液中无Cl-(或酸根),在100-120℃干燥、450-550℃焙烧3-6小时,然后进行第二次RE3+交换,交换条件同第一次,最后进行酸洗、水洗和干燥,得到REUHP沸石。
用于稀土交换的最好是RECl3。
本发明使用的载体氧化铝是抚顺石油三厂催化剂厂生产的,并具有下列特性:
孔容(乙醇法) 0.8-1.1ml/g
比表面(BET法) 200-300M2/g
三水氧化铝含量(X光衍射法) 0-3%
孔径>50的孔容占 80-95%
该氧化铝是采用三氯化铝与氨水连续罐成胶方法制备的。
本发明催化剂的载体是一种由上述的REUHP沸石与上述氧化铝之混合物,以催化剂重量为基准,含有REUHP沸石10-60%(重),载体氧化铝2-30%(重),最好是REUHP沸石20-50%(重),载体氧化铝5-20%(重)。
本发明的另一特点是,调整了金属原子比,以提高加氢活性。尽管有关加氢反应中最佳原子比的报导不多,但结论有较大的差异。J.P Frank;J.F.Lepage proc 7th Inter,Congr、Catalysls1981)谈到,在一次甲苯加氢裂化的研究中,发现VIII/(VIII+VIb)金属原子比为0.25时活性最好;Laine等(J.Chem.Tech Blotech-nol 29 1979)及Ahuja(Ind.Eng.Chem,Prod,Res,Dev9(3)1970)提出Ni/(Ni+Mo)原子比为0.3时最好;而M.I.Vazoze等(TheCanadlan Journal of Chemical Engineerlng 64(2)1986)则提出Ni/(Ni+Mo)原子比为0.5最好。我们采用磁天平、化学分析正电子谱(PASCA)以及电子能谱(ESCA)测定催化剂表面特征,发现WO3含量为20-22%(重)时,W以最大量的单分子层形式分散在WO3-rAl2O3催化剂表面上,以环己烯为模型化合物在微反色谱装置上考察NiO-WO3/r-Al2O3及(NiO-WO3)/(r-Al2O3+USY)两种系列催化剂的加氢活性,发现(NiO-WO3)/r-Al2O3催化剂在Ni/(Ni+W)原子比为0.35-0.40时环己烷生成率最高,即加氢活性最高,而(NiO-WO3)/(Al2O3+USY)催化剂在Ni/(Ni+W)原子比为0.4-0.45时环己烷生成率最高,这一点也被催化剂的磁化率和电子能谱各组份的强度比所证实,同时在连续式微反色谱上,评定了不同Ni/(Ni+W)原子比的NiO-WO3-REUHP-Al2O3催化剂对甲苯的加氢活性,Ni/(Ni+W)原子比为0.5左右时,甲苯转化相对加氢活性最高。所以,本发明的催化剂中,VIb族金属化合物和VIII族金属化合物的总含量为5-40%(以氧化物重量计),最好是15-35%,VIII/(VIII+VIb)原子比为0.3-0.6,催化剂中的VIb族金属是钨或钼,VIII族金属是镍或钴,上述的活性金属组份最好是W-Ni或Mo-Ni的硫化物或氧化物。
催化剂的制备,可以采用混捏法。按化学计量的REUHP沸石细粉、金属化合物(VIb族金属最好是氧化钼或偏钨酸铵;VIII族金属最好是硝酸镍、氯化镍、硫酸镍或碱式碳酸镍)、载体氧化铝的干胶粉及助挤剂,用干粉混料器、混捏机混匀,再加入以Al2O3计占催化剂10-30%(重)的硝酸胶溶的拟溥水铝石,必要时可加入适量的正磷酸,在混捏机、碾压机内混碾,直至呈可塑的糊膏,而后用φ1.6-2.0毫米孔板挤条成型,在60-80℃下预干燥6-12小时,切条,在110-130℃下干燥12-24小时,在干空气下于500-550℃下焙烧2-8小时,即可制成所需的MHC催化剂。
本发明催化剂的制备也可先将载体氧化铝干胶与REUHP沸石共研磨混匀,加入适量硝酸胶溶的拟溥水铝石调匀,挤条成型,预干燥,切条,干燥,450-550℃焙烧3-8小时,用Mo-Ni-P或W-Ni水溶液饱和浸渍,再预干燥,干燥和焙烧而制成。
本发明催化剂活性组分含量
一般范围(重%) 最适范围(重%)WO3(或MoO3) 10-35 15-25NiO 3-10 5-8P2O5 0-10 3-6
本发明的催化剂与其他加氢裂化催化剂一样,在使用前须经过预硫化,预硫化可通过在氢气中注入H2S、CS2或CH3-S-CH3方式进行,硫化条件与其他加氢裂化催化剂相同,在使用过程中氢气流中H2S≮500PPM。
本发明催化剂最适用于固定床,根据需要可以装在反应器的下层,或两个串联反应器中第二个反应器,在重质油预先加氢脱硫、脱氮、脱金属,要求精制生成油氮含量10-100PPM,最适为5-50PPM,在不需要分离出H2S、NH3的情况下,精制生成油与气体直接进入装有MHC催化剂的反应器内,在一定的操作条件下进行缓和加氢裂化。
本发明的催化剂特别适用于缓和加氢裂化一段一次通过工艺流程,>350℃尾油不循环,作为蒸汽裂解生产乙烯、丙烯、丁二烯的原料,或作为催化裂化进料,提高轻质产品收率和质量。典型的操作条件是:操作条件 一般范围 最适范围压力,MPa 3.5-18.00 5.5-9.81氢纯度,% >70 >80温度,℃ 300-440 360-420液时空速,小时-1 0.3-3.0 1.0-2.5氢/油,NM3/M3 300-1500 500-1000
在上述条件下进行一定深度的转化,使>350℃馏份的转化率控制在20-50%(重),最好在25-40%(重)。
所说的重质油,包括直馏常压四线、减压一线、减压二线、减压三线及其混合油,页岩油脱沥青油,催化裂化循环油和煤焦油等。典型的是减压一线、二线混合油,减压二线油,或混有少量减压三线或焦化蜡油的减压一,二线混合油。原料油ASTM-D1160馏程50%(体)馏出温度≥400℃,干点<580℃(最好<550℃),康氏残碳<0.2%,氮含量0.0025-0.15%。
本发明的催化剂由于使用了弱酸性,具有双峰孔RE离子交换的疏水沸石REUHP与孔径适宜的r-Al2O3为载体,调整最佳金属原子比,制得的非贵金属晶型缓和加氢裂化催化剂具有如下优点:活性高,在相同的反应条件下,比超稳Y沸石抗氮性能好,中间馏份油选择性好,可以在中压(7.84MPa)下使多环芳烃、多环环烷烃加氢开环,特别是>350℃尾油富集较多烷烃,比原料油的BMCI值降低10个单位以上,成为良好的制取乙烯原料。
下面通过实例进一步描述本发明的特征。
实例1
催化剂A,按本发明的技术制备
取300克抚顺石油三厂催化剂厂生产的USY沸石,用3升3%RECl3水溶液在90-95℃,PH3.5-4.0交换1小时,抽滤、冲洗至滤液中无Cl-,110±10℃干燥,500±10℃焙烧4小时,再用3升3%RECl3水溶液交换一次,条件同上。而后用0.01N HCl酸洗,水洗和干燥,即得REUHP沸石,该沸石RE2O3含量为6.51%,晶胞常数24.49,Na2O<0.1%(重)。
称取107.3克偏钨酸铵“(NH4)2W4O13·8H2O],101.6克硝酸镍[Ni(NO3)2·6H2O)],REUHP沸石133.8克,载体氧化铝干胶粉125.7克,上述物料在混捏机中混捏均匀后,加入400克硝酸胶溶的拟薄水铝石粘合剂混捏20-30分钟,再用碾压机碾压5-10分钟,制成可塑的糊膏,通过φ1.8mm孔板挤条,在室温下℃预干燥,切条至所需长度,再在110±10℃干燥8小时,在500±10℃焙烧4小时,即得成品催化剂,该催化剂含WO320.24%(重)NiO6.09%(重),REUHP30%(重)和平衡量的氧化铝。
实例2
参比催化剂B。采用工业生产的USY沸石(同例1)代替REUHP沸石组份,催化剂制法同实例1。USY晶胞常数24.51、Na2O<0.15%(重),催化剂含WO321.38%(重),NiO6.24%,USY30%和平衡量的氧化铝。
实例3
催化剂C,本发明制备技术。
500g工业生产的NaY沸石(SiO2/Al2O3=5.0-5.2,Na2O9%左右,晶胞常数24.63-24.65,相对结晶度94-102%)细粉,用5l10%NH4NO3水溶液在90-95℃下交换1小时,再用2.7%RECl3水溶液2.5l在室温下,PH3.5条件下交换1小时,水洗至无Cl-,干燥后在0.098MPa压力下,550℃水热处理2小时,再用10%NH4NO3水溶液交换至Na2O<0.15%,水洗、干燥在600℃,0.098MPa压力下第二次水热处理,即得成品REUHP沸石,RE2O36.78%,晶胞常数24.42。
表1 REUHP沸石性质
REUHP |
一次焙烧 |
二次焙烧 |
NaY原料 |
孔容,ml/g比表面M2/g平均孔径, |
0.378838.4 |
0.37565311.5 |
0.2599695.3 |
孔分布 |
2020-5050-100100-200>200 |
80.42.62.63.48.7 |
67.25.22.57.416.8 | |
SiO2/Al2O3晶胞常数相对结晶度,% |
5.724.5380 |
7.224.4267 |
5.1624.64>97 |
称取工业一级的(NH4)2W4O13·8H2O402.4g,Ni(NO3)2·6H2O414g,REUHP沸石627g,载体氧化铝干胶粉165g,所有干粉在混捏机中混匀后,加入85.4g 85% H3PO4与1400g硝酸胶溶拟薄水铝石粘结剂,在碾压机中碾压20-30分钟,通过φ1.8孔板挤条,在50-60℃预干燥,切至所需要长度的条,再在110±10℃干燥,500±10℃焙烧4小时,即得成品催化剂C,含WO321.58%(重),NiO6.78%(重),P2O52.92%(重)。
实例4
催化剂D,参比催化剂,仅将例1USY沸石换成UHP沸石,该沸石由NaY用NH4 +交换后NH4NaY在650℃水热处理后,用0.1N HCl抽铝,再在650℃水热处理一次,NH4 +交换至Na2O<0.2%(重)该沸石晶胞常数24.30,催化剂D WO321.88%(重),NiO5.97%(重)。
实例5
本实例为本发明的催化剂的活性评价试验,并与其他催化剂进行对比。
在200毫升加氢小型装置上评价催化剂的活性,所用原料为胜利减压柴油(VGO),其性质见表2。评价条件:氢压6.37MPa,氢/油1000,精制油氮30-40PPM,空速2.0时-1。
表2 胜利VGO性质比重,d4 20 0.8750馏程,℃初馏点 29610% 36250% 43590% 504干点 541烃组成,%烷烃 43.0环烷烃 32.7芳烃 24.3胶质,% 4.04残炭,% 0.11BMCI值 28.6
表3 催化剂的初活性催化剂号 沸石类型 反应温度,℃ <320℃液体收率,%B(参比) USY 380 33.4C(本发明) REUHP 375 37.1D(参比) UHP 385 37.5
本发明的催化剂活性较参比催化B、D好。
实例6
本实例为催化剂的稳定性试验,并与参比催化剂进行对比。
评价所用的装置、原料油、评价条件与例5相同,稳定性试验结果见表4。结果表明,本发明的催化剂A、C的稳定性优于参比催化剂B。
表4 催化剂稳定性试验
催化剂A(REUHP沸石)运转时间,时反应温度,℃<320℃收率,% | 160-28838038.0 | 312-107238038.8 | 1664-286438533.2 |
催化剂B(USY沸石)运转时间,时反应温度,℃<320℃收率,% | 160-24037832.4 | 256-36838033.7 | 384-49638522.1 |
催化剂C(REUHP沸石)运转时间,时反应温度,℃<320℃收率,% | 160-89637535.3 | 1392-219238034.3 | |
实例7
本实例为胜利VGO用本发明催化剂A,经缓和加氢裂化后各产品性质,并与原料性能对比,见表5。MHC-VGO比VGO性能有很大改善。
表5 胜利VGO缓和加氢裂化后产品性质
工艺过程>350℃转化率,% |
VGO-MHC31.3 |
VGO-MHC44.5 |
VGO0 |
产品分布,%<130℃130-180℃180-350℃ | 3.55.023.4 | 8.78.127.4 | |
产品性质石脑油(65-130℃)芳烃潜含量,%氮,mg/ml汽油(<180℃)MONC轻柴油(180-350℃)凝点,℃C.N尾油(>350℃)康氏残碳,%氢,%BMCI值 | 49<1--10430.0114.0214.19 | 53.7-62.9-12480.00714.2812.61 | 0.0513.2927.68 |
表6 MHC-VGO及VGO裂解与结焦试验
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MHC_VGO |
MHC_VGO |
VGO |
>350℃转化率,% |
31.3 |
44.5 |
0 |
裂解主要产品,w%C2H6C2H4C3H61,3-C4H6C4 +C5-204℃204-288℃>288℃燃料油苯甲苯二甲苯等结焦量,PPm(对原料油) | 3.7126.5117.186.3170.5022.851.385.273.752.291.74- | 3.7027.4117.496.6071.9523.352.492.214.412.451.601.12 | 3.420.4913.964.858.3129.612.169.914.94.263.3672.08 |
从表6看出,MHC-VGO在相同裂解条件下,乙烯产率比VGO直接裂解高6-7%,三烯增加10-12%,>288℃燃料油减少4.5-7.7%,结焦量降低更多,因此是良好的裂解原料。
实例9
本实例将MHC-VGO进行催化裂化试验与未经MHC的原料VGO进行对比,催化裂化试验是小型提升管流化催化裂化装置上用偏Y-15催化剂进行的,操作条件与产品产率见表7。
表7 MHC-VGO催化裂化的产品产率
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MHC-VGO |
VGO |
操作条件反应温度,℃再生温度,℃剂/油 | 5006607.5 | 5006608.0 |
产品产率,w%裂化气汽油(C5-200℃)轻柴油(200-350℃)重油(>350℃)焦炭损失 | 16.6560.108.3112.981.011.05 | 9.4543.0815.8527.032.681.91 |
转化率,w%轻质油收率,w% |
78.7168.09 |
57.1258.93 |
由表7可以看出,VGO经MHC后切取>350℃的尾油做为催化裂化原料,比VGO直接进料,转化率提高了21.59%,焦炭下降了1.67%,轻油收率增加9%,同时质量变好,汽油硫含量显著降低(从1712PPM降至10PPM),轻柴油十六烷值增加8个单位(35增至43),柴油安定性改善,裂化气中C1+C2减少,而丙烯、丁烯增多。