背景技术
随着石油的日益变重、质量变差,给石油加工带来越来越大的困难。重质油渣油中含有大量硫,大部分存在沥青质中,是很难脱出的成分。加氢脱硫作为石油炼制和以石油为原料的合成氨生产中的重要工艺过程,一直受到人们的重视。但是近年来石油的质量日益变重、变差,而对产品质量的要求却更加严格,后续工艺对进料的要求也越来越苛刻。另外,自人类进入21世纪以来,人们的环保意识不断增强,环保立法越来越严格,对机动车辆排放废气中NOx、SOx及芳烃含量的限制更加苛刻。2010年,要求硫含量低于10μg/g。基于以上原因,汽油和柴油的加氢脱硫技术正向着加工高硫油和生产超低硫的清洁石油燃料方向发展。
目前渣油加氢脱硫催化剂所使用的载体材料一般为大孔氧化铝及其改性产品。大孔氧化铝常用的制备方法有:物理造孔法、高温焙烧法和pH值摆动法。物理造孔法的缺点是孔道不均匀,仍有容易堵塞的缺点。US4448896、US4102822等用炭黑、淀粉等物理扩孔剂与活性氧化铝或氧化铝的前驱物混捏来扩大氧化铝载体的孔径,物理扩孔剂的用量为氧化铝10wt%以上,上述方法是在氧化铝前驱物中加入物理扩孔剂,而且扩孔剂的用量大,造成氧化铝的孔分布弥散,大孔部分不能形成连续贯穿孔道,孔道为墨水瓶型,孔口较小,并且强度较差。
由于受现有技术渣油加氢脱硫催化剂性质的限制,渣油加氢脱硫催化剂一般仅具有脱硫功能,脱金属功能较弱,仅能利用催化剂的外表面进行脱金属反应,金属沉淀物沉淀在空隙中,这样渣油加氢系列催化剂中,在进行脱硫时,要求脱金属剂必须尽最大能力脱出金属,使在进入脱硫剂床层时,金属含量尽可能的低,来使脱硫剂达到长周期运转。
CN1107102C公开了一种加氢脱金属和加氢脱硫催化剂及其制备方法,采用加入炭黑为扩孔方法和加入硼调节载体的酸性。这种方法得到的载体是双峰结构,第一个峰集中在10nm左右,第二个峰是炭黑烧出后留下的孔道,集中在200-500nm左右,炭黑留下的孔道多为墨水瓶孔口,这种孔道不利于渣油沥青质胶团的脱出,加氢脱硫率低。
CN1205314C公开了一种重油加氢脱金属、脱硫催化剂的制备方法,载体采用两种氧化铝复合,其中一种是1100℃高温焙烧的氧化铝粉,这种方法能形成较多的15nm以上孔道,孔道具有贯穿性,但是对于沥青质胶团来说还是太小,不利于渣油加氢脱硫和加氢脱金属反应。
以上两种方法都有孔道小、金属扩散困难等缺点,无法制备既具有高脱硫率又具有高容金属能力的渣油加氢处理催化剂。
发明内容
针对现有技术中加氢脱硫催化剂功能单一、容金属能力差等缺点,本发明提供了一种用于加氢脱硫的载体、催化剂及其制备方法。采用本发明载体制备的加氢脱硫催化剂具有大分子扩散性能好、容金属能力强和脱硫能力高等特性。该加氢脱硫催化剂特别适用于渣油加氢脱硫处理工艺中。
本发明的加氢脱硫催化剂载体,所述载体为含助剂氧化铝载体,该含助剂氧化铝载体包括主体氧化铝和棒状氧化铝,所述的主体氧化铝为具有微米级孔道的氧化铝,至少部分棒状氧化铝分布于主体氧化铝的外表面和孔直径D为3-7μm的微米级孔道中,所述助剂为磷和/或硼,所述助剂分布于微米级孔道中,棒状氧化铝长度为1-9μm,直径为80-260 nm。
本发明中的微米级孔道是指孔直径D为3-7μm的微米级孔道。
所述助剂为磷和/或硼,以氧化物计,助剂在载体中的重量含量为0.5%-2.0%。
本发明载体中,棒状氧化铝基本分布于主体氧化铝的外表面和微米级孔道中。分布于主体氧化铝的外表面和微米级孔道中的棒状氧化铝占所有棒状氧化铝总重量的95%以上,优选为97%以上。
本发明载体中,微米级孔道内棒状氧化铝的长度以0.3D-0.9D(即为微米级孔道直径的0.3-0.9倍)为主,即微孔内的棒状氧化铝以重量计约85%以上的长度为0.3D-0.9D;外表面棒状氧化铝的长度以3-8μm为主,即外表面上的棒状氧化铝以重量计约85%以上的长度为3-8μm。
其中,在主体氧化铝的微米级孔道中,棒状氧化铝以无序相互交错的状态分布。
其中,至少部分棒状氧化铝的至少一端附着在主体的微米级孔道壁上,优选至少部分棒状氧化铝的至少一端结合在微米级孔道壁上,与主体氧化铝形成一体。进一步优选,微米级孔道中的棒状氧化铝的至少一端结合在微米级孔道壁上,与主体氧化铝形成一体。
其中,在主体氧化铝的外表面上,棒状氧化铝以无序相互交错的状态分布。
其中,至少部分棒状氧化铝的一端附着在主体氧化铝的外表面上,优选至少部分棒状氧化铝的一端结合在主体氧化铝的外表面上,另一端向外伸出,与主体氧化铝形成一体。进一步优选,主体氧化铝的外表面上的棒状氧化铝的一端结合在主体氧化铝的外表面上,另一端向外伸出,与主体形成一体。
本发明载体中,主体氧化铝的微米级孔道中棒状氧化铝的覆盖率占70%-95%,其中所述覆盖率是指主体氧化铝的微米级孔道的内表面因棒状氧化铝而被占去的表面占主体微米级孔道内表面的百分数。主体氧化铝的外表面上棒状氧化铝的覆盖率占70%-95%,其中所述覆盖率是指主体氧化铝的外表面上因棒状氧化铝而被占去的表面占主体氧化铝的外表面的百分数。
本发明载体,其性质如下:比表面积为180-250m2/g,孔容为0.7-1.5mL/g,压碎强度为10-22N/mm。
本发明载体中,由棒状氧化铝以无序相互交错形成的孔集中在100-600nm之间。
本发明载体的孔分布如下:孔直径为10nm以下的孔占的孔容为总孔容的15%以下,孔直径为10-30nm的孔所占的孔容为总孔容的45%-65%,孔直径为100-600nm的孔所占的孔容为总孔容的15%-26%,孔直径大于1000nm的孔在5%以下。
本发明第二方面提供了一种加氢脱硫催化剂载体的制备方法,包括:
(1)将物理扩孔剂吸附含助剂的溶液,然后将拟薄水铝石与吸附助剂的物理扩孔剂混捏成型,成型物经干燥、焙烧,得到载体中间体;
(2)将载体中间体浸入碳酸氢铵溶液中,然后密封热处理,热处理后物料经干燥、焙烧,制得加氢脱硫催化剂载体。
本发明载体的制备方法中,步骤(1)所述的载体中间体的性质如下:比表面积为150-240m2/g,孔容为0.7-1.4mL/g,孔分布如下:孔直径为10-30nm的孔所占的孔容为总孔容的40%-60%,孔直径为100-600nm的孔所占的孔容为总孔容的5%-10%,孔直径为3µm以上的孔(优选孔直径为3-7µm的孔)所占的孔容为总孔容5%-15%。
本发明载体的制备方法中,步骤(1)中,所述的物理扩孔剂可以为活性炭、木炭、木屑中的一种或几种,所加物理扩孔剂的粒径根据氧化铝载体中间体的微米级孔道进行选择,其中所述物理扩孔剂的粒径优选约为3-7µm,物理扩孔剂加入量为氧化铝载体中间体重量的10wt%-20wt%。所述的混捏成型可以采用本领域常规方法进行,成型过程中,可以根据需要加入常规的成型助剂,比如胶溶剂、助挤剂等中的一种或多种。所述的胶溶剂为盐酸、硝酸、硫酸、乙酸、草酸等中一种或几种,所述的助挤剂是指有利于挤压成型的物质,如田菁粉等。所述成型物的干燥和焙烧条件如下:干燥温度为100-160℃,干燥时间为6-10小时,所述的焙烧温度为600-750℃,焙烧时间为4-6小时,焙烧在含氧气氛中,优选空气气氛中进行。
本发明载体的制备方法中,步骤(1)中,将物理扩孔剂吸附含助剂的溶液,含助剂的溶液的用量为物理扩孔剂饱和吸水量的30%-50%。在配制含助剂的溶液时,采用的磷源可以为磷酸或磷酸盐,磷酸盐可以为磷酸氢铵、磷酸氢二铵中的一种或多种;采用的硼源可以为硼酸或硼酸盐,硼酸盐可以为硼酸铵。
本发明载体的制备方法中,步骤(2)所述的碳酸氢铵溶液的用量与步骤(1)所述载体中间体的质量比为3:1-6:1,碳酸氢铵溶液的质量浓度为10%-20%。
本发明载体的制备方法中,步骤(2)所述的密封热处理温度为110-160℃,恒温处理时间为4-8小时,升温速率为5℃/min-20℃/min,密封热处理一般在高压反应釜中进行。
本发明载体的制备方法中,步骤(2)优选,在密封热处理之前进行密封预处理,预处理温度为60-100℃,恒温处理时间为2-4小时,预处理前的升温速率为10-20℃/min,预处理后的升温速率为5-10℃/min,而且预处理后的升温速率要比预处理前的低至少3℃/min,优选至少5℃/min。
本发明方法中,步骤(2)所述的干燥温度为100-160℃,干燥时间为6-10小时,所述的焙烧温度为600-750℃,焙烧时间为4-6小时。
本发明方法中,步骤(2) 制得的载体与步骤(1)载体中间体,孔直径为10-30nm和100-600的孔,前者比后者分布更集中。
本发明第三方面提供了一种加氢脱硫催化剂,包括载体和活性金属组分,其中载体采用上述载体。
所述的加氢脱硫催化剂中,活性金属组分为第VIB族和第VIII族金属。第VIB族金属选自W、Mo中的一种或多种,第VIII族金属选自Co、Ni中的一种或多种。以催化剂的重量为基准,活性金属氧化物的含量为10%-25%,优选为第VIB族金属氧化物的含量为6.5%-18.0%,第VIII族金属氧化物的含量为1.5%-7.0%
本发明加氢脱硫催化剂可以采用常规方法制备,比如浸渍法、混捏法等,优选采用浸渍法。所述浸渍法过程如下:所述的载体采用浸渍法负载活性金属组分是采用常规的浸渍法制备,可以采用喷浸法、饱和浸渍法或过饱和浸渍法。浸渍活性金属组分后,经干燥和焙烧,得本发明的加氢脱硫催化剂。所述的干燥条件是在100-130℃温度下进行干燥1-5小时;所述的焙烧条件是在400-550℃焙烧2-10小时。
本发明加氢脱硫催化剂适用于渣油加氢脱硫处理工艺,具有较高的硫脱除率,同时具有较高的金属及氮脱除率。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
1、本发明载体充分利用氧化铝中间体的微米级孔道,在微米级孔道中,棒状氧化铝无序相互交错分布,这样一方面保持该微米级孔道的贯穿性,同时提高了载体的比表面积以及增强了机械强度,另一方面对载体中间体纳米级孔道起到一定的扩孔作用,进一步促进纳米级孔道的通穿性和均匀度。因此,本发明的氧化铝载体克服了采用物理扩孔剂带来的大孔径与比表面积和机械强度不得兼顾的问题。
2、本发明在制备载体过程中,将物理扩孔剂吸附含助剂的溶液,再与拟薄水铝石混捏,使助剂组分主要分布在微米级孔道表面,助剂为磷和/或硼的存在和其特殊的分布状态更有利于催化剂加氢脱硫,催化剂的活性更好。
3、本发明在制备载体过程中,在密封热处理前先经过一定温度的预处理,预处理时条件相对较温和,氧化铝载体的外表面在密封、水热及二氧化碳和氨气的混合氛围下缓慢形成NH4Al(OH)2CO3晶核,在后期热处理时提高反应温度NH4Al(OH)2CO3使晶核继续均匀生长,使棒状NH4Al(OH)2CO3具有均一直径及长度的同时提高了棒状NH4Al(OH)2CO3在氧化铝中间体外表面和微米级孔道内表面的覆盖率。
4、本发明的氧化铝载体特别适用于制备加氢脱硫催化剂,用于渣油加氢脱硫反应时,具有较高的加氢脱硫活性且具有较高的加氢脱氮和脱金属活性,同时又具有良好的稳定性,可延长装置的运转周期。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明的技术方案,但并不局限于以下实施例。本发明中,wt%为质量分数。
应用N2物理吸-脱附表征实施例与对比例载体孔结构,具体操作如下:采用ASAP-2420型N2物理吸-脱附仪对样品孔结构进行表征。取少量样品在300℃下真空处理3-4小时,最后将产品置于液氮低温(-200℃)条件下进行氮气吸-脱附测试。其中比表面积根据BET方程得到,孔容和孔直径在40nm以下的分布率根据BJH模型得到。
压汞法:应用压汞仪表征实施例与对比例载体孔直径分布,具体操作如下:采用美国麦克AutoPore9500型全自动压汞仪对样品孔分布进行表征。样品烘干后称重装入膨胀计内,并在维持仪器给定的真空条件下脱气30分钟,装汞。随后将膨胀计放入高压釜内,排气。然后进行升压、降压测试。汞接触角度130º,汞界面张力0.485N.cm-1,孔直径为100nm以上的分布率用压汞法测得的。
应用扫描电镜表征氧化铝载体的微观结构,具体操作如下:采用JSM-7500F扫描电镜对载体微观结构进行表征,加速电压5KV,加速电流20µA,工作距离8mm。
实施例1
称取粒径为6微米的活性炭25克,用7.5mL质量浓度为28%的磷酸氢铵溶液喷淋浸渍上述活性炭,喷浸后的活性炭与260克拟薄水铝石干胶粉(温州精晶氧化铝有限公司生产),8克田菁粉混合均匀,加入适量质量浓度为1.5%的醋酸水溶液混捏,挤条成型,成型物于100℃干燥6小时,干燥物在空气气氛下,于700℃焙烧5小时,得到氧化铝载体中间体ZA1。
称取上述氧化铝载体中间体ZA1 100克,置于500克碳酸氢铵溶液中,该碳酸氢铵溶液的质量浓度为14%的水溶液中,将混合物料转入高压釜中密封后以15℃/min的速度升温至100℃后恒温3小时,然后以10℃/min的速度升温至140℃恒温6小时,然后将载体于100℃干燥6小时,700℃焙烧5小时制得本发明氧化铝载体A1,载体的性质见表1。所述氧化铝载体A1中P2O5含量为1wt%,微米级孔道内棒状氧化铝的长度以1.5-5.5μm为主,主体氧化铝外表面上的棒状氧化铝的长度以3-8μm为主,主体氧化铝的外表面上棒状氧化铝的覆盖率约占85%,主体微米级孔道中棒状氧化铝的覆盖率约占80%;由棒状氧化铝以无序相互交错形成的孔集中在100-400nm。
实施例2
同实施例1,只是活性炭改为粒径为4微米的木炭,木炭加入量为29克,得到氧化铝载体中间体ZA2。碳酸氢铵溶液的质量为600克,碳酸氢铵溶液的质量浓度为17.5%。密封预处理温度为90℃,处理时间为2小时,热处理温度为110℃,处理时间为8小时,制得氧化铝载体A2,载体的性质见表1。所述氧化铝载体A2中P2O5含量为1.5wt%,微米级孔道内棒状氧化铝的长度以1-3.5μm为主,主体氧化铝外表面上的棒状氧化铝的长度以3-8μm为主,主体氧化铝的外表面上棒状氧化铝的覆盖率约占78%,主体微米级孔道中棒状氧化铝的覆盖率约占75%;由棒状氧化铝以无序相互交错形成的孔集中在100-400nm。
实施例3
同实施例1,只是活性炭改为粒径为7微米的木屑,木屑加入量为21克得到氧化铝载体中间体ZA3。碳酸氢铵溶液的质量为300克,碳酸氢铵溶液的质量浓度为20%。密封预处理前的升温速率为11℃/min,密封预处理后的升温速率为5℃/min,热处理温度为150℃,处理时间为4小时,制得氧化铝载体A3,载体的性质见表1。所述氧化铝载体A3中P2O5含量为0.8wt%,微米级孔道内棒状氧化铝的长度以2.0-6.0μm为主,主体氧化铝外表面上的棒状氧化铝的长度以3-8μm为主,主体氧化铝的外表面上棒状氧化铝的覆盖率约占83%,微米级孔道中棒状氧化铝的覆盖率约占81%;由棒状氧化铝以无序相互交错形成的孔集中在200-500nm。
实施例4
同实施例1,只是热处理之前没有预处理过程,直接以15℃/min的速度升温至140℃进行热处理。制得本发明氧化铝载体A4,载体的性质见表1。所述氧化铝载体A4中P2O5含量为1.1wt%,微米级孔道内棒状氧化铝的长度以1.5-5.5μm为主,主体氧化铝外表面上的棒状氧化铝的长度以3-8μm为主,主体氧化铝的外表面上棒状氧化铝的覆盖率约占76%,主体微米级孔道中棒状氧化铝的覆盖率约占78%;由棒状氧化铝以无序相互交错形成的孔集中在100-400nm。
对比例1
同实施例1,只是氧化铝基载体制备时碳酸氢铵溶液改为碳酸铵溶液,得到氧化铝载体A5,氧化铝载体A5性质见表1。
对比例2
同实施例1,只是氧化铝基载体制备时碳酸氢铵溶液改为碳酸氢钠溶液,得到氧化铝载体A6,氧化铝载体A6性质见表1。
表1 氧化铝载体中间体及氧化铝载体的性质
|
实施例1 |
实施例1 |
实施例2 |
实施例2 |
实施例3 |
实施例3 |
编号 |
ZA1 |
A1 |
ZA2 |
A2 |
ZA3 |
A3 |
比表面积,m<sup>2</sup>/g |
189 |
203 |
194 |
213 |
186 |
221 |
孔容,mL/g |
0.93 |
1.08 |
0.91 |
1.09 |
0.96 |
1.04 |
孔分布*,v% |
|
|
|
|
|
|
小于10nm |
- |
11 |
- |
12 |
- |
9 |
10-30nm |
44 |
51 |
42 |
53 |
43 |
54 |
100-600nm |
9 |
21 |
10 |
22 |
6 |
20 |
大于1000nm |
- |
4 |
- |
3 |
- |
4 |
5µm以上 |
10 |
无 |
9 |
无 |
8 |
无 |
压碎强度,N/mm |
10.8 |
13.5 |
10.6 |
13.2 |
11.1 |
12.9 |
续表1氧化铝载体中间体及氧化铝载体的性质
|
实施例4 |
对比例1 |
对比例2 |
编号 |
A4 |
A5 |
A6 |
比表面积,m<sup>2</sup>/g |
205 |
175 |
179 |
孔容,mL/g |
1.02 |
0.75 |
0.72 |
孔分布*,v% |
|
|
|
小于10nm |
11 |
30 |
29 |
10-30nm |
49 |
31 |
33 |
100-600nm |
19 |
14 |
17 |
大于1000nm |
2 |
- |
- |
5µm以上 |
无 |
7 |
6 |
压碎强度,N/mm |
12.6 |
9.5 |
9.8 |
实施例5
本实施例是以上述实施例和对比例所得氧化铝为载体,制备加氢脱硫催化剂。
称取实施例1的氧化铝载体中间体ZA1 100克,加入150mL Mo-Ni-NH3溶液(按最终催化剂中含MoO312.5wt%,NiO 4.0wt%)浸渍2小时,滤去多余溶液,120℃烘干4小时,再在550℃温度下焙烧5小时,得到加氢脱金属催化剂C0。
催化剂C1-C6的制备同催化剂C0,只是将氧化铝载体中间体ZA1分别换成实施例1-4和对比例1-2 制备的氧化铝载体A1-A6,相应得到加氢脱硫催化剂C1-C6。
实施例6
下面的实施例说明加氢脱硫催化剂C0-C6的催化性能。
以表2所列原料油为原料,在固定床渣油加氢反应装置上评价C0-C6的催化性能,催化剂为长2-3毫米的条,反应温度380℃,氢油体积比1000,液时体积空速0.49h-1,氢分压14MPa。催化剂运转2000小时,脱杂质性质见表3。
表 2 原料油性质
项目 |
|
密度(20℃),g/cm<sup>3</sup> |
0.96 |
S,wt% |
3.3 |
N,wt% |
0.35 |
Ni,µg/g |
17.43 |
V,µg/g |
58.78 |
CCR,wt% |
11.2 |
表3 本发明实施例和对比例所得催化剂的评价结果
加氢脱硫催化剂 |
C0 |
C1 |
C2 |
C3 |
C4 |
C5 |
C6 |
脱硫率,wt% |
63.2 |
94.4 |
92.8 |
95.2 |
90.3 |
71.2 |
73.4 |
脱氮率,wt% |
51.6 |
74.8 |
73.9 |
75.0 |
70.1 |
63.4 |
65.2 |
脱Ni+V,wt% |
72.3 |
71.5 |
73.2 |
72.9 |
69.0 |
54.5 |
51.6 |
从表3的结果可以看出采用本发明加氢脱硫催化剂具有较高的硫脱除率,同时具有较高的金属及氮脱除率。而对比例1和2制备的催化剂的脱硫、脱氮率明显不如本发明催化剂的脱除率高。