CN116024004A - 一种油脂类原料制备柴油馏分的加氢方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油脂类原料制备柴油馏分的加氢方法,包括:油脂类原料在氢气的存在下与加氢转化催化剂接触主要进行加氢脱氧和加氢异构化反应,其反应流出物经过气液分离后,所得液相物流进行分馏,得到柴油馏分,柴油馏分中异构烃含量至少为40重量%。本发明能一步法处理油脂类原料得到低凝点柴油馏分,与现有技术相比,简化了工艺流程,并且催化剂稳定性高,成本低。
Description
技术领域
本发明涉及油脂类原料处理技术领域,具体涉及一种油脂类原料制备柴油馏分的加氢方法。
背景技术
随着传统的化石能源供应趋紧,二氧化碳减排的压力日益增加,如何在增加燃油供应量的同时有效减少二氧化碳气体排放量是炼油工业正面临的一个重要问题。发展生物质燃料被认为是解决该问题的有效手段之一。采用油脂为原料生产喷气燃料通常采用两步加氢工艺,首先对油脂原料加氢处理,得到烃类化合物;然后再将烃类化合物加氢转化,制备出符合喷气燃料标准的喷气燃料组分。
生物燃料逐渐引起人们的重视主要有以下原因:1、生物燃料是可再生能源;2、生物燃料的含碳特性与现有的燃料性质接近;3、通过生物燃料的前体吸收的二氧化碳可以减少温室气体的净排放;4、生物能源分布比化石能源分布更均匀。
将植物油或其他脂肪酸衍生物转化为液体燃料的传统方法为脂交换。脂交换法是在催化剂的作用下使用醇的酯交换反应,使形成植物油的甘油三酯转化为相应的脂肪酸烷基酯,通常为脂肪酸甲基酯。但是,脂肪酸甲基酯的低温流动性限制了其在低温环境的使用。脂肪酸甲基酯的低温流动性由其脂肪酸的链特性决定,碳碳双键的存在可以改善低温流动性,但降低了脂肪酸甲基酯的稳定性。另外脂肪酸甲基酯中氧的存在会导致相对于传统柴油燃料会有更高的NOx排放。
油脂通过加氢技术可以生产出具有高十六烷值的柴油组分。例如在US4992605A中公开了一种生产高十六烷值烃的方法,产物主要为C15-C18的正构烷烃,具有较高的凝固点,其低温流动性差。在US5705722A中公开了由具有相对高的不饱和化合物含量的包含牛油的生物质原料制备馏程在柴油范围内的液态烃的方法。在至少350℃的温度下加氢处理所述原料。同样在该方法中所得到的产物为具有较高凝固点的正构烷烃,低温流动性差。
为了改善加氢产物的低温流动性能,通常的方法是将产物进行异构化反应。例如EP1396531公开了将选自植物油、动物油或鱼油的原料转化为液态烃的方法,所述方法包括加氢脱氧步骤,之后是加氢异构化步骤。异构化步骤采用逆流原理操作,将加氢脱氧步骤产生的硫化氢、水等杂质进行脱除,避免贵金属异构化催化剂的中毒。
CN101583694B公开了一种用于制备柴油可用作柴油燃料或柴油燃料组分的烃馏分的方法,所述方法由可能含有一定量自由脂肪酸的包含脂肪酸酯的生物原料首先加氢脱氧,然后包括分离来自加氢脱氧步骤中液体馏分的纯化步骤和洗涤步骤、以及加氢异构化步骤。为了克服使用贵金属或还原态金属的异构催化剂时,需要对加氢脱氧过程产生的液体烃进行纯化处理。
US2006/0207166公开了一种从动植物油脂生产柴油燃料的方法,所述方法在一个反应器内采用酸性载体负载铂和钯的催化剂实现加氢脱氧和异构化反应,得到的产物为C14~C18的烷烃,其中异构烃和正构烃的比例为2~8。
CN103289824A公开了一种油脂的转化过程,所述方法经过一步催化反应将油脂转化为烃类化合物,油脂转化为C11~C24烷烃的收率大于70wt%,其中异构烷烃的选择性大于60wt%。所采用的催化剂为金属负载在酸性载体,酸性载体包括沸石和/或杂原子替代的磷酸铝分子筛(AIPO-n),优选SAPO(硅磷酸铝分子筛)或MeAPO(金属磷酸铝分子筛)。
CN103920528A公开了用于油脂一步加氢脱氧裂化异构化制备航空煤油组分的催化剂及其制备方法,所述催化剂为贵金属负载在复合固体酸载体,其组成为0.2%~0.5%的Pd,5%~85%的beta分子筛,10%~94.8%的氧化铝。
从上述一步法现有技术来说,其催化剂的活性组分为还原态的金属。相对于硫化态的催化剂,还原态催化剂容易失活,尤其是对于贵金属催化剂,会存在催化剂稳定性差的问题。
从现有的技术来看,在以油脂为原料制备柴油馏分时,为了降低柴油的低温流动性,通常采用两段加氢工艺,首先进行加氢脱氧得到主要由正构烷烃组成的馏分,然后进行加氢异构反应降低产物的凝固点改善其低温流动性。当采用一步法加氢工艺时,催化剂具有稳定性差的缺点。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中油脂类原料一步法生产柴油馏分时,存在催化剂稳定性差和催化剂成本高的技术问题。
本发明提供一种油脂类原料制备柴油馏分的加氢方法,包括:油脂类原料在氢气的存在下与加氢转化催化剂接触主要进行加氢脱氧和加氢异构化反应,其反应流出物经过气液分离后,所得液相物流进行分馏,得到柴油组分,柴油馏分中异构烃含量至少为40重量%;
加氢转化催化剂含有载体和加氢活性金属组分,载体含有氧化铝、氧化硅-氧化铝,以载体为基准,所述氧化铝的含量为20-80重量%,氧化硅-氧化铝的含量为80-20重量%,所述氧化铝为一种孔径小于60埃孔的孔体积占总孔体积25%以上的氧化铝;所述加氢活性金属组分为至少一种选自第VIB族金属元素和至少一种选自第VIII族金属元素,所述第VIB族金属元素为钼和/或钨,所述第VIII族金属元素为钴和/或镍;以氧化物计并以加氢转化催化剂为基准,钴和/或镍的含量为1-10重量%,钼和/或钨的含量为5-40重量%。
在本发明中,油脂类原料包括各种动植物油脂、餐饮废油的一种或几种。
所述的动植物油脂包括植物油和动物油脂,以及含有甘油酯和游离脂肪酸的原料,以及植物油和/或动物油脂经过酯交换方法制备的脂肪酸甲酯或脂肪酸乙酯。所述甘油酯包括甘油三酯、甘油二酯和甘油单酯。所述植物油包括但不局限于,大豆油、菜籽油、棉籽油、玉米油、米糠油、向日葵油、花生油、蓖麻油、芝麻油、花椒籽油、茶油、椰子油、橄榄油、黄连木油、棕榈油、桐油、麻风树油、松脂油、乌桕油中的一种或几种。
所述的餐饮废油是动植物油脂加工和食用消费中产生的不宜再食用的油脂废弃物。包括油料生产食用油过程中产生的脂肪酸、酸化油等;居民家庭、宾馆、餐饮行业以及食品生产企业使用食用油中产生的煎炸余油、厨余油、潲水油等各类餐饮废油;肉类生产和加工中副产的动物脂肪,还有超过保质期的食用油等。
在本发明中,油脂类原料在氢气的存在下与加氢转化催化剂接触,发生包括烯烃饱和、加氢脱氧、加氢脱羧基、加氢脱羰基、加氢脱硫、加氢脱氮、正构烷烃的异构化以及少量的裂化等反应,反应的产物为碳数3~24的烷烃,还包括水、一氧化碳、二氧化碳和硫化氢等副产物。反应流出物通过气液分离和分馏的方法分离出液体烃产物。分离的气体产物可通过氢气提纯技术分离出氢气作为循环氢使用,可选的氢气提纯技术可包括变压吸附PSA和膜分离等传统的氢气提纯技术。
以油脂为原料生产柴油馏分,柴油的低温流动性与正构烷烃的含量相关,正构烷烃含量越高则柴油的凝固点越高。将正构烷烃异构化为异构烷烃后可降低其凝固点。本发明的发明人通过深入研究发现,柴油馏分中异构烷烃含量高于40重量%时,可将柴油的凝固点降低到0℃以下;但是再增加异构烃的含量后,在柴油的凝点降低的同时,其十六烷值也会降低。并且,随着异构化程度的增加会伴随更多的裂化副反应发生,造成柴油馏分收率的降低。因此,本发明提供方法中,控制所得柴油馏分中异构烷烃的含量至少为40重量%。所得的柴油馏分可以单独使用,也可以作为调和组分与化石基柴油混合使用。
在本发明的一种实施方式中,柴油馏分的初馏点为170-205℃,终馏点为290-350℃。
在本发明的一种实施方式中,加氢转化的反应条件:反应温度250-450℃,压力3.0-10.0MPa,液时体积空速0.1-10h-1,氢油体积比为300-2000Nm3/m3。在优选的情况下,加氢转化的反应条件:反应温度300-400℃,压力4.0-8.0MPa,液时体积空速0.5-5h-1,氢油体积比为500-1500Nm3/m3。
在本发明的一种实施方式中,加氢转化催化剂含有载体和加氢活性金属组分,载体含有氧化铝、氧化硅-氧化铝,以载体为基准,所述氧化铝的含量为25-75重量%,氧化硅-氧化铝的含量为75-25重量%。
在本发明的一种实施方式中,所述氧化铝为一种孔径小于60埃孔的孔体积占总孔体积30%以上的氧化铝。
所述氧化铝选自γ、η、θ、δ和x之中一种或一种以上的过渡相氧化铝,也可以是含有一种或几种选自钛、镁、硼、锆、钍、铌、稀土之中一种或几种填加组分的γ、η、θ、δ和x之中一种或一种以上的过渡相氧化铝,优选为γ-氧化铝和/或含有一种或几种选自钛、镁、硼、锆、钍、铌、稀土之中一种或几种填加组分的γ-氧化铝,所述的氧化铝可以是市售的商品,也可以采用任意一种现有技术制备。
在本发明的一种实施方式中,所述氧化硅-氧化铝为具有特征的γ-氧化铝X射线衍射谱图的氧化硅-氧化铝,以所述氧化硅-氧化铝为基准,所述氧化硅-氧化铝含有5-60重量%的氧化硅,40-95重量%的氧化铝,在优选的情况下,以所述氧化硅-氧化铝为基准,所述氧化硅-氧化铝含有10-45重量%的氧化硅,55-90重量%的氧化铝。
所述的氧化硅-氧化铝可以是市售的商品,也可以采用任意一种现有技术制备。
在本发明的一种实施方式中,所述载体的制备包括将氧化硅-氧化铝和/或其前身物与氧化铝和/或氧化铝的前身物混合、成型并焙烧,其中各组分的用量使最终的载体,所述氧化铝的前身物选自水合氧化铝,优选其中的拟薄水铝石;所述的氧化硅-氧化铝的前身物优选具有拟薄水铝石结构的氧化硅-氧化铝。它们可以是市售的商品,也可以采用任意一种现有技术制备。所述氧化铝前身物经焙烧后为一种孔径小于60埃孔的孔体积占总孔体积25%以上、优选30%以上、进一步优选35%以上的氧化铝。
所述的焙烧采用本领域惯用的方法和条件,如焙烧温度可以为350-650℃;优选为400-600℃,焙烧时间为2-6小时,优选为3-5小时。
在本发明的一种实施方式中,以氧化物计并以加氢转化催化剂为基准,钴和/或镍的含量为2-8重量%,钼和/或钨的含量为10-35重量%。
在本发明的一种实施方式中,所述引入加氢活性金属组分的方法是在足以将有效量的金属组分沉积于所述载体上的条件下,将所述载体与含加氢活性金属组分的金属化合物的溶液接触,如通过离子交换、浸渍、共沉淀等方法,优选浸渍法,之后干燥、焙烧或不焙烧。
在本发明的一种实施方式中,所述干燥和焙烧的条件为:干燥温度为80-350℃,优选为100-300℃,干燥时间为1-24小时,优选为2-12小时,焙烧温度为350-550℃优选为400-500℃,焙烧时间为1-10小时,优选为2-8小时。
根据本发明提供的方法,所述加氢转化催化剂经过硫化后使用,在本发明的一种实施方式中,为了维持催化剂的硫化形态,在油脂类原料中补充硫,或者在循环氢气中添加硫。
在本发明的一种实施方式中,油脂类原料中含有硫化剂,硫化剂的含量为0.01%-0.5重量%。所述硫化剂可以是各种在加氢脱氧条件下能够气化并对加氢处理催化剂进行硫化的含硫物质,在本发明中,所述硫化剂选自硫化氢、二硫化碳、二甲基二硫醚、甲基硫醚、正丁基硫醚和噻吩中的一种或多种。
在本发明中,对加氢反应器形式没有任何限制,可以为固定床反应器、沸腾床反应器和浆态床反应器中任一种。在本发明的一种实施方式中,加氢反应器为固定床反应器。在加氢过程中,采用多床层并在床层间注入冷氢的方式控制反应温升,或者采用循环油控制反应温升。
本发明提供的方法,油脂类原料在加氢转化催化剂的作用下进行加氢脱氧同时进行异构化反应,并控制所得柴油馏分中异构烃含量不低于40重量%。本发明能一步法处理油脂类原料得到低凝点柴油馏分,与现有技术相比,简化了工艺流程,并且催化剂稳定性高,成本低。
本发明制备的柴油馏分不含硫,具有较低的凝固点和高的十六烷值,可以作为柴油使用,也可以和化石基柴油混合使用,还可以作为提高柴油十六烷值的添加剂使用。
附图说明
图1是本发明提供的油脂类原料制备柴油馏分的加氢方法其中一个实施方式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明,但并不因此而限制本发明。
图1是本发明提供的油脂类原料制备柴油馏分的加氢方法其中一个实施方式示意图,如图1所示,油脂类原料1、补充氢2和循环氢3混合后进入加氢反应器4,加氢反应器装填加氢转化催化剂,油脂类原料在氢气的存在下与加氢转化催化剂接触主要进行加氢脱氧和加氢异构化反应。加氢反应器的反应流出物5进入高压分离器6,经过气液分离后得到富氢气态物料9、水7和液体烃8;富氢气态物料9经过压缩机10升压后作为循环氢3使用。液体烃8进入分馏塔11进行分馏,得到低碳轻烃12、石脑油馏分13和柴油馏分14。
下面结合实施例对本发明作进一步的说明,但并不因此而使本发明受到任何限制。
实例中所用的试剂,除特别说明的以外,均为纯化学试剂。
加氢活性组分采用X射线荧光光谱法测定。
加氢转化催化剂C的制备方法如下:
将CL-1粉(取自长岭催化剂厂,经过500℃焙烧4小时得到的氧化铝为D1,其比表面和孔分布列于表1中)234.3克、Siral 40(来自Sasol公司,SiO239.6%,Al2O360.3%,XRD表征呈拟薄水铝石相)64.2克混合,挤成外径圆直径为1.5毫米的三叶草,湿条与120℃烘干4小时,550℃焙烧3小时得到载体S。取制备的S载体100g,用125mL WO3含量为266.6g/L,NiO含量为53.3g/L的偏钨酸铵和硝酸镍混合溶液浸渍1小时,之后于120℃烘干3小时,450℃焙烧3小时,得到催化剂C。氧化铝D1、载体S和催化剂C的性质见表1。
加氢转化催化剂DC的制备方法如下:
将CL-2粉(取自长岭催化剂厂,经500℃焙烧4小时得到的氧化铝为D2,其比表面和孔分布列于表1中)211.2g、Siral 40(来自Sasol公司,SiO239.6%,Al2O360.3%,XRD表征呈拟薄水铝石相)64.2g混合,挤成外接圆直径为1.5毫米的三叶形条,湿条于120℃烘干4小时,550℃焙烧3小时得到载体DS。取制备的DS载体100克,用138毫升WO3含量为241.5克/升,NiO含量为48.3克/升的偏钨酸铵和硝酸镍混合溶液浸渍2小时,之后于120℃烘干4小时,450℃焙烧2小时,得到催化剂DC。氧化铝D2、载体DS和催化剂DC的性质见表1。
实施例中使用原料的主要性质见表2。
实施例1
在加氢转化反应器中装有100mL制备的加氢转化催化剂C,催化剂经过硫化后,在反应压力5.0MPa、反应温度360℃、液时体积空速1.0h-1和氢油体积比800的条件下,棕榈油和含有0.3重量%的二甲基二硫、氢气进行加氢转化反应。得到的反应产物经过分离和分馏后,得到凝固点为0℃的柴油馏分(馏程180~324℃),柴油馏分中异构烃含量为40重量%,柴油馏分收率为76重量%,十六烷值为85。
运行1000小时后,反应条件为:反应压力6.0MPa、反应温度365℃、液时体积空速0.5h-1、氢油体积比1200,所得柴油馏分(馏程175~328℃)凝固点为0℃,柴油馏分中异构烃含量为40重量%,柴油馏分收率为75重量%,十六烷值为85。
实施例2
在加氢转化反应器中装有100mL制备的加氢转化催化剂C,催化剂经过硫化后,在反应压力5.0MPa、反应温度370℃、液时体积空速1.0h-1和氢油体积比800的条件下,餐饮废油和含有0.2重量%的二甲基二硫、氢气进行加氢转化反应。得到的反应产物经过分离和分馏后,得到凝固点为-10℃的柴油馏分(馏程170~335℃),柴油馏分中异构烃含量为60重量%,柴油馏分收率为72重量%,十六烷值为80。
对比例1
在加氢转化反应器中装有100mL制备的加氢转化催化剂DC,催化剂经过硫化后,在反应压力5.0MPa、反应温度360℃、液时体积空速1.0h-1和氢油体积比800的条件下,棕榈油和含有0.3重量%的二甲基二硫、氢气进行加氢转化反应。得到的反应产物经过分离和分馏后,得到凝固点为5℃的柴油馏分(馏程180~332℃),柴油馏分中异构烃含量为32重量%,柴油馏分收率为70重量%,十六烷值为78。
表1
表2
项目 | 棕榈油 | 餐饮废油 |
<![CDATA[密度(20℃),kg/m<sup>3</sup>]]> | 921.2 | 918.6 |
总酸值,mgKOH/g | 0.2 | 10.2 |
氧含量,% | 11.4 | 11.9 |
硫含量,mg/kg | ﹤2.0 | 5.5 |
氮含量,mg/kg | ﹤2.0 | 59 |
Claims (10)
1.一种油脂类原料制备柴油馏分的加氢方法,包括:
油脂类原料在氢气的存在下与加氢转化催化剂接触主要进行加氢脱氧和加氢异构化反应,其反应流出物经过气液分离后,所得液相物流进行分馏,得到柴油馏分,柴油馏分中异构烃含量至少为40重量%;
加氢转化催化剂含有载体和加氢活性金属组分,载体含有氧化铝、氧化硅-氧化铝,以载体为基准,所述氧化铝的含量为20-80重量%,氧化硅-氧化铝的含量为80-20重量%,所述氧化铝为一种孔径小于60埃孔的孔体积占总孔体积25%以上的氧化铝;所述加氢活性金属组分为至少一种选自第VIB族金属元素和至少一种选自第VIII族金属元素,所述第VIB族金属元素为钼和/或钨,所述第VIII族金属元素为钴和/或镍;以氧化物计并以加氢转化催化剂为基准,钴和/或镍的含量为1-10重量%,钼和/或钨的含量为5-40重量%。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,油脂类原料包括各种动植物油脂、餐饮废油的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,加氢转化催化剂含有载体和加氢活性金属组分,载体含有氧化铝、氧化硅-氧化铝,以载体为基准,所述氧化铝的含量为25-75重量%,氧化硅-氧化铝的含量为75-25重量%;
所述氧化铝为一种孔径小于60埃孔的孔体积占总孔体积30%以上的氧化铝。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述氧化硅-氧化铝为具有特征的γ-氧化铝X射线衍射谱图的氧化硅-氧化铝,以所述氧化硅-氧化铝为基准,所述氧化硅-氧化铝含有5-60重量%的氧化硅,40-95重量%的氧化铝。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,以所述氧化硅-氧化铝为基准,所述氧化硅-氧化铝含有10-45重量%的氧化硅,55-90重量%的氧化铝。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,以氧化物计并以加氢转化催化剂为基准,钴和/或镍的含量为2-8重量%,钼和/或钨的含量为10-35重量%。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,加氢转化的反应条件:反应温度250-450℃,压力3.0-10.0MPa,液时体积空速0.1-10h-1,氢油体积比为300-2000Nm3/m3。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,加氢转化的反应条件:反应温度300-400℃,压力4.0-8.0MPa,液时体积空速0.5-5h-1,氢油体积比为500-1500Nm3/m3。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,油脂类原料中含有硫化剂,硫化剂的含量为0.01-0.5重量%;所述硫化剂选自H2S、CS2、二甲基二硫醚、甲基硫醚、正丁基硫醚和噻吩中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,柴油馏分的初馏点为170-205℃,终馏点为290-350℃。
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