DE3115111A1 - Verfahren zur hydrobehandlung von kohlenstoffhaltigem material - Google Patents
Verfahren zur hydrobehandlung von kohlenstoffhaltigem materialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hydrobehandlung von kohlenstoffhaltigem Material, bei dem empirische Hydrate von
bestimmten Alkalimetallschwefelverbindungen verwendet werden.
Es sind bereits viele Verfahren bekannt, um Petroleumöle und dergleichen mit Alkalimetallverbindungen oder Sulfiden zu behandeln.
So wird z.B. in der US-PS 3 252 774 ein Verfahren zum Cracken von flüssigen Kohlenwasserstoffen zur Bildung von wasserstoffhaltigen
Gasen beschrieben, bei dem man das Ausgangsmaterial mit einer Schmelze einer Alkalimetallverbindung (z.B. der Sulfide)
bei Temperaturen zwischen etwa 427 und 982°C (800 bis 180O0F) in
Anwesenheit von Wasserdampf behandelt.
In der US-PS 3 617 529 wird die Entfernung von elementarem Schwefel aus Petroleumöl durch Kontaktierung des Öls bei Umgebungstemperatur
mit einer wäßrigen Lösung, die Natriumhydrosulfid allein
oder in Kombination mit Natriumhydroxid und Ammoniumhydroxid enthält,
beschrieben. Die wäßrige Lösung und das Öl werden abgetrennt und die wäßrige Lösung wird behandelt, um den Schwefel von
den Polysulfiden zu befreien, die während der Kontaktierungsstufe gebildet werden.
In den US-PS'en 3 787 315 und 3 788 978 werden Verfahren zur Entschwefelung
von Petroleumöl beschrieben. Das Öl wird mit einem Alkalimetall oder einer -legierung in Gegenwart von Wasserstoff
kontaktiert, um ein Sulfid zu bilden, wodurch das Öl entschwefelt wird. Das Sulfid wird von dem Öl abgetrennt, indem es mit Schwefelwasserstoff
behandelt wird. Das abgetrennte Monosulfid wird mit Natriumpolysulfid behandelt, um ein Polysulfid mit niedrigem
Schwefelgehalt zu bilden, das sodann zur Herstellung von Natrium elektrolysiert wird.
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In der US-PS 3 816 298 wird ein zweistufiges Verfahren zur Veredelung
(teilweise Entschwefelung, Hydrierung und Hydrocrackung)
von schweren Kohlenwasserstoffen (z.B. Vakuumrückständen) zu flüssigen Kohlenwasserstoffprodukten und einem wasserstoffhaltigen
Gas beschrieben. In der ersten Stufe wird die Kohlenwasserstoff beschickung mit einem Gas, das Wasserstoff und Kohlenoxid
enthält, in Gegenwart von einem von zahlreichen Katalysatoren, wie Alkalimetallsulfiden und -hydrosulfiden, kontaktiert. Der
Druck muß oberhalb 10,5 atü (150 psig) und die durchschnittliche Temperatur zwischen etwa 371 und 5930C (700 und 1100°F) liegen.
Ein Beispiel beschreibt die Einleitung von Wasserdampf (sowie von Wasserstoff und Kohlenoxiden) in die erste Stufe mit einem
K2C03-Katalysator bei 23,9 atü (340 psig) und 4880C (9100P). Als
Nebenprodukt wird ein festes kohlenstoffhaltiges Material auf dem Katalysator abgeschieden. Ein Teil des Katalysators wird in
die zweite Reaktionsstufe geleitet, wo er mit Wasserdampf bei einem Druck von oberhalb etwa 10,5 atü (150 psig) und einer
durchschnittlichen Temperatur oberhalb C49°C (12000F) behandelt
wird.
In der US-PS 4 003 823 wird ein weiteres Verfahren zum Veredeln von schweren Kohlenwasserstoffen beschrieben, bei dem man diese
mit Alkalimetallhydroxiden bei Wasserstoffdrücken von etwa 35,2 bis 351,5 atü (500 bis 5000 psig) und Temperaturen von etwa 260
Ma 1O93°C (500 bis 20000P) kontaktiert. Als erste Stufe zur
Regenerierung der Alkalimetallhydroxide kann Schwefelwasserstoff zu den Produkten zugesetzt werden, die aus der Reaktionszone abgezogen
worden sind, um die in dem Reaktor gebildeten Alkalimetallsulfide in Hydrosulfide umzuwandeln.
In der US-PS 4 018 572 wird ein Verfahren zur Entschwefelung von .fossilen Brennstoffen beschrieben, bei dem man das Material mit
wäßrigen Lösungen oder Schmelzen von Alkalimetallpolysulfiden kontaktiert, um Salze mit höherem Schwefelgehalt zu bilden, die
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zersetzt werden, um die Polysulfide mit vermindertem Schwefelgehalt
zu regenerieren.
Schließlich wird in der US-PS 4 119 528 ein weiteres Verfahren
zur Behandlung von schweren kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsmaterialien
beschrieben, bei dem Kaliumsulfid und WasserstoffdrUck·
von etwa 35,2 bis 351,5 atU (500 bis 5000 peig) und Temperaturen
von 260 bis 10930C (500 bis 20000F) angewendet werden.
Die Produkte werden entschwefelt und niedrigsiedende Öle und Kaliumhydrosulfid können in Kaliumsulfid zurückumgewandelt werden.
Das Kaliumsulfid kann in den Reaktor als solches eingebracht werden oder in situ hergestellt werden, indem man verschiedene
Kaliumverbindungen mit Schwefelverbindungen, wie Schwofelwasserstoff,
umsetzt. Das Kaliumsulfid kann auch dadurch hergestellt werden, daß man Kaliumverbindungen, wie Hydrosulfide
oder Polysulfide, mit Reduktionsmitteln, wie Wasserstoff, reduziert. Das Sulfid kann auch durch Hochtemperatur-Wasserdampfbehandlung
von Kaliumhydrosulfid hergestellt werden. Vorzugsweise wird ein Gemisch aus Kalium- und Natriumsulfiden verwendet, da
das Natriumsulfid als "Abfänger" für den während der Reaktion gebildeten Schwefelwasserstoff dient, der sich sonst mit dem Kaliumsulfid
unter Bildung von "inaktibem" Kaliumhydrosulfid umsetzen würde.
In den folgenden US-PS'en sind weiterhin Verfahren zur Behandlung
von Petroleumölen und dergleichen mit Alkalimetallverbindungen oder -sulfiden beschrieben: 1 300 816, 1 413 005,
1 729 943, 1 938 672, 1 974 724, 2 145 657, 2 950 245, 3 112 257, 3 185 641, 3 368 875, 3 354 081, 3 382 168, 3 483 119, 3 553 279,
3 565 792, 3 663 431, 3 745 109 und 4 007 109.
Ein Problem der bekannten Verfahren mit Einschluß der oben beschriebenen
Verfahren besteht darin, daß scharfe Verfahrensbe-
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dingungen, z.B. hohe Temperaturen und/oder Drücke, erforderlich sind, um einsetzbare Produkte mit hohen Ausbeuten zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lösung dieses Problems.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß durch Verwendung
eines empirischen Hydratreagenzes der unten beschriebenen Zusammensetzung die Ausbeute an einsetzbaren Produkten bei relativ
milden Prozeßbedingungen erheblich höher ist als bei allen anderen bekannten Hydrobehandlungsverfahren mit Einschluß der oben
beschriebenen. So braucht z.B. die Reaktionstemperatur bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht größer als etwa 4100C sein und
der Druck braucht nicht oberhalb Atmosphärendruck zu liegen. Da weiterhin die Umwandlungswirksamkeit und die Ausbeute an einsetzbaren
Produkten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren überraschend hoch sind und da weniger kostspielige Prozeßbedingungen erforderlich
sind, kann eine Verminderung der Verbraucherkosten erwartet werden.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Hydrobehandlung
von kohlenstoffhaltigem Material, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man das kohlenstoffhaltige Material in einem
Reaktionsgefäß Wasserdampf und einem Reagenz unterwirft, das ein empirisches Hydrat einer Schwefel enthaltenden Verbindung aus
der Gruppe Alkalimetallhydrοsulfide, Alkalimetallmonosulfide und Alkalimetallpolysulfide sowie Gemische davon, darstellt.
In keiner der obengenannten US-Patentschriften wird die Verwendung
von empirischen Hydraten von Alkalimetallhydrosulfiden, -sulfiden oder -polysulfiden zur Hydrobehandlung (z.B. Hydrierung
und Hydrocrackung) von kohlenstoffhaltigen Materialien gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben oder nahegelegt.
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Die hierin verwendete Bezeichnung "kohlenstoffhaltiges Material"
soll beispielsweise Öle, Schiefergesteln, Teerßände und dergleichen,
Jedoch nicht Kohle bedeuten. Somit sind Beispiele für "kohlenstoffhaltige Materialien" Rohöle, atmosphärische Rückstände
(gecrackt und nicht göcraokt) und Vakuumrückstände (kraft- und
nicht kraftgebrochen) sowie Nicht-Petroleumöle. Die Bezeichnung
"Hydrobehandlung" schließt Hydrieren und Hydrocracken ein. Die
Bezeichnung "empirische Hydrate" wird deswegen verwendet, weil die erfindungsgemäß verwendeten Reagentien Hydrate zu sein scheinen,
da sie gebundenem oder mmozliertos Wasser enthalten, das
bei diskreten Temperaturen befreit wird, wenn die Reagentien erhitzt werden.
Die Verwendung von Wasserdampf bei dem erfindungsgemUßen Verfahren
ist wesentlich, da sie die Reagentien in ihrer empirisch hydratisieren (hochaktiven) Form aufrechterhält.
Das erfindungsgemäße Verfahren bringt viele Vorteile mit sich. Neben den bereits genannten Vorteilen findet die Denitrierung
und die Demetallisierung gleichzeitig mit der Hydrobehandlung
statt. Weiterhin kann je nach den Prozeßbedingungen und davon,
welche Reagentien verwendet werden, auch eine Entschwefelung stattfinden (vgl. US-PS 4 160 721, die ein Entschwefelungsverfahren
beschreibt).
Weiterhin sind die Wirksamkeit und der erhältliche Hydrobehandlungsgrad
sehr hoch. Beispielsweise sieden bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der auch Schwefelwasserstoff in eine Reaktionszone
eingeleitet wird, in der ein Rückstand mit einem Anfangssiedepunkt von mehr als 3430C in einem Durchlauf behandelt
wird, praktisch alle resultierenden Produkte bei Temperaturen unterhalb von 343°C. Dies illustriert den hohen Grad der Crackung
bei relativ milden Bedingungen, der erfindungsgemäß erhältlich ist.
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Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.
Im breiten ^inne umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren die Kontaktierung
des kohlenstoffhaltigen Materials mit dem Reagenz. Das kohlenstoffhaltige Material wird gewöhnlich in flüssiger
Phase verwendet, doch deuten Voruntersuchungen darauf hin, daß auch ein Dampfphasenkontakt angewendet werden kann. Wasserdampf
wird durch das Reaktionsgemisch geleitet, um das Reagenz in seiner empirisch hydratisierten (hochreaktiven) Form zu halten.
(Für kohlenstoffhaltige Materialien mit einem hohen Gehalt an Naphthensäuren wird der Wasserdampfstrom bei einem Minimum gehalten,
da Wasser dazu neigt, diese Materialien zu zersetzen. In solchen Fällen kann vorteilhafterweise gleichzeitig auch Wasserstoff
eingeleitet werden). Freies flüssiges Wasser bewirkt, daß sich das Reagenz zersetzt, und daher sollten die Reaktionsbedingungen so ausgewählt werden, daß das Vorhandensein einer
signifikanten Menge von flüssigem Wasser verhindert wird. Vorzugsweise werden die Bedingungen so ausgewählt, daß praktisch
in der Reaktionszone kein freies flüssiges Wasser vorhanden ist.
Das Reaktionsgemisch wird erhitzt, um das behandelte Produkt zu verdampfen. Der Wasserdampf und das Produkt werden aus der Reaktionszone
abgezogen, abgekühlt und aufgetrennt. Gewünschtenfalls kann das Produkt als eine Reihe von Destillationsschnitten
abgenommen werden und die höheren Schnitte (mit höherer Siedetemperatur) werden zur weiteren Behandlung zurückgeführt. Der
Wasserdampf und das verdampfte Produkt brauchen keinesfalls kontinuierlich abgezogen zu werden. Jedoch steigt bei einem periodischen
Abziehen der Druck an und bewirkt die Kondensation von Wasserdampf. Dies führt seinerseits zu einer Zersetzung des
Reagenzes und zu einem Abbruch der Reaktion. Demgemäß wird es bevorzugt, daß mindestens eine periodische Dampfentfernung vorgenommen
wird, wobei eine kontinuierliche Entfernung am meisten bevorzugt wird.
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Die Behandlung kann in fast allen Typen von Einrichtungen durchgeführt
werden. So kann z.B. ein Tankreaktor eingesetzt werden. Gleichfalls kann ein Kolonnenreaktor mit Stufen verwendet werden,
dor die Abnahme der Produktschnitte am Kopf und als Seitönstrftme
gestattet. Das Verfahren kann kontinuierlich oder absatzweise und mit einer oder mehreren Reaktionn(stufen durchgeführt werden.
Ein Tankreaktor würde normalerweise absatzweise betrieben, während eine Stufenkolonne sich für den kontinuierlichen Betrieb
anbietet.
Bei einer bevorzugten Ausführungnform wird auch Schwefelwasserstoff
zur Kontaktierung des Reaktionsgemisches in die Reaktionszone eingeleitet. Hierdurch wird ein Teil des Reagenzes regeneriert
und eine höhere Produktivität resultiert. Wie unten erläutert, wird Schwefelwasserstoff während der Behandlung erzeugt
und er wird mit dem Wasserdampf und dem verdampften Produkt abgezogen. Demgemäß ist es am vorteilhaftesten, wenn der abgezogene
Schwefelwasserstoff in die Reaktionszone zurückgeführt wird.
Die Reaktionstemperaturen sind verhältnismäßig niedrig und liegen im allgemeinen zwischen ungefähr 40 und 4100C. Für bestimmte
Materialien (z.B. Vakuumrückstände) findet praktisch keine Reaktion statt, bis die Temperatur relativ hoch ist (z.B. 3700C).
Die Drücke brauchen nicht oberhalb Atmosphärendrücken zu liegen, doch können Konstruktionserwagungen die Anwendung von höheren
Drücken diktieren, um beispielsweise den Durchmesser (und die Kosten) eines Reaktors vom Kolonnentyp zu vermindern. Ungeachtet,
welche Bedingungen angewendet werden, sollten sie nicht zu einer Kondensation einer signifikanten Menge des Wasserdampfes
führen. Vorzugsweise kondensiert praktisch überhaupt kein Wasserdampf.
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Die hierin verwendeten Reagentien sind die empirischen Hydrate von Hydrosulfiden, Monosulfiden und Polysulfiden von Elementen
der Gruppe IA des Periodensystems, ausgenommen Wasserstoff. Auch die Francium- und Cäsiumverbindungen werden im allgemeinen
nicht verwendet. Somit werden öfter die Natrium-, Kalium-, Lithium- und Rubidiumverbindungen eingesetzt. Die Kalium-, Rubidium-
und Natriumverbindungen werden bevorzugt, wobei die Kaliumverbindungen am meisten bevorzugt werden. (In manchen Fällen,
z.B. bei schwerem Kanadischen Rohöl, sind die Natriumreagentien
den Kaliumreagentien überlegen). Ein Reagenz, das empirische Hydrate der drei Hydrosulfide äquivalent 14% Rubidiumhydroxid,
29% Kaliumhydroxid und zum Rest Natriumhydrosulfid (bezogen auf
die Gesamtmenge der zwei Hydroxide und einem Hydrosulfid) umfaßt, hat sich als am wirksamsten erwiesen.
Während der Reaktion ist bei niedrigen Temperaturen das Reagenz tatsächlich ein Gemisch der empirischen Hydrate des Hydrosulfids
und der Sulfide (Mono- und Poly-) von jedem verwendeten Alkalimetall. Während der Reaktion erfolgt keine Interumwandlung dieser
Schwefel enthaltenden Formen. (Wenn die Reaktionstemperatur ansteigt, dann verschwinden einige dieser Formen, da ihre Zersetzungstemperaturen
überschritten worden sind). Demgemäß kann das Reagenz am Anfang in die Reaktionszone als das empirische
Hydrosulfidhydrat oder als ein oder mehrere der Sulfidhydrate
oder als Gemisch aus Hydrosulfid- und empirischen Sulfidhydraten eingegeben werden. Die empirischen Hydratreagentien können auch
in situ hergestellt werden, werden Jedoch vorzugsweise in Form ihres empirischen Hydrats eingesetzt. (Jedes der Alkalimetallhydrosulf
ide und -siono- und -polysulf ide kann mehr als ein empirisches
Hydrat haben. Wenn nichts anderes zum Ausdruck gebracht wird, dann soll die Bezeichnung "empirisches Hydrat" alle Hydrate
einschließen).
Wenn man beispielsweise die Kaliumreihe nimmt, dann gibt es sechs Sulfide von Kalium, nämlich K2S, K2S2, K2S,,
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und KpSg, und ein Hydrosulfid, nämlich KHS. Das Molekül, das
die größte Anzahl von Schwefelatomen enthält, kann als bezüglich Schwefel "gesättigt" angenommen werden (d.h. K2Sg). Diejenigen,
die weniger enthalten, können als bezüglich Schwefel relativ ungesättigt angesehen werden.
Venn man Kaliummonosulfid (KpS) beispielsweise betrachtet, dann kristallisiert dieses als empirisches Pentahydrat. Unter Reaktionsbedingungen
zersetzt sich bei 162°C das empirische Pentahydrat zu einem empirischen Dihydrat unter heftiger und beobachtbarer
Freisetzung von drei Mol Wasser pro Mol KpS. Bei bis 2700C erfolgt eine weitere Zersetzung zu einem niederen empirischen
Hydrat unter Freisetzung von Wasser. Einiges Wasser der empirischen Hydratisierung bleibt möglicherweise bis oder
nahe zum Schmelzpunkt von 948°C zurück. Die Freisetzung von Wasser
bei diskreten Temperaturen ist ein klares Beweisanzeichen für das Vorhandensein von gebundenem oder assoziiertem Wasser,
das einem Hydratisierungswasser analog ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren denitrogeniert und demetallisiert, wenn es hydriert und hydrocrackt. Der Stickstoff verläßt das
System als Ammoniakdampf. Die entfernten Metalle sind beispielsweise Vanadium, Nickel, Kobalt und Cadmium und bleiben in dem
Reagenz zurück, das in der Reaktionszone zurückbleibt. Wenn weiterhin HpS gleichfalls eingeleitet wird, oder wenn weniger
mit Schwefel gesättigte Reagentien verwendet werden, dann entschwefelt das Verfahren auch.
Die Erhöhung des Gesamtverhältnisses von Schwefel zu Alkalimetall in der Reaktionszone (mit Einschluß des Schwefels in dem
kohlenstoffhaltigen Material) neigt dazu, die Schärfe des Crackungsvorgangs zu vermindern, der stattfinde^ und dazu, die
Entschwefelung zu vermindern. Niedrigere Verhältnisse von Schwefel zu Alkalimetallen neigen dazu, die Schärfe der Crackung und
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die Entschwefelung zu erhöhen. Wenn Schwefelwasserstoff gemeinsam
eingeleitet wird, dann beeinflußt die Zeitwahl der Zugabe gleichfalls die Crackungsschärfe. Der Beginn der Zugabe vor
der Entfernung des gesamten flüssigen Wassers (bei etwa 110 bis 1350C) vermindert die Schärfe. Der Beginn der Zugabe nach der
Entfernung erhöht die Schärfe.
Was die Kaliumreagentien anbetrifft, so können Gesamtverhältnisse
von 0,5 : 1 (äquivalent 100% K2S) bis 2,5 : 1 (äquivalent
100% K2Sc) angewendet werden. Für die meisten kohlenstoffhaltigen
Materialien ist jedoch ein besser geeigneter Bereich 0,55 : bis 1,5 : 1, wobei der bevorzugte Bereich 0,75 : 1 bis 1 : 1 ist.
Die Grenzen des bevorzugten Bereiches können als diejenigen angenommen werden, die K2S1 ,- (0,75 : 1) und K2S2 (1 ι 1) entsprechen.
Der bevorzugte Bereich für die Natriumreihe ist 0,55 : 1 bis 1:1. Niedrigere Verhältnisse können erforderlich sein,
wenn Materialien behandelt werden, die schwierig zu cracken sind, wie z.B. Vakuumrückstände. Wenn das Verhältnis von Schwefel
zu Alkalimetall in der Kombination aus Reagenz und kohlenstoffhaltigem Material zu niedrig ist, dann kann elementarer
Schwefel zugesetzt werden. Wenn es zu hoch ist, dann kann weiteres ungesättigtes Reagenz zugefügt werden.
Die Menge von Reagenz, die angewendet wird, muß ausreichend sein, um einen angemessenen Kontakt mit dem Ausgangsmaterial
und die gewünschte Reaktionsgeschwindigkeit zu ergeben. Die maximale Menge an Ausgangsmaterial, die mit einer gegebenen Menge
an Katalysator behandelt werden kann, ist nicht bekannt. Doch sind so viel wie 500 g eines Vakuumrückstands mit 9,5 g KHS
(als empirisches Hydrat) behandelt worden.
Die Reagentien können nach mehreren Wegen hergestellt werden. Die Herstellung der bevorzugten Kaliumreagentien soll anhand
eines Beispiels beschrieben werden. Zuerst kann Schwefel mit
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einem Überschuß von 15?o zu Kalium in einem flüssigen Ammoniakmedium
gegeben werden. Dies liefert Kaliumsulfidhydrat (empirischen Hydrat), KIn Teil den Hydrats wird sodnnn mit weiterem
Schwefel umgesetzt, um das empirische Pentasulfidhydrat zu ergeben. Die zwei Hydrate werden kombiniert und verwendet.
Eine zweite Methode besteht darin, Kaliumhydroxid in Wasser aufzulösen
und gerade genügend eines niedrigsiedenden Alkohols (z.B. von Äthanol, Propanol-1) zuzugeben, daß zwei Schichten gebildet
werden. So werden z.B. 1 Grammol KOH in 2 Grammol Wasser aufgelöst. Genügend Alkohol (z.B. Äthanol oder ein höherer Alkohol)
wird zugesetzt, um zwei Schichten zu bilden (das Gesamtvolumen ist 160 ml oder weniger), und sodann wird elementarer
Schwefel zugefügt, um das 3/K-Verhältnis auf den gewünschten
Wert zu bringen.
zweite Methode ergibt fast ausschließlich empirische Hydrate von Sulfiden und nicht des Hydrosulfids. Das wenige Hydro
sulfid, das erzeugt wird, bleibt in der Alkoholschicht zurück und die Wasserschicht enthält nur Sulfide. Die Sulfide der Wasserschicht
sind erfolgreich bei Hydrobehandlungsversuchen verwendet worden. Dies beweist die Aktivität der Sulfidreagentien.
Bei der dritten (und bevorzugten) Methode löst man Kaliumhydroxid in einem Alkohol, in dem das KOH löslich ist, auf und man
kontaktiert sodann die Lösung mit Schwefelwasserstoff. Die verwendeten Alkohole sind gewöhnlich primäre Alkohole, wobei Metha
nol und Äthanol bevorzugt werden, da KOH in diesen Alkoholen löslicher ist als in höheren Alkoholen. Das resultierende Gemisch
enthält empirische Kaliumhydrosulfidhydrate. (Diese Verfahrensweise
kann auch zur Herstellung der Rubidiumreagentien verwendet werden. Die Natriumhydrosulfidreagentien werden nicht
auf diese Weise hergestellt. Stattdessen können handelsübliche Flocken von empirischem NaHS-Hydrat direkt in die Reaktionszone
eingegeben werden).
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Die Herstellung des empirischen Kaliumhydrosulfidhydratreagenzes
nach der bevorzugten Verfahrensweise wird wie folgt veranschaulicht. Zwei graduierte Zylinder mit 1 1 werden jeweils mit
geringfügig weniger als 600 ml Äthanol gefüllt und in jedem Zylinder werden 3 Grammol Kaliumhydroxid aufgelöst. Eine Schwefelwasser
stoff quelle wird an den ersten Zylinder angeschlossen, um H2S nahe des Bodens der KOH/Äthanol-Lösung einzuleiten. Der
Dampf am Kopf des ersten Zylinders wird in einen zweiten Zylinder durch ein Rohr eingeleitet und er tritt in der Nähe des Bodens
der Lösung ein.
Es findet folgende Gesamtreaktion statt:
H2S + KOH = KHS + H2O.
Diese Reaktion ist so schnell, daß, wenn der H2S-FIuB zu niedrig
ist, die Lösung in jedem Zylinder in ihr jeweiliges Dampfeinleitungsrohr hineingezogen wird. Der Gasstrom in den ersten
Zylinder wird abgebrochen, sobald H2S frei in den zweiten Zylinder
strömt. Irgendein Niederschlag in dem ersten Zylinder ist aufgelöst worden und die Temperatur des ersten Zylinders ist
auf unterhalb 22°C abgefallen. An diesem Punkt enthält der erste Zylinder ein Reagenz mit hoher Qualität (empirisches Kaliumhydrοsulfiddihydrat
(KHS.2H2O) in Äthanol) und es sollte aus
dem System entfernt und verstöpselt werden.
Eine typische absatzweise Verfahrensweise zur Behandlung von kohlenstoffhaltigem Material gemäß der vorliegenden Erfindung
unter Verwendung des bevorzugten Kaliumreagenzes, hergestellt nach der bevorzugten Methode, ist wie folgt (das kohlenstoffhaltige
Material ist Petroleum- bzw. Erdöl). Das Öl wird in das Reaktionsgefäß eingegeben und Stickstoff (oder ein anderes inertes
Gas) wird kontinuierlich in das Öl eingedüst, um dieses durchzubewegen, wenn das Öl erhitzt wird. (Auch mechanische
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Einrieb tunken, betfvpjolfjwelfle e:In Mugneti'ührer, können anstelle
einer Gasdurchbewegung verwendet werden). Wenn elementarer
Schwefel erforderlich ist, um das Verhältnis von Schwefel zu Alkalimetall zu erhöhen, dann kann dieser zu dem Öl zu diesem
Zeitpunkt zugesetzt werden. Das Reagenzgemisch (empirisches Kaliumhydrosulfiddihydrat
in Äthanol) wird sodann zugefügt. (Alternativ kann der Extraschwefel zu dem Reagenzgemisch anstelle
zu dem Öl gegeben werden). Die Temperatur wird auf ungefähr 1300C erhöht und das Einblasen von Wasserdampf wird begonnen.
Der Wasserdampfstrom braucht nicht mehr als genügend sein, daß Blasen an der Oberfläche des Öls sichtbar werden. Wenn der Wasserdampf
eine genügende Durchbewegung ergibt, dann kann das Eindüeen
bzw. Einblasen von Stickstoff abgebrochen werden.
Der Kopfdampf wird kontinuierlich abgezogen und enthält variierend
den Alkohol und das Wasser aus dem Reaktionsgemisch, Wasserdampf, Schwefelwasserstoff aus der Reaktion und sowohl verdampfte
als auch nicht-kondensierbare Kohlenwasserstoffprodukte von der Behandlung (unter der Annahme, daß die Temperatur der
Reaktionsinitiierung erreicht worden ist). Der Kopfdampf wird
mit Kühlwasser abgekühlt und das resultierende Kondensat wird zu einem Flüssig-Flüssig-Separator geleitet. Der nicht-kondensierte
Dampf kann zu einer Kühlfalle (z.B. mit -76°C (-6O0F)) geleitet werden, um weitere Kohlenwasserstoffprodukte wiederzugewinnen.
In dem Maß, wie die Massentemperatur des Öls in dem Reaktor ansteigt,
werden verschiedene Kopfprodukte in dem Kopfsystem wiedergewonnen.
Der Stickstoff, der in das Öl hineingedüst wird, beginn1^ den Alkohol und das Wasser abzustreifen, die mit dem
Reagenz assoziiert sind, und zwar fast schon dann, wenn das Reagenz zugesetzt wird (bei etwa 4O0C). Bei 900C sind die ersten
Tropfen einer gesonderten Kohlenwasserstoffschicht in dem Flüs-
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sig-Flüssig-Separator sichtbar. Zuvor sind jedoch die gebildeten
leichten Kohlenwasserstoffe (z.b. Verbindungen mit 3, 4, 5 und 6 Kohlenstoffatomen) schon am Kopf erschienen und mindestens
ein Teil davon hat sich in dem Alkohol im Separator aufgelöst.
Bei ungefähr 1350C ist die Abdestillation des Alkohols und des
Wassers aus dem Reagenzgemisch praktisch vervollständigt worden. Die Wasser/Alkohol-Schicht in dem Separator wird vorzugsweise
abgezogen und in den Dampfgenerator zurückgeführt, der den Einblasungswasserdampf
liefert. Dies führt letztlich die leichteren Kohlenwasserstoffe in das Reaktionsgefäß zurück und neigt, die
weitere Bildung dieser Stoffe zu unterdrücken. Alternativ könnten das Wasser und der Alkohol voneinander getrennt werden und
nur das Wasser könnte in den Wasserdampfgenerator zurückgeführt werden. Dies würde ein "Aufstoßen" in dem Reaktionsgefäß verhindern,
das durch Verdampfen des zurückgeführten Alkohols bewirkt wird.
Die Temperatur des Öls kann kontinuierlich erhöht oder bei einer oder mehreren Temperaturen gehalten werden (nachdem der Wasserdampffluß
bei etwa 13O0C begonnen wurde). Die Aufrechterhaltung einer niedrigen Temperatur für einen ausgedehnten Zeitraum begünstigt
die Bildung von leichteren Produkten, führt jedoch zu einer stärkeren Wasserdampf abatrei-Tung dos schwereren Ausgang?.!-
materials aus der Reaktionszone.
In der folgenden Tabelle I sind die kumulativen Eigenschaften von Produkten zusammengestellt, die in dem Plüssig-Flüssig-Separator
wiedergewonnen wurden, als ein leichtes Rohöl mit 11,75 Gev.-% Wasserstoff unter Verwendung eines empirischen Kaliumhydrats
mit einem S/K-Verhültnin von 1 : 1 behandelt wurde. Duo
Öl wurde 15 min lang bei jeder angegebenen Temperatur oberhalb 14O0C «ehalten.
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Massenöl-Temperatur gewonnene kumulative Produkte, als
Prozentmenge der ÖlbeSchickung
bis zu 14O°C ungefähr 24 Gew.-%
1800C ungefähr 38 Gew.-% 22O0C
270°C ungefähr 59 Gew.-% 3200C
3400C ungefähr 96 Gew.-90
Der Rückstand in dem Reaktionsgefäß betrug weniger als 2 Gew.-%
der Ölbeschickung. Während dieses Versuchs wurden ungefähr 4,7 g
Produkt in einer Kühlfalle mit -760C (-600F) gewonnen.
Es wurde gefunden, daß mit Ausnahme solcher Öle mit einem hohen Gehalt an Naphthensäuren ungeachtet der Art des in einem absatzweise
geführten System ohne Zugabe von Schwefelwasserstoff behandelten leichten Petroleumöls der Gehalt der verschiedenen
Produktschnitte an Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel innerhalb bestimmter Grenzen liegt. In Tabelle II sind diese erwarteten
Werte zusammengestellt (der "unterhalb-i40°C-Schnitt" ist
dasjenige Kohlenwasserstoffmaterial, das gewonnen wird, während die Massenöltemperatur unterhalb 14O°C liegt. Der "140 bis 1700C-Schnitt"
ist das Material, das gewonnen wird, wenn die Massenöltemperatur
14O bis 170°C beträgt, usw.).
Produktschnitt Menge des jeweiligen Elements in dem Pro-(Ölmassen-Temperatur)
duktschnitt
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
unterhalb 14O0C 13,8-14,1% weniger als weniger als
0,05% 0,05%
140 bis 1700C 13,4-13,6% weniger als 0,07%
0,05%
170 bis 2700C 13% 0,1% 0,36-0,48%
270 bis 34O°C 12,4-13,0% die Hälfte des 2/3 des An-
Anfangswerts fangswerts
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Es sind viele Variationen der Prozeßsequenz möglich. So können ein oder mehrere der Eroduktschnitte in den Reaktor zur weiteren
Crackung zurückgeführt v/erden. So ist es beispielsweise möglich, alle bei Massentemperaturen oberhalb 14O°C gewonnenen Produktschnitte
zurückzuführen und im wesentlichen nur ein 14O°C-Nettoprodukt
zu erzeugen.
Eine weitere Variation ist die Regenerierung des empirischen Hydratreagenzes. Hierbei wird der Schwefelwasserstoff in dem
Dampfstrom, der aus dem Reaktor abgezogen wird, wiedergewonnen
und die in dem Reaktor zurückgebliebenen Kaliumverbindungen werden behandelt. Zur Gewinnung des H2S in dem Dampfstrom wird das
Kopfprodukt des Reaktors durch einen Kühlwasserkühler, wie zuvor, geleitet und das nicht-kondensierte Material wird sodann
durch eine Alkoholwäsche geleitet, um die leichteren Kohlenwasserstoffe
zu entfernen, da sie die Gewinnung des Schwefelwasserstoffs
in der nächsten Stufe behindern. (Die Alkoholwaschlösung kann in den Wasserdampfgenerator zurückgeführt werden). Der
restliche Gasstrom, der H2S enthält, wird sodann in eine alkoholische
Alkalimetallhydroxidlösung eingeleitet, welche den Schwefelwasserstoff in dem Gasstrom entfernt, wobei regeneriertes
empirisches Hydrat des Alkalimetallhydrosulfids oder -sulfids in praktisch der gleichen Weise wie bei der bevorzugten
Herstellung des frischen Reagenzes gebildet wird. Zweckmäßigerweise wird ein vielstufiger H2S-Wäscher verwendet und der Dampfabstrom
von der letzten Stufe enthält im wesentlichen keinen Schwefelwasserstoff.
Zur Wiedergewinnung des Kaliums in dem Reaktor (wenn Kaliumreagentien
verwendet werden) und zur Regenerierung des Reagenzes werden die Feststoffe in dem Reaktor, die Polysulfide und während
der Reaktion gebildete Metallverbindungen umfassen, davon abgenommen und es werden ungefähr 3 Mol Wasser pro Mol Kalium
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zugesetzt, um eine wäßrige Lösung zu bilden. Gegebenenfalls wird
ein Volumen von Alkohol in einer Menge zugesetzt, die kleiner oder gleich ist wie das Volumen der wäßrigen Lösung. Der Alkohol
stabilisiert die Reagenzvorläufer während der nachfolgenden Behandlung. Das Gemisch wird sodann auf weniger als 220C abgekühlt,
wodurch die Bildung von etwas Alkalimetallhydroxid bewirkt wird, und Schwefelwasserstoff, der zurückgeführter HpS von einem Reaktor
im Betrieb sein kann, wird durch das Gemisch unter Kühlung, daß die Temperatur unterhalb 220C gehalten wird, geleitet. Dies
bewirkt die Ausfällung von Schwefel und die Flüssigkeit wird von den Feststoffen abgetrennt. Die Flüssigkeit wird sodann erhitzt,
um den größten Teil des Wassers und des Alkohols (wenn verwendet) abzutreiben, und es bleibt eine Schmelze des empirischen
Kaliumhydrats zurück.
Im Falle der Kaliumreagentien bleibt bei einem Erhitzen auf eine Temperatur von 105 bis 1100C unter einer Wasseratmosphäre
eine empirische Hydratschmelze zurück, die ungefähr 35 Gew.-% gebundenes Wasser enthält. Die Schmelze wird sodann in gerade
genügend niedrigsiedendem Alkohol (vorzugsweise Methanol oder
Äthanol), daß eine gesättigte Lösung gebildet wird, aufgelöst. (Verdünntere Lösungen können zwar verwendet werden, erfordern
jedoch zusätzliche Energie, um den überschüssigen Alkohol zu verdampfen)» Im Falle der Kaliumreagentien sind bei Umgebungstemperatur
ungefähr 150 ml Methanol oder etwas mehr Äthanol erforderlich, um 1 Grammol KHS aufzulösen. Schwefelwasserstoff
wird durch die Lösung mit einer Temperatur oberhalb 600C hindurchgeleitet,
wodurch eine Lösung des empirischen Hydratreagenzes in Alkohol resultiert. Die Lösung ist sodann zur Verwendung
in dem Hydrobehandlungsreaktor fertig. Jedoch kann erwünschtenfalls die Lösung zuerst dazu verwendet werden, um die Kohlenwasserstoffprodukte
zu waschen. Dies klärt die Destillate, entfernt darin befindlichen freien Schwefel und neigt dazu, die
Wirksamkeit des Reagenzes zu verbessern.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird Schwefelwasserstoff in den Reaktor eingeleitet. Der H2S neigt offenbar dazu, die
Zersetzung oder Entaktivierung des Reagenzes zu unterdrücken. Wie oben ausgeführt wurde, neigt je nach dem Beginn des Flusses
die Crackschärfe dazu, zuzunehmen oder abzunehmen. Die minimalen und maximalen Mengen von Schwefelwasserstoff, die mit Vorteil
verwendet werden können, sind derzeit nicht bekannt.
Die folgenden Beispiele sind nur zur Veranschaulichung vorgesehen und sie sollen den Rahmen der Erfindung nicht begrenzen.
164,5 g Texas-Rohöl, 2 g elementarer Schwefel und 40 ml einer
Methanollösung, enthaltend 15,2 g ICHS und 7,6 g Wasser (das Wasser, das in dem empirischen Dihydrat gebunden ist), wurden
in einen Kolben gegeben. Der Inhalt wurde durch Stickstoff durchbewegt, der in der Nähe des Bodens des Kolbens unterhalb
der Oberfläche der Flüssigkeit zugeführt wurde. Der Kolben wurde mit einem Heizmantel erhitzt und ein Wasserdampfgenerator
düste Wasserdampf in die Flüssigkeit in dem Kolben ein. Der Wasserdampfstrom wurde begonnen, als die Massenflüssigkeitstemperatur
etwa 1200C betrug.
Die Kopfdämpfe wurden in einen Kühlwasserkondensator eingeleitet und das Kondensat wurde in einem Kolben gesammelt. Während
des Betriebs wurde das Methanol/Wasser-Kondensat aus dem wassergekühlten Kondensator periodisch in den Wflßaerdanip.f#enerator
zurückgeführt. Die Kohlenwasserstoffkondensate bei verschiedenen
Ölmassentemperaturen (Schnitte) wurden periodisch entfernt und analysiert. Der nicht-kondensierte Dampf wurde durch eine
Lösung von 0,5 Mol KOH in 100 ml Methanol (wodurch im wesentlichen
der gesamte HpS entfernt wurde), durch einen Wasserwäscher
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(wodurch Methanol entfernt wurde) und sodann durch ein Isopropanol-Trockeneis-Bad
(wodurch einige leichtere Kohlenwasserstoffe entfernt wurden) geleitet. Nachstehend sind die Analysen
des Rohöls und der Produktschnitte zusammengestellt.
Material | Menge | g | Wasserstoff | Analyse Stickstoff |
Schwefel |
Rohöl | 164,5 | g g |
12,11% | 0,14% | 1,51% |
unterhalb-i40°C- Schnitt i40-170°C-Schnitt |
29,4 16,6 |
g | 13,87% 13,6% |
<0,05% <0,05% |
0,05% 0,07% |
170-275°C-Schnitt | 25,7 | g | 13,1% | 0,07% | 0,8% |
275-340°C-Schnitt | 45,0 | 12,3% | 0,1% | 1,1% | |
Es lag kein kohlenstoffhaltiger Rückstand in dem Reaktionskolben vor und die Gesamtmenge Kondensat aus der Kühlfalle betrug
22 ml.
Die Werte weisen darauf hin, daß das erfindungsgemäße Verfahren hydriert, denitrogeniert und entschwefelt. Alle Produktschnitte
enthalten (als Gewichtsbruchteile) mehr gebundenen Wasserstoff, weniger gebundenen Stickstoff und weniger gebundenen Schwefel
als das Rohöl. (Das Destillat aus der Kühlfalle wurde nicht analysiert, hat aber offenbar einen größeren Bruchteil von gebundenem
Wasserstoff als das Rohöl).
200 g Alaska-Rohöl wurden gemäß der Verfahrensweise des Beispiels 1 behandelt, mit der Ausnahme, daß der Wasserdampfstrom
bei 1350C begonnen wurde und daß keine Kühlfalle verwendet wurde.
Nachstehend sind die Analysen des Rohöls und der Produkte zusammengestellt (es lag praktisch kein Ölrückstand in dem Kolben
vor).
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Material Menge Analyse
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Rohöl 200 g 12,0496 0,23% 1,5%
nicht-kondensierbar 74 g
unterhalb-140°C-Schnitt 38,4g 13,99%
<0,05% <0,05%
i40-i80°C-Schnitt 20,1 g 13,77%
<0,05% 0,07%
I80-3430C-Schnitt 59,1 g 12,8% 0,1% 0,9%
175 g Trinidad-Rohöl wurden mit 30 ml einer methanolischen Reagenzlösung
behandelt, die 11,4 g KHS und 5,7 g Wasser (in dem empirischen Hydrat gebunden) enthielt. Aufgrund seines hohen
Gehalts an Naphthensäure ist das Öl gegenüber einer Zersetzung durch Wasser empfänglich. Daher wurde eine Minimalmenge von
Wasserdampf verwendet (der Wasserdampfgenerator wurde bei 99 C
bei Meereshöhe gehalten) und es wurde auch Wasserstoffgas eingedüst. Nachstehend sind die Analysen des Rohöls und der Produkte
zusammengestellt.
Analyse Material Menge Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Rohöl 11,83% 0,32% 1,43%
unterhalb 180uC Schnitt 175g 13,01% 0,05% 0,24%
Kohlenwasserstoff in 33 Vo1t% 12,89% 0,06% 0,55% Alkohol-Wasser-Konden- d.Rohöls
180-2400C Schnitt 21 Volx% 12,39% 0,06% 0,58%
d.Rohöls
Rückstand im Kolben 20 VolT% 11,87% 0,31% 1,43%
Rückstand im Kolben 20 VolT% 11,87% 0,31% 1,43%
d.Rohöls
Aufgrund der Gestalt der Vorrichtung konnte der Wasserstoff nicht nahe genug am Boden des Reaktionskolbens eingeleitet
werden, um das unterste Material zu kontaktieren. Davon rührt der Rückstand von 20% her.
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15Og eines leichten arabischen Rohöls, 2 g elementarer Schwefel
land 40 ml einer methanolischen Lösung enthaltend 15,6 g
KHS und 7,8 g Wasser (im empirischen Hydrat gebunden) wurden in einem Reaktionskolben eingegeben. Der Versuch wurde wie
in Beispiel 1 durchgeführt, -mit der Ausnahme, daß der Wasserdampfstrom
bei 1300C begonnen wurde. Nachstehend sind Analysen
des Rohöls und der gewonnen Produkte angegeben.
Material
Analyse
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Rohöl
unterhalb 1400C Schnitt 140-1700C Schnitt
170-2700C Schnitt 270-330°C Schnitt
12,25 %
0,1%
1,8%
13,8 % | <0,05% | 0,09% |
13,5 % | <0,05% | 0,12% |
13,1 % | 0,07% | 2,3% |
12,8 % | 0,11% | 0,8% |
Ein Straight-Run-Vakuum-Rückstand (hergestellt mit einem Anfangssiedepunkt
im Vakuum von 593°C) und einer Methanollösung von KHS (0,47 g KHS/Milliliter-Lösung) wurden in einen
Reaktionskolben eingegeben. Das Erhitzen wurde begonnen und der Reaktorinhalt wurde mit Stickstoff von Umgebungstemperatur
bis 1700C durchbewegt. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Stickstoffstrom abgestellt und der Wasserdampfstrom wurde
begonnen. Der Versuch wurde abgebrochen, als die Massenrückstandstemperatur 400°C erreichte. Zu diesem Zeitpunkt betrug
der Anteil des Rückstands,der in dem Kolben zurückblieb, 51% der anfangs zugegebenen Menge. Nachstehend sind Analysen des
Rückstand-Ausgangsmaterials und der zwei Destillate angegeben.
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Analyse
Material Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Material Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Rückstand 10,51% 0,52% 3,83%
unterhalb 1100C 12,02% 0,22% 2,61%
Schnitt
110-400°C Schnitt 11,41% 0,21% 2,96%
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10,51% | 0,52% | 3,83% |
12,17% | 0,13% | 2,41% |
12,29% | 0,11% | 1,95% |
Der Straight-Run-Vakuumrückstand des Beispiels 5 wurde wiederum
mit KHS-Reagenz behandelt, wobei diesesmal Wasserstoff verwendet wurde, um das System von Umgebungstemperatur bis 24O0C
durchzubewegen. Der Wasserdampffluß begann bei 17O0C. Dieser
Versuch wurde bei 4250C abgebrochen, zu welcher Zeit der Anteil
des verkoksten Materials, das in dem Reaktor zurückblieb, 9% des ursprünglich zugegebenen Rückstands betrug. Nachfolgend
sind Analysen des Rückstands, der zwei gesammelten Destillate und des Rückstands in dem Kolben angegeben.
Material Analyse
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Rückstand
unterhalb-36O°C-Schnitt 360-425°C-Schnitt
Rückstand im Kolben und in
den Kondensatorwaschflüssigkeiten 6,67% 0,23% 2,46%
den Kondensatorwaschflüssigkeiten 6,67% 0,23% 2,46%
Die chromatographische Analyse des unkondensierten Gasstroms
zeigte, daß dieser 30,52% Kohlenwasserstoffe, wie folgt aufgebrochen, enthielt.
Verbindung(en) Prozentualer Anteil dee Gaß&trom-
kohlenwasserstoffs
Methan 59%
Äthan + Äthylen 21%
Propan + Propylen 6%
Butane 6%
Pentene 2%
Der Rest des Gasstroms (69,48%) ist vermutlich Luft in dem Gaschromatographierohr. Die kondensierten Destillate waren sehr
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leicht und zwar nicht schwerer als Heizöl Nr. 2 oder Dieselöl.
Y/eiterhin zeigte die Abwesenheit von irgendwelchen Niederschlagen
in dem Abstromgas des Wäschers, der eine alkoholische Lösung von KOH enthielt, daß kein oder nur wenig Kohlendioxid in
dem Reaktor gebildet worden war.
150 ml eines verschiedenen Vakuumrückstands und 22 ml einer methanolischen
Lösung, die ein empirisches Hydrat von KHS (0,477 g von KHS pro ral Lösung) enthielt, wurden in ein Reaktionsgefäß
eingebracht und erhitzt. Es wurde eine Stickstoffdurchbewegung von Umgebungstemperatur bis 1900C angewendet. Zu diesem Zeitpunkt
wurde der Stickstoffstrom abgebrochen und der Wasserdampffluß (auf 1400C überhitzt) wurde begonnen. Es wurde ein einziges
Destillat gesammelt und bei 1000C gehalten, um das Wasser
abzutreiben. Diejenigen Kohlenwasserstoffe, die mit dem Wasser nicht übdeatillierten, wurden aiß 1OO-425°C-iiChnitt und diejenigen,
die abdestillierten, als unterhalb-1OO°C-Schnitt bezeichnet.
Nachstehend sind die Analysen des Rückstandes, der zwei Kohlenwasserstoffprodukte und des Rückstands in dem Kolben
zuHammongestellt.
Material Menge Analyse
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Rückstand | 150 | ml | 10,85% | 0,44% | 2,91% |
unterhalb-1OO°C-Schnitt | 27 | ml | 12,92% | 0,07% | 1,03% |
100-425°C-Schnitt | 110 | ml | 12,08% | 0,25% | 2,26% |
Rückstand im Kolben | 20 | g | 3,02% | 1,25% | 4,47% |
Beispiel 8 |
Das Beispiel 7 wurde wiederholt, wobei die einzige Veränderung darin bestand, daß Wasserstoff anstelle von Stickstoff von Um-
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10 | ,85% | ο, | 44% | 2, | 91% |
12 | ,19% | ο, | 17% | 1, | 95% |
gebungsteniperatur bis zu der Endtemperatur von 425°C verwendet
wurde. Am Ende des Versuchs blieb die gleiche Menge Rückstand (20 g) in dem Kolben zurück. Nachstehend sind Analysen dos
Rückstands und des einzigen Destillats angegeben.
Matorinl Analyse
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Rückstand Destillat
160 ml des Vakuumrückstands der Beispiele 7 und 8 und 25 g trockene handelsübliche NaHS-Flocken (technische Sorte) wurden
in einen Reaktionskolben eingegeben. Dieses Material hat inhärent die empirische Hydratform. Methanol wurde in den Wasserdampfgenerator
eingegeben. Eine Wasserstoffdurchbewegung wurde durch den ganzen Lauf hindurch durchgeführt, wobei der Wasserdampf
strom bei 2?0°C begann. Nachstehend Bind Analysen des Rückstands
und des einzigen Destillats angegeben.
Material Analyse
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Rückstand 10,85% 0,44% 2,91%
Destillat 12,07% 0,1896 2,53%
Ein gecrackter Rückstand und eine alkoholische Lösung des empirischen
Hydrats von KHS (0,47 g KHS pro ml Lösung) wurden in einen Reaktionskolben gegeben. Eine Stickstoffdurchbewegung
wurde von Umgebungstemperatur bis 19O0C angewendet, zu welchem
Zeitpunkt der Stickstoffstrom abgebrochen und der Wasserdampf-
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311 S111
strom begonnen wurde. Am Ende des Versuchs blieben 13,3% des Rückstands (in nicht-verkokter Form) in dem Kolben zurück. Das
einzige Destillat wurde bei 1000C gehalten, um das kondensierte
Wasser zu verdampfen. Mit dem Wasser verdampfte Kohlenwasserstoffe wurden wiedergewonnen und getrocknet und als "unterhalb-1000C-Schnittn
bezeichnet. Nachstehend sind Analysen des Rückstands und der zwei Produkte angegeben.
Material
Analyse
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Rückstand | 10, | 45% | 0,53% | 3, | 33% |
unterhalb-1OO°C-Schnitt | 12, | 55% | <0,05% | 1, | 91% |
oberhalb-1OO°C-Schnitt | 11, | 84% | 0,2% | 2, | 57% |
Beispiel 10 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß Wasserstoff und nicht Stickstoff von Umgebungstemperatur bis zur Endtemperatur
von 4500C mit minimalen Mengen von Wasserdampf verwendet
wurde. Nachstehend sind Analysen des Rückstands und der drei Destillate angegeben.
Material
Menge
Analyse
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Rückstand | — | 10,45% | 0,53% | 3,33% |
Schnitt 1 | 20% des Gesamt destillats |
12,66% | 0,08% | 2,12% |
Schnitt 2 | 30% des Gesamt destillats |
11,98% | 0,15% | 2,34% |
Schnitt 3 | 50% des Gesamt destillats |
11,6% | 0,25% | 2,2% |
Beispiel 12 |
Beispiel 11 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß handelsüb-
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10,45% | 0,53% | 3,33% |
12,36% | 0,07% | 1,99% |
11,79% | 0,18% | 2,12% |
f-be ijovt«?) dlj-e.Uf Iu dt=fi Uehklor eingegeben wurden und daß Methanol in den Wasserdampfgenerator zugegeben
wurde, anstelle daß die alkanolische Lösung von KHS verwendet wurde. Die NaHS-Flocken liegen inhärent in der empirischen
Hydratform vor. Nachstehend sind Analysen des Rückstands und der zwei Destillate angegeben.
Material Analyse
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Rückstand Schnitt 1 Schnitt 2
125 ml von gecracktem entschwefelten Rückstand, 1,8 g elementarer Schwefel und 25 ml äthanolische Lösung des empirischen Hydrats
von KHS (0,24 g KHS pro ml Lösung) wurden in einen Kolben mit flachem Boden eingegeben, der auf einer heißen Platte auflag
und eine magnetische Rührstange enthielt. Der GefSßinhalt wurde rasch durchgerührt und auf 1200C erhitzt, um das Äthanol
und das Wasser aus der Reagenzlösung abzutreiben. Das Erhitzen wurde weitergeführt. Der Wasserdampffluß wurde bei 1300C begonnen
und bis zu der Endtemperatur von 3250C weitergeführt. Nachstehend
sind Analysen des Rückstandes, der zwei Destillate und des Rückstandes in dem Kolben angegeben.
Material | Menge | Analyse Wasserstoff Stickstoff |
0,45% | Schwefel |
Rückstand | 125 g | 9,08% | 0,06% | 1,81% |
Niedertemperatur schnitt |
57 ml | 11,84% | 0,35% | 0,70% |
Hochtemperatur schnitt |
9,77% | 0,43% | 1,91% | |
Rückstand im Kolben | — | 8,75% | 1,91% |
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Bei diesem Versuch wurde auch Schwefelwasserstoff in einen zweistufigen
Reaktor zur Behandlung eines Vakuumrückstands eingeleitet. 50 ml methanolische Lösung von empirischem Kaliumhydrosulfiddihydrat
(0,38 g KHS/ml Lösung) wurden in das Reaktionsgefäß der ersten Reaktionsstufe, nämlich ein vertikales zylindrisches
Gefäß mit einem Gesamtvolumen von ungefähr 1 1, das mit einem Heizmantel versehen war, eingegeben. 25 ml Reagenzlösung wurden
in das Gefäß der zweiten Reaktionsstufe, nämlich einen Rundkolben,
der mit einem Heizmantel ausgerüstet war, eingegeben. ^S-Gas
für die erste Stufe wurde unter der Oberfläche der Flüssigkeit im Gefäß und in der Nähe des Bodens des Gefäßes durch ein
Einblasrohr eingeleitet. Gleichermaßen wurde Kopfdampf von der ersten Stufe in die zweite Stufe unterhalb der Oberfläche der
Flüssigkeit durch ein Einblasrohr eingeleitet. Der Dampf von der zweiten Stufe wurde abgekühlt und in einer wassergekühlten
Einheit teilweise kondensiert.
Am Beginn des Versuches wurden mehrere 100 g Vakuumrückstand erhitzt
(so daß der Rückstand zum Fließen kam) und in ein Zugabegefäß eingebracht, das direkt oberhalb des Reaktors der ersten
Stufe angeordnet war. Ein Teil des Rückstandes wurde in den Reaktor eintreten gelassen und beide Reaktoren wurden erhitzt. Zur
gleichen Zeit wurde der Strom von Wasserdampf, Stickstoff und Schwefelwasserstoff in den Reaktor der ersten Stufe begonnen.
Der ^S-Fluß konnte nicht gemessen werden, wurde aber auf 3
Grammol/h geschätzt. Als die Temperatur in der ersten Stufe anstieg, destillierten das Methanol und das Wasser der empirischen
Hydratisierung, das zusammen mit dem Reagenz zugegeben worden war, ab und diese Materialien traten in die zweite Stufe ein,
welche sich bei einer Temperatur von 1100C befand, um eine
Kondensation des Wassers darin zu verhindern.
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Die Reaktion in der ersten Stufe begann bei ungefähr 370 C. Im Verlauf des Versuches stieg die Temperatur in der ersten Stufe
von 370 auf 39O0C und die Temperatur in der zweiten Stufe von
110 auf 2700C an. Insgesamt 286 g Rückstand wurden zu der ersten
Stufe während des Versuches gegeben und weniger ale 10 g blieben in der ersten Stufe an deren Ende zurück. Nachstehend sind
Analysen des Vakuumrückstands, des Produkts, das in der zweiten Reaktionsstufe zurückblieb, und des Produkts, das aus der wassergekühlten
Einheit gesammelt wurde, angegeben.
Material | Menge | β | g | Anal] Wasserstoff ί |
rse Stickstoff |
,64% | Schwefel | ,02% |
VakuutnrüokBtand | 286 | Λ | g | 10,04% | 0 | ,42% | 2 | ,48% |
Produkt der zweiten Stufe |
57, | ,5 | 11,22% | 0 | ,50% | 1 | ,19% | |
Endprodukt | 186, | 12,99% | 0 | 1 | ||||
Das Endprodukt hatte einen Anfangssiedepunkt von 23 C und eine Peakdestillationstemperatur von 1180C. Der Anteil der nichtkondensierten
Produktdämpfe wurde auf ungefähr 35 g geschätzt. Die Produkte der zweiten Stufe und die Endprodukte hatten
17,4 und 50,4 Grad API bei 600F, im Vergleich zu 6,0 für den
Vakuumrückstand. Nachstehend ist der Metallgehalt angegeben (die Zahlen sind Teile pro Million; "N/D" bedeutet nicht-erfaßbar).
Material
Vakuumrückstand
Produkt der zweiten Stufe
Endprodukt
Analyse | V | K | Fe | Ni | |
Na | 102 | 2,3 | 24 | 62 | |
2,6 | N/D | 2,9 | N/D | N/D | |
0,35 | N/D | 46 | 0,93 | N/D | |
1,6 |
Schieferöl wurde in dem Reaktor der ersten Stufe des Beispiels
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14 behandelt, wobei eine methanolische Lösung des empirischen
Hydrats von KHS, Wasserdampf und Stickstoff, jedoch kein HpS
verwendet wurden. Nachstehend sind Analysen des Schieferöls, der Produkte und des Rückstands in dem Reaktor zusammengestellt.
Material Menge Analyse
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Schleferöl 200 g
unterhalb-280°C-Schnitt 22 g 280~300°C-Schnitt 35 g
Rückstand 100 g
Durch Differenzbildung ergibt sich ein Anteil der nicht-kondensierten
flüchtigen Stof e von insgesamt ungefähr 43 g. Nachstehend sind die Metallgehalte angegeben (wenn nichts anderes angegeben
ist, dann sind die Zahlen in Teile pro Million angegeben; "N/D" bedeutet nicht-erfaßbar).
9,90% | 1,45% | 6,23% |
10,33% | 1,16% | 6,85% |
10,59% | 0,95% | 6,80% |
8,33% | 1,47% | 5,76% |
Material | Na | 2 61 |
Analyse V K |
Fe | Ni | Cn |
Schieferöl unterhalb-280°C-Schnitt 280-3000C-Schnitt Rückstand |
11 1, o, 21 |
124 5 19 56 |
64 106 5 N/D 4,6 N/D 2,89% 34 |
86 20 N/D 565 |
1223 | |
Beispiel 16 | ||||||
Ein schweres Rohöl mit 10,5 Grad API bei 600F wurde mit dem
Reagenz, dem Wasserdampf und dem Schwefelwasserstoff unter Verwendung der Vorrichtung und der Verfahrensweise des Beispiels
14 behandelt, mit der Ausnahme, daß der Reaktor der zweiten Stufe nicht verwendet wurde und daß 100 ml Reagenzlösung eingesetzt wurde». Ee wurde ©in einsügee Produkt bei 370 bie 39</'υ
130065/0797
10, | 80% | 0 | ,40% | 4, | 42% |
11, | 69% | 0 | ,13% | 3, | 15% |
erhalten. Nachstehend sind Analysen des Rohöls und des Produkts angegeben. Am Ende des Versuchs blieben weniger als 2% des Rohöls
in dem Reaktor zurück.
Material Analyse
Wasserstoff Stickstoff Schwefel
Rohöl Produkt
Das Produkt hatte 24,3 Grad API bei 600F und einen Anfangssiedepunkt
von 1100C und einen Endpunkt (97% Wiedergewinnung) von
360°C. Nachstehend sind die Metallgehalte angegeben (die Zahlen sind Teile pro Million; nN/D" bedeutet nicht-erfaßbar).
Material Analyse
Na V K Fe Ni
Rohöl 5 203 3 6 99
Produkt 0,06 N/D N/D 0,66 N/D
Für den Fachmann liegen viele Variationen und Modifikationen auf der Hand. Die Ansprüche sollen alle Variationen und Modifikationen
umfassen, die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.
130065/0797
Claims (1)
- KRAUS &WBSERT"PATENTANWÄLTE O 1 1 C 1 1 1DR. WALTER KRAUS DIPLOMCHEMIKER ■ DR-ING ANNEKATE WEISHRT DIPL ING FACHRICHTUNG CHEMIC IRMGARDSTRASSE 15 ■ D-8OOO MÜNCHEN 71 ■ TELEFON 089/797077-797078 ■ TELEX O5-212156 kpat dTELEGRAMM KRAUSPATENT2838 WK/rmROLLAN SWANSON
New York, N.Y. 10005 / USAVerfahren zur Hydrobehandlung von kohlenstoffhaltigem MaterialPatentansprüche1. Verfahren zur Hydrobehandlung von kohlenstoffhaltigem Material, dadurch gekennzeichnet , daß man das kohlenstoffhaltige Material in einem Reaktionsgefäß Wasserdampf und einem Reagenz aussetzt, welches ein empirisches Hydrat aus einer schwefelhaltigen Verbindung, umfassend Alkalimetallhydrosulfide, Alkalimetallmonosulfide oder Alkalimetallpolysulfide und Gemische davon, umfaßt.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Wasserdampf in das Reaktions- -(.130065/0797gefäß einführt, nachdem man den Gefäßinhalt auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt hat, wobei man das Reagenz in seiner empirisch hydratisierten Form aufrechterhält."5. Verfahren nach Anspruch 1 odor 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetall Natrium, Lithium, Kalium oder Rubidium ist.A. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetallhydrosulfidreagenz in dem Gefäß Kaliumhydrosulfid und/oder Natriumhydrosulfld 1st.5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man in das Gefäß auch Schwefelwasserstoff einleitet.6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß man den in dem Reaktionsgefäß gebildeten Schwefelwasserstoff wiedergewinnt und in dieses zurückführt.7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Massentemperatur doa kohl win toffhnltigon Materials in dem RoaktionagefMß etwa 40 bis 41O0C ist und daß der Druck in dem Gefäß ungefähr atmosphärisch ist.8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man in das Reaktionsgefäß auch Wasserstoff einleitet.9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man elementaren130065/0797Schwefel in das Reaktionsgefäß einleitet, um das Verhältnis von Schwefel zu Alkalimetall einzustellen.10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Alkalimetall in alkoholischer Lösung vorliegt.11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die alkoholische Lösung eine Lösung in Methanol, Äthanol oder Propanol-1 ist.12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schwefelwasserstoff und Kohlenwasserstoff enthaltenden Dämpfe aus dem Reaktionsgefäß abzieht und daß man den Kohlenwasserstoff aus den abgezogenen Dämpfen wiedergewinnt.13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man das Kaliumhydrosulfid in dem Reaktionsgefäß mit einem Verhältnis von Schwefel zu Kalium von 0,55 : 1 bis 1,5 : 1 verwendet.130065/0797
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