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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von Schmierölbasismaterialien
mit hohen Viskositätsindices
und geringer Flüchtigkeit.
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Hintergrund der Erfindung
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Es ist wohl bekannt, Schmierölbasismaterialien
durch Lösungsmittelraffinierung
herzustellen. In dem konventionellen Verfahren werden Rohöle unter
atmosphärischem
Druck fraktioniert, um atmosphärische Rückstände zu produzieren,
die im Vakuum weiter fraktioniert werden. Ausgewählte Destillatfraktionen werden dann
gegebenenfalls entasphaltiert und lösungsmittelextrahiert, um ein
paraffinreiches Raffinat und einen aromatenreichen Extrakt zu produzieren.
Das Raffinat wird dann entparaffiniert, um ein erstparaffiniertes Öl zu produzieren,
das üblicherweise
einem Hydrofinishing unterzogen wird, um die Stabilität zu verbessern
und Farbkörper
zu entfernen.
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Das Lösungsmittelraffinieren ist
ein Verfahren, das selektiv Komponenten von Rohölen mit erwünschten Eigenschaften für Schmierstoffbasismaterialien
isoliert. Die für
Lösungsmittelraffinierung
verwendeten Rohöle
sind daher auf jene begrenzt, die von hochparaffinischer Beschaffenheit
sind, da Aromaten dazu neigen, niedrigere Viskositätsindices
(VI) zu haben und daher in Schmierölbasismaterialien weniger erwünscht sind.
Bestimmte Typen von aromatischen Verbindungen können auch zu ungünstigen
Toxizitätscharakteristika führen. Die
Lösungsmittelraffinierung
kann Schmierölbasismaterialien
mit einem VI von etwa 95 in guten Ausbeuten produzieren.
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Heutzutage haben belastendere Betriebsbedingungen
für Kraftfahrzeugmotoren
zu Nachfragen nach Basismaterialien mit geringeren Flüchtigkeiten
(bei erhaltenen niedrigen Viskositäten) und niedrigeren Stockpunkten
geführt.
Diese Verbesserungen können
nur mit Basismaterialien mit stärker
isoparaffinischem Charakter erreicht werden. d. h. jenen mit VIs
von 105 oder mehr. Die Lösungsmittelraffinierung
allein kann mit typischen Rohölen keine
Basismaterialien mit einem VI von 105 auf wirtschaftliche weise
produzieren. Es sind zwei alternative Ansätze entwickelt worden, um hochwertige
Schmierölbasismaterialien
zu produzieren: (1) die Wachsisomerisierung und (2) das Hydrocracken.
Beide Verfahren erfordern hohe Kapitalinvestitionen und leiden an
Ausbeutenachteilen. Zudem beseitigt das Hydrocracken das Lösungsvermögen der
Basismaterialien, die durch traditionelle Lösungsmittelraffinierungstechniken
produziert werden. Die typischerweise geringwertigen Einsatzmaterialien,
die beim Hydrocracken verwendet werden, und die demzufolge scharfen
Bedingungen, die erforderlich sind, um die gewünschten viskometrischen Eigenschaften
und die gewünschte
Flüchtigkeit
zu erreichen, können
auch zur Bildung unerwünschter
(toxischer) Spezies führen.
Diese Spezies werden in einer hinreichenden Konzentration gebildet,
so dass eine weitere Verarbeitungsstufe wie die Extraktion benötigt wird,
um ein ungiftiges Basismaterial zu erreichen.
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Ein Artikel von S. Bull und A. Marmin
mit dem Titel "Lobe
Oil Manufacture by Severe Hydrotreatment", Proceedings of the Tenth World Petroleum
Congress, Band 4, Developments in Lubrication, PD 19(2), Seiten 221
bis 228, beschreibt ein Verfahren, bei dem die Extraktionsanlage
bei der Lösungsmittelraffinierung
durch eine Hydrobehandlungsanlage ersetzt wird.
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Die US-A-3 691 067 beschreibt ein
Verfahren zur Herstellung eines Öls
mit mittlerem und hohem VI durch Wasserstoffbehandlung eines engen
Schmierstoffeinsatzmaterialschnitts. Die Wasserstoffbehandlungsstufe
beinhaltet eine einzige Wasserstoffbehandlungszone. Die US-A-3 732
154 offenbart das Hydrofinishing des Extrakts oder Raffinats aus
einem Lösungsmittelextraktionsverfahren.
Das Einsatzmaterial für
die Hydrofinishing-Stufe stammt aus einer hocharomatischen Quelle,
wie naphthenischem Destillat. Die U5-A-4 627 908 betrifft ein Verfahren
zur Verbesserung der Massenoxidationsstabilität und Lagerungsstabilität von Schmierölbasismaterialien,
die von hydrogecracktem Bright Stock abgeleitet sind. Das Verfahren
beinhaltet die hydrierende Entfernung von Stickstoff aus einem hydrogecrackten
Bright Stock mit anschließendem
Hydrofinishing.
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Die US-A-4 636 299 betrifft Schmieröl mit niedrigem
Stockpunkt und hohem VI, das aus Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial
abgeleitet wird, welches durch Lösungsmittelentparaffinierung
partiell entparaffiniert wird, mit NMP extrahiert wird und vor weiterem
Entparaffinieren hydrobehandelt wird.
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Es wäre erwünscht, das konventionelle Lösungsmittelraffinierungsverfahren
so zu unterstützen,
dass Öle
mit hohem VI und geringer Flüchtigkeit
produziert werden könnten,
die hervorragende Toxizität,
oxidative und Wärmestabilität, Lösekraft,
Kraftstoffersparnis und Kaltstarteigenschaften haben, ohne dass
irgendwelche bedeutsamen Ausbeutenachteile zu verzeichnen sind,
wobei das Verfahren viel weniger Investitionskosten als konkurrierende
Technologien wie Hydrocracken erfordert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren
zum selektiven Hydroumwandeln eines Raffinats, das durch Lösungsmittelraffinierung
eines Schmieröleinsatzmaterials
hergestellt wurde, bei dem
- (a) das Schmieröleinsatzmaterial,
wobei das Einsatzmaterial eine Destillatfraktion ist, einer Lösungsmittelextraktionszone
zugeführt
wird und das Einsatzmaterial unter Bildung eines unterextrahierten
Raffinats unterextrahiert wird, wodurch die Ausbeute an Raffinat
maximiert wird;
- (b) das unterextrahierte Raffinat von Lösungsmittel gestrippt wird,
um ein Raffinateinsatzmaterial mit einem Viskositätsindex
des entparaffinierten Öls
von 85 bis 105, einem Endsiedepunkt von nicht mehr als 600°C, bestimmt
gemäß ASTM 2887,
und einer Viskosität
von 3 bis 10 cSt bei 100°C
zu produzieren;
- (c) das Raffinateinsatzmaterial zu einer ersten Hydroumwandlungszone
geleitet wird und das Raffinateinsatzmaterial in Anwesenheit eines
Katalysators auf einem Metalloxidträger mit einem Aciditätswert unter 0,5,
wobei die Acidität
durch die Fähigkeit
des Katalysators ermittelt wird, 2-Methylpent-2-en in 3-Methylpent-2-en
und 4-Methylpent-2-en umzuwandeln, und als Molverhältnis von
3-Methylpent-2-en zu 4-Methylpent-2-en
ausgedrückt
wird, bei einer Temperatur von 340 bis 420°C, einem Wasserstoffpartialdruck
von 5,5 bis 13,8 MPa (800 bis 2000 psig), einer Raumgeschwindigkeit
von 0,2 bis 3,0 LHSV und einem Wasserstoff-zu-Einsatzmaterial-Verhältnis von
89 bis 890 Std-m3/m3 (500
bis 5000 Scf/B) verarbeitet wird, um ein erstes hydroumgewandeltes
Raffinat zu produzieren; und
- (d) das erste hydroumgewandelte Raffinat zu einer zweiten Reaktionszone
geleitet wird und kaltes Hydrofinishing des ersten hydroumgewandelten
Raffinats in Gegenwart eines Hydrofinishing-Katalysators bei einer
Temperatur von 200 bis 320°C,
einem Wasserstoffpartialdruck von 5,5 bis 13,8 MPa (800 bis 2000 psig),
einer Raumgeschwindigkeit von 1 bis 5 LHSV und einem Wasserstoff-zu-Einsatzmaterial-Verhältnis von
89 bis 890 Std-m3/m3 (500
bis 5000 Scf/B) durchgeführt
wird, um ein zweites hydroumgewandeltes Raffinat zu produzieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren produziert in
guten Ausbeuten ein Basismaterial, das VI und Flüchtigkeitseigenschaften hat,
die zukünftigen
Industriestandards für
Motoröl
entsprechen, während
gute Lösekraft-,
Kaltstart-, Kraftstoffersparnis-, Oxidationsstabilitäts- und
Wärmestabilitätseigenschaften
erhalten werden. Außerdem
zeigen Toxizitätstests,
dass das Basismaterial hervorragende toxikologische Eigenschaften hat.
gemessen durch Tests wie den FDA (c)-Test.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine Auftragung von Noack-Flüchtigkeit
gegen Viskositätsindex
für ein
100 N Basismaterial.
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2 ist
ein vereinfachtes schematisches Flussdiagramm des Raffinat-Hydroumwandlungsverfahrens.
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3 ist
eine Auftragung der thermischen Diffusionstrennung gegen Viskositätsindex.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Das Lösungsmittelraffinieren von
ausgewählten
Rohölen
zur Herstellung von Schmierölbasismaterialien
beinhaltet typischerweise atmosphärische Destillation, Vakuumdestillation,
Extraktion, Entparaffinierung und Hydrofinishing. Weil Basismaterialien
mit hohem Isoparaffingehalt durch gute Viskositätsindex-(VI)-Eigenschaften und geeignete Tieftemperatureigenschaften
gekennzeichnet sind, sind die in dem Lösungsmittelraffinierungsverfahren
verwendeten Rohöle
typischerweise paraffinische Rohöle.
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Die hochsiedenden Erdölfraktionen
aus der atmosphärischen
Destillation werden im Allgemeinen zu einer Vakuumdestillationsanlage
geschickt, und die Destillationsfraktionen von dieser Anlage werden
lösungsmittelextrahiert.
Der Rückstand
von der Vakuumdestillation, der entasphaltiert sein kann, wird zu
anderer Verarbeitung geleitet.
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Das Lösungsmittelextraktionsverfahren
löst selektiv
die aromatischen Komponenten in einer Extraktphase, während die
paraffinischeren Komponenten in einer Raffinatphase zurückbleiben.
Naphthene werden zwischen der Extrakt- und der Raffinatphase verteilt.
Typische Lösungsmittel
für die
Lösungsmittelextraktion schliefen
Phenol, Furfural und N-Methylpyrrolidon ein. Durch Steuerung des
Lösungsmittel-zu-Öl-Verhältnisses,
der Extraktionstemperatur und des Verfahrens des Kontaktierens von
zu extrahierendem Destillat mit Lösungsmittel kann der Trennungsgrad.
zwischen der Extrakt- und der Raffinatphase gesteuert werden.
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In den vergangenen Jahren ist in
einigen Raffinerien die Lösungsmittelextraktion
durch das Hydrocracken als Mittel zur Herstellung von Basismaterialien
mit hohem VI ersetzt worden. Das Hydrocrackverfahren verwendet geringwertige
Einsatzmaterialien, wie Einsatzdestillat aus der Vakuumdestillationsanlage,
oder andere Raffinerieströme;
wie Vakuumgasöle
und Kokergasöle.
Die zum Hydrocracken verwendeten Katalysatoren sind typischer weise
Sulfide von Ni, Mo, Co und W auf einem aciden Träger, wie Siliciumdioxid/Aluminiumoxid
oder Aluminiumoxid, der einen aciden Promoter wie Fluor enthält. Einige
Hydrocrackkatalysatoren enthalten auch hochacide Zeolithe. Das Hydrocrackverfahren
kann in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen die Heteroatomentfernung, die Sättigung
aromatischer Ringe, die Dealkylierung von aromatischen Ringen, die Ringöffnung,
das Cracken von geraden Ketten und Seitenketten und die Wachsisomerisierung
beinhalten. In Hinsicht auf diese Reaktionen ist die Abtrennung
der aromatenreichen Phase, die bei der Lösungsmittelextraktion stattfindet,
eine unnötige
Stufe, da das Hydrocracken den Aromatengehalt auf sehr niedrige
Niveaus reduziert.
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Im Unterschied dazu verwendet das
erfindungsgemäße Verfahren
eine zweistufige Hydroumwandlung des Raffinats aus der Lösungsmittelextraktionsanlage
unter Bedingungen, die das Hydrocracken und die Hydroisomerisierung
minimieren, während
ein Restaromatengehalt von mindestens etwa 5 Vol.% gehalten wird. Der
Aromatengehalt wird mit einem Hochleistungsflüssigchromatographieverfahren
gemessen, das Kohlenwasserstoffmischungen in Gehalt an gesättigtem
Material und Gehalt an Aromaten zwischen 1 und 99 Gew.% quantitativ
bestimmt.
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Das Raffinat aus der Lösungsmittelextraktion
ist unterextrahiert, d. h. die Extraktion wird unter Bedingungen
durchgeführt,
so dass die Raffinatausbeute maximiert wird, während dennoch die meisten der
geringstwertigen Moleküle
aus dem Einsatzmaterial entfernt werden. Die Raffinatausbeute kann
maximiert werden, indem die Extraktionsbedingungen gesteuert werden,
beispielsweise durch Herabsetzen des Lösungsmittel-zu-Öl-Behandlungsverhältnisses
und/oder Verringern der Extraktionstemperatur. Das Raffinat aus
der Lösungsmittelextraktionsanlage
wird von Lösungsmittel
gestrippt und dann zu einer ersten Hydroumwandlungsanlage geleitet,
die einen Hydroumwandlungskatalysator enthält. Dieses Raffinateinsatzmaterial
hat einen Viskositätsindex
von 85 bis 105 und einen Siedebereich, der 600°C. nicht übersteigt, vorzugsweise weniger
als 560°C
beträgt,
ermittelt gemäß ASTM 2887,
und eine Viskosität
von 3 bis 10 cSt bei 100°C.
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Hydroumwandlungskatalysatoren sind
jene, die Gruppe VIB Metalle (bezogen auf das von Fisher-Scientific
veröffentlichte
Periodensystem) und Nicht-Edelmetalle der Gruppe VIII enthalten,
d. h. Eisen, Kobalt und Nickel und Mischungen davon. Diese Metalle
oder Mischungen von Metallen sind typischerweise als Oxide oder
Sulfide auf hitzebeständigen
Metalloxidträgern
vorhanden.
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Es ist wichtig, dass der Metalloxidträger nicht
acid ist, um das Cracken zu steuern. Eine brauchbare Aciditätsskala
für Katalysatoren
basiert auf der Isomerisierung von 2-Methyl-2-penten, wie sie von
Kramer und McVicker, J. Catalysis, 92, 355 (1985) beschrieben worden
ist. Auf dieser Aciditätsskala
wird 2-Methyl-2-penten
dem zu bewertenden Katalysator bei einer festen Temperatur, typischerweise
200°C, ausgesetzt.
In Gegenwart von Katalysatorstellen bildet 2-Methyl-2-penten ein
Carboniumion. Der Isomerisierungsweg des Carboniumions ist ein Indikator
der Acidität
der aktiven Stellen in dem Katalysator. Schwach acide Stellen bilden 4-Methyl-2-penten,
während
stark acide Stellen zu einer Gerüstumlagerung
zu 3-Methyl-2-penten führen
und sehr stark acide Stellen 2,3-Dimethyl-2-buten bilden. Das Molverhältnis von
3-Methyl-2-penten zu 4-Methyl-2-penten kann mit einer Aciditätsskala
korreliert werden. Diese Aciditätsskala
liegt im Bereich von 0,0 bis 4,0. Sehr schwach acide Stellen haben
Werte nahe 0,0, während
sehr stark acide Stellen Werte haben, die sich 4,0 nähern. Die
in dem erfindungsgemäßen Verfahren
brauchbaren Katalysatoren haben Aciditätswerte von weniger als etwa
0,5, vorzugsweise weniger als etwa 0,3. Die Acidität von Metalloxidträgern kann
durch Zugabe von Promotern und/oder Dotierungsmitteln gesteuert
werden, oder durch Steuerung der Beschaffenheit des Metalloxidträgers, z.
B. durch Steuerung der Menge an Siliciumdioxid, die in einen Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Träger eingebracht
wird. Beispiele für
Promoter und/oder Dotierungsmittel schließen Halogen, insbesondere Fluor,
Phosphor, Bor, Yttriumoxid, Seltenerdoxide und Magnesiumoxid ein.
Promotoren wie Halogene erhöhen
im Allgemeinen die Acidität
von Metalloxidträgern,
während
mild basische Dotierungsmittel wie Yttriumoxid oder Magnesiumoxid
dazu neigen, die Acidität
solcher Träger
zu verringern.
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Geeignete Metalloxidträger schließen niedrigacide
Oxide wie Siliciumdioxid, Aluminiumoxid oder Titandioxid ein, vorzugsweise
Aluminiumoxid. Bevorzugte Aluminiumoxide sind poröse Aluminiumoxide,
wie gamma oder eta, mit durchschnittlichen Porengrößen von
5 bis 20 nm (50 bis 200 Å),
vorzugsweise 7,5 bis 15 nm (75 bis 150 Å), einer Oberfläche von
100 bis 300 m2/g, vorzugsweise 150 bis 250
m2/g und einem Porenvolumen von 0,25 bis
1,0 cm3/g, vorzugsweise 0,35 bis 0,8 cm3/g. Die Träger weisen vorzugsweise keinen
Halogenpromoter wie Fluor auf, da dies die Acidität des Trägers stark
erhöht.
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Bevorzugte Metallkatalysatoren schließen Kobalt/Molybdän (1 bis
5% Co als Oxid, 10 bis 25% Mo als Oxid), Nickel/Molybdän (1 bis
5% Ni als Oxid, 10 bis 25% Co als Oxid) oder Nickel/ Wolfram (1
bis 5% Ni als Oxid, 10 bis 30% W als Oxid) auf Aluminiumoxid ein.
Besonders bevorzugt sind Nickel/Molybdän-Katalysatoren, wie KF-840.
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Hydroumwandlungsbedingungen in der
ersten Hydroumwandlungsanlage schließen eine Temperatur von 340
bis 420°C,
vorzugsweise 360 bis 390°C,
einen Wasserstoffpartialdruck von 800 bis 2000 psig (5,5 bis 13,8
MPa), vorzugsweise 800 bis 1500 psig (5,5 bis 10,3 MPa), eine Raumgeschwindigkeit
von 0,2 bis 3,0 LHSV, vorzugsweise 0,3 bis 1,0 LHSV und ein Wasserstoff-zu-Einsatzmaterial-Verhältnis von
89 bis 890 Std-m3/m3 (500
bis 5000 Scf/B) , vorzugsweise 356 bis 712 Std-m3/m3 (2000 bis 4000 Scf/B) ein.
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Das hydroumgewandelte Raffinat aus
dem ersten Reaktor wird dann in einen zweiten Reaktor geleitet, wo
es einer kalten (milden) Hydrofinishingstufe unterzogen wird. Der
Katalysator in diesem zweiten Reaktor kann der gleiche wie oben
für den
ersten Reaktor beschrieben sein. In dem zweiten Reaktor können jedoch acidere
Katalysatorträger
verwendet werden, wie Siliciumdioxid-Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid und dergleichen.
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Die Bedingungen in dem zweiten Reaktor
schließen
eine Temperatur von 200 bis 320°C,
vorzugsweise 230 bis 300°C,
einen Wasserstoffpartialdruck von 800 bis 2000 psig (5,5 bis 13,8 MPa),
vorzugsweise 800 bis 1500 psig (5,5 bis 10,3 MPa), eine Raumgeschwindigkeit
von 1 bis 5 LHSV, vorzugsweise 1 bis 3 LHSV und ein Wasserstoff-zu-Einsatzmaterial-Verhältnis von
89 bis 890 Std-m3/m3 (500
bis 5000 Scf/B) , vorzugsweise 356 bis 712 Std-m3/m3 (2000 bis 4000 Scf/B) ein.
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Zur Herstellung eines fertigen Basismaterials
wird das hydroumgewandelte Raffinat aus dem zweiten Reaktor in einen
Separator geleitet, z. B. einen Vakuumstripper (oder Fraktionierer),
um niedrig siedende Produkte abzutrennen. Solche Produkte können Schwefelwasserstoff
und Ammoniak einschließen,
die in dem ersten Reaktor gebildet worden sind. Gewünschtenfalls
kann sich ein Stripper zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktor
befinden, dies ist jedoch zur erfindungsgemäßen Herstellung von Basismaterialien
nicht wesentlich.
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Das durch den Separator abgetrennte
hydroumgewandelte Raffinat wird dann zu einer Entparaffinierungsanlage
geleitet. Entparaffinieren kann unter Verwendung von Lösungsmittel,
um das durch Hydrofinishing behandelte Raffinat zu verdünnen, und
Kühlen
zum Kristallisieren und Abtrennen von Paraffinmolekülen bewirkt
werden. Typische Lösungsmittel
schließen
Propan und Ketone ein. Bevorzugte Ketone schließen Methylethylketon, Methylisobutylketon
und Mischungen derselben ein.
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Die Mischung aus Lösungsmittel/hydroumgewandeltem
Raffinat kann in einem Kühlsystem
gekühlt werden,
das in einem Kratzkühler
enthalten ist. In dem Kühler
abgetrenntes Paraffin wird zu einer Trennanlage geleitet, wie einem
Rotationsfilter, um Paraffin von Öl zu trennen. Das entparaffinierte Öl ist als
Schmierölbasismaterial
geeignet. Gewünschtenfalls
kann das entparaffinierte Öl
katalytischer Isomerisierung/Entparaffinierung unterzogen werden,
um den Stockpunkt weiter abzusenken. Abgetrenntes Paraffin kann
für Wachsüberzüge, Kerzen
und dergleichen verwendet werden oder kann zu einer Isomerisierungsanlage
geleitet werden.
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Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
produzierte Schmierölbasismaterial
ist durch die folgenden Eigenschaften gekennzeichnet: Viskositätsindex
von mindestens etwa 105, vorzugs weise mindestens 107, Noack-Flüchtigkeitsverbesserung
(gemessen nach DIN 51581) gegenüber
Raffinateinsatzmaterial von mindestens etwa 3 Gew.%, vorzugsweise
mindestens etwa 5 Gew.%, bei der gleichen Viskosität im Bereich von
3,5 mm2/s bis 6,5 mm2/s
(cSt) bei 100°C,
Stockpunkt von –15°C oder darunter,
und niedriger Toxizität,
bestimmt nach IP346 oder Phase 1 von FDA (c). IP346 ist ein Maß für polycyclische
aromatische Verbindungen. Viele dieser Verbindungen sind Carcinogene
oder mutmaßliche
Carcinogene, insbesondere jene mit den sogenannten Bay-Bereichen
(siehe Accounts Chem. Res. 17, 332 (1984) hinsichtlich weiterer
Details). Das vorliegende Verfahren reduziert diese polycyclischen
Aromaten auf solche Gehalte, dass Carcinogenitätstests bestanden werden, obwohl
der Gesamtaromatengehalt des Schmieröls mindestens etwa 5 Vol.%,
vorzugsweise 5 bis 15 Vol.% beträgt,
bezogen auf Schmierbasismaterial. Der FDA-Test (c) ist in 21 CFR
178.3620 beschrieben und basiert auf Ultraviolettextinktionen im
Bereich von 300 bis 359 nm.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die Noack-Flüchtigkeit
für jedes
gegebene Basismaterial mit dem VI verknüpft. Die in 1 gezeigte Beziehung ist die für ein leichtes
Basismaterial (etwa 100 N). Falls das Ziel darin liegt, einen 22
Gew.% Noack für
ein 100 N Öl
zu erreichen, sollte das Öl
einen VI von etwa 110 für
ein Produkt mit einer typischen Schnittbreite haben, z. B. 5 bis
50% Verdampfung mittels GCD bei 60°C. Verbesserungen der Flüchtigkeit
können
bei einem Produkt mit niedrigerem VI erreicht werden, indem die
Schnittbreite herabgesetzt wird. In dem Grenzwert, der durch eine
Schnittbreite von Null gegeben ist, kann man einen Noack von 22%
bei einem VI von etwa 100 erreichen. Dieser Ansatz unter Verwendung
von Destillation allein führt
jedoch zu erheblichen Ausbeutenachteilen.
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Das Hydrocracken ist auch in der
Lage, Basismaterialien mit einem hohen VI und damit niedrigem Noack
zu produzieren, ist jedoch weniger selektiv (niedrigere Ausbeuten)
als das erfindungsgemäße Verfahren. Sowohl
das Hydrocracken als auch Verfahren wie Wachsisomerisierung zerstören außerdem die
meisten der Molekülspezies,
die für
die Lösekrafteigenschaften
lösungsmittelraffi nierter Öle verantwortlich
sind. Das letztere verwendet auch Wachs als Einsatzmaterial, während das
vorliegende Verfahren Wachs als Produkt beibehalten soll und wenig
Wachsumwandlung, falls überhaupt,
vornimmt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird ferner durch 2 illustriert. Das Einsatzmaterial 8 für den Vakuumröhrenofen 15 ist
typischerweise ein atmosphärisches
getopptes Rohöl
aus einem atmosphärischen Röhrenofen
(nicht gezeigt). Verschiedene Destillatschnitte, die als 12 (leicht) 14 (mittel)
und 16 (schwer) gezeigt sind, können über Leitung 18 zu
Lösungsmittelextraktionsanlage 30 geleitet
werden. Diese Destillatschnitte können im Bereich von etwa 200°C bis etwa
600°C liegen.
Die Bodenprodukte aus Vakuumröhrenofen 15 können durch
Leitung 22 zu einem Koker, einer Visbreaking-Anlage oder
Entasphaltierungsextraktionsanlage 20 geleitet werden,
wo die Bodenprodukte mit Entasphaltierungslösungsmittel wie Propan, Butan oder
Pentan kontaktiert werden. Das entasphaltierte Öl kann über Leitung 26 mit
Destillat aus dem Vakuumröhrenofen 15 kombiniert
werden, vorausgesetzt, dass das entasphaltierte Öl einen Siedepunkt nicht über etwa
600°C aufweist,
oder wird vorzugsweise über
Leitung 24 zur weiteren Verarbeitung geleitet. Die Bodenprodukte
von Entasphaltierer 20 können zu einer Visbreaking-Anlage
geschickt oder für
die Asphaltherstellung verwendet werden. Über Leitung 28 können auch
andere Raffinerieströme
zu dem Einsatzmaterial für
die Extraktionsanlage gegeben werden, vorausgesetzt, dass sie den
zuvor für
Raffinateinsatzmaterial beschriebenen Einsatzmaterialkriterien entsprechen.
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In Extraktionsanlage 30 werden
die Destillatschnitte mit N-Methylpyrrolidon
lösungsmittelextrahiert, und
die Extraktionsanlage wird vorzugsweise im Gegenstrommodus betrieben.
Das Lösungsmittel-zu-Öl-Verhältnis, die
Extraktionstemperatur und der Prozentsatz Wasser in dem Lösungsmittel
werden verwendet, um den Extraktionsgrad zu steuern, d. h. die Trennung
in paraffinreiches Raffinat und aromatenreichen Extrakt. Das vorliegende
Verfahren lässt
die Extraktionsanlage im "Unterextraktion"-Modus arbeiten,
d. h. einer größeren Aromatenmenge
in der paraffinrei chen Raffinatphase. Die aromatenreiche Extraktphase
wird durch Leitung 32 zur Weiterverarbeitung geleitet.
Die Raffinatphase wird durch Leitung 34 zur Lösungsmittelstrippanlage 36 geleitet.
Gestripptes Lösungsmittel
wird über
Leitung 38 zur Rückführung geschickt,
und gestripptes Raffinat wird durch Leitung 40 in die erste
Hydroumwandlungsanlage 42 geleitet.
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Die erste Hydroumwandlungsanlage 42 enthält KF-840
Katalysator, der Nickel/Molybdän
auf einem Aluminiumoxidträger
ist und von Akzo Nobel erhältlich
ist. Wasserstoff wird Anlage oder Reaktor 42 durch Leitung 44 zugeführt. Die
Anlagenbedingungen sind typischerweise Temperaturen von 340 bis
420°C, Wasserstoffpartialdrücke von
5,5 bis 13,8 MPa (800 bis 2000 psig), Raumgeschwindigkeit von 0,5
bis 3,0 LHSV und ein Wasserstoff-zu-Einsatzmaterial-Verhältnis von
89 bis 890 Std-m3/m3 (500
bis 5000 Scf/B). Gaschromatographische Vergleiche des hydroumgewandelten
Raffinats zeigen, dass fast keine Wachsisomerisierung stattfindet.
Ohne sich auf eine spezielle Theorie festlegen zu wollen, da der
genaue Mechanismus des in dieser Stufe stattfindenden VI-Anstiegs nicht mit
Sicherheit bekannt ist, ist bekannt, dass Heteroatome entfernt werden,
aromatische Ringe gesättigt
werden und Naphthenringe, insbesondere Mehrringnaphthene, selektiv
eliminiert werden.
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Das hydroumgewandelte Raffinat aus
Anlage 42 wird über
Leitung 46 zu der zweiten Anlage oder Reaktor 50 geleitet.
Die Reaktionsbedingungen in der Anlage sind mild und schließen eine
Temperatur von 200 bis 320°C,
einen Wasserstoffpartialdruck von 5,5 bis 13,8 MPa (800 bis 2000
psig), eine Raumgeschwindigkeit von 1 bis 5 LHSV und ein Wasserstoff-zu-Einsatzmaterial-Verhältnis von
89 bis 890 Std-m3/m3 (500
bis 5000 Scf/B) ein. Diese milde oder kalte Hydrofinishing-Stufe
verringert die Toxizität
weiter auf sehr niedrige Niveaus.
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Das hydroumgewandelte Raffinat wird
dann durch Leitung 52 in Separator 54 geleitet.
Leichte Flüssigprodukte
und Gase werden abgetrennt und durch Leitung 56 entfernt.
Das verbleibende hydroumgewandelte Raffinat wird durch Leitung 58 in
Entparaffinierungsanlage 60 geführt. Das Entparaffinieren kann
durch die Verwendung von Lösungsmitteln
(eingebracht durch Leitung 62) stattfinden, wobei anschließend gekühlt, katalytisch
entparaffiniert oder eine Kombination davon vorgenommen werden kann.
Das katalytisches Entparaffinieren beinhaltet das Hydrocracken und/oder
die Hydroisomerisierung als Mittel zur Erzeugung von Schmierbasismaterialien
mit niedrigem Stockpunkt. Das Lösungsmittelentparaffinieren
mit optionalem Kühlen trennt
wachsartige Moleküle
von dem hydroumgewandelten Schmierbasismaterial, wodurch der Stockpunkt herabgesetzt
wird. Hydroumgewandeltes Raffinat wird vorzugsweise mit Methylisobutylketon
kontaktiert, gefolgt von dem DILCHILL-Entparaffinierungsverfahren,
das von Exxon entwickelt worden ist. Dieses Verfahren ist in der
Technik wohl bekannt. Das fertige Schmierbasismaterial wird, über Leitung 64 entfernt,
und wachsartiges Produkt über
Leitung 66.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren
passieren alle wachsartigen Komponenten in dem Einsatzmaterial für die Extraktionsanlage 30 die
Hydroumwandlungszone praktisch unverändert und werden zu Entparaffinierungsanlage 60 geführt, wo
sie als Produkt gewonnen werden können.
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Die Erfindung wird durch die folgenden
nichteinschränken
den Beispiele weiter veranschaulicht.
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Beispiel 1
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Thermische Diffusion ist eine Technik,
die zum Trennen von Kohlenwasserstoffmischungen in Molekültypen verwendet
werden kann. Obwohl sie seit mehr als 100 Jahren untersucht und
angewendet worden ist, gibt es keine wirklich befriedigende theoretische
Erklärung
für den
Mechanismus der thermischen Diffusion. Die Technik ist in der folgenden
Literatur beschrieben: A. L. Jones und E. C. Milberger, Industrial
and Engineering Chemistry, Seite 2689, Dezember 1953, T. A. Warhall
und F. W. Melpolder, Industrial and Engineering Chemistry, Seite
26, Januar 1962, und H. A. Harner und M. M. Bellamy, American Laboratory,
Seite 41, Januar 1972, und dort zitierte Druckschriften.
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Die in der vorliegenden Anmeldung
verwendete thermische Diffusionsapparatur war eine Chargenanlage,
die aus zwei konzen trischen Rohren aus rostfreiem Stahl mit einem
ringförmigen
Abstand zwischen den inneren und äußeren Rohren von 0,3 mm (0,012
Zoll) aufgebaut war. Die Länge
der Rohre betrug ungefähr
18 m (6 ft). Die zu testende Probe wird in den ringförmigen Raum
zwischen den inneren und äußeren konzentrischen
Rohren positioniert. Das innere Rohr hatte einen ungefähren äußeren Durchmesser
von 12,7 mm (0,5 Zoll). Die Anwendung dieses Verfahrens erfordert,
dass die inneren und äußeren Rohre
auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden. Im Allgemeinen
sind für
die meisten Schmierölproben
Temperaturen von 100 bis 200°C
für die äußere Wand
und etwa 65°C
für die
innere Wand geeignet. Die Temperaturen werden für Zeitspannen von 3 bis 14
Tagen gehalten.
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Ohne sich auf eine spezielle Theorie
festlegen zu wollen, verwendet die thermische Diffusionstechnik Diffusion
und natürliche
Konvektion, die aus dem Temperaturgradienten entstehen, der zwischen
den inneren und äußeren Wänden der
konzentrischen Rohre vorhanden ist. Moleküle mit höherem VI diffundieren durch die
heißere
Wand und steigen nach oben. Moleküle mit niedrigerem VI diffundieren
zu der kühleren
inneren Wand und sinken nach unten. Im Verlauf von Tagen kommt es
so zu einem Konzentrationsgradienten von unterschiedlichen Moleküldichten
(oder Molekülformen).
Um Proben für
den Konzentrationsgradienten zu ziehen, sind Probennahmeöffnungen
ungefähr
gleichmäßig beabstandet
zwischen dem oberen Bereich und dem unteren Bereich der konzentrischen
Rohre angeordnet. Eine zweckmäßige Anzahl
für Probennahmeöffnungen ist
zehn.
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Zwei Proben von Ölbasismaterialien wurden durch
thermische Diffusionstechniken analysiert. Die erste ist ein konventionelles
150 N Basismaterial mit einem VI von 102, das durch Lösungsmittelextraktions/Entparaffinierungsverfahren
hergestellt worden ist. Die zweite ist ein Basismaterial mit einem
VI von 112, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Raffinat-Hydroumwandlungs(RHC)-Verfahren
aus 250 N Raffinat mit einem VI von 100. Die Proben wurden 7 Tage
absetzen gelassen, nachdem die Proben aus den Probenentnahmeöffnungen 1 bis 10 entnommen
worden waren, die vom oberen bis zum unteren Bereich der thermischen Diffusionsapparatur
beabstandet waren.
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Die Ergebnisse sind in 3 gezeigt. 3 zeigt, dass sogar ein "gutes" konventionelles
Basismaterial mit einem VI von 102 einige vom Standpunkt des VI
sehr unerwünschte
Moleküle
enthält.
Somit ergaben Probenentnahmeöffnungen
9 und insbesondere 10 Molekülfraktionen,
die sehr niedrige VIs enthielten. Diese Fraktionen, die VIs im Bereich
von –25
bis –250
haben, enthalten wahrscheinlich Mehrringnaphthene. Im Unterschied
dazu enthält
das erfindungsgemäße RHC-Produkt
deutlich weniger Mehrringnaphthene, wie durch den VI der Produkte
deutlich wird, die aus Probenentnahmeöffnungen 9 und 10 erhalten
wurden. Das vorliegende RHC-Verfahren zerstört somit selektiv Mehrringnaphthene
und Mehrringaromaten aus dem Einsatzmaterial, ohne die Masse der
anderen hochwertigen Molekülspezies
zu beeinflussen. Die effiziente Entfernung der unerwünschten
Spezies, wie sie durch Öffnung 10 demonstriert
wird, ist mindestens teilweise für
die Verbesserung der Noack-Flüchtigkeit
bei einer gegebenen Viskosität
verantwortlich.
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Beispiel 2
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Dieses Beispiel vergleicht einen
in dem erfindungsgemäßen Verfahren
brauchbaren Katalysator mit niedriger Acidität mit einem acideren Katalysator.
Der Katalysator mit niedriger Acidität ist KF-840, der kommerziell
von Akzo Nobel erhältlich
ist und eine Acidität
von 0,05 hat. Der andere Katalysator ist ein aciderer kommerziell
erhältlicher
Katalysator, der in Hydrocrackverfahren brauchbar ist, eine geschätzte Acidität von 1 hat
und als Katalysator A bezeichnet wird. Das Einsatzmaterial ist ein
wachsartiges 250 N Raffinat mit einem Anfangssiedepunkt von 335°C, einem
mittleren Siedepunkt von 463°C
und einem Endsiedepunkt von 576°C, einer
Viskosität
des entparaffinierten Öls
bei 100°C
von 8,13 , einem VI des entparaffinierten Öls von 92 und einem Stockpunkt
von –19°C. Die Ergebnisse
sind in den Tabellen 1 und 2 gezeigt.
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Wie aus Tabelle 1 zu sehen ist, ergibt
Katalysator A eine viel höhere
Umwandlung, wenn die Reaktionsbedingungen ähnlich sind. wenn die Umwandlung
(durch Einstellung der Reaktionsbedingungen) konstant gehalten wird,
dann ist der VI des Produkts von Katalysator A viel niedriger. Diese
Ergebnisse zeigen, dass acidere Katalysatoren, obwohl sie eine höhere Aktivität haben,
eine viel niedrigere Selektivität
für VI-Verbesserung
haben.
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Beispiel 3
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Dieses Beispiel zeigt, dass Verfahren
wie Hydrocracken von Schmierstoffen, die typischerweise einen acideren
Katalysator in dem zweiten von zwei Reaktoren beinhalten, nicht
der effektivste Weg zur Verbesserung der Flüchtigkeitseigenschaften ist.
Die Er gebnisse für
ein 250 N Raffinateinsatzmaterial mit einem VI von 100 des entparaffinierten Öls sind
in Tabelle 3 gezeigt. Das Produkt wurde auf die erforderliche Viskosität getoppt
und dann entparaffiniert.
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Mit einem sauren Katalysator vom
Siliciumdioxid-Aluminiumoxid-Typ in dem zweiten Reaktor des 2-Reaktor-Verfahrens
ist die Ausbeute an Produkt mit einer gegebenen Flüchtigkeit
bei der gleichen Viskosität niedriger
als die Ausbeute des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung
von Raffinateinsatzmaterialien. Dies bestätigt, dass ein Katalysator
mit niedriger Acidität
erforderlich ist, um selektiv niedrige Flüchtigkeit zu erhalten.
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Beispiel 4
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Viele momentan kommerziell erhältliche
Basismaterialien werden Probleme haben, zukünftigen Flüchtigkeitsanforderungen an
Motoröl
zu entsprechen. Dieses Beispiel zeigt, dass konventionelle Extraktionstechniken
im Vergleich zu Hydroumwandlungstechniken an großen Ausbeutenachteilen leiden,
um die Noack-Flüchtigkeit
herabzusetzen. Die Noack-Flüchtigkeit
wurde unter Verwendung von gaschromatographischer Destillation (GCD)
geschätzt,
wie in ASTM 2887 beschrieben ist. GCD-Noack-Werte können mit
ab soluten Noack-Werten korreliert werden, die nach anderen Verfahren
wie DIN 51581 gemessen sind.
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Das Flüchtigkeitsverhalten konventioneller
Basismaterialien wird unter Verwendung einer überextrahierten wachsartigen
100 N Raffinatprobe mit einer GCD-Noack-Flüchtigkeit von 27,8 (bei einer
Viskosität
von 3,816 mm2/s (cSt) bei 100°C) illustriert.
Die Noack-Flüchtigkeit
kann durch Entfernung des niedrig siedenden vorderen Endbereichs
(Toppen) verbessert werden, dies erhöht jedoch die Viskosität des Materials.
Eine weitere Alternative zur Verbesserung der Noack-Flüchtigkeit
besteht in der Entfernung von Material sowohl in den hoch siedenden
als auch in den niedrig siedenden Endbereichen des Einsatzmaterials,
um eine konstante Viskosität
aufrechtzuerhalten (Herzschnitt). Beide dieser Optionen haben Grenzen
hinsichtlich der Noack-Flüchtigkeit,
die bei einer gegebenen Viskosität
erreicht werden kann, und mit ihnen sind auch erhebliche Ausbeutenachteile
verbunden, wie aus der folgenden Tabelle hervorgeht.
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Tabelle
4
Destillationsversuch von 100 N überextrahiertem wachsartigem
Raffinat (VI des DWO von 103)
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Beispiel 5
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Das überextrahierte Einsatzmaterial
aus Beispiel 4 wurde Raffinat-Hydroumwandlung unter den folgenden
Bedingungen unterzogen: KF-840-Katalysator bei 353°C, 5516 kPa
(800 psig) H2, 0,5 LHSV, 213,6 Std-m3/m3 (1200 Scf/B).
Raffinat-Hydroumwandlung un ter diesen Bedingungen erhöhte den
VI des entparaffinierten Öls
auf 111. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 wiedergegeben.
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Tabelle
5
Destillationsversuch von hydroumgewandeltem wachsartigem
Raffinat (VI des entparaffinierten Öls von 103 bis 111)
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Diese Ergebnisse zeigen, dass Raffinat-Hydroumwandlung
niedrigere Noack-Flüchtigkeit
viel selektiver erreichen kann als Destillation allein, z. B. mehr
als Verdoppelung der Ausbeute bei Noack 21. Da das erfindungsgemäße Verfahren
schlechtere Moleküle
entfernt, können
zudem viel niedrigere Flüchtigkeiten
erreicht werden als durch Destillation allein.
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Beispiel 6
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Dieses Beispiel illustriert die bevorzugten
Einsatzmaterialien für
das Raffinat-Hydroumwandlungs- (RHC)-Verfahren. Die in Tabelle 6
wiedergegebenen Ergebnisse zeigen, dass es einen Gesamtausbeutevorteil gibt,
der mit Raffinaten mit niedrigerem VI verbunden ist, um die gleiche
Produktqualität
(110 VI) nach Toppen und Entparaffinieren zu erreichen. Die Tabelle
illustriert die Ausbeuten, die durch RHC unter Verwendung von 100
N Raffinateinsatzmaterial erreicht wurden.
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Die Ausbeute, um ein Produkt mit
einem VI von 110 direkt aus Destillat durch Extraktion allein zu
erhalten, beträgt
nur 39,1%, was die Notwendigkeit des Kombinierens von Extraktion
mit Hydroverarbeitung weiter illustriert.
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Während
unterextrahierte Einsatzmaterialien bei RHC höhere Ausbeuten ergeben, ist
die Verwendung von Destillaten als Einsatzmaterialien nicht bevorzugt,
da sehr scharfe Bedingungen (hohe Temperatur und niedriger LHSV).
erforderlich sind. Aus einem 250 N Destillat über KF-840 wurde beispielsweise
bei 385°C, 0,26
LHSV, 8273 kPa (1200 psi) H2 und 356 Std-m3/m3 (2000 Scf/B)
Gasrate nur Produkt mit einem VI von 104 produziert.
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Die Kombinationen von Destillat-Hydroverarbeitung
(um einen intermediären
VI zu erreichen) und nachfolgender Extraktion, um einen Ziel-VI
zu erreichen, ist nicht bevorzugt. Dies liegt daran, dass das Extraktionsverfahren
unselektiv für
die Entfernung von Naphthenen ist, die in der Destillat-Hydroverarbeitungsstufe aus
Aromaten gebildet wurden.
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Beispiel 7
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In dem erfindungsgemäßen Raffinat-Hydroumwandlungsverfahren
folgt der ersten Reaktionszone eine zweite kalte Hydrofining (CHF)-Zone.
Der Zweck des CHF liegt in der Herabsetzung der Konzentration an Molekülspezies,
die zur Toxizität
beitragen. Solche Spezies können
mehrkernige 4- und 5-Ringaromaten einschließen, z. B. Pyrene, die entweder
durchlaufen oder in der ersten Reaktionszone erzeugt werden. Einer
der Tests, die als Indikatoren für
potentielle Toxizität
verwendet werden, ist der FDA "C"- Test (21 CFR 178.3620), der auf Extinktionen
im Ultraviolett (UV)-Bereich des Spektrums basiert. Die folgende
Tabelle zeigt, dass CHF ein Produkt mit hervorragenden toxikologischen
Eigenschaften produziert, die deutlich unter den akzeptablen Maximalwerten
liegen.
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Diese Ergebnisse zeigen, dass eine
CHF-Stufe das Produkt den FDA "C" Test leicht bestehen
lässt.
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Beispiel 8
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Beispiel 8 zeigt, dass die Produkte
von RHC hervorragende toxikologische Eigenschaften haben, bezogen
auf Basismaterialien, die entweder durch konventionelle Lösungsmittelverarbeitung
oder Hydrocracken hergestellt sind. Neben FDA "C" sind
IP 346 und modifizierter Ames-Test (Mutagenizitätsindex) in der Industrie übliche Maße für Toxizität. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 8 gezeigt.
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Die Ergebnisse in Tabelle 8 zeigen,
dass RHC ein Basismaterial mit deutlich verbesserten toxikologischen
Eigenschaften produziert, verglichen mit konventionellen lösungsmittelextrahierten
oder hydrogecrackten Basismaterialien.