JP2005082619A - 水素化処理触媒の予備硫化方法及び軽油の脱硫方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 昇温プログラム還元法(TPR法)により得られる還元プロファイルで特定される、380℃以下の還元面積が全還元面積の5%以上である水素化処理触媒を予備硫化する方法であって、(A)120℃〜230℃の範囲で硫化度が50%以上になるまで硫化処理を行う工程を含むことを特徴とする水素化処理触媒の予備硫化方法である。
【選択図】 なし
Description
ところが、近年の環境規制の強化により、従来の水素化処理触媒では炭化水素油の水素化処理効率に対するニーズに答えられないことが明らかになってきた。そこで、水素化処理活性向上のため、さまざまな工夫が行われてきており、例えば、水素化活性を有する金属の担持量を増やし、かつ、高分散に担持する方法が有力である。
そして、上述のような水素化活性金属成分を高分散に担持した水素化処理触媒は、活性金属成分が予備硫化されやすく、水素化反応の反応条件において、より多くの活性点が反応に寄与するため好ましいが、このような高分散化された水素化活性金属成分は硫化とともに水素還元されやすく、従来の予備硫化方法では水素化活性金属成分が水素還元される場合がある。一旦水素還元された金属成分は容易には硫化されないため、水素化活性を発揮しない場合が生じる。
特に、こうした現象はパイロットプラントのような小規模の設備において、水素化活性金属成分が水素還元されず、硫化されるような触媒系であっても、実装置のような大規模な設備では、水素還元されやすく、より顕著に不具合が現れる。
(1)昇温プログラム還元法(TPR法)により得られる還元プロファイルで特定される、380℃以下の還元面積が全還元面積の5%以上である水素化処理触媒を予備硫化する方法であって、(A)120℃〜230℃の範囲で硫化度が50%以上になるまで硫化処理を行う工程を含むことを特徴とする水素化処理触媒の予備硫化方法、
(2)前記(A)硫化処理を行う工程で生じるオフガス中の硫化水素濃度が200体積ppm以上となった後に、(B)温度を230〜310℃の範囲に昇温し、該温度範囲で硫化度が75%以上になるまで保持する工程を有する上記(1)記載の水素化処理触媒の予備硫化方法、
(3)前記硫化処理に使用する硫化剤の分解温度が250℃以下である上記(1)又は(2)に記載の水素化処理触媒の予備硫化方法、
(4)水素化処理触媒が耐火性無機酸化物担体と、周期表第6族金属と、周期表第8族、第9族及び第10族から選ばれる少なくとも1種の金属を含有するものである上記(1)〜(3)のいずれかに記載の水素化処理触媒の予備硫化方法、
(5)前記(A)硫化処理を行う工程が予備硫化油を通油するものであり、さらに(C)水素化処理触媒層の出口分離槽においてオフガスと該予備硫化油を分離する工程および(D)該予備硫化油をリサイクル使用する工程を有する上記(1)〜(4)のいずれかに記載の水素化処理触媒の予備硫化方法、
(6)上記(1)〜(5)のいずれかに記載の予備硫化方法によって予備硫化された水素化処理触媒を用いる軽油の脱硫方法、
(7)生成する軽油の硫黄含有量が50質量ppm未満である上記(6)記載の軽油の脱硫方法、
(8)生成する軽油の硫黄含有量が10質量ppm未満である上記(6)記載の軽油の脱硫方法、
(9)生成する軽油中の2環以上の多環芳香族含有量が5質量%以下であり、単環芳香族含有量が20質量%以下である上記(6)〜(8)のいずれかに記載の軽油の脱硫方法、
を提供するものである。
昇温プログラム還元法(TPR法;Temperature Programmed Reduction)とは水素気流中に触媒を置き、室温から1027℃まで昇温していった際の水素の消費量をTCD(熱伝導型検出器)等で測定することによって、水素化処理金属の水素還元挙動を調べる手法であり、本発明では水素の消費量を縦軸に、温度を横軸にプロットした還元プロファイルを得るものである。本発明においては、この還元プロファイルにおいて、380℃以下の還元面積が全還元面積の5%以上である水素化処理触媒を用いるものである。さらには380℃以下の還元面積が全還元面積の10%以上、特には15%以上であることが好ましい。
ここで硫化度とは、水素化活性金属が安定な硫化物に硫化されるのに必要な硫黄分の質量をA、総硫黄供給量をB、オフガス中に硫化水素(H2S)の形態で留出した硫黄分の累積質量をC及び液中に留出した硫黄分の累積質量をDとした場合に、(B−C−D)/Aで定義される。なお、水素化活性金属が安定な硫化物に硫化されるとは、金属元素をMとした場合に、周期表第6族金属においてはMS2の状態まで、周期表第8〜第10族金属においてはMSの状態まで硫化されたことをいう。
前述したように、予備硫化油中の硫黄分含有量を10質量ppm以上とすることによって水素化活性金属を効率的に硫化することが可能であり、5質量%以下であると水素化処理触媒の発熱が抑制され好ましい。
硫化温度を120℃〜230℃の範囲から230℃〜310℃の範囲まで昇温させる速度については、設備に応じて適宜選定されるが、通常5℃/時〜50℃/時の範囲で行うことが好ましい。
また、上記予備硫化は通常水素加圧条件下で行われるが、圧力の制限は特になく、水素化処理条件と同条件か、それに準じた条件で行うことが一般に行われる。具体的には、0.5MPa〜25MPaの範囲で好適に行われる。さらに上述した予備硫化油を用いて触媒を湿潤な状態にする工程においても、水素ガスを流通することが好ましい。
水素ガスとしては、例えば水素化処理設備において水素化処理に使用する水素ガスを用いることができ、またスチームリフォーマーやプラットフォーマー等の設備で使用する水素ガスを用いることもできる。水素純度については特に制限はないが、通常70%以上のものが好適に使用される。
また、上述した予備硫化油はオフガスを分離した後に、再度硫化剤を添加して予備硫化処理にリサイクル使用することができる。この場合予備硫化油中の硫黄含有量は予備硫化反応塔の出口において、0.3質量%以上を維持することが好ましく、さらには0.5質量%以上、特には0.7質量%以上を維持することが好ましい。
ここで耐火性無機酸化物としては特に限定されず、通常触媒担体として使用される無機酸化物を用いることができ、具体的にはアルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ(シリカとアルミナの複合酸化物、シリカをコーティングしたアルミナ、シリカとアルミナの混合物を含む)、チタニア、チタニア−アルミナ(チタニアとアルミナの複合酸化物、チタニアをコーティングしたアルミナ、チタニアとアルミナの混合物を含む)等が好適に使用される。
また触媒担体の細孔径としては、8〜25nmの範囲であることが好ましく、さらには10〜22nmの範囲が好ましい。比表面積は80〜300m2/gの範囲であることが好ましく、さらには100〜250m2/gの範囲が好ましい。細孔容積は0. 4〜1.0ミリリットル/gの範囲が好ましく、さらには0.5〜0.9ミリリットル/gの範囲が好ましい。
また、周期表第8〜10族金属としては、通常コバルトまたはニッケルが好適に使用される。触媒調製時に用いるコバルト化合物としては、炭酸コバルトや硝酸コバルトなどが好ましく、ニッケル化合物としては、炭酸ニッケルや硝酸ニッケルなどが好ましい。
さらに、リン化合物を担持させることができ、触媒調製時に用いるリン化合物としては、五酸化リン、正リン酸などが使用される。
含浸液中の第6族金属、第8族金属〜第10族金属及びリンの含有量は、目標とする担持量から計算で求める。
一般的には、周期表第6族金属の担持量は触媒全量に対して、酸化物基準で5〜50質量%の範囲であることが好ましく、10〜40質量%の範囲がより好ましく、15〜35質量%の範囲がさらに好ましい。また周期表第8〜10族金属の担持量は、酸化物基準で1〜15質量%の範囲であることが好ましく、2〜12質量%の範囲がより好ましく、3〜10質量%の範囲がさらに好ましい。これらの水素化活性金属がこの範囲内であると水素化処理活性が高くなる。
これらのうち、特に軽質軽油留分の超深脱領域(硫黄分50質量ppm以下)のための水素化処理触媒として有用であり、より具体的には沸点が140℃〜400℃である炭化水素油を水素化処理することにより、硫黄分50質量ppm以下、さらには硫黄分30質量ppm以下、特には硫黄分10質量ppm以下の軽油留分を製造するのに好ましく用いられる。
また、上述の軽質軽油の超深脱条件にて、脱芳香族処理も効果的に行うことができる。具体的には2環以上の多環芳香族留分を5質量%以下に、単環芳香族留分を20質量%以下とした軽油留分を効率よく製造することができる。
(TPRによる評価方法)
各実施例及び比較例で得られた触媒試料を120℃、1時間空気中で乾燥し、100mgを採取して、管型のリアクターに充填した。次いで、27℃にて水素濃度65%のH2/Ar(アルゴン)ガスを20cc/分の供給速度で30分間流通させた。流量一定下、10℃/分の昇温速度で1027℃まで温度を上げ、水素の消費量をTCD(熱伝導型検出器)にて測定した。
測定した水素の消費量を縦軸に、温度を横軸にプロットし、27℃〜1027℃の範囲の全還元面積及び380℃以下の還元面積を求めた。
(1)オキソチタン化合物溶液(A1)の調製
チタン含水酸化物粉末(TiO2として85質量%含有)12.7gと70gの純水を内容積1リットルのガラス製ビーカーに入れ、攪拌しスラリー化した。次に、35質量%過酸化水素水78.7gと26質量%のアンモニア水26.5gを混合した水溶液を該含水酸化チタンスラリーに添加した。その後、25℃を維持したまま3時間攪拌し、チタン含有水溶液を得た。そこへ、クエン酸第一水和物28.4gを添加した。その後、30℃以下の温度で6時間保持した後、80〜95℃で12時間保持することにより、オキソチタン化合物の水溶液(A1)120gを得た。
得られた水溶液(A1)を30℃の条件で2時間減圧乾燥することにより粉末化し、次の元素分析値(水分を除く)を有するオキソチタン化合物を得た。
C(24.2質量%),H(4.1質量%),N(10.0質量%),O(45.4質量%),Ti(16.3質量%)
また、IR分光法により、アンモニウム、COO−、Ti=Oの存在も確認され、元素分析結果と併せて、チタン(Ti)1当量に対し、アンモニウムは2当量,クエン酸基は1当量存在することがわかった。その結果、この粉末は、(NH4)2[Ti(O)(クエン酸基)] であることが分かった。
上記(1)で調製したオキソチタン化合物水溶液(A1)59gに、酢酸セリウム−水和物((CH3COO)3Ce・H2O)を1.0g添加し、脱イオン水で希釈し80ミリリットルとして全量を溶解した。次に、この水溶液を細孔容積が0.8mL/g、比表面積200cm2/gで、円筒状のγ−アルミナ100gに常圧下にて含浸(ポアフィリング法)した。70℃で1時間減圧にて乾燥後、120℃で3時間乾燥機にて乾燥させ、500℃で4時間焼成し、セリウム酸化物(CeO2)0.5質量%添加チタニア(TiO2)5質量%担持アルミナ担体(B1)を得た。
炭酸ニッケル50g、三酸化モリブデン97g、正リン酸25g(純度80質量%)に脱イオン水を250ミリリットル加え、攪拌しながら、80℃で溶解し、室温まで冷却後、脱イオン水にて250ミリリットルに希釈し、含浸液(S1)を調製した。
こうして得た含浸液(S1)を50ミリリットル採取し、ポリエチレングリコール(分子量400)6gを添加して、上記(2)で得られた担体(B1)100gの吸水量に見合うように脱イオン水にて希釈し、常圧にて担体(B1)に含浸させ、70℃で1時間減圧にて乾燥した後、120℃で16時間乾燥し、水素化処理触媒(C1)を製造した。水素化処理触媒(C1)に関し、上記TPR法による評価結果を図1及び第2表に示す。
(1)チタン含有担体(B2)の製造
市販のジヒドロキシビス(ラクタト)チタンモノアンモニウム塩(Ti(OCH(CH3)COOH)(OCH(CH3)COONH4)(OH)2の水溶液37gに、酢酸セリウム−水和物((CH3COO)3Ce・H2O)を1.0g添加し、脱イオン水で希釈し80ミリリットルとして全量を溶解した。次に、この水溶液を製造例1(2)で用いたのと同様のγ−アルミナ100gに常圧下で含浸(ポアフィリング法)した。70℃で1時間減圧にて乾燥後、120℃で3時間乾燥機にて乾燥させ、500℃で4時間焼成し、セリウム酸化物(CeO2)0.5質量%添加チタニア(TiO2)5質量%担持アルミナ担体(B2)を得た。
製造例1(3)で調製した含浸液(S1)を50ミリリットル採取し、ポリエチレングリコール(分子量400)6gを添加して、上記(1)で得られた担体(B2)100gの吸水量に見合うように脱イオン水にて希釈した。次いで、常圧にて担体(B2)に含浸させ、70℃で1時間減圧にて乾燥した後、120℃で16時間乾燥し、水素化処理触媒(C2)を製造した。水素化処理触媒(C2)に関し、上記TPR法による評価結果を第2表に示す。
触媒組成として、酸化ニッケル(NiO)、三酸化モリブデン(MoO3)および五酸化リン(P2O5)がそれぞれ6質量%、32質量%および3質量%となるように炭酸ニッケル、三酸化モリブデン、正リン酸を脱イオン水100ミリリットルに加え、加熱・溶解させた。室温まで冷却後、トリエチレングリコール8gを添加して、含浸液(S2)を調製した。
平均細孔径12.0nm、細孔容積0.74cc/gのγ−アルミナ成形体100gに、その吸水量に見合うように上記含浸液(S2)を脱イオン水にて希釈・定容し、常圧にて含浸した。ロータリーエバポレーターを用いて、回転させながら70℃、2時間減圧下で乾燥した後、120℃で12時間乾燥し、水素化処理触媒(C3)を製造した。水素化処理触媒(C3)に関し、上記TPR法による評価結果を第2表に示す。
平均細孔径11.8nm、細孔容積0.75cc/gのシリカ・アルミナ成形体100gに、その吸水量に見合うように製造例3で調製した含浸液(S2)を脱イオン水にて希釈・定容し、常圧にて含浸した。製造例3と同様に乾燥し、水素化処理触媒(C4)を製造した。水素化処理触媒(C4)に関し、上記TPR法による評価結果を第2表に示す。
製造例1で製造した水素化処理触媒(C1)をマッフル炉にて、500℃、4時間、空気中で焼成して、水素化処理触媒(C5)を製造した。水素化処理触媒(C5)に関し、上記TPR法による評価結果を第2表に示す。
(1)予備硫化
上記製造例1〜4で製造された水素化処理触媒(C1〜C4)を固定床流通式反応装置の反応管に100ミリリットル充填した。ついで、室温で圧力4.9MPa(50kg/cm2G)、流量37.5リットル/時で水素を流通させた後、10℃/時の速度で140℃まで昇温した。次に水素化処理していない第1表に示す性状を有する軽質軽油(LGO)を流量150ミリリットル/時で通油し、触媒を湿潤な状態した。その後、10℃/時の速度で180℃まで昇温し、180℃に達した時点で、硫化剤としてジメチルジスルフィド(DMDS)をLGO中に硫黄分として0.5質量%となるように添加を開始するとともに、反応管出口の高圧分離槽から得られる反応管出口油を連続的にポンプサンクションに戻し、LGOのリサイクル運転を行った。180℃に到達した時点から10時間経過した後、硫化度が50%以上になったので、10℃/時の速度で200℃まで昇温した。200℃で6時間保持した時点で、オフガス中の硫化水素濃度が1150体積ppmまで増加していたので、10℃/時の速度で290℃まで昇温し、該温度で2時間保持した後、硫化剤の添加を停止した。その後10℃/時の速度で310℃まで昇温し、LGO単独での硫化を行った。
上記(1)に記載の方法で予備硫化した水素化処理触媒に対して、原料油を水素ガスとともに反応管の下段から導入するアップフロー形式で流通させ、反応性を評価した。原料油は予備硫化に使用した第1表に示すLGOを用い、反応温度320℃〜360℃、水素分圧5MPa、水素/原料油比250Nm3/キロリットル、LHSV=2.0hr-1の条件で実施した。
評価は硫黄分40質量ppmおよび8質量ppmを実現するための反応温度で行った。反応温度が低いほど触媒活性が高いことを示す。その結果を第2表に示す。また単環芳香族留分および2環以上の多環芳香族留分の含有量を併せて第2表に示す。
前記製造例1〜4で製造した触媒(C1〜C4)を用いて、従来の方法で予備硫化を行ったこと以外は実施例1と同様にして、軽油の水素化処理での反応性を評価した。
ここで従来の予備硫化方法として以下のような方法を用いた。すなわち、実施例1と同様に固定床流通式反応装置に前記水素化処理触媒を充填し、室温で圧力4.9MPa(50kg/cm2G)、流量37.5リットル/時で水素を流通させた後、10℃/時の速度で140℃まで昇温した。次に水素化処理していない第1表に示す性状を有する軽質軽油(LGO)を流量150ミリリットル/時で通油し、触媒を湿潤な状態した。その後、10℃/時の速度で180℃まで昇温し、180℃に達した時点で、硫化剤としてジメチルジスルフィド(DMDS)をLGO中に硫黄分として0.5質量%となるように添加を開始するとともに、反応管出口の高圧分離槽から得られる反応管出口油を連続的にポンプサンクションに戻し、LGOのリサイクル運転を行った。180℃に到達した時点から同温度で3時間保持した。このときの硫化度は20%であった。その後、10℃/時の速度で240℃まで昇温し、240℃で6時間保持した時点で、オフガス中の硫化水素濃度が1000体積ppmまで増加していたので、10℃/時の速度で290℃まで昇温し、該温度で2時間保持した後、硫化剤の添加を停止した。その後10℃/時の速度で310℃まで昇温し、LGO単独での硫化を行った。
結果を第2表に示す。
前記製造例5で製造した水素化処理触媒(C5)を用いて、実施例1と同様に予備硫化処理および軽油の水素化処理を行った。結果を第2表および第3表に示す。
Claims (9)
- 昇温プログラム還元法(TPR法)により得られる還元プロファイルで特定される、380℃以下の還元面積が全還元面積の5%以上である水素化処理触媒を予備硫化する方法であって、(A)120℃〜230℃の範囲で硫化度が50%以上になるまで硫化処理を行う工程を含むことを特徴とする水素化処理触媒の予備硫化方法。
- 前記(A)硫化処理を行う工程で生じるオフガス中の硫化水素濃度が200体積ppm以上となった後に、(B)温度を230〜310℃の範囲に昇温し、該温度範囲で硫化度が75%以上になるまで保持する工程を有する請求項1記載の水素化処理触媒の予備硫化方法。
- 前記硫化処理に使用する硫化剤の分解温度が250℃以下である請求項1又は2に記載の水素化処理触媒の予備硫化方法。
- 水素化処理触媒が耐火性無機酸化物担体と、周期表第6族金属と、周期表第8族、第9族及び第10族から選ばれる少なくとも1種の金属を含有するものである請求項1〜3のいずれかに記載の水素化処理触媒の予備硫化方法。
- 前記(A)硫化処理を行う工程が予備硫化油を通油するものであり、さらに(C)水素化処理触媒層の出口分離槽においてオフガスと該予備硫化油を分離する工程及び(D)該予備硫化油をリサイクル使用する工程を有する請求項1〜4のいずれかに記載の水素化処理触媒の予備硫化方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の予備硫化方法によって予備硫化された水素化処理触媒を用いる軽油の脱硫方法。
- 生成する軽油の硫黄含有量が50質量ppm未満である請求項6記載の軽油の脱硫方法。
- 生成する軽油の硫黄含有量が10質量ppm未満である請求項6記載の軽油の脱硫方法。
- 生成する軽油中の2環以上の多環芳香族含有量が5質量%以下であり、単環芳香族含有量が20質量%以下である請求項6〜8のいずれかに記載の軽油の脱硫方法。
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