JP2008290043A - 重質炭化水素油の水素化処理触媒、その製造方法、及び水素化処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リンを担体基準、酸化物換算で0.1〜4質量%含み、亜鉛を担体基準、酸化物換算で4〜10質量%含むリン・亜鉛含有アルミナを担体として、それに周期律表第6族金属から選ばれる少なくとも1種を触媒基準、酸化物換算で8〜20質量%、周期律表第8族金属から選ばれる少なくとも1種を触媒基準、酸化物換算で2〜5質量%担持してなり、且つ、下記式で表される、XPS定量解析結果の周期律表第6族金属の硫化度が84モル%以上であることを特徴とする重質炭化水素油の水素化処理触媒。
周期律表第6族金属の硫化度=[M6(IV)/M6]×100
[上記式中、M6(IV)は、硫化した触媒中の周期律表第6族金属硫化物のモル量であり、M6は、硫化した触媒中の周期律表第6族金属のモル量である]
【選択図】なし
Description
(1)リンを担体基準、酸化物換算で0.1〜4質量%含み、亜鉛を担体基準、酸化物換算で4〜10質量%含むリン・亜鉛含有アルミナを担体として、それに周期律表第6族金属から選ばれる少なくとも1種を触媒基準、酸化物換算で8〜20質量%、周期律表第8族金属から選ばれる少なくとも1種を触媒基準、酸化物換算で2〜5質量%担持してなり、且つ、下記式で表される、XPS定量解析結果の周期律表第6族金属の硫化度が84モル%以上であることを特徴とする重質炭化水素油の水素化処理触媒。
周期律表第6族金属の硫化度=[M6(IV)/M6]×100
[上記式中、M6(IV)は、硫化した触媒中の周期律表第6族金属硫化物のモル量であり、M6は、硫化した触媒中の周期律表第6族金属のモル量である]
(2)アルミナゲルを調製する工程、
該アルミナゲルにリンを担体基準、酸化物換算で0.1〜4質量%、亜鉛を担体基準、酸化物換算で4〜10質量%含むようにリン化合物及び亜鉛化合物を混練する工程、
得られた混練物を成型し、これを乾燥、焼成して、リン・亜鉛含有アルミナ担体を得る工程、
該リン・亜鉛含有アルミナ担体に、周期律表第6族金属から選ばれる少なくとも1種を触媒基準、酸化物換算で8〜20質量%、周期律表第8族金属から選ばれる少なくとも1種を触媒基準、酸化物換算で2〜5質量%含むように担持させる工程を含む、重質炭化水素油の水素化処理触媒の製造方法であって、
前記アルミナゲルを調製する工程またはリン化合物及び亜鉛化合物を混練する工程の少なくとも一方の後に、圧搾濾過器による脱水工程を含むことを特徴とする水素化処理触媒の製造方法。
(3)上記(1)に記載の重質炭化水素油の水素化処理触媒の存在下、水素分圧8〜20MPa、300〜420℃、液空間速度0.1〜2hr−1で、硫黄分を含む常圧蒸留残渣、減圧蒸留残渣、又はこれらの残渣の混合物の接触反応を行うことを特徴とする重質炭化水素油の水素化処理方法。
(a)本発明の水素化処理触媒は、高い脱硫活性を有すると共に、脱残炭反応の選択性が向上し、常圧残渣油、減圧残渣油、あるいはこれらの混合油を長期間安定に脱硫することができる。
(b)本発明の水素化処理触媒を用いれば、重質油脱硫装置において、従来よりも重質な原料油から、従来と同等以上の良好な性状の生成油を製造することができ、FCC装置に好適な原料油を供給することができる。即ち、重質油脱硫装置に本発明の触媒を用いると、重質油を付加価値の高いガソリンや、灯・軽油等の中間留分に変換する効率が高くなり、化石資源の有効活用が図られる。
以下、本発明の水素化処理触媒(以下、「本発明の触媒」とも言う。)を詳細に説明する。
本発明の触媒は、アルミナを担体主成分とする。アルミナとしては、α−アルミナ、β−アルミナ、γ−アルミナ、δ−アルミナ等の種々のアルミナを使用することができるが、多孔質で高比表面積であるアルミナが好ましく、中でもγ−アルミナが適している。
アルミナの純度は、98質量%以上、好ましくは99質量%以上のものが適している。アルミナ中の不純物としては、SO4 2−、Cl−、Fe2O3、Na2O等が挙げられるが、これらの不純物はできるだけ少ないことが望ましく、不純物全量で2質量%以下、好ましくは1質量%以下で、成分毎ではSO4 2−が1.5質量%以下、C1−、Fe2O3、Na2Oが0.1質量%以下であることが好ましい。
また、第6族金属の含有量は、触媒基準、酸化物換算で、8〜20質量%、好ましくは10〜16質量%である。第6族金属が8質量%未満では、第6族金属に起因する効果を発現させるには不十分であり、20質量%を超えると、第6族金属の凝集によって活性金属の分散性が悪くなるばかりか、効率的に分散する活性金属含有量の限度を超えたり、触媒表面積が大幅に低下する等により、触媒活性の向上がみられない。
第8族金属の含有量は、触媒基準、酸化物換算で、2〜5質量%、好ましくは3〜4質量%である。第8族金属が2質量%未満では、第8族金属に帰属する活性点が十分に得られず、5質量%を超えると、第8族金属化合物の凝集によって活性金属の分散性が悪くなるばかりか、例えばNiを用いた場合に、不活性な前駆体であるNiO種(触媒硫化後や水素化処理中はNiS種として存在する)や、担体の格子内に取り込まれたNiスピネル種を生成するため、触媒活性の向上がみられない上、逆に触媒活性が低下する。
第6族金属、第8族金属の質量比が上記の値で0.14未満の場合、脱硫の活性点と考えられるNiMoS相、NiWS相等の活性金属−硫黄相が十分に生成できず、脱硫活性が向上しない。また、0.3より大きいと、活性に関与しない無駄な金属種(NiS種や、担体の格子内に取り込まれたNiスピネル種)が生成し、触媒活性が低下する。
第8族金属化合物としてはNi化合物が好ましく、Niの炭酸塩、酢酸塩、硝酸塩、硫酸塩、塩化物が挙げられ、好ましくは炭酸塩、酢酸塩、より好ましくは炭酸塩である。
第6族金属、第8族金属を担体に担持させる具体的方法は、次の通りである。まず、第6族金属化合物、第8族金属化合物、リン化合物を含む溶液を調製する。なお、金属化合物にリンが含まれている場合はリン化合物を加えないか、適当量のリン化合物を添加する。調製時、これらの化合物の溶解を促進するために、加温(30〜100℃)や、酸(硝酸、リン酸、有機酸《クエン酸、酢酸、リンゴ酸、酒石酸等》)の添加を行ってもよい。
周期律表第6族金属硫化度=[(M6(IV)/M6)×100]
[上記式中、M6(IV)は、硫化した触媒中の周期律表第6族金属硫化物のモル量であり、M6は、硫化した触媒中の周期律表第6族金属のモル量である]
ここで、XPS定量解析結果の6族金属硫化度とは、硫化した触媒における6族金属硫化物量(M6(IV))の、全6族金属量(M6)に対する割合(モル比)を意味する。
例えば、本触媒に用いる6族金属にモリブデンを用いた場合、XPS定量解析結果のモリブデン硫化度[(Mo(IV)/Mo)×100]は、硫化した触媒における二硫化モリブデン量(モル量)が全モリブデン量に対する割合(モル比)を意味する。そして、モリブデン硫化度が84モル%以上、より好ましくは86モル%以上であることが好ましい。
また、硫化した触媒における6族金属硫化物量(モル量)は、本発明の触媒を、4.8%H2S/H2ガス50ml/min流通下、5℃/minで昇温し、300℃で、10min処理して硫化した後、高純度ヘリウムガスで10minパージし、真空排気中にてXPS測定を行うことで得ることができる。
周期律表第8族金属硫化度=[(8族金属硫化物量/8族金属量)×100]
ここで、XPS定量解析結果の8族金属硫化度とは、硫化した触媒における8族金属硫化物量(モル量)の、全8族金属量(モル量)に対する割合(モル比)を意味する。
例えば、本触媒に用いる8族金属にニッケルを用いた場合、XPS定量解析結果のニッケル硫化度[(NiS/Ni)×100]は、硫化した触媒における一硫化ニッケル量が全モリブデン量に対する割合(モル比)を意味する。そして、ニッケル硫化度が60モル%以上、より好ましくは65モル%以上であることが好ましい。
本発明の水素化処理方法は、水素分圧8〜20MPa、300〜420℃、及び液空間速度0.05〜2hr−1の条件で、上記本発明の触媒と硫黄化合物を含む常圧残渣あるいは減圧残渣、あるいはこれらの混合物とを接触させて水素化処理を行い、当該原料油中の硫黄分、残炭分を低減する方法である。
実施例1
先ずリン・亜鉛含有アルミナ担体の調製を行った。12質量%の硫酸水溶液1.5lを攪拌釜に張込んだ純水100lに投入し、95℃に加熱した後、5分間、攪拌羽根で激しく攪拌し、そこへアルミナ濃度70g/lのアルミン酸ナトリウム3.9lを投入して、水酸化アルミニウムを調製し、次いで24時間攪拌羽根で攪拌した。得られたスラリーを濾過器に投入し、濾過を行い水分を除去した。次いで、得られたゲルを純水を用いて、ろ液中にSO4 2−、Na+が検出できなくなるまで洗浄した。次いで、洗浄後のゲルを純水に混濁させ、均一なスラリーとして、そのスラリーを圧搾型濾過器へ投入した。スラリーはろ布を介して、ろ板にはさみこまれ、ろ板を圧搾することにより脱水を行った。得られるケーキ中の水分量が80%になった時点で濾過を中断した。このケーキを加温型ニーダー(設定温度80℃)に投入し、均一になるように十分に混練した。それに、リン酸及び酸化亜鉛を投入し、均一になるように更に混練した。得られた混練したケーキを押し出し成形器に投入し、長径1.3mm、短径1.1mmの四つ葉型形状の押し出し成形物とした。この成形物を、乾燥し、600℃で4時間焼成し、リン・亜鉛含有アルミナ担体を得た。得られた担体のリン及び亜鉛の含有量(担体基準、酸化物換算)を表1に示した。また、得られた担体は、細孔容積0.79ml/g、比表面積255m2/g、平均細孔直径91Åの物性を有していた。
ナス型フラスコ中に、上記リン・亜鉛含有アルミナ担体(γ−Al2O3ベース、直径1.33mm×1.10mmの四つ葉型成形物)50.00gを投入し、そこへイオン交換水40gに硝酸ニッケル7.21gとモリブデン酸アンモニウム11.36gとオルトリン酸1.00gを投入してクエン酸を加えて溶解させた溶液をピペットで添加し、25℃で1時間浸漬後、窒素気流中で風乾し、マッフル炉中120℃で1時間乾燥させ、次いで500℃で4時間焼成し、触媒Aを得た。触媒Aのモリブデン及びニッケルの担持量(触媒基準、酸化物換算)、及び細孔容積、比表面積、平均細孔直径の物性を表2に示した。
担体調製時のリン酸の添加量を実施例1より低減し、担体成型物の焼成を480℃で4時間行ったこと以外は、実施例1と同様にしてリン・亜鉛含有アルミナ担体を得た。得られた担体のリン及び亜鉛の含有量(担体基準、酸化物換算)を表1に示した。また、得られた担体は、細孔容積0.71ml/g、比表面積340m2/g、平均細孔直径71Åの物性を有していた。
ナス型フラスコ中に、上記亜鉛・リン含有アルミナ担体(γ−Al2O3ベース、直径1.33mm×1.10mmの四つ葉型成形物)50.00gを投入した。一方、ビーカー中のイオン交換水43.0gにモリブデン酸アンモニウム8.76g、硝酸ニッケル9.27gを投入し、溶液が均一になるまでクエン酸を添加して溶解させて溶液を得た。この得られた溶液を、上記担体の投入されたナス型フラスコ中に投入、実施例1と同じ条件で添加浸漬、風乾、乾燥し、650℃で4時間焼成を行い、触媒Bを得た。触媒Bのモリブデン及びニッケルの担持量(触媒基準、酸化物換算)、及び細孔容積、比表面積、平均細孔直径の物性を表2に示した。
実施例1と同様にして得られた、水酸化アルミニウムスラリーを濾過器に投入し、濾過を行い水分を除去した。次いで、このゲルを純水を用いて、ろ液中にSO4 2−、Na+が検出できなくなるまで洗浄した。次いで、洗浄後のゲルを噴霧乾燥機で乾燥し、得られたアルミナ粉末にイオン交換水を加えて調湿した。これを加温型ニーダー(設定温度80℃)に投入し、均一になるように十分に混練した。さらに、酸化亜鉛を投入し、均一になるように更に混練した。混練したケーキを押し出し成形器に投入し、長径1.3mm、短径1.1mmの四つ葉型形状の押し出し成形物とした。この成形物を、乾燥、800℃で4時間焼成し、亜鉛含有アルミナ担体を得た。得られた担体の亜鉛の含有量(担体基準、酸化物換算)を表1に示した。また、得られた担体は、細孔容積0.85ml/g、比表面積141m2/g、平均細孔直径172Åの物性を有していた。
ナス型フラスコ中に、上記、亜鉛含有アルミナ担体(γ−Al2O3ベース、直径1.33mm×1.10mmの四つ葉型成形物)50.00gを投入した。一方、ビーカー中のイオン交換水45.0gにモリブデン酸アンモニウム6.20g、硝酸ニッケル4.37gを投入し、溶液が均一になるまでクエン酸を添加して溶解させて溶液を得た。この得られた溶液を、上記担体の投入されたナス型フラスコ中に投入、実施例1と同じ条件で添加浸漬、風乾、乾燥し、550℃で4時間焼成を行い、触媒aを得た。触媒aのモリブデン及びニッケルの担持量(触媒基準、酸化物換算)、及び細孔容積、比表面積、平均細孔直径の物性を表2に示した。
実施例1と同様にして、水分含有量が80%になったケーキを得、得られたケーキを実施例1と同様に加温型ニーダーで混練し、リン酸を投入し、均一になるように混練した。混練したケーキを実施例1と同様に成形後、乾燥、550℃で4時間焼成し、リン含有アルミナ担体を得た。得られた担体のリンの含有量(担体基準、酸化物換算)を表1に示した。また、得られた担体は、細孔容積0.83ml/g、比表面積283m2/g、平均細孔直径94Åの物性を有していた。
ナス型フラスコ中に、上記リン含有アルミナ担体(γ−Al2O3ベース、直径1.33mm×1.10mmの四つ葉型成形物)50.00gを投入し、実施例1と同様にして、担体に添加含浸させる溶液を調製し、得られた溶液を用いて、実施例1と同じ条件で添加浸漬、風乾、乾燥、焼成を行い、触媒bを得た。触媒bのモリブデン及びニッケルの担持量(触媒基準、酸化物換算)、及び細孔容積、比表面積、平均細孔直径の物性を表2に示した。
以上の実施例及び比較例で得た各触媒のモリブデン及びニッケルの硫化度を、以下の方法により測定した。その結果モリブデン硫化度[Mo(IV)/Mo]×100](モル%)、ニッケル硫化度[(NiS/Ni)×100(モル%)]を表2に示した。
a)測定方法及び使用機器:
触媒上のモリブデン及びニッケルの硫化度はX線光電子分析装置(XPS)により分析した。XPS装置はRIGAKU XPS−7000を用いた。X線源は単色化AlKα(モノクロメータ使用)、管電圧14kV、管電流25mA、パスエネルギー 23.5eV、中和銃を使用した。
真空中で固体表面にX線を照射することにより、X線によってエネルギーをもらった表面原子から光電子が飛び出す。この光電子は、元素に固有のエネルギー値を有しているため、そのエネルギー分布を測定することによって組成を調べることができる。表面から深いところで発生した光電子は、表面に出てくるまでに吸収されるため、この方法による分析深さは、平均的な表面層の数十原子層(3〜5nm)の領域になる。
また、この分析法は、各種化合物によって結合しているエネルギーが異なるため、光電子のエネルギー分布を調べることによって元素の化学結合の情報が得られる。
1)試料台への試料の取り付け(大きいものは切断)
2)4.8%H2S/H2ガス50ml/min流通下で、触媒を5℃/minで昇温し、300℃,10min処理
3)予備真空室に導入
4)測定室に導入
5)測定位置合わせ
6)測定条件設定
(広域スペクトル、各元素のスペクトル領域、深さ分析条件など)
7)分析
8)データ解析
〔1〕物理性状の分析(比表面積、細孔容積、平均細孔直径、及び細孔分布)
a)測定方法及び使用機器:
・比表面積は、窒素吸着によるBET法により測定した。窒素吸着装置は、日本ベル(株)製の表面積測定装置(ベルソープMini)を使用した。
・細孔容積、平均細孔直径、及び細孔分布は、水銀圧入法により測定した。水銀圧入装置は、ポロシメーター(MICROMERITICS AUTO−PORE 9200:島津製作所製)を使用した。
・水銀圧入法は、毛細管現象の法則に基づく。水銀と円筒細孔の場合には、この法則は次式で表される。
D=−(1/P)4γcosθ
式中、Dは細孔直径、Pは掛けた圧力、γは表面張力、θは接触角である。掛けた圧力Pの関数としての細孔への進入水銀体積を測定する。なお、触媒の細孔水銀の表面張力は484dyne/cmとし、接触角は130度とした。
・細孔容積は、細孔へ進入した触媒グラム当たりの全水銀体積量である。平均細孔直径は、Pの関数として算出されたDの平均値である。
・細孔分布は、Pを関数として算出されたDの分布である。
1)真空加熱脱気装置の電源を入れ、温度400℃、真空度5×10−2Torr以下になることを確認する。
2)サンプルビュレットを空のまま真空加熱脱気装置に掛ける。
3)真空度が5×10−2Torr以下となったなら、サンプルビュレットを、そのコックを閉じて真空加熱脱気装置から取り外し、冷却後、重量を測定する。
4)サンプルビュレットに試料(触媒)を入れる。
5)試料入りサンプルビュレットを真空加熱脱気装置に掛け、真空度が5×10−2Torr以下になってから1時間以上保持する。
6)試料入りサンプルビュレットを真空加熱脱気装置から取り外し、冷却後、重量を測定し、試料重量を求める。
7)AUTO−PORE 9200用セルに試料を入れる。
8)AUTO−PORE 9200により測定する。
a)分析方法及び使用機器:
・触媒中の金属分析は、誘導結合プラズマ発光分析(ICPS−2000:島津製作所製)を用いて行った。
・金属の定量は、絶対検量線法にて行った。
1)ユニシールに、触媒0.05g、塩酸(50%)1ml、フッ酸一滴、及び純水1mlを投入し、加熱して溶解する。
2)溶解後、ポリプロピレン製メスフラスコ(50ml)に移し換え、純水を加えて、50mlに秤量する。
3)この溶液をICPS−2000により測定する。
SA :比表面積
PV :細孔容積
MPD:平均細孔直径
以下の要領にて、下記性状の常圧蒸留残渣(AR)の水素化処理を行った。先ず、触媒を高圧流通式反応装置に充填して固定床式触媒層を形成し、下記の条件で前処理した。次に、反応温度に加熱した原料油と水素含有ガスとの混合流体を、反応装置の上部より導入して、下記の条件で脱硫反応と分解反応の水素化反応を進行させ、生成油とガスの混合流体を、反応装置の下部より流出させ、気液分離器で生成油を分離した。
触媒の予備硫化は減圧軽油により、水素分圧10.3MPa、370℃において12時間おこなった。その後、活性評価用の原料油に切り替えた。
反応温度 ;390℃
圧力(水素分圧);10.3MPa
液空間速度 ;0.4hr−1
水素/オイル比 ;1068m3/m3
油種 ;常圧残渣油90%と減圧残渣油10%の混合油
硫黄成分 ;3.87質量%
残炭分 ;11.7質量%
バナジウム;65ppm
ニッケル;21ppm
〔1〕脱硫率(HDS)(%):原料中の硫黄分を脱硫反応によって硫化水素に転換することにより、原料油から消失した硫黄分の割合を脱硫率と定義し、原料油及び生成油の硫黄分析値から以下の式(1)により算出した。
〔2〕脱硫反応速度定数(Ks):生成油の硫黄分(Sp)の減少量に対して、2次の反応次数を得る反応速度式の定数を脱硫反応速度定数(Ks)とする。以下の式(2)により算出した。なお、反応速度定数が高い程、触媒活性が優れていることを示している。結果は、表3の通りであった。
〔3〕比活性(%):触媒aの脱硫反応速度定数を100としたときの相対値で示した。以下の式(3)により算出した。結果は、表3の通りであった。
脱硫反応速度定数=〔1/Sp−1/Sf〕×(LHSV) ………(2)
式中、Sf:原料油中の硫黄分(質量%)
Sp:反応生成油中の硫黄分(質量%)
LHSV:液空間速度(hr−1)
脱硫比活性(%)=(各脱硫反応速度定数/比較触媒aの脱硫反応速度定数)×100………(3)
式中、CCRf:原料油中の残炭分(質量%)
CCRp:反応生成油中の残炭分(質量%)
Claims (3)
- リンを担体基準、酸化物換算で0.1〜4質量%含み、亜鉛を担体基準、酸化物換算で4〜10質量%含むリン・亜鉛含有アルミナを担体として、それに周期律表第6族金属から選ばれる少なくとも1種を触媒基準、酸化物換算で8〜20質量%、周期律表第8族金属から選ばれる少なくとも1種を触媒基準、酸化物換算で2〜5質量%担持してなり、且つ、下記式で表される、XPS定量解析結果の周期律表第6族金属の硫化度が84モル%以上であることを特徴とする重質炭化水素油の水素化処理触媒。
周期律表第6族金属の硫化度=[M6(IV)/M6]×100
[上記式中、M6(IV)は、硫化した触媒中の周期律表第6族金属硫化物のモル量であり、M6は、硫化した触媒中の周期律表第6族金属のモル量である] - アルミナゲルを調製する工程、
該アルミナゲルにリンを担体基準、酸化物換算で0.1〜4質量%、亜鉛を担体基準、酸化物換算で4〜10質量%含むようにリン化合物及び亜鉛化合物を混練する工程、
得られた混練物を成型し、これを乾燥、焼成して、リン・亜鉛含有アルミナ担体を得る工程、
該リン・亜鉛含有アルミナ担体に、周期律表第6族金属から選ばれる少なくとも1種を触媒基準、酸化物換算で8〜20質量%、周期律表第8族金属から選ばれる少なくとも1種を触媒基準、酸化物換算で2〜5質量%含むように担持させる工程を含む、重質炭化水素油の水素化処理触媒の製造方法であって、
前記アルミナゲルを調製する工程またはリン化合物及び亜鉛化合物を混練する工程の少なくとも一方の後に、圧搾濾過器による脱水工程を含むことを特徴とする水素化処理触媒の製造方法。 - 請求項1に記載の重質炭化水素油の水素化処理触媒の存在下、水素分圧8〜20MPa、300〜420℃、液空間速度0.1〜2hr−1で、硫黄分を含む常圧蒸留残渣、減圧蒸留残渣、又はこれらの残渣の混合物の接触反応を行うことを特徴とする重質炭化水素油の水素化処理方法。
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