JP3550065B2 - Gasoline sulfur reduction in fluidized bed catalytic cracking - Google Patents

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Description

【0001】
本発明は、接触分解プロセスによって製造されるガソリン生成物及び他の石油生成物中の硫黄分を低減させることに関する。本発明は、生成物の硫黄を低減させる触媒組成物、及びこの組成物を使用して生成物の硫黄を低減させる方法を提供する。
【0002】
接触分解は、特に米国において、工業的に非常に大きな規模で適用されている石油精製プロセスであって、米国では、精製ガソリン配合プールの大部分は接触分解により製造され、その大部分は流動床式接触分解(FCC)プロセスにより得られている。この接触分解プロセスにおいて、重質炭化水素フラクションは、触媒の存在下にて高温で起こる反応によってより軽質の生成物へ転化され、転化又は分解(クラッキング)反応の大部分は気相にて行われている。フィード原料は、1分子あたり4又はそれ以下の炭素原子を有するより軽質のガス状分解生成物、並びに、ガソリン、留出物、及び他の液状分解生成物へ転化される。ガスは、部分的にオレフィンから成り、及び部分的に飽和炭化水素から成る。
【0003】
分解反応の間に、コークスとして知られる多少重質の物質が触媒に付着する。これによって触媒活性は低下し、そして、再生が必要とされる。使用済み分解触媒から吸蔵されていた炭化水素を取り除いた後、コークスを燃焼させて、触媒の活性を回復させることによって再生が行われる。従って、接触分解の3つの特徴的工程は:炭化水素化合物をより軽質の生成物へ転化させる分解工程、触媒に吸着された炭化水素化合物を除去するストリッピング工程、及び触媒からコークスを燃焼させて取り除く再生工程と区別することができる。再生された触媒は、その後、分解工程において再使用される。
【0004】
通常、接触分解のフィード原料は、硫黄分を有機硫黄化合物、例えばメルカプタン、スルフィド及びチオフェンなどの形態で含有する。分解プロセスの生成物は、分解プロセスの間に硫黄分の約半分が、主として非チオフェン性硫黄化合物の接触分解によって硫化水素に転化したとしても、それ相応の硫黄不純物を含む傾向にある。分解生成物中における硫黄分の分布は、原料、触媒の種類、存在する添加物、転化率及び他の操作条件を含む多くのファクターに依存するが、いずれにせよ、特定の割合の硫黄分が軽質又は重質ガソリンフラクションの中に入り、そして生成物プールへ送られる傾向にある。石油生成物に適用される環境的規制が高まるに伴って、例えば、再処方されたガソリン(Reformulated Gasoline;RFG)規制においては、燃焼プロセスの後での硫黄酸化物及び他の硫黄化合物の空気中への排出に関する懸念に応える形で、生成物の硫黄含有量が総じて減少させられた。ガソリンの硫黄分を低減することは、SOx排出に関して重要であるだけでなく、自動車の触媒コンバータの硫黄被毒に関しても重要である。触媒コンバータの硫黄被毒は、他の排出に関する問題、例えばNOxを生じることにもなる。
【0005】
環境に関する懸念は、米国内の乗用車用の自動車燃料として卓越した地位を有するが故に、発動機用ガソリンの硫黄含量に対して広範に焦点が当てられている。この関心は、接触分解プロセスから得られる軽質サイクル油(light cycle oil;LCO)及び燃料油フラクション(軽質燃料油(light fuel oil;LFO)及び重質燃料油(heavy fuel oil;HFO))を含む高沸点留出物フラクションへ拡張されてきている。これらの生成物について、生成物フラクション中の硫黄レベルを低下させるために、水素化脱硫(hydrodesulfrization)が長らく用いられてきており、一般にこの操作は有効であると考えられてきている。しかしながら、より高い沸点のフラクションは、沸点が高くなることに伴って、硫黄化合物、特に置換ベンゾチオフェンの耐熱性が高まるため、より低い沸点のフラクションほどは脱硫操作に適さない。LCO水素化脱硫プロセスにおいて、ベンゾチオフェン及びジベンゾチオフェンをメチル及び/又はアルキル置換することは、有機硫黄の脱硫黄化反応性を実質的に低下させており、それらは「ハード硫黄」又は「耐熱性硫黄」となる。LCO硫黄GCを、硫黄GC種分化(sulfur GC speciation)と共に、図1に示している。Girgis及びGateによる評価(Ind. Eng. Chem.,30、1991、2021−2058)によれば、4−位又は4−位及び6−位にメチル基を置換することによって、脱硫活性は大幅に低下すると報告されている。Houallaらは、1〜10のオーダーの規模で活性が低下すると報告した(M. Houalla et al., Journal of Catalysis, 61, 1980, 523−527)。Lamure−Meilleらは、メチル置換ジベンゾチオフェンの低い活性はアルキル基の立体障害によって生じることを示唆した(Lamure−Meille et al., Applied Catalysis A: General 131, 1995, 143−157)。水素化脱硫プロセス用のフィードとして、より高い沸点の接触分解生成物を利用すると仮定すると、これらの分解フラクションにおいて、より耐熱性の有機硫黄化合物が発生する割合を低減する誘因となることが明らかとなる。
【0006】
分解を開始する前に、FCCフィードから水素処理によって硫黄を除去しようとする試みがなされてきた。この試みは、非常に効果的ではある一方で、水素の消費量が大きいために、装置の資本コストの点からみても、運転コストに関しても、コストを上昇させる傾向にある。分解生成物から水素処理によって硫黄を除去しようとする別の試みもなされてきた。これもまた非常に効果的ではあるが、この方法は、高オクタン価のオレフィンが飽和すると、価値のある生成物であるオクタンが失われるという欠点を有している。
【0007】
経済的な観点から、追加的な処理を行うことなく、ガソリンの配合プールの主たる成分を効果的に脱硫することになるため、硫黄分の除去は分解プロセス自体において実施することが望ましい。FCCプロセスサイクルの間に硫黄を除去するために種々の触媒材料が開発されてきたが、これまでは、開発されたものの大部分は再生装置の煙道ガスから硫黄を除去することを中心とするものであった。シェブロン(Chevron)によって開発された初期の試みは、FCC再生塔において硫黄酸化物を吸着するために、挿入されている分解触媒への添加物としてアルミナ化合物を使用するものであった;フィード中でプロセスに入って吸着された硫黄化合物は、サイクルの分解の間に硫化水素として放出され、装置の生成物回収セクションに送られて、そこで除去される。クリシュナ(Krishna)らの「Additives Improve FCC Process、Hydrocarbon Processing」、1991年11月、59〜66頁を参照のこと。硫黄は、再生装置からの煙道ガスから除去されるが、生成物の硫黄レベルはそれほど影響を受けず、影響を受けるとしてもごく僅かである。
【0008】
再生装置から二酸化硫黄を除去するための別の技術は、FCCUにおいて循環する装入触媒への添加物としてマグネシウム−アルミニウムスピネルを使用することに基づくものである。このプロセスにおいて添加物として用いられるDESOX(登録商標)の呼称のもとで、この技術は顕著な商業的成功を収めた。この種の硫黄除去添加物についての代表的な特許には、米国特許第4,963,520号、同第4,957,892号、同第4,957,718号;同第4,790,982号等が含まれる。しかしながら、やはり生成物の硫黄レベルはそれほど減少していない。
【0009】
液体分解生成物の硫黄レベルを低減させるための触媒添加物が、ウォームスビーチャー(Wormsbecher)及びキム(Kim)によって米国特許第5,376,608号及び第5,525,210号において提案されている。これは、硫黄が低減したガソリンを製造するために、アルミナに担持されたルイス酸の分解触媒添加物を使用するものであるが、この系は顕著な商業的成功を収められなかった。従って、液体の接触分解生成物の硫黄含量を低減させるために有効な添加物が、これまで必要とされ続けてきた。
【0010】
米国特許出願09/144,607号(1998年8月31日付出願:日本国への特許出願である特願平11−245105号に対応)において、出願人は、分解プロセスの液状生成物における硫黄含量を低減させることができる、接触分解プロセスにおいて使用するための触媒材料を開示した。これらの硫黄低減触媒は、多孔質分子篩成分に加えて、分子篩の細孔構造の内部に、0よりも大きい酸化状態の金属を含んでいる。分子篩は大部分の場合にはゼオライトであり、大孔寸法ゼオライト、例えばゼオライトベータ若しくはゼオライトUSY、又は中間孔寸法ゼオライト、例えばZSM−5に対応する特性を有するゼオライトであってよい。非ゼオライトの分子篩、例えば、MeAPO−5及びMeAPSO−5等、並びにメソポーラス結晶性材料、例えばMCM−41を触媒の分子篩成分として用いることもできる。ガソリン中の硫黄を低減させるために、バナジウム、亜鉛、鉄、コバルト及びガリウムなどの金属が有効であり、バナジウムが好ましい金属であるということが見出されている。これらの材料は、独立した粒状添加物触媒として使用する場合、流動床式接触分解(FCC)装置において炭化水素フィード原料を処理するための、活性な接触分解触媒(通常は、フォージャサイト、例えばゼオライトY、特にゼオライトUSY)と組み合わせて用いられ、低硫黄生成物が生成する。硫黄低減触媒の分子篩成分はそれ自体活性な分解触媒、例えば、ゼオライトUSYなどであるので、統合された分解/硫黄低減触媒系の形態、例えば、硫黄低減官能性をもたらす金属、例えばバナジウム、亜鉛、鉄、コバルト及びガリウム等、並びに添加されるマトリックス材料、例えばシリカ、クレイと共に、硫黄低減系の分子篩成分、及び活性分解成分としてのUSYを含有する形態で硫黄低減触媒を使用することも可能である。
【0011】
FCC触媒の製造において考慮するもう1つの事項は、触媒安定性、特に水熱安定性である。分解触媒は、使用される間、(分解工程における)還元に続いて、スチームによりストリッピングされ、その後、サイクルにおける分解工程の間に触媒粒子に付着したコークス、炭素分に富む炭化水素の燃焼から大量のスチームを生じさせる、酸化的再生が繰り返して行われるサイクルに曝される。ゼオライト分解触媒を開発する初期段階においては、低いナトリウム含量は、最適な分解活性のみでなく、安定性のためにも必要であること、並びに希土類元素、例えばセリウム及びランタンは非常に水熱安定性であることが見出されていた。例えば、「Fluid Catalytic Cracking with Zeolite Catalysts」、ヴェヌート(Venuto)ら、Marcel Dekker社、ニューヨーク、1979年、ISBN0−8247−6870−1参照のこと。
【0012】
出願人は、特に、ガソリン及中間留出物分解フラクションを含む分解プロセスの液体生成物の硫黄含量の低下を向上させることができる、接触分解プロセスにおいて用いるための触媒材料を開発した。本発明の硫黄低減触媒は、触媒組成物の分子篩成分の細孔構造の中に、0よりも大きい酸化状態の金属成分が存在していること、及びこの場合にもバナジウムが好ましい金属であるということに関して、先に述べた米国特許出願09/144,607号に開示した触媒と似ている。しかしながら、本発明の場合には、組成物は、1種又はそれ以上の希土類元素、好ましくはセリウムをも含有している。出願人は、バナジウムのみ、又は他の種類の金属成分を含有する触媒と対比して、希土類元素が存在することによって触媒の安定性は向上するということ、並びに、特定の好適な場合、特に、希土類元素成分としてセリウムを用いる場合、希土類元素の存在によって硫黄低減活性も向上するということを見出した。このことは、希土類金属カチオンはそれ自体では硫黄低減活性を有さないため、驚くべきことである。
【0013】
本発明の硫黄低減触媒は、分解装置において活性な分解触媒と組み合わせられて、即ち、フォージャサイトゼオライト、通常はゼオライトYをベースとする触媒を含有して、通常はマトリックス化されたゼオライトである循環分解触媒の常套の主成分と組み合わせて用いられる。別の態様では、硫黄低減触媒を統合された分解/成分硫黄低減触媒系の形態で用いることもできる。
【0014】
本発明によれば、硫黄除去触媒組成物は、(i)分子篩の細孔構造の内部の、0よりも大きい酸化状態の金属、及び(ii)希土類元素成分を含有する多孔質の分子篩を含んでなる。分子篩は、大部分の場合にはゼオライトであって、ゼオライトは、大孔寸法ゼオライト、例えばゼオライトベータ若しくはゼオライトUSY、又は中間孔寸法ゼオライト、例えばZSM−5に対応する特性を有するゼオライトであってよい。非ゼオライトの分子篩、例えば、MeAPO−5及びMeAPSO−5等、並びにメソポーラス結晶性材料、例えばMCM−41を触媒の分子篩成分として用いることもできる。バナジウム、亜鉛、鉄、コバルト及びガリウムなどの金属が有効である。選択した分子篩材料が十分な分解活性を有する場合、その材料は、活性な接触分解触媒、通常はゼオライトYなどのフォージャサイトとして用いることもできるし、又は活性分解成分に、その活性分解成分がそれ自体で分解活性を有するか否かにかかわらず、添加して用いることもできる。
【0015】
本発明の触媒組成物は、低硫黄ガソリン及び他の液状生成物、例えば低硫黄ディーゼル配合成分又は加熱油として使用され得る軽質サイクル油を製造するための、流動床式接触分解(FCC)装置において炭化水素フィード原料を処理することについて有用である。分解されたガソリン・フラクションの硫黄含量の著しい低下を達成することに加えて、本発明の硫黄低減触媒材料は、軽質サイクル油及び燃料油生成物(軽質燃料油及び重質燃料油)の硫黄レベルを低減させることもできる。LCOにおける硫黄の低減は、主として置換ベンゾチオフェン及び置換ジベンゾチオフェンについて起こり、これらのより耐熱性の化学種を除去することによって、続くLCO水素化脱硫プロセスにおいて硫黄を低減する効率が向上することになる。HFO硫黄の低減によって、油から高価なコークスまでのコーカ生成物の品質を向上させることができる。
【0016】
分解された炭化水素生成物中に通常存在している硫黄成分を金属含有ゼオライト触媒組成物が除去するメカニズムは正確には理解されていないが、このメカニズムはフィード中の有機硫黄化合物を無機硫黄へ転化させることを伴うものであり、従って、このプロセスはまさに接触プロセスである。このプロセスにおいて、ゼオライト又は他の分子篩は、細孔寸法の変化によって形状選択性を提供し、そして、ゼオライトにおける金属サイトは硫黄種の吸着サイトを提供すると考えられている。
図面は、以下に説明する本発明の硫黄低減組成物の性能を示すグラフである。
【0017】
FCCプロセス
本発明の硫黄除去触媒は、接触分解プロセスにおいて触媒の循環インベントリーの触媒成分として用いられ、そのプロセスは今日では大部分の場合、流動床式接触分解(FCC)プロセスである。便宜上、FCCプロセスに関して本発明の説明を行うが、本発明の添加物は、プロセスの要求に適するように粒状物の寸法を適当に調節することによって、従来の移動床タイプ(TCC)の分解プロセスにおいても使用できる。本発明の添加物を触媒のインベントリーに加えること、及び生成物回収セクションにおいて行い得る幾つかの変化を除けば、以下に説明するように、プロセスの実施の方法について特に変わるところはない。従って、常套のFCC触媒、例えば、ヴェヌート及びハビブによる独創的な報告「Fluid Catalytic Cracking with Zeolite Catalysts」、マーセル・デッカー社、ニューヨーク、1979年、ISBN 0−8247−6870−1において説明され、また、例えばサデッジベイジ(Sadeghbeigi)の「Fluid Catalytic Cracking Handbook」、Gulf publ. Co、ヒューストン、1995年 ISBN 0−88415−290−1などの多くの他の情報源において説明されているような、フォージャサイト分解成分を有するゼオライト系触媒を使用することもできる。
【0018】
有機硫黄化合物を含む重質炭化水素フィードがより軽質の生成物に分解される流動床式接触分解プロセスは、多少なりとも簡単に説明すると、循環触媒の再循環分解プロセスにおいて、フィードを、20〜100ミクロンの範囲の寸法を有する粒子からなる、循環する流動性接触分解触媒に接触させることによって行われる。サイクル・プロセスにおける重要な工程は:
(i)接触分解条件にて運転される接触分解ゾーン、通常はライザーの分解ゾーンにおいて、再生された高温の分解触媒のソースにフィードを接触させて、コークス及び除去可能な炭化水素化合物を含む使用済み触媒、並びに分解生成物を含有する流出物を生成させることによって、フィードを接触分解する工程;
(ii)流出物を、排出し、通常は1又は複数のサイクロンにおいて、分解生成物に富む気相及び使用済み触媒を含む固体に富む相に分離する工程;
(iii)気相を生成物として分離し、FCCの主塔及びそれに関連する補助塔で精留して、ガソリンを含む液状の分解生成物を生成させる工程;
(iv)使用済み触媒を、通常はスチームを用いてストリップして、触媒から吸蔵された炭化水素化合物を分離し、その後、ストリップした触媒を酸化的に再生させて、再生された高温の触媒を生じさせ、この再生した触媒を、その後、更なるフィードを分解するために分解ゾーンへリサイクルする工程
である。
【0019】
FCCプロセスへのフィードは、一般に鉱油起源の高沸点のフィードであって、通常は少なくとも290℃(550°F)、多くの場合315℃(600°F)以上の初留点を有するフィードである。大部分の精油所でのFCCフィードについてのカットポイントは、少なくとも345℃(650°F)である。終留点は、フィードの精密な特性に応じて、又は精油所の運転特性に応じて変動する。フィードは、一般に終点が550℃(1020°F)若しくはそれ以上、例えば590℃(1095°F)若しくは620℃(1150°F)である留出物であっても、あるいは(蒸留できない)残油物質がフィードに含まれていてもよく、残油物質はフィードの全部又は大部分を含むことがあってもよい。蒸留できるフィードには、軽油のような直留フィード、例えば重質又は軽質の常圧軽油、重質又は軽質の減圧軽油、及び軽質コーカーガスオイル又は重質コーカーガスオイルのような分解されたフィードが含まれる。水素処理されたフィード(hydrotreated feeds)、例えば水素処理された軽油、特に水素処理された重質軽油を使用することもできるが、本発明の触媒は硫黄のかなりの低減をもたらし得るので、硫黄の減少を目的とする最初の水素処理を省略することもできる。そのような場合であっても、分解性はなおも達成される。
【0020】
本発明の方法において、硫黄低減触媒の存在下において接触分解を実施することによって、液体分解生成物のガソリン部分の硫黄含量は効果的に、より低くかつより許容され得るレベルになる。
【0021】
本発明の硫黄低減触媒は、FCCUにおいて主たる分解触媒に加えられる独立した粒状の添加物の形態で用いることもできるし、あるいは、硫黄低減触媒を統合された分解/硫黄低減触媒系をもたらす物質の成分として用いることもできる。触媒の分解成分は、従来から存在しており、所望のより低沸点の分解生成物の生成及び分解反応を行い、通常は、フォージャサイトゼオライトの活性分解成分をベースとするものであって、例えば、焼成され希土類元素で交換されたタイプのYゼオライト(calcined rare−earth exchanged type Y zeolite;CREY)(その製造方法は米国特許第3,402,996号明細書に開示されている)、米国特許第3,293,192号明細書において開示されている超安定タイプのYゼオライト(USY)、及び米国特許第3,607,043号明細書及び同第3,676,368号明細書に開示されている種々の部分的に交換されたタイプのYゼオライトなどの形態の中の1つの形態をとる常套のゼオライトYである。このような分解触媒は、種々の商業的供給業者から幅広く大量に入手することができる。活性分解成分は、所望の機械的特性(耐磨耗性等)を付与し、並びに1種又はそれ以上の非常に活性の高いゼオライト成分の活性を制御するために、クレイ並びにシリカ又はアルミナなどのマトリックス材料と常套的に組み合わされる。分解触媒の粒子寸法は、効果的に流動化されるように、一般に10〜100ミクロンの範囲内にある。独立した粒状の添加物として用いられる場合、硫黄低減触媒(及び他のすべての添加物)は通常は、分解サイクルの間に成分が分離することを防止するため、分解触媒の粒子寸法及び密度に匹敵する粒子寸法及び密度を有するように選択される。
【0022】
硫黄低減系−分子篩成分
本発明によれば、硫黄低減触媒は、0よりも高い酸化状態にある金属を分子篩の細孔構造の内部に有する多孔質の分子篩を含んでなる。分子篩は、大部分の場合はゼオライトであって、大孔寸法ゼオライト、例えばゼオライトベータ、好ましくはゼオライトUSY若しくはゼオライトベータ、又は中間孔寸法ゼオライト、例えばZSM−5に相当する特性を有するゼオライトであってよく、前者の種類のものが好ましい。
【0023】
本発明の硫黄低減触媒の分子篩の成分は、上述のとおり、ゼオライトの分子篩又は非ゼオライトの分子篩であってよい。ゼオライトを用いる場合には、大孔寸法ゼオライト又は中間孔寸法ゼオライト(フリレット(Frilette)らがJ.Catalysis 67,218−222(1981)で述べている基本的な要綱に基づく細孔寸法によるゼオライトの分類について論じた、チェン(Chen)らの「Shape Selective Catalysis in Industrial Applications」、Marcel Deckker社、ニューヨーク、1989年、ISBN 0−8247−7856−1参照)から選択することができる。ゼオライトA及びエリオナイトのような小孔寸法ゼオライトは、接触分解プロセスにおいて使用するには安定性が不十分であることに加えて、分解フィードの成分だけでなく、分解生成物の成分の多くを排除する傾向にあるという分子寸法の排除特性のために、一般に好ましいものではない。尤も、分子篩の細孔寸法は、以下に示すように、MCM−41のようなメソポーラス結晶性材料が有効であるのと同様に、中間孔寸法ゼオライト及び大孔寸法ゼオライトがともに有効であることが見出されたため、きわめて重要であるとは考えられていない。
【0024】
本発明の硫黄低減触媒を形成するために用いることができる、大孔(12員環)構造の存在と合致する性質を有するゼオライトには、Y、REY、CREY、USY(この中でも、最後のものが好ましい)などの種々の形態のゼオライトY、並びに、ゼオライトL、ゼオライト・ベータ、脱アルミニウム化されたモルデナイトを含むモルデナイト、及びゼオライトZSM−18などの他のゼオライトが含まれる。一般に、大孔寸法ゼオライトは、少なくとも0.7nmの環状開口部を有する細孔構造によって特徴づけられ、中又は中間孔寸法ゼオライトは0.7nmよりも小さいが0.56nmよりも大きい細孔開口部を有することになる。使用するのに好適な中間孔寸法ゼオライトには、ペンタシル型ゼオライト、例えばZSM−5、ZSM−22、ZSM−23、ZSM−35、ZSM−50、ZSM−57、MCM−22、MCM−49、MCM−56などが含まれ、これらはすべて既知の材料である。ゼオライトは、アルミニウム以外の骨格金属元素、例えば、ホウ素、ガリウム、鉄、クロムが伴って用いられていてもよい。
【0025】
ゼオライトUSYを使用することは、このゼオライトが分解触媒の活性な分解成分として一般に用いられており、従って、硫黄低減触媒を統合された分解/硫黄低減触媒系の形態で使用することが可能になるため、特に好ましい。分解成分として用いられるUSYゼオライトは、装置内に存在する触媒全体の分解活性への寄与も持続するため、独立した粒状の添加触媒用の分子篩成分としても、有利に用いることができる。安定性はUSYの小さいユニット・セル・サイズと相関しており、最適な結果を得るには、最終的な触媒におけるUSYゼオライト用のUCS(ユニット・セル・サイズ)は2.420〜2.460nm、好ましくは2.420〜2.455nm、好ましくは2.435〜2.440nmが非常に好適である必要がある。FCCサイクルの繰り返されるスチーミングに曝された後、UCSは、通常は2.420〜2.430nmの範囲内である最終的な値まで低下する。
【0026】
ゼオライトに加えて、他の種類の分子篩を用いてもよいが、最適な性能のためには多少の(アルファ値によって常套的に測定される)酸性活性が必要とされると考えられるため、他の種類の分子篩はあまり好ましいものではない。試験データは、金属を含まない分子篩について、10を超えるアルファ値が適当な脱硫活性に適しており、通常は0.2〜2,000の範囲内のアルファ値が適当であることを示している。(アルファ試験は、固体物質、例えば分子篩などの内部酸性度及び外部酸性度を含めて、全酸性度を測定するために便利な方法である。この試験は、米国特許第3,354,078号ならびにジャーナル・オブ・キャタリシス(J. Catalysis)、第4巻、第527頁(1965年);第6巻、第278頁(1966年);および第61巻、第395頁(1980年)において説明されている。この明細書において報告するアルファ値は、538℃の恒温にて測定した。)0.2〜300のアルファ値は、添加物として使用する場合の、これらの材料の酸性活性の通常範囲を示す。
【0027】
本発明の硫黄低減触媒の金属成分に対して好適な担持成分をもたらすことができる代表的な非ゼオライト分子篩材料には、種々のシリカ−アルミナ比のケイ酸塩(例えば、メタロシリケート及びチタノシリケート)、メタロアルミネート(例えば、ゲルマニウムアルミネート)、メタロホスフェート、アルミノホスフェート、例えば金属を統合したアルミノホスフェート(MeAPO及びELAPO)と称されるシリコ−及びメタロアルミノホスフェート、金属を統合したシリコアルミノホスフェート(MeAPSO及びELAPSO)、シリコアルミノホスフェート(SAPO)、ガロゲルマネート(gallogermanate)及びそれらの組み合わせなどが含まれる。SAPO、AlPO、MeAPO及びMeAPSOの構造の関係についての検討は、Stud. Surf. Catal. 37 13−27(1987)を含む種々の情報源において見ることができる。AlPOは、アルミニム及びリンを含み、一方、SAPOでは、リン並びに/又はリン及びアルミニウムの両者の内の一部がシリコン(ケイ素)によって置換されている。MeAPOにおいては、種々の金属、例えば、Li、B、Be、Mg、Ti、Mn、Fe、Co、An、Ga、Ge、及びAsがアルミニウム及びリンに加えて存在し、一方、MeAPSOは更にケイ素を含む。MeaAlbPcSidOe格子(ラチス)の負電荷はカチオンによって相殺され、式中、Meは、マグネシウム、マンガン、コバルト、鉄及び/又は亜鉛である。MexAPSOは、米国特許第4,793,984号明細書に説明されている。SAPOタイプの分子篩材料は、米国特許第4,440,871号明細書に説明されており、MeAPOタイプの触媒は米国特許第4,544,143号及び同第4,567,029号明細書に説明されており、ELAPO触媒は、米国特許第4,500,651号明細書に説明されており、ELAPSO触媒はヨーロッパ特許出願第159,624号に説明されている。特定の分子篩が、例えば、以下の特許に説明されている:MgAPSO又はMAPSOは米国特許第4,758,419号明細書;MnAPSOは米国特許第4,686,092号明細書;CoAPSOは米国特許第4,744,970号明細書;FeAPSOは米国特許第4,683,217号明細書;及びZnAPSOは米国特許第4,935,216号明細書に説明されている。使用することができる特定のシリコアルミノホスフェートには、SAPO−11、SAPO−17、SAPO−34、SAPO−37が含まれ、他種類の特定の分子篩材料には、MeAPO−5、MeAPSO−5が含まれる。
【0028】
使用できる別の分類の結晶性の担持材料には、MCM−41及びMCM−48材料によって例示されるメソポーラス結晶性材料のグループがある。これらのメソポーラス結晶性材料は、米国特許第5,098,684号、第5,102,643号、及び5,198,203号明細書で説明されている。MCM−41は、米国特許第5,098,684号明細書で説明されているが、これは、少なくとも1.3nmの直径を有し、ヘキサゴナルな(又は六方晶系の)配列を有する均一な細孔の微細構造によって特徴付けられ、これは焼成後、1.8nmよりも大きい少なくとも1つの格子面間隔d(d−spacing)を有するX線回折パターン、及び1.8nmよりも大きいd100値(これはX線回折パターンにおけるピークの格子面間隔dに相当する)を示し得る六方晶系の電子線回折パターンを示す。この材料の好ましい触媒の形態はアルミノケイ酸塩であるが、他の金属ケイ酸塩もまた用いてよい。MCM−48は立方構造を有しており、同様の製造手順によって製造される。
【0029】
金属成分
本発明の触媒組成物を形成するためには、分子篩担持材料の中に2種の金属成分が組み込まれる。1つの成分は、希土類元素、例えば、ランタン又は希土類元素、例えばセリウム及びランタンの混合物である。もう1つの成分は、主たる硫黄低減成分であると考えられているが、米国特許出願09/144,607号明細書において論じているように、その硫黄低減の効果はあまり明確ではない。本発明の目的に有効なバナジウム及び他の金属成分を含有する硫黄低減触媒組成物についての説明については、その明細書をの開示事項を参照することによって本明細書に引用する。便宜上、組成物のこの成分を、本出願において、第1の硫黄低減成分と称する。この金属は、有効であるためには、分子篩成分の細孔構造の内部に存在する必要がある。金属を含むゼオライト及び他の分子篩は、(1)金属を分子篩又は1種又はそれ以上の分子篩を含む触媒に後添加(post−addition)すること、(2)骨格構造の中に金属原子を含む1種又はそれ以上の分子篩を合成すること、及び(3)ゼオライトの細孔の中にトラップされる嵩高い金属イオンを有する1種又はそれ以上の分子篩を合成することによって製造できる。金属成分を加えた後、結合していないイオン種を取り除くために、洗浄及び乾燥及び焼成を実施する必要がある。これらの技術はそれ自体公知である。金属イオンを後添加することは、簡便性と経済性の点から好ましく、利用可能な分子篩材料は本発明の添加物に用いることができるように転化される。本発明の触媒を製造するために、金属を後添加する多種多様な方法を用いることができ、例えば、金属イオンの水性交換、1種又はそれ以上の金属ハロゲン化物塩を用いる固相状態の交換、金属塩の溶液を用いる浸漬、及び金属の蒸着を用いることができる。尤も、いずれの場合においても、1種又はそれ以上の金属の添加は、金属成分が分子篩成分の細孔構造に入ることができるように行うことが重要である。
【0030】
第1の硫黄低減成分の金属が分子篩成分の細孔内において交換されたカチオン種として存在する場合、金属成分の水素転移活性は、好ましい金属成分については、分解プロセスの間に起こる水素転移反応が通常は許容できる程度の低いレベルに維持されるポイントまで、低減することが判った。従って、分解の間に、コークス及び軽質ガスが僅かに増加するが、それらは許容できる範囲内にとどまる。いずれにしても不飽和軽質成分をアルキル化フィードとして使用することができ、このようにしてガソリンプールへリサイクルすることができるので、本発明の添加物を使用することによって生じるガソリン範囲の炭化水素の損失はほとんどない。
【0031】
分解プロセスの間に過剰なコークス及び水素が生成するということを懸念して、添加物に組み込まれる金属は著しい水素化活性を示すべきではない。このために、強い水素化−脱水素化機能を有する白金及びパラジウムなどの貴金属は好ましくない。強い水素化機能を有する卑金属及び卑金属の組み合わせ、例えばニッケル、モリブデン、ニッケル−タングステン、コバルト−モリブデン、及びニッケル−モリブデンなどは、同様の理由により好ましくない。好ましい卑金属は、周期表の第4周期、第5、8、9、12、13族(IUPAC分類、以前の第VB、VIII、IIB及びIIIA族)の金属である。バナジウム、亜鉛、鉄、コバルト及びガリウムは好ましい金属成分であり、バナジウムが好ましい金属成分である。バナジウムは通常はゼオライトの分解触媒に非常に深刻な影響を及ぼすと考えられており、バナジウムの抑止剤を開発するために多くの努力が払われてきたため、FCC触媒組成物においてバナジウムがこのように用いられ得ることは驚くべきことである。例えば、ヴォルムスべッヒャー(Wormsbecher)らの「Vanadium Poisoning of Cracking Catalyst: Mechanism of Poisoning and Design of Vanadium Tolerant Catalyst System」、J. Catalysis 100, 130−137(1986)を参照されたい。分子篩の細孔構造の内部にバナジウムを配することはバナジウムを固定し、また、バナジウムが分子篩成分と害を及ぼすように結合し得るバナジン酸種になることを防止し;いずれにしても、本発明のゼオライトをベースとし、金属成分としてバナジウムを含む硫黄低減触媒は、特徴的なゼオライト構造を保持し、金属に異なる環境を示す一方で、FCCサイクルを代表する還元及び酸化/スチーム処理条件の間で繰り返されるサイクルに耐えると考えられる。
【0032】
バナジウムは特に、ゼオライトUSYに担持される場合に、ガソリンの硫黄を低減するのに適している。V/USY硫黄低減触媒の収率構造(yield structure)は特に興味深いものである。他のゼオライトが、金属が添加された後、ガソリンの硫黄低減を実施している間に、それらはガソリンをC3及びC4のガスに転化する。転化したC3=及びC4=の大部分をアルキル化して、ガソリンプールに戻して再配合することができるのであるが、C4−湿性ガスの収率が高いことは、多くの精製装置がそれらの湿性ガス圧縮機の能力によって制限されるため、問題となる場合がある。金属を含むUSYは現行のFCC触媒に類似した収率構造を有する。この利点により、FCCユニットの制約により制限されることなく、目標とする脱硫レベルに合わせて触媒配合物中のV/USYゼオライトの含量を調節することが可能となる。従って、Yゼオライト触媒におけるバナジウムは、USYで代表されるゼオライトとともに、FCCにおいてガソリンの硫黄を減少させるのに特に好ましい組合せである。特に良い結果を与えることが見出されているUSYは、2.420〜2.460nm、好ましくは2.420〜2.450nm、例えば2.435〜2.450nm(続く処理)の範囲内にあるユニット・セル・サイズを有するUSYである。第1の硫黄低減成分として、バナジウム/亜鉛などの卑金属の組合せも、全体の硫黄低減の点から好ましい。
【0033】
硫黄低減触媒の中の第1の硫黄低減金属成分の量は、通常は、(分子篩成分の重量を基準として、金属として)0.2〜5重量%、一般に0.5〜5重量%であるが、この範囲を越える量、例えば、0.10〜10重量%であっても、ある程度の硫黄低減効果は得られる。分子篩をマトリックス化する場合、触媒組成物の全重量を基準として表す第1の硫黄低減金属成分の量は、実用的な目的の処方については、一般に、触媒全体の0.1〜5重量%、より一般的には0.2〜2重量%となる。
【0034】
硫黄低減触媒の第2の金属成分は、分子篩の細孔構造内に存在する1種又はそれ以上の希土類金属を含んでなり、分子篩成分に存在する交換可能なサイト上に交換されたカチオンの形態で存在すると考えられている。希土類(RE)成分は、バナジウムの存在下で、触媒安定性を著しく向上させる。例えば、RE+V/USY触媒を用いると、V/USY触媒と対比して、より高い分解活性を達成することができる一方で、匹敵するガソリン硫黄低減が得られる。原子番号57〜71のランタノイド系列の希土類元素、例えば、ランタン、セリウム、ジスプロシウム、プラセオジウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、イッテルビウム、及びルテチウムをこのように使用することができるが、商業的入手可能性の観点からは、ランタン並びにセリウム及びランタンの混合物が通常は好ましい。硫黄低減及び触媒安定性の観点から、セリウムは最も効果的な希土類元素成分であることが見出されており、従って、セリウムを使用することが好ましいが、以下に説明するように、他の種類の希土類元素を用いても良好な結果は得られる。
【0035】
希土類元素の量は、一般に触媒組成物の1〜10重量%、大部分の場合2〜5重量%である。分子篩の重量基準で、希土類元素の量は、分子篩:マトリックスの割合に応じて、通常は2〜20重量%、大部分の場合は4〜10重量%である。セリウムは、触媒組成物の0.1〜10重量%、通常は0.25〜5重量%の量で使用することができ、分子篩基準では、0.2〜20重量%、大部分の場合は0.5〜10重量%となる。
【0036】
希土類元素成分は、マトリックス化されていない結晶の形態又はマトリックス化された結晶の形態のいずれの形態で、分子篩上で交換することによって分子篩成分の中へ好適に組み込むことができる。好ましいUSYゼオライト篩を用いて、組成物を処方する場合、非常に有効な組み込み手法は、USY分子篩(一般に、2.445〜2.465nmのユニット・セル・サイズ)に希土類イオンを添加した後、更にスチーム焼成してUSYのユニット・セル・サイズを一般に2.420〜2.460nmの範囲の値へ小さくし、その後第1の金属成分を、それがまだ存在していない場合には、添加するというものである。USYは、安定性及び満足な分解活性のために、低いアルカリ金属(主としてナトリウム)含量を有する必要があり、そのことは通常は、分子篩上において、1重量%を越えず、好ましくは0.5重量%を越えない望ましいナトリウムレベルまで、超安定化プロセスの間に行われるアンモニウム交換によって確実に行われる。
【0037】
金属成分は、分子篩内部の細孔構造に確実に入るような方法で、触媒組成物の中に組み込まれる。金属は、結晶の中へ又はマトリックス化された結晶の中へ直接的に組み込むことができる。分子篩成分として好ましいUSYゼオライトを用いる場合、この操作は上述したように、希土類元素成分を含有するUSY分解触媒を再焼成して、小さいユニット・セル・サイズを確保し、その後、金属イオンがゼオライトの細孔構造に固定され得るようにカチオン交換が起こることを可能にする条件下で浸漬することによって、又は金属、例えばバナジウムをイオン交換することによって、好適に組み込ことができる。別の態様では、合成物から有機物を除去するために必要な焼成を行った後、分子篩成分、例えばUSYゼオライト又はZSM−5結晶の中に、第1の硫黄低減金属成分及び希土類金属成分を組み込むことができる。その後、金属を含有する成分は、分解成分及びマトリックス成分を添加することによって最終的な触媒組成物へと処方することができ、その処方は噴霧乾燥によって最終的な触媒の形態とされる。
【0038】
触媒を統合した触媒系として処方する場合、製造を簡単にすること、及び制御された分解特性を保持することの両方のために、触媒の活性分解成分、好ましくはフォージャサイト、例えばゼオライトUSYの形態のものを、硫黄低減系の分子篩成分として使用することが好ましい。しかしながら、他の種類の活性分解分子篩材料、例えばゼオライトZSM−5などを統合した触媒系に組み込むこともでき、そのような系は、もう1つの活性分子篩材料の特性、例えばZSM−5の特性が望まれる場合などに有用であり得る。いずれの場合にも、含浸/交換プロセスは制御された量の金属によって行われ、従って、分子篩上に必要とされる数のサイトが残存して、活性分解成分、又は存在するいずれかの第2の分解成分、例えばZSM−5などから望み得る分解反応の触媒作用が行われる。
【0039】
硫黄低減触媒組成物の使用
通常、硫黄低減触媒を使用する最も都合の良い手法は、触媒への独立した粒状の添加物としてのものであろう。好ましい形態において、分子篩成分としてのゼオライトUSYを用いる場合、装置内の触媒全体へ触媒添加物を添加することは、USYゼオライトの分解活性のために、全体としての分解に著しい低下を生じることにはならないであろう。分子篩成分として、もう1種の活性分解材料を使用する場合にも同様である。このように使用する場合、組成物は純粋な分子篩結晶の形態で、(マトリックス化せず、添加する金属成分を用いて)FCCに使用するのに適正な寸法にペレット化して使用することができる。しかしながら、通常、金属含有分子篩は、充分な流動化を維持すること、及び、充分な粒子耐磨耗性を得ることのために、マトリックス化される。アルミナ又はシリカ−アルミナなどの常套的な分解触媒用マトリックス材料は、通常添加されるクレイとともに、この目的に適している。分子篩に対するマトリックスの量は、通常は、重量基準で20:80〜80:20であってよい。常套のマトリックス化技術を用いることもできる。
【0040】
独立した粒状の添加物の使用すると、硫黄低減成分及び分解触媒成分の割合を、フィード中の硫黄の量及び所望する脱硫の程度に応じて、最適化することが可能となる。このように使用する場合、一般に、FCCUにおける触媒全体の1〜50重量%の量で使用され、大部分の場合、この量は5〜25重量%、例えば5〜15重量%であると考えられる。約10%が最も実用的な用途の基準である。添加物は常套の手法で、例えば再生装置へのメークアップ触媒と共に、又はその他の都合のよい方法によって添加することができる。添加物は、非常に高い硫黄フィードによって、より短時間で硫黄除去活性が損なわれることがあっても、更に長い期間で硫黄除去に関して活性状態を保持する。
【0041】
独立した粒状の添加物を使用することに代えて、硫黄低減触媒を分解触媒の中に組み込んで、統合したFCC分解/ガソリン硫黄低減触媒を形成することができる。活性分解成分以外の分子篩と組み合わせて硫黄低減成分を使用する場合、例えば、主たる活性分解成分がUSYである場合にはZSM−5又はゼオライトベータに硫黄低減成分を使用する場合、硫黄低減成分(分子篩+金属)の量は、一般に、上述したように独立した粒状の添加物として使用することができる量に対応させて、触媒全体の25重量%まで又はそれ以下となる。
【0042】
分解触媒及び硫黄除去添加物に加えて、循環する触媒材料中に、他の触媒活性成分が存在することもできる。そのような他の材料の例には、ゼオライトZSM−5をベースとするオクタン価向上触媒、担持された貴金属、例えば白金をベースとするCO燃焼促進剤、デソックス(DESOX、商品名)(マグネシウム−アルミニウムスピネル)などの煙道ガス脱硫添加物、バナジウムトラップ剤、及び塔底物質分解添加物が含まれる。これらは、例えば、クリシュナ(Krishna)、サデッジベイジ(Sadeghbeigi)の前掲書、及びシェルツァー(Scherzer)の「Octane Enhancing Zeolitic FCC Catalysts」、Marcel Dekker社、ニューヨーク、1990年、ISBN 0−8247−8399−9に説明されている。これらの成分は、それらの通常使用量で使用することができる。
【0043】
本発明の添加物の効果は、液体分解生成物、特に軽質及び重質ガソリンフラクションの硫黄含量を減少させることであるが、硫黄含量の減少は、軽質サイクル油並びに軽質及び重質燃料油フラクションを含むより高沸点の留出生成物においても達成され、より耐熱性の硫黄化合物を除去することによって、これを水素化脱硫技術へ適用することができる。留出物フラクションは、その後、過酷度がより低く、より経済的な条件にて水素化脱硫して、ディーゼル又は家庭用燃料油の配合成分として用いるのに好適な留出生成物を製造することができる。
【0044】
分解プロセスそれ自体は、硫黄低減触媒を添加物の形態で又は統合された接触分解/硫黄低減触媒(単一の粒状触媒)として添加して、通常の手法で行われる。分解条件は本質的に常套のものとなる。
【0045】
触媒を使用することによって分解プロセスの間に分離された硫黄は、無機化合物の形態に転化されて硫化水素として放出され、これは通常の方法では、分解プロセスにおいて通常放出される硫化水素と同様の方法にてFCCUの生成物回収セクションにおいて回収することもできる。硫化水素の増加した量は、更にサワーガス/水処理を必要とする場合があるが、ガソリン中の硫黄をかなりの程度で減少させることによって、これらが制限要因となるとはあまり考えられない。
【0046】
本発明の触媒を使用することによって、分解生成物の硫黄の著しい減少を達成することができ、場合によっては、上述したような好ましい形態の触媒を用いると、常套の触媒を使用する基本となる場合を基準として、一定の転化率にて、50%までの低下を達成することができる。ガソリン中の硫黄を25%減少させることは、以下に記載する実施例に示すように、本発明の添加物の多くのものを用いて容易に達成される。LCOフラクションを含む中間留出物フラクションについては、アルキル置換ベンゾチオフェン及びジベンゾチオフェンを含む耐熱性硫黄化合物のレベルの低下と組み合わせることによって、以下の実施例に示すように、25%までの低下を達成することができる。硫黄の減少の程度は、分解フィードに元々含まれていた有機硫黄化合物の量に応じて決まり、硫黄含量がより高いフィードについての硫黄減少の度合いは最も大きくなる。装置内の平衡触媒の金属含量もまた、達成される脱硫の度合いに影響を及ぼすことがあり、平衡触媒における金属含量、特にバナジウム含量が小さいと、脱硫の度合いはより大きくなる。E−触媒のバナジウム含量が1000ppmより少ないと脱硫は非常に効果的になるが、バナジウム含量がそれよりも高い場合でも本発明の触媒はなお有効性を保持する。精製装置の分解されたガソリンの終点が重質ガソリンフラクションの硫黄含量によって制限されている場合には、硫黄を減少させることは、生成物の品質を向上させることだけでなく、生成物の収率を増加させることに対しても有効である。重質ガソリンフラクションの硫黄含量を減少させる効果的かつ経済的な方法を提供することによって、高価な水素処理に頼ることを必要とせずに、ガソリンの終点を拡張することができ、その結果、精製所の経済性に好ましい影響が及ぼされる。その後に水素処理が予定されている場合には、苛酷度がより低い条件下での水素処理によっては除去することが難しい種々のチオフェンの誘導体を除去することも望ましい。
【0047】
【実施例】
実施例1
触媒シリーズ1の調製
50%のUSY、21%のシリカゾル及び29%のクレイからなる、単一のソースの材料を噴霧乾燥したものから、触媒シリーズ1のすべての試料を調製した。USYは、2.454nmの出発時のユニット・セル・サイズ、5.46のSiO/Alモル比、及び810m−1の全表面積を有していた。
V/USY触媒(触媒A)は、上記の噴霧乾燥した触媒をpH6のNHOHを用いてスラリー化した後、濾過、硫酸アンモニウム交換及び水洗を行って調製した。触媒は、スチームの存在下、1300゜Fにて2時間焼成し、バナジルオキサレートを含浸させた。スチーム焼成によってゼオライトのユニット・セル・サイズを減少させ、バナジウムの存在で安定性を向上させた。
【0048】
V/USY触媒(触媒B)は、触媒の最初のスラリー化をpH3.2〜3.5の範囲で行ったこと以外は、触媒Aと同様にして調製した。
2種のRE+V/USY触媒(触媒C及びD)は、硫酸アンモニウム交換の後、触媒を希土類元素塩化物の溶液により交換して、触媒にそれぞれ2重量%及び4重量%のREを添加したこと以外は、触媒Bと同様にして調製した。使用した希土類元素溶液は、そのCe3+が抽出されており、従って、多少のCeイオンのみを含有している。
【0049】
Ce+V/USY触媒(触媒E)は、硫酸アンモニウム交換の後、触媒を塩化セリウムの溶液により交換して、触媒にそれぞれ5%のセリウムを(CeOとして)添加したこと以外は、触媒Bと同様にして調製した。
これらの触媒をその後スチーム処理して失活させ、流動床スチーム処理装置内で770℃(1420゜F)にて20時間、50%のスチームを使用して、FCC装置内での触媒失活をシミュレートした。焼成及びスチーム処理失活を行った触媒の物理的性質を表1にまとめて示している。
【0050】
【表1】

Figure 0003550065
【0051】
実施例2
触媒シリーズ2の調製
V/USY触媒(触媒F)は、シリカ/アルミナ比5.4及び2.435nmのユニット・セル・サイズを有するUSYゼオライトを用いて調製した。シリカゾル/クレイマトリックス中に50重量%のUSY結晶を含有する水性スラリーを噴霧乾燥することによって流動触媒を調製した。マトリックスは、22重量%のシリカゾル及び28重量%のカオリンクレイを含有していた。噴霧乾燥した触媒を硫酸アンモニウムの溶液を用いて交換することによりNH と交換し、その後乾燥させた。USY触媒を、バナジウムオキサレートの溶液に含浸させることによって目標の0.5重量%のVとした。
【0052】
RE+V/USY触媒(触媒G)は、シリカ/アルミナ比5.5及び2.454nmのユニット・セル・サイズを有するUSYゼオライトを用いて調製した。USYは、硫酸アンモニウムの溶液を用いて交換することによりNH と交換した。NH 交換を行ったUSYは、その後、希土類元素塩化物の混合物溶液と交換することによって、希土類カチオン(例えば、La3+、Ce3+など)と交換した。使用した希土類元素溶液は、そのCe3+の大部分が抽出されて、従ってごく少量のCeを含有していた。RE交換したUSYは、更に洗浄し、乾燥し、回転式焼成装置の中でスチームの存在下、760℃(1440゜F)にて焼成した。スチーム焼成によって、ゼオライトのユニット・セル・サイズは24.40Åへ低下し、バナジウムの存在によって安定性は向上した。シリカゾル/クレイマトリックス中に50重量%のRE−USY結晶を含有する水性スラリーを噴霧乾燥することによって流動触媒を調製した。マトリックスは、22重量%のシリカゾル及び28重量%のカオリンクレイを含有していた。噴霧乾燥した触媒を硫酸アンモニウムの溶液を用いて交換することによりNH と交換し、その後乾燥させ、540℃(1000゜F)にて2時間焼成した。焼成を続けて、RE/USY触媒にVOSO溶液を含浸させた。
【0053】
触媒Hは、USYの交換に、主としてCeClを含有する混合REClの溶液を用いたこと以外は、触媒Gの場合と同様の手順を用いて調製した。触媒Hは、シリカ/アルミナ比5.5及び2.454nmのユニット・セル・サイズを有する市販のUSYゼオライトを用いて調製した。USYは、硫酸アンモニウムの溶液を用いて交換することによりNH と交換した。NH 交換を行ったUSYは、その後、ランタンを含有するCeClにより交換した。交換したUSYは、更に洗浄し、乾燥し、回転式焼成装置の中でスチームの存在下、760℃(1440゜F)にて焼成した。スチーム焼成によって、ゼオライトのユニット・セル・サイズは2.440nmへ低下した。シリカゾル/クレイマトリックス中に50重量%の希土類元素含有USY結晶を含有する水性スラリーを噴霧乾燥することによって流動触媒を調製した。マトリックスは、22重量%のシリカゾル及び28重量%のカオリンクレイを含有していた。噴霧乾燥した触媒を硫酸アンモニウムの溶液を用いて交換することによりNH と交換し、その後乾燥させ、540℃(1000゜F)にて2時間焼成した。焼成を続けて、触媒にVOSO溶液を含浸させた。焼成した触媒の物理的特性を表2にまとめて示す。
【0054】
【表2】
Figure 0003550065
【0055】
実施例3
触媒シリーズ3の調製
V/USY触媒(触媒I)は、シリカ/アルミナ比5.4及び2.435nmのユニット・セル・サイズを有するH型−USYゼオライト(結晶)を用いて調製した。40重量%のUSY結晶、25重量%のシリカ、5重量%のアルミナ、及び30重量%のカオリンクレイを含有する水性スラリーを噴霧乾燥することによって流動触媒を調製した。噴霧乾燥した触媒は、540℃(1000゜F)にて3時間焼成した。得られたH型−USY触媒を初期湿潤含浸法(incipient wetness impregnation)によってバナジウムオキサレートの溶液に含浸させることにより目標の0.4重量%のVとした。含浸させたV/USY触媒は更に540℃(1000゜F)にて3時間空気焼成した。最終的な触媒は0.39%のVを含有する。
【0056】
Ce+V/USY触媒(触媒J)は、触媒Iと同じ噴霧乾燥したH型−USY触媒中間体から調製した。H型−USY触媒は、初期湿潤含浸法を用いてCe(NO溶液に含浸させることにより目標の1.5重量%のCe添加とした。得られたCe/USY触媒は、540℃(1000゜F)にて3時間空気焼成した後、540℃(1000゜F)にて3時間スチーム処理した。その後、触媒は、初期湿潤含浸法により、バナジウムオキサレート溶液に含浸させることによって目標の0.4重量%のVとした。含浸させたCe+V/USY触媒は、更に540℃(1000゜F)にて3時間空気焼成した。最終的な触媒は、1.4%のCe及び0.43%のVを含有する。
【0057】
【表3】
Figure 0003550065
【0058】
実施例4
触媒シリーズ4の調製
50%のUSY、21%のシリカゾル及び29%のクレイからなる、単一のソースの材料を噴霧乾燥したものから、触媒シリーズ4のすべての試料を調製した。出発物質のUSYは、5.4のシリカ/アルミナ比及び2.454nmのユニット・セル・サイズを有していた。噴霧乾燥した触媒は、pH6のNHOH及び(NHSOの溶液を用いてスラリー化してNaを除去した後、水洗し、650℃(1200゜F)にて2時間焼成した。
【0059】
V/USY触媒(触媒K)は、上記のH型−USY触媒を用いて調製した。H型−USY触媒は、初期湿潤含浸法を用いてバナジウムオキサレート溶液に含浸させることにより目標の0.5重量%のVとした。含浸させたV/USY触媒は、更に650℃(1200゜F)にて2時間空気焼成した。最終的な触媒は、0.5%のVを含有する。
【0060】
Ce+V/USY(触媒L)は、上記のH型−USY触媒を用いて調製した。H型−USY触媒は、CeClの溶液を用いて交換させることにより目標の0.75重量%のCe添加とした。得られるCe/USY触媒は、空気焼成し、初期湿潤含浸法を用いてバナジウムオキサレート溶液を含浸させることにより目標の0.5重量%のVとした。含浸させたCe+V/USY触媒は更に空気焼成した。最終的な触媒は、0.72%のCe及び0.52%のVを含有する。
Ce+V/USY(触媒m)は、上記のH型−USY触媒からCeClの溶液を用いて交換させることにより目標の3重量%のCe添加とした。得られるCe/USY触媒は、空気焼成し、初期湿潤含浸法を用いて0.5重量%のVを目標としてバナジウムオキサレート溶液を含浸させた。含浸させたCe+V/USY触媒は更に空気焼成した。最終的な触媒は、1.5%のCe及び0.53%のVを含有する。
【0061】
Ce+V/USY(触媒N)は、上記のH型−USY触媒から初期湿潤含浸法によってCeClの溶液に含浸させることにより目標の1.5重量%のCe添加とした。得られるCe/USY触媒は、空気焼成し、初期湿潤含浸法を用いて0.5重量%のVを目標としてバナジウムオキサレート溶液を含浸させた。含浸させたCe+V/USY触媒は更に空気焼成した。最終的な触媒は、1.5%のCe及び0.53%のVを含有する。
【0062】
これらの触媒は、その後スチーム処理して失活させ、流動床スチーム処理装置内で、50%のスチーム及び50%のガスを使用して770℃(1420゜F)にて20時間、FCC装置内での触媒失活をシミュレートした。ガスストリームは、空気から、N、プロピレン,及びN混合物、並びにNへ10分ごとに変化させ、空気に循環して戻してFCC装置(繰り返しスチーム処理)のコーキング/再生サイクルをシミュレートした。2組の失活触媒の試料の再生を行った。1つのバッチの触媒については、スチーム失活サイクルを空気燃焼(酸化的−終了)により終了し、もう1つのバッチの触媒についてはプロピレン(還元的−終了)により終了した。「還元的−終了」のコークス含量は、0.05%のC以下である。焼成及びスチーム処理(酸化的−終了)触媒の物理的特性を表4にまとめて示している。
【0063】
【表4】
Figure 0003550065
【0064】
実施例5
触媒シリーズ5の調製
40%のUSY、30%のコロイダルシリカゾル及び30%のクレイからなる、単一のソースの材料を噴霧乾燥したものから、触媒シリーズ5のすべての試料を調製した。出発物質のH型−USYは、5.4のバルク・シリカ/アルミナ比及び2.435nmのユニット・セル・サイズを有していた。噴霧乾燥した触媒は、540℃(1000゜F)にて3時間空気焼成した。
Ce/USY触媒(触媒O)は、上記のH型−USY触媒を用いて調製した。H型−USY触媒は、1.5重量%のCe添加を目標として、初期湿潤含浸法を用いてCe(NO溶液に含浸させた。得られたCe/USYは、540℃(1000゜F)にて空気焼成した後、540℃(1000゜F)にて3時間スチーム処理した。
【0065】
Ce+V/USY触媒(触媒P)は、触媒Oから調製した。Ce/USY触媒を初期湿潤含浸法によりバナジウムオキサレート溶液に含浸させることによって、目標の0.5重量%のVとした。含浸させたCe+V/USY触媒は、乾燥し、540(1000゜F)にて空気焼成した。最終的な触媒は、1.4%のCe及び0.49%のVを含有する。
Ce+V/USY触媒(触媒Q)は、触媒Oから、0.5重量%のV添加を目標として、〜3のpHにてVOSOの溶液に含浸させることによって調製した。得られるCe/USY触媒は、乾燥し、540(1000゜F)にて3時間空気焼成した。焼成した触媒の物理的特性を表5にまとめて示す。
【0066】
【表5】
Figure 0003550065
【0067】
実施例6
RE+V/USY/シリカゾル触媒の調製
RE+V/USY触媒(触媒R)は、シリカ/アルミナ比5.5及び2.465nmのユニット・セル・サイズを有するNaYゼオライトを用いて調製した。ゼオライトYは、硫酸アンモニウムの溶液を用いて交換することによってNH により交換した。NH 交換したゼオライトYは、その後、希土類元素塩化物の混合物溶液を用いて交換することによって、希土類カチオン(例えば、La3+、Ce3+など)と交換し、その希土類元素塩化物の混合物溶液からは大部分のCe3+が抽出されており、従って、溶液はきわめて少量のセリウムを含有していた。RE交換したYは、更に水洗し、乾燥させ、スチームの存在下で705℃(1300゜F)にて2時間焼成した。スチーム焼成によってゼオライトのユニット・セル・サイズは減少し、バナジウムの存在によって安定性は向上した。シリカゾル/クレイマトリックス中に50重量%のRE−USY結晶を含有する水性スラリーを噴霧乾燥することによって流動触媒を調製した。マトリックスは、22重量%のシリカゾル及び28重量%のカオリンクレイを含有していた。噴霧乾燥した触媒は、硫酸アンモニウムの溶液を用いて交換することによってNH により交換した。焼成を続けて、RE/USY触媒にバナジウムオキサレート溶液を含浸させた。焼成した触媒の物理的特性を表6にまとめて示す。
【0068】
【表6】
Figure 0003550065
【0069】
実施例7
Ce+V/USY/シリカゾル触媒の調製
Ce+V/USY触媒(触媒S)は、シリカ/アルミナ比5.5及び2.454nmのユニット・セル・サイズを有するNaUSYゼオライトを用いて調製した。USYは、硫酸アンモニウムの溶液を用いて交換することによりNH と交換した。NH 交換を行ったUSYは、その後、塩化セリウム及び少量のセリウム以外の希土類元素イオン(例えば、La3+、Pr、Nd、Gdなど)を含有する溶液と交換することによって、Ce3+と交換した。Ce交換したUSYは、更に洗浄し、乾燥し、スチームの存在下、705℃(1300゜F)にて2時間焼成した。スチーム焼成によって、ゼオライトのユニット・セル・サイズは低下し、バナジウムの存在によって安定性は向上した。シリカゾル/クレイマトリックス中に50重量%のCe/USY結晶を含有する水性スラリーを噴霧乾燥することによって流動触媒を調製した。マトリックスは、22重量%のシリカゾル及び28重量%のカオリンクレイを含有していた。噴霧乾燥した触媒を硫酸アンモニウムの溶液を用いて交換することによりNH と交換し、その後乾燥させ、540℃(1000゜F)にて1時間焼成した。焼成を続けて、Ce/USY触媒にバナジウムスルフェート溶液を含浸させた。焼成した触媒の物理的特性を表7にまとめて示す。
【0070】
【表7】
Figure 0003550065
【0071】
実験手順:分解性能の評価
実施例1〜7の触媒のFCCについての評価を行い、その結果を実施例8〜15において報告する。減圧軽油(VGO)フィードを用いて、ASTM D−3907の手順を改良したASTMマイクロアクティビティテスト(MAT)により、軽油の分解活性及び選択性について配合触媒(試料+平衡触媒)を試験した。添加触媒のいくつかのものについては、減圧軽油及び水素処理したフィードを用いて、順環式ライザー・パイロット装置において評価を行った。3種のVGOフィード及びこれらの実施例において用いた1種の苛酷に触媒フィード水素処理を行ったフィード(CFHT)の組成を表8に示す。
【0072】
【表8】
Figure 0003550065
【0073】
分解転化率の範囲は、527℃(980゜F)での反応のランにより、触媒/油比を変化させることによって得られた。分解した生成物についてのカットポイントは、以下のとおりであった:
ガソリン C+〜220℃(125゜F〜430゜F)、
軽質LCO 220℃〜310℃(430゜F〜590゜F)、
重質LCO 310℃〜370℃(590゜F〜700゜F)、
軽質燃料油(LFO) 220℃〜370℃(430゜F〜700゜F)、
重質燃料油(HFO) 370℃+(700゜F+)。
各物質収支からのガソリン範囲生成物は、ガソリンの硫黄濃度を測定するために、硫黄GC(ガスクロマトグラフィー)(AED)を用いて分析した。ガソリンの蒸留カットポイントの変動に伴なう硫黄濃度においての実験誤差を減らすために、合成原油(syncrude)中のチオフェンからC−チオフェンまでの範囲にわたる硫黄種(ベンゾチオフェンおよびより沸点の高いS種を除く)を定量し、合計を「分留ガソリン(cut−gasoline)のS」と定義した。
ガソリン範囲より高い沸点範囲の留出物フラクションの硫黄含量を測定するため(実施例14及び15)、合成原油を常圧蒸留に付してガソリンを分離した。それから塔底フラクションを更に減圧蒸留に付して2種のLFO/LCOフラクション(軽質LCOフラクション及び重質LCOフラクション)ならHFOフラクションを生成させた。LCO試料中の硫黄種は、J&W 100mDB−石油カラム及びSievers 3655B 硫黄デテクターを備えたガスクロマトグラフ装置を用いて定量した。各LCO硫黄種の濃度は、XPS法によって測定した全硫黄含量及びGCからの硫黄種の割合に基づいて計算した。
【0074】
シリーズ1触媒の流動床式接触分解の評価
実施例1からの触媒を、流動床スチーマーにおいて、上記実施例4で説明したように、50%スチーム及び50%ガスを用いて、770℃(1420゜F)にて20時間スチーム失活させ、空気燃焼(酸化的−終了)によって終了した。スチーム処理された添加物触媒25重量%を、FCC装置からの非常に低い金属レベル(120ppmのV及び60ppmのNi)を有する平衡触媒に配合した。マイクロアクティビティテストにおいて、分解フィードとしてVGONo.1を使用して、触媒の接触分解性能を評価した。触媒の性能を表9にまとめて示すが、生成物の選択率は、一定の転化率、220℃(430゜F)又はそれ以下の物質へのフィードの転化率へ補間した。
【0075】
【表9】
Figure 0003550065
【0076】
表9の触媒/油比には、失活V/USY及びE触媒を配合したものは、65%転化率を達成するために、100%平衡触媒の基本ケースの場合と比べて、より高い触媒/油比(3.3対3.0の触媒/油比、即ち、活性の10%低下)を必要とするということが示されている。このことは、平衡触媒と対比して、V/USY触媒の分解活性がより低いことに基づくものである。対照的に、RE+V/USY触媒を添加しても、65%転化率を達成するために触媒/油比を増大することはない。これらの触媒/油比の結果は、RE+V/USY触媒が、V/USY触媒よりもより良好な分解活性を保持し、及びより良好な安定性を有するということを示している。
【0077】
平衡触媒の基本のケースと比較して、V/USY触媒及びRE+V/USY触媒を添加することによって、全生成物収率構造について多少の変化がもたらされている。水素及びコークスの収率がわずかながら増加している。C−ガス、ガソリン、軽質燃料油比及び重質燃料油の収率についても多少の変化が観察されている。V/USY触媒及びRE+V/USY触媒を添加することによって、ガソリンS濃度は実質的に変化している。平衡FCC触媒に、触媒A又はB(V/USY対照触媒)をそれぞれ25重量%配合した場合、それぞれ39.0%及び40.8%のガソリン硫黄濃度の低下が達成された。平衡触媒に25重量%のRE+V/USY触媒(触媒C及びD)を添加した場合には、ガソリン硫黄濃度の低下は対照触媒(38〜40%)に匹敵する。希土類金属の大部分としてCeを含有するRE+V/USY触媒(触媒E)は、ガソリンのSについて43.1%の低下をもたらして、ガソリンS含量を更に4%低下させている、即ち、V/USY触媒及び混合RE+V/USY触媒よりも10%もの向上を達成している。全ての触媒のバナジウム添加(0.36〜0.39%)は同等であった。
【0078】
これらの結果は、希土類元素を添加することによってV/USY触媒の分解活性が向上するということを示している。分解生成物の収率における変化は軽微である。希土類元素イオンの中で、セリウムは、Ce+V/USY触媒が、流動床式接触分解条件において、より高い分解活性を示すだけでなく、向上したガソリン硫黄低減活性を示すという特有の特性を示している。大量のセリウムレベルを伴なわない希土類元素RE/USY触媒は、ガソリンS低減についてV/USY触媒と比べてあまり利点はもたらさないが、その一方で、セリウムはV/USY触媒又はRE+V/USY触媒(高いセリウムレベルを有さないもの)のガソリン硫黄レベルを更に低下させる。
【0079】
シリーズ2触媒の分解活性の評価
実施例2からの触媒(シリーズ2の触媒、触媒F、G、H)を、種々の時間で770℃(1420゜F)にてスチーム処理させて、触媒の安定性を比較した。触媒は、50%スチーム及び50%ガスを用いて(上記実施例4で説明したような繰り返しスチーム処理、還元的−終了)を用いて、2.3時間、5.3時間、10時間、20時間及び30時間で流動触媒スチーマーにおいてスチーム処理した。失活させた触媒の表面積の保持を図2にプロットして示す。
【0080】
スチーム失活させた触媒の、軽油の分解活性についての試験を、減圧軽油(VGO)No.2(硫黄分2.6重量%以上)を用いて、ASTMマイクロアクティビティテスト(ASTM手順 D−3907)により行った。30秒の接触時間及び545℃(980゜F)の反応温度にて、220℃−(430゜F−)への重量%転化率を、4:1の一定の触媒/油比で測定した。転化率を、スチーム失活時間の関数として図3にプロットして示している。
【0081】
図2に示す表面積保持によれば、3種の触媒がすべて同等の骨格構造安定性を有することが示唆される種々の水熱失活条件において、V/USY触媒及びRE+V/USY触媒は同等の表面積保持率を呈することが示されている。しかし、図3に示す転化率のプロットは、水熱失活の苛酷度が増大する場合に、RE+V/USY触媒ははるかに向上した分解活性の保持率を有することを示している。水熱失活において、分解活性をV/USYからRE+Vの型(version)へ向上させることは、15%の転化率であった。種々の量のセリウムを有するREの型どうしにおいても、明らかな違いは観察されなかった。これらの結果は、RE+V/USY触媒がV/USY触媒よりも低い触媒/油比にて目標転化率を達成する、実施例8の場合に合致している。これらの転化率の結果は、RE+V/USY触媒は、V/USY触媒に比べて、より安定であり、より良好な分解活性を保持するということを示している。USY触媒へ希土類元素イオンを添加した後、スチーム処理焼成してゼオライトのユニット・セル・サイズを低下させることによって、バナジウムの存在下では触媒の安定性が向上した。
【0082】
実施例10
シリーズ3触媒の流動床式接触分解の評価
実施例3からのV触媒及びCe+V USY触媒(触媒I、J)を、上記実施例4で説明したように、50%スチーム及び50%ガスを用いて、流動床スチーマーにおいて、770℃(1420゜F)で20時間スチーム失活させ、空気燃焼(酸化的−終了)にて終了した。スチーム処理した添加物触媒の25重量%を、低金属FCC平衡触媒(120ppmのV及び60ppmのNi)に配合した。配合した触媒は、その後、上述のように、VGONo.1フィードを用いて、MAT試験によって評価した。VGONo.1を使用するシリーズ3触媒の性能を表10にまとめて示すが、生成物の選択率は、一定の転化率、220℃(430゜F)又はそれ以下の物質へのフィードの70重量%の転化率へ補間した。
【0083】
【表10】
Figure 0003550065
【0084】
表10は、繰り返しスチーム失活処理(酸化的−終了)の後、平衡FCC触媒(E触媒)とそれぞれ配合したV/USY触媒及びCe+V/USY/シリカ−アルミナ−クレイ触媒のFCC性能を対比している。E触媒の基本のケースと対比して、V/USY触媒及びCe+V/USY触媒を添加することによって、生成物収率構造全体について多少の変化がもたらされている。C−ガス、ガソリン、軽質燃料油比及び重質燃料油の収率についても多少の変化が観察されている。水素及びコークスの収率について適度の増加が観察された。生成物の収率の変化は小さかったが、V/USY触媒及びCe+V/USY触媒はガソリンS濃度を実質的に変化させた。平衡FCC触媒に、触媒I(V/USY対照触媒)25重量%を配合すると、29%のガソリン硫黄濃度の低下が達成された。対照的に、Ce+V/USY触媒(触媒J)は、ガソリンSの56%の低下をもたらした。V/USY触媒へCeを添加することによって、ガソリンS含量を27%低下させ、従って、V/USY対照触媒よりも93%もの向上が達成された。双方の触媒は同等のバナジウム添加率(0.39%対0.43%のV)を有している。Ceそれ自体はガソリンの硫黄低減活性を有していない(下記の実施例11参照)という事項を考慮すると、これらの結果はまったく予期されなかったことであり、セリウムを添加することの利点(又は効果)を明確に示している。
【0085】
実施例11
繰り返しスチーム処理の後でのシリーズ4触媒の流動床式接触分解評価
この実施例では、実施例4からのV及びCe+V触媒の性能をまとめて示す。シリーズ4の触媒を、上記実施例4で説明したように、繰り返しスチーム処理(還元的−終了)によってスチーム失活させ、25:75の重量比で低金属FCC平衡触媒(120ppmのV及び60ppmのNi)に配合し、VGONo.1フィードを用いて試験した。結果を表11にまとめて示す。
【0086】
【表11】
Figure 0003550065
【0087】
表11は、繰り返しスチーム失活処理(酸化的−終了)の後、V/USY触媒及びCe+V/USY/シリカ−アルミナ−クレイ触媒のFCC性能を対比している。E触媒の基本のケースと対比して、V/USY触媒及びCe+V/USY触媒を添加することによって、生成物収率構造全体について多少の変化がもたらされている。水素、C−ガス、ガソリン、軽質サイクル油、重質燃料油及びコークスの収率についても、それぞれ0.2重量%以下の変化が観察されている。V/USY触媒及びCe+V/USY触媒を添加することによって、ガソリンS濃度は種々の程度で変化した。平衡FCC触媒に、触媒K(V/USY対照触媒)25重量%を配合すると、5.2%のガソリン硫黄濃度の低下が達成された。対照的に、Ce+V/USY触媒(触媒M及びN)は、それぞれガソリンSの17.4%の低下をもたらした。V/USY触媒へCeを添加することによって、ガソリンS含量を更に12.3%低下させ、従って、V/USY対照触媒よりも237%もの向上が達成された。
【0088】
実施例12
繰り返しスチーム処理の後でのシリーズ4触媒の流動床式接触分解評価
この実施例では、実施例4からのV及びCe+V触媒の、繰り返しスチーム処理の後で性能をまとめて示す。シリーズ4の触媒を、上記実施例4で説明したように、繰り返しスチーム処理(還元的−終了)によって失活させ、25:75の重量比で低金属FCC平衡触媒(120ppmのV及び60ppmのNi)に配合した。VGONo.1フィードを用いて得られた結果を表12にまとめて示す。
【0089】
【表12】
Figure 0003550065
【0090】
表12は、繰り返しスチーム失活処理(酸化的−終了)の後、V/USY及びCe+V/USY/シリカゾル添加物触媒のFCC性能を対比している。E触媒の基本のケースと対比して、V/USY及びCe+V/USY触媒を添加することによって、生成物収率構造全体について多少の変化がもたらされている。水素及びコークスの収率についても、適度の変化が観察された。C−ガス収率、ガソリン、軽質サイクル油、重質燃料油についても、多少の変化が観察された。V/USY触媒及びCe+V/USY触媒を添加することによって、ガソリンS濃度は実質的に変化した。平衡FCC触媒に、触媒K(V/USY対照触媒)25重量%を配合すると、51.1%のガソリン硫黄濃度の低下が達成された。対照的に、Ce+V/USY触媒(触媒L及びM)は、それぞれガソリンSの58.1%及び61.3%の低下をもたらした。V/USY触媒へCeを添加することによって、ガソリンS含量を更に7.0〜10.2%低下させ、従って、V/USY対照触媒よりも20%までの向上が達成された。
【0091】
V/USY触媒及びCe+V/USY触媒の生成物収率のデータは、E触媒からの収率の変化が、USY触媒へのバナジウムの添加に基づくものであることを示している。V/USY触媒の生成物収率は、ガソリンSレベル以外の点で、Ce+V/USY触媒の収率に匹敵する。これらの結果は、CeがV/USY添加物触媒のガソリン硫黄低減活性を向上させて、生成物収率にはあまり影響を与えないということを示唆している。
【0092】
実施例13
シリーズ5触媒の流動床式接触分解評価、促進作用の検討
この実施例では、実施例5からのCe及びCe+V触媒の、繰り返しスチーム失活処理(還元的−終了)の後での性能をまとめて示す。失活させた触媒を25:75の重量比で低金属FCC平衡触媒(120ppmのV及び60ppmのNi)に配合した。VGONo.1フィードを用いて得られた結果を表13にまとめて示す。
【0093】
【表13】
Figure 0003550065
【0094】
表13は、繰り返しスチーム失活処理(還元的−終了)の後、Ce/USY及びCe+V/USY/シリカ−クレイ添加物触媒のFCC性能を対比している。E触媒の基本のケースと対比して、Ce/USY触媒を添加しても、生成物収率構造全体についてほとんど変化がなかった。Ce+V/USY触媒を添加すると、生成物収率構造全体について多少の変化があった。水素及びコークスの収率について、並びにC−ガス、ガソリン、軽質サイクル油、重質燃料油の収率についても、適度の変化が観察された。Ce/USY触媒を添加することによって、ガソリンS濃度は変化しなかった。対照的に、Ce+V/USY触媒(本発明の触媒P及びQ)を添加することによって、ガソリンS濃度は、それぞれ29.8%及び27.7%低下した。これらの結果は、セリウムそれ自体はガソリン硫黄低減活性をまったく有さないということを示している。セリウムは、バナジウムに対して、V/USYガソリン硫黄低減添加物触媒の活性を向上させる促進作用を有することが観察される。
【0095】
実施例14
循環式ライザーパイロット装置(Davison Circulating Riser)において、VGONo.3フィード(表8)を用いて、典型的なFCC平衡触媒と組み合わせて、触媒Rの評価を行った。評価の前に、RE+V/USY触媒は、50%スチーム及び50%ガスを用いて、770℃(1420゜F)で20時間スチーム失活させた。FCC装置からの平衡触媒(530ppmのバナジウム及び330ppmのNi)に25重量%のスチーム処理した添加物触媒を配合した。
触媒のFCC性能を表14にまとめて示しており、生成物の選択率は、一定の転化率、220℃−(430゜F−)物質への75重量%転化率へ補間した。
【0096】
【表14】
Figure 0003550065
【0097】
基本のケースと比較して、RE+V/USY触媒25重量%を添加すると、生成物収率構造全体について多少の変化があった。水素及びコークスの収率については無視できる程度の増加であった。C−ガス、ガソリン、軽質サイクル油、重質燃料油の収率についても、わずかに変化が観察された。RE+V/USY触媒を添加することによって、ガソリン硫黄濃度は実質的に変化し、ガソリン硫黄濃度の20%の低下が達成された。ガソリン硫黄濃度の低下に加えて、LCOについても実質的に硫黄の減少が観察され、全体としてLCO硫黄9%の減少に相当した。
LCOにおける硫黄種を表15及び図4に示す。LCOは幅広いベンゾチオフェン及びジベンゾチオフェン硫黄種を含有している。硫黄の低減は、置換ベンゾチオフェン及び置換ジベンゾチオフェン、例えば、C+−ベンゾチオフェン及びC〜C+ジベンゾチオフェンにおいてより顕著であった。置換ジベンゾチオフェンはより嵩高く、FCCにおいて脱硫したり、分解したりするのは困難であると考えられていたため、この結果は全く予想されないものであった。
【0098】
【表15】
Figure 0003550065
【0099】
実施例15
Ce+V/USY/シリカゾル触媒の流動床式接触分解の評価
循環流動床式接触分解装置において、表8の苛酷に水素処理を行ったFCCフィード(CFHTフィード)を用いる典型的なFCC触媒と組み合わせて、40日間で実施例7からのCe+V/USY触媒(触媒S)の評価を行った。ベースのFCC平衡触媒は、非常に低い金属レベル(200ppmのV及び130ppmのNi)を有している。最初の15日間では、新たなFCC触媒と実施例7からのCe+V/USY触媒との50/50の割合の配合物をFCC再生装置に、1日あたり1.4%の触媒量で添加した。15日目から40日目では、新たなFCC触媒とCe+V/USY触媒との85/15の割合の配合物をFCC再生装置に、1日あたり1.4%の触媒量で添加した。再生装置の温度は、評価の間は約705℃(1300゜F)に維持した。1種はCe+V/USY触媒を添加する前のもの(基本のケース)であり、もう1種は40日目のものである、2種の触媒(E触媒)の試料をサンプリングした。Ce及びV分析に基づいて、Ce+V/USY触媒の添加率を12%と見積もった。
触媒のFCC性能を表16にまとめて示しており、生成物の選択率は、一定の転化率、220℃−(430゜F−)物質への70重量%転化率へ補間した。
【0100】
【表16】
Figure 0003550065
【0101】
E触媒の基本のケースと比較して、Ce+V/USY触媒を添加すると、生成物収率構造全体について多少の変化があった。水素及びコークスの収率については無視できる程度の増加であった。C−ガス、ガソリン、軽質サイクル油、重質燃料油の収率についても、わずかに変化が観察された。Ce+V/USY触媒を添加することによって、ガソリンS濃度は実質的に変化した。平衡FCC触媒に12重量%のCe+V/USY触媒を配合すると、ガソリン硫黄濃度の21%の低下が達成された。ガソリン硫黄濃度の低下に加えて、LCO及びHFOについても実質的に硫黄の減少が観察された。
硫黄GCを用いて、軽質LCOフラクションにおける硫黄種の分析を行った。軽質LCOについての各有機硫黄種の濃度を、表17及び図5にそれぞれ示す。
【0102】
【表17】
Figure 0003550065
【0103】
図5に示すように、軽質LCOは、主としてベンゾチオフェン硫黄種を含有している。硫黄の減少は、軽質LCO硫黄全体として27%の減少に相当し、置換ベンゾチオフェン、例えばC−ベンゾチオフェンからC+−ベンゾチオフェンまでについてより顕著であった。置換ベンゾチオフェンはより嵩高く、FCCにおいて脱硫したり、分解したりするのは困難であると考えられていたため、この結果は全く予想されないものであった。
重質LCOフラクションにおける硫黄種を、表18及び図6に示す。重質LCOは、主としてジベンゾチオフェン硫黄種を含有している。硫黄の減少(重質LCOについて全体として14%)は、置換ジベンゾチオフェン、例えばC〜C+−ジベンゾチオフェンについてより顕著であった。置換ジベンゾチオフェンはより嵩高く、FCCにおいて脱硫したり、分解したりするのは困難であると考えられていたため、この結果は全く予想されないものであった。
【0104】
【表18】
Figure 0003550065
【0105】
硫黄低減触媒は、ベンゾチオフェン及びジベンゾチオフェンの低減、並びにチオフェン硫黄種の低減に活性を有する。硫黄の減少は、置換ベンゾチオフェン及び置換ジベンゾチオフェンについて顕著に生じる。これらの結果は、アルキル置換チオフェンにおけるC−S結合はより反応性を有し、分解を受けやすいということを示唆している。
【0106】
置換チオフェン、置換ベンゾチオフェン、及び置換ジベンゾチオフェンの硫黄が容易に減少されることはまったく予想されなかったことであって、その後のLCO脱硫プロセスの効率を向上させることになる。LCO脱硫プロセスについて、ベンゾチオフェン及びジベンゾチオフェンのメチル及び/又はアルキル置換は、有機硫黄種の脱硫反応性を実質的に低下させ、「ハードな硫黄」又は「耐熱性の硫黄」をもたらすということはよく知られている。本発明のより低い含量にて置換ベンゾ及びジベンゾチオフェンを含有するLCOによれば、常套のFCC触媒によって製造される同等のLCOと比較して、水素化脱硫プロセスの後でより低い硫黄含量を有するディーゼル燃料が製造されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、硫黄GCの種分化を伴なうLCO硫黄GCを示している。
【図2】図2は、失活させた触媒の表面積の保持を示す。
【図3】図3は、スチーム失活時間の関数としての転化率を示している。
【図4】図4は、LCOにおける硫黄種を示している。
【図5】図5は、軽質LCOについての各有機硫黄種の濃度を示している。
【図6】図6は、重質LCOフラクションにおける硫黄種を示している。[0001]
The present invention relates to reducing sulfur in gasoline and other petroleum products produced by catalytic cracking processes. The present invention provides a catalyst composition for reducing product sulfur, and a method of using the composition to reduce product sulfur.
[0002]
Catalytic cracking is an oil refining process that is applied industrially on a very large scale, especially in the United States, where most of the refined gasoline blended pools are produced by catalytic cracking, most of which are fluidized bed It has been obtained by a catalytic cracking (FCC) process. In this catalytic cracking process, the heavy hydrocarbon fraction is converted to lighter products by reactions that take place at elevated temperatures in the presence of the catalyst, with the majority of the conversion or cracking reaction taking place in the gas phase. ing. The feedstock is converted to lighter gaseous cracked products having 4 or less carbon atoms per molecule, as well as gasoline, distillates, and other liquid cracked products. The gas consists partly of olefins and partly of saturated hydrocarbons.
[0003]
During the cracking reaction, a somewhat heavier substance known as coke adheres to the catalyst. This reduces the catalytic activity and requires regeneration. After removing the occluded hydrocarbons from the spent cracking catalyst, the coke is burned to recover the activity of the catalyst, thereby performing regeneration. Thus, the three characteristic steps of catalytic cracking are: a cracking step to convert hydrocarbon compounds to lighter products, a stripping step to remove hydrocarbon compounds adsorbed on the catalyst, and a combustion of coke from the catalyst. It can be distinguished from the regeneration step to be removed. The regenerated catalyst is then reused in the cracking process.
[0004]
Usually, the feedstock for catalytic cracking contains sulfur in the form of organic sulfur compounds such as mercaptans, sulfides and thiophenes. The products of the cracking process tend to contain corresponding sulfur impurities, even if about half of the sulfur content is converted to hydrogen sulfide primarily by catalytic cracking of non-thiophene sulfur compounds during the cracking process. The distribution of sulfur in the cracked products depends on many factors, including the feedstock, the type of catalyst, the additives present, the conversion and other operating conditions; It tends to enter the light or heavy gasoline fraction and be sent to the product pool. With the increasing environmental regulations that apply to petroleum products, for example, in the Reformed Gasoline (RFG) regulations, sulfur oxides and other sulfur compounds in the air after the combustion process In response to concerns about emissions into the atmosphere, the sulfur content of the product was generally reduced. Reducing gasoline sulfur is not only important for SOx emissions, but also for sulfur poisoning of automotive catalytic converters. Sulfur poisoning of the catalytic converter can also create other emission problems, such as NOx.
[0005]
Environmental concerns have been broadly focused on the sulfur content of motor gasoline due to its prominent position as an automotive fuel for passenger cars in the United States. This interest includes light cycle oil (LCO) and fuel oil fractions (light fuel oil (LFO) and heavy fuel oil (HFO)) obtained from the catalytic cracking process. It has been extended to high boiling distillate fractions. For these products, hydrodesulfurization has long been used to reduce the sulfur level in the product fraction, and this operation has generally been considered to be effective. However, higher boiling fractions are less suitable for desulfurization operations than lower boiling fractions, as higher boiling points increase the heat resistance of sulfur compounds, especially substituted benzothiophenes. Methyl and / or alkyl substitution of benzothiophene and dibenzothiophene in the LCO hydrodesulfurization process has substantially reduced the desulfurization reactivity of organic sulfur, and they have been described as "hard sulfur" or "heat resistant". Sulfur ". LCO sulfur GC is shown in FIG. 1 along with sulfur GC speciation. According to the evaluation by Girgis and Gate (Ind. Eng. Chem., 30, 1991, 2021-2058), by substituting a methyl group at the 4-position or 4- and 6-positions, the desulfurization activity is significantly increased. It is reported to decline. Reported that activity was reduced on the order of 1 to 10 (M. Houalla et al., Journal of Catalysis, 61, 1980, 523-527). Lamure-Meille et al. Suggested that the low activity of methyl-substituted dibenzothiophenes was caused by steric hindrance of the alkyl group (Lamur-Meille et al., Applied Catalysis A: General 131, 1995, 143-157). Assuming that higher boiling catalytic cracking products are used as feeds for the hydrodesulfurization process, it is clear that these cracking fractions are likely to trigger a reduction in the rate of formation of more heat resistant organic sulfur compounds. Become.
[0006]
Attempts have been made to remove sulfur from the FCC feed by hydrotreatment before cracking commences. While very effective, this approach tends to increase costs, both in terms of equipment capital costs and operating costs, due to the large consumption of hydrogen. Other attempts have been made to remove sulfur from cracked products by hydrotreatment. Although also very effective, this process has the disadvantage that the octane, a valuable product, is lost when high octane olefins are saturated.
[0007]
From an economic point of view, it is desirable to remove the sulfur content in the cracking process itself, since it will effectively desulfurize the major components of the gasoline blending pool without additional processing. Various catalytic materials have been developed to remove sulfur during the FCC process cycle, but to date most of the development has focused on removing sulfur from regenerator flue gas. Was something. An early attempt developed by Chevron was to use an alumina compound as an additive to an inserted cracking catalyst to adsorb sulfur oxides in FCC regeneration towers; Sulfur compounds adsorbed in the process are released as hydrogen sulfide during cracking of the cycle and sent to the product recovery section of the unit where they are removed. See Krishna et al., "Additives Improve FCC Process, Hydrocarbon Processing", November 1991, pp. 59-66. Sulfur is removed from the flue gas from the regenerator, but the product sulfur levels are not significantly affected, if at all.
[0008]
Another technique for removing sulfur dioxide from regenerators is based on using magnesium-aluminum spinel as an additive to the charged catalyst circulating in the FCCU. Under the designation DESOX®, which is used as an additive in this process, this technology has had significant commercial success. Representative patents for such sulfur removal additives include U.S. Pat. Nos. 4,963,520; 4,957,892; 4,957,718; 982 and the like. However, again the product sulfur levels are not significantly reduced.
[0009]
Catalyst additives for reducing sulfur levels in liquid cracked products have been proposed by Wormsbecher and Kim in U.S. Patent Nos. 5,376,608 and 5,525,210. . It uses the decomposition catalyst additive of a Lewis acid supported on alumina to produce gasoline with reduced sulfur, but this system has not had significant commercial success. Thus, there has been a continuing need for additives that are effective in reducing the sulfur content of liquid catalytic cracking products.
[0010]
In U.S. patent application Ser. No. 09 / 144,607 (filed on Aug. 31, 1998; corresponding to Japanese Patent Application No. 11-245105), the applicants filed a request for sulfur in the liquid product of the cracking process. Disclosed are catalyst materials for use in catalytic cracking processes that can reduce the content. These sulfur reduction catalysts contain, in addition to the porous molecular sieve component, a metal in an oxidation state greater than 0 inside the pore structure of the molecular sieve. The molecular sieve is in most cases a zeolite and may be a large pore size zeolite, such as zeolite beta or zeolite USY, or a medium pore size zeolite, such as a zeolite having properties corresponding to ZSM-5. Non-zeolitic molecular sieves, such as MeAPO-5 and MeAPSO-5, and mesoporous crystalline materials, such as MCM-41, can also be used as molecular sieve components of the catalyst. Metals such as vanadium, zinc, iron, cobalt and gallium have been found to be effective in reducing sulfur in gasoline, with vanadium being the preferred metal. These materials, when used as stand-alone particulate additive catalysts, are used to treat hydrocarbon feedstocks in fluidized bed catalytic cracking (FCC) units, typically active catalytic cracking catalysts (typically faujasite, e.g., Used in combination with zeolite Y, especially zeolite USY), produces low sulfur products. Since the molecular sieve component of the sulfur reduction catalyst is itself an active cracking catalyst, such as zeolite USY, it is in the form of an integrated cracking / sulfur reducing catalyst system, for example, metals that provide sulfur reducing functionality, such as vanadium, zinc, It is also possible to use the sulfur-reducing catalyst in a form containing a sulfur-reducing molecular sieve component and USY as an active decomposition component, together with iron, cobalt and gallium and the like and matrix materials to be added, such as silica and clay. .
[0011]
Another consideration in the production of FCC catalysts is catalyst stability, especially hydrothermal stability. The cracking catalyst is stripped by steam during use, following reduction (in the cracking step), and then from the combustion of coke, carbon-rich hydrocarbons attached to the catalyst particles during the cracking step in the cycle. Exposure to repeated oxidative regeneration cycles that produce large amounts of steam. In the early stages of developing zeolite cracking catalysts, a low sodium content is necessary not only for optimal cracking activity but also for stability, and rare earth elements such as cerium and lanthanum are very hydrothermally stable. Was found. See, for example, "Fluid Catalytic Cracking with Zeolite Catalysts", Venuto et al., Marcel Dekker, New York, 1979, ISBN 0-8247-6870-1.
[0012]
Applicants have developed a catalytic material for use in a catalytic cracking process that can, among other things, improve the reduction of the sulfur content of the liquid product of the cracking process, including gasoline and middle distillate cracking fractions. In the sulfur reduction catalyst of the present invention, a metal component in an oxidation state larger than 0 is present in the pore structure of the molecular sieve component of the catalyst composition, and in this case, vanadium is also a preferred metal. In that respect, it is similar to the catalyst disclosed in the aforementioned US patent application Ser. No. 09 / 144,607. However, in the case of the present invention, the composition also contains one or more rare earth elements, preferably cerium. Applicant has found that the presence of the rare earth element improves the stability of the catalyst as compared to a catalyst containing only vanadium or other types of metal components, and in certain preferred cases, in particular, It has been found that when cerium is used as the rare earth element component, the presence of the rare earth element improves the sulfur reduction activity. This is surprising since rare earth metal cations do not themselves have sulfur reducing activity.
[0013]
The sulfur reduction catalysts of the present invention are usually matrixed zeolites in combination with an active cracking catalyst in a cracker, i.e., containing a catalyst based on faujasite zeolite, usually zeolite Y. It is used in combination with the conventional main components of the circulating cracking catalyst. In another aspect, the sulfur reduction catalyst may be used in the form of an integrated cracking / component sulfur reduction catalyst system.
[0014]
According to the present invention, the sulfur removal catalyst composition comprises (i) a metal in an oxidation state greater than 0 inside the pore structure of the molecular sieve, and (ii) a porous molecular sieve containing a rare earth element component. It becomes. The molecular sieve is in most cases a zeolite, which can be a large pore size zeolite, such as zeolite beta or zeolite USY, or a medium pore size zeolite, such as a zeolite having properties corresponding to ZSM-5. . Non-zeolitic molecular sieves, such as MeAPO-5 and MeAPSO-5, and mesoporous crystalline materials, such as MCM-41, can also be used as molecular sieve components of the catalyst. Metals such as vanadium, zinc, iron, cobalt and gallium are effective. If the selected molecular sieve material has sufficient cracking activity, the material can also be used as an active catalytic cracking catalyst, usually a faujasite such as zeolite Y, or the active cracking component has the active cracking component Regardless of whether or not it has decomposition activity by itself, it can be added and used.
[0015]
The catalyst composition of the present invention is used in a fluidized bed catalytic cracking (FCC) unit to produce low sulfur gasoline and other liquid products, such as light cycle oils, which can be used as low sulfur diesel blends or heating oils. Useful for treating hydrocarbon feedstocks. In addition to achieving a significant reduction in the sulfur content of the cracked gasoline fraction, the sulfur-reducing catalyst material of the present invention provides a light cycle oil and fuel oil product (light fuel oil and heavy fuel oil) sulfur level. Can also be reduced. Sulfur reduction in LCO occurs primarily for substituted benzothiophenes and substituted dibenzothiophenes, and removing these more refractory species will increase the efficiency of sulfur reduction in subsequent LCO hydrodesulfurization processes. . Reduction of HFO sulfur can improve the quality of coker products from oil to expensive coke.
[0016]
The mechanism by which the metal-containing zeolite catalyst composition removes the sulfur components normally present in cracked hydrocarbon products is not precisely understood, but this mechanism converts the organic sulfur compounds in the feed to inorganic sulfur. The conversion is thus a contacting process. In this process, zeolites or other molecular sieves are believed to provide shape selectivity through changes in pore size, and metal sites in the zeolites to provide sulfur species adsorption sites.
The drawing is a graph showing the performance of the sulfur reducing composition of the present invention described below.
[0017]
FCC process
The sulfur removal catalyst of the present invention is used as a catalytic component of a circulating inventory of the catalyst in a catalytic cracking process, which is nowadays most often a fluidized bed catalytic cracking (FCC) process. For convenience, the present invention will be described with respect to the FCC process, however, the additives of the present invention provide a conventional moving bed type (TCC) cracking process by appropriately adjusting the size of the granulate to suit the requirements of the process. Can also be used. Apart from adding the additives of the present invention to the catalyst inventory and some changes that can be made in the product recovery section, there is no particular change in the manner in which the process is performed, as described below. Thus, it is described in conventional FCC catalysts, for example, the original report by Venuto and Habib, "Fluid Catalytic Cracking with Zeroite Catalysts", Marcel Decker, New York, 1979, ISBN 0-8247-6870-1, and See, for example, "Fluid Catalytic Cracking Handbook" by Sadgebeigi, Gulf publ. Zeolite-based catalysts with faujasite cracking components can also be used, as described in many other sources, such as Co., Houston, 1995 ISBN 0-88415-290-1.
[0018]
The fluidized bed catalytic cracking process, in which a heavy hydrocarbon feed containing organosulfur compounds is cracked to lighter products, is more or less simply described in a recycle cracking process of a circulating catalyst, where the feed is 20- This is done by contacting a circulating fluid catalytic cracking catalyst consisting of particles having a size in the range of 100 microns. The key steps in the cycle process are:
(I) Use comprising contacting a feed with a source of regenerated hot cracking catalyst in a catalytic cracking zone operated at catalytic cracking conditions, typically a riser cracking zone, containing coke and removable hydrocarbon compounds. Catalytically cracking the feed by producing an effluent containing spent catalyst, as well as cracked products;
(Ii) discharging the effluent and separating it, usually in one or more cyclones, into a gaseous phase rich in decomposition products and a solids-rich phase containing spent catalyst;
(Iii) separating the gas phase as a product and rectifying it in a main column of the FCC and its associated auxiliary column to produce a liquid cracked product containing gasoline;
(Iv) the spent catalyst is stripped, usually with steam, to separate the stored hydrocarbon compounds from the catalyst and then oxidatively regenerate the stripped catalyst to remove the regenerated hot catalyst Generating and then recycling this regenerated catalyst to a cracking zone to crack further feed
It is.
[0019]
The feed to the FCC process is a high boiling feed, typically of mineral oil origin, typically having an initial boiling point of at least 290 ° C (550 ° F), often 315 ° C (600 ° F) or higher. . The cut point for FCC feeds in most refineries is at least 345 ° C (650 ° F). The end point varies depending on the precise characteristics of the feed or on the operating characteristics of the refinery. The feed may be a distillate whose endpoint is generally 550 ° C. (1020 ° F.) or higher, for example 590 ° C. (1095 ° F.) or 620 ° C. (1150 ° F.), or a resid (non-distillable) Material may be included in the feed, and the resid material may comprise all or most of the feed. Distillable feeds include straight run feeds such as gas oil, for example heavy or light atmospheric gas oil, heavy or light vacuum gas oil, and cracked feeds such as light coker gas oil or heavy coker gas oil. Is included. Hydrotreated feeds, such as hydrotreated gas oils, especially hydrotreated heavy gas oils, can also be used, but the catalysts of the present invention can provide significant reductions in sulfur, The first hydrogen treatment for reduction can be omitted. Even in such cases, degradability is still achieved.
[0020]
In the process of the present invention, by performing the catalytic cracking in the presence of a sulfur reducing catalyst, the sulfur content of the gasoline portion of the liquid cracking product is effectively brought to a lower and more acceptable level.
[0021]
The sulfur reduction catalyst of the present invention can be used in the form of a separate particulate additive that is added to the main cracking catalyst in the FCCU, or it can be used as a material to provide an integrated cracking / sulfur reduction catalyst system. It can also be used as a component. The cracking component of the catalyst has been conventionally present and performs the formation and cracking reaction of the desired lower boiling point cracking product, and is usually based on the active cracking component of faujasite zeolite, For example, calcined rare-earth exchanged type zeolite (CREY) of the type calcined and exchanged with a rare earth element (CREY) (the production method thereof is disclosed in US Pat. No. 3,402,996), US U.S. Pat. No. 3,293,192 discloses an ultrastable Y zeolite (USY), and U.S. Pat. Nos. 3,607,043 and 3,676,368. Conventional in the form of one of the various partially exchanged types of Y zeolite, etc. Zeolite Y. Such cracking catalysts are widely and widely available from various commercial suppliers. Actively decomposing components provide clay and other materials such as silica or alumina to impart desired mechanical properties (such as abrasion resistance) and to control the activity of one or more highly active zeolite components. It is routinely combined with a matrix material. The particle size of the cracking catalyst is generally in the range of 10 to 100 microns for effective fluidization. When used as a separate particulate additive, the sulfur reducing catalyst (and all other additives) usually reduces the particle size and density of the cracking catalyst to prevent the components from separating during the cracking cycle. It is selected to have comparable particle size and density.
[0022]
Sulfur reduction system-molecular sieve component
According to the invention, the sulfur reduction catalyst comprises a porous molecular sieve having a metal in an oxidation state higher than 0 inside the pore structure of the molecular sieve. The molecular sieve is in most cases a zeolite, a zeolite with a large pore size, for example zeolite beta, preferably zeolite USY or zeolite beta, or a zeolite with properties corresponding to medium pore size zeolite, for example ZSM-5, Often, the former type is preferred.
[0023]
The molecular sieve component of the sulfur reduction catalyst of the present invention may be a zeolite molecular sieve or a non-zeolitic molecular sieve, as described above. When zeolites are used, large pore zeolites or medium pore zeolites (Frilette et al., J. Catalysis 67, 218-222 (1981)). The classification can be selected from Chen et al., "Shape Selective Catalysis in Industrial Applications", Marcel Deckker, New York, 1989, ISBN 0-8247-7856-1. Small pore sized zeolites, such as zeolite A and erionite, are not stable enough to be used in the catalytic cracking process, and in addition to not only the components of the cracking feed, but also many of the components of the cracking products. It is generally not preferred because of the molecular size rejection properties of the tendency to reject. However, the pore size of the molecular sieve, as shown below, is the same as the mesoporous crystalline material such as MCM-41, and the intermediate pore size zeolite and large pore size zeolite are both effective. Since it was found, it is not considered very important.
[0024]
Zeolites that have properties consistent with the presence of a large pore (12-membered ring) structure that can be used to form the sulfur reduction catalysts of the present invention include Y, REY, CREY, USY (among others) And zeolite L, zeolite beta, mordenite, including dealuminated mordenite, and other zeolites, such as zeolite ZSM-18. In general, large pore zeolites are characterized by a pore structure having an annular opening of at least 0.7 nm, while medium or medium pore zeolites have pore openings smaller than 0.7 nm but larger than 0.56 nm. Will have. Intermediate pore size zeolites suitable for use include pentasil-type zeolites such as ZSM-5, ZSM-22, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-50, ZSM-57, MCM-22, MCM-49, MCM-56 and the like, all of which are known materials. Zeolites may be used with skeletal metal elements other than aluminum, for example, boron, gallium, iron, chromium.
[0025]
The use of zeolite USY allows this zeolite to be commonly used as the active cracking component of a cracking catalyst, thus allowing the sulfur reducing catalyst to be used in the form of an integrated cracking / sulfur reducing catalyst system Therefore, it is particularly preferable. USY zeolite used as a cracking component can also be advantageously used as an independent granular molecular sieve component for an added catalyst since the USY zeolite also contributes to the cracking activity of the entire catalyst present in the apparatus. The stability correlates with the small unit cell size of the USY, and for best results, the UCS (unit cell size) for the USY zeolite in the final catalyst is between 2.420 and 2.460 nm. , Preferably 2.420 to 2.455 nm, preferably 2.435 to 2.440 nm. After exposure to the repeated steaming of the FCC cycle, the UCS drops to a final value, usually in the range of 2.420 to 2.430 nm.
[0026]
In addition to zeolites, other types of molecular sieves may be used, although some acidic activity (as routinely measured by the alpha value) may be required for optimal performance. Molecular sieves are less preferred. The test data show that for metal free molecular sieves, alpha values above 10 are suitable for adequate desulfurization activity, and alpha values in the range of 0.2 to 2,000 are usually suitable. . (The alpha test is a convenient method for measuring total acidity, including the internal and external acidities of solid materials, such as molecular sieves. This test is described in US Pat. No. 3,354,078. And in Journal of Catalysis, Vol. 4, 527 (1965); 6, 278 (1966); and 61, 395 (1980). The alpha values reported in this specification were measured at a constant temperature of 538 ° C.) Alpha values of 0.2 to 300 are typical of the acidic activity of these materials when used as additives. Indicates the range.
[0027]
Representative non-zeolitic molecular sieve materials that can provide suitable support components for the metal component of the sulfur reduction catalyst of the present invention include silicates of various silica-alumina ratios, such as metallosilicates and titanosilicates. ), Metalloaluminates (e.g., germanium aluminate), metallophosphates, aluminophosphates, e.g., metal-integrated aluminophosphates (MeAPO and ELAPO), silico- and metalloaluminophosphates, metal-integrated silicoaluminophosphates ( MeAPSO and ELAPSO), silicoaluminophosphate (SAPO), gallogermanate and combinations thereof. For a study on the relationship between the structures of SAPO, AlPO, MeAPO and MeAPSO, see Stud. Surf. Catal. 37 13-27 (1987). AlPO contains aluminum and phosphorus, while SAPO has some of phosphorus and / or both phosphorus and aluminum replaced by silicon. In MeAPO, various metals, such as Li, B, Be, Mg, Ti, Mn, Fe, Co, An, Ga, Ge, and As, are present in addition to aluminum and phosphorus, while MeAPSO is further doped with silicon. including. The negative charge of the MeaAlbPcSidOe lattice (latice) is offset by cations, where Me is magnesium, manganese, cobalt, iron and / or zinc. MexAPSO is described in U.S. Pat. No. 4,793,984. SAPO type molecular sieve materials are described in U.S. Pat. No. 4,440,871 and MeAPO type catalysts are described in U.S. Pat. Nos. 4,544,143 and 4,567,029. As described, ELAPO catalysts are described in U.S. Pat. No. 4,500,651 and ELAPSO catalysts are described in European Patent Application 159,624. Specific molecular sieves are described, for example, in the following patents: MgAPSO or MAPSO in US Pat. No. 4,758,419; MnAPSO in US Pat. No. 4,686,092; CoAPSO in US Pat. No. 4,744,970; FeAPSO is described in U.S. Pat. No. 4,683,217; and ZnAPSO is described in U.S. Pat. No. 4,935,216. Specific silicoaluminophosphates that can be used include SAPO-11, SAPO-17, SAPO-34, SAPO-37, and other types of specific molecular sieve materials include MeAPO-5, MeAPSO-5. included.
[0028]
Another class of crystalline support materials that can be used is the group of mesoporous crystalline materials exemplified by MCM-41 and MCM-48 materials. These mesoporous crystalline materials are described in U.S. Patent Nos. 5,098,684, 5,102,643, and 5,198,203. MCM-41 is described in U.S. Pat. No. 5,098,684, which has a uniform diameter of at least 1.3 nm and a hexagonal (or hexagonal) array. The microstructure of the pores is characterized by an X-ray diffraction pattern having at least one lattice spacing d (d-spacing) greater than 1.8 nm after firing, and a d100 value greater than 1.8 nm ( This corresponds to a lattice spacing d of peaks in the X-ray diffraction pattern). The preferred catalyst form of this material is aluminosilicate, but other metal silicates may also be used. MCM-48 has a cubic structure and is manufactured by a similar manufacturing procedure.
[0029]
Metal component
To form the catalyst composition of the present invention, two metal components are incorporated into the molecular sieve support material. One component is a rare earth element such as lanthanum or a mixture of rare earth elements such as cerium and lanthanum. The other component is considered to be the primary sulfur reducing component, but its effect on sulfur reduction is less clear, as discussed in US patent application Ser. No. 09 / 144,607. For a description of a sulfur reduction catalyst composition containing vanadium and other metal components useful for the purposes of the present invention, reference is made to this specification by reference to its disclosure. For convenience, this component of the composition is referred to in the present application as the first sulfur reducing component. This metal must be present within the pore structure of the molecular sieve component to be effective. Metal-containing zeolites and other molecular sieves include (1) post-addition of metals to molecular sieves or catalysts containing one or more molecular sieves, (2) metal atoms in the framework structure It can be produced by synthesizing one or more molecular sieves and (3) synthesizing one or more molecular sieves having bulky metal ions trapped in the pores of the zeolite. After adding the metal component, it is necessary to perform washing, drying and firing to remove unbound ionic species. These techniques are known per se. Post-addition of metal ions is preferred from the point of view of simplicity and economy, and the available molecular sieve material is converted so that it can be used in the additive of the present invention. A wide variety of post-metal addition methods can be used to prepare the catalysts of the present invention, including aqueous exchange of metal ions, solid state exchange using one or more metal halide salts. Immersion using a solution of a metal salt, and vapor deposition of a metal can be used. In any case, however, it is important that the addition of the one or more metals is such that the metal component can enter the pore structure of the molecular sieve component.
[0030]
When the metal of the first sulfur reducing component is present as an exchanged cationic species in the pores of the molecular sieve component, the hydrogen transfer activity of the metal component is such that for the preferred metal component, the hydrogen transfer reaction that occurs during the cracking process is It has been found to reduce to the point where it is normally maintained at an acceptably low level. Thus, during cracking, coke and light gases increase slightly, but remain within acceptable limits. In any event, the unsaturated light components can be used as an alkylation feed, and thus can be recycled to the gasoline pool, thus reducing the gasoline range of hydrocarbons resulting from the use of the additives of the present invention. There is almost no loss.
[0031]
Metals incorporated into the additive should not exhibit significant hydrogenation activity, with fear that excess coke and hydrogen will be formed during the cracking process. For this reason, noble metals such as platinum and palladium having strong hydrogenation-dehydrogenation functions are not preferred. Base metals and combinations of base metals having a strong hydrogenation function, such as nickel, molybdenum, nickel-tungsten, cobalt-molybdenum, and nickel-molybdenum are not preferred for similar reasons. Preferred base metals are metals of the fourth period, groups 5, 8, 9, 12, 13 of the periodic table (IUPAC classification, formerly groups VB, VIII, IIB and IIIA). Vanadium, zinc, iron, cobalt and gallium are preferred metal components, and vanadium is a preferred metal component. Vanadium is usually considered to have a very serious effect on zeolite cracking catalysts, and much effort has been put into developing vanadium inhibitors, so that vanadium has thus been used in FCC catalyst compositions. What can be used is surprising. For example, Wormsbecher et al., "Vanadium Poisoning of Cracking Catalyst: Mechanism of Poisoning and Design of Vanadium Tolerant Catalyst." See Catalysis 100, 130-137 (1986). Placing vanadium within the pore structure of the molecular sieve fixes the vanadium and also prevents vanadium from becoming a vanadate species that can bind harmfully to the molecular sieve components; The sulfur reduction catalyst based on the zeolite of the invention and containing vanadium as the metal component retains the characteristic zeolite structure and exhibits a different environment for the metal while reducing and oxidizing / steaming conditions typical of the FCC cycle. It is thought to withstand repeated cycles.
[0032]
Vanadium is particularly suitable for reducing gasoline sulfur when supported on zeolite USY. The yield structure of the V / USY sulfur reduction catalyst is of particular interest. Other zeolite convert gasoline to C3 and C4 gases while the sulfur reduction of the gasoline is performed after the metal is added. Although the majority of the converted C3 = and C4 = can be alkylated and returned to the gasoline pool for re-compounding, the high yield of C4-wet gas indicates that many purifiers require their wet This can be problematic because it is limited by the capacity of the gas compressor. USY containing metals has a yield structure similar to current FCC catalysts. This advantage allows the content of V / USY zeolite in the catalyst formulation to be tailored to the target desulfurization level without being limited by the constraints of the FCC unit. Therefore, vanadium in the Y zeolite catalyst is a particularly preferred combination with zeolite represented by USY for reducing gasoline sulfur in FCC. USY that has been found to give particularly good results is in the range of 2.420 to 2.460 nm, preferably 2.420 to 2.450 nm, for example 2.435 to 2.450 nm (subsequent processing). USY with unit cell size. As the first sulfur reducing component, a combination of a base metal such as vanadium / zinc is also preferable from the viewpoint of the overall sulfur reduction.
[0033]
The amount of the first sulfur-reducing metal component in the sulfur-reducing catalyst is usually from 0.2 to 5% by weight (as metal, based on the weight of the molecular sieve component), generally from 0.5 to 5% by weight. However, even if the amount exceeds this range, for example, from 0.10 to 10% by weight, a certain sulfur reduction effect can be obtained. When the molecular sieve is matrixed, the amount of the first sulfur-reducing metal component, based on the total weight of the catalyst composition, will generally be from 0.1 to 5% by weight of the total catalyst, for practical purpose formulations. More generally, it will be 0.2 to 2% by weight.
[0034]
The second metal component of the sulfur reduction catalyst comprises one or more rare earth metals present in the pore structure of the molecular sieve, and is in the form of cations exchanged on exchangeable sites present in the molecular sieve component Is believed to exist. The rare earth (RE) component significantly improves catalyst stability in the presence of vanadium. For example, using a RE + V / USY catalyst can achieve a higher cracking activity compared to a V / USY catalyst, while providing comparable gasoline sulfur reduction. Rare earth elements of the lanthanoid series with atomic numbers 57-71, such as lanthanum, cerium, dysprosium, praseodymium, samarium, europium, gadolinium, ytterbium, and lutetium can be used in this way, but in view of commercial availability. From lanthanum and mixtures of cerium and lanthanum are usually preferred. From the viewpoint of sulfur reduction and catalyst stability, cerium has been found to be the most effective rare earth element component, and therefore, it is preferable to use cerium. Good results can be obtained even when the rare earth element is used.
[0035]
The amount of rare earth element is generally 1 to 10% by weight of the catalyst composition, most often 2 to 5% by weight. Based on the weight of the molecular sieve, the amount of rare earth element is usually 2 to 20% by weight, most often 4 to 10% by weight, depending on the molecular sieve: matrix ratio. Cerium can be used in an amount of 0.1 to 10% by weight of the catalyst composition, usually 0.25 to 5% by weight, based on the molecular sieve 0.2 to 20% by weight, in most cases It becomes 0.5 to 10% by weight.
[0036]
The rare earth element component can be suitably incorporated into the molecular sieve component by exchanging on a molecular sieve, either in the form of unmatrixed crystals or in the form of matrixed crystals. When formulating compositions using the preferred USY zeolite sieve, a very effective incorporation procedure is to add rare earth ions to the USY molecular sieve (typically a unit cell size of 2.445 to 2.465 nm). Further steam firing reduces the USY unit cell size to a value typically in the range of 2.420 to 2.460 nm, and then adds the first metal component if it is not already present. That is. USY must have a low alkali metal (mainly sodium) content for stability and satisfactory decomposition activity, which usually does not exceed 1% by weight on molecular sieves, preferably 0.5% The ammonium exchange performed during the ultra-stabilization process ensures that the desired sodium level does not exceed the weight percent.
[0037]
The metal component is incorporated into the catalyst composition in such a way as to ensure that it enters the pore structure inside the molecular sieve. The metal can be incorporated directly into the crystal or into the matrixed crystal. When using the preferred USY zeolite as the molecular sieve component, this operation re-fires the USY cracking catalyst containing the rare earth element component to ensure a small unit cell size, as described above, after which the metal ions are converted to the zeolite. It can be suitably incorporated by immersion under conditions that allow cation exchange to occur so that it can be fixed to the pore structure, or by ion exchange of metals, such as vanadium. In another aspect, the first sulfur reducing metal component and the rare earth metal component are incorporated into the molecular sieve component, for example, USY zeolite or ZSM-5 crystals, after performing the necessary calcination to remove organics from the composite. be able to. Thereafter, the metal-containing component can be formulated into a final catalyst composition by adding a decomposition component and a matrix component, and the formulation is formed into the final catalyst by spray drying.
[0038]
When the catalyst is formulated as an integrated catalyst system, the active cracking component of the catalyst, preferably faujasite, such as zeolite USY, is used for both simplicity of production and retention of controlled cracking characteristics. It is preferred to use the form as the molecular sieve component of the sulfur reduction system. However, other types of active cracking molecular sieve materials, such as zeolite ZSM-5, can also be incorporated into the integrated catalyst system, and such systems may have the properties of another active molecular sieve material, such as ZSM-5. It may be useful if desired. In each case, the impregnation / exchange process is performed with a controlled amount of metal, thus leaving the required number of sites on the molecular sieve to remove active degradation components, or any secondary Catalyzes a decomposition reaction that can be expected from a decomposition component such as ZSM-5.
[0039]
Use of sulfur reduction catalyst composition
Usually, the most convenient approach to using a sulfur reduction catalyst will be as an independent particulate additive to the catalyst. In a preferred embodiment, when zeolite USY is used as the molecular sieve component, adding a catalyst additive to the entire catalyst in the apparatus may result in a significant reduction in overall cracking due to the cracking activity of the USY zeolite. Will not be. The same applies when another active decomposition material is used as a molecular sieve component. When used in this manner, the composition can be used in the form of pure molecular sieve crystals, pelletized (without matrixing, with the added metal component) to the proper size for use in FCC. . However, usually, the metal-containing molecular sieve is matrixed in order to maintain sufficient fluidization and to obtain sufficient particle abrasion resistance. Conventional matrix materials for cracking catalysts, such as alumina or silica-alumina, together with the commonly added clay, are suitable for this purpose. The amount of matrix to molecular sieve can usually be from 20:80 to 80:20 by weight. Conventional matrixing techniques can also be used.
[0040]
The use of independent particulate additives allows the ratio of the sulfur reducing component and the cracking catalyst component to be optimized depending on the amount of sulfur in the feed and the desired degree of desulfurization. When used in this manner, it is generally used in an amount of 1 to 50% by weight of the total catalyst in the FCCU, and in most cases this amount will be 5 to 25% by weight, for example 5 to 15% by weight. . Approximately 10% is the standard for most practical applications. The additives can be added in a conventional manner, for example with the make-up catalyst to the regenerator or by any other convenient method. The additive remains active with respect to sulfur removal for a longer period of time, even though the sulfur removal activity may be impaired in a shorter time by a very high sulfur feed.
[0041]
Instead of using a separate particulate additive, a sulfur reduction catalyst can be incorporated into the cracking catalyst to form an integrated FCC cracking / gasoline sulfur reduction catalyst. When the sulfur-reducing component is used in combination with a molecular sieve other than the active decomposition component, for example, when the main active decomposition component is USY, when the sulfur-reducing component is used in ZSM-5 or zeolite beta, the sulfur-reducing component (molecular sieve) + Metal) will generally be up to 25% by weight or less of the total catalyst, corresponding to the amount that can be used as a separate particulate additive as described above.
[0042]
In addition to cracking catalysts and sulfur removal additives, other catalytically active components may be present in the circulating catalyst material. Examples of such other materials include octane boosting catalysts based on ZSM-5 zeolite, supported CO combustion promoters based on noble metals such as platinum, Desox (trade name) (magnesium-aluminum) Flue gas desulfurization additives such as spinel), vanadium trapping agents, and bottoms decomposition additives. These are described, for example, in Krishna, Sadhbeigi, supra, and Scherzer's "Octane Enhancing Zeolitic FCC Catalysts", Marcel Dekker, New York, 1991-90, NY, 1990-90. Is described in These components can be used in their usual usage amounts.
[0043]
The effect of the additives of the present invention is to reduce the sulfur content of liquid cracking products, especially light and heavy gasoline fractions, but the reduction of sulfur content reduces light cycle oils and light and heavy fuel oil fractions. It is also achieved in higher boiling distillate products, including by removing more refractory sulfur compounds, which can be applied to hydrodesulfurization technology. The distillate fraction is then hydrodesulfurized at less severe and more economical conditions to produce a distillate product suitable for use as a blending component in diesel or household fuel oils. Can be.
[0044]
The cracking process itself is carried out in the usual manner, with the addition of the sulfur reduction catalyst in the form of an additive or as an integrated catalytic cracking / sulfur reduction catalyst (single particulate catalyst). Decomposition conditions are essentially conventional.
[0045]
The sulfur separated during the cracking process by using a catalyst is converted to the form of an inorganic compound and released as hydrogen sulfide, which in the usual way is similar to the hydrogen sulfide normally released in the cracking process It can also be recovered in the product recovery section of the FCCU in a manner. Increased amounts of hydrogen sulfide may require additional sour gas / water treatment, but by reducing sulfur in gasoline to a significant extent, these are not likely to be limiting factors.
[0046]
By using the catalysts of the present invention, a significant reduction in the sulfur of the decomposition products can be achieved, and in some cases, with the preferred form of catalyst as described above, the basis for using conventional catalysts On a case-by-case basis, a reduction of up to 50% can be achieved at a constant conversion. Reducing sulfur in gasoline by 25% is easily achieved with many of the additives of the present invention, as shown in the examples described below. For middle distillate fractions, including the LCO fraction, reductions of up to 25% were achieved, as shown in the examples below, by combining with reduced levels of refractory sulfur compounds, including alkyl-substituted benzothiophenes and dibenzothiophenes. can do. The degree of sulfur reduction depends on the amount of organic sulfur compounds originally contained in the cracked feed, with the sulfur reduction being highest for feeds with higher sulfur content. The metal content of the equilibrium catalyst in the unit can also affect the degree of desulfurization achieved, and the lower the metal content in the equilibrium catalyst, especially the vanadium content, the greater the degree of desulfurization. If the vanadium content of the E-catalyst is less than 1000 ppm, the desulfurization becomes very effective, but even at higher vanadium contents the catalyst according to the invention remains effective. If the end point of the cracked gasoline in the refiner is limited by the sulfur content of the heavy gasoline fraction, reducing sulfur not only improves the quality of the product, but also improves the product yield. It is also effective for increasing. By providing an effective and economical way to reduce the sulfur content of heavy gasoline fractions, the end point of gasoline can be extended without having to resort to expensive hydroprocessing, thereby resulting in refinery This has a positive effect on the economics of the site. If subsequent hydrogen treatment is planned, it is also desirable to remove various thiophene derivatives that are difficult to remove by hydrogen treatment under less severe conditions.
[0047]
【Example】
Example 1
Preparation of Catalyst Series 1
All samples of Catalyst Series 1 were prepared from spray-dried single source material consisting of 50% USY, 21% silica sol and 29% clay. USY has a starting unit cell size of 2.454 nm, 5.46 SiO2/ Al2O3Molar ratio, and 810 m2g-1Of the total surface area.
The V / USY catalyst (catalyst A) is obtained by converting the above spray-dried catalyst to NH4After slurried with OH, it was prepared by filtration, exchange of ammonium sulfate and washing with water. The catalyst was calcined at 1300 ° F. for 2 hours in the presence of steam to impregnate vanadyl oxalate. Steam firing reduced the unit cell size of the zeolite and increased the stability in the presence of vanadium.
[0048]
The V / USY catalyst (Catalyst B) was prepared in the same manner as Catalyst A, except that the initial slurrying of the catalyst was performed in the pH range of 3.2-3.5.
The two RE + V / USY catalysts (Catalysts C and D) exchanged the catalyst with a solution of rare earth chloride after ammonium sulfate exchange to give the catalyst 2% and 4% by weight RE, respectively.2O3Was prepared in the same manner as in Catalyst B except that was added. The rare earth element solution used was the Ce3+Has been extracted and therefore contains only some Ce ions.
[0049]
For the Ce + V / USY catalyst (Catalyst E), after ammonium sulfate exchange, the catalyst was exchanged with a solution of cerium chloride, and 5% of cerium was added to the catalyst (CeO2).2) Was prepared in the same manner as in catalyst B, except that it was added.
These catalysts were then steamed to deactivate and the catalyst deactivated in the FCC unit using 50% steam for 20 hours at 770 ° C (1420 ° F) in a fluidized bed steamer. Simulated. Table 1 summarizes the physical properties of the calcined and steamed deactivated catalysts.
[0050]
[Table 1]
Figure 0003550065
[0051]
Example 2
Preparation of Catalyst Series 2
V / USY catalyst (Catalyst F) was prepared using USY zeolite with a silica / alumina ratio of 5.4 and a unit cell size of 2.435 nm. The fluidized catalyst was prepared by spray drying an aqueous slurry containing 50% by weight USY crystals in a silica sol / clay matrix. The matrix contained 22% by weight silica sol and 28% by weight kaolin clay. The spray-dried catalyst is replaced with a solution of ammonium sulphate to give NH4 +And then dried. The USY catalyst was impregnated with a solution of vanadium oxalate to a target V of 0.5% by weight.
[0052]
RE + V / USY catalyst (Catalyst G) was prepared using USY zeolite with a silica / alumina ratio of 5.5 and a unit cell size of 2.454 nm. USY is converted to NH by exchange with a solution of ammonium sulfate.4 +Was replaced. NH4 +The exchanged USY is then exchanged with a mixture of rare earth element chlorides to form a rare earth cation (eg, La).3+, Ce3+Etc.). The rare earth element solution used was the Ce3+Was extracted and thus contained only a small amount of Ce. The USY that had been subjected to RE exchange was further washed, dried, and fired at 760 ° C. (1440 ° F.) in the presence of steam in a rotary firing apparatus. The steam firing reduced the unit cell size of the zeolite to 24.40 ° and increased the stability due to the presence of vanadium. The fluidized catalyst was prepared by spray drying an aqueous slurry containing 50% by weight of RE-USY crystals in a silica sol / clay matrix. The matrix contained 22% by weight silica sol and 28% by weight kaolin clay. The spray-dried catalyst is replaced with a solution of ammonium sulphate to give NH4 +And then dried and fired at 540 ° C. (1000 ° F.) for 2 hours. Continue firing and VOSO to RE / USY catalyst4The solution was impregnated.
[0053]
Catalyst H is mainly used for the exchange of USY3Mixed RECl containing3Was prepared using the same procedure as in the case of the catalyst G, except that the solution was used. Catalyst H was prepared using a commercial USY zeolite having a silica / alumina ratio of 5.5 and a unit cell size of 2.454 nm. USY is converted to NH by exchange with a solution of ammonium sulfate.4 +Was replaced. NH4 +The exchanged USY is then replaced with CeCl containing lanthanum.3Replaced by The exchanged USY was further washed, dried, and fired at 760 ° C. (1440 ° F.) in the presence of steam in a rotary firing apparatus. Steam calcination reduced the zeolite unit cell size to 2.440 nm. The fluidized catalyst was prepared by spray drying an aqueous slurry containing 50% by weight of rare earth element containing USY crystals in a silica sol / clay matrix. The matrix contained 22% by weight silica sol and 28% by weight kaolin clay. The spray-dried catalyst is replaced with a solution of ammonium sulphate to give NH4 +And then dried and fired at 540 ° C. (1000 ° F.) for 2 hours. Continue firing and add VOSO to catalyst4The solution was impregnated. Table 2 summarizes the physical properties of the calcined catalyst.
[0054]
[Table 2]
Figure 0003550065
[0055]
Example 3
Preparation of Catalyst Series 3
The V / USY catalyst (Catalyst I) was prepared using H-USY zeolite (crystal) having a silica / alumina ratio of 5.4 and a unit cell size of 2.435 nm. The fluidized catalyst was prepared by spray drying an aqueous slurry containing 40% by weight USY crystals, 25% by weight silica, 5% by weight alumina, and 30% by weight kaolin clay. The spray dried catalyst was calcined at 540 ° C. (1000 ° F.) for 3 hours. The resulting H-USY catalyst was impregnated with a solution of vanadium oxalate by incipient wetness impregnation to a target V of 0.4% by weight. The impregnated V / USY catalyst was further calcined in air at 540 ° C. (1000 ° F.) for 3 hours. The final catalyst contains 0.39% V.
[0056]
The Ce + V / USY catalyst (Catalyst J) was prepared from the same spray dried H-USY catalyst intermediate as Catalyst I. The H-USY catalyst is prepared using Ce (NO3)3The solution was impregnated to achieve the targeted 1.5 wt% Ce addition. The obtained Ce / USY catalyst was air-fired at 540 ° C. (1000 ° F.) for 3 hours and then steam-treated at 540 ° C. (1000 ° F.) for 3 hours. The catalyst was then impregnated with the vanadium oxalate solution by incipient wetness impregnation to a target V of 0.4% by weight. The impregnated Ce + V / USY catalyst was further calcined in air at 540 ° C. (1000 ° F.) for 3 hours. The final catalyst contains 1.4% Ce and 0.43% V.
[0057]
[Table 3]
Figure 0003550065
[0058]
Example 4
Preparation of Catalyst Series 4
All samples of Catalyst Series 4 were prepared from spray-dried single source material consisting of 50% USY, 21% silica sol and 29% clay. The starting material, USY, had a silica / alumina ratio of 5.4 and a unit cell size of 2.454 nm. The spray-dried catalyst has a pH of 64OH and (NH4)2SO4Slurry using the solution of+Was removed, washed with water, and fired at 650 ° C. (1200 ° F.) for 2 hours.
[0059]
The V / USY catalyst (catalyst K) was prepared using the H-USY catalyst described above. The H-USY catalyst was brought to the target 0.5 wt% V by impregnating the vanadium oxalate solution using an incipient wetness impregnation method. The impregnated V / USY catalyst was further calcined in air at 650 ° C. (1200 ° F.) for 2 hours. The final catalyst contains 0.5% V.
[0060]
Ce + V / USY (catalyst L) was prepared using the H-USY catalyst described above. H-type USY catalyst is CeCl3The solution was replaced with the above solution to obtain the target addition of 0.75% by weight of Ce. The resulting Ce / USY catalyst was calcined in air and impregnated with a vanadium oxalate solution using an incipient wetness impregnation method to a target V of 0.5% by weight. The impregnated Ce + V / USY catalyst was further calcined in air. The final catalyst contains 0.72% Ce and 0.52% V.
Ce + V / USY (catalyst m) is obtained by converting the above H-type USY catalyst to CeCl3The solution was replaced with the above solution to obtain the target addition of 3% by weight of Ce. The resulting Ce / USY catalyst was calcined in air and impregnated with a vanadium oxalate solution using an incipient wetness impregnation method with a target of V of 0.5% by weight. The impregnated Ce + V / USY catalyst was further calcined in air. The final catalyst contains 1.5% Ce and 0.53% V.
[0061]
Ce + V / USY (catalyst N) was obtained from the H-type USY catalyst by the incipient wetness impregnation method.3To a target of 1.5% by weight of Ce. The resulting Ce / USY catalyst was calcined in air and impregnated with a vanadium oxalate solution using an incipient wetness impregnation method with a target of V of 0.5% by weight. The impregnated Ce + V / USY catalyst was further calcined in air. The final catalyst contains 1.5% Ce and 0.53% V.
[0062]
The catalysts were then steamed to deactivate and in a fluid bed steamer at 770 ° C. (1420 ° F.) using 50% steam and 50% gas for 20 hours in an FCC unit. Simulated catalyst deactivation. The gas stream is converted from air to N2, Propylene, and N2Mixture, as well as N2And circulated back to the air to simulate the coking / regeneration cycle of the FCC unit (repeated steaming). Two sets of deactivated catalyst samples were regenerated. For one batch of catalyst, the steam deactivation cycle was terminated by air combustion (oxidative-end) and for another batch of catalyst by propylene (reductive-end). The "reducing-finish" coke content is less than 0.05% C. Table 4 summarizes the physical properties of the calcined and steamed (oxidative-finished) catalyst.
[0063]
[Table 4]
Figure 0003550065
[0064]
Example 5
Preparation of Catalyst Series 5
All samples of Catalyst Series 5 were prepared from spray-dried single source material consisting of 40% USY, 30% colloidal silica sol and 30% clay. The starting material, Form H-USY, had a bulk silica / alumina ratio of 5.4 and a unit cell size of 2.435 nm. The spray dried catalyst was calcined in air at 540 ° C. (1000 ° F.) for 3 hours.
The Ce / USY catalyst (Catalyst O) was prepared using the H-USY catalyst described above. The H-USY catalyst uses the incipient wetness impregnation method to target Ce (NO3)3The solution was impregnated. The obtained Ce / USY was air-baked at 540 ° C. (1000 ° F.) and then steamed at 540 ° C. (1000 ° F.) for 3 hours.
[0065]
Ce + V / USY catalyst (Catalyst P) was prepared from Catalyst O. The Ce / USY catalyst was impregnated into the vanadium oxalate solution by an incipient wetness impregnation method to a target V of 0.5% by weight. The impregnated Ce + V / USY catalyst was dried and calcined in air at 540 (1000 ° F.). The final catalyst contains 1.4% Ce and 0.49% V.
The Ce + V / USY catalyst (Catalyst Q) was prepared from Catalyst O at a pH of 33 with the goal of adding 0.5% by weight of V4Prepared by impregnation with a solution of The resulting Ce / USY catalyst was dried and calcined in air at 540 (1000 ° F.) for 3 hours. Table 5 summarizes the physical properties of the calcined catalyst.
[0066]
[Table 5]
Figure 0003550065
[0067]
Example 6
Preparation of RE + V / USY / Silica Sol Catalyst
RE + V / USY catalyst (Catalyst R) was prepared using NaY zeolite with a silica / alumina ratio of 5.5 and a unit cell size of 2.465 nm. Zeolite Y is converted to NH by exchange with a solution of ammonium sulfate.4 +Replaced by NH4 +The exchanged zeolite Y is then exchanged with a rare earth cation (eg, La3 +, Ce3 +, etc.) by exchanging using a mixture of rare earth element chlorides, and most of the rare earth element chloride mixture solution is exchanged. Ce3+Was extracted and therefore the solution contained very little cerium. The RE-exchanged Y was further washed with water, dried, and fired at 705 ° C. (1300 ° F.) for 2 hours in the presence of steam. Steam firing reduced the unit cell size of the zeolite, and the presence of vanadium improved stability. The fluidized catalyst was prepared by spray drying an aqueous slurry containing 50% by weight of RE-USY crystals in a silica sol / clay matrix. The matrix contained 22% by weight silica sol and 28% by weight kaolin clay. The spray-dried catalyst is replaced with NH 4 by exchange with a solution of ammonium sulphate.4 +Replaced by The calcination was continued and the RE / USY catalyst was impregnated with the vanadium oxalate solution. Table 6 summarizes the physical properties of the calcined catalyst.
[0068]
[Table 6]
Figure 0003550065
[0069]
Example 7
Preparation of Ce + V / USY / silica sol catalyst
The Ce + V / USY catalyst (Catalyst S) was prepared using a NaUSY zeolite having a silica / alumina ratio of 5.5 and a unit cell size of 2.454 nm. USY is converted to NH by exchange with a solution of ammonium sulfate.4 +Was replaced. NH4 +The exchanged USY is then replaced with cerium chloride and a small amount of rare earth ion other than cerium (eg, La).3+, Pr, Nd, Gd, etc.) by exchange with a solution containing3+Was replaced. The USY after the exchange of Ce was further washed, dried, and fired at 705 ° C. (1300 ° F.) for 2 hours in the presence of steam. Steam calcination reduced the unit cell size of the zeolite, and the presence of vanadium improved stability. The fluidized catalyst was prepared by spray drying an aqueous slurry containing 50 wt% Ce / USY crystals in a silica sol / clay matrix. The matrix contained 22% by weight silica sol and 28% by weight kaolin clay. The spray-dried catalyst is replaced with a solution of ammonium sulphate to give NH4 +And then dried and fired at 540 ° C. (1000 ° F.) for 1 hour. The calcination was continued and the Ce / USY catalyst was impregnated with the vanadium sulfate solution. Table 7 summarizes the physical properties of the calcined catalyst.
[0070]
[Table 7]
Figure 0003550065
[0071]
Experimental procedure: Evaluation of decomposition performance
The FCCs of the catalysts of Examples 1 to 7 were evaluated, and the results are reported in Examples 8 to 15. The blended catalyst (sample + equilibrium catalyst) was tested for gas oil cracking activity and selectivity by the ASTM D-3907 modified ASTM Microactivity Test (MAT) using a vacuum gas oil (VGO) feed. Some of the added catalysts were evaluated in a forward ring riser pilot using vacuum gas oil and hydrotreated feed. Table 8 shows the compositions of the three VGO feeds and one severely catalytically hydrotreated feed (CFHT) used in these examples.
[0072]
[Table 8]
Figure 0003550065
[0073]
A range of cracking conversions was obtained by varying the catalyst / oil ratio by running the reaction at 527 ° C. (980 ° F.). The cut points for the degraded product were as follows:
Gasoline C5+ To 220 ° C (125 ° F to 430 ° F),
Light LCO 220 ° C to 310 ° C (430 ° F to 590 ° F),
Heavy LCO 310 ° C to 370 ° C (590 ° F to 700 ° F),
Light fuel oil (LFO) 220 ° C to 370 ° C (430 ° F to 700 ° F),
Heavy fuel oil (HFO) 370 ° C + (700 ° F +).
Gasoline range products from each mass balance were analyzed using sulfur GC (Gas Chromatography) (AED) to determine the gasoline sulfur concentration. To reduce experimental errors in sulfur concentration due to variations in gasoline distillation cut points, thiophene in synthetic crude has4Sulfur species (excluding benzothiophene and higher boiling S species) ranging up to -thiophene were quantified and the sum was defined as "S in cut-gasoline".
To determine the sulfur content of the distillate fraction in the boiling range above the gasoline range (Examples 14 and 15), the synthetic crude was subjected to atmospheric distillation to separate gasoline. The bottom fraction was then further subjected to vacuum distillation to produce two LFO / LCO fractions (light LCO fraction and heavy LCO fraction), the HFO fraction. Sulfur species in LCO samples were quantified using a gas chromatograph equipped with a J & W 100mDB-petroleum column and a Sievers 3655B sulfur detector. The concentration of each LCO sulfur species was calculated based on the total sulfur content measured by the XPS method and the percentage of sulfur species from GC.
[0074]
Evaluation of fluidized bed catalytic cracking of series 1 catalyst
The catalyst from Example 1 was steam deactivated in a fluidized bed steamer at 770 ° C. (1420 ° F.) for 20 hours using 50% steam and 50% gas as described in Example 4 above, Terminated by air combustion (oxidative-finish). 25% by weight of the steamed additive catalyst was incorporated into an equilibrium catalyst with very low metal levels (120 ppm V and 60 ppm Ni) from the FCC unit. In the microactivity test, VGONo. Using No. 1, the catalytic cracking performance of the catalyst was evaluated. The catalyst performance is summarized in Table 9 and the product selectivity was interpolated to a constant conversion, feed conversion to a material at or below 430 ° F (220 ° C).
[0075]
[Table 9]
Figure 0003550065
[0076]
For the catalyst / oil ratios in Table 9, the blends with deactivated V / USY and E catalysts have higher catalysts to achieve 65% conversion compared to the base case of 100% equilibrium catalyst. It has been shown to require an oil / oil ratio (catalyst / oil ratio of 3.3 to 3.0, i.e., a 10% reduction in activity). This is based on the lower cracking activity of the V / USY catalyst compared to the equilibrium catalyst. In contrast, adding the RE + V / USY catalyst does not increase the catalyst / oil ratio to achieve 65% conversion. These catalyst / oil ratio results indicate that the RE + V / USY catalyst retains better cracking activity and has better stability than the V / USY catalyst.
[0077]
The addition of V / USY and RE + V / USY catalysts, compared to the basic case of equilibrium catalysts, has led to some changes in the overall product yield structure. The hydrogen and coke yields are slightly increased. C4Some changes have also been observed in gas, gasoline, light fuel oil ratios and heavy fuel oil yields. By adding the V / USY catalyst and the RE + V / USY catalyst, the gasoline S concentration has been substantially changed. When the equilibrium FCC catalyst was blended with catalyst A or B (V / USY control catalyst) at 25% by weight, respectively, reductions in gasoline sulfur concentration of 39.0% and 40.8% were achieved, respectively. When 25% by weight of RE + V / USY catalysts (Catalysts C and D) are added to the equilibrium catalyst, the reduction in gasoline sulfur concentration is comparable to the control catalyst (38-40%). The RE + V / USY catalyst containing Ce as the majority of the rare earth metal (Catalyst E) results in a 43.1% reduction in S of the gasoline, further reducing the gasoline S content by 4%, ie, V / It achieves a 10% improvement over the USY catalyst and the mixed RE + V / USY catalyst. The vanadium addition (0.36-0.39%) of all catalysts was comparable.
[0078]
These results indicate that the addition of the rare earth element improves the decomposition activity of the V / USY catalyst. Changes in the yield of decomposition products are minor. Among the rare earth ions, cerium has the unique property that the Ce + V / USY catalyst exhibits not only higher cracking activity but also improved gasoline sulfur reduction activity under fluidized bed catalytic cracking conditions. . Rare earth RE / USY catalysts without large cerium levels do not provide much advantage over V / USY catalysts for gasoline S reduction, while cerium uses V / USY or RE + V / USY catalysts ( Gasoline sulfur levels (those without high cerium levels) are further reduced.
[0079]
Evaluation of decomposition activity of Series 2 catalyst
The catalysts from Example 2 (Series 2 catalysts, Catalysts F, G, H) were steamed at 770 ° C. (1420 ° F.) for various times to compare catalyst stability. The catalyst was 2.3 hours, 5.3 hours, 10 hours, 20 hours using 50% steam and 50% gas (repeated steaming as described in Example 4 above, reductive-end). Steamed in a fluidized catalytic steamer for hours and 30 hours. The retention of the surface area of the deactivated catalyst is plotted in FIG.
[0080]
The test for the cracking activity of gas oil of the steam-deactivated catalyst was carried out by using vacuum gas oil (VGO) No. 2 (at least 2.6% by weight of sulfur) by the ASTM microactivity test (ASTM procedure D-3907). At a contact time of 30 seconds and a reaction temperature of 545 ° C. (980 ° F.), the weight percent conversion to 220 ° C .- (430 ° F.) was measured at a constant catalyst / oil ratio of 4: 1. Conversion is plotted in FIG. 3 as a function of steam quenching time.
[0081]
According to the surface area retention shown in FIG. 2, the V / USY catalyst and the RE + V / USY catalyst were comparable under various hydrothermal deactivation conditions, suggesting that all three catalysts had the same skeletal structure stability. It has been shown to exhibit surface area retention. However, the conversion plot shown in FIG. 3 shows that as the severity of hydrothermal deactivation increases, the RE + V / USY catalyst has a much improved retention of cracking activity. In hydrothermal deactivation, increasing the decomposition activity from V / USY to RE + V version was a 15% conversion. No obvious differences were observed between the RE types with varying amounts of cerium. These results are consistent with Example 8 where the RE + V / USY catalyst achieves the target conversion at a lower catalyst / oil ratio than the V / USY catalyst. These conversion results indicate that the RE + V / USY catalyst is more stable and retains better cracking activity than the V / USY catalyst. The stability of the catalyst in the presence of vanadium was improved by adding a rare earth ion to the USY catalyst followed by steaming and firing to reduce the unit cell size of the zeolite.
[0082]
Example 10
Evaluation of fluidized bed catalytic cracking of series 3 catalyst
The V and Ce + V USY catalysts from Example 3 (Catalysts I and J) were prepared at 770 ° C. (1420 ° C.) in a fluidized bed steamer using 50% steam and 50% gas as described in Example 4 above. F) Steam deactivated for 20 hours and terminated by air combustion (oxidative-end). 25% by weight of the steamed additive catalyst was blended into a low metal FCC equilibrium catalyst (120 ppm V and 60 ppm Ni). The compounded catalyst was then used as described above for VGO No. One feed was evaluated by the MAT test. VGO No. The performance of the Series 3 catalyst using 1 is summarized in Table 10 where the selectivity of the product is 70% by weight of the feed to a constant conversion, 220 ° C (430 ° F) or lower material. Interpolated to conversion.
[0083]
[Table 10]
Figure 0003550065
[0084]
Table 10 compares the FCC performance of a V / USY catalyst and a Ce + V / USY / silica-alumina-clay catalyst each blended with an equilibrium FCC catalyst (E catalyst) after repeated steam deactivation treatments (oxidative-end). ing. The addition of V / USY and Ce + V / USY catalysts, as compared to the basic case of E catalysts, has resulted in some changes in the overall product yield structure. C4Some changes have also been observed in gas, gasoline, light fuel oil ratios and heavy fuel oil yields. A modest increase in hydrogen and coke yield was observed. Although the change in product yield was small, the V / USY and Ce + V / USY catalysts substantially changed the gasoline S concentration. When 25% by weight of Catalyst I (V / USY control catalyst) was incorporated into the equilibrium FCC catalyst, a 29% reduction in gasoline sulfur concentration was achieved. In contrast, the Ce + V / USY catalyst (Catalyst J) resulted in a 56% reduction in gasoline S. By adding Ce to the V / USY catalyst, the gasoline S content was reduced by 27%, thus achieving a 93% improvement over the V / USY control catalyst. Both catalysts have comparable vanadium loadings (0.39% vs. 0.43% V). Given the fact that Ce itself does not have the sulfur reducing activity of gasoline (see Example 11 below), these results were entirely unexpected and the benefits of adding cerium (or Effect) is clearly shown.
[0085]
Example 11
Fluid bed catalytic cracking evaluation of Series 4 catalyst after repeated steaming
In this example, the performance of the V and Ce + V catalysts from Example 4 are summarized. The Series 4 catalyst was steam deactivated by repeated steaming (reduction-end) as described in Example 4 above, and a 25:75 weight ratio of low metal FCC equilibrium catalyst (120 ppm V and 60 ppm V Ni) and VGO No. Tested with one feed. The results are summarized in Table 11.
[0086]
[Table 11]
Figure 0003550065
[0087]
Table 11 compares the FCC performance of the V / USY catalyst and the Ce + V / USY / silica-alumina-clay catalyst after repeated steam deactivation treatments (oxidative-end). The addition of V / USY and Ce + V / USY catalysts, as compared to the basic case of E catalysts, has resulted in some changes in the overall product yield structure. Hydrogen, C4-Changes in the yields of gas, gasoline, light cycle oil, heavy fuel oil and coke of less than 0.2% by weight have each been observed. By adding the V / USY catalyst and the Ce + V / USY catalyst, the gasoline S concentration changed to various degrees. When 25% by weight of Catalyst K (V / USY control catalyst) was blended with the equilibrium FCC catalyst, a 5.2% reduction in gasoline sulfur concentration was achieved. In contrast, the Ce + V / USY catalysts (catalysts M and N) each resulted in a 17.4% reduction in gasoline S. By adding Ce to the V / USY catalyst, the gasoline S content was further reduced by 12.3%, thus achieving a 237% improvement over the V / USY control catalyst.
[0088]
Example 12
Fluid bed catalytic cracking evaluation of Series 4 catalyst after repeated steaming
In this example, the performance of the V and Ce + V catalysts from Example 4 are summarized after repeated steaming. The Series 4 catalyst was quenched by repeated steaming (reduction-end) as described in Example 4 above, and a 25:75 weight ratio of low metal FCC equilibrium catalyst (120 ppm V and 60 ppm Ni ). VGO No. Table 12 summarizes the results obtained using one feed.
[0089]
[Table 12]
Figure 0003550065
[0090]
Table 12 compares the FCC performance of V / USY and Ce + V / USY / silica sol additive catalysts after repeated steam deactivation treatments (oxidative-end). The addition of V / USY and Ce + V / USY catalysts, as compared to the basic case of the E catalyst, has resulted in some changes in the overall product yield structure. Moderate changes were also observed in the yields of hydrogen and coke. C4-Some changes were also observed in gas yield, gasoline, light cycle oil and heavy fuel oil. By adding the V / USY catalyst and the Ce + V / USY catalyst, the gasoline S concentration was substantially changed. When 25% by weight of Catalyst K (V / USY control catalyst) was blended with the equilibrium FCC catalyst, a 51.1% reduction in gasoline sulfur concentration was achieved. In contrast, the Ce + V / USY catalyst (Catalysts L and M) resulted in a 58.1% and 61.3% reduction in gasoline S, respectively. By adding Ce to the V / USY catalyst, the gasoline S content was further reduced by 7.0 to 10.2%, thus achieving up to a 20% improvement over the V / USY control catalyst.
[0091]
Product yield data for the V / USY and Ce + V / USY catalysts indicate that the change in yield from the E catalyst is based on the addition of vanadium to the USY catalyst. The product yield of the V / USY catalyst is comparable to that of the Ce + V / USY catalyst except at the gasoline S level. These results suggest that Ce enhances the gasoline sulfur reduction activity of the V / USY additive catalyst and does not significantly affect product yield.
[0092]
Example 13
Fluidized bed catalytic cracking evaluation of series 5 catalysts, examination of promoting action
This example summarizes the performance of the Ce and Ce + V catalysts from Example 5 after repeated steam deactivation treatment (reducing-end). The deactivated catalyst was blended with a low metal FCC equilibrium catalyst (120 ppm V and 60 ppm Ni) in a weight ratio of 25:75. VGO No. Table 13 summarizes the results obtained using one feed.
[0093]
[Table 13]
Figure 0003550065
[0094]
Table 13 compares the FCC performance of the Ce / USY and Ce + V / USY / silica-clay additive catalysts after repeated steam deactivation treatments (reducing-end). Compared to the basic case of the E catalyst, the addition of the Ce / USY catalyst caused little change in the overall product yield structure. The addition of the Ce + V / USY catalyst caused some changes in the overall product yield structure. For the yields of hydrogen and coke,4-Moderate changes were also observed in the yields of gas, gasoline, light cycle oil and heavy fuel oil. The addition of the Ce / USY catalyst did not change the gasoline S concentration. In contrast, the addition of Ce + V / USY catalysts (Inventive Catalysts P and Q) reduced gasoline S concentration by 29.8% and 27.7%, respectively. These results indicate that cerium itself has no gasoline sulfur reduction activity. Cerium is observed to have a promoting effect on vanadium to improve the activity of the V / USY gasoline sulfur reduction additive catalyst.
[0095]
Example 14
In the circulation type riser pilot device (Davison Circulating Riser), VGO No. Catalyst R was evaluated using three feeds (Table 8) in combination with a typical FCC equilibrium catalyst. Prior to evaluation, the RE + V / USY catalyst was steam deactivated at 770 ° C. (1420 ° F.) for 20 hours using 50% steam and 50% gas. Equilibrium catalyst (530 ppm vanadium and 330 ppm Ni) from an FCC unit was blended with 25 wt% steam-treated additive catalyst.
The FCC performance of the catalyst is summarized in Table 14 and the product selectivity was interpolated to a constant conversion, 75 wt% conversion to 220 ° C- (430 ° F-) material.
[0096]
[Table 14]
Figure 0003550065
[0097]
Compared to the base case, the addition of 25% by weight of the RE + V / USY catalyst caused some changes in the overall product yield structure. Hydrogen and coke yields were negligible. C4-Slight changes were also observed in gas, gasoline, light cycle oil and heavy fuel oil yields. By adding the RE + V / USY catalyst, the gasoline sulfur concentration was substantially changed and a 20% reduction in gasoline sulfur concentration was achieved. In addition to the reduction in gasoline sulfur concentration, a substantial reduction in sulfur was also observed for LCO, corresponding to a 9% reduction in total LCO sulfur.
Table 15 and FIG. 4 show the sulfur species in the LCO. LCO contains a wide range of benzothiophene and dibenzothiophene sulfur species. Sulfur reduction can be achieved by substituted and substituted dibenzothiophenes such as C3+ -Benzothiophene and C1~ C4+ More prominent in dibenzothiophene. This result was completely unexpected, as the substituted dibenzothiophenes were considered to be bulkier and difficult to desulfurize or decompose in the FCC.
[0098]
[Table 15]
Figure 0003550065
[0099]
Example 15
Evaluation of fluidized bed catalytic cracking of Ce + V / USY / silica sol catalyst
In a circulating fluidized bed catalytic cracker, the Ce + V / USY catalyst from Example 7 (Catalyst) in 40 days was combined with a typical FCC catalyst using a severely hydrotreated FCC feed (CFHT feed) as shown in Table 8. The evaluation of S) was performed. The base FCC equilibrium catalyst has very low metal levels (200 ppm V and 130 ppm Ni). In the first 15 days, a 50/50 blend of fresh FCC catalyst and the Ce + V / USY catalyst from Example 7 was added to the FCC regenerator at a catalyst level of 1.4% per day. From days 15 to 40, an 85/15 blend of fresh FCC catalyst and Ce + V / USY catalyst was added to the FCC regenerator at a catalyst level of 1.4% per day. The temperature of the regenerator was maintained at about 705 ° C (1300 ° F) during the evaluation. One sample was before the addition of the Ce + V / USY catalyst (basic case) and the other was on day 40, and samples of two catalysts (E catalyst) were sampled. Based on Ce and V analysis, the addition rate of Ce + V / USY catalyst was estimated to be 12%.
The FCC performance of the catalyst is summarized in Table 16 and the product selectivity was interpolated to a constant conversion, 70 wt% conversion to 220 ° C- (430 ° F-) material.
[0100]
[Table 16]
Figure 0003550065
[0101]
There was some change in the overall product yield structure when the Ce + V / USY catalyst was added compared to the basic case of the E catalyst. Hydrogen and coke yields were negligible. C4-Slight changes were also observed in gas, gasoline, light cycle oil and heavy fuel oil yields. The addition of the Ce + V / USY catalyst substantially changed the gasoline S concentration. The incorporation of 12% by weight Ce + V / USY catalyst with the equilibrium FCC catalyst achieved a 21% reduction in gasoline sulfur concentration. In addition to the reduction in gasoline sulfur concentration, a substantial reduction in sulfur was also observed for LCO and HFO.
Analysis of sulfur species in the light LCO fraction was performed using sulfur GC. The concentration of each organic sulfur species for light LCO is shown in Table 17 and FIG. 5, respectively.
[0102]
[Table 17]
Figure 0003550065
[0103]
As shown in FIG. 5, light LCO contains mainly benzothiophene sulfur species. The reduction in sulfur corresponds to a 27% reduction in overall light LCO sulfur, and the substituted benzothiophene, e.g.1-Benzothiophene to C3It was more pronounced up to + -benzothiophene. This result was entirely unexpected, as the substituted benzothiophenes were thought to be bulkier and difficult to desulfurize or decompose in the FCC.
The sulfur species in the heavy LCO fraction are shown in Table 18 and FIG. Heavy LCO contains mainly dibenzothiophene sulfur species. The reduction in sulfur (14% overall for heavy LCO) is due to the substitution of substituted dibenzothiophenes such as C1~ C4+ -Dibenzothiophene was more pronounced. This result was completely unexpected, as the substituted dibenzothiophenes were considered to be bulkier and difficult to desulfurize or decompose in the FCC.
[0104]
[Table 18]
Figure 0003550065
[0105]
Sulfur reduction catalysts are active in reducing benzothiophene and dibenzothiophene, as well as in reducing thiophene sulfur species. Sulfur reduction occurs significantly for substituted benzothiophenes and substituted dibenzothiophenes. These results suggest that the C—S bond in alkyl-substituted thiophenes is more reactive and susceptible to decomposition.
[0106]
It was not expected at all that the sulfur of substituted thiophenes, substituted benzothiophenes, and substituted dibenzothiophenes would be easily reduced, which would improve the efficiency of the subsequent LCO desulfurization process. For the LCO desulfurization process, it is noted that methyl and / or alkyl substitution of benzothiophene and dibenzothiophene substantially reduces the desulfurization reactivity of the organic sulfur species, resulting in "hard sulfur" or "refractory sulfur". well known. The lower content LCOs of the invention containing substituted benzo and dibenzothiophene have a lower sulfur content after the hydrodesulfurization process compared to equivalent LCOs produced with conventional FCC catalysts. Diesel fuel will be produced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows LCO sulfur GC with sulfur GC speciation.
FIG. 2 shows the retention of the surface area of the deactivated catalyst.
FIG. 3 shows conversion as a function of steam quenching time.
FIG. 4 shows sulfur species in LCO.
FIG. 5 shows the concentration of each organic sulfur species for light LCO.
FIG. 6 shows sulfur species in the heavy LCO fraction.

Claims (33)

接触分解された石油フラクションの硫黄含量を低減させる方法であって、
有機硫黄化合物を含む液体石油フィードフラクションを、
(i)0よりも大きい酸化状態の金属バナジウムを含んでなり、分子篩の内部の細孔構造の中に存在する第1の金属成分、及び
(ii)少なくとも1種の希土類元素を含んでなり、分子篩の内部の細孔構造の中に存在する第2の金属成分
を有する多孔質分子篩を含んでなる生成物硫黄低減触媒を有する分解触媒の存在下にて、高温で接触分解して、硫黄含量の低下した液状分解生成物を製造することを含む方法。
A method for reducing the sulfur content of a catalytically cracked petroleum fraction, comprising:
A liquid petroleum feed fraction containing organic sulfur compounds,
(I) comprising a metal vanadium in an oxidation state greater than 0 and comprising a first metal component present in a pore structure inside a molecular sieve; and (ii) at least one rare earth element; Catalytic cracking at elevated temperature in the presence of a cracking catalyst having a product sulfur reducing catalyst comprising a porous molecular sieve having a second metal component present in the pore structure inside the molecular sieve, and Producing a reduced liquid degradation product.
生成物硫黄低減触媒は、分子篩成分として、大孔寸法ゼオライト又は中間孔寸法ゼオライトを含む請求項1記載の方法。Product sulfur reduction catalyst, as a molecular sieve component, The method of claim 1 comprising a large pore size zeolites or intermediate pore size zeolites. 大孔寸法ゼオライトがフォージャサイトゼオライトを含む請求項2記載の方法。3. The method of claim 2, wherein the large pore size zeolite comprises faujasite zeolite. 第2の金属成分が、ランタンを単独で、又はセリウムと組み合わせて含む請求項2記載の方法。3. The method according to claim 2, wherein the second metal component comprises lanthanum alone or in combination with cerium. 第2の金属成分がセリウムを含む請求項2記載の方法。3. The method of claim 2, wherein the second metal component comprises cerium. 第2の金属成分が触媒組成物の1〜10重量%の量で存在する請求項1記載の方法。The method of claim 1, wherein the second metal component is present in an amount of 1 to 10% by weight of the catalyst composition. 生成物硫黄低減触媒が、分子篩成分として、2.420〜2.460nmのUCS、及び少なくとも5.0のバルクシリカ:アルミナ比を有するUSYゼオライト、並びに、第2の金属成分として、セリウムを単独で又はランタンと組み合わせて含む請求項1記載の方法。The product sulfur reduction catalyst comprises a USY zeolite having a UCS of 2.420-2.460 nm and a bulk silica: alumina ratio of at least 5.0 as the molecular sieve component, and cerium alone as the second metal component. Or the method according to claim 1, comprising a combination with a lanthanum. 生成物硫黄低減触媒が、独立した粒状添加物触媒である請求項1記載の方法。The method of claim 1 wherein the product sulfur reduction catalyst is a separate particulate additive catalyst. 硫黄含量の低下した液状分解生成物が、ガソリン・フラクション、サイクル油フラクション、及び燃料油フラクションを含んでなり、サイクル油及び燃料油はガソリン・フラクションよりも高い沸点を有する請求項1記載の方法。The process of claim 1 wherein the liquid decomposition product having a reduced sulfur content comprises a gasoline fraction, a cycle oil fraction, and a fuel oil fraction, wherein the cycle oil and the fuel oil have a higher boiling point than the gasoline fraction. 有機硫黄化合物を含む重質炭化水素フィードを、20〜100ミクロンの範囲の寸法を有し、流動可能で循環する接触分解触媒に、触媒循環分解プロセスにおいて、接触させることによってより軽質の生成物へ接触分解する流動床式接触分解方法であって、
(i)接触分解条件にて操作される接触分解領域において、フィードを再生された分解触媒のソースに接触させることによって、フィードを接触分解し、コーク及びストリップ可能な炭化水素を含有する使用済み触媒、並びに分解生成物を含有する分解領域流出物を製造する工程、
(ii)流出混合物を排出し、分解接触分解に富む相と、使用済み触媒を含む固形物に富む相とに分離させる工程、
(iii)蒸気相を生成物として取り出し、当該蒸気相をフラクショネーションしてガソリンを含む液状分解生成物を製造する工程、
(iv)使用済み触媒に富む固形物の相をストリッピングして、触媒から吸蔵された炭化水素を分離する工程、
(v)ストリップした触媒をストリッパーから触媒再生装置へ移送する工程、
(vi)ストリップした触媒を酸素含有ガスに接触させることによって再生させ、再生触媒を製造する工程、
(vii)再生触媒を分解領域へリサイクルして、更なる重質炭化水素フィードに接触させる工程
を有し、接触分解を、(i)0よりも大きい酸化状態の金属バナジウムを含んでなり、分子篩の内部の細孔構造の中に存在する第1の金属成分、及び(ii)少なくとも1種の希土類元素を含んでなり、分子篩の内部の細孔構造の中に存在する第2の金属成分を有する多孔質分子篩を含んでなる生成物硫黄低減触媒の存在下で行うことによって、液体分解生成物の硫黄含量を低下させる流動床式接触分解方法。
The heavy hydrocarbon feed containing the organic sulfur compound is contacted with a flowable and circulating catalytic cracking catalyst having dimensions in the range of 20 to 100 microns in a catalytic cyclic cracking process to produce lighter products. A fluidized bed catalytic cracking method for catalytic cracking,
(I) Spent catalyst containing catalytically cracked feed containing coke and strippable hydrocarbons by contacting the feed with a source of regenerated cracking catalyst in a catalytic cracking zone operated at catalytic cracking conditions Producing a degradation zone effluent containing degradation products,
(Ii) discharging the effluent mixture and separating it into a phase rich in cracking catalytic cracking and a phase rich in solid matter containing spent catalyst;
(Iii) removing the vapor phase as a product and fractionating the vapor phase to produce a liquid decomposition product containing gasoline;
(Iv) stripping the spent catalyst-enriched solid phase to separate occluded hydrocarbons from the catalyst;
(V) transferring the stripped catalyst from the stripper to a catalyst regeneration device;
(Vi) regenerating the stripped catalyst by contacting it with an oxygen-containing gas to produce a regenerated catalyst;
(Vii) recycling the regenerated catalyst to the cracking zone and contacting it with a further heavy hydrocarbon feed, wherein the catalytic cracking comprises: (i) comprising metal vanadium in an oxidation state greater than 0; And (ii) a second metal component comprising at least one rare earth element and present in the pore structure inside the molecular sieve. A fluidized bed catalytic cracking method for reducing the sulfur content of a liquid cracked product by carrying out in the presence of a product sulfur reducing catalyst comprising a porous molecular sieve.
分解触媒が、マトリックス化されたフォージャサイトゼオライトを含む請求項1記載の方法。Cracking catalyst The method of claim 1 0 further comprising a matrixed faujasite zeolite. 生成物硫黄低減触媒は、分子篩成分として、大孔寸法ゼオライト又は中間孔寸法ゼオライトを含み、及び第2の金属成分として、セリウムを単独で又は少なくとも1種の希土類金属と組み合わせて含む請求項1記載の方法。Product sulfur reduction catalyst, as a molecular sieve component comprises a large pore size zeolites or intermediate pore size zeolites, as the second metal component及beauty, claim 1, comprising alone or in combination with at least one rare earth metal cerium The method of claim 1 . 生成物硫黄低減触媒の大孔寸法ゼオライトがフォージャサイトゼオライトを含む請求項1記載の方法。The method of claim 1 wherein the large pore size zeolite product sulfur reduction catalyst comprises a faujasite zeolite. 第2の金属成分がランタンを単独で又はセリウムと組み合わせて含む請求項1記載の方法。The method of claim 1 0 further comprising a second metal component either alone or in combination with cerium lanthanum. 第2の金属成分がセリウムを含む請求項1記載の方法。The method of claim 1 0, wherein the second metal component comprises cerium. 第2の金属成分が触媒組成物の1〜10重量%の量で存在する請求項1記載の方法。The method of claim 1 0, wherein the second metal component is present in an amount of 1 to 10 wt% of the catalyst composition. 液状分解生成物が、硫黄含量の低下したガソリン・フラクション、及びガソリン・フラクションより高い沸点を有し、硫黄含量の低下したサイクル油フラクションを含む請求項1記載の方法。Liquid degradation products, reduced gasoline fraction of sulfur content, and have a boiling point higher than the gasoline fraction, the method of claim 1 0, further comprising a reduced cycle oil fraction of sulfur content. 接触分解プロセスの間に、接触分解されたガソリン・フラクションの硫黄含量を低下させるための流動性接触分解生成物の硫黄含量を低下させる触媒組成物であって、
20〜100ミクロンの範囲の寸法を有し、
(i)多孔質分子篩成分、
(ii)多孔質分子篩成分の内部細孔構造の中に存在し、0よりも大きい酸化状態の金属バナジウム成分を含む第1の金属成分、及び
(ii)多孔質分子篩成分の内部細孔構造の中に存在し、希土類金属を含む第2の金属成分
を含む流動可能な粒状物を含んでなる触媒組成物。
A catalyst composition for reducing the sulfur content of a fluid catalytic cracking product for reducing the sulfur content of a catalytically cracked gasoline fraction during a catalytic cracking process, comprising:
Have dimensions in the range of 20-100 microns,
(I) a porous molecular sieve component,
(Ii) a first metal component that is present in the internal pore structure of the porous molecular sieve component and includes a metal vanadium component in an oxidation state greater than 0; exist, flowable granulate comprise Do that catalytic composition comprising a second metal component comprising a rare earth metal into.
多孔質分子篩成分が、炭化水素を分解する多孔質の分子篩成分である請求項18記載の流動性接触分解生成物の硫黄含量を低下させる触媒組成物。19. The catalyst composition for reducing a sulfur content of a fluid catalytic cracking product according to claim 18 , wherein the porous molecular sieve component is a porous molecular sieve component that decomposes hydrocarbons. 多孔質分子篩成分が、2.420〜2.460nmのUCS、及び少なくとも5.0のバルクシリカ:アルミナ比を有するUSYゼオライトを含む請求項19記載の流動性接触分解生成物の硫黄含量を低下させる触媒組成物。20. The fluid catalytic cracking product of claim 19 , wherein the porous molecular sieve component comprises a USY zeolite having a UCS of 2.420 to 2.460 nm and a bulk silica: alumina ratio of at least 5.0. Catalyst composition. 多孔質分子篩成分が、2.420〜2.435nmのUCS、及び少なくとも5.0のバルクシリカ:アルミナ比を有するUSYゼオライトを含む請求項20記載の流動性接触分解生成物の硫黄含量を低下させる触媒組成物。21. The fluid catalytic cracking product of claim 20 , wherein the porous molecular sieve component comprises a USY zeolite having a UCS of 2.420-2.435 nm and a bulk silica: alumina ratio of at least 5.0. Catalyst composition. ゼオライトの重量基準で、第1の金属成分としてバナジウムを0.1〜5重量%含有する請求項18記載の流動性接触分解生成物の硫黄含量を低下させる触媒組成物。Based on the weight of the zeolite, vanadium was added to the first metal component at 0 . 19. The catalyst composition for reducing the sulfur content of a fluid catalytic cracking product according to claim 18, which contains 1 to 5% by weight. 第2の金属成分として、セリウム及びセリウム以外の少なくとも1種の希土類元素を含有する請求項22記載の流動性接触分解生成物の硫黄含量を低下させる触媒組成物。The catalyst composition for reducing the sulfur content of a fluid catalytic cracking product according to claim 22 , comprising cerium and at least one rare earth element other than cerium as the second metal component. 第2の金属成分としてセリウムを含有する請求項18記載の流動性接触分解生成物の硫黄含量を低下させる触媒組成物。19. The catalyst composition for reducing the sulfur content of a fluid catalytic cracking product according to claim 18, which contains cerium as the second metal component. 金属成分が、ゼオライトの細孔内の交換されたカチオン種としてゼオライト内に導入されたものである請求項18記載の流動性接触分解生成物の硫黄含量を低下させる触媒組成物。19. The catalyst composition for reducing the sulfur content of a fluid catalytic cracking product according to claim 18 , wherein the metal component has been introduced into the zeolite as an exchanged cationic species in the pores of the zeolite. 流動分解触媒添加物としてのマトリックス成分と共に処方されている請求項18記載の流動性接触分解生成物の硫黄含量を低下させる触媒組成物。19. The catalyst composition for reducing the sulfur content of a fluid catalytic cracking product according to claim 18, formulated with a matrix component as a fluid cracking catalyst additive. 重質炭化水素フィードを分解してガソリンを含む液状分解生成物を製造し、及び接触分解プロセスの間に接触分解したガソリン・フラクションの硫黄含量を低下させる統合された流動性接触分解生成物硫黄低減触媒として処方されている触媒であって、20〜100ミクロンの範囲の寸法を有する炭化水素分解成分の流動性粒状物を含んでなり、
炭化水素分解成分は、ゼオライトの細孔構造内に存在する、(i)金属バナジウムを含む第1の金属成分、並びに(ii)少なくとも1種の希土類元素を含む第2の金属成分を含むゼオライト分子篩を含有する請求項20記載の流動性接触分解生成物の硫黄含量を低下させる触
Heavy by decomposing a hydrocarbon feed to produce liquid cracking products including gasoline, and contact the sulfur content of catalytic cracking and gasoline fraction during the decomposition process of integration reduces the flowability contact min Kaisei Narubutsu a yet that catalysts are formulated as a sulfur reducing catalyst, comprises flowable particulates hydrocarbon cracking component having a size ranging from 20 to 100 microns,
The hydrocarbon cracking component is a zeolite molecular sieve containing (i) a first metal component containing metal vanadium , and (ii) a second metal component containing at least one rare earth element, present in the zeolite pore structure. catalytic reducing the sulfur content of claim 20 fluidity catalytic cracking products according containing.
ゼオライトの重量基準で、第1の金属成分としてバナジウムを、0.1〜5重量%含有する請求項27記載の統合された流動性接触分解/生成物硫黄低減触媒。28. The integrated fluid catalytic cracking / product sulfur reduction catalyst of claim 27 , comprising from 0.1 to 5% by weight of vanadium as the first metal component, based on the weight of the zeolite. 第2の金属成分が、セリウム及びセリウム以外の少なくとも1種の希土類元素の組合せを、触媒の1〜5重量%の量で含有する請求項27記載の統合された流動性接触分解生成物硫黄低減触媒。28. The integrated fluid catalytic cracking product sulfur reduction of claim 27, wherein the second metal component comprises cerium and a combination of at least one rare earth element other than cerium in an amount of 1-5% by weight of the catalyst. catalyst. 第2の金属成分が、触媒の1〜5重量%の量のセリウムの組合せを含む請求項27記載の統合された流動性接触分解生成物硫黄低減触媒。28. The integrated fluid catalytic cracking product sulfur reduction catalyst of claim 27 , wherein the second metal component comprises a combination of cerium in an amount of 1-5% by weight of the catalyst. ゼオライト分子篩が、2.420〜2.460nmのUCS、及び少なくとも5.0のバルクシリカ:アルミナ比を有するUSYゼオライトを含む請求項27記載の統合された流動性接触分解生成物硫黄低減触媒。28. The integrated fluid catalytic cracking product sulfur reduction catalyst of claim 27 , wherein the zeolite molecular sieve comprises a USY zeolite having a UCS between 2.420 and 2.460 nm and a bulk silica: alumina ratio of at least 5.0. 多孔質分子篩成分が、2.420〜2.435nmのUCS、及び少なくとも5.0のバルクシリカ:アルミナ比を有するUSYゼオライトを含む請求項30記載の流動性接触分解生成物硫黄低減触媒。31. The fluid catalytic cracking product sulfur reduction catalyst of claim 30 , wherein the porous molecular sieve component comprises a USY zeolite having a UCS between 2.420 and 2.435 nm and a bulk silica: alumina ratio of at least 5.0. 分解成分としてのフォージャサイトゼオライト及びマトリックス成分と共に統合された流動性分解/硫黄低減触媒として処方されている請求項27記載の流動性接触分解生成物硫黄低減触媒。28. The fluid catalytic cracking product sulfur reducing catalyst of claim 27 , formulated as a fluid cracking / sulfur reducing catalyst integrated with a faujasite zeolite as a cracking component and a matrix component.
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