JP5218422B2 - 水素化処理触媒用硫化剤ならびに現場および現場外での予備硫化のための該硫化剤の使用 - Google Patents

水素化処理触媒用硫化剤ならびに現場および現場外での予備硫化のための該硫化剤の使用 Download PDF

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Description

本発明は、炭化水素原料の水素化処理の分野に関し、より特に、この目的のために用いられる触媒の前硫化方法を主題として有する。
本発明に関する炭化水素原料の水素化処理のための触媒は、水素の存在下で有機硫黄化合物を硫化水素に変換する(この工程は水素化脱硫(HDS)として知られている。)ため、および水素化脱窒素(HDN)として知られている工程において有機窒素化合物をアンモニアに変換するために適切な条件下で用いられる。
このような触媒は、一般に、モリブデン、タングステン、ニッケルおよびコバルトのような元素周期表のVIB属およびVIII属由来の金属をベースとしている。最も一般的に用いられる水素化処理触媒は、アルミナ、シリカまたはシリカ/アルミナのような多孔質無機担体上に沈着されたコバルト−モリブデン(Co−Mo)、ニッケル−モリブデン(Ni−Mo)およびニッケル−タングステン(Ni−W)系から処方される。非常に多量のトン数で工業的に製造されるこれらの触媒は、これらの酸化物形態(例えばアルミナ上の酸化コバルト−酸化モリブデンで形成された触媒、省略形により表わす。Co−Mo/アルミナ)で使用者に供給される。
しかし、これらの触媒は水素化処理工程において金属硫化物の形態でのみ活性である。これが、使用前に、触媒が硫化されなければならない理由である。
水素化処理触媒の活性化については、これらの触媒の硫化が、HDSおよびHDNにおけるこれらの性能の最大化において重要な段階である。水素化処理触媒(J.R.AndersonおよびM.Boudartにより編集されたCatalysis,vol.11,1996,p.25)の著者が指摘するように、実際的経験は、硫化工程は触媒の活性化および安定性に有意に影響を及ぼし得、硫化工程を改良するために多大な努力が払われたことを示す。
触媒を硫化するための最も直接的な方法は、後者を水素と混合した硫化水素と処理させることからなる。しかし、多数の特許(US 3 016 347、US 3 140 994、GB 1 309 457、US 3 732 155、US 4 098 682、US 4 132 632、US 4 172 027、US 4 176 087、US 4 334 982、FR 2 476 118)の主題を形成するこの方法は、全ての工業的現場において用いることができないという重要な不都合(急性毒性、HS供給困難)を示す。
触媒の硫化のための工業的方法は、通常、水素ガス圧力下、硫化剤として硫黄化合物を既に含む液体原料を用いて実施される。過去に精製業者により用いられた主な方法は、触媒の硫黄含有石油原料との硫化からなるが、この技術は、硫黄化合物の硫化水素への変換が困難のため重要な不都合を示す。触媒が水素により還元されることを防止するため、硫化を低温で開始し、触媒の完全な硫化を得るため、温度をゆっくりと高温にする。
触媒の硫化を向上させるために硫黄含有添加剤が供給される。この方法は、硫黄化合物(スパイキング剤)をナフサのような原料、またはVGO(真空ガスオイル)またはLGO(軽油)のような特定の留分中に導入することからなる。
非酸化形態における硫黄化合物、特に、二硫化炭素、チオフェン、メルカプタン類および有機硫化物(特に、ジアルキルジスルフィド類またはジアリールジスルフィド類、ジメチルジスルフィド(DMDS)が例示される。)の使用は、最初にUS 3 140 994において主張されている。
EP 64 429は、少なくとも1種の硫黄化合物および炭化水素原料の混合物、ならびに特定の温度プロフィールからなる硫化原料を用いた効果的な硫化方法を記載しており;硫黄化合物の中でも、二硫化炭素、メルカプタン、チオフェン化合物、(ジ)スルフィド類および硫化水素が挙げられ、ジメチルジスルフィド(DMDS)が、触媒の硫化に特に好ましく、特許にはジメチルジスルフィドが記載されている。
H.Hallie(Oil and Gas Journal,Dec.20,1982,pp.69−74)は、水素化処理反応器中で直接実施される水素雰囲気下でのこれらの硫化技術について概説している。「現場」技術として知られる触媒の硫化のためのこれらの種々の方法が比較されており、研究は、低温で分解する特性を有する硫化剤を加えている液体原料(添加原料(spiked feedstock))を用いた硫化が最良の硫化技術であることを示している。硫化剤を加えない技術(未添加原料)は活性の低い硫化触媒を供給する。原料に加えるのが好ましい硫化剤はジメチルジスルフィドである。
ジアルキルジスルフィドを硫化剤として用いることができることは当業者に公知である;しかし、ジメチルジスルフィドのみが硫化剤として明白に例示されており、さらにジメチルジスルフィドは、今日まで工業における基準の硫化剤である。
有機ポリスルフィド類も、触媒の硫化用の硫化剤として推奨されている。US 4 725 569は、RSR’型(RおよびR’は同一または異なっていてもよいC−C20アルキル基であり、xは2から8であり、DMDSを除く。)の有機ポリスルフィド類の使用を記載しており、室温で、触媒をポリスルフィドを含む溶液に含浸し、次いで、不活性溶媒を除去し、最後に、水素下で水素化処理反応器に入れた触媒の硫化を実施する。
EP 298 111は、水素、および式RSR’(RおよびR’は同一または異なっていてもよいC−Cアルキル基であり、nは3から10である。)の硫化剤を含む炭化水素原料を同時に通過させることにより触媒を硫化する方法を記載している。
WO 01/96499は、精油装置のLPG(液化石油ガス)脱硫装置から得られるジスルフィド類混合物の硫化剤としての使用を記載しており、これらの混合物から腐食性およびナトリウム化合物が除去される。これらのジスルフィド類混合物は、通常、98%を超えるジメチルジスルフィド、ジエチルジスルフィドおよびエチルメチルジスルフィドからなる。
EP 0 976 726は、バニリン、エチルバニリンおよびあるエステルから選択される臭気マスキング剤を1重量%まで含む、臭気をマスキングしたDMDSをベースとする組成物を記載している。このマスキングは、DMDS中の不純物の含有量が、通常、メチルメルカプタン500ppm未満、ジメチルスルフィド1%未満に制限される場合にのみ効果的である。
アルキルポリスルフィド類RSR’(xは平均硫黄値であり、xは3以上である。)が、DMDSのようなアルキルジスルフィド類より低い温度で分解し、これが触媒のより速い硫化を可能にする利点、工業が良好な評価に変わる利点を示すことは当業者に公知である。しかし、工業においても周知である、ポリスルフィド類の重要な不都合は、触媒の活性化のための加熱処理の間に形成される固体の硫黄および/または固体の沈着物の形成であり;固体の硫黄および/または固体の沈着物は製油所の種々の成分中に沈着し、その結果、工業単位の操作に非常に有害な妨害物を形成する。ポリスフルフィド類は、アルキルジスルフィド類より低温で分解するが、これらの使用に関連する固体の沈着物および/または固体の硫黄の形成は、依然として工業において基準の硫化剤であるジメチルジスルフィド類を好む精製業者にとって問題である。
最近、2段階を含む、新規な触媒の硫化技術が提案された。「現場外」と呼ばれる第一段階において、硫化剤に含浸した後、製油所の外で水素の非存在下で触媒を予備活性化する。
EP 130 850は、溶媒中の溶液中で用いられる、一般式RSR’(RおよびR’は、同一または異なっていてもよいC−C150の有機基(アルキル、ナフテン酸、アリール、アルキルアリール、アリールアルキル)であり、nは3から20である。)の少なくとも1種の硫化剤を用いて前記触媒を処理することからなる、触媒の現場外における予備硫化法を記載しており;酸化物形態の触媒を有機ポリスフルフィド類(例えばArkemaにより販売されているTPS37またはTNPS)、好ましくはホワイトスピリット型の炭化水素の溶液に含浸する。特定の性質の硫黄化合物の触媒中での取り込みの予備的段階は、150℃を超えない温度での水素の非存在下における触媒の加熱処理によって完了する。この操作は、有機溶媒を除去し、有機ポリスルフィド類を介した触媒への硫黄の付着を確実にする効果を有する。この予備的硫化段階において、触媒は空気中で安定であり、特別な注意なしで取り扱うことができる。触媒は、この段階で使用者に提供され、水素化処理反応器中に入れた後、水素の存在下で水素化処理反応器内で金属の金属硫化物への完全な変換のために水素下、触媒の硫化を達成することができる。「現場外で」の技術は、現在、硫黄含有生成物、有機ポリスルフィドまたは硫黄としての工業スケールの使用において開発された。
異なる構造を有する他の有機ポリスルフィド化合物も、触媒の「現場外」での予備硫化のために提案されている。FR 2 627 104およびEP 329 499に推奨されている生成物は一般式R’−(S−R−S−R−S)−R’を有し、有機モノハロゲン化物の反応、これに続くアルカリ性ポリスルフィドとの反応を含む一連の連続した段階によって、オレフィン類および塩化硫黄から得られる。EP 338 897においては、主張された生成物は、アルカリ性メルカプチドまたはアルカリ性ポリスルフィドメルカプテートとの追加反応によって、オレフィンおよび塩化硫黄から合成される。
米国特許第3 016 347号 米国特許第3 140 994号 英国特許第1 309 457号 米国特許第3 732 155号 米国特許第4 098 682号 米国特許第4 132 632号 米国特許第4 172 027号 米国特許第4 176 087号 米国特許第4 334 982号 仏国特許第2 476 118号 欧州特許第64 429号 米国特許第4 725 569号 欧州特許第298 111号 国際公開第01/96499号パンフレット 欧州特許第0 976 726号 欧州特許第130 850号 仏国特許第2 627 104号 欧州特許第329 499号
J.R.Anderson and M.Boudart,Catalysis,vol.11,1996,p.25 H.Hallie(Oil and Gas Journal,Dec.20,1982,pp.69−74)
本発明は、工業の基準の硫化剤を考慮し、ジメチルジスルフィドよりも低温で分解し、触媒の更なる急速な硫化を可能にするのみならず、ポリスルフィド類と比較し、固体、特に硫黄の沈着をかなり抑制する新規な硫化剤に関する。
本発明の硫化剤は、基本的にジエチルジスルフィド(DEDS)またはジプロピルジスルフィド(DPDS)またはジブチルジスルフィド(DBDS)からなり;ジメチルジスルフィドよりも低い温度において分解することのみならず、ポリスルフィド類と異なり、固体、特に硫黄と関連する固体の沈着を形成しないという利点を示す。
実施例3の試験結果を示す図である。
本発明の好ましい形態によれば、硫化剤は基本的にDEDSからなる。
本発明の好ましい形態によれば、硫化剤は基本的にDPDSからなる。
本発明の好ましい形態によれば、硫化剤は基本的にDBDSからなる。
本発明の意味の範囲内で、「基本的にからなる」という表現は、不純物20000ppm未満、好ましくは不純物10000ppm未満、および有利には不純物5000ppm未満を含むことを意味する。「不純物」という用語は、式RSR’(nは1から10の範囲の平均硫黄値を表わし、およびRおよびR’はHまたはC−C24の直鎖または分岐鎖アリール、シクロアルキルまたはアルキル鎖を表わす。)により表わすことができ、例えば硫化剤が基本的にDEDSからなる場合、DMDS、ジメチルスルフィド、メチルメルカプタン、エチルメルカプタン、DPDSおよび/またはDBDSのような、1種以上の微量のスルフィド類を意味すると理解される。
「ジプロピルジスルフィド(DPDS)」および「ジブチルジスルフィド」という用語は、それぞれ、ジプロピルジスルフィドおよびジブチルジスルフィドの異性体または2種以上の異性体、例えばn−プロピルおよび/またはイソプロピルジスルフィド、n−、イソ−および/またはtert−ブチルジスルフィドを意味すると理解される。
好ましい実施態様によれば、本発明の硫化剤は、更に少なくとも1種の臭気主成分(scenting base)および/または1種の臭気マスキング剤であって、例えばEP0 976 726に記載される臭気マスキング剤単独または混合物から選択されるもの、例えば特に、バニリン、エチルバニリンまたは式RCO(式中、Rは、1から4個の炭素原子を含む場合により不飽和である直鎖または分岐鎖の炭化水素基を表わし、およびRは、2から8個の炭素原子を含む場合により不飽和である直鎖、分岐鎖または環状の炭化水素基を表わす。)のエステルを含む。
一般に、マスキング剤および/または臭気主成分の含有量は、硫化剤の全重量の1重量%以下であり、通常0.1から0.5重量%である。
驚くべきことに、本発明の硫化剤により硫化された水素化処理触媒の活性は、DMDSにより硫化された水素化処理触媒の活性と比較し、著しく向上していた。
本発明の硫化剤は、特に、少なくとも1種の金属または半金属の酸化物および少なくとも1種の活性金属とをベースとする担体を含む水素化処理触媒の「現場」での予備硫化のために用いることができ;この場合、例えば大気圧から20MPaの範囲であり得る水素圧力下(しかし好ましくは1から5MPaであり、工業的に通常に用いられる圧力範囲)で、ガスオイルを用いて混合物として取り入れることができる。この段階は、350℃までの範囲であり得る温度で実施される(より高い温度は硫化時間を短くすることを可能にするが、コーキングの危険性が顕著に高くなる。)。
この段階は下記2工程で実施することが有利である。
早すぎる還元の危険性なしで排気ガス中に得られるHSの急増(breakthrough)に必要な時間を最小限にするように、150から250℃、好ましくは210から230℃の範囲の温度で予備硫化を実施し、次いで、
排気ガス中にHSの一定濃度を有するのに十分な時間、250から350℃、好ましくは290から330℃の範囲の温度で第二の硫化を実施する。
1リットル中のガスオイルの容量による流量に対する標準的リットル中の水素の容量による流量の比により表される水素ブランケットは、通常、50から500Sl/lであり、好ましくは100から300Sl/lである。
触媒の容量に対するガスオイルの容量により1時間あたりの流量の比として定義される1時間あたりの空間速度(HSV)は、工業的に一般に用いられる範囲である、0.1から5h−1の範囲であり得、および好ましくは1から3h−1の範囲である。
本発明の新規硫化剤により導入される硫黄の総量は、通常、触媒の酸化物のスルフィドに完全に変換するのに化学量論的に必要な硫黄の100から250重量%の範囲であり得る。
本発明の硫化剤は、「現場外」での予備硫化のためにも用いることができる。
触媒中への硫黄の取り込みは、水素の非存在下で触媒を接触させることにより実施され、予想される硫化の程度を極めて正確に得ることを可能にする。この取り込みは通常、0から50℃、好ましくは0から30℃の温度で、および有利には周囲温度で実施される。
硫化剤は、通常、特に硫化剤の特性に依存し、適切な溶媒に希釈して用いられる。
溶媒は、下記溶媒単独または混合物から選択することができる。
約60から95℃の沸点を有する軽ガソリン、
約63から68℃の沸点を有するヘキサンタイプのガソリン、
約100から160℃の沸点を有し、通常、芳香族炭化水素10から20%を含む、Fタイプのガソリン、
約150から250℃の沸点を有し、通常、芳香族炭化水素14から22%を含む、ホワイトスピリット型のガソリン、
前述したガソリンと同等の、任意の炭化水素または非炭化水素留分。
下記実施例においては、触媒硫化工程において用いられるDEDSおよびDMDSの分解温度を示し、本発明のDEDS、または硫化剤として従来に用いられるポリスルフィド(ジ(tert−ブチル)ポリスルフィド)の存在により生成する固体、特に硫黄に関連する沈着物を測定する。
実施例3は、臭気主成分を加え、DEDSを用いた硫化の、同じ臭気主成分を加え、DMDSを用いた硫化との比較における、水素化処理触媒の活性の向上を示す。
CoMo型の市販の水素化処理触媒40cmを触媒内の温度の測定を可能にする温度プローブを備えた反応器内に酸化物形態で導入する。300℃までであり得る大きな温度範囲をスイープ(sweep)することを可能にするオーブン中に反応器を置く。
SRGO(Straight Run Gas Oil)タイプの非脱硫ガスオイルは、DMDSまたはDEDSのいずれかの硫化剤により提供される硫黄0.8%を加える。次いで、添加されたガスオイルを、20l/時の水素流速下、80cm/時の流速で室温に導入する。次いで、オーブンの温度を、触媒ベッド中で150℃に達するように調整する。ガスオイルの流速および水素の流速を、それぞれ80cm/時および20l/時に固定したままにする。反応器の出口におけるガス状流出物を、硫化剤の分解の代表的なHS濃度の変化を監視するために、クロマトグラフィーにより分析する。いったん、150℃において安定なHS濃度値、即ち、[HS]T=150℃を得ると、160℃におけるHS平衡濃度、即ち、[HS]T=160℃を測定するために、触媒ベッドの温度を10℃ずつ上昇させる。安定および最大限のままであるHS濃度、即ち、[HS]maxになる温度に達するまで、10℃ずつ温度を上昇させることにより、操作を繰り返す。従って、HS濃度、即ち、[HS]は各中間温度において知られている。温度Tにおける硫化剤の分解の程度は、[HS]/[HS]maxX100の比として%で表される。
ジメチルジスルフィドおよびジエチルジスルフィドの分解の程度を下記表にまとめる。
Figure 0005218422
DEDSが、DMDSよりも低温で分解することがわかる。
Incolloy 800HTで製造した、30cmの長さおよび7.7cmの直径を有するパイプを、パイプの内部の温度を200から400℃に変化させるためにオーブン内に置く。硫化剤を、窒素との混合物として、0.8g硫黄/時の硫黄注入流速および4l/時の窒素流速になるようにパイプ内に導入する。従って、硫化剤は3時間導入される。パイプの出口における流出液を凝縮し、回収する。3時間注入した後、回収した凝縮物を必要に応じてろ過し、回収された固体の重さを量る。
試験を行った種々の硫化剤は、DMDS、DEDS、DPDS、DBDSおよび商品名TPS54でArkemaにより販売されているジ(tert−ブチル)ポリスルフィドである。
得られた結果を下記表に示す。
Figure 0005218422
これらの結果を見ると、TPS54と対比し、DEDS、DPDSまたはDBDSは、いずれも固体沈着を形成しないことが明らかである。これらの測定により、硫化剤としてポリスルフィドを用いた場合、工業的に観察される固体沈着の形成の可能性が確認される。
臭気マスキング剤3000ppmを加えたDMDSの活性を、同じマスキング剤3000ppmを加えたDEDSの活性と比較するために、パイロットスケールの水素化処理プラントにおいて活性試験を実施した。このパイロットスケールのプラントは、工業的水素化処理装置を表わす。アルミナ上に担持したニッケルモリブデン(NiMo)型の市販の触媒で反応器を満たす。反応器は、300mlの容量、17.4mmの直径および1300mmの高さを有する。カルボランダム(不活性炭化ケイ素材料)2層の間に触媒を満たし、確実に液体を十分に分布させる。満たした触媒の容量は20mlである。用いられた硫化原料は、硫化剤に由来する硫黄1%が加えられた、原油(Straight Run Gas Oil:SRGO)の常圧蒸留から得られるガスオイルである。DMDSおよびDEDSは同じ硫黄含有量を有さないが、この工程は同程度の特徴を比較することを可能にする。下記方法により、4.5Mpaの圧力下、1h−1の毎時空間速度(HSV)および200SI/lのH/炭化水素(HC)比で硫化を実施した。
− 硫化原料の下、25℃/時の速度で150℃から230℃に温度を上昇させる。
− 反応器から排気されるガス中のHSおよび他のメルカプタン類の含有量を連続的に監視する。
− 230℃での温度静止期を4時間維持する(3000ppmを超えるHSの急増の達成を可能にする。)。
− 25℃/時の速度で230℃から350℃に温度を上昇させる。
− 350℃での静止期を12時間。
− 硫化原料を停止し、試験原料に切り替える。
用いられる試験原料は、10400ppmの全硫黄含有量を有するStraight Run Gas Oil(SRGO)およびLight Crude Oil(LCO)の70/30の比の混合物である。
次いで、硫化された触媒の有効性を決定するために、安定化の期間で、種々の温度(340℃、350℃および360℃)で脱硫化試験を実施する。
水素化処理反応器を通過した後の原料中の全硫黄含有量を、脱硫化試験の間、連続的に測定する。
臭気マスキング剤は、以下の組成、即ち、酢酸イソアミル(25%)、ジエチルオルトフタレート(50%)、2−メチルブチルブチレート(15%)および酢酸ベンジル(10%)を有する。
結果を図1に示す。
DEDSの添加は、DMDSの添加と同様のレベルの脱硫化(10ppm)を得ることを可能にするが、5℃低く(358℃に代わり353℃)、これは水素化処理装置にとって非常に重要である。

Claims (10)

  1. 触媒が、少なくとも1種の金属または半金属の酸化物をベースとする担体および少なくとも1種の活性金属を含む水素化処理触媒用硫化剤であって、硫化剤が、基本的にジエチルジスルフィド(DEDS)からなることを特徴とする、水素化処理触媒の硫化剤。
  2. 不純物を20000ppmまで含むことを特徴とする、請求項1に記載の硫化剤。
  3. 不純物を10000ppmまで含むことを特徴とする、請求項2に記載の硫化剤。
  4. 不純物を5000ppmまで含むことを特徴とする、請求項3に記載の硫化剤。
  5. 少なくとも1種の臭気マスキング剤および/または1種の臭気主成分を含むことを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の硫化剤。
  6. 少なくとも1種の臭気マスキング剤および/または1種の臭気主成分を、硫化剤の全重量の1重量%まで含むことを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の硫化剤。
  7. 少なくとも1種の臭気マスキング剤および/または1種の臭気主成分を、硫化剤の全重量の0.1から0.5重量%含むことを特徴とする、請求項6に記載の硫化剤。
  8. 少なくとも1種の金属または半金属の酸化物をベースとする担体および少なくとも1種の活性金属を含む触媒の予備硫化工程であって、硫化剤が、請求項1から7のいずれか一項において定義されるものであることを特徴とする触媒の予備硫化工程。
  9. 予備硫化が現場外手法で実施される、請求項8に記載の触媒の予備硫化工程。
  10. 予備硫化が現場手法で実施される、請求項8に記載の触媒の予備硫化工程。
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