JP7321790B2 - 重質油の水素化処理方法 - Google Patents
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Description
さらに、特許文献5には、軽油留分をニッケルとモリブデンを担持した触媒の存在下に水素化脱硫し、次いでコバルトとモリブデンを担持した触媒の存在下に水素化脱硫する脱硫方法であり、硫黄分0.05質量%以下の軽油留分が得られる水素圧力および温度において水素化脱硫を行う軽油の深度脱硫方法が開示されている。
したがって、重質油の水素化処理用途において、より高い触媒活性を示す触媒システムの開発が求められていた。
[1]脱メタル部、トランジション部、脱硫部からなる重質油の水素化処理方法であって、脱硫部が周期表第8族金属を異なる比率で含む触媒A群と触媒B群が2層以上で積層したものであり、触媒A群は、担体に、Coを含む周期表第8族金属とMoを活性金属成分として担持した一種以上の触媒から構成され、触媒B群は、担体に、Niを含む周期表第8族金属とMoを活性金属成分として担持した一種以上の触媒から構成されたものであり、脱硫部上流側から触媒A群と触媒B群が交互に充填され、上流側に触媒A群が水素化脱硫部中の容積割合で10~90%使用され、下流側に触媒B群が水素化脱硫部中の容積割合で10~90%使用されることを特徴とする水素化処理方法。
[2]触媒A群の活性金属成分は、触媒A群における周期表第8族金属がCoであり、CoがCoO換算で1.5~6.0質量%、MoがMoO3換算で8.0~25.0質量%、Co/Moモル比が0.25~0.75の範囲で担持されたものである、[1]の水素化処理方法。
[3]触媒A群の活性金属成分はさらに、周期表第8族金属であるNiを含み、触媒A群における周期表第8族金属が金属酸化物(例えばCoならCoO)換算で1.5~6.0質量%、MoがMoO3換算で8.0~25.0質量%、周期表第8族金属/Moモル比が0.25~0.75であり、Co/周期表第8族金属モル比が、0.6以上の範囲で担持されたものである、[1]または[2]の水素化処理方法。
[4]触媒B群の活性金属成分は、触媒B群における周期表第8族金属がNiであり、NiがNiO換算で1.5~6.0質量%、MoがMoO3換算で8.0~25.0質量%、Ni/Moモル比が0.25~0.75の範囲で担持されたものである、[1]~[3]の水素化処理方法。
[5]触媒B群の活性金属成分はさらに、周期表第8族金属であるCoを含み、触媒B群における周期表第8族金属が金属酸化物(例えばCoならCoO)換算で1.5~6.0質量%、MoがMoO3換算で8.0~25.0質量%、周期表第8族金属/Moモル比が0.25~0.75であり、Co/周期表第8族金属モル比が、0.4以下の範囲で担持されたものである、[1]~[4]の水素化処理方法。
[6]担体が、酸化物基準で、アルミナを70%以上の量で含む、[1]の水素化処理方法。
[7]前記担体が、さらに、シリカ、チタニア、ジルコニア、ボリア、マグネシアおよびリン酸化物から選ばれる少なくとも1種の成分を含む、[6]の水素化処理方法。
[8]触媒A群およびB群の調製に用いた担体が水銀圧入法で測定した平均細孔径(PD)が8.0~16.0nm、水のポアフィリング法で測定した細孔容積(PV)が0.5~1.1ml/gであり、触媒AおよびBの窒素のBET法で測定した比表面積が、140~290m2/gである、[1]の水素化処理方法。
[9]重質油の水素化処理条件が、水素分圧が5.0~20MPa、反応温度が350~420℃、液空間速度が0.1~3.0hr-1である、[1]の水素化処理方法。
[10]原料重質油は、比重が0.9~1.05、硫黄分1~6質量%、360℃以上の沸点である成分を80質量%以上含む蒸留性状を有する、[1]の水素化処理方法。
このため、本発明によれば、従来の直脱触媒積層系システムで達成しえなかった、低い硫黄分、窒素分を含み、かつ比重の低い生成油を得られる。また、触媒の生産工程上は大きな変更・改造が必要でないので、従来触媒と同じ装置を用いて、高い生産性を維持しながら直脱システムの性能を向上させることができる。
本発明では、脱硫部に、少なくとも2種の触媒(それぞれ触媒A群と触媒B群)を用いる。触媒A群は、担体に、Coを含む周期表第8族金属とMoを活性金属成分として担持した一種以上の触媒から構成され、触媒B群は、担体に、Niを含む周期表第8族金属とMoを活性金属成分として担持した一種以上の触媒から構成され、トランジション部側の上流側から、触媒A群と触媒B群を交互に充填して使用される。このように異なる助触媒を含む触媒を使い分けることにより、高い触媒性能を維持でき、脱硫、脱窒素、脱メタル、脱残炭活性が上昇し、特に脱硫活性の向上が顕著である。
また、この触媒A群および触媒B群の積層を繰り返してもよく、たとえば、A群-B群-A群でも、A群-B群-A群-B群のように繰り返してもよい。脱硫部に触媒を3層以上組み合わせる場合には、触媒A群の触媒は一種である必要はなく、担体に、Coを含む周期表第8族金属とMoを活性金属成分として担持したものであればよい。また同様に、触媒B群の触媒は一種である必要はなく、担体に、Coを含む周期表第8族金属とMoを活性金属成分として担持したものであればよい。
脱硫部に触媒を3層以上組み合わせる場合の各触媒の充填比率は様々な組み合わせが可能となるが、少なくともすべての触媒がそれぞれ脱硫部中5容積%以上は含まれていることが好ましく、さらにはすべての触媒がそれぞれ脱硫部中10容積%以上含まれることがより好ましい。
担体を構成するアルミニウム以外の無機物成分としては、例えばリン酸化物、シリカ、チタニア、ジルコニア、ボリア、マグネシア等から選ばれる少なくとも一種とアルミナとの複合酸化物などを使用することができる。さらには、ゼオライト、タルク、カオリナイト、モンモリロナイト等の鉱物をアルミナと混合させてもよい。
前記活性金属成分を担体に高分散状態に有効に担持して触媒活性を十分に確保するためには、通常、多孔質で所定の細孔を有する担体が好適に使用される。また、担体あるいは触媒体の機械的強度や耐熱性等の物性を制御するために、担体あるいは触媒体の形成に際して適当なバインダー成分や添加剤を含有させることもできる。
また、担体の調製にあたっては、市販の擬ベーマイト粉末等を原材料に用いてもよい。
この時、さらに前記有機添加剤を添加し、その後にさらに捏和してもよい。
得られた成型物を、次いで例えば70~150℃、好ましくは90~130℃で加熱乾燥し、更に例えば400~800℃、好ましくは400~600℃で、例えば0.5~10時間、好ましくは2~5時間焼成してアルミナ担体を得る。得られた担体に、金属成分と炭素成分とを含む含浸液を接触させる。前記した金属成分の原料としては、例えば、三酸化モリブデン、モリブデン酸アンモニウム、硝酸コバルト、炭酸コバルト、硝酸ニッケル、炭酸ニッケル、オルトリン酸(以下、単に「リン酸」ともいう)、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、トリメタリン酸、ピロリン酸、トリポリリン酸などが用いられる。
本発明では、上記脱硫部の上流に脱メタル部とトランジション部を有するが、上記脱硫部を採用する限り、これらの構成は特に制限されない。
脱メタル部
脱メタル部にて、脱硫触媒にとっての触媒毒であるメタル成分を除去することにより、脱硫工程における脱硫触媒の失活を抑制し、脱硫触媒の寿命を延ばすことが可能になる。
脱メタル触媒としては市販のものなど、従来使用されているいずれのものも使用可能である。一般に、脱メタル触媒はアルミナ含有担体に、周期律表第6族金属および第8~10族金属を担持したものが使用される。周期律表第6族の金属としては、モリブデン、タングステンなどを挙げることができるが、モリブデンが好ましい。第6族金属の担持量は、触媒基準で、酸化物基準で2~15質量%、好ましくは4~12質量%である。周期律表第8~10族の金属として、コバルト、ニッケルなどを挙げることができるが、ニッケルが好ましい。第8~10族金属の担持量は、触媒基準で、酸化物基準で1~4質量%、好ましくは1.5~2.5質量%である。担体としては、アルミナが主成分であることが望ましく、触媒の細孔径は10~25nm、好ましくは15~22nm、比表面積は、80~220m2 /g、好ましくは100~190m2 /g、細孔容量は0.4~1.0cc/g、好ましくは0.5~0.9cc/gである。
重質油に含まれるメタル成分は、金属と炭化水素とを含む含メタル化合物である。含メタル化合物の構造は特に限定されないが、例えば、炭化水素と金属とが化学結合(例えば配位結合)を形成したり、炭化水素が微粒子状の金属を被覆している。炭化水素は、例えば、鎖状炭化水素若しくはその異性体、環状炭化水素、ヘテロ環式化合物、または芳香族炭化水素等である。また炭化水素には、アスファルテンといった、ヘキサンなどの軽質の炭化水素に溶けない成分で縮合環の芳香族炭化水素が架橋結合した成分も含まれる。
触媒担体としては、水素化処理触媒として一般に使用されている多孔性無機酸化物が使用可能であり、例えば、アルミナ、シリカ、シリカ-アルミナ、アルミナ-チタニア、アルミナ-ボリア、アルミナ-マグネシア、アルミナ-シリカ-チタニアなどが挙げられる。
本発明では、脱メタル部と脱硫部の間に、トランジション部が設けられる。トランジション部は、脱メタル部と脱硫部での急激な活性変化を避けるために設けられ、脱メタル部・脱硫部のいずれの機能をも有する触媒が使用される。
トランジション部で使用される触媒は、脱メタル部、脱硫部で使用される触媒と同様のものを使用可能であるが、好ましいのは脱メタル部と脱硫部の中間程度の脱硫活性を有するような触媒であり、そのために脱メタル部と脱硫部の中間程度の活性金属量を有する触媒が好ましい。
脱メタル部及びトランジション部の触媒の調製方法は、前記脱硫触媒と同様にして行うことができる。
前記触媒を使用した水素化処理は、固定床反応装置に、流通方向に、脱メタル部、トランジション部、脱硫部となるように前記触媒を積層して充填し、水素雰囲気下、高温高圧条件で、重質油を通液して行なわれる。
また、脱硫部における、触媒A群と触媒B群の体積比は、10~90:90~10が好ましく、25~75:75~25がより好ましい。それぞれの触媒量が少なすぎると、異なる被毒特性の触媒積層による相乗効果を得られないため、好ましくない。
水素化処理反応を行なうに際しては、上記のように1つの断熱型反応器で実施することもできるが、下記のように複数の断熱型反応器を各部ごとに、直列に連結して一連の処理を行なうことができる。各部間には硫化水素やアンモニア等を除去するストリッピング設備や熱回収および加熱手段を設けてもよい。
処理条件の一例としては、水素分圧が5.0~20MPa、温度が350~420℃、液(被処理液である炭化水素油)空間速度が0.1~3.0hr-1である。
測定試料3gを容量30mlの蓋付きジルコニアボールに採取し、加熱処理(200℃、20分)させ、焼成(700℃、5分)した後、Na2O2 2gおよびNaOH 1gを加えて15分間溶融した。さらに、H2SO4 25mlと水200mlを加えて溶解したのち、純水で500mlになるように希釈して試料とした。得られた試料について、ICP装置(島津製作所(株)製、ICPS-8100、解析ソフトウェアICPS-8000)を用いて、各成分の含有量を酸化物換算基準で測定した。
測定試料を磁製ルツボ(B-2型)に約30mL採取し、500℃の温度で2時間加熱処理後、デシケータに入れて室温まで冷却し、測定用サンプルを得た。次に、このサンプルを1g取り、全自動表面積測定装置(湯浅アイオニクス社製、マルチソーブ12型)を用いて、試料の比表面積(m2/g) をBET法にて測定した。
測定試料を磁製ルツボに約3g採取し、500℃の温度で1時間加熱処理後、デシケータに入れて室温まで冷却し、測定用サンプルを得たのち、水銀圧入法(水銀の接触角:150度、表面張力:480dyn/cm)によって測定した。平均細孔径は細孔容積の50 %に相当する細孔直径とした。
測定試料を磁製ルツボに約採取し、500℃の温度で1時間加熱処理後、デシケータに入れて室温まで冷却し、測定用サンプルを得たのち、水のポアフィリング法により細孔容積を測定した。
硫黄濃度はJIS K 2541-7に準拠して測定した。窒素濃度はJIS K2609に準拠して測定した。メタル(Ni及びV)濃度は石油学会JPI-5S-62に準拠して測定した。比重はJIS K 2249-1に準拠して測定した。蒸留性状はASTM D2892に準拠して測定した。
担体Aの調製
薬液添加口2箇所を持つ循環ラインを設けたタンクに純水35.2kgを張り込み、攪拌しながら酸性アルミニウム塩水溶液である硫酸アルミニウム水溶液(Al2O3として濃度7質量%)13.0kgを添加し、60℃に加温して循環させた。この時の硫酸アルミニウム水溶液(A1)のpHは2.3であった。次に、塩基性アルミニウム塩水溶液であるアルミン酸ナトリウム水溶液9.5kg(Al2O3として濃度22質量%)を攪拌及び循環させながら60℃を保ちながら、上記の硫酸アルミニウム水溶液(A1)に180分で添加し、アルミナ水和物(A)を得た。添加後のpHは、9.5であった。アルミナ水和物(A)を60℃の純水で洗浄し、ナトリウム、硫酸根等の不純物を除去した。洗浄ケーキに純水を加えて、Al2O3濃度が8質量%となるように調製した後、還流器のついた熟成タンクにて95℃で3時間熟成し、さらに脱水することでケーキ状のアルミナ水和物(A)を得た。
こうして得られたケーキ状のアルミナ水和物(A)を、スチームジャケットを備えた双腕式ニーダーにて練りながら所定の水分量まで濃縮捏和した。得られた捏和物を押出成型機にて1.7mmの四つ葉型の柱状に押し出し成型した。得られたアルミナ成型品は、110℃で12時間乾燥した後、さらに500℃で3時間焼成して担体Aを得た。
担体Aの調製時に、硫酸アルミニウム水溶液を添加する際に、同時にリン酸49.2g(関東化学(株)製、P2O5として濃度61.6質量%)を添加した以外は同様にして、担体Bを得た。担体BにはリンがP2O5濃度換算で1.2質量%、アルミニウムがAl2O3濃度換算で98.8質量%(いずれも担体全量基準)含有されていた。担体Bの性状は表1に示す。
担体Aの調製時に、硫酸アルミニウム水溶液を添加する際に、同時に硫酸チタニル水溶液1.91kg(TiO2として濃度5.0質量%)及びケイ酸ナトリウム水溶液0.40kg(SiO2として濃度24質量%)を添加した以外は同様にして、担体Cを得た。担体CにはチタンがTiO2濃度換算で3.2質量%、シリカがSiO2濃度換算で3質量%、アルミニウムがAl2O3濃度換算で93.8質量%(いずれも担体全量基準)含有されていた。担体Cの性状は表1に示す。
含浸液aの調製
三酸化モリブデン(関東化学(株)製、純度100質量%)73.2gと炭酸コバルト(関東化学(株)製、CoOとして濃度61.3質量%)29.9gを、イオン交換水300mlに懸濁させ、この懸濁液を90℃で5時間液容量が減少しないように適当な還流装置を施して加熱した後、リン酸(関東化学(株)製、P2O5として濃度61.6質量%)29.71gとクエン酸(関東化学(株)、純度100質量%)27.44gを加えて溶解させ、含浸液aを作製した。
三酸化モリブデン73.2gと炭酸ニッケル(富士フィルム和光純薬(株)製、NiOとして濃度55質量%)33.3gを、イオン交換水300mlに懸濁させることに変更した以外は、含浸液aの調製法と同様にして、含浸液bを作製した。
三酸化モリブデン73.2gと炭酸コバルト19.9gと炭酸ニッケル11.1gを、イオン交換水300mlに懸濁させることに変更した以外は、含浸液aの調製法と同様にして、含浸液cを作製した。
三酸化モリブデン73.2gと炭酸コバルト10.0gと炭酸ニッケル22.2gを、イオン交換水300mlに懸濁させることに変更した以外は、含浸液aの調製法と同様にして、含浸液dを作製した。
担体A500gに含浸液aを噴霧含浸させた後、250℃で乾燥し、更に電気炉にて550℃で1時間焼成して脱硫触媒ア(以下、単に「触媒ア」ともいう。以下の実施例についても同様である。)を得た。
含浸液を含浸液bに変更した以外は、触媒アの製法と同様にして、脱硫触媒イ(以下、単に「触媒イ」ともいう。以下の実施例についても同様である。)を得た。
含浸液を含浸液cに変更した以外は、触媒アの製法と同様にして、脱硫触媒ウ(以下、単に「触媒ウ」ともいう。以下の実施例についても同様である。)を得た。
含浸液を含浸液dに変更した以外は、触媒アの製法と同様にして、脱硫触媒エ(以下、単に「触媒エ」ともいう。以下の実施例についても同様である。)を得た。
担体を担体B500gに変更した以外は、触媒アの製法と同様にして、脱硫触媒オ(以下、単に「触媒オ」ともいう。以下の実施例についても同様である。)を得た。
担体を担体C500gに変更した以外は、触媒アの製法と同様にして、脱硫触媒カ(以下、単に「触媒カ」ともいう。以下の実施例についても同様である。)を得た。
製造例で作製した触媒を、表2のように、脱硫部1層、脱硫部2層及び脱硫部3層に使用するように、各触媒を固定床流通式反応装置(触媒充填容積350ml)に充填した。脱メタル部には市販の脱メタル触媒CDS-DMS10(日揮触媒化成株式会社)およびトランジション部には市販のトランジション触媒CDS-DMS50(日揮触媒化成株式会社)を使用した。
活性試験における試験結果は、アレニウスプロットより反応速度定数を求め、脱硫触媒部に触媒アのみを充填した組み合わせ評価結果の反応速度定数を100%とし、脱メタル活性及び脱硫活性を算出した(相対活性)。反応速度定数は、下記(1)式に基づいて求めた。
ここで、
Kn:反応速度定数
n:脱メタル反応では1.01、脱硫反応では2.0
P:処理油中のメタル濃度(質量ppm)、硫黄濃度(質量%)、残留炭素分(質量%)
F:原料油中のメタル濃度(質量ppm)、硫黄濃度(質量%)、残留炭素分(質量%)
LHSV:液空間速度(hr-1)
結果を表2に示す。
Claims (10)
- 脱メタル部、トランジション部、脱硫部からなる重質油の水素化処理方法であって、
前記脱硫部が周期表第8族金属を異なる比率で含む触媒A群と触媒B群が2層以上で(3層以上の場合は触媒A群と触媒B群の層が交互に)積層したものであり、
前記脱硫部の上流側から数えて1層目に前記触媒A群が積層されており、
前記触媒A群は、担体に、CoとMoを活性金属成分として担持した一種以上の触媒から構成され、
前記触媒B群は、担体に、NiとMoを活性金属成分として担持した一種以上の触媒から構成され、
前記触媒A群が脱硫部中の容積割合で、10~90%使用され、前記触媒B群が脱硫部中の容積割合で10~90%使用されており、
前記重質油が、1~6質量%の硫黄分と、2000質量ppmを超え10000質量ppm以下の窒素分を含むことを特徴とする水素化処理方法。 - 前記触媒A群に活性金属成分としてCoがCoO換算で1.5~6.0質量%、MoがMoO3換算で8.0~25.0質量%、Co/Moモル比が0.25~0.75の範囲で担持されていることを特徴とする請求項1に記載の水素化処理方法。
- 前記触媒A群の活性金属成分はさらに、Niを含み、前記触媒A群における周期表第8族金属が金属酸化物(例えばCoならCoO)換算で1.5~6.0質量%、MoがMoO3換算で8.0~25.0質量%、周期表第8族金属/Moモル比が0.25~0.75であり、Co/周期表第8族金属モル比が、0.6以上の範囲で担持されたものである、請求項1または2に記載の水素化処理方法。
- 前記触媒B群に活性金属成分としてNiがNiO換算で1.5~6.0質量量%、MoがMoO3換算で8.0~25.0質量%、Ni/Moモル比が0.25~0.75の範囲で担持されていることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の水素化処理方法。
- 前記触媒B群の活性金属成分はさらに、Coを含み、前記触媒B群における周期表第8族金属が金属酸化物(例えばCoならCoO)換算で1.5~6.0質量%、MoがMoO3換算で8.0~25.0質量%、周期表第8族金属/Moモル比が0.25~0.75であり、Co/周期表第8族金属モル比が、0.4以下の範囲で担持されたものである、請求項1~4のいずれか1項に記載の水素化処理方法。
- 前記担体が、酸化物基準で、アルミナを70質量%以上の量で含む、請求項1に記載の水素化処理方法。
- 前記担体が、さらに、シリカ、チタニア、ジルコニア、ボリア、マグネシアおよびリン酸化物から選ばれる少なくとも1種の成分を含む、請求項6に記載の水素化処理方法。
- 触媒A群およびB群の調製に用いた担体が水銀圧入法で測定した平均細孔径(PD)が8.0~16.0nm、水のポアフィリング法で測定した細孔容積(PV)が0.5~1.1ml/gであり、
触媒A群およびB群の窒素のBET法で測定した比表面積が、140~290m2/gである、請求項1に記載の水素化処理方法。 - 重質油の水素化処理条件が、水素分圧が5.0~20MPa、反応温度が350~420℃、液空間速度が0.1~3.0hr-1である、請求項1に記載の水素化処理方法。
- 原料重質油は、比重が0.9~1.05、360℃以上の沸点である成分を80質量%以上含む蒸留性状を有する、請求項1に記載の水素化処理方法。
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