JPH0889805A - 重質炭化水素油の水素化脱硫脱金属触媒 - Google Patents
重質炭化水素油の水素化脱硫脱金属触媒Info
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Abstract
を目的とする。本発明の触媒は多孔質であって、ガンマ
態とデルタ態との両者を特定割合で含むアルミナを担体
とし、周期律表第VIa族金属と第VIIIa族金属とを担持
させたものである。このような本発明の触媒は金属の堆
積が担体中均一に起こるため細孔閉塞が起こりにくく、
脱金属寿命が長い。
Description
分を含有する重質炭化水素油に対する長寿命かつ高性能
な水素化脱硫脱金属触媒に関する。
は水素化脱硫を中心とした精製が行われ、生成油は燃料
用重油や分解軽質化工程に利用される。ところが、常圧
蒸留残油などの重質石油系炭化水素油やタールサンド
油、オイルシェールは、ニッケルやバナジウム、鉄のよ
うな金属分を含有している。これらは水素化脱硫触媒に
は永久被毒作用を持ち、触媒作用を徐々に消失させる。
従って水素化脱硫触媒の性能を長期間高レベルに維持す
るためには、予め金属分を除去しておくことが必要であ
る。このため、多くの場合、水素化脱硫触媒の前段には
脱金属前処理を主目的とした水素化脱金属触媒が充填さ
れている。前段の脱金属によって触媒の金属被毒は大幅
に抑えられるので、触媒層全体の寿命を大幅に向上する
利点がある。
きな細孔径を有し、被表面積が小さい特徴とならざるを
得ない。これは金属は主としてアスファルテンに含まれ
ているため、従来の触媒はアスファルテンの分子が触媒
粒子内を効率的に拡散・分解・反応できるように設計さ
れているからである。但しこの場合には後段の脱硫触媒
に比べて、触媒の比表面積が低いために脱硫触媒作用は
低い。従って一定容量の固定床反応器内の脱金属触媒を
増やすほど、全体としての脱硫能は低下することにな
る。触媒の脱硫活性は活性金属成分の含有量に従って、
増加する傾向にあるので脱金属触媒においても、ある程
度の脱硫性能を向上することが出来る。しかしこの場合
には金属分子の脱金属反応の速度が極めて高いために、
析出する金属が触媒外表面にのみ濃縮し、触媒細孔入口
を閉塞するという問題がおきる。それ故単に脱金属触媒
として、活性金属成分を増量することは必ずしも適切で
はない。
は報告されている。例えば、特公平1−22,817号
には脱離されるべきバナジウムを予め脱金属触媒内に添
加した脱金属触媒を用いることを特徴とする水素化処理
法を開示している。但し、本特許の方法によれば重質油
の脱金属能に優れた触媒が得られるが、高い水素化脱硫
活性を引き出すことはできなかった。他方、特公平4−
28,419号や特開平1−254,254号には脱金属
触媒に500■以上の大きな細孔を存在させて拡散を著
しく改善した発明が報告されている。
を効率的にできるので、反応開始後の初期の脱金属や水
素化脱硫反応に対しては優れている。しかし、全細孔中
500■以上の巨孔を付与すれば、本来実際の反応に必
要な有効細孔を減少させるので好ましくなく、触媒能と
金属堆積の可能容量が事実上低下する。仮に十分量、細
孔量を確保しようとすると、全体として非常に多量の細
孔容積を必要とする。この場合には触媒の強度が低下し
てしまい、工業用触媒として問題があることがわかっ
た。しかも巨孔があるが為に、水素化処理の反応初期に
おいて一度に多くのアスファルテン分子を触媒内に包含
させ、かえってアスファルテンが速やかに分解消散でき
ずに、多くのカーボン質として触媒内表面上に永久に付
着すると言う問題が生じる。このため、いわゆるコーキ
ング被毒が起こり結果的には活性低下が大きく長寿命の
脱金属触媒とはなり得ず十分な解決とはいえない。
特開昭62−199,687号には一定の細孔の分布を
有する触媒を用いた接触水素化方法が報告されている。
この触媒はガンマ態アルミナを主体とする無機酸化物を
担体として、水銀圧入法で測定された細孔分布で全細孔
の60%以上が100〜240■の直径を有し、細孔容
積の10%以下が300■以上である細孔径を持つ触媒
が開示されている。しかし、この方法でも、長寿命で高
い水素化脱金属性能と水素化脱硫性能を両方引き出すこ
とは困難であり、更なる触媒の改良が必要であることが
わかった。
素化脱硫と脱金属性能を発揮し、しかも金属分やコーク
により閉塞しない長寿命な水素化脱金属触媒を提供する
ことにある。
を重ねた結果、高い水素化脱硫活性を発現するためには
主に活性金属の担持量を増加するのが好ましいが、水素
化脱金属活性を増加するにはこれだけでは解決できず、
一定の細孔径と担体のアルミナ自体の結晶形態が大きく
影響することが分かり、それらの適切な状態と組み合わ
せることで解決できることが見い出され本発明に至っ
た。
無機酸化物であってX線回折測定によって、2θ=32
°の回折ピークの積分強度に対する2θ=46°の回折
ピークの積分強度との比が0.08〜0.30である担体
に、周期律表VIa族金属のうちの少なくとも1種を2〜
8重量%及び周期律表VIII族金属のうちの少なくとも1
種を0.5〜2.5重量%含有した触媒で、且つ窒素吸着
法で測定した触媒の細孔分布が180〜300■の平均
細孔直径を有し、さらに、触媒の全細孔容積が0.5〜
1.0cc/gであり、この細孔の分布は、平均細孔直径
±50■の範囲の細孔容積が直径500■以下の細孔が
占める容積の40%以上であって、350■以上の直径
の細孔の容積が直径500■以下の細孔が占める容積の
20%以下である水素化脱金属触媒が課題を解決できる
ことを見い出した。
般的によく触媒担体用に使用されるアルミナの結晶形態
はガンマー態(γ態)であるが、これは水酸化アルミニ
ウムを加熱脱水しアルミナ水和物ベーマイトを中間体と
して500℃以上で焼成して得られる。また更に灼熱す
れば、連続的にシータ態(θ態)からデルタ態(δ態)
となり、最終的には1100℃以上の温度で徐々にアル
ファ態(α態)に変態する。この間、アルミナの表面は
比表面積が低下し、またアルミナ表面の水和状態が低下
する。本来はγ態のような水和度が十分残存する表面で
あれば、担持活性金属をよく固定化することができるの
で金属の高分散には好ましいとされている。
一定量比で混在する物が好ましい。このγ結晶態とδ結
晶態の存在量比は、X線回折により確認するのが最も明
確な方法であり、以下のようなR値を用いてアルミナの
結晶形態状態をあらわすことができる。
定による2θ角が32°と46°それぞれのピークの強
度に相当する。ここで用いたX線回折装置はリガク
(株)製のX-RAY DIFFRACTOMETER, RINT-1100Vである。
測定条件は以下の通り非常に一般的な設定である。
流40mA、2軸式縦型ゴニオメータ使用、走査速度2.
000°、発散スリット幅1°、散乱スリット1°、受
光スリット0.3mm、2θ角:5°≦2θ≦80°
データによれば2θ角46°に現れ、δ態のそれは回折
の一部は2θ角32°のところで現れる。両回折ピーク
はγ、δ複合態であっても重なり合うことなく単離積算
しやすい。両者の回折ピークの強度は積分強度として面
積値で求められ、それぞれの比をRとして求めること
で、γ、δ態の存在比を規定することができる。R値は
大きいほどδ態のアルミナの存在量が多く、小さいほど
γ態が多いことを表す。
08以上0.30の範囲にある。0.08以下では非常に
活性な表面を発現し、担持される金属をより高分散化
し、活性状態に保つので好ましくない。即ち脱金属反応
が著しく起こるために触媒の外表面上のみでしか金属堆
積がおきず、結果的に細孔閉塞を起こしやすくするので
好ましくない。また反対に0.30以上では活性金属を
担体表面に固定化する能力が乏しすぎて、水素化脱硫と
脱金属の両活性共に低いので好ましくない。水素化脱硫
と脱金属の点で最も好ましいR値の範囲は0.20から
0.25の間である。
達できる。即ち、アルミナ水和物を乾燥した後に800
℃以上の範囲で焼成することで得られる。前述したよう
にδ態は800℃以上の温度で保持して焼成することに
より出現する。焼成温度が約850℃〜950℃の範囲
であれば3時間以内での所望のR値を達成できる。最も
好ましくは0.20から0.25の間のR値を得るために
約850℃〜900℃であることがよい。焼成時の雰囲
気は大気中でよいが、必要に応じて不活性ガス雰囲気下
や湿潤雰囲気下や乾燥雰囲気下で行うこともできる。
期律表VIa族金属と周期律表VIII族金属から選ばれるこ
とが望ましいことはよく知られているが、本発明におい
ても同様に選択される。周期律表VIa族金属と周期律表
VIII族金属は好ましくはモリブデンとニッケルである
が、他のVIa族及びVIII族金属でもまた複数の金属の組
合わせでもよい。
属の含有量は2〜8重量%が好ましい。2重量%以下で
は触媒作用に乏しく、水素化脱硫触媒作用が低すぎるの
で好ましくない。また8重量%以上では触媒の活性が高
すぎて、脱金属反応が触媒細孔入り口で起こり、容易に
細孔閉塞現象を引き起こすので好ましくない。このこと
はほぼ周期律表VIII族金属の好ましい含有量範囲0.5
〜2.5重量%にも当てはまる。最も好ましい周期律表V
Ia族金属の含有量は6〜8重量%であり、周期律表VII
I族金属の含有量については1.2〜1.8重量%であ
る。
属と周期律表VIII族金属の両方またはいずれか一方が増
加すれば向上するが、脱金属活性はあまり影響されない
傾向にある。これに対し担体の結晶形態を前述のように
制御すれば、高い脱金属性能が得られる。
示す因子は、触媒の細孔径及び細孔の分布であるが、細
孔分布の測定には水銀圧入法と窒素吸着法の2種類が最
も一般的に利用されている。ただし、水銀圧入法では被
測定サンプルの組成によって水銀の接触角が変わるの
で、同じ細孔分布どうしの触媒であっても、担持金属量
の差に応じて異なる細孔分布が得られるので問題が生じ
る。これに対して窒素吸着法は物質の組成に左右されな
いのでこの方法を用いることが好ましい。
ルテンの十分速やかな拡散を図るに必要な大きさに、設
定されねばならない。このため、触媒の平均細孔直径は
窒素吸着法で測定した細孔分布で現して、180〜30
0■の範囲にあることが必要である。180■以下の小
さな孔径では原料油の拡散に支障をきたし、脱金属性能
は十分に発揮されないので好ましくない。これに対し、
触媒細孔径は増加するほど脱金属活性は向上するが、3
00■を超えることは好ましくない。触媒細孔径は触媒
比表面積とよく対応し、孔径が小さいほど触媒比表面積
が向上して水素化脱硫活性が向上するが、脱金属活性が
低下する。逆に孔径が大きくなると前者とは逆の傾向を
呈する。従ってこれらの釣り合いを考慮しても、180
〜300■に細孔直径があることが必要であって、好ま
しい触媒の平均細孔径の範囲は240〜300■にあ
る。
範囲にある。0.5cc/g以下では脱金属による反応に
より生成するニッケルやバナジウムを包含する十分な容
量がないので、早く細孔内が堆積金属で埋まってしま
い、十分な寿命を持つ触媒であり得ず好ましくない。反
対に細孔容積が大きすぎると触媒の嵩密度が低下しすぎ
て、触媒の充填密度が十分多くならないのでかえって好
ましくない結果になる。
が必要であり、第1には細孔平均直径から50■小さい
孔径から逆に50■大きい孔径に対する幅100■の中
には、細孔の全容積のうち40%以上が存在することが
必要である。この範囲には全細孔のうちできるだけ多く
が存在することが好ましく、反応に重要な“有効細孔”
である。この細孔の量は40%以下では金属含有分子の
有効拡散の場に乏しく好ましくない。
ぼ満足する触媒は得られるが、更に350■〜500■
の直径の細孔の占める容積が一定量存在することが極め
て好ましい。350■以上の孔は単に水素化脱硫や脱金
属の場ではなく、金属含有分子群の拡散の場として有効
な導入路を与え、更に堆積した金属を閉塞することなく
包含する役割を果たす。この細孔の容積は全容積の20
%以内好ましくは10〜15%の範囲でよく、多すぎて
もかえって無駄であり、本来の有効細孔の量を低減する
ことにもなるので好ましくない。なお500■以上の直
径の細孔が5%以下程度存在してもよいが触媒活性の面
からは何らの利益もない。
にはシリカやリン、ホウ素、チタン、ジルコニウム及び
セピオライト等の添加物は約10%以内ならば含まれて
いてもよい。
8℃に加温し、その中にAl2O3濃度として5.4重量
%の硝酸アルミニウム水溶液2kgを加えた。次いでその
中に、Al2O3濃度として9.2重量%のアルミン酸ソ
ーダ水溶液2.5kgを加え、5分間撹拌し、アルミナヒ
ドロゲルを生成した。この時の液のpHは9.8であっ
た。次にこのアルミナヒドロゲルに前記硝酸アルミニウ
ム水溶液2kgを加え5分間保持した。この時のpHは3.
2となった。更に前記アルミン酸ソーダ2kgを加え5分
間保持した。この時のpHは5.2となった。この硝酸ア
ルミニウム水溶液とアルミン酸ソーダ水溶液を交互に加
える操作を9回繰り返してアルミナゲルを得た。このゲ
ルを濾過・洗浄して、アルミナのケーキ状物を得た。
状物を5kg用い、1時間混練した後に水分率を65%に
整えた。この練り物を長軸1.3mm、短軸1.1mmの四葉
型の押し出し成形孔に通して成型し120℃で空気中で
12時間乾燥した。得られた乾燥物をアルミナ水和物A
とした。
間かけて800℃まで昇温し、2時間800℃で保持し
て担体1を得た。担体1を1g取り、メノー乳鉢ですり
つぶして、XRD回折パターンを観察したところ、以下
の表に示すように、γ態アルミナの存在を示す2θ=3
2°のピークの積分強度に対するδ態アルミナの2θ=
46°のピークの積分強度の比;Rは0.22であっ
た。
ニッケルを担持した。和光純薬製特級の三酸化モリブデ
ン(MoO3品位で99.9%)120gと硝酸ニッケル
(NiO品位で25.8%)116gを取り300mLの
水に分散してよく撹拌し、次いでアンモニア水を完全溶
解まで少しずつ添加した。この金属溶液の容量を担体1
が1kgの飽和吸水量となるように調整した。更にこの金
属溶液を担体に少しずつ添加し、ときどき担体粒子をよ
く振り混ぜつつ全量を加えた。得られた含浸体を120
℃で12時間空気中で乾燥した後、2時間かけて540
℃まで昇温して2時間保持した。
た。触媒1の化学組成はモリブデンが6.9wt%であ
り、ニッケルが2.0wt%であった。また触媒の細孔物
性を表にまとめた。
で昇温し、2時間保持して焼成し担体2を得た。この担
体のR値は0.30であった。この担体に実施例1と同
様の方法で金属成分を担持し、触媒2を得た。触媒2の
化学組成はモリブデンが2.8wt%であり、ニッケルが
0.8wt%であった。また触媒の細孔物性を表に示し
た。
0℃まで昇温し、7時間保持して担体3を得た。この担
体のR値は0.49であった。この担体に実施例1と同
様の方法で金属成分を担持し、触媒3を得た。触媒3の
化学組成はモリブデンが6.9wt%であり、ニッケルが
2.0wt%であった。また触媒の細孔物性を表に示し
た。
0℃まで昇温し、3時間保持して担体4を得た。この担
体のR値は0.02であった。この担体に実施例1と同
様の方法で同一金属成分を同一量担持し、触媒4を得
た。また触媒の細孔物性を表に示した。
を用い4種類の組成で活性金属を担持した。得られた触
媒5、触媒6、触媒7及び触媒8のモリブデン/ニッケ
ルの含有率は1.5wt%/2.0wt%、10.0wt%/2.
0wt%、7.0wt%/0.3wt%、7.0wt%/3.0wt%
であった。また4触媒の細孔物性を表に示した。
アルミニウム水溶液とアルミン酸ソーダ水溶液を交互に
加える時のそれぞれの添加後の保持時間を1分、5分と
するほかは同様の方法でアルミナヒドロゲルを得た。こ
のヒドロゲルを混練を施しアルミナケーキ状物を得た。
この後に成形を行い、実施例と同じ方法で担体調製とこ
れに続く触媒を調製した。これを触媒9とした。触媒9
の化学組成は触媒1と同一である。触媒の細孔物性は表
に示した。
0%硝酸溶液を5ml添加して、混練してから成形を行
い、焼成を800℃で行って担体を調製した。このほか
は実施例1の方法と同様にして触媒10を調製した。触
媒10の化学組成は触媒1と同じでありまた触媒の細孔
物性を表に示した。
練しないで水分率を69%に調整した後に成形を行い、
実施例と同じ方法で担体調製とこれに続く触媒を調製し
た。これを触媒11とした。触媒11の化学組成は触媒
1と同じであって触媒の細孔物性は表に示した。
溶液2mlを添加すること以外は実施例1と同じ方法で混
練してから成形を行い、焼成を800℃で行って担体を
調製した。このほかは実施例1の方法と同様にして触媒
12を調製した。触媒12の化学組成は触媒1と同一で
ある。また触媒の細孔物性を表に示した。
固定床流通式反応器を用いて触媒1から触媒12までを
それぞれ50ml採取し、内径20mm−φ、長さ1,30
0mmの反応管に充填した。活性評価条件を以下の通りと
し、活性を評価した。 水素圧力: 135kg/cm2 液空間速度: 1.0hr-1 水素/原料油流量比: 800 Nl/l 反応温度: 390℃
持つ物であった。 比重(15/4℃): 0.988 粘度(50℃): 1,102cSt 残留炭素: 18.1wt% アスファルテン量: 7.5wt% 硫黄分: 4.14wt% バナジウム+ニッケル量:44+17ppm 試験開始後から3週間経過したときの活性評価の結果を
表にまとめた。
属触媒としての寿命に直接かかわる金属堆積分布の観察
要領を示した。試験後の触媒を反応器より抜き出してト
ルエンでよく洗浄し、50℃で1日間窒素気流下で乾燥
した。この後に電子線プローブマイクロアナライザー
(通称EPMA)を使用して、触媒中に堆積したバナジ
ウムの濃度を“割断面長軸方向”に沿って調査した。こ
の結果触媒の多くはほぼ凹型の濃度分布であり、触媒外
表面でのバナジウム濃度が最も高く、触媒中心部の濃度
が最少となった。この傾向はすべてのサンプルに共通で
あったが、程度に差異がみられたので、指標として触媒
外表のバナジウム濃度に対する中央部の濃度の比をH値
としてあらわした。即ち、H値が1であれば触媒中のバ
ナジウムの分布は均一に堆積したことをあらわし、この
値が小さいほど触媒粒子外表近傍に濃縮したことを示し
ている。したがってH値が大きい程、バナジウムやニッ
ケルの堆積による触媒の細孔の閉塞が延期されて長い寿
命を有することになる。表から明らかなように本発明の
触媒(触媒1、2)は水素化脱硫転化率と水素化脱金属
転化率の両方が促進されて、金属堆積による細孔閉塞の
指標であるバナジウムの堆積分布もよい。比較例の触媒
中には著しくバナジウムの分布の優れたものや、脱金属
性能または水素化脱硫性能のどれかが高いものがある
が、それら全てには高性能を示さない。
金属成分の含有量、さらには細孔の分布状態それぞれを
制御し、且つ組み合わせることによって、高い水素化脱
硫・脱金属性能を発揮し、しかも容易な失活が抑制され
た長寿命な水素化脱金属触媒を得ることができる。
Claims (2)
- 【請求項1】 アルミニウム酸化物を主成分とする無機
酸化物であってX線回折測定によって2θ=32°の回
折ピークの積分強度に対する2θ=46°の回折ピーク
の積分強度の比が0.08〜0.30である担体に、 周期律表VIa族金属から選ばれる少なくとも1種の金属
を2〜8重量%と、 周期律表VIII族金属から選ばれる少なくとも1種の金属
を0.5〜2.5重量%含有し、 窒素吸着法で測定した触媒の細孔分布が180〜300
■の平均細孔直径を有し、 触媒の全細孔容積が0.5〜1.0cc/gであり、 平均細孔直径±50■の範囲の細孔容積が直径500■
以下の細孔が占める容積の40%以上であり、 350■以上の直径の細孔の占める容積が直径500■
以下の細孔が占める容積の20%以下であることを特徴
とする水素化脱硫脱金属触媒。 - 【請求項2】 周期律表VIa族金属がモリブデンであ
り、周期律表VIII族金属がニッケルであることを特徴と
する請求項1記載の水素化脱硫脱金属触媒。
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