RU2125080C1 - Method of removing organosulfur compounds from hydrocarbon stock - Google Patents
Method of removing organosulfur compounds from hydrocarbon stock Download PDFInfo
- Publication number
- RU2125080C1 RU2125080C1 RU98106000/04A RU98106000A RU2125080C1 RU 2125080 C1 RU2125080 C1 RU 2125080C1 RU 98106000/04 A RU98106000/04 A RU 98106000/04A RU 98106000 A RU98106000 A RU 98106000A RU 2125080 C1 RU2125080 C1 RU 2125080C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vanadium
- solution
- working solution
- oxidation
- sulfuric acid
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к очистке углеводородов, содержащих сернистые соединения, а более конкретно оно относится к процессу обессеривания жидких углеводородов, содержащих сераорганические соединения, путем окисления и сульфирования этих сераорганических соединений, используя жидкий регенерируемый раствор, содержащий переходные металлы. The present invention relates to the purification of hydrocarbons containing sulfur compounds, and more particularly it relates to a process for the desulfurization of liquid hydrocarbons containing organosulfur compounds by oxidizing and sulfonating these organosulfur compounds using a liquid regenerated solution containing transition metals.
По причинам экономического и экологического характера имеется все возрастающая потребность в жидких углеводородных смесях, содержащих очень низкие уровни серы, например топливо для автомобилей, в котором содержание серы не превышает 0,03 вес. % (300 ppm) или даже 0,003 вес. % (30 ppm). For economic and environmental reasons, there is an increasing need for liquid hydrocarbon mixtures containing very low levels of sulfur, such as automotive fuel, in which the sulfur content does not exceed 0.03 weight. % (300 ppm) or even 0.003 weight. % (30 ppm).
В настоящее время для промышленной очистки дистиллятов нефти наиболее часто применяется гидроочистка. Гидроочистка, как известно, обеспечивает практически полное удаление меркаптантов, сульфидов и дисульфидов из жидких углеводородов, но использование гидроочистки для уменьшения содержания тиофенов до уровня 30 ppm ограничено ценой, поэтому содержание серы в топливах и углеводородном сырье остается довольно высоким, например, 0,1-0,2 вес. %. Currently, hydrotreating is most often used for industrial cleaning of oil distillates. Hydrotreating, as you know, provides almost complete removal of mercaptans, sulfides and disulfides from liquid hydrocarbons, but the use of hydrotreating to reduce the thiophene content to 30 ppm is limited by price, therefore, the sulfur content in fuels and hydrocarbon feedstocks remains quite high, for example, 0.1- 0.2 weight %
И хотя можно использовать процесс многоступенчатой гидроочистки, использующий последовательно увеличивающееся парциальное давление водорода и катализаторы из благородных металлов, для удаления тиофенов и других трудноудаляемых сернистых соединений во многих случаях, это считается неосуществимым из-за высокой стоимости установки и функционирования такого процесса. Although it is possible to use a multi-stage hydrotreating process that uses a successively increasing partial pressure of hydrogen and noble metal catalysts to remove thiophenes and other hard-to-remove sulfur compounds in many cases, this is considered impossible due to the high cost of installation and operation of such a process.
Альтернативный подход заключается в том, чтобы экстрагировать и поглощать соединения серы, используя селективные твердые сорбенты, но тиофены обладают низкой реакционной активностью и предлагаемые сорбенты не обеспечивают необходимой эффективности очистки. An alternative approach is to extract and absorb sulfur compounds using selective solid sorbents, but thiophenes have low reactivity and the proposed sorbents do not provide the necessary cleaning efficiency.
Известны также некоторые аналоги для окислительной сероочистки нефтепродуктов. Some analogues are also known for oxidative desulfurization of petroleum products.
Электрический метод очистки нефтепродуктов описан в патенте США N 3915819, МКИ6 C 10 G 27/00 (1975). В соответствии с этим методом, нефть или нефтепродукты смешиваются с ионизирующим органическим растворителем (например, метанол, толуол и т.д.) и эта смесь подвергается действию постоянного тока с плотностью не менее чем 0,0001 А/см2 и напряжением 2-120 В. Для того, чтобы ускорить этот процесс, водный раствор соли или раствор оснований щелочных или щелочноземельных металлов вводится в сырье, обеспечивая pH 8-12. Процесс ведется в электролизере, имеющем два платиновых цилиндрических электрода с определенным отношением площадей анода и катода в течение не менее чем 4-х часов. Эффективность сероочистки может достичь 90%. Недостатки метода включают: (1) необходимо обеспечить постоянный контроль за параметрами процесса, поскольку величины плотности тока, напряжения и pH изменяются в течение процесса; (2) большое энергопотребление (из-за высокого сопротивления электролита, большая часть потребляемой электроэнергии расходуется на нагрев электролита); и (3) процесс длится не менее чем четыре часа, из-за плохой проводимости электролита, которая не позволяет использовать большие плотности тока.An electrical method for refining petroleum products is described in US Pat. No. 3,915,819, MKI 6 C 10 G 27/00 (1975). In accordance with this method, oil or petroleum products are mixed with an ionizing organic solvent (for example, methanol, toluene, etc.) and this mixture is subjected to direct current with a density of not less than 0.0001 A / cm 2 and a voltage of 2-120 B. In order to accelerate this process, an aqueous salt solution or a solution of alkali or alkaline earth metal bases is introduced into the feed, providing a pH of 8-12. The process is conducted in an electrolyzer having two platinum cylindrical electrodes with a certain ratio of the areas of the anode and cathode for at least 4 hours. Desulphurization efficiency can reach 90%. The disadvantages of the method include: (1) it is necessary to ensure constant monitoring of the process parameters, since the values of current density, voltage and pH change during the process; (2) high energy consumption (due to the high resistance of the electrolyte, most of the energy consumed is spent on heating the electrolyte); and (3) the process lasts at least four hours, due to the poor conductivity of the electrolyte, which does not allow the use of high current densities.
Патент США N 4101635 MKИ6 C 10 G 29/00 описывает метод окисления двуокиси серы путем контакта, содержащего двуокись серы газа и кислородсодержащего газа с водным раствором, содержащим пятивалентный ванадий и двухвалентный марганец в качестве катализатора окисления, при этом соединение кальция и кислородсодержащий газ добавляются в водный раствор, получающийся гипс отделяется и очищенный водный рабочий раствор рециклируется для использования как катализатор окисления. Этот метод не подходит для очистки нефтепродуктов, так как они могут окисляться в присутствии кислорода.U.S. Patent No. 4,101,635 MKI 6 C 10 G 29/00 describes a method for oxidizing sulfur dioxide by contacting a gas containing sulfur dioxide and an oxygen-containing gas with an aqueous solution containing pentavalent vanadium and divalent manganese as an oxidation catalyst, wherein a calcium compound and an oxygen-containing gas are added into the aqueous solution, the resulting gypsum is separated and the purified aqueous working solution is recycled for use as an oxidation catalyst. This method is not suitable for refining petroleum products, as they can be oxidized in the presence of oxygen.
Патент США N 3793171 МКИ6 C 10 G 29/00 описывает процесс разрушения окисляемых примесей в газовом потоке путем контакта этого газового потока с водным потоком кислоты, содержащим электролитически регенирируемый окисляющий агент, и электролитическое регенерирование этого окисляющего агента с целью дальнейшей обработки дополнительных количеств газового потока. Указывается, что кобальт в валентном состоянии +3 (Со III) является наиболее предпочтительным окислительным агентом, другие приемлемые металлы, обладающие по крайней мере двумя разными ионно-валентными состояниями - это хром (Cr VI/III), марганец (Mn III/II), серебро (Ад II/I) и церий (Се IV/III).US Patent No. 3,793,171 MKI 6 C 10 G 29/00 describes a process for the destruction of oxidizable impurities in a gas stream by contacting this gas stream with an aqueous acid stream containing an electrolytically regenerated oxidizing agent, and electrolytic regeneration of this oxidizing agent to further process additional amounts of gas stream . It is indicated that cobalt in the valence state +3 (Co III) is the most preferred oxidizing agent, other acceptable metals having at least two different ion-valence states are chromium (Cr VI / III), manganese (Mn III / II) silver (Hell II / I) and cerium (Ce IV / III).
Этот способ не подходит для очистки нефтепродуктов, так как при высоком окислительном потенциале используемых ионов, превышающем 1,3 В, могут окисляться не только сераорганические соединения, но и углеводороды. This method is not suitable for refining petroleum products, since with a high oxidation potential of the ions used in excess of 1.3 V, not only organo-sulfur compounds but also hydrocarbons can be oxidized.
Патент РФ N 2101320 (Бюл. изобр. N 1, 1998) описывает способ очистки нефтепродуктов от серы, в котором окисление сераорганических соединений происходит при контакте нефтепродукта с раствором серной кислоты, содержащем переходные металлы, в том числе ванадий, предварительно окисленные в электрохимической ячейке. Рабочий раствор регенерируют в электрохимической ячейке. Этот способ обеспечивает глубокую очистку нефтепродуктов от сераорганических соединений, в том числе и от тиофенов, но электрохимическое окисление ионов металлов требует большого расхода электроэнергии. RF patent N 2101320 (Bull. Inventory N 1, 1998) describes a method for purifying petroleum products from sulfur, in which the oxidation of organosulfur compounds occurs upon contact of the petroleum product with a sulfuric acid solution containing transition metals, including vanadium, previously oxidized in an electrochemical cell. The working solution is regenerated in an electrochemical cell. This method provides a deep purification of petroleum products from organosulfur compounds, including thiophenes, but the electrochemical oxidation of metal ions requires a large consumption of electricity.
К настоящему времени, однако, не было создано практического, недорогого и эффективного процесса для очистки жидких углеводородов, таких как дистиллятов нефти, используемых для топлива или в качестве углеводородного сырья и содержащих трудноудаляемые соединения серы тиофенового ряда. To date, however, no practical, inexpensive, and efficient process has been created for the purification of liquid hydrocarbons, such as oil distillates, used for fuel or as hydrocarbon feedstocks and containing hard-to-remove thiophene sulfur compounds.
Техническая задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении эффективности очистки и улучшении качества очищаемого сырья при одновременном уменьшении затрат электроэнергии на очистку нефтепродуктов. The technical problem solved by this invention is to increase the cleaning efficiency and improve the quality of the raw materials being cleaned while reducing energy costs for refining petroleum products.
Эта задача решается тем, что очистку жидкого углеводородного сырья от сераорганических соединений осуществляют путем их окисления при контактировании жидкого углеводородного сырья с рабочим раствором, представляющим собой водный раствор серной кислоты, содержащий ванадий, находящийся в степени окисления, превышающей его минимальную степень окисления, разделение полученной в результате контактирования смесь с получением очищенного жидкого углеводородного сырья и отработанного рабочего раствора, содержащего ванадий, восстановленный до степени окисления меньше, чем максимальная, с последующей регенерацией раствора. Отработанный рабочий раствор регенерируют путем осаждения из него восстановленного ванадия в виде твердого осадка, содержащего сернокислые соли ванадия и гидраты этих солей, разделения твердого осадка и его термического разложения на твердый оксид ванадия (V) и газообразные продукты термического разложения, растворения полученного оксида ванадия (V) в отработанном рабочем растворе с получением регенерированного рабочего раствора, содержащего ионы ванадия, находящиеся в степени окисления, превышающей их минимальную степень окисления. Рабочий раствор содержит пятивалентный ванадий, преимущественно в виде ионов, связанных с ионами и/или атомами кислорода, водорода и серы и с молекулами воды и/или кислотными остатками серной кислоты, а также недиссоциированные молекулы оксида ванадия (V) и/или коллоидные частицы оксида ванадия (V). Твердый осадок в отработанном растворе осаждают путем насыщения и последующего пересыщения раствора по восстановленному ванадию. Раствор пересыщают по восстановленному ванадию путем превращения ванадия, находящегося в степени окисления, превышающей минимальную степень окисления, в восстановленный ванадий пятивалентный ванадий восстанавливают в четырехвалентный при окислении сераорганических соединений, находящихся в углеводородном сырье. В основном в твердый осадок осаждают ванадий, находящийся в степени окисления +4 в виде сульфата ванадила и/или кислых гидратов сульфата ванадила. Сульфат ванадила и/или кислые гидраты сульфата ванадила термически разлагают на оксид ванадия (V) и газообразные продукты, содержащие диоксид и триоксид серы. Термическое разложение сульфата ванадила производят в присутствии кислорода, с одновременным окислением диоксида серы в триоксид при температуре от 450 до 550oC. При температуре меньше 450oC термическое разложение происходит не полностью и очень медленно, при температуре больше 550oC существенное влияние на процесс разложения оказывают побочные реакции, приводящие к превращению ванадия (V) в ванадий (IV). Рабочий раствор насыщают по пятивалентному ванадию при растворении в нем оксида ванадия (V), полученного при термическом разложении твердого осадка, причем рабочий раствор содержит 4-12 М серной кислоты на литр раствора, преимущественно 6-10 М серной кислоты на литр раствора. Концентрация ванадия, находящегося в степени окисления, превышающей минимальную в рабочем растворе составляет преимущественно не менее чем 0,01 от концентрации насыщенного раствора ионов металла в водном растворе серной кислоты. Контактирование жидкого углеводородного сырья с рабочим раствором проводят, образуя эмульсии сырья и раствора. Диоксид серы, полученный при термическом разложении твердого осадка, окисляют в триоксид серы, который растворяют в воде с получением серной кислоты, а последнюю добавляют в рабочий раствор. Преимущественно диоксид серы окисляют в присутствии кислорода и ванадиевого катализатора при температуре 400-700oC. При более низких и более высоких температурах степень превращения SO2 в SO3 становиться очень малой. Смесь, полученную в результате контактирования жидкого углеводородного сырья с рабочим раствором, разделяют отстаиванием или центрифугированием с получением очищенного жидкого углеводородного сырья, а отработанный рабочий раствор подвергают регенерации. Отделенный от углеводородного сырья отработанный раствор перед его регенерацией очищают от смолообразных продуктов окисления углеводородного сырья центрифугированием и/или фильтрованием. При невозможности другого использования смолообразные продукты, образующиеся при окислении углеводородного сырья, подвергают термическому разложению и окислению в присутствии кислорода совместно с термической регенерацией твердого осадка, а теплоту, выделяющуюся при окислении смолообразных продуктов, используют для проведения экзотермических реакций разложения твердого осадка. Отделенное углеводородное сырье подвергают очистке от кислых компонентов и смолообразных продуктов окисления центрифугированием с последующим фильтрованием с получением очищенного жидкого углеводородного сырья, причем используют фильтр, содержащий инертный материал или щелочной материал, а после фильтрования очищенное жидкое углеводородное сырье подвергают дистилляции.This problem is solved in that the cleaning of liquid hydrocarbon raw materials from organo-sulfur compounds is carried out by their oxidation by contacting the liquid hydrocarbon raw material with a working solution, which is an aqueous solution of sulfuric acid containing vanadium, which is in the oxidation state in excess of its minimum oxidation state, separation obtained in as a result of contacting the mixture to obtain a purified liquid hydrocarbon feedstock and a spent working solution containing vanadium, reduced minutes to a degree of oxidation less than the maximum, followed by regeneration solution. The spent working solution is regenerated by precipitation of reduced vanadium from it in the form of a solid precipitate containing vanadium sulfate salts and hydrates of these salts, separation of the solid precipitate and its thermal decomposition into solid vanadium (V) oxide and gaseous products of thermal decomposition, dissolution of the obtained vanadium oxide (V ) in the spent working solution to obtain a regenerated working solution containing vanadium ions that are in the oxidation state in excess of their minimum oxidation state. The working solution contains pentavalent vanadium, mainly in the form of ions bound to ions and / or atoms of oxygen, hydrogen and sulfur and water molecules and / or acidic residues of sulfuric acid, as well as undissociated molecules of vanadium oxide (V) and / or colloidal oxide particles vanadium (V). A solid precipitate in the spent solution is precipitated by saturation and subsequent supersaturation of the solution with reduced vanadium. The solution is supersaturated with reduced vanadium by converting vanadium, which is in an oxidation state exceeding the minimum oxidation state, into reduced vanadium, pentavalent vanadium is reduced to tetravalent vanadium by oxidation of organosulfur compounds present in hydrocarbon feedstocks. Basically, vanadium is deposited in the solid precipitate, which is in the oxidation state +4 in the form of vanadyl sulfate and / or vanadyl sulfate acid hydrates. Vanadyl sulfate and / or acidic hydrates of vanadyl sulfate are thermally decomposed into vanadium (V) oxide and gaseous products containing sulfur dioxide and trioxide. The thermal decomposition of vanadyl sulfate is carried out in the presence of oxygen, with the simultaneous oxidation of sulfur dioxide to trioxide at a temperature of 450 to 550 o C. At a temperature of less than 450 o C, the thermal decomposition does not completely and very slowly, at a temperature of more than 550 o C a significant effect on the process decompositions have adverse reactions leading to the conversion of vanadium (V) to vanadium (IV). The working solution is saturated with pentavalent vanadium by dissolving vanadium (V) oxide obtained by thermal decomposition of a solid precipitate, the working solution containing 4-12 M sulfuric acid per liter of solution, mainly 6-10 M sulfuric acid per liter of solution. The concentration of vanadium, which is in an oxidation state exceeding the minimum in the working solution, is mainly not less than 0.01 of the concentration of a saturated solution of metal ions in an aqueous solution of sulfuric acid. Contacting the liquid hydrocarbon feed with the working solution is carried out, forming emulsions of the feed and the solution. Sulfur dioxide obtained by thermal decomposition of a solid precipitate is oxidized to sulfur trioxide, which is dissolved in water to produce sulfuric acid, and the latter is added to the working solution. Mostly sulfur dioxide is oxidized in the presence of oxygen and a vanadium catalyst at a temperature of 400-700 ° C. At lower and higher temperatures, the degree of conversion of SO 2 to SO 3 becomes very small. The mixture obtained by contacting the liquid hydrocarbon feed with the working solution is separated by settling or centrifugation to obtain a purified liquid hydrocarbon feed, and the spent working solution is regenerated. Separated from the hydrocarbon feedstock, the spent solution before its regeneration is purified from the resinous products of hydrocarbon oxidation by centrifugation and / or filtration. If it is not possible for other uses, the resinous products formed during the oxidation of hydrocarbon materials are subjected to thermal decomposition and oxidation in the presence of oxygen together with the thermal regeneration of the solid precipitate, and the heat released during the oxidation of the resinous products is used to carry out exothermic decomposition reactions of the solid precipitate. The separated hydrocarbon feed is subjected to purification from acidic components and gummy oxidation products by centrifugation followed by filtration to obtain a purified liquid hydrocarbon feed, using a filter containing an inert material or alkaline material, and after filtration, the purified liquid hydrocarbon feed is distilled.
Очистке подвергают преимущественно жидкое углеводородное сырье с пониженным содержанием непредельных и кислородсодержащих соединений, конденсированных ароматических структур и с содержанием сераорганических соединений менее 1000 ppm. Для этого жидкое углеводородное сырье предварительно очищают от непредельных, кислородсодержащих соединений и соединений, включающих конденсированные ароматические структуры. Предварительную очистку жидкого углеводородного сырья проводят путем гидроочистки. Mostly liquid hydrocarbon feeds with a reduced content of unsaturated and oxygen-containing compounds, condensed aromatic structures and with an organosulfur content of less than 1000 ppm are subjected to purification. For this, liquid hydrocarbon feedstocks are preliminarily purified from unsaturated, oxygen-containing compounds and compounds including condensed aromatic structures. Preliminary treatment of liquid hydrocarbon feeds is carried out by hydrotreating.
После фильтрования очищенное жидкое углеводородное сырье для дополнительной очистки может быть пропущено через сорбент, способный сорбировать кислые компоненты и смолообразные продукты окисления. Очищенное углеводородное сырье подвергают дополнительной очистке от кислых продуктов путем его контактирования с раствором щелочи с последующим отделением от раствора щелочи и дистилляцией. After filtering, the purified liquid hydrocarbon feedstock can be passed through a sorbent capable of sorbing acidic components and gummy oxidation products for additional purification. The purified hydrocarbon feed is subjected to further purification from acidic products by contacting it with an alkali solution, followed by separation from the alkali solution and distillation.
Очистку углеводородного сырья выполняют преимущественно при концентрациях в рабочем растворе серной кислоты 44-64 мас.%, пятивалентного ванадия 0,5-1 мас.%, при температуре 15-25oC и атмосферном давлении.The purification of hydrocarbon feed is carried out mainly at concentrations in the working solution of sulfuric acid 44-64 wt.%, Pentavalent vanadium 0.5-1 wt.%, At a temperature of 15-25 o C and atmospheric pressure.
Как здесь использовано, под "углеводородным сырьем" понимается любое моторное топливо (например, бензин, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей), нефтехимическое сырье и т.п. в виде конкретных нефтяных фракций или конкретных углеводородов. Жидкое углеводородное сырье, очищаемое с помощью настоящего процесса, может быть нефтепродуктами, произведенными из нефти, и продуктами переработки: угля, нефтяных сланцев или битумных песков, и т. д. и обычно является смесями жидких углеводородов, содержащими сераорганические соединения. As used herein, “hydrocarbon feed” refers to any motor fuel (eg, gasoline, diesel, jet fuel), petrochemical feed, and the like. in the form of specific petroleum fractions or specific hydrocarbons. Liquid hydrocarbon feeds refined using this process can be petroleum products made from petroleum and refined products: coal, oil shale or bitumen sands, etc., and are usually mixtures of liquid hydrocarbons containing organosulfur compounds.
Предпочтительные виды сырья для настоящего процесса подвергают предварительной очистке с тем, чтобы существенно снизить содержание гетероатомных соединений гидроочисткой или же иной приемлемой технологией предварительной очистки, которая снижает также содержание ненасыщенных или смолообразующих соединений. Preferred feedstocks for the present process are pre-treated so as to substantially reduce the content of heteroatomic compounds by hydrotreatment or other suitable pre-treatment technology that also reduces the content of unsaturated or gum-forming compounds.
Это так потому, что настоящий процесс работает на окисление сераорганических соединений. Ненасыщенные или кислородсодержащие соединения и конденсированные ароматические структуры также могут окисляться, давая выход различным побочным продуктам (например, смол), снижая таким образом селективность сероочистки. Таким образом, вообще нежелательно использовать настоящую технологию для очистки моторных топлив ионного состава (например, содержащих эфиры и спирты). Настоящее изобретение прежде всего предназначено для тонкой очистки углеводородного сырья, которое было подвергнуто гидроочистке (например, моторные топлива, удовлетворяющие ныне действующим стандартам - т.е. содержание серы < 1000 ppm и < 10000 ppm), и которые не содержат, или содержат очень мало окисляющихся соединений. В таком случае настоящий процесс обеспечивает селективное удаление остаточных серусодержащих, кислородсодержащих и азотсодержащих соединений. This is because the present process works on the oxidation of organosulfur compounds. Unsaturated or oxygen-containing compounds and condensed aromatic structures can also be oxidized, yielding various by-products (e.g. resins), thereby reducing the desulfurization selectivity. Thus, it is generally undesirable to use the present technology for the purification of motor fuels of ionic composition (for example, containing esters and alcohols). The present invention is primarily intended for the fine purification of hydrocarbons that have been hydrotreated (for example, motor fuels that meet current standards - i.e., sulfur content <1000 ppm and <10000 ppm), and which do not, or contain very little oxidizable compounds. In this case, the present process provides selective removal of residual sulfur-containing, oxygen-containing and nitrogen-containing compounds.
В настоящем процессе применяется водный раствор серной кислоты в качестве носителя пятивалентного ванадия. In the present process, an aqueous solution of sulfuric acid is used as a carrier of pentavalent vanadium.
Водные растворы серной кислоты использовались для удаления сераорганических соединений из нефтепродуктов с помощью так называемой "сернокислотной очистки". В этом процессе водный раствор серной кислоты с содержанием кислоты от 2,5 до 18 молей на литр (2,5-18 М) (что соответствует 20-96 мас. % кислоты ) используются для удаления различных сераорганических, непредельных или смолообразующих соединений. Aqueous solutions of sulfuric acid were used to remove organo-sulfur compounds from oil products using the so-called "sulfuric acid purification". In this process, an aqueous solution of sulfuric acid with an acid content of 2.5 to 18 moles per liter (2.5-18 M) (which corresponds to 20-96 wt.% Acid) is used to remove various organo-sulfur, unsaturated or gum-forming compounds.
Результаты сравнительных испытаний настоящего процесса и сернокислотной очистки таковы:
а) Режим концентрированной серной кислоты (т.е. 15-18 М).The results of comparative tests of the present process and sulfuric acid purification are as follows:
a) Regime of concentrated sulfuric acid (i.e. 15-18 M).
Серная кислота такой концентрации удаляла около 40-50% сераорганических соединений, и добавка в раствор пятивалентного ванадия не улучшало эффективность очистки. Sulfuric acid of this concentration removed about 40-50% of organosulfur compounds, and the addition of pentavalent vanadium in the solution did not improve the cleaning efficiency.
б) Режим разведенной серной кислоты (т.е. 12-15 М). Стандартная сернокислотная очистка практически не эффективна в отношении тиофенов при таких концентрациях серной кислоты, но добавление пятивалентного ванадия обеспечивает почти полное удаление всех сераорганических соединений. b) Diluted sulfuric acid regimen (i.e. 12-15 M). Standard sulfuric acid purification is practically ineffective against thiophenes at such concentrations of sulfuric acid, but the addition of pentavalent vanadium provides almost complete removal of all organo-sulfur compounds.
Однако растворы 12-15М H2SO4 с пятивалентным ванадием уже существенно окисляют углеводороды, особенно непредельные и содержащие конденсированные ароматические структуры.However, solutions of 12-15M H 2 SO 4 with pentavalent vanadium substantially oxidize hydrocarbons, especially unsaturated and containing condensed aromatic structures.
в) Режим разведенной серной кислоты (т.е. 4-12 М). c) Regime of diluted sulfuric acid (i.e. 4-12 M).
Стандартная сернокислотная очистка практически не эффективна в отношении тиофенов при таких концентрациях серной кислоты, но добавление пятивалентного ванадия обеспечивает почти полное удаление всех сераорганических соединений. Наилучшие результаты были получены для концентрации серной кислоты в диапазоне 6-10 М, при этом максимальная эффективность наблюдалась в диапазоне 7-10. Standard sulfuric acid purification is practically ineffective against thiophenes at such concentrations of sulfuric acid, but the addition of pentavalent vanadium provides almost complete removal of all organo-sulfur compounds. The best results were obtained for a concentration of sulfuric acid in the range of 6-10 M, while the maximum efficiency was observed in the range of 7-10.
с) Режим низкой концентрации серной кислоты (т.е. < 4 М). c) Mode of low concentration of sulfuric acid (i.e. <4 M).
Тиофены не удалялись, если использовалась серная кислота такой малой концентрации, хотя меркаптаны и серукислородсодержащие соединения удалялись. Thiophenes were not removed if sulfuric acid of such a low concentration was used, although mercaptans and sulfur-oxygen compounds were removed.
Итак, предпочтительный рабочий диапазон концентрации серной кислоты в растворе равен 4-12 М, наиболее предпочтительный диапазон концентрации серной кислоты (т.е. обеспечивающий максимальную эффективность) - 6-10 М. So, the preferred working range for the concentration of sulfuric acid in the solution is 4-12 M, the most preferred range for the concentration of sulfuric acid (i.e., providing maximum efficiency) is 6-10 M.
В настоящем процессе, пятивалентный ванадий находится в водном растворе серной кислоты, и сераорганические соединения находятся в углеводородном сырье. Этот раствор и сырье, в практических случаях, взаимно нерастворимы и при смешивании образуют гетерофазную систему. Тогда оказывается, что межжидкостная граница делает возможным окисление сераорганических соединений пятивалентным ванадием и последующие реакции этих сераорганических соединений с водой или серной кислотой. На скорость очистки и эффективность очистки влияют площадь границы и время контакта. Следовательно, является желательным смешивать сырье и рабочий раствор, например, образовывая эмульсию для того, чтобы они находились в тесном контакте. In the present process, pentavalent vanadium is in an aqueous solution of sulfuric acid, and organosulfur compounds are in the hydrocarbon feed. This solution and raw materials, in practical cases, are mutually insoluble and, when mixed, form a heterophasic system. Then it turns out that the inter-liquid boundary makes possible the oxidation of organosulfur compounds with pentavalent vanadium and subsequent reactions of these organosulfur compounds with water or sulfuric acid. The cleaning speed and cleaning efficiency are affected by the border area and contact time. Therefore, it is desirable to mix the feed and the working solution, for example, forming an emulsion so that they are in close contact.
Любой известный метод, обеспечивающий создание границы, может быть применен для того, чтобы реализовать настоящий процесс сероочистки. И любой известный метод может быть использован для того, чтобы разделить очищенный нефтепродукт и раствор. Выбор типа экстрактора определяется в основном экономическими соображениями. Any known method that provides a boundary can be applied in order to implement the present process of desulfurization. And any known method can be used to separate the refined oil product and the solution. The choice of type of extractor is determined mainly by economic considerations.
Пятивалентный ванадий, используемый в настоящем процессе в растворе, может находиться в виде ионов, которые работают в качестве акцепторов электронов, отнимаемых от сераорганических соединений. Эти ионы изменяют свой заряд во время этого взаимодействия, пятивалентный ванадий превращается в четырехвалентный из-за чего требуется регенерация раствора. Pentavalent vanadium used in the present process in solution can be in the form of ions, which act as electron acceptors taken from organosulfur compounds. These ions change their charge during this interaction, pentavalent vanadium turns into tetravalent, which requires solution regeneration.
Подготовку рабочего раствора и его последующую регенерацию делают следующим образом. Сначала готовится раствор, состоящий из, например, 9 М водного раствора серной кислоты и растворенной соли ванадия, в которой ванадий находится в наивысшем окислительном состоянии. Эта соль металла может быть любого типа, например, хлориды. Поскольку основной раствор - это серная кислота, является предпочтительным использовать сульфат или пятиоксид ванадия. В этом случае не появляется новых ионов дополнительно к участвующим в химическом процессе очистки углеводородов и устраняются дополнительные побочные реакции. The preparation of the working solution and its subsequent regeneration is done as follows. First, a solution is prepared consisting, for example, of a 9 M aqueous solution of sulfuric acid and a dissolved vanadium salt, in which vanadium is in the highest oxidative state. This metal salt can be of any type, for example, chlorides. Since the basic solution is sulfuric acid, it is preferable to use vanadium sulfate or vanadium pentoxide. In this case, no new ions appear in addition to those involved in the chemical process of hydrocarbon purification and additional side reactions are eliminated.
Раствор V2O5 в 9М H2SO4 доводят до насыщения по пятивалентному ванадию и контактируют его с углеводородным сырьем. В процессе окисления сераорганических соединений пятивалентный ванадий превращается в четырехвалентный. В раствор добавляют V2O5, снова насыщают его по пятивалентному ванадию и контактируют с углеводородным сырьем. Эти операции выполняют до тех пор, пока раствор станет сначала насыщенным, а затем пересыщенным по четырехвалентному ванадию, который образуется из пятивалентного при окислении сераорганических соединений. Из пересыщенного раствора четырех валентного ванадия выпадает твердый осадок, содержащий сульфаты ванадила и их кислые гидраты. Этот осадок термически разлагают при температуре 450-550oC на V2O5 и газы, содержащие SO2 и SO3. Пятиоксид ванадия растворяют в рабочем растворе, который становится насыщенным по пятивалентному и четырехвалентному ванадию, и раствор контактирует с нефтепродуктом.A solution of V 2 O 5 in 9M H 2 SO 4 was adjusted to saturation with pentavalent vanadium and contacted with the hydrocarbon feed. In the process of oxidation of organosulfur compounds, pentavalent vanadium turns into tetravalent. V 2 O 5 was added to the solution, saturate it again with pentavalent vanadium and contacted with the hydrocarbon feed. These operations are performed until the solution is first saturated and then supersaturated with tetravalent vanadium, which is formed from pentavalent organo-sulfur compounds during oxidation. A supersaturated solution of four valence vanadium precipitates a solid precipitate containing vanadyl sulfates and their acidic hydrates. This precipitate is thermally decomposed at a temperature of 450-550 o C on V 2 O 5 and gases containing SO 2 and SO 3 . Vanadium pentoxide is dissolved in a working solution, which becomes saturated with pentavalent and tetravalent vanadium, and the solution is in contact with the oil.
Важным обстоятельством является то, что хотя употребляются стандартные обозначения ионов, такие как V4+, V5+, ионы не существуют в водном растворе в точно такой же форме. Эти ионы связаны с молекулами воды, гидрооксилом (ОН-), кислотными остатками ( SO4 2-, HSO4 - ) или кислородом, или же образуют комплексы из двух или более ионов. Вследствие природы процесса очистки жидкого углеводородного сырья, такие гидратные оболочки вокруг ионов и их связи с кислородом являются очень важными факторами в этом процессе. Невозможно специализировать точную структуру или свойства этих оболочек этих ионов или их комплексов из-за того, что они подвержены изменениям в зависимости от параметров, которые не контролируемы в процессе очистки, например, концентрации ионов водорода (Н+), которая изменяется и в течение окисления ионами сераорганических соединений. Поэтому концентрация ионов водорода, и, вероятно, тип и свойства ионов ванадия также изменяются во времени и в реакционном объеме. Кроме того, в растворе могут существовать недиссоциированные молекулы соединений четырехвалентного и пятивалентного ванадия и коллоиды их соединений.An important circumstance is that although standard designations of ions, such as V4 +, V5 +, are used, ions do not exist in an aqueous solution in exactly the same form. These ions are bound to water molecules, hydroxyl (OH-), acid residues (SO 4 2- , HSO 4 - ) or oxygen, or form complexes of two or more ions. Due to the nature of the process for purifying liquid hydrocarbon feeds, such hydration shells around ions and their bonds with oxygen are very important factors in this process. It is impossible to specialize the exact structure or properties of these shells of these ions or their complexes due to the fact that they are subject to changes depending on parameters that are not controlled during the cleaning process, for example, the concentration of hydrogen ions (H +), which also changes during oxidation ions of organosulfur compounds. Therefore, the concentration of hydrogen ions, and, probably, the type and properties of vanadium ions also change in time and in the reaction volume. In addition, undissociated molecules of tetravalent and pentavalent vanadium compounds and colloids of their compounds may exist in solution.
Настоящий процесс сероочистки не является истинно каталитическим, поскольку пятивалентный ванадий является химическим реагентом, который расходуется в течение гетерофазного контакта раствора и жидкого углеводородного сырья. Термин "расходуется" означает, что этот реагент трансформируется при окислении сераорганических соединений в другую форму (а именно: в ионы в более низком окислительном состоянии). До тех пор, пока такие ионы ванадия (V) присутствуют в растворе, находящемся в контакте с сырьем, содержащем сераорганические соединения, происходит окисление сераорганических соединений. Поэтому, нижний предел концентраций ионов в растворе может считаться равным немного большему нуля (работоспособность настоящего процесса была продемонстрирована при концентрации пятивалентного ванадия такой низкой, как 0,002 молей на литр раствора). The present desulfurization process is not truly catalytic, since pentavalent vanadium is a chemical reagent that is consumed during the heterophasic contact of the solution and liquid hydrocarbon feed. The term "consumed" means that this reagent is transformed during the oxidation of organosulfur compounds to another form (namely, to ions in a lower oxidative state). As long as such vanadium (V) ions are present in the solution in contact with the feed containing organosulfur compounds, the oxidation of organosulfur compounds occurs. Therefore, the lower limit of ion concentrations in the solution can be considered to be slightly larger than zero (the operability of this process was demonstrated with a concentration of pentavalent vanadium as low as 0.002 moles per liter of solution).
Скорость, с которой расходуется пятивалентный ванадий, будет определяться скоростью очистки. Например, если сырье содержит 3000 ppm серы (т.е. около 0,1 моля серы на литр сырья), и эта сера присутствует в виде тиофеновых производных, то 0,6-0,8 молей электронов (т.е. 6-8 электронов на атом серы) должны быть акцептированы пятивалентным ванадием от сераорганических соединений. Не имеет большого значения то, какова именно концентрация пятивалентного ванадия, так например, если концентрация ионов 0,1 моля на литр раствора, то 6 литров раствора требуется для очистки 1 литра сырьевого продукта от серы, если эта концентрация меньше в 10 или 100 раз, то пропорционально больше раствора необходимо. The rate at which pentavalent vanadium is consumed will be determined by the rate of purification. For example, if the feed contains 3000 ppm of sulfur (i.e., about 0.1 mole of sulfur per liter of feed), and this sulfur is present as thiophene derivatives, then 0.6-0.8 moles of electrons (i.e. 6- 8 electrons per sulfur atom) must be accepted by pentavalent vanadium from organosulfur compounds. It does not really matter what exactly the concentration of pentavalent vanadium is, for example, if the ion concentration is 0.1 mol per liter of solution, then 6 liters of solution is required to purify 1 liter of the raw material from sulfur, if this concentration is 10 or 100 times less then a proportionately larger solution is needed.
Однако такое соотношение также дает только оценку удельного расхода ионов из-за того, что в коммерческом углеводородном сырье сера может существовать в виде других сераорганических соединений, или может быть неполное удаление серы. Возможны также неконтролируемые побочные реакции, влияющие на удельный расход пятивалентного ванадия. Поэтому диапазон 10-20 является разумной грубой оценкой предпочтительного диапазона расходуемых электронов на один атом удаляемой серы. However, this ratio also gives only an estimate of the specific ion flow rate due to the fact that sulfur may exist in the form of other organosulfur compounds in commercial hydrocarbon feedstocks, or there may be incomplete sulfur removal. Uncontrolled adverse reactions are also possible that affect the specific consumption of pentavalent vanadium. Therefore, a range of 10-20 is a reasonable rough estimate of the preferred range of consumable electrons per atom of sulfur removed.
В соответствии с вышесказанным и тем фактом, что концентрация ванадия в растворе серной кислоты является трудноконтролируемым параметром, концентрация пятивалентного ванадия в растворе может меняться от чуть больше нуля до концентрации, соответствующей точке насыщения в растворе. Несколько значений концентраций были экспериментально протестированы. In accordance with the above and the fact that the concentration of vanadium in the sulfuric acid solution is a difficult to control parameter, the concentration of pentavalent vanadium in the solution can vary from slightly more than zero to the concentration corresponding to the saturation point in the solution. Several concentration values were experimentally tested.
Наибольшая эффективность процесса очистки достигается при использовании насыщенного раствора пятивалентного ванадия. Такая концентрация рабочего раствора является оптимальной и для процесса осаждения четырехвалентного ванадия в отработанном растворе. The greatest efficiency of the cleaning process is achieved using a saturated solution of pentavalent vanadium. This concentration of the working solution is optimal for the deposition of tetravalent vanadium in the spent solution.
Диоксид серы, образующийся при термическом разложении твердого осадка, окисляют в присутствии кислорода и катализатора (например, ванадиевого) в SO3, который растворяют в воде и получают серную кислоту. Последнюю добавляют в рабочий раствор для поддержания в нем заданной концентрации (например, 9 М H2SO4). При контакте рабочего раствора с углеводородным сырьем серная кислота расходуется в реакциях сульфирования сераорганических соединений и углеводородов и уходит из процесса очистки вместе с образовавшимися смолообразными продуктами. Если регенерированной после термического разложения твердого осадка серной кислоты не хватает для поддержания заданной концентрации рабочего раствора, то в него добавляют концентрированную серную кислоту из другого источника.Sulfur dioxide produced by thermal decomposition of a solid precipitate is oxidized in the presence of oxygen and a catalyst (for example, vanadium) in SO 3 , which is dissolved in water and sulfuric acid is obtained. The latter is added to the working solution to maintain a given concentration in it (for example, 9 M H 2 SO 4 ). Upon contact of the working solution with hydrocarbon feed, sulfuric acid is consumed in the sulfonation reactions of organosulfur compounds and hydrocarbons and leaves the purification process together with the resulting gummy products. If sulfuric acid recovered after thermal decomposition of a solid precipitate is not enough to maintain a given concentration of the working solution, then concentrated sulfuric acid from another source is added to it.
Настоящий процесс предпочтительно осуществляется при температуре окружающей среды. Регенерированная серная кислота имеет повышенную температуру, и после ее добавления в рабочий раствор повышается и его температура. Более высокие температуры раствора приведут к более высоким скоростям окисления и гетерофазной реакции на контакте углеводород/раствор. Также, более высокие температуры влияют на концентрацию насыщенного раствора соли металла, таким образом увеличивая максимально позволенную концентрацию пятивалентного ванадия в рабочем растворе. The present process is preferably carried out at ambient temperature. Regenerated sulfuric acid has an elevated temperature, and after it is added to the working solution, its temperature also rises. Higher solution temperatures will lead to higher oxidation rates and heterophase reactions at the hydrocarbon / solution contact. Also, higher temperatures affect the concentration of a saturated metal salt solution, thereby increasing the maximum allowed concentration of pentavalent vanadium in the working solution.
Все эти эффекты позитивны с точки зрения эффективности процесса очистки. Но с другой стороны, рост температуры приведет также к увеличению скоростей побочных реакций, делая тем самым процесс менее селективным (например, приводя к большему выходу смол). Поэтому, более низкие температуры, вообще говоря, предпочтительнее для улучшения селективности процесса, и рабочий раствор охлаждают перед его контактом с углеводородным сырьем. All these effects are positive in terms of the efficiency of the cleaning process. But on the other hand, an increase in temperature will also lead to an increase in the rates of adverse reactions, thereby making the process less selective (for example, leading to a greater yield of resins). Therefore, lower temperatures, generally speaking, are preferable to improve the selectivity of the process, and the working solution is cooled before it contacts the hydrocarbon feed.
В принципе, для каждого типа углеводородного сырья легко может быть определен оптимальный температурный диапазон, в зависимости от выбранных критериев эффективности (например, минимальный выход смол или расход энергии и т.п.)
На чертеже показана схема установки для очистки углеводородного сырья от сераорганических соединений.In principle, for each type of hydrocarbon feedstock, the optimal temperature range can easily be determined, depending on the selected performance criteria (for example, the minimum resin yield or energy consumption, etc.)
The drawing shows a diagram of a plant for the purification of hydrocarbon feed from organosulfur compounds.
Установка для очистки нефтепродуктов от сераорганических соединений содержит: реактор 1 для смешивания очищаемого нефтепродукта (углеводородного сырья), поступающего из емкости 2 , и рабочего раствора, поступающего из реактора 3 подготовки раствора. К выходу нефтепродукта из реактора 1 подключены последовательно соединенные реактор 4 для смешивания нефтепродукта со щелочным раствором, ректификационная колонна 5 и емкость 6 для чистого нефтепродукта. К выходу отработанного рабочего раствора из реактора 1 подключены последовательно соединенные устройство 7 для выделения твердого осадка из рабочего раствора, блок 8 термической регенерации твердого осадка катализатора, реактор 9 для растворения твердого катализатора и холодильник 10, выход которого подключен к реактору 3 подготовки раствора. К выходу газов из блока 8 термической регенерации твердого осадка катализатора подключены последовательно соединенные реактор 11 окисления диоксида серы (SO2 ) в триоксид серы (SO3) и реактор 12 растворения SO3 в воде, выход раствора из которого подключен к реактору 9. К блоку 8 термической регенерации твердого осадка катализатора подключены источник 13 окислителя, например воздуха, и источник 14 теплоты. К реактору 11 окисления SO2 в SO3 подключен источник 15 окислителя, например воздуха. К реактору 12 подключен источник 16 воды, а выход газов из реактора 12 соединен с вытяжкой 17 газообразных продуктов сгорания. К реактору 9 подключен источник 18 концентрированной серной кислоты (H2SO4). К холодильнику 10 подключен источник 19 охлаждающей воды. К реактору 3 подготовки раствора подключен источник 20 воды. К реактору 4 подключены источник 21 воды, источник 22 гидроксида кальция Ca(ОН)2 и источник смеси гидроксида натрия (NaOH) и карбоната натрия (Na2CO3) , а выход твердого осадка из реактора 4 соединен с емкостью 24 для твердого осадка. К ректификационной колонне 5 подключены источник 25 теплоты и источник 26 охлаждающей воды. Выход неконденсирующихся газов из колонны 5 подключен к вытяжке 27, выход тяжелой фракции нефтепродуктов - к емкости 28 тяжелой фракции, а выход твердого осадка - к емкости 29 для осадка. Выход раствора из устройства 7 выделения твердого осадка из раствора соединен с реактором 3 подготовки раствора, а выход смолистых веществ - с емкостью 30 для смолы.An apparatus for purifying oil products from organo-sulfur compounds contains: a reactor 1 for mixing a purified oil product (hydrocarbon feed) from tank 2 and a working solution coming from solution preparation reactor 3. A reactor 4 is connected in series to the oil product outlet from the reactor 1 for mixing the oil product with an alkaline solution, a distillation column 5 and a tank 6 for pure oil product. A device 7 for separating a solid precipitate from a working solution, a unit 8 for thermal regeneration of a solid precipitate of a catalyst, a reactor 9 for dissolving a solid catalyst, and a refrigerator 10, the outlet of which is connected to a reactor 3 for preparing a solution, are connected in series to the outlet of the spent working solution from the reactor 1. To the gas outlet from the block 8 for thermal regeneration of the solid precipitate of the catalyst are connected in series the reactor 11 for oxidizing sulfur dioxide (SO 2 ) to sulfur trioxide (SO 3 ) and the reactor 12 for dissolving SO 3 in water, the outlet of the solution from which is connected to reactor 9. To the block 8 thermal regeneration of a solid precipitate of the catalyst connected to the source 13 of the oxidizing agent, such as air, and a source of heat 14. An oxidizer source 15, such as air, is connected to the SO 2 oxidation reactor 11 in SO 3 . A water source 16 is connected to the reactor 12, and the gas outlet from the reactor 12 is connected to the exhaust gas 17 of the gaseous products of combustion. A source 18 of concentrated sulfuric acid (H 2 SO 4 ) is connected to the reactor 9. A source of cooling water 19 is connected to the refrigerator 10. A water source 20 is connected to the solution preparation reactor 3. A water source 21, a source of calcium hydroxide Ca (OH) 2 and a source of a mixture of sodium hydroxide (NaOH) and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) are connected to the reactor 4, and the output of the solid precipitate from the reactor 4 is connected to the solid sedimentation tank 24. A heat source 25 and a cooling water source 26 are connected to the distillation column 5. The output of non-condensable gases from the column 5 is connected to the hood 27, the output of the heavy fraction of petroleum products to the tank 28 of the heavy fraction, and the output of solid sediment to the tank 29 for sediment. The output of the solution from the device 7 separation of solid precipitate from the solution is connected to the reactor 3 of the preparation of the solution, and the output of resinous substances with a capacity of 30 for resin.
Установка для реализации способа технологии очистки нефтепродуктов работает следующим образом. Installation for implementing the method of technology for refining petroleum products is as follows.
Нефтепродукт, поступающий из емкости 2 и содержащие сераорганические соединения, смешивают в реакторе 1 с водным раствором, поступающим из реактора 3 и содержащим серную кислоту и соединения ванадия, в которых ванадий имеет различную степень окисления. Нефтепродукт и водный раствор взаимно малорастворимы, поэтому в реакторе 1 образуется двухфазная система, и на межфазной границе нефтепродукт - водный раствор происходят реакции окисления и сульфирования сераорганических соединений, в результате которых образуются сульфокислоты и другие органические соединения, содержащие серу и кислород. В этих реакциях окисления сераорганических соединений участвуют соединения ванадия со степенью окисления +5: V2O5, VO2+ переходят в соединения со степенью окисления +4: VOSO4 VO2+.The oil product coming from tank 2 and containing organosulfur compounds is mixed in reactor 1 with an aqueous solution coming from reactor 3 and containing sulfuric acid and vanadium compounds in which vanadium has a different oxidation state. The oil product and the aqueous solution are mutually poorly soluble, therefore, a two-phase system is formed in reactor 1, and oxidation and sulfonation reactions of organosulfur compounds occur at the interface between the oil product and the aqueous solution, resulting in the formation of sulfonic acids and other organic compounds containing sulfur and oxygen. Vanadium compounds with an oxidation state of +5: V 2 O 5 , VO 2+ are converted into compounds with an oxidation state of +4: VOSO 4 VO 2+ in these oxidation reactions of organosulfur compounds.
Продукты окисления и сульфирования сераорганических соединений являются поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые концентрируются на межфазной границе нефтепродукт - раствор и частично растворяются в водном растворе, где может продолжаться их дальнейшее окисление до простых оксидов : CO2, H2O, SO2. Поэтому сераорганические соединения удаляются из углеводородной фазы и либо концентрируются на межфазной границе, либо переходят в водный раствор. Процесс очистки нефтепродукта от сераорганических соединений является по существу процессом экстракции с протеканием химических реакций на межфазной границе.The products of oxidation and sulfonation of organosulfur compounds are surface-active substances (surfactants) that concentrate at the oil-product interface and partially dissolve in an aqueous solution, where their further oxidation to simple oxides can continue: CO 2 , H 2 O, SO 2 . Therefore, organosulfur compounds are removed from the hydrocarbon phase and are either concentrated at the interface or transferred to an aqueous solution. The process of purification of an oil product from organosulfur compounds is essentially an extraction process with chemical reactions at the interface.
При этом в реакции окисления и сульфирования на межфазной границе нефтепродукт - раствор вступают прежде всего сераорганические и другие гетероатомные органические соединения, т.е. процесс экстракции является избирательным именно по тем видам соединений, которые надо удалить из нефтепродукта. Moreover, in the oxidation and sulfonation reactions at the oil-product interface, first of all, organo-sulfur and other heteroatomic organic compounds enter, i.e. the extraction process is selective for those types of compounds that must be removed from the oil product.
Избирательность процесса экстракции определяется различием в скоростях реакций окисления и сульфирования для различных типов органических соединений. Скорости окисления и сульфирования увеличиваются в ряду соединений: алканы, циклоалканы, арены, алкены, сераорганические соединения. Скорости этих реакций зависят также от количества атомов углерода в углеводородном скелете органических соединений, и количества циклических структур. Органические соединения с большим числом атомов углерода и циклических структур окисляются и сульфируются быстрее, чем более легкие соединения. The selectivity of the extraction process is determined by the difference in the rates of oxidation and sulfonation reactions for different types of organic compounds. The oxidation and sulfonation rates increase in a number of compounds: alkanes, cycloalkanes, arenes, alkenes, and organosulfur compounds. The rates of these reactions also depend on the number of carbon atoms in the hydrocarbon skeleton of organic compounds, and the number of cyclic structures. Organic compounds with a large number of carbon atoms and cyclic structures are oxidized and sulfonated faster than lighter compounds.
В данной технологии окисление и сульфирование органических соединений происходит при их контакте с водным раствором, содержащим серную кислоту и соединения ванадия. При сульфировании органических соединений серной кислотой продуктами реакции являются соединения, содержащие кислород и серу, а также вода. Поэтому скорости реакций сульфирования и равновесный состав продуктов сильно зависят от концентрации серной кислоты в растворе. Серная кислота является водопоглощающим реагентом. Скорости реакций и выход продуктов сульфирования органических соединений увеличиваются при увеличении концентрации серной кислоты в растворе. Однако избирательность процессов окисления и сульфирования при этом ухудшается - при концентрации серной кислоты более 15 М (15 моль серной кислоты на 1 л раствора) сульфируются уже практически все органические соединения с образованием смолообразных продуктов. In this technology, the oxidation and sulfonation of organic compounds occurs upon their contact with an aqueous solution containing sulfuric acid and vanadium compounds. When sulfonating organic compounds with sulfuric acid, the reaction products are compounds containing oxygen and sulfur, as well as water. Therefore, the rates of sulfonation reactions and the equilibrium composition of the products strongly depend on the concentration of sulfuric acid in the solution. Sulfuric acid is a water-absorbing reagent. The reaction rates and the yield of sulfonation products of organic compounds increase with increasing concentration of sulfuric acid in solution. However, the selectivity of the processes of oxidation and sulfonation at the same time deteriorates - at a concentration of sulfuric acid of more than 15 M (15 mol of sulfuric acid per 1 liter of solution), almost all organic compounds are sulfonated with the formation of resinous products.
Поэтому в данной технологии используются растворы преимущественно с концентрацией менее 10 М, а скорости реакций окисления и сульфирования сераорганических соединений избирательно увеличиваются за счет введения в раствор соединений пятивалентного ванадия, являющихся катализаторами процессов окисления и сульфирования. В зависимости от концентрации серной кислоты пятивалентный ванадий в растворе может существовать в различных формах: неустойчивые коллоиды V2O5, недиссоциированные молекулы V2O5, и ионы V с различным содержанием атомов кислорода и водорода и различными гидратными и сульфатными оболочками.Therefore, this technology uses solutions predominantly with a concentration of less than 10 M, and the rates of oxidation and sulfonation reactions of organosulfur compounds selectively increase due to the introduction of pentavalent vanadium compounds into the solution, which are catalysts for oxidation and sulfonation processes. Depending on the concentration of sulfuric acid, pentavalent vanadium in the solution can exist in various forms: unstable colloids V 2 O 5 , undissociated V 2 O 5 molecules, and V ions with different contents of oxygen and hydrogen atoms and various hydrated and sulfate shells.
Опытным путем установлено следующее:
1. В присутствии пятивалентного ванадия заметное сульфирование и окисление всех типов сераорганических соединений происходит при концентрации серной кислоты больше, чем 4 М. При этом пятивалентный ванадий превращается в четырехвалентный.Empirically established the following:
1. In the presence of pentavalent vanadium, noticeable sulfonation and oxidation of all types of organosulfur compounds occurs when the concentration of sulfuric acid is more than 4 M. In this case, pentavalent vanadium turns into tetravalent.
2. В диапазоне концентраций от 4 М до 10 М серной кислоты при контакте нефтепродуктов, содержащих сераорганические соединения с регенерированным рабочим раствором, происходит сульфирование и окисление в основном сераорганических соединений, а углеводороды окисляются и сульфируются в значительно меньшей степени, чем сераорганические соединения. При этом алканы, циклоалканы и арены с одним бензольным кольцом практически совсем не подвергаются сульфированию и окислению. Алкены могут заметно сульфироваться и окисляться, но в значительно меньшей степени, чем сераорганические соединения. Конденсированные углеводороды, содержащие два и более бензольных колец (например, нафталин), окисляются и сульфируются с образованием темных смолистых продуктов. 2. In the concentration range from 4 M to 10 M sulfuric acid, when petroleum products containing organo-sulfur compounds come into contact with the regenerated working solution, sulfonation and oxidation of mainly organo-sulfur compounds occurs, and hydrocarbons are oxidized and sulfonated to a much lesser extent than organo-sulfur compounds. At the same time, alkanes, cycloalkanes and arenes with one benzene ring practically do not undergo sulfonation and oxidation. Alkenes can noticeably sulfonate and oxidize, but to a much lesser extent than organosulfur compounds. Condensed hydrocarbons containing two or more benzene rings (e.g. naphthalene) are oxidized and sulfonated to form dark tarry products.
3. Скорости превращения сераорганических соединений уменьшаются в ряду : меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, тиофены. При концентрации серной кислоты менее 4 М из нефтепродукта удаляются в основном только меркаптаны, при 4-7 М - сульфиды, а при 7-10 М - тиофены. При концентрации серной кислоты более 10 М могут быть удалены из нефтепродукта все виды сераорганических соединений, но при этом начинается уже заметное сульфирование углеводородов. 3. The conversion rates of organosulfur compounds are reduced in the series: mercaptans, sulfides, disulfides, thiophenes. When the concentration of sulfuric acid is less than 4 M, only mercaptans are removed from the oil product, at 4-7 M - sulfides, and at 7-10 M - thiophenes. At a sulfuric acid concentration of more than 10 M, all types of organosulfur compounds can be removed from the oil product, but at the same time, already noticeable sulfonation of hydrocarbons begins.
4. Степень превращения сераорганических соединений при контакте нефтепродукта с раствором увеличивается при увеличении содержания пятивалентного ванадия в растворе, и наибольшей она становится при насыщении раствора пятивалентным ванадием. Зависимость растворимости пятивалентного ванадия от концентрации серной кислоты имеет не монотонный характер, поэтому каталитическая активность насыщенных растворов пятивалентного ванадия также не монотонно изменяется при изменении концентрации серной кислоты от 4 М до 10 М. 4. The degree of conversion of organosulfur compounds upon contact of an oil product with a solution increases with an increase in the content of pentavalent vanadium in the solution, and it becomes greatest when the solution is saturated with pentavalent vanadium. The dependence of the solubility of pentavalent vanadium on the concentration of sulfuric acid is not monotonic in nature, therefore, the catalytic activity of saturated solutions of pentavalent vanadium also does not monotonically change with a change in the concentration of sulfuric acid from 4 M to 10 M.
Таким образом, на основании опытных данных установлено, что способ по данному изобретению имеет преимущественную область использования для очистки нефтепродуктов и избирательного удаления сераорганических соединений из алканов, цилоалканов и аренов, имеющих одно бензольное кольцо, и смесей таких углеводородов. Thus, on the basis of experimental data, it was found that the method according to this invention has a predominant use for the purification of petroleum products and the selective removal of organo-sulfur compounds from alkanes, cycloalkanes and arenes having one benzene ring, and mixtures of such hydrocarbons.
Путем подбора параметров процесса очистки можно обеспечить достаточно большую степень превращения сераорганических соединений при небольших потерях углеводородов. By selecting the parameters of the purification process, a sufficiently large degree of conversion of organosulfur compounds with low losses of hydrocarbons can be provided.
Процесс экстракции, осложненный химическими реакциями на межфазной границе, невозможно рассчитать теоретически даже в том случае, когда известны механизмы этих реакций. Поэтому при любой конструкции реактора 1 (экстрактора) необходимо будет для каждого вида очищаемого нефтепродукта экспериментально подбирать параметры процесса очистки, обеспечивающие необходимую глубину очистки (степень превращения углеводородов) при минимальных потерях продукта. К таким параметрам относятся следующие:
концентрации серной кислоты и пятивалентного ванадия в растворе катализатора;
объемное соотношение нефтепродукт/рабочий раствор;
эффективная площадь межфазной границы раствор-нефтепродукт;
длительность контакта нефтепродукта с раствором.The extraction process, complicated by chemical reactions at the interface, cannot be calculated theoretically even when the mechanisms of these reactions are known. Therefore, for any design of reactor 1 (extractor), it will be necessary to experimentally select the parameters of the refining process for each type of refined oil product that provide the necessary cleaning depth (degree of conversion of hydrocarbons) with minimal product loss. These parameters include the following:
the concentration of sulfuric acid and pentavalent vanadium in the catalyst solution;
volumetric ratio of oil product / working solution;
effective solution – oil product interface;
the duration of contact of the oil with the solution.
Из этих параметров, подлежащих экспериментальному подбору, последние два (площадь границы и длительность контакта) взаимосвязаны, и в установке для очистки нефтепродуктов их невозможно будет независимо изменять. В конструкции реактора 1 необходимо предусмотреть возможность изменения этих двух параметров, например, путем изменения интенсивности перемешивания раствора и нефтепродукта, но основное регулирование процесса очистки целесообразно производить путем изменения концентрации рабочего раствора и объемного соотношения нефтепродукт - раствор. Of these parameters that are subject to experimental selection, the last two (border area and contact duration) are interrelated, and it will not be possible to independently change them in the installation for refining petroleum products. In the design of reactor 1, it is necessary to provide for the possibility of changing these two parameters, for example, by changing the intensity of mixing the solution and the oil product, but it is advisable to make the main regulation of the cleaning process by changing the concentration of the working solution and the volume ratio of oil product to solution.
При оптимальном подборе параметров процесса очистки в реакторе 1 будут образовываться сульфокислоты, которые могут частично переходить в рабочий раствор, частично концентрироваться на межфазной границе, а частично переходить в очищаемый нефтепродукт. Поэтому одновременно с удалением из нефтепродукта органической серы в него будет попадать неорганическая сера из раствора за счет сульфирования углеводородов и, кроме того, серная кислота может в небольших количествах растворяться в нефтепродукте. В тех случаях, когда в исходном нефтепродукте содержание органической серы небольшое (менее 0,5%), после контакта нефтепродукта с регенерированным рабочим раствором общее содержание серы в нефтепродукте (органической и неорганической) может даже увеличиться. Однако сульфокислоты и серная кислота, растворенные в нефтепродукте, могут быть легко удалены из них экстракцией щелочным раствором. Для этого нефтепродукт после его контакта с регенерированным рабочим раствором из реактора 1 подают в реактор 4 для смешивания нефтепродукта со щелочным раствором. With the optimal selection of the parameters of the purification process, sulfonic acids will form in reactor 1, which can partially transfer to the working solution, partially concentrate at the interface, and partially transfer to the refined oil product. Therefore, simultaneously with the removal of organic sulfur from the oil product, inorganic sulfur from the solution will fall into it due to sulfonation of hydrocarbons and, in addition, sulfuric acid can be dissolved in small amounts in the oil product. In cases where the content of organic sulfur in the initial oil product is small (less than 0.5%), after contact of the oil product with the regenerated working solution, the total sulfur content in the oil product (organic and inorganic) may even increase. However, sulfonic acids and sulfuric acid dissolved in the oil product can be easily removed from them by extraction with an alkaline solution. For this, the oil product after its contact with the regenerated working solution from the reactor 1 is fed into the reactor 4 for mixing the oil with an alkaline solution.
В этом реакторе 4 кислые продукты, содержащие серу, переходят в водный раствор, содержащий гидроксид и карбонат натрия. При этом серная кислота и сульфокислоты образуют в растворе соли натрия, и раствор нейтрализуется (значение pH снижается). Для восстановления щелочного характера раствора в реакторе 4 в него подают гидроксид кальция из источника 22 Ca(ОН)2. Ионы кальция Ca2+ образуют с кислотными остатками серной кислоты и сульфокислот малорастворимые соли, которые выпадают в осадок и выводятся из реактора 4 в емкость 14 для твердого осадка. В результате реакций гидроксида кальция с солями сульфокислот щелочной характер раствора в реакторе 4 восстанавливается (значение pH увеличивается), раствор непрерывно регенерируется и продолжает экстрагировать кислотные остатки из нефтепродукта, подаваемого в реактор 4.In this reactor 4, acidic products containing sulfur are transferred to an aqueous solution containing hydroxide and sodium carbonate. In this case, sulfuric acid and sulfonic acids form sodium salts in the solution, and the solution is neutralized (the pH value decreases). To restore the alkaline nature of the solution in the reactor 4, calcium hydroxide is fed into it from a source of 22 Ca (OH) 2 . Calcium ions Ca 2+ form poorly soluble salts with acidic residues of sulfuric acid and sulfonic acids, which precipitate and are removed from reactor 4 into a solid sedimentation tank 14. As a result of reactions of calcium hydroxide with salts of sulfonic acids, the alkaline nature of the solution in reactor 4 is restored (the pH value increases), the solution is continuously regenerated and continues to extract acid residues from the oil product fed to reactor 4.
Малорастворимые соли кальция осаждаются в виде влажного осадка, в котором могут присутствовать ионы натрия и карбонат-ионы. Поэтому вместе с осадком из реактора 4 в емкость 24 будут выноситься вода, гидрооксид и карбонат натрия. Для восполнения потерь этих реагентов в реактор 4 подают из источников 21 и 23 воду, гидроксид натрия и карбонат натрия. Poorly soluble calcium salts precipitate in the form of a wet precipitate, in which sodium ions and carbonate ions may be present. Therefore, together with the precipitate from the reactor 4 in the tank 24 will be carried out water, hydroxide and sodium carbonate. To make up for the losses of these reagents, water, sodium hydroxide and sodium carbonate are supplied to the reactor 4 from sources 21 and 23.
В нефтепродукте, выводимом из реактора 4, могут содержаться натриевые соли сульфокислот, поэтому его подают в ректификационную колонну 5. При перегонке нефтепродукта в колонне 5 соли сульфокислот либо выпадут в осадок, либо подвергнутся при температуре кипения нефтепродукта разложению с образованием сульфита и сульфата натрия и непредельных углеводородов. Последние могут частично раствориться в чистом нефтепродукте и попасть в емкость 6 чистого нефтепродукта или после процессов термического разложения и полимеризации, протекающих в разных частях колонны 5, могут быть выведены в виде газов в вытяжку 27 или в виде тяжелых продуктов полимеризации в емкость 28 тяжелой фракции. The oil product withdrawn from reactor 4 may contain sodium salts of sulfonic acids, so it is fed to distillation column 5. When the oil is distilled in column 5, sulfonic acid salts will either precipitate or decompose at the boiling point of the oil to form sodium sulfite and sodium sulfate and unsaturated hydrocarbons. The latter can partially dissolve in the pure oil product and enter the tank 6 of the pure oil product, or after thermal decomposition and polymerization processes occurring in different parts of the column 5, can be removed in the form of gases in the hood 27 or in the form of heavy polymerization products into the tank 28 of the heavy fraction.
Таким образом, процесс очистки нефтепродукта состоит из следующих стадий:
окисление и сульфирование сераорганических соединений и некоторой (небольшой) части углеводородов при контакте нефтепродукта в реакторе 1 с водным раствором, содержащим серную кислоту и пятивалентный ванадий;
экстракция окисленных и просульфированных сераорганических соединений в водный раствор или их концентрация на межфазной границе в реакторе 1 в виде смолистых веществ, малорастворимых в углеводородах;
отделение нефтепродукта в реакторе 1 от рабочего раствора и смолистых веществ;
экстракция из нефтепродукта оставшихся там сульфокислот и серной кислоты щелочным раствором в реакторе 4;
финишная перегонка нефтепродукта в ректификационной колонне 5 с удалением из него солей сульфокислот, остатков смолы и воды.Thus, the refining process consists of the following stages:
oxidation and sulfonation of organosulfur compounds and some (small) part of hydrocarbons upon contact of the oil in reactor 1 with an aqueous solution containing sulfuric acid and pentavalent vanadium;
extraction of oxidized and sulfonated organosulfur compounds in an aqueous solution or their concentration at the interface in the reactor 1 in the form of resinous substances sparingly soluble in hydrocarbons;
separation of oil in the reactor 1 from the working solution and resinous substances;
extraction from the oil product of the sulfonic acids and sulfuric acid remaining there with an alkaline solution in the reactor 4;
final distillation of the oil in the distillation column 5 with the removal of salts of sulfonic acids, residues of tar and water.
Остальные элементы установки для очистки нефтепродукта предназначены для непрерывной регенерации катализатора (пятивалентного ванадия и серной кислоты) и работают они следующим образом. The remaining elements of the installation for refining petroleum products are designed for continuous regeneration of the catalyst (pentavalent vanadium and sulfuric acid) and they work as follows.
Рабочий раствор вместе со смолистыми веществами из реактора 1 подают в устройство 7 для выделения твердого осадка из раствора. Поскольку в реакторе 1 происходит превращение пятивалентного ванадия в четырехвалентный, раствор, поступающий в устройство 7, оказывается пересыщенным по солям четырехвалентного ванадия, и они выпадают в осадок в виде гидрата кислого ванадилсульфата 2VOSO4•H2SO4 или гидратов солей четырехвалентного ванадия другого состава.The working solution together with resinous substances from the reactor 1 is fed to a device 7 for separating a solid precipitate from the solution. Since pentavalent vanadium is converted to tetravalent in reactor 1, the solution entering device 7 is supersaturated with the salts of tetravalent vanadium, and they precipitate in the form of hydrated vanadyl sulfate 2VOSO 4 • H 2 SO 4 or hydrates of tetravalent vanadium salts of a different composition.
Плотность рабочего раствора больше, чем плотность смолистых веществ, содержащих сульфокислоты, но меньше, чем плотность гидратов солей. Поэтому устройство 7 может быть выполнено в виде отстойника, в котором раствор, поступивший из реактора 1, расслаивается на три фазы: верхняя твердая или жидкая фаза - смола, жидкий раствор и нижняя твердая фаза - гидраты солей ванадия. Для ускорения процесса разделения раствора на три фазы могут быть использованы центрифуги. В любом случае жидкая фаза из устройства 7, являющаяся насыщенным раствором четырехвалентного ванадия, подается в реактор 3 для подготовки рабочего раствора. Смола выводится в емкость 30 для смолы и может быть затем побочным товарным продуктом, поскольку в ней присутствуют сульфокислоты, являющиеся поверхностно-активными веществами. The density of the working solution is greater than the density of resinous substances containing sulfonic acids, but less than the density of hydrates of salts. Therefore, the device 7 can be made in the form of a sump, in which the solution received from reactor 1 is stratified into three phases: the upper solid or liquid phase is resin, the liquid solution and the lower solid phase are hydrates of vanadium salts. Centrifuges can be used to speed up the process of dividing the solution into three phases. In any case, the liquid phase from the device 7, which is a saturated solution of tetravalent vanadium, is fed into the reactor 3 to prepare the working solution. The resin is discharged into the resin container 30 and may then be a by-product of the product, since sulfonic acids, which are surfactants, are present in it.
Твердые гидраты солей ванадия вместе с частью пересыщенного раствора и, возможно, загрязненные смолистыми веществами, поступают в блок 8 термической регенерации твердого катализатора, куда подают также воздух или кислород из источника 13 окислителя и теплоту из источника 14. В блоке 8 при температуре 450- 550oC твердый осадок сначала разлагается на сухой сульфат ванадила VOSO4, серную кислоту и воду, а смолистые вещества в присутствии воздуха окисляются до простых оксидов: CO4, H2О, SO2. Выделяющаяся при этом теплота расходуется на нагрев твердого осадка и эндотермические реакции его разложения.Solid hydrates of vanadium salts, together with part of the supersaturated solution and possibly contaminated with tarry substances, enter block 8 for thermal regeneration of the solid catalyst, which also supplies air or oxygen from oxidizer source 13 and heat from source 14. In block 8 at a temperature of 450-550 o C the solid precipitate is first decomposed into dry vanadyl sulfate VOSO 4 , sulfuric acid and water, and resinous substances in the presence of air are oxidized to simple oxides: CO 4 , H 2 O, SO 2 . The heat released in this case is spent on heating the solid precipitate and the endothermic reaction of its decomposition.
В случае, если смола, поступающая из устройства 7 в емкость 30, не может быть использована в качестве товарного продукта, ее целесообразно подавать вместе с твердым осадком гидратов солей в блок 8. Тогда теплоты, выделяющейся при сгорании смолы, может хватить на все эндотермические реакции, протекающие в блоке 7, а источник 14 теплоты будет использоваться только при запуске установки из холодного состояния. If the resin coming from the device 7 into the container 30 cannot be used as a commercial product, it is advisable to supply it together with a solid precipitate of hydrated salts to block 8. Then the heat released during the combustion of the resin may suffice for all endothermic reactions flowing in block 7, and the heat source 14 will be used only when starting the installation from a cold state.
Твердый сульфат ванадила, образовавшийся при распаде гидратов солей при температуре большей, чем 450oC, быстро распадается по реакции
2VOSO4 = V2O5 + SO2 + SO3,
или в присутствии кислорода по реакции
4VOSO4 + O2 = 2V2O5 + 4SO3.Solid vanadyl sulfate formed during the decomposition of hydrates of salts at a temperature greater than 450 o C quickly decomposes by reaction
2VOSO 4 = V 2 O 5 + SO 2 + SO 3 ,
or in the presence of oxygen by reaction
4VOSO 4 + O 2 = 2V 2 O 5 + 4SO 3 .
Образующийся при этом пятиоксид ванадия является регенерированным твердым катализатором и поступает в реактор 9 растворения твердого катализатора. The resulting vanadium pentoxide is a regenerated solid catalyst and enters the solid catalyst dissolution reactor 9.
Газообразные продукты из блока 7, содержащие CO2, H2O, SO2 и SO3, поступают в реактор 11 окисления SO2 в SO3, где в присутствии воздуха, поступающего из источники 15, и катализатора, например пятиокиси ванадия, окисляются. В газообразных продуктах окислиться могут только SO2 и продукты неполного сгорания смолы, например СО и CHx, которые могут образовываться в блоке 7 при недостатке окислителя, поступающего в него из источника 13. Температуру в реакторе 11 поддерживают в диапазоне 500-700oC. Дополнительного источника теплоты для этого не требуется, поскольку температура газов, выходящих из блока 7, равна 450-550oC, а реакции окисления в реакторе 7 экзотермические. Для предотвращения перегрева реактора 11, возможно, надо будет отводить теплоту в окружающую среду.Gaseous products from block 7, containing CO 2 , H 2 O, SO 2 and SO 3 , enter the SO 2 oxidation reactor 11 in SO 3 , where they are oxidized in the presence of air from sources 15 and a catalyst, for example vanadium pentoxide. In gaseous products, only SO 2 and products of incomplete combustion of the resin, for example, CO and CH x , can be oxidized, which can be formed in block 7 due to the lack of oxidizing agent coming from source 13. The temperature in reactor 11 is maintained in the range of 500-700 ° C. An additional source of heat is not required for this, since the temperature of the gases leaving the unit 7 is 450-550 o C, and the oxidation reactions in the reactor 7 are exothermic. To prevent overheating of the reactor 11, it may be necessary to remove heat into the environment.
Газообразные продукты, содержащие SO3, поступают из реактора 11 в реактор 12 растворения SO3 в воде, поступающей из источника 16. Образующаяся при растворении SO3, в воде горячая серная кислота поступает в реактор 9 растворения твердого катализатора. Газообразные продукты, практически не содержащие оксидов серы, выбрасываются в окружающую среду с помощью вытяжки 17.Gaseous products containing SO 3 enter from the reactor 11 into the reactor 12 for dissolving SO 3 in the water coming from the source 16. The hot sulfuric acid resulting from the dissolution of SO 3 in water enters the solid catalyst dissolution reactor 9. Gaseous products, practically free of sulfur oxides, are released into the environment using exhaust hood 17.
Таким образом, процесс очистки замыкается по катализатору, так как пятивалентный ванадий и серная кислота регенерируются. Эти реагенты, в основном серная кислота, могут уходить из замкнутого цикла очистки нефтепродукта вмести с твердыми осадками, поступающими в емкости 24 и 29 и со смолой, поступающей в емкость 30. Для восполнения этих потерь пятивалентный ванадий в виде пятиокиси может быть добавлен к твердому катализатору, поступающему из блока 8 в реактор 9, а серная кислота поступает в этот реактор из источника 18. Thus, the purification process is closed by the catalyst, since pentavalent vanadium and sulfuric acid are regenerated. These reagents, mainly sulfuric acid, can leave the closed loop of oil product purification together with solid precipitates entering containers 24 and 29 and with resin entering tanks 30. To compensate for these losses, pentavalent vanadium in the form of pentoxide can be added to the solid catalyst coming from block 8 to reactor 9, and sulfuric acid enters this reactor from source 18.
В реакторе 9 твердая пятиокись ванадия растворяется в горячей серной кислоте, поступающей из реактора 12 и источника 18. При этом концентрацию серной кислоты и ее расход из источника 18 регулируют таким образом, чтобы в реакторе 9 содержание кислоты в растворе было равно 10-12 М, и образовывался насыщенный раствор пятиокиси ванадия. In the reactor 9, solid vanadium pentoxide dissolves in the hot sulfuric acid coming from the reactor 12 and the source 18. The concentration of sulfuric acid and its flow from the source 18 are controlled so that the acid content in the solution 9 is 10-12 M, and a saturated solution of vanadium pentoxide formed.
Растворимость пятиокиси ванадия в серной кислоте имеет максимум при концентрации серной кислоты, равной примерно 11 М. Насыщенный раствор с максимальным содержанием пятиокиси ванадия охлаждается в холодильнике 10 водой, поступающей из источника 19 охлаждающей воды, и смешивается в реакторе 3 с насыщенным по четырехвалентному ванадию раствором, поступающим из устройства 7. В реактор 3 поступает также вода из источника 20 в количестве, необходимом для того, чтобы на выходе из реактора 3 концентрация серной кислоты была равна 6-10 М. The solubility of vanadium pentoxide in sulfuric acid has a maximum at a sulfuric acid concentration of about 11 M. A saturated solution with a maximum content of vanadium pentoxide is cooled in the refrigerator 10 with water coming from the cooling water source 19 and mixed in a reactor 3 with a solution saturated with tetravalent vanadium vanadium. coming from the device 7. The reactor 3 also receives water from the source 20 in the amount necessary so that at the outlet of the reactor 3 the concentration of sulfuric acid is equal to 6-10 M.
Таким образом, из реактора 3 в реактор 1 поступает раствор с заданной концентрацией серной кислоты и близкий к насыщению по пятивалентному и четырехвалентному ванадию. В реакторе 1 протекают реакции окисления, в которых пятивалентный ванадий превращается в четырехвалентный, и рабочий раствор, поступающий из реактора 1 в устройство 7, становится пересыщенным. В этом устройстве четырехвалентный ванадий выпадает в осадок и цикл регенерации катализатора замыкается. Thus, a solution with a given concentration of sulfuric acid and close to saturation with pentavalent and tetravalent vanadium enters from reactor 3 into reactor 1. Oxidation reactions occur in reactor 1, in which pentavalent vanadium is converted to tetravalent, and the working solution from reactor 1 to device 7 becomes supersaturated. In this device, tetravalent vanadium precipitates and the catalyst regeneration cycle closes.
Как уже отмечалось выше, регулировать глубину очистки нефтепродукта (степень превращения сераорганических соединений) и минимизировать потери углеводорода целесообразно путем изменения объемного соотношения нефтепродукта и рабочего раствора, поступающих в реактор 1. Значение этого объемного соотношения необходимо подбирать опытным путем для каждого вида очищаемого нефтепродукта с учетом величины допустимых потерь нефтепродукта, начального содержания органической серы в нем и требуемого конечного содержания общей серы в очищенном нефтепродукте. As noted above, it is advisable to regulate the depth of refining of the oil product (the degree of conversion of organosulfur compounds) and minimize hydrocarbon losses by changing the volume ratio of the oil and working solution entering reactor 1. The value of this volume ratio must be selected empirically for each type of refined oil product, taking into account the value allowable losses of the oil product, the initial content of organic sulfur in it and the required final content of total sulfur in the purified oil product.
При проектировании установки необходимо знать среднее значение объемного соотношения нефтепродукт/раствор или пределы изменения этого соотношения при очистке нефтепродукта с заданным содержанием серы. Такие оценки можно сделать следующим образом. When designing the installation, it is necessary to know the average value of the volume ratio of the oil product / solution or the limits of the change in this ratio when cleaning the oil product with a given sulfur content. Such estimates can be made as follows.
Механизмы реакций сераорганических соединений с регенерированным рабочим раствором пока недостаточно изучены, но в любом из этих механизмов происходит окисление атома серы, входящего в сераорганические соединения. В сераорганических соединениях, входящих в состав различных нефтепродуктов, сера может иметь различную степень окисления от -2 до +6. Если сера находится в состоянии окисления +4 или +6, то сераорганические соединения являются сульфокислотами или другими кислыми соединениями, которые будут удалены из нефтепродукта при его контакте со щелочным раствором в реакторе 4. Такие соединения в реакторе 1 при контакте нефтепродукта с регенерированным рабочим раствором могут сульфироваться серной кислотой с образованием многоосновных сульфокислот. Пятивалентный ванадий из раствора не будет расходоваться в значительных количествах в этих реакциях, а серная кислота в растворе катализатора всегда будет в большом избытке по отношению к сераорганическим соединениям. Поэтому сульфирование сераорганических соединений, в которых сера находится в степени окисления +4 или +6, не может существенным образом повлиять на оптимальное значение объемного соотношения нефтепродукт/рабочий раствор в реакторе 1. The reaction mechanisms of organosulfur compounds with a regenerated working solution have not yet been sufficiently studied, but in any of these mechanisms the sulfur atom entering into organosulfur compounds is oxidized. In organosulfur compounds that make up various petroleum products, sulfur can have varying degrees of oxidation from -2 to +6. If sulfur is in an oxidation state of +4 or +6, then the organosulfur compounds are sulfonic acids or other acidic compounds that will be removed from the oil when it comes into contact with an alkaline solution in reactor 4. Such compounds in reactor 1, when the oil comes in contact with the regenerated working solution, can sulfonated with sulfuric acid to form polybasic sulfonic acids. Pentavalent vanadium from the solution will not be consumed in significant quantities in these reactions, and sulfuric acid in the catalyst solution will always be in large excess with respect to organosulfur compounds. Therefore, the sulfonation of organosulfur compounds in which sulfur is in the oxidation state of +4 or +6 cannot significantly affect the optimal value of the volume ratio of oil product / working solution in reactor 1.
Основной целевой расход пятивалентного ванадия из раствора будет связан с окислением двухвалентной серы, содержащейся в сераорганических соединениях, до степени окисления +4 или +6. В таких реакциях на 1 моль органической серы, находящейся в степени окисления -2, будет расходоваться 6-8 молей пятивалентного ванадия. Например, при окислении октилмеркаптана брутто-реакция будет следующей:
C8H17SH + 3V2O5 + 6H2SO4 = С8H17-SO3H + 6VOSO4 + 6H2O,
то есть на 1 моль серы расходуется 3 моля пятиокиси ванадия или 6 моль пятивалентного ванадия.The main target consumption of pentavalent vanadium from the solution will be associated with the oxidation of divalent sulfur contained in organosulfur compounds to an oxidation state of +4 or +6. In such reactions, 6-8 moles of pentavalent vanadium will be consumed per 1 mol of organic sulfur, which is in the oxidation state of -2. For example, during the oxidation of octyl mercaptan, the gross reaction will be as follows:
C 8 H 17 SH + 3V 2 O 5 + 6H 2 SO 4 = C 8 H 17 -SO 3 H + 6VOSO 4 + 6H 2 O,
that is, 3 moles of vanadium pentoxide or 6 moles of pentavalent vanadium are consumed per 1 mole of sulfur.
При окислении индивидуальных сераорганических соединений регенерированным рабочим раствором это уравнение брутто-реакции достаточно хорошо выполняется. Количественная оценка расхода пятивалентного ванадия, необходимого для окисления органической серы, проводилась для нескольких сераорганических соединений. Например, было взято 4,2 г октилмеркаптана, что составляет 0,03 М, и 17,1 г пятиокиси ванадия, что составляет 0,19 М пятивалентного ванадия, растворенного в 9 М серной кислоте. Ванадий был взят с 5% избытком, так как для окисления 0,03 М октилмеркаптана необходимо 0,09 М пятиокиси ванадия и 0,18 М пятивалентного ванадия. После контакта рабочего раствора с октилмеркаптаном последний полностью окислился, пятивалентный ванадий практически полностью превратился в четырехвалентный, о чем можно было судить по изменению цвета раствора, а в осадок выпал гидрат кислого ванадилсульфата VOSO4•H2SO4 (светлоголубые кристаллы), после прокаливания которого образовалась пятиокись ванадия.During the oxidation of individual organo-sulfur compounds by the regenerated working solution, this gross reaction equation is rather well satisfied. A quantitative estimate of the pentavalent vanadium consumption necessary for the oxidation of organic sulfur was carried out for several organo-sulfur compounds. For example, 4.2 g of octyl mercaptan, which is 0.03 M, and 17.1 g of vanadium pentoxide, which is 0.19 M of pentavalent vanadium dissolved in 9 M sulfuric acid, were taken. Vanadium was taken with a 5% excess, since 0.03 M octyl mercaptan requires 0.09 M vanadium pentoxide and 0.18 M pentavalent vanadium to oxidize. After the working solution was in contact with octyl mercaptan, the latter completely oxidized, pentavalent vanadium almost completely turned into tetravalent, which could be judged by the color change of the solution, and VOSO 4 • H 2 SO 4 acid vanadyl sulfate hydrate (light blue crystals) precipitated, after calcination of which vanadium pentoxide formed.
Таким образом, при неизвестности точного механизма реакций рабочего раствора с сераорганическими соединениями, можно считать, что уравнения брутто-реакций, аналогичные указанному выше, которые можно написать для каждого сераорганического соединения, выполняются, и на основе таких уравнений можно оценивать расход пятивалентного ванадия в целевых реакциях окисления сераорганических соединений. Thus, if the exact mechanism of reactions of the working solution with organosulfur compounds is unknown, it can be assumed that the gross reaction equations similar to the above, which can be written for each organosulfur compound, are satisfied, and based on such equations, the pentavalent vanadium consumption in the target reactions can be estimated oxidation of organosulfur compounds.
Если в реакторе 1 протекают только такие целевые реакции, а вся сера в сераорганических соединениях имеет степень окисления -2, то объемное соотношение нефтепродукт/рабочий раствор должно быть равно
Vн/Vp= (msρpcv)/(mvρнcsk),
где Vн Vpр - объемы нефтепродукта и рабочего раствора;
ms, mv - атомные веса серы и ванадия;
cs - массовое содержание серы в нефтепродукте;
сv - массовое содержание ванадия в растворе катализатора;
ρp, ρн- плотности нефтепродукта и раствора;
k= 6 или 8 - стехиометрический коэффициент в уравнении брутто-реакций окисления сераорганического соединения.If only such target reactions occur in reactor 1, and all sulfur in the organosulfur compounds has an oxidation state of -2, then the volume ratio of oil product / working solution should be equal
V n / V p = (m s ρ p c v ) / (m v ρ n c s k),
where V n Vp p - the volume of oil and working solution;
m s , m v - atomic weights of sulfur and vanadium;
c s - mass content of sulfur in the oil product;
with v is the mass content of vanadium in the catalyst solution;
ρ p , ρ n - the density of the oil and solution;
k = 6 or 8 is the stoichiometric coefficient in the equation of gross oxidation reactions of the organosulfur compound.
Например, при cs= 0,002 (0,2%), cv = 0,02 (1%-ный насыщенный раствор пятиокиси ванадия в 7 М серной кислоте) ρp и ρн = 850 и 1390 кг/м3 (плотность раствора 7 М серной кислоты), k=6 объемное соотношение будет равно Vн/Vр= 0,86.For example, with c s = 0.002 (0.2%), c v = 0.02 (1% saturated solution of vanadium pentoxide in 7 M sulfuric acid) ρ p and ρ n = 850 and 1390 kg / m 3 (density a solution of 7 M sulfuric acid), k = 6, the volume ratio will be equal to V n / V p = 0.86.
Нефтепродукты являются сложными системами для исследования понимания процессов, происходящих при очистке нефтепродукта от сераорганических соединений, оптимизации процесса очистки, поэтому для конкретного выполнения способа были использованы модельные смеси, имитирующие углеводородное сырье. В качестве модельных смесей были взяты толуол, гептан, додекан, этилциклопентан, гексен и нафталин (25%) в толуоле с добавками тиофена (2,5%). Petroleum products are complex systems for investigating the understanding of the processes that occur during the purification of petroleum products from organosulfur compounds, optimizing the refining process, therefore, model mixtures imitating hydrocarbon raw materials were used for a specific process. Toluene, heptane, dodecane, ethyl cyclopentane, hexene and naphthalene (25%) in toluene with thiophene additives (2.5%) were taken as model mixtures.
Для таких смесей содержание неорганической серы, в попавшей в нефтепродукт из рабочего раствора определялось как разность между содержанием общей серы, определенной методом сжигания, и содержанием органической серы, определенной хроматографическим методом. For such mixtures, the inorganic sulfur content in the product that got into the oil from the working solution was determined as the difference between the total sulfur content determined by the burning method and the organic sulfur content determined by the chromatographic method.
Обработка регенерированным рабочим раствором (насыщенный раствор V2O5 в 8-9 М H2SO4) проводилась в одинаковых оптимальных условиях, подобранных опытным путем. Процесс осуществлялся в течение 40 минут при перемешивании магнитной мешалкой. Для обработки 40 мл смеси использовали 200 мл рабочего раствора. До и после обработки регенерированным рабочим раствором проводился анализ на серу ( метод сжигания в кварцевой трубке) и анализ на тиофен (хроматографический метод).Processing the regenerated working solution (saturated solution of V 2 O 5 in 8-9 M H 2 SO 4 ) was carried out under the same optimal conditions, selected experimentally. The process was carried out for 40 minutes with stirring with a magnetic stirrer. To treat 40 ml of the mixture, 200 ml of working solution was used. Before and after treatment with the regenerated working solution, a sulfur analysis (quartz tube burning method) and thiophene analysis (chromatographic method) were performed.
Обнаружено, что общее количество серы возросло после контакта углеводородных смесей с раствором, а концентрация тиофена уменьшалась во всех модельных смесях до значений меньших, чем 0,05%. Это позволило сделать вывод о наличии в смеси в виде остатков катализатора в чистом или связанном виде, причем после обработки модельных смесей раствором катализатором практически вся содержащаяся в них сера попала из раствора, а органическая (тиофеновая) - была удалена. It was found that the total amount of sulfur increased after the contact of hydrocarbon mixtures with the solution, and the concentration of thiophene decreased in all model mixtures to values less than 0.05%. This allowed us to conclude that the mixture contained in the form of catalyst residues in a pure or bound form, and after processing the model mixtures with a solution with a catalyst, almost all of the sulfur contained in them got from the solution, and the organic (thiophene) was removed.
При очистке в случае толуола, гептана, додекана и этилциклопентана заметных изменений в смесях не наблюдалось, тогда как в присутствии нафталина имело место покраснение раствора, Последнее, вероятно, связано с окислением нафталина до нафтохинонов. В случае гексена происходило быстрое изменение цвета катализатора (практически полное восстановление), что вероятно связано с окислением двойной связи непредельного соединения. Поскольку концентрация серной кислоты в каталитическом растворе большая, можно было ожидать протекание сульфирования при обработке толуольной смеси с образованием сульфокислоты. Однако толуол оказался устойчивым к окислению и сульфированию при контакте с регенерированным рабочим раствором. During the purification in the case of toluene, heptane, dodecane and ethylcyclopentane, no noticeable changes were observed in the mixtures, while in the presence of naphthalene there was a reddening of the solution, the latter is probably associated with the oxidation of naphthalene to naphthoquinones. In the case of hexene, a rapid change in the color of the catalyst occurred (almost complete reduction), which is probably due to the oxidation of the double bond of the unsaturated compound. Since the concentration of sulfuric acid in the catalytic solution is large, sulfonation could be expected during the processing of the toluene mixture with the formation of sulfonic acid. However, toluene was resistant to oxidation and sulfonation upon contact with the regenerated working solution.
Было использовано несколько методов дополнительной очистки нефтепродукта от примесей катализатора и серусодержащих компонентов. Образцы обработанных смесей (5 мл) подвергались дополнительной очистке следующими методами. Several methods of additional purification of the oil product from impurities of the catalyst and sulfur-containing components were used. Samples of the treated mixtures (5 ml) were further purified by the following methods.
1. Промывка насыщенным раствором соды в течение 20 минут. 1. Rinse with saturated soda solution for 20 minutes.
2. Промывка раствором щелочи (20% NaOH) в течение 20 минут. 2. Rinsing with an alkali solution (20% NaOH) for 20 minutes.
3. Обработка сухой содой (встряхивание) в течение 20 минут с последующей отгонкой углеводорода. 3. Processing with dry soda (shaking) for 20 minutes, followed by distillation of the hydrocarbon.
4. Обработка сухой щелочью (встряхивание в кварцевой колбе) в течение 20 минут с последующей отгонкой углеводорода. 4. Processing with dry alkali (shaking in a quartz flask) for 20 minutes, followed by distillation of the hydrocarbon.
5. Промывка раствором щелочи или соды с последующими разделением раствора и углеводородов и перегонкой углеводородов. 5. Rinsing with a solution of alkali or soda, followed by separation of the solution and hydrocarbons and distillation of hydrocarbons.
Результаты указанных экспериментов приведены в таблице. The results of these experiments are shown in the table.
Как видно из приведенных данных вполне подходящим методом дополнительной очистки можно считать обработку раствором щелочи с последующей перегонкой, которые позволяют довести уровень содержания серы до 0,02-0,03%. As can be seen from the above data, the treatment with an alkali solution followed by distillation can be considered a quite suitable additional purification method, which allows us to bring the sulfur content to 0.02-0.03%.
Claims (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98106000/04A RU2125080C1 (en) | 1998-03-27 | 1998-03-27 | Method of removing organosulfur compounds from hydrocarbon stock |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98106000/04A RU2125080C1 (en) | 1998-03-27 | 1998-03-27 | Method of removing organosulfur compounds from hydrocarbon stock |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2125080C1 true RU2125080C1 (en) | 1999-01-20 |
RU98106000A RU98106000A (en) | 1999-03-20 |
Family
ID=20204173
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU98106000/04A RU2125080C1 (en) | 1998-03-27 | 1998-03-27 | Method of removing organosulfur compounds from hydrocarbon stock |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2125080C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2470044C2 (en) * | 2006-08-30 | 2012-12-20 | Пак Холдинг С.А. | Method and apparatus for recycling oxygen-containing polymers |
RU2472841C2 (en) * | 2008-03-26 | 2013-01-20 | Отерра, Инк. | Sulphoxidation catalysts and methods and systems of their application |
RU2514916C1 (en) * | 2012-12-28 | 2014-05-10 | Дженерейшн Инжиниринг Лтд | Method for production of commercial-grade diesel fuel of high-sulphur diesel oil cuts and device for its implementation |
CN110255507A (en) * | 2019-08-02 | 2019-09-20 | 青岛惠城信德新材料研究院有限公司 | A kind of Waste Sulfuric Acid regeneration method |
CN115433606A (en) * | 2022-10-10 | 2022-12-06 | 深圳职业技术学院 | Application of ammonium vanadyl sulfate as air oxidation desulfurization catalyst |
-
1998
- 1998-03-27 RU RU98106000/04A patent/RU2125080C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2470044C2 (en) * | 2006-08-30 | 2012-12-20 | Пак Холдинг С.А. | Method and apparatus for recycling oxygen-containing polymers |
RU2472841C2 (en) * | 2008-03-26 | 2013-01-20 | Отерра, Инк. | Sulphoxidation catalysts and methods and systems of their application |
RU2514916C1 (en) * | 2012-12-28 | 2014-05-10 | Дженерейшн Инжиниринг Лтд | Method for production of commercial-grade diesel fuel of high-sulphur diesel oil cuts and device for its implementation |
RU2514916C9 (en) * | 2012-12-28 | 2014-05-27 | Дженерейшн Инжиниринг Лтд | Method for production of commercial-grade diesel fuel of high-sulphur diesel oil cuts and device for its implementation |
CN110255507A (en) * | 2019-08-02 | 2019-09-20 | 青岛惠城信德新材料研究院有限公司 | A kind of Waste Sulfuric Acid regeneration method |
CN115433606A (en) * | 2022-10-10 | 2022-12-06 | 深圳职业技术学院 | Application of ammonium vanadyl sulfate as air oxidation desulfurization catalyst |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4705620A (en) | Mercaptan extraction process | |
US4485007A (en) | Process for purifying hydrocarbonaceous oils | |
JP4490825B2 (en) | A method for improving the quality of crude hydrocarbon streams. | |
CA2906201C (en) | Process for removing sulphur compounds from hydrocarbons | |
US5723039A (en) | Process for removal of organo-sulfur compounds from liquid hydrocarbons | |
RU2565594C2 (en) | Reaction system and products obtained therein | |
WO2006124883A2 (en) | Process of treating a spent caustic stream using an electrolyzer | |
US20140299512A1 (en) | Process for removing sulphur compounds from hydrocarbons | |
CN104711023A (en) | Treatment method for liquefied petroleum gas sweetening tail gas and alkaline residues and special equipment used in method | |
RU2125080C1 (en) | Method of removing organosulfur compounds from hydrocarbon stock | |
WO1993025636A1 (en) | Method for desulfurization of liquid fuels and petrochemical feedstocks | |
EP0076100B1 (en) | A method of refining sour hydrocarbon distillates | |
Nehlsen | Developing clean fuels: Novel techniques for desulfurization | |
US3352777A (en) | Oxidation of mercaptans | |
EP0792841B1 (en) | Wet oxidizing process | |
EP0910616A1 (en) | Process for removal of organo-sulfur compounds from liquid hydrocarbons | |
RU2101320C1 (en) | Method for purification of liquid hydrocarbon raw materials against organosulfur compounds | |
JPH01113492A (en) | Method for enhancing heat stability of jet fuel sweetened by catalytic oxidation | |
CN112760148A (en) | Liquefied petroleum gas sweetening composite solvent and preparation method and application thereof | |
RU2191202C1 (en) | Hydrocarbon fraction purification process | |
RU2541315C1 (en) | Method of cleaning liquid motor fuel from sulphur-containing compounds | |
CN112760146B (en) | Auxiliary agent for improving regeneration performance of liquefied gas sweetening extractant and application thereof | |
EP0178320A1 (en) | Process for regenerating an alkaline stream containing mercaptan compound | |
RU2617415C2 (en) | Hydrocarbons mercaptan content reduce method | |
NO129286B (en) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
QB4A | Licence on use of patent |
Effective date: 20060720 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080328 |