WO2017144460A1 - Process for oxidative desulfurization of liquid fuels - Google Patents
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Definitions
- hydrodesulfurization the hydrogenating conversion of the organic sulfur compounds contained in a fuel to heterogeneous catalysts such as cobalt-molybdenum or nickel-molybdenum fixed bed. Catalysts.
- the fuel is preheated together with hydrogen-rich gas and reacts within a reactor under pressures of 20 bar to 170 bar at the solid catalyst located there. The hydrogenation reaction taking place on the catalyst ultimately leads to H 2 S and the hydrogenated hydrocarbon radical RH.
- Hydrogenating desulfurization is particularly suitable for the desulfurization of diesel fuel and gasoline, but also for the desulfurization of vacuum gas oil.
- the HDS process in deep desulphurisation reaches its value of 10 ppmw set by the stricter limits
- a catalyst volume of up to 500 m 3 is needed to desulfurize 400 m 3 of fuel per hour.
- typical overall pressures are 30 bar
- the temperatures for the process are in a temperature range between 310 ° C to 370 ° C
- for diesel fuel and kerosene are with 40 bar to 100 bar and temperatures between 330 ° C and 400 ° C sharper conditions necessary.
- the desulphurisation of vacuum gas oils takes place at 170 bar and 425 ° C. Vacuum residue oils, on the other hand, can not be desulfurized at present.
- An alternative to classic HDS desulfurization is the oxidative desulfurization of fuels and fuels.
- a process is known in which sulfur-containing fuel oil with a water-soluble organic acid, such as acetic acid or formic acid, optionally additionally with a supported on a metal oxide transition metal oxidation catalyst or a carbonaceous promoter, and oxygen is contacted under elevated temperature and elevated pressure in a first reaction mixture to create a first oxidized mixture.
- water is added to provide a biphasic mixture comprising a water rich phase and a fuel oil rich phase.
- the water rich phase is separated from the fuel oil rich phase to create a purified fuel oil.
- At least one oxidized sulfur compound may be separated from the first oxidized mixture using a solid-liquid extraction process, for example by an adsorption process, or using a liquid-liquid extraction process to obtain the purified fuel oil.
- a solid-liquid extraction process for example by an adsorption process, or using a liquid-liquid extraction process to obtain the purified fuel oil.
- the catalyst may be a vanadium-containing polyoxometalate catalyst having a keggin structure.
- the catalyst is supported on HNO 3 pretreated alumina as the carrier material and is brought into contact with the diesel in this form.
- the catalyst at the end of its efficacy, can be heat-treated at 250 ° C under a stream of air, i. H. apart from the diesel, to be regenerated.
- US 2010/0300938 A1 discloses a process for the oxidative desulfurization of a sulfur-containing hydrocarbon mixture.
- the hydrocarbon mixture is contacted with an aqueous oxidizing agent, such as hydrogen peroxide, in the presence of a catalyst for a time sufficient to oxidize at least a portion of the sulfur compounds in the hydrocarbon mixture.
- the catalyst can is a polyoxometalate with a keggin structure.
- the oxidized sulfur compounds are removed from the hydrocarbon mixture by a liquid-liquid extraction by means of a polar solvent, for example by means of methanol, acetonitrile or a mixture of 90 parts of acetonitrile and 10 parts of water.
- the acetonitrile or the methanol can also be used to transfer large quantities of aromatic components from the hydrocarbon mixture into the polar solvent.
- the hydrocarbon mixture is purified by means of an adsorbent to remove remaining sulfur compounds. It is believed that the sulfur compounds to be removed thereby are sulfur compounds poorly soluble in the polar solvent, such as sulfones.
- the object of the present invention is to provide a method for producing desulphurised fuels that is improved over the prior art.
- the object is solved by the features of patent claim 1. Embodiments result from the features of claims 2 to 14.
- a second object of the invention is to provide a desulfurization apparatus which is suitable for carrying out such an improved process. This second object is solved by the features of claim 15.
- the first object of the invention is achieved according to the invention by a process for the oxidative desulfurization of liquid fuels, wherein a reaction system comprising a fluid containing a homogeneous polyoxometalate catalyst as a first phase and a liquid containing organic sulfur compounds is provided as a second phase, wherein the the first phase and the second phase are mixed to form a phase interface, wherein the organic sulfur compounds contained in the second phase are catalytically converted at the phase interface to oxidation products, and wherein the sulfur-containing oxidation products be transferred from the phase interface in the first phase, whereby the second phase depleted of sulfur.
- the fluid of the first phase is water. Addition of another solvent and / or excipient to the first phase is not required to carry out the process.
- the polyoxometalate catalyst is regenerated by oxygen by metering oxygen into the reaction system in molecular form, ie in gaseous form, and by re-oxidizing the polyoxometalate catalyst dissolved in the first phase
- a fluid containing a homogeneous polyoxometalate catalyst is understood in particular to mean a fluid having a dissolved polyoxometalate catalyst.
- a liquid fuel containing organic sulfur compounds is understood in particular to mean a fuel in which the organic sulfur compounds are present in dissolved form.
- the organic sulfur compounds contained in the second phase also include oxidized intermediates of the originally contained organic sulfur compounds, which are further oxidized in the course of the process. The oxidation products are thereby transferred from the phase boundary to the first phase, that they dissolve in the first phase. It is therefore a passive process. In order for this to happen and thereby deprive the second phase of sulfur, the catalytic conversion to oxidation products that takes place before must take place until water-soluble sulfur compounds are formed.
- Sulfur which is depleted in the second phase, is therefore a water-soluble sulfur compound.
- a fuel having an ultra-low sulfur content ie, a sulfur content of below 10 ppmw
- the water-soluble sulfur compounds include in particular sulfate (SO 4 2 " ).
- SO 4 2 " sulfate
- the extraction is based on the mass transfer or the mass transfer at the phase interface between two immiscible phases, wherein in one of the two phases dissolved components with the aid of the second phase, the extractant are dissolved out. This requires - in addition to the mutual insolubility of the phases into each other - the solubility of the components to be extracted in the phase used as extractant.
- the invention is based on the consideration that, when using such an extractive separation process, the desulfurization of a liquid fuel would require the use of an extractant which is immiscible with the fuel and at the same time enables the mass transfer of the organic sulfur compounds present in the fuel , Since fuels are nonpolar, this is basically suitable as a means of extraction, a polar and thus not soluble in the fuel fluid.
- the problem here is that the organic sulfur compounds contained in fuels, such as thiophenes, thiophene derivatives or sulfides, also do not dissolve in such a polar solvent.
- the invention now surprisingly recognizes, in a third step, that separation of the organic sulfur compounds present in a liquid fuel is possible if the organic sulfur compounds present in the fuel are converted in advance into products soluble in the phase used as the extraction agent become.
- This is achieved in the two-phase reaction system according to the invention by the use of a homogeneous polyoxometalate catalyst in the first phase.
- the polyoxometalate catalyst catalytically converts the organic sulfur compounds contained in the second phase at the phase interface between the first phase and the second phase to oxidation products.
- oxidation is carried out until essentially all the sulfur compounds present in the fuel have been converted to water-soluble sulfur compounds.
- a subsequent purification by a solid phase extraction or extraction by means of methanol, acetonitrile or other organic solvents is not required.
- Such an organic solvent would have the disadvantage of also extracting aromatic components from the liquid fuel of the second phase.
- the re-oxidation of the catalyst is not carried out by consumable hydrogen peroxide but by oxygen in molecular form, which can be added as needed, to the originally contained but also as intermediates To be formed, the resulting sulfur compounds oxidize until essentially only water-soluble sulfur compounds, such as sulfate or sulfonic acids, are present.
- the oxidation products formed in the catalytic reaction are soluble in the first phase and there is a mass transfer between the two phases.
- the oxidation products are converted from the phase interface into the first phase, whereby the second phase depleted of sulfur.
- the process according to the invention thus also differs substantially from the process known from de Angelis, A. et al., Pure Applied Chemistry, 2007, Volume 79, No. 11, pages 1887 to 1894, in which the catalyst is immobilized on a solid support is present and regenerated separately from the catalytic reaction at elevated temperature in an air stream.
- the first phase and the second phase are not or at least not substantially soluble in each other.
- the phase interface forming between the two phases can be regarded macroscopically as a surface in the unmixed state. During mixing, the phase interface between the two immiscible phases increases.
- phase boundary surface results directly from the formation of a temporary emulsion in which one of the two phases forms small droplets which are finely distributed in the other of the two phases.
- the phase interface is thus considered microscopically as the sum of all surfaces of the droplets formed.
- Both the product formation, ie the catalytic conversion of the organic sulfur compounds to the oxidation products, and the phase transfer of the products formed during the reaction from the second phase to the first phase take place at the phase interface.
- the formed oxidation products are transferred from the phase interface into the first phase or go on at the phase interface in the first phase.
- the second phase depletes sulfur during this process.
- the liquid fuel is essentially free of sulfur or of the undesired organic sulfur-containing compounds.
- the desulphurised fuel then meets the requirements of the limit values and can be used accordingly.
- the above-described process steps of contacting the two phases, the thorough mixing, the catalytic oxidation of the organic sulfur compounds and the mass transfer of the formed oxidation products can be carried out at the phase interface in a common reaction device.
- the product formation and the product separation can take place in a common process step.
- Additional apparatuses and / or process steps for separating the oxidation products can be dispensed with.
- the formed oxidation products are extracted by the fluid of the first phase and thus removed in an integrated separation step from the second phase, the liquid fuel.
- the organic sulfur compounds present in the second phase selectively to oxidation products soluble in the first phase, in particular Sul- Fate, sulfonic acids and carboxylic acids, implement and thus targeted to remove from the fuel.
- polyoxometalate catalyst is used.
- Polyoxonetallates are complex compounds of light transition metals with oxygen. These metal-oxo anion clusters can also contain a large number of heteroatoms.
- the metal atoms are usually transition metals, in particular vanadium, niobium, tantalum, molybdenum and tungsten.
- the Polyoxonnetallate can in
- Heteropolyanions and isopolyanions are subdivided. Heteropolyanions can contain additional heteroatoms, such as, for example, phosphorus (P), arsenic (As), silicon (Si) or germanium (Ge). Isopolyanions are pure metal oxide networks without heteroatoms. Form hydrogen together with azide
- Polyoxonnetallate heteropolyacids or isopolyacids, which are used as catalysts.
- the oxidation of the organic sulfur compounds takes place by an oxygen transfer from the polyoxometalate catalyst to the organic sulfur compounds.
- the polyoxometalate catalyst in its oxidized form thus serves as an oxidant for the organic sulfur compounds.
- the oxidation usually takes place at the phase interface between the first phase and the second phase during the mixing of the two phases.
- a vanadium-containing polyoxometalate catalyst is used.
- a polyoxometalate catalyst such with a
- Polyoxometalat ion of the general formula [PMo x V y O 4 o] n ⁇ (HPA-y) are used.
- HPA-y denotes a heteropoly acid here.
- the polyoxometalate catalyst may consist of phosphorus (P), molybdenum (Mo), vanadium (V) and oxygen (O).
- the indices n, x, y assume integer values in the following ranges: 5 ⁇ x ⁇ 12, 0 ⁇ y ⁇ 7 and 3 ⁇ n ⁇ 10.
- x + y 12.
- Water is used as the fluid of the first phase.
- the liquid fuel (second phase) is usually nonpolar.
- the organic sulfur compounds are accordingly soluble only in the second phase, the liquid fuel, but not in the first phase.
- These are soluble in the first phase, but not in the second phase.
- organic sulfur compounds thiophenes, their derivatives, benzothiophenes, their derivatives, sulfides, disulfides and / or thiols can be catalytically oxidized to the oxidation products.
- the process also allows for the oxidation of less reactive sulfur compounds, such as dibenzothiophenes and 4,6-dialkyldibenzothiophene (4,6-DADBT), such as those found in vacuum resid oils and tar sands.
- oxidation products sulfates, organic sulfonic acids and / or carboxylic acids can be formed. These oxidation products are polar and soluble in the first phase fluid.
- carboxylic acids in particular
- short-chain carboxylic acids such as formic acid or acetic acid formed.
- Formed sulfate (SO 2 " ) can accumulate in the first phase in the form of sulfuric acid (H 2 SO) or hydrogen sulfate (HSO 4 " ).
- H 2 SO sulfuric acid
- HSO 4 " hydrogen sulfate
- the sulfur depleted second phase is withdrawn for further use.
- the sulfur content of the liquid fuel can be lowered so much that this under adherence to the predetermined limits as a liquid fuel, for example for driving Means of transport such as motor vehicles, aircraft and ships.
- the oxidation products from the first phase can be separated.
- separation processes such as precipitation, ion exchange, extraction or membrane processes.
- the oxygen can be metered into the reaction system in the form of a gas mixture, in particular air or compressed air, and the catalyst dissolved in the first phase can be correspondingly re-oxidized.
- the polyoxometalate catalyst is again available for the catalytic conversion of organic sulfur compounds contained in a fuel.
- the regeneration of the polyoxometalate catalyst is simultaneous to the oxidation of the organic sulfur compound.
- the term simultaneously means in the present case that the oxygen necessary for the regeneration of the catalyst is added to the reaction system already during the oxidation of the organic sulfur compounds.
- the desulfurization of the fuel and the regeneration of the catalyst thus occur in one process step and thus under the same conditions, such. B. pressure and temperature.
- liquid fuels can be desulfurized.
- liquid fossil fuels ie fuels from fossil fuels
- the fossil fuels are usually derived from oil or coal. These include, in particular, gasoline, diesel, kerosene and fuel oil, as well as lubricants derived from petroleum or coal.
- biofuels can be desulfurized from renewable raw materials, ie vegetable origin, as liquid fuels. This includes, for example, rapeseed oil and biodiesel (rapeseed methyl ester, RME).
- the catalytic reaction of the organic sulfur compounds to the oxidation products takes place at a temperature in a range between 70 ° C and 180 ° C, in particular at a temperature in a range between 90 ° C and 140 ° C.
- the catalytic conversion of the organic sulfur compounds to the oxidation products can at a pressure in a range between 1 bar and 100 bar, in particular at a pressure in a range between 1 bar and 50 bar, in particular at a pressure in a range between 1, 5 bar and 20 bar, are performed.
- the pressure may be the total gas pressure or the partial pressure of the oxygen in molecular form.
- the process allows desulfurization of a liquid fuel having a relative sulfur content in a range between 500 ppmw and 12,000 ppmw.
- the unit ppmw (parts per million weight) indicates the sulfur content in a fuel or in a liquid fuel in millionths of the total mass.
- the fuel is depleted of sulfur to such an extent that it meets the requirements for the limit values required for use.
- the process according to the invention can be carried out both continuously and batchwise, ie. H. in a batch process.
- the second object of the invention is achieved according to the invention by a desulfurization device for liquid fuels, for carrying out the method according to one of the above-described embodiments, comprising a reaction vessel, a first feed for a homogeneous polyoxometalate catalyst-containing fluid as a first phase, a second Feed for a liquid containing organic sulfur compounds as a second phase, and an agitator for mixing the first phase and the second phase within the reaction vessel.
- the desulfurization device comprises a feed line for oxygen in molecular form, in particular in the form of a gas mixture, such as. As air, for the regeneration of the homogeneous polyoxometalate catalyst.
- the feed line is connected to the reaction vessel of the desulfurization device.
- the desulfurization device according to the invention is set up and designed in particular for carrying out the method according to the invention.
- the second inlet is used to supply the second phase, that is, the organic sulfur compounds containing liquid fuel.
- Both phases are intensively mixed within the reaction vessel, whereby a large mass transfer area required for the mass transfer between the two phases is formed.
- the organic sulfur compounds contained in the second phase are oxidized by the polyoxonetalate catalyst and thus converted into soluble in the first phase of the oxidation products.
- the mass transfer takes place, the oxidation products are transferred to the first phase.
- the second phase ie the liquid fuel, is thereby desulfurized.
- the desulphurisation device comprises a first outlet for removing the first phase.
- the first sequence is usually arranged on the reaction vessel.
- the oxidation products dissolved in the first phase can be fed to a treatment device and separated there from the first phase.
- the desulfurization device comprises a second outlet for removing the sulfur-depleted second phase.
- the second sequence is arranged on the reaction vessel. The second phase is fed to its further use after the removal of the organic sulfur compounds.
- a sulfur elemental analyzer from Antek was used. Analysis of the first phase of the catalyst was carried out by means of NMR spectroscopy (short-chain carboxylic acids), atomic emission spectroscopy (ICP-OES), and ion chromatography (IC). Gaseous products (CO 2 and CO from the sulfur compound) were detected by gas chromatography. The mass balances for carbon (C) and sulfur (S) could be concluded with the help of the analytics used. Depending on the type of sulfur compound used, up to 90% of the sulfur was converted from the second phase to the first phase as sulfate or sulfonic acid. Additionally, to study the distribution and behavior of the
- FIG. 1 shows a schematic desulfurization device 1 for liquid fuels, in particular fuels.
- the desulfurization device 1 comprises a reaction vessel 3, in which both the desulphurisation of a fuel and the separation of the products formed during the desulfurization takes place.
- the reaction vessel 3 is formed as a high-pressure autoclave.
- a fluid containing a homogeneous polyoxometalate catalyst is metered as the first phase 5 into the reaction vessel 3 via a first inlet 7.
- 0.9 g of the polyoxometalate catalyst 4 H 8 [PMo7V 5 O] are dissolved in 200 ml of water.
- a second phase 9 in the present case 3.36 g of benzothiophene dissolved in 69 g of isooctane, is metered in as the liquid fuel or fuel.
- the inlets 7, 11 are only indicated diagrammatically by arrows.
- High pressure autoclave 3 mixed at 1000 rpm for a period of 24 hours at a temperature of 140 ° C and an oxygen partial pressure of 20 bar.
- a stirrer 17 is used for mixing.
- phase boundary surface 15 between the immiscible phases 5, 9 no longer has a macroscopic surface, but increases markedly due to droplet formation, which increases the mass transfer area and thus improves mass transfer. This is not outlined here.
- phase interface 15 both the product images and tion, ie the catalytic conversion of the organic sulfur compounds to the oxidation products, as well as the mass transfer of the products from the second phase 9 to the first phase 5 instead.
- the formed oxidation products are transferred from the phase interface 15 into the first phase 5.
- the second phase 9 depletes of sulfur during this process.
- the reaction mixture is cooled to room temperature and the two phases 5, 9 separated.
- the polar first phase 5 can be removed via a first outlet 19. If the first phase 5 is again used for the desulfurization of a liquid fuel, it remains in the high-pressure autoclave 3. Otherwise, the first phase 5 can be removed and the in the first phase 5 dissolved oxidation products are removed from this.
- the sulfur depleted second phase 9 is removed from the high-pressure autoclave 3 via a second outlet 21.
- the desulphurised fuel or fuel then meets the requirements of the specified limits and can continue to be used accordingly.
- the regeneration of the dissolved in the first phase 5, homogeneous polyoxometalate catalyst is carried out by molecular oxygen or compressed air.
- the regeneration of the polyoxometalate catalyst takes place here simultaneously to the oxidation of the organic sulfur compounds at the phase interface 15.
- oxygen is added to the first phase 5 in molecular form, in particular in a diluted form, such as compressed air or synthetic air, and the catalyst is re-charged. oxidized. After the regeneration is the
- Polyoxometalate catalyst again for the catalytic conversion of organic sulfur compounds available.
- a two-phase reaction system consisting of a fuel with dissolved organic sulfur compounds as the second phase 9 and a polar first phase 5 having therein dissolved Polyoxonnetallat catalyst to selectively oxidize the organic Schwefelkomponen- to soluble in the first phase polar components and remove them targeted from the fuel.
- gaseous by-products arise CO 2 and CO.
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Abstract
The invention relates to processes for oxidative desulfurization of liquid fuels, wherein a reaction system comprising a fluid containing a homogeneous polyoxometallate catalyst is provided as a first phase (5) and a liquid fuel containing organic sulfur compounds is provided as a second phase (9), wherein the first phase (5) and the second phase (9) are commixed to form a phase interface (15), wherein the organic sulfur compounds contained in the second phase (9) are catalytically converted into oxidation products at the phase interface (15) and wherein the oxidation products are transferred from the phase interface (15) into the first phase (5), thereby depleting the second phase (9) of sulphur. The invention further relates to a desulfurization apparatus (1) for liquid fuels which is set up and configured for performance of the process.
Description
Verfahren zur oxidativen Entschwefelung flüssiger Brennstoffe Process for the oxidative desulfurization of liquid fuels
Die Entschwefelung von flüssigen Brennstoffen, insbesondere von Kraftstoffen und Ölen erfährt seit Jahrzehnten eine hohe Aufmerksamkeit. Klassische Kraftstoffe wie Dieselkraftstoffe und Benzin werden aus Erdöl gewonnen, welches bedingt durch seine Entstehung aus organischem Material unter Luftabschluss aus Kohlenwasserstoffverbindungen besteht. Jedoch sind auch Schwefelverbindungen Bestandteile des Rohöls und folglich enthalten alle aus Rohöl gewonnenen flüssi- gen Kraftstoffe ebenfalls gewisse Schwefelanteile. The desulphurization of liquid fuels, especially fuels and oils has been receiving high attention for decades. Classic fuels such as diesel fuel and gasoline are derived from petroleum, which consists of its formation from organic material under exclusion of air from hydrocarbon compounds. However, sulfur compounds are also constituents of the crude oil and consequently all liquid fuels derived from crude oil also contain certain amounts of sulfur.
Aufgrund von Umweltschutzbestimmungen müssen flüssige Kraftstoffe praktisch vollständig entschwefelt werden, bevor sie beispielsweise zum Antrieb von Fortbewegungsmitteln, wie Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen eingesetzt wer- den können. So darf beispielsweise innerhalb der Europäischen Union der derzeit zulässige Schwefelgehalt von Dieselkraftstoff und Benzin einen Grenzwert von 10 ppmw (parts per million by weight) und in den USA von 15 ppmw nicht überschreiten. Kerosin und leichtes Heizöl haben mit 3000 ppmw bzw. 1000 ppmw derzeit noch deutlich höhere Grenzwerte. Allerdings sind auch hier zukünftig strengere Begrenzungen zu erwarten. Environmental regulations require liquid fuels to be desulphurized almost completely before they can be used, for example, to power means of transportation such as automobiles, aircraft and ships. For example, within the European Union, the currently permitted sulfur content of diesel fuel and gasoline must not exceed 10 ppmw (parts per million by weight) and 15 ppmw in the USA. Kerosene and light heating oil currently have significantly higher limit values with 3000 ppmw and 1000 ppmw, respectively. However, stricter limits are to be expected in the future as well.
Dies gilt auch für Schiffstreibstoffe, die zurzeit in den meisten internationalen Gewässern noch bis zu 5 Gew.-% Schwefel enthalten. Bis zum Jahre 2020 soll jedoch auch dieser Gehalt EU-weit auf 0,5 Gew.-% gesenkt werden. In der Nord- und Ostsee sind bereits seit 2015 Grenzwerte für den Schwefelgehalt von 0,1 Gew.-% vorgeschrieben. This also applies to marine fuels, which currently contain up to 5% sulfur by weight in most international waters. By the year 2020, however, this content should also be reduced to 0.5% by weight throughout the EU. In the North Sea and the Baltic Sea, limits for the sulfur content of 0.1% by weight have been prescribed since 2015.
Um die entsprechenden Grenzwerte einhalten zu können, ist die Entschwefelung der eingesetzten Brennstoffe bzw. Kraftstoffe notwendig. Eine bekannte Ent- schwefelungstechnologie ist die Hydrodesulfurization (HDS), die hydrierende Umsetzung der in einem Kraftstoff enthaltenen organischen Schwefelverbindungen an heterogenen Katalysatoren wie Cobalt-Molybdän- oder Nickel-Molybdän-Festbett-
Katalysatoren. Der Kraftstoff wird hierbei zusammen mit wasserstoffreichem Gas vorgewärmt und reagiert innerhalb eines Reaktors unter Drücken von 20 bar bis 170 bar am dort befindlichen festen Katalysator. Die am Katalysator ablaufende Hydrierungsreaktion führt letztendlich zu H2S und dem hydrierten Kohlenwasser- Stoffrest R-H. In order to be able to comply with the relevant limit values, the desulfurization of the fuels or fuels used is necessary. A well-known desulphurisation technology is hydrodesulfurization (HDS), the hydrogenating conversion of the organic sulfur compounds contained in a fuel to heterogeneous catalysts such as cobalt-molybdenum or nickel-molybdenum fixed bed. Catalysts. The fuel is preheated together with hydrogen-rich gas and reacts within a reactor under pressures of 20 bar to 170 bar at the solid catalyst located there. The hydrogenation reaction taking place on the catalyst ultimately leads to H 2 S and the hydrogenated hydrocarbon radical RH.
Die hydrierende Entschwefelung ist insbesondere für die Entschwefelung von Dieselkraftstoff und Benzin, aber auch für die Entschwefelung von Vakuumgasöl geeignet. Allerdings stößt das HDS-Verfahren bei der Tiefentschwefelung auf den durch die verschärften Grenzwerte festgelegten Wert von 10 ppmw an seineHydrogenating desulfurization is particularly suitable for the desulfurization of diesel fuel and gasoline, but also for the desulfurization of vacuum gas oil. However, the HDS process in deep desulphurisation reaches its value of 10 ppmw set by the stricter limits
Grenzen und kann nur durch einen erhöhten Energie- und Ressourceneinsatz gewährleistet werden. Insbesondere ist bei den in Industrieländern geforderten hohen Entschwefelungsgraden der Aufwand bei der Entschwefelung beispielsweise im Hinblick auf die notwendigen Druck- und Temperaturbedingungen, die gefor- derte Reaktorgröße und die Investitions- und Betriebskosten hoch. Limits and can only be guaranteed by increased use of energy and resources. In particular, in the case of the high degrees of desulfurization required in industrialized countries, the expense of desulfurization, for example with regard to the necessary pressure and temperature conditions, the required reactor size and the capital and operating costs, is high.
So wird beispielsweise für die Tiefentschwefelung von vorentschwefeltem Dieselkraftstoff ein Katalysatorvolumen von bis zu 500 m3 benötigt, um 400 m3 Kraftstoff pro Stunde zu entschwefeln. Bei der Benzinentschwefelung liegen typische Ge- samtdrücke bei 30 bar, die Temperaturen für den Prozess liegen in einem Temperaturbereich zwischen 310 °C bis 370 °C, für Dieselkraftstoff und Kerosin sind mit 40 bar bis 100 bar und Temperaturen zwischen 330 °C und 400 °C schärfere Bedingungen notwendig. Die Entschwefelung von Vakuumgasölen erfolgt bei 170 bar und 425 °C. Vakuumrückstandsöle hingegen können derzeit meist gar nicht ent- schwefelt werden. Hier sind insbesondere der Vanadiumgehalt und Nickelgehalt in diesen Rückständen zu groß, was bei einer HDS-Entschwefelung zu einer schnellen Deaktivierung der eingesetzten Katalysatoren führen würde. Vakuumrückstandsöle werden entsprechend derzeit thermisch gecrackt, die Crackfraktionen müssen dann gegebenenfalls anschließend entschwefelt werden. For example, for the desulfurization of pre-desulfurized diesel fuel, a catalyst volume of up to 500 m 3 is needed to desulfurize 400 m 3 of fuel per hour. In the case of gasoline desulphurisation typical overall pressures are 30 bar, the temperatures for the process are in a temperature range between 310 ° C to 370 ° C, for diesel fuel and kerosene are with 40 bar to 100 bar and temperatures between 330 ° C and 400 ° C sharper conditions necessary. The desulphurisation of vacuum gas oils takes place at 170 bar and 425 ° C. Vacuum residue oils, on the other hand, can not be desulfurized at present. Here, in particular, the vanadium content and nickel content in these residues are too large, which would lead to a rapid deactivation of the catalysts used in an HDS desulfurization. Vacuum residue oils are currently thermally cracked, the cracking fractions must then be optionally then desulfurized.
Eine Alternative zur klassischen HDS-Entschwefelung ist die oxidative Entschwefelung von Brennstoffen und Kraftstoffen. Aus der DE 10 2009 003 659 A1 ist ein
Verfahren bekannt, bei welchem schwefelhaltiges Brennstofföl mit einer wasserlöslichen organischen Säure, wie Essigsäure oder Ameisensäure, gegebenenfalls zusätzlich mit einem auf einem Metalloxid geträgerten Übergangsmetall- Oxidationskatalysator oder einem kohlenstoffhaltigen Promotor, und Sauerstoff unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in einer ersten Reaktionsmischung kontaktiert wird, um eine erste oxidierte Mischung zu schaffen. In einem Folgeschritt wird Wasser hinzugegeben, um eine zweiphasige Mischung zu schaffen, die eine wasserreiche Phase und eine an Brennstofföl reiche Phase umfasst. Abschließend wird die wasserreiche Phase von der brennstoffölreichen Phase ab- getrennt, um ein gereinigtes Brennstofföl zu schaffen. Mindestens eine oxidierte Schwefelverbindung kann aus der ersten oxidierten Mischung unter Anwendung eines Fest-Flüssig-Extraktionsverfahrens, beispielsweise mittels eines Adsorptionsverfahrens, oder unter Anwendung eines Flüssig-Flüssig-Extraktions- Verfahrens abgetrennt werden, um das gereinigte Brennstofföl zu erhalten. Insge- samt sind solche Verfahren apparativ aufwendig und kostenintensiv. An alternative to classic HDS desulfurization is the oxidative desulfurization of fuels and fuels. From DE 10 2009 003 659 A1 is a A process is known in which sulfur-containing fuel oil with a water-soluble organic acid, such as acetic acid or formic acid, optionally additionally with a supported on a metal oxide transition metal oxidation catalyst or a carbonaceous promoter, and oxygen is contacted under elevated temperature and elevated pressure in a first reaction mixture to create a first oxidized mixture. In a subsequent step, water is added to provide a biphasic mixture comprising a water rich phase and a fuel oil rich phase. Finally, the water rich phase is separated from the fuel oil rich phase to create a purified fuel oil. At least one oxidized sulfur compound may be separated from the first oxidized mixture using a solid-liquid extraction process, for example by an adsorption process, or using a liquid-liquid extraction process to obtain the purified fuel oil. Overall, such processes are complex in terms of apparatus and cost-intensive.
Aus de Angelis, A. et al., Pure Applied Chemistry, 2007, Band 79, Nr. 1 1 , Seiten 1887 bis 1894 ist ein Verfahren zur oxidativen Entschwefelung von Diesel mittels verschiedener Heteropolysäuren (heteropolyacids, HPAs) bekannt. Bei dem Kata- lysator kann es sich um einen vanadiumhaltigen Polyoxometallat-Katalysator mit Keggin-Struktur handeln. Der Katalysator ist auf mit HNO3 vorbehandeltem Aluminiumoxid als Trägermaterial aufgebracht und wird in dieser Form mit dem Diesel in Kontakt gebracht. Der Katalysator kann am Ende seiner Wirksamkeit durch Hitzebehandlung bei 250 °C unter einem Luftstrom, d. h. abgesondert von dem Diesel, regeneriert werden. From de Angelis, A. et al., Pure Applied Chemistry, 2007, Volume 79, No. 1 1, pages 1887 to 1894 a method for the oxidative desulfurization of diesel by means of various heteropolyacids (heteropolyacids, HPAs) is known. The catalyst may be a vanadium-containing polyoxometalate catalyst having a keggin structure. The catalyst is supported on HNO 3 pretreated alumina as the carrier material and is brought into contact with the diesel in this form. The catalyst, at the end of its efficacy, can be heat-treated at 250 ° C under a stream of air, i. H. apart from the diesel, to be regenerated.
Aus der US 2010/0300938 A1 ist ein Verfahren zur oxidativen Entschwefelung eines Schwefel enthaltenden Kohlenwasserstoffgemischs bekannt. Dabei wird das Kohlenwasserstoffgemisch mit einem wässrigen oxidierenden Agens, wie bei- spielsweise Wasserstoffperoxid, in Gegenwart eines Katalysators für eine Zeit in Kontakt gebracht, die ausreicht, um zumindest einen Teil der Schwefelverbindungen in dem Kohlenwasserstoffgemisch zu oxidieren. Bei dem Katalysator kann es
sich um ein Polyoxometallat mit einer Keggin-Struktur handeln. Die oxidierten Schwefelverbindungen werden aus dem Kohlenwasserstoffgemisch durch eine Flüssig-Flüssig-Extraktion mittels eines polaren Lösungsmittels, beispielsweise mittels Methanol, Acetonitril oder eines Gemischs aus 90 Anteilen Acetonitril und 10 Anteilen Wasser, entfernt. Durch das Acetonitril oder das Methanol können auch große Mengen aromatischer Komponenten aus dem Kohlenwasserstoffgemisch in das polare Lösungsmittel übergehen. Nach der Extraktion erfolgt eine Reinigung des Kohlenwasserstoffgemischs mittels eines Adsorptionsmittels zum Entfernen verbleibender Schwefelverbindungen. Es ist davon auszugehen, dass es sich bei den dadurch zu entfernenden Schwefelverbindungen um in dem polaren Lösungsmittel nur schlecht lösliche Schwefelverbindungen, wie beispielsweise Sulfone, handelt. US 2010/0300938 A1 discloses a process for the oxidative desulfurization of a sulfur-containing hydrocarbon mixture. In this case, the hydrocarbon mixture is contacted with an aqueous oxidizing agent, such as hydrogen peroxide, in the presence of a catalyst for a time sufficient to oxidize at least a portion of the sulfur compounds in the hydrocarbon mixture. The catalyst can is a polyoxometalate with a keggin structure. The oxidized sulfur compounds are removed from the hydrocarbon mixture by a liquid-liquid extraction by means of a polar solvent, for example by means of methanol, acetonitrile or a mixture of 90 parts of acetonitrile and 10 parts of water. The acetonitrile or the methanol can also be used to transfer large quantities of aromatic components from the hydrocarbon mixture into the polar solvent. After extraction, the hydrocarbon mixture is purified by means of an adsorbent to remove remaining sulfur compounds. It is believed that the sulfur compounds to be removed thereby are sulfur compounds poorly soluble in the polar solvent, such as sulfones.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Produktion von entschwefelten Brennstoffen anzugeben. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 14. The object of the present invention is to provide a method for producing desulphurised fuels that is improved over the prior art. The object is solved by the features of patent claim 1. Embodiments result from the features of claims 2 to 14.
Als eine zweite Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde, eine Entschwefelungsvor- richtung anzugeben, die sich zur Durchführung eines solchen verbesserten Verfahrens eignet. Diese zweite Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 15 gelöst. A second object of the invention is to provide a desulfurization apparatus which is suitable for carrying out such an improved process. This second object is solved by the features of claim 15.
Die erste Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur oxidativen Entschwefelung von flüssigen Brennstoffen, wobei ein Reaktionssystem mit einem einen homogenen Polyoxometallat-Katalysator enthaltenden Fluid als eine erste Phase und einem organische Schwefelverbindungen enthaltenden flüssigen Brennstoff als eine zweite Phase bereitgestellt wird, wobei die erste Phase und die zweite Phase unter Ausbildung einer Phasengrenzfläche durchmischt werden, wobei die in der zweiten Phase enthaltenen organischen Schwefelverbindungen an der Phasengrenzfläche katalytisch zu Oxidationspro- dukten umgesetzt werden, und wobei die schwefelhaltigen Oxidationsprodukte
von der Phasengrenzfläche in die erste Phase überführt werden, wodurch die zweite Phase an Schwefel verarmt. Dabei ist das Fluid der ersten Phase Wasser. Ein Zusatz eines weiteren Lösungsmittels und/oder Hilfsstoffs zur ersten Phase ist zur Durchführung des Verfahrens nicht erforderlich. Der Polyoxometallat- Katalysator wird durch Sauerstoff regeneriert, indem dem Reaktionssystem Sauerstoff in molekularer Form, d. h. gasförmig, zudosiert und der in der ersten Phase gelöste Polyoxometallat-Katalysator dadurch re-oxidiert wird. The first object of the invention is achieved according to the invention by a process for the oxidative desulfurization of liquid fuels, wherein a reaction system comprising a fluid containing a homogeneous polyoxometalate catalyst as a first phase and a liquid containing organic sulfur compounds is provided as a second phase, wherein the the first phase and the second phase are mixed to form a phase interface, wherein the organic sulfur compounds contained in the second phase are catalytically converted at the phase interface to oxidation products, and wherein the sulfur-containing oxidation products be transferred from the phase interface in the first phase, whereby the second phase depleted of sulfur. The fluid of the first phase is water. Addition of another solvent and / or excipient to the first phase is not required to carry out the process. The polyoxometalate catalyst is regenerated by oxygen by metering oxygen into the reaction system in molecular form, ie in gaseous form, and by re-oxidizing the polyoxometalate catalyst dissolved in the first phase.
Unter einem einen homogenen Polyoxometallat-Katalysator enthaltenden Fluid wird insbesondere ein Fluid mit darin gelöstem Polyoxometallat-Katalysator verstanden. Unter einem organische Schwefelverbindungen enthaltenden flüssigen Brennstoff wird insbesondere ein Brennstoff verstanden, in dem die organischen Schwefelverbindungen gelöst vorliegen. Die in der zweiten Phase enthaltenen organischen Schwefelverbindungen umfassen auch oxidierte Zwischenverbindungen der ursprünglich enthaltenen organischen Schwefelverbindungen, welche im Laufe des Verfahrens weiter oxidiert werden. Die Oxidationsprodukte werden dadurch von der Phasengrenze in die erste Phase überführt, dass sie sich in der ersten Phase lösen. Es handelt sich dabei also um einen passiven Vorgang. Damit dies passiert und die zweite Phase dadurch an Schwefel verarmt, muss die davor stattfindende katalytische Umsetzung zu Oxidationsprodukten solange erfolgen, bis wasserlösliche Schwefelverbindungen entstehen. Bei dem Schwefel, an dem die zweite Phase verarmt, handelt es sich also um wasserlösliche Schwefelverbindungen. Um einen Brennstoff mit einem ultra-niedrigen Schwefelgehalt, d. h. einem Schwefelgehalt von unter 10 ppmw, zu erhalten, ist es erforderlich, dass die katalytische Umsetzung zu Oxidationsprodukten so lange erfolgt, bis, zumindest im Wesentlichen, alle der in dem Brennstoff enthaltenen Schwefelverbindungen zu wasserlöslichen Schwefelverbindungen oxidiert sind. Die wasserlöslichen Schwefelverbindungen umfassen insbesondere Sulfat (SO4 2").
Die Erfindung legt in einem ersten Schritt die grundsätzliche Kenntnis bezüglich verschiedener physikalischer und chemischer Trennverfahren zugrunde. Ein gängiges Trennverfahren ist die Extraktion. Die Extraktion basiert auf dem Stoffaustausch bzw. dem Stoffübergang an der Phasengrenzfläche zwischen zwei nicht miteinander mischbaren Phasen, wobei in einer der beiden Phasen gelöste Komponenten mit Hilfe der zweiten Phase, dem Extraktionsmittel herausgelöst werden. Voraussetzung hierfür ist - neben der wechselseitigen Unlöslichkeit der Phasen ineinander - die Löslichkeit der zu extrahierenden Komponenten in der als Extraktionsmittel eingesetzten Phase. A fluid containing a homogeneous polyoxometalate catalyst is understood in particular to mean a fluid having a dissolved polyoxometalate catalyst. A liquid fuel containing organic sulfur compounds is understood in particular to mean a fuel in which the organic sulfur compounds are present in dissolved form. The organic sulfur compounds contained in the second phase also include oxidized intermediates of the originally contained organic sulfur compounds, which are further oxidized in the course of the process. The oxidation products are thereby transferred from the phase boundary to the first phase, that they dissolve in the first phase. It is therefore a passive process. In order for this to happen and thereby deprive the second phase of sulfur, the catalytic conversion to oxidation products that takes place before must take place until water-soluble sulfur compounds are formed. Sulfur, which is depleted in the second phase, is therefore a water-soluble sulfur compound. In order to obtain a fuel having an ultra-low sulfur content, ie, a sulfur content of below 10 ppmw, it is necessary that the catalytic conversion to oxidation products occur until, at least substantially, all of the sulfur compounds contained in the fuel become water-soluble Sulfur compounds are oxidized. The water-soluble sulfur compounds include in particular sulfate (SO 4 2 " ). In a first step, the invention is based on the fundamental knowledge of various physical and chemical separation processes. A common separation process is the extraction. The extraction is based on the mass transfer or the mass transfer at the phase interface between two immiscible phases, wherein in one of the two phases dissolved components with the aid of the second phase, the extractant are dissolved out. This requires - in addition to the mutual insolubility of the phases into each other - the solubility of the components to be extracted in the phase used as extractant.
In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass bei Anwendung eines solchen extrahierenden Trennverfahrens auf die Entschwefelung eines flüssigen Brennstoffes ein Extraktionsmittel eingesetzt werden müsste, welches nicht mit dem Brennstoff mischbar ist und gleichzeitig den Stoffübergang der in dem Brennstoff enthaltenen organischen Schwefelverbindungen ermöglicht. Da Brennstoffe unpolar sind, eignet sich hierzu als Extraktionsmittel grundsätzlich ein polares und damit nicht in dem Brennstoff lösliches Fluid. Problematisch hierbei ist allerdings, dass sich die in Brennstoffen enthaltenen organischen Schwefelverbindungen, wie beispielsweise Thiophene, Thiophenderivate oder Sulfide, ebenfalls nicht in einem solchen polaren Lösungsmittel lösen. In a second step, the invention is based on the consideration that, when using such an extractive separation process, the desulfurization of a liquid fuel would require the use of an extractant which is immiscible with the fuel and at the same time enables the mass transfer of the organic sulfur compounds present in the fuel , Since fuels are nonpolar, this is basically suitable as a means of extraction, a polar and thus not soluble in the fuel fluid. However, the problem here is that the organic sulfur compounds contained in fuels, such as thiophenes, thiophene derivatives or sulfides, also do not dissolve in such a polar solvent.
Unter Berücksichtigung der vorbeschriebenen Problematik erkennt die Erfindung nun in einem dritten Schritt überraschenderweise, dass eine Abtrennung der in einem flüssigen Brennstoff enthaltenen organischen Schwefelverbindungen den- noch möglich ist, wenn die im Brennstoff enthaltenen organischen Schwefelverbindungen vorab zu in der als Extraktionsmittel eingesetzten Phase löslichen Produkten umgesetzt werden. Dies wird in dem erfindungsgemäßen zweiphasigen Reaktionssystem durch den Einsatz eines homogenen Polyoxometallat- Katalysators in der ersten Phase erreicht. Der Polyoxometallat-Katalysator setzt die in der zweiten Phase enthaltenen organischen Schwefelverbindungen an der Phasengrenzfläche zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase katalytisch zu Oxidationsprodukten um. Im Gegensatz zu dem aus der US 2010/0300938 A1
bekannten Verfahren erfolgt hier die Oxidation so lange, bis im Wesentlichen alle in dem Brennstoff enthaltenen Schwefelverbindungen zu wasserlöslichen Schwefelverbindungen umgesetzt sind. Eine anschließende Reinigung durch eine Festphasenextraktion oder eine Extraktion mittels Methanol, Acetonitril oder sonstiger organischer Lösungsmittel ist dadurch nicht erforderlich. Ein solches organisches Lösungsmittel hätte den Nachteil, auch aromatische Bestandteile aus dem flüssigen Brennstoff der zweiten Phase zu extrahieren. Anders als bei dem aus der US 2010/0300938 A1 bekannten Verfahren erfolgt die Re-Oxidation des Katalysators nicht durch sich verbrauchendes Wasserstoffperoxid sondern durch Sauer- stoff in molekularer Form, welcher je nach Bedarf zudosiert werden kann, um die ursprünglich enthaltenen aber auch als Zwischenprodukte entstehenden Schwefelverbindungen so lange zu oxidieren, bis im Wesentlichen nur noch wasserlösliche Schwefelverbindungen, wie Sulfat oder Sulfonsäuren, vorliegen. Die bei der katalytischen Umsetzung gebildeten Oxidationsprodukte sind in der ersten Phase löslich und es findet ein Stoffaustausch zwischen den beiden Phasen statt. Die Oxidationsprodukte werden ausgehend von der Phasengrenzfläche in die erste Phase überführt, wodurch die zweite Phase an Schwefel verarmt. Taking into account the problem described above, the invention now surprisingly recognizes, in a third step, that separation of the organic sulfur compounds present in a liquid fuel is possible if the organic sulfur compounds present in the fuel are converted in advance into products soluble in the phase used as the extraction agent become. This is achieved in the two-phase reaction system according to the invention by the use of a homogeneous polyoxometalate catalyst in the first phase. The polyoxometalate catalyst catalytically converts the organic sulfur compounds contained in the second phase at the phase interface between the first phase and the second phase to oxidation products. In contrast to the US 2010/0300938 A1 In this case, oxidation is carried out until essentially all the sulfur compounds present in the fuel have been converted to water-soluble sulfur compounds. A subsequent purification by a solid phase extraction or extraction by means of methanol, acetonitrile or other organic solvents is not required. Such an organic solvent would have the disadvantage of also extracting aromatic components from the liquid fuel of the second phase. Unlike the method known from US 2010/0300938 A1, the re-oxidation of the catalyst is not carried out by consumable hydrogen peroxide but by oxygen in molecular form, which can be added as needed, to the originally contained but also as intermediates To be formed, the resulting sulfur compounds oxidize until essentially only water-soluble sulfur compounds, such as sulfate or sulfonic acids, are present. The oxidation products formed in the catalytic reaction are soluble in the first phase and there is a mass transfer between the two phases. The oxidation products are converted from the phase interface into the first phase, whereby the second phase depleted of sulfur.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich damit auch wesentlich von dem aus de Angelis, A. et al., Pure Applied Chemistry, 2007, Band 79, Nr. 1 1 , Seiten 1887 bis 1894 bekannten Verfahren, bei dem der Katalysator auf einem festen Träger immobilisiert vorliegt und separat von der katalytischen Umsetzung bei erhöhter Temperatur in einem Luftstrom regeneriert wird. Die erste Phase und die zweite Phase sind nicht oder zumindest nicht wesentlich ineinander löslich. Die sich zwischen beiden Phasen ausbildende Phasengrenzfläche kann im nicht durchmischten Zustand makroskopisch als eine Oberfläche betrachtet werden. Bei der Durchmischung vergrößert sich die Phasengrenzfläche zwischen den beiden nicht mischbaren Phasen. Die Vergrößerung der Phasen- grenzfläche ergibt sich unmittelbar durch die Ausbildung einer temporären Emulsion, bei welcher eine der beiden Phasen kleine Tröpfchen bildet, die fein verteilt in der jeweils anderen der beiden Phasen vorliegen. Im durchmischten Zustand wird
die Phasengrenzfläche somit mikroskopisch als Summe aller Oberflächen der gebildeten Tröpfchen betrachtet. The process according to the invention thus also differs substantially from the process known from de Angelis, A. et al., Pure Applied Chemistry, 2007, Volume 79, No. 11, pages 1887 to 1894, in which the catalyst is immobilized on a solid support is present and regenerated separately from the catalytic reaction at elevated temperature in an air stream. The first phase and the second phase are not or at least not substantially soluble in each other. The phase interface forming between the two phases can be regarded macroscopically as a surface in the unmixed state. During mixing, the phase interface between the two immiscible phases increases. The enlargement of the phase boundary surface results directly from the formation of a temporary emulsion in which one of the two phases forms small droplets which are finely distributed in the other of the two phases. In the mixed state is the phase interface is thus considered microscopically as the sum of all surfaces of the droplets formed.
An der Phasengrenzfläche findet sowohl die Produktbildung, also die katalytische Umsetzung der organischen Schwefelverbindungen zu den Oxidationsprodukten, als auch der Phasentranfer der bei der Umsetzung gebildeten Produkte von der zweiten Phase in die erste Phase statt. Die gebildeten Oxidationsprodukte werden von der Phasengrenzfläche in die erste Phase überführt bzw. gehen an der Phasengrenzfläche in die erste Phase über. Die zweite Phase verarmt während dieses Prozesses an Schwefel. Both the product formation, ie the catalytic conversion of the organic sulfur compounds to the oxidation products, and the phase transfer of the products formed during the reaction from the second phase to the first phase take place at the phase interface. The formed oxidation products are transferred from the phase interface into the first phase or go on at the phase interface in the first phase. The second phase depletes sulfur during this process.
Mit anderen Worten ist der flüssige Brennstoff nach der katalytischen Oxidation der organischen Schwefelverbindungen an der Phasengrenzfläche und nach der Überführung der hierbei entstehenden Oxidationsprodukte in die erste Phase im Wesentlichen frei von Schwefel bzw. den unerwünschten organischen schwefelhaltigen Verbindungen. Der entschwefelte Brennstoff erfüllt dann die Anforderungen an die Grenzwerte und kann entsprechend weiter verwendet werden. In other words, after the catalytic oxidation of the organic sulfur compounds at the phase interface and after the conversion of the resulting oxidation products into the first phase, the liquid fuel is essentially free of sulfur or of the undesired organic sulfur-containing compounds. The desulphurised fuel then meets the requirements of the limit values and can be used accordingly.
Die vorbeschriebenen Verfahrensschritte der Kontaktierung der beiden Phasen, der Durchmischung, der katalytischen Oxidation der organischen Schwefelverbindungen und des Stoffaustausches der gebildeten Oxidationsprodukte können an der Phasengrenzfläche in einer gemeinsamen Reaktionsvorrichtung durchgeführt werden. Die Produktbildung und die Produktabtrennung können in einem gemeinsamen Verfahrensschritt erfolgen. Auf zusätzliche Apparate und/oder Prozess- schritte zur Abtrennung der Oxidationsprodukte kann verzichtet werden. Die gebildeten Oxidationsprodukte werden durch das Fluid der ersten Phase extrahiert und somit in einem integrierten Trennschritt aus der zweiten Phase, dem flüssigen Brennstoff, entfernt. Insgesamt ist es mittels des Verfahrens möglich, in dem zweiphasigen Reaktionssystem die in der zweiten Phase vorhandenen organischen Schwefelverbindungen selektiv zu in der ersten Phase löslichen Oxidationsprodukten, insbesondere Sul-
fate, Sulfonsäuren und Carbonsäuren, umzusetzen und damit gezielt aus dem Brennstoff zu entfernen. The above-described process steps of contacting the two phases, the thorough mixing, the catalytic oxidation of the organic sulfur compounds and the mass transfer of the formed oxidation products can be carried out at the phase interface in a common reaction device. The product formation and the product separation can take place in a common process step. Additional apparatuses and / or process steps for separating the oxidation products can be dispensed with. The formed oxidation products are extracted by the fluid of the first phase and thus removed in an integrated separation step from the second phase, the liquid fuel. Overall, it is possible by means of the method, in the two-phase reaction system, the organic sulfur compounds present in the second phase selectively to oxidation products soluble in the first phase, in particular Sul- Fate, sulfonic acids and carboxylic acids, implement and thus targeted to remove from the fuel.
Hierzu wird der Polyoxometallat-Katalysator genutzt. Polyoxonnetallate sind Kom- plexverbindungen leichter Übergangsmetalle mit Sauerstoff. Diese Metall-Oxo Anionencluster können zudem eine Vielzahl an Heteroatomen enthalten. Die Metall-Atome sind üblicherweise Übergangsmetalle, insbesondere Vanadium, Niob, Tantal, Molybdän und Wolfram. Die Polyoxonnetallate können in For this purpose, the polyoxometalate catalyst is used. Polyoxonetallates are complex compounds of light transition metals with oxygen. These metal-oxo anion clusters can also contain a large number of heteroatoms. The metal atoms are usually transition metals, in particular vanadium, niobium, tantalum, molybdenum and tungsten. The Polyoxonnetallate can in
Heteropolyanionen und Isopolyanionen unterteilt werden. Heteropolyanionen kön- nen zusätzliche Heteroatome, wie beispielsweise Phosphor (P), Arsen (As), Silizium (Si) oder Germanium (Ge) enthalten. Isopolyanionen sind reine Metalloxid- Netzwerke ohne Heteroatome. Zusammen mit azidem Wasserstoff bilden Heteropolyanions and isopolyanions are subdivided. Heteropolyanions can contain additional heteroatoms, such as, for example, phosphorus (P), arsenic (As), silicon (Si) or germanium (Ge). Isopolyanions are pure metal oxide networks without heteroatoms. Form hydrogen together with azide
Polyoxonnetallate, Heteropolysäuren oder Isopolysäuren, welche als Katalysatoren Verwendung finden. Polyoxonnetallate, heteropolyacids or isopolyacids, which are used as catalysts.
In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Oxidation der organischen Schwefelverbindungen durch eine Sauerstoffübertragung vom Polyoxometallat- Katalysator auf die organischen Schwefelverbindungen. Der Polyoxometallat- Katalysator dient in seiner oxidierten Form somit als Oxidationsmittel für die orga- nischen Schwefelverbindungen. Die Oxidation findet üblicherweise an der Phasengrenzfläche zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase bei der Durchmischung der beiden Phasen statt. In one embodiment of the invention, the oxidation of the organic sulfur compounds takes place by an oxygen transfer from the polyoxometalate catalyst to the organic sulfur compounds. The polyoxometalate catalyst in its oxidized form thus serves as an oxidant for the organic sulfur compounds. The oxidation usually takes place at the phase interface between the first phase and the second phase during the mixing of the two phases.
Bei einer Ausgestaltung wird ein vanadiumhaltiger Polyoxometallat-Katalysator eingesetzt. Als Polyoxometallat-Katalysator kann ein solcher mit einem In one embodiment, a vanadium-containing polyoxometalate catalyst is used. As a polyoxometalate catalyst, such with a
Polyoxometallat-Ion der allgemeinen Formel [PMoxVyO4o]n~ (HPA-y) eingesetzt werden. HPA-y bezeichnet hierbei eine Heteropolysäure. Der Polyoxometallat- Katalysator kann also aus Phosphor (P), Molybdän (Mo), Vanadium (V) und Sauerstoff (O) bestehen. Die Indizes n, x, y nehmen dabei ganzzahlige Werte in fol- genden Bereichen an: 5 < x < 12, 0 < y < 7 und 3 < n < 10. Weiter gilt x + y = 12. Alternativ können Mischungen aus H3PO , V2O5 und MoO3 in den jeweiligen stö-
chiometrischen Verhältnissen der HPA-y mit y = 1 bis 3 als in-situ gebildete Polyoxometallat-Katalysatoren eingesetzt werden. Polyoxometalat ion of the general formula [PMo x V y O 4 o] n ~ (HPA-y) are used. HPA-y denotes a heteropoly acid here. Thus, the polyoxometalate catalyst may consist of phosphorus (P), molybdenum (Mo), vanadium (V) and oxygen (O). The indices n, x, y assume integer values in the following ranges: 5 <x <12, 0 <y <7 and 3 <n <10. Furthermore, x + y = 12. Alternatively, mixtures of H 3 PO, V 2 O 5 and MoO 3 in the respective chiometric ratios of HPA-y with y = 1 to 3 are used as in-situ formed polyoxometalate catalysts.
Als Fluid der ersten Phase wird Wasser eingesetzt. Der flüssige Brennstoff (zweite Phase) ist üblicherweise unpolar. Die organischen Schwefelverbindungen sind entsprechend lediglich in der zweiten Phase, dem flüssigen Brennstoff, nicht jedoch in der ersten Phase löslich. Umgekehrt gilt dies für die beim erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Oxidationsprodukte. Diese sind in der ersten Phase löslich, nicht jedoch in der zweiten Phase. So ist eine Abtrennung der Oxidations- produkte aus der zweiten Phase und deren Stofftransport in die erste Phase besonders effektiv möglich. Water is used as the fluid of the first phase. The liquid fuel (second phase) is usually nonpolar. The organic sulfur compounds are accordingly soluble only in the second phase, the liquid fuel, but not in the first phase. Conversely, this applies to the oxidation products formed in the process according to the invention. These are soluble in the first phase, but not in the second phase. Thus, a separation of the oxidation products from the second phase and their mass transfer into the first phase is particularly effectively possible.
Als die organischen Schwefelverbindungen können Thiophene, deren Derivate, Benzothiophene, deren Derivate, Sulfide, Disulfide und/oder Thiole katalytisch zu den Oxidationsprodukten oxidiert werden. Das Verfahren ermöglicht auch die Oxi- dation weniger reaktiver Schwefelverbindungen, wie Dibenzothiophene und 4,6- Dialkyldibenzothiophen (4,6-DADBT), wie sie beispielsweise in Vakuumrückstandsölen und Teersanden vorhanden sind. Als die Oxidationsprodukte können Sulfate, organische Sulfonsäuren und/oder Carbonsäuren gebildet werden. Diese Oxidationsprodukte sind polar und in dem Fluid der ersten Phase löslich. Als Carbonsäuren werden insbesondere As the organic sulfur compounds, thiophenes, their derivatives, benzothiophenes, their derivatives, sulfides, disulfides and / or thiols can be catalytically oxidized to the oxidation products. The process also allows for the oxidation of less reactive sulfur compounds, such as dibenzothiophenes and 4,6-dialkyldibenzothiophene (4,6-DADBT), such as those found in vacuum resid oils and tar sands. As the oxidation products, sulfates, organic sulfonic acids and / or carboxylic acids can be formed. These oxidation products are polar and soluble in the first phase fluid. As carboxylic acids in particular
kurzkettige Carbonsäuren wie Ameisensäure oder Essigsäure gebildet. Gebildetes Sulfat (SO 2") kann sich in der ersten Phase in Form von Schwefelsäure (H2SO ) bzw. Hydrogensulfat (HSO4 ") akkumulieren. Hierdurch sinkt der pH-Wert der ersten Phase, wodurch die Aktivität des Polyoxometallat-Katalysators verstärkt werden kann. short-chain carboxylic acids such as formic acid or acetic acid formed. Formed sulfate (SO 2 " ) can accumulate in the first phase in the form of sulfuric acid (H 2 SO) or hydrogen sulfate (HSO 4 " ). As a result, the pH of the first phase decreases, whereby the activity of the polyoxometalate catalyst can be enhanced.
Bei einer Ausgestaltung wird die an Schwefel verarmte zweite Phase zu einer wei- teren Verwendung abgezogen. Durch das Verfahren kann der Schwefelgehalt des flüssigen Brennstoffes so weit gesenkt werden, dass dieser unter Einhaltung der vorgegebenen Grenzwerte als flüssiger Kraftstoff beispielsweise zum Antrieb von
Fortbewegungsmitteln, wie Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen genutzt werden kann. In one embodiment, the sulfur depleted second phase is withdrawn for further use. By the method, the sulfur content of the liquid fuel can be lowered so much that this under adherence to the predetermined limits as a liquid fuel, for example for driving Means of transport such as motor vehicles, aircraft and ships.
Die Oxidationsprodukte aus der ersten Phase können abgetrennt werden. Hierzu ist es möglich, klassische Abtrennverfahren wie Fällungen, lonenaustausch, Extraktion oder Membranverfahren einzusetzen. The oxidation products from the first phase can be separated. For this purpose, it is possible to use classical separation processes such as precipitation, ion exchange, extraction or membrane processes.
Zum Regenerieren des Polyoxometallat-Katalysators kann der Sauerstoff dem Reaktionssystem in Form eines Gasgemischs, insbesondere Luft oder Druckluft, zudosiert und der in der ersten Phase gelöste Katalysator entsprechend re-oxidiert werden. Nach der oxidativen Regeneration steht der Polyoxometallat-Katalysator erneut zur katalytischen Umsetzung von in einem Brennstoff enthaltenen organischen Schwefelverbindungen zur Verfügung. In einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Regeneration des Polyoxometallat- Katalysators simultan zur Oxidation der organischen Schwefelverbindung. Unter der Begrifflichkeit simultan wird vorliegend verstanden, dass der zur Regeneration des Katalysators notwendige Sauerstoff dem Reaktionssystem bereits während der Oxidation der organischen Schwefelverbindungen zudosiert wird. Die Ent- Schwefelung des Brennstoffes und die Regeneration des Katalysators erfolgen somit in einem Verfahrensschritt und damit auch unter denselben Bedingungen, wie z. B. Druck und Temperatur. Üblicherweise erfolgen beide Prozesse innerhalb des gleichen Reaktionsbehältnisses. Als Brennstoffe können insbesondere flüssige Kraftstoffe entschwefelt werden. Insbesondere können flüssige fossile Kraftstoffe, also Kraftstoffe aus fossilen Rohstoffen, entschwefelt werden. Die fossilen Kraftstoffe werden üblicherweise aus Erdöl oder Kohle gewonnen. Hiervon sind insbesondere Benzin, Diesel, Kerosin und Heizöl, sowie aus Erdöl oder Kohle gewonnene Schmierstoffe umfasst. Weiterhin können als flüssige Kraftstoffe Biokraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, also pflanzlichen Ursprungs, entschwefelt werden. Hiervon umfasst sind zum Beispiel Rapsöl und Biodiesel (Rapsmethylester, RME).
Bei einem Ausführungsbeispiel erfolgt die katalytische Umsetzung der organischen Schwefelverbindungen zu den Oxidationsprodukten bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 70 °C und 180 °C, insbesondere bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 90 °C und 140 °C. Die katalytische Umsetzung der organischen Schwefelverbindungen zu den Oxidationsprodukten kann bei einem Druck in einem Bereich zwischen 1 bar und 100 bar, insbesondere bei einem Druck in einem Bereich zwischen 1 bar und 50 bar, insbesondere bei einem Druck in einem Bereich zwischen 1 ,5 bar und 20 bar, durchgeführt werden. Bei dem Druck kann es sich um den Gesamtgasdruck oder den Partialdruck des Sauerstoffs in molekularer Form handeln. To regenerate the polyoxometalate catalyst, the oxygen can be metered into the reaction system in the form of a gas mixture, in particular air or compressed air, and the catalyst dissolved in the first phase can be correspondingly re-oxidized. After oxidative regeneration, the polyoxometalate catalyst is again available for the catalytic conversion of organic sulfur compounds contained in a fuel. In one embodiment, the regeneration of the polyoxometalate catalyst is simultaneous to the oxidation of the organic sulfur compound. The term simultaneously means in the present case that the oxygen necessary for the regeneration of the catalyst is added to the reaction system already during the oxidation of the organic sulfur compounds. The desulfurization of the fuel and the regeneration of the catalyst thus occur in one process step and thus under the same conditions, such. B. pressure and temperature. Usually both processes take place within the same reaction vessel. As fuels, in particular liquid fuels can be desulfurized. In particular, liquid fossil fuels, ie fuels from fossil fuels, can be desulfurized. The fossil fuels are usually derived from oil or coal. These include, in particular, gasoline, diesel, kerosene and fuel oil, as well as lubricants derived from petroleum or coal. Furthermore, biofuels can be desulfurized from renewable raw materials, ie vegetable origin, as liquid fuels. This includes, for example, rapeseed oil and biodiesel (rapeseed methyl ester, RME). In one embodiment, the catalytic reaction of the organic sulfur compounds to the oxidation products takes place at a temperature in a range between 70 ° C and 180 ° C, in particular at a temperature in a range between 90 ° C and 140 ° C. The catalytic conversion of the organic sulfur compounds to the oxidation products can at a pressure in a range between 1 bar and 100 bar, in particular at a pressure in a range between 1 bar and 50 bar, in particular at a pressure in a range between 1, 5 bar and 20 bar, are performed. The pressure may be the total gas pressure or the partial pressure of the oxygen in molecular form.
Das Verfahren erlaubt insbesondere die Entschwefelung eines flüssigen Brennstoffes mit einem relativen Schwefelanteil in einem Bereich zwischen 500 ppmw und 12000 ppmw. Die Einheit ppmw (parts per million weight) gibt den Schwefelgehalt in einem Brennstoff bzw. in einem flüssigen Kraftstoff in Millionstel Anteilen der Gesamtmasse an. Nach der Entschwefelung ist der Brennstoff so stark an Schwefel verarmt, dass er die Anforderungen an die zum Einsatz notwendigen Grenzwerte erfüllt. In particular, the process allows desulfurization of a liquid fuel having a relative sulfur content in a range between 500 ppmw and 12,000 ppmw. The unit ppmw (parts per million weight) indicates the sulfur content in a fuel or in a liquid fuel in millionths of the total mass. After desulphurisation, the fuel is depleted of sulfur to such an extent that it meets the requirements for the limit values required for use.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl kontinuierlich als auch absatzweise, d. h. in einem Batch-Verfahren, durchgeführt werden. The process according to the invention can be carried out both continuously and batchwise, ie. H. in a batch process.
Die zweite Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ent- Schwefelungsvorrichtung für flüssige Brennstoffe, zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer der vorbeschriebenen Ausgestaltungen, umfassend einen Reaktionsbehälter, einen ersten Zulauf für ein einen homogenen Polyoxometallat- Katalysator enthaltendes Fluid als eine erste Phase, einen zweiten Zulauf für einen organische Schwefelverbindungen enthaltenden flüssigen Brennstoff als eine zweite Phase, sowie ein Rührwerk zur Durchmischung der ersten Phase und der zweiten Phase innerhalb des Reaktionsbehälters. Weiterhin umfasst die Entschwefelungsvorrichtung eine Zuführleitung für Sauerstoff in molekularer Form,
insbesondere in Form eines Gasgemischs, wie z. B. Luft, zur Regeneration des homogenen Polyoxometallat-Katalysators. Die Zuführleitung ist mit dem Reaktionsbehälter der Entschwefelungsvorrichtung verbunden. Die erfindungsgemäße Entschwefelungsvorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des erfindungs- gemäßen Verfahrens eingerichtet und ausgebildet. The second object of the invention is achieved according to the invention by a desulfurization device for liquid fuels, for carrying out the method according to one of the above-described embodiments, comprising a reaction vessel, a first feed for a homogeneous polyoxometalate catalyst-containing fluid as a first phase, a second Feed for a liquid containing organic sulfur compounds as a second phase, and an agitator for mixing the first phase and the second phase within the reaction vessel. Furthermore, the desulfurization device comprises a feed line for oxygen in molecular form, in particular in the form of a gas mixture, such as. As air, for the regeneration of the homogeneous polyoxometalate catalyst. The feed line is connected to the reaction vessel of the desulfurization device. The desulfurization device according to the invention is set up and designed in particular for carrying out the method according to the invention.
Über den ersten Zulauf wird die erste Phase, also das einen homogenen About the first inflow, the first phase, so the one homogeneous
Polyoxonnetallat-Katalysator enthaltende Fluid in den Reaktionsbehälter dosiert. Der zweite Zulauf dient der Zufuhr der zweiten Phase, also des organische Schwefelverbindungen enthaltenden flüssigen Brennstoffes. Beide Phasen werden innerhalb des Reaktionsbehälters intensiv durchmischt, wobei sich eine für den Stoffaustausch zwischen beiden Phasen benötigte große Stoffaustauschflä- che ausbildet. Die in der zweiten Phase enthaltenen organischen Schwefelverbindungen werden durch den Polyoxonnetallat-Katalysator oxidiert und so in innerhalb der ersten Phase lösliche Oxidationsprodukte umgesetzt. An der Phasengrenze findet der Stoffaustausch statt, die Oxidationsprodukte werden in die erste Phase überführt. Die zweite Phase, also der flüssige Brennstoff, wird hierbei entschwefelt. Die Entschwefelungsvorrichtung umfasst einen ersten Ablauf zur Entnahme der ersten Phase. Der erste Ablauf ist üblicherweise am Reaktionsbehälter angeordnet. Die in der ersten Phase gelösten Oxidationsprodukte können einer Aufbereitungseinrichtung zugeführt und dort aus der ersten Phase abgetrennt werden. Weiterhin umfasst die Entschwefelungsvorrichtung einen zweiten Ablauf zur Entnahme der an Schwefel verarmten zweiten Phase. Üblicherweise ist der zweite Ablauf am Reaktionsbehälter angeordnet. Die zweite Phase wird nach der Entfernung der organischen Schwefelverbindungen ihrer weiteren Verwendung zugeführt. Polyoxonnetallat catalyst containing fluid dosed into the reaction vessel. The second inlet is used to supply the second phase, that is, the organic sulfur compounds containing liquid fuel. Both phases are intensively mixed within the reaction vessel, whereby a large mass transfer area required for the mass transfer between the two phases is formed. The organic sulfur compounds contained in the second phase are oxidized by the polyoxonetalate catalyst and thus converted into soluble in the first phase of the oxidation products. At the phase boundary, the mass transfer takes place, the oxidation products are transferred to the first phase. The second phase, ie the liquid fuel, is thereby desulfurized. The desulphurisation device comprises a first outlet for removing the first phase. The first sequence is usually arranged on the reaction vessel. The oxidation products dissolved in the first phase can be fed to a treatment device and separated there from the first phase. Furthermore, the desulfurization device comprises a second outlet for removing the sulfur-depleted second phase. Usually, the second sequence is arranged on the reaction vessel. The second phase is fed to its further use after the removal of the organic sulfur compounds.
Weitere Ausgestaltungen für die Entschwefelungsvorrichtung ergeben sich aus den auf das Verfahren gerichteten Unteransprüchen. Dabei können die für das
Verfahren und dessen Weiterbildungen benannten Vorteile sinngemäß auf die Entschwefelungsvorrichtung übertragen werden. Further embodiments of the desulfurization resulting from the subclaims directed to the method. It can be for the Procedures and its developments named benefits are mutatis mutandis transferred to the desulfurization.
Grundsätzlich konnte anhand von eigenen Untersuchungen gezeigt werden, dass die schwefelhaltigen organischen Verbindungen, gelöst in einem Brennstoff (zweite Phase), mit Hilfe wasserlöslicher Polyoxometallat-Katalysatoren in einem zwei- phasigen System selektiv zu wasserlöslichen Schwefel komponenten, wie insbesondere Sulfat, Sulfonsäuren und Carbonsäuren, oxidiert werden. Der Brennstoff wird dabei nicht angegriffen. Das gebildete Sulfat bzw. die Sulfonsäure wird durch die polare Phase, in dem der Polyoxometallat-Katalysator gelöst ist (erste Phase), extrahiert und kann hierbei in einem integrierten Trennschritt aus dem Brennstoff entfernt werden. In principle, it has been shown on the basis of our own investigations that the sulfur-containing organic compounds dissolved in a fuel (second phase), with the aid of water-soluble polyoxometalate catalysts, are selective in a two-phase system to water-soluble sulfur components, in particular sulphate, sulphonic acids and carboxylic acids, be oxidized. The fuel is not attacked. The sulfate or sulfonic acid formed is extracted through the polar phase in which the polyoxometalate catalyst is dissolved (first phase), and can be removed from the fuel in an integrated separation step.
Für die Bestimmung des Schwefelgehaltes der zweiten Phase wurde ein Schwe- felelementaranalysengerät der Firma Antek eingesetzt. Die Analyse der ersten Katalysatorphase erfolgte mittels NMR-Spektroskopie (kurzkettige Carbonsäuren), Atomemissionsspektroskopie (ICP-OES), sowie mittels lonenchromatographie (IC). Gasförmige Produkte (CO2 und CO aus der Schwefelverbindung) wurden mittels Gaschromatographie detektiert. Die Massenbilanzen für Kohlenstoff (C) und Schwefel (S) konnten mit Hilfe der eingesetzten Analytik geschlossen werden. Hierbei wurde je nach Art der eingesetzten Schwefelverbindung bis zu 90% des Schwefels als Sulfat oder Sulfonsäure von der zweiten Phase in die erste Phase überführt. Zusätzlich wurden zur Untersuchung der Verteilung bzw. des Verhaltens desTo determine the sulfur content of the second phase, a sulfur elemental analyzer from Antek was used. Analysis of the first phase of the catalyst was carried out by means of NMR spectroscopy (short-chain carboxylic acids), atomic emission spectroscopy (ICP-OES), and ion chromatography (IC). Gaseous products (CO 2 and CO from the sulfur compound) were detected by gas chromatography. The mass balances for carbon (C) and sulfur (S) could be concluded with the help of the analytics used. Depending on the type of sulfur compound used, up to 90% of the sulfur was converted from the second phase to the first phase as sulfate or sulfonic acid. Additionally, to study the distribution and behavior of the
Polyoxometallat-Katalysators 31P- und 51V-NMR Proben sowohl der ersten (polaren) als auch der zweiten (unpolaren) Phase analysiert. Hierbei konnte kein Übergang des Katalysators in die zweite Phase, also in den organischen Brennstoff detektiert werden. Polyoxometalate Catalyst 31 P and 51 V NMR samples of both the first (polar) and second (nonpolar) phases were analyzed. In this case, no transition of the catalyst in the second phase, ie in the organic fuel could be detected.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert.
In Fig. 1 ist eine schematische Entschwefelungsvorrichtung 1 für flüssige Brennstoffe, insbesondere Kraftstoffe, gezeigt. Die Entschwefelungsvorrichtung 1 um- fasst einen Reaktionsbehälter 3, in welchem sowohl die Entschwefelung eines Brennstoffes, als auch die Abtrennung der bei der Entschwefelung entstehenden Produkte erfolgt. Der Reaktionsbehälter 3 ist als ein Hochdruckautoklav ausgebildet. In the following an embodiment will be explained in more detail with reference to a drawing. FIG. 1 shows a schematic desulfurization device 1 for liquid fuels, in particular fuels. The desulfurization device 1 comprises a reaction vessel 3, in which both the desulphurisation of a fuel and the separation of the products formed during the desulfurization takes place. The reaction vessel 3 is formed as a high-pressure autoclave.
Ein einen homogenen Polyoxometallat-Katalysator enthaltendes Fluid wird als ers- te Phase 5 über einen ersten Zulauf 7 in den Reaktionsbehälter 3 dosiert. Vorliegend sind 0,9 g des Polyoxometallat-Katalysators 4 H8[PMo7V5O o] in 200 ml Wasser gelöst. Über einen zweiten Zulauf 1 1 wird eine zweite Phase 9, vorliegend 3,36 g Benzothiophen gelöst in 69 g Isooctan als flüssiger Brenn- bzw. Kraftstoff dosiert. Die Zuläufe 7, 1 1 sind vorliegend nur schematisch anhand von Pfeilen an- gedeutet. Gleiches gilt auch für die Zuführleitung 13, die der Dosierung von Sauerstoff zur Regeneration des eingesetzten Polyoxometallat-Katalysators dient. Hinsichtlich der Anordnung der jeweiligen Zuläufe 7, 1 1 und der Zuführleitung 13 an dem Reaktionsbehälter 3 kann diese selbstverständlich auch an anderer Stelle erfolgen. A fluid containing a homogeneous polyoxometalate catalyst is metered as the first phase 5 into the reaction vessel 3 via a first inlet 7. In the present case, 0.9 g of the polyoxometalate catalyst 4 H 8 [PMo7V 5 O] are dissolved in 200 ml of water. Via a second feed 11, a second phase 9, in the present case 3.36 g of benzothiophene dissolved in 69 g of isooctane, is metered in as the liquid fuel or fuel. In the present case, the inlets 7, 11 are only indicated diagrammatically by arrows. The same applies to the supply line 13, which serves for the metering of oxygen for the regeneration of the polyoxometalate catalyst used. With regard to the arrangement of the respective inlets 7, 1 1 and the supply line 13 to the reaction vessel 3, this can of course also be done elsewhere.
Da die beiden Phasen 5,9 nicht miteinander mischbar sind, sind sie vor der Durchmischung durch eine mit bloßem Auge zu erkennende Phasengrenze 15 voneinander getrennt. Dann werden die beiden Phasen 5, 9 im Since the two phases 5.9 are not miscible with each other, they are separated from each other before mixing by a visible with the naked eye phase boundary 15. Then the two phases 5, 9 im
Hochdruckautoklaven 3 mit 1000 rpm für eine Dauer von 24 Stunden bei einer Temperatur von 140 °C und einem Sauerstoff-Partialdruck von 20 bar durchmischt. Zur Durchmischung ist ein Rührwerk 17 eingesetzt. High pressure autoclave 3 mixed at 1000 rpm for a period of 24 hours at a temperature of 140 ° C and an oxygen partial pressure of 20 bar. For mixing a stirrer 17 is used.
Durch die Durchmischung ist die Phasengrenzfläche 15 zwischen den nicht mischbaren Phasen 5, 9 keine makroskopische Oberfläche mehr, sondern vergrö- ßert sich aufgrund von Tröpfchenbildung deutlich, wodurch die Stoffaustauschflä- che vergrößert und damit der Stoffaustausch verbessert wird. Dies ist vorliegend nicht näher skizziert. An der Phasengrenzfläche 15 findet sowohl die Produktbil-
dung, also die katalytische Umsetzung der organischen Schwefelverbindungen zu den Oxidationsprodukten, als auch der Stoffübergang der Produkte von der zweiten Phase 9 in die erste Phase 5 statt. Die gebildeten Oxidationsprodukte werden von der Phasengrenzfläche 15 in die erste Phase 5 überführt. Die zweite Phase 9 verarmt während dieses Prozesses an Schwefel. As a result of the thorough mixing, the phase boundary surface 15 between the immiscible phases 5, 9 no longer has a macroscopic surface, but increases markedly due to droplet formation, which increases the mass transfer area and thus improves mass transfer. This is not outlined here. At phase interface 15, both the product images and tion, ie the catalytic conversion of the organic sulfur compounds to the oxidation products, as well as the mass transfer of the products from the second phase 9 to the first phase 5 instead. The formed oxidation products are transferred from the phase interface 15 into the first phase 5. The second phase 9 depletes of sulfur during this process.
Nach Beendigung der Reaktion wird das Reaktionsgemisch auf Raumtemperatur abgekühlt und die beiden Phasen 5, 9 voneinander getrennt. Die polare erste Phase 5 kann über einen ersten Ablauf 19 entnommen werden. Die Entnahme er- folgt hierbei in Abhängigkeit einer gewünschten nochmaligen Nutzung der ersten Phase 5. Soll die erste Phase 5 erneut zur Entschwefelung eines flüssigen Brennstoffes genutzt werden, so verbleibt diese in dem Hochdruckautoklaven 3. Andernfalls kann die erste Phase 5 entnommen werden und die in der ersten Phase 5 gelösten Oxidationsprodukte aus dieser entfernt werden. Die an Schwefel verarmte zweite Phase 9 wird dem Hochdruckautoklaven 3 über einen zweiten Ablauf 21 entnommen. Der entschwefelte Brennstoff oder Kraftstoff erfüllt dann die Anforderungen an die vorgegebenen Grenzwerte und kann entsprechend weiter verwendet werden. Die Regeneration des in der ersten Phase 5 gelösten, homogenen Polyoxome- tallat-Katalysators erfolgt durch molekularen Sauerstoff oder Druckluft. Die Regeneration des Polyoxometallat-Katalysators erfolgt hierbei simultan zur Oxidation der organischen Schwefelverbindungen an der Phasengrenzfläche 15. Zur Regeneration des Katalysators wird der ersten Phase 5 Sauerstoff in molekularer Form, insbesondere verdünnter Form, wie Druckluft oder synthetische Luft, zudosiert und der Katalysator entsprechend re-oxidiert. Nach der Regeneration steht der After completion of the reaction, the reaction mixture is cooled to room temperature and the two phases 5, 9 separated. The polar first phase 5 can be removed via a first outlet 19. If the first phase 5 is again used for the desulfurization of a liquid fuel, it remains in the high-pressure autoclave 3. Otherwise, the first phase 5 can be removed and the in the first phase 5 dissolved oxidation products are removed from this. The sulfur depleted second phase 9 is removed from the high-pressure autoclave 3 via a second outlet 21. The desulphurised fuel or fuel then meets the requirements of the specified limits and can continue to be used accordingly. The regeneration of the dissolved in the first phase 5, homogeneous polyoxometalate catalyst is carried out by molecular oxygen or compressed air. The regeneration of the polyoxometalate catalyst takes place here simultaneously to the oxidation of the organic sulfur compounds at the phase interface 15. To regenerate the catalyst, oxygen is added to the first phase 5 in molecular form, in particular in a diluted form, such as compressed air or synthetic air, and the catalyst is re-charged. oxidized. After the regeneration is the
Polyoxometallat-Katalysator erneut zur katalytischen Umsetzung von organischen Schwefelverbindungen zur Verfügung. Mittels des Verfahrens ist es somit möglich, in einem zweiphasigen Reaktionssystem, bestehend aus einem Brennstoff mit darin gelösten organischen Schwefelverbindungen als zweite Phase 9 und einer polaren ersten Phase 5 mit darin ge-
löstem Polyoxonnetallat-Katalysator, selektiv die organischen Schwefelkomponen- ten zu in der polaren ersten Phase löslichen Komponenten zu oxidieren und diese gezielt aus dem Brennstoff zu entfernen. Als gasförmige Nebenprodukte entstehen dabei CO2 und CO.
Polyoxometalate catalyst again for the catalytic conversion of organic sulfur compounds available. By means of the method, it is thus possible, in a two-phase reaction system consisting of a fuel with dissolved organic sulfur compounds as the second phase 9 and a polar first phase 5 having therein dissolved Polyoxonnetallat catalyst to selectively oxidize the organic Schwefelkomponen- to soluble in the first phase polar components and remove them targeted from the fuel. As gaseous by-products arise CO 2 and CO.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Entschwefelungsvorrichtung1 desulfurization device
3 Reaktionsbehälter 3 reaction vessels
5 erste Phase 5 first phase
7 erster Zulauf 7 first inlet
9 zweite Phase 9 second phase
1 1 zweiter Zulauf 1 1 second inlet
13 Zuführleitung 13 supply line
15 Phasengrenzfläche 15 phase interface
17 Rührwerk 17 agitator
19 erster Ablauf 19 first sequence
21 zweiter Ablauf
21 second sequence
Claims
Ansprüche claims
Verfahren zur oxidativen Entschwefelung von flüssigen Brennstoffen, Process for the oxidative desulphurisation of liquid fuels,
wobei ein Reaktionssystem mit einem einen homogenen Polyoxonnetallat-Katalysator enthaltenden Fluid als eine erste Phase (5) und einem organische Schwefelverbindungen enthaltenden flüssigen Brennstoff als eine zweite Phase (9) bereitgestellt wird, wobei die erste Phase (5) und die zweite Phase (9) unter Ausbildung einer Phasengrenzfläche (15) durchmischt werden, wherein a reaction system comprising a fluid containing a homogeneous polyoxonetalate catalyst as a first phase (5) and an organic sulfur compound-containing liquid fuel is provided as a second phase (9), the first phase (5) and the second phase (9) are mixed with formation of a phase interface (15),
wobei die in der zweiten Phase (9) enthaltenen organischen Schwefelverbindungen an der Phasengrenzfläche (15) katalytisch zu Oxidationsprodukten umgesetzt werden, und wherein the organic sulfur compounds contained in the second phase (9) are catalytically converted to oxidation products at the phase interface (15), and
wobei die Oxidationsprodukte von der Phasengrenzfläche (15) in die erste Phase (5) überführt werden, wodurch die zweite Phase (9) an Schwefel verarmt, wherein the oxidation products are transferred from the phase interface (15) to the first phase (5), whereby the second phase (9) depleted of sulfur,
wobei der Polyoxonnetallat-Katalysator durch Sauerstoff regeneriert wird, indem dem Reaktionssystem Sauerstoff in molekularer Form zudosiert und der in der ersten Phase gelöste Polyoxonnetallat- Katalysator dadurch re-oxidiert wird, wherein the polyoxonetalate catalyst is regenerated by oxygen by dosing oxygen into the reaction system in molecular form and thereby reoxidizing the polyoxonetalate catalyst dissolved in the first phase,
wobei das Fluid der ersten Phase (5) Wasser ist. wherein the fluid of the first phase (5) is water.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die katalytische Umsetzung der organischen Schwefelverbindungen zu den Oxidationsprodukten durch eine Sau- erstoffübertragung vom Polyoxonnetallat-Katalysator auf die organischen Schwefelverbindungen erfolgt. The process of claim 1, wherein the catalytic conversion of the organic sulfur compounds to the oxidation products occurs by oxygen transfer from the polyoxonetalate catalyst to the organic sulfur compounds.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Polyoxonnetallat-Katalysator ein vanadiumhaltiger Polyoxonnetallat-Katalysator ist. The method of claim 1 or 2, wherein the polyoxonetalate catalyst is a vanadium-containing polyoxonetalate catalyst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Method according to one of the preceding claims, wherein the
Polyoxonnetallat-Katalysator ein Polyoxometallat-Ion der allgemeinen For-
mel [PMoxVyO 0]n" umfasst, wobei 5 < x < 12 und 0 < y < 7 und 3 < n < 10 und x + y = 12, wobei n, x und y jeweils ganzzahlige Werte annehmen. Polyoxonetalate Catalyst A polyoxometalate ion of general formula mel [PMo x V y O 0 ] n " , where 5 <x <12 and 0 <y <7 and 3 <n <10 and x + y = 12, where n, x and y each take integer values.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als die organischen Schwefelverbindungen Thiophene, deren Derivate, 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein as the organic sulfur compounds thiophenes, their derivatives,
Benzothiophene, deren Derivate, Sulfide, Disulfide und/oder Thiole kataly- tisch zu Oxidationsprodukten umgesetzt werden. Benzothiophenes whose derivatives, sulfides, disulfides and / or thiols are catalytically converted to oxidation products.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als die Oxi- dationsprodukte Sulfate, organische Sulfonsauren und/oder Carbonsäuren gebildet werden. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein as the oxidation dationsprodukte sulfates, organic sulfonic acids and / or carboxylic acids are formed.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die an 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the
Schwefel verarmte zweite Phase (9) zu einer weiteren Verwendung abgezogen wird. Sulfur-depleted second phase (9) is subtracted for further use.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oxidati- onsprodukte aus der ersten Phase (5) abgetrennt werden. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the oxidation onsprodukte from the first phase (5) are separated.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sauerstoff dem Reaktionssystem in Form eines Gasgemischs, insbesondere Luft oder Druckluft, zudosiert wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the oxygen is added to the reaction system in the form of a gas mixture, in particular air or compressed air.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regeneration des Polyoxometallat-Katalysators simultan zur katalytischen Umsetzung der organischen Schwefelverbindung erfolgt. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the regeneration of the polyoxometalate catalyst is carried out simultaneously to the catalytic conversion of the organic sulfur compound.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als der 1 1. Method according to one of the preceding claims, wherein as the
Brennstoff ein flüssiger Kraftstoff entschwefelt wird. Fuel a liquid fuel is desulfurized.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die katalyti- sche Umsetzung der organischen Schwefelverbindungen zu den Oxidati-
onsprodukten bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen 70 °C und 180 °C erfolgt. 12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the catalytic conversion of the organic sulfur compounds to the Oxidati- onsprodukten at a temperature in a range between 70 ° C and 180 ° C.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die katalyti- sche Umsetzung der organischen Schwefelverbindungen zu den Oxidati- onsprodukten bei einem Druck in einem Bereich zwischen 1 bar und 13. The method according to any one of the preceding claims, wherein the catalytic conversion of the organic sulfur compounds to the oxidation onsprodukten at a pressure in a range between 1 bar and
100 bar erfolgt. 100 bar.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der flüssige Brennstoff einen relativen Schwefelanteil in einem Bereich zwischen14. The method according to any one of the preceding claims, wherein the liquid fuel has a relative sulfur content in a range between
500 ppmw und 12000 ppmw aufweist. 500 ppmw and 12000 ppmw.
15. Entschwefelungsvorrichtung (1 ) für flüssige Brennstoffe, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend einen Reaktionsbehälter (3), einen ersten Zulauf (7) für ein einen homogenen Polyoxometallat-Katalysator enthaltendes Fluid als eine erste Phase (5), einen zweiten Zulauf (1 1 ) für einen organische Schwefelverbindungen enthaltenden flüssiger Brennstoff als eine zweite Phase (9), ein Rührwerk (17) zur Durchmischung der ersten Phase (5) und der zweiten Phase (9) innerhalb des Reaktionsbehälters (3), eine mit dem Reaktionsbehälter (3) verbundene Zuführleitung (13) für Sauerstoff zur Regeneration des homogenen 15. A liquid fuel desulfurization device (1) for carrying out the method according to one of claims 1 to 14, comprising a reaction vessel (3), a first feed (7) for a homogeneous polyoxometalate catalyst-containing fluid as a first phase (5 ), a second feed (11) for an organic sulfur compound-containing liquid fuel as a second phase (9), an agitator (17) for mixing the first phase (5) and the second phase (9) within the reaction vessel (3) , an oxygen supply line (13) connected to the reaction vessel (3) for regenerating the homogeneous one
Polyoxometallat-Katalysators, einen ersten Ablauf (19) zur Entnahme der ersten Phase (5) und einen zweiten Ablauf (21 ) zur Entnahme der an Schwefel verarmten zweiten Phase (9).
Polyoxometalat catalyst, a first outlet (19) for taking out the first phase (5) and a second outlet (21) for removing the sulfur-depleted second phase (9).
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- 2017-02-21 WO PCT/EP2017/053927 patent/WO2017144460A1/en active Application Filing
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Also Published As
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