田 野， 趙德智， 王鼎聰， 李思洋， 宋官龍， 丁 巍， 趙春曉， 朱 珠, 王春光

(1.遼寧石油化工大學化學化工與環(huán)境學部，遼寧撫順 113001; 2.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順 113001； 3.中國石油撫順石化公司石油三廠分子篩車間,遼寧撫順113001)

自組裝催化劑在混合油加氫精制中的應用

田 野1， 趙德智1， 王鼎聰2， 李思洋1， 宋官龍1， 丁 巍1， 趙春曉1， 朱 珠1, 王春光3

(1.遼寧石油化工大學化學化工與環(huán)境學部，遼寧撫順 113001; 2.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧撫順 113001； 3.中國石油撫順石化公司石油三廠分子篩車間,遼寧撫順113001)

實驗原料油用回煉油與劣質(zhì)催化柴油體積比2∶1配比，用一種新型的納米自組裝催化劑對其進行精制，設計正交試驗，考察在不同溫度、空速和壓力下對加氫脫硫(HDS)、加氫脫氮(HDN)和加氫脫芳烴(HDAr)的影響，通過實驗得出對HDS、HDN、HDAr效果影響最重要的因子。通過BET的表征，證明在該催化劑FA-1204上是均勻多層分散的納米粒子，它的平均孔徑、孔容、比表面積分別為7.7 nm、0.26 cm3/g、132.7 m2/g，從結(jié)果來看其性質(zhì)優(yōu)于工業(yè)催化劑F-2，考察這種催化劑在劣質(zhì)環(huán)境下的活性以及其耐結(jié)焦性并與納米自組裝催化劑FA-20-12以及工業(yè)催化劑F-2相比較，結(jié)果表明FA-1204的脫硫、脫氮和四環(huán)、五環(huán)芳烴脫除率分別為66%、34%和74%；F-2的脫硫率、脫氮率和四環(huán)、五環(huán)芳烴脫除率分別為40%、24%和25%，表明FA-1204的抗結(jié)焦性能優(yōu)于工業(yè)催化劑F-2,且對于脫芳烴具有一定的深加工能力。

納米自組裝催化劑； 加氫性能； 抗結(jié)焦性能； 正交試驗

通常情況下催化裂化回煉油需要返回催化裂化裝置進行二次催化裂化反應，目的是加大加工深度，從而提高輕質(zhì)油的收率。但是由于催化裂化回煉油含有大量的多環(huán)芳烴和較多膠質(zhì)。如果對其進行二次催化裂化反應容易發(fā)生生焦反應產(chǎn)生大量的焦炭[1]，從而造成了資源的浪費，如果對催化裂化回煉油進行加氫精制，可以降低多環(huán)芳烴和膠質(zhì)還有S、N的含量，然后再將處理后的油進行催化裂化，如此可以改善反應催化裂化的性能，降低焦炭的生成，提高輕質(zhì)油的收率，還可以減少S、N對裝置的腐蝕。從經(jīng)濟的角度出發(fā)，為了提高催化裂化輕質(zhì)油收率，對催化裂化回煉油進行加氫精制的研究是非常重要的。

目前世界上對重質(zhì)油的處理主要采用催化裂化處理，而催化裂化所用原料是各種渣油。由于渣油中富含金屬、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，其中高芳烴含量的組分是膠質(zhì)的前驅(qū)體，如何降低前驅(qū)體的結(jié)焦速度，將其轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)組分是目前世界研究熱點[2-5]。渣油加氫處理是催化裂化原料改質(zhì)的重要處理方法，固定床渣油加氫目前存在的主要問題是催化劑床層出現(xiàn)熱點而被強制停工換劑，縮短催化劑的使用周期。而這種熱點生成主要是來源于催化劑的結(jié)焦，所以目前世界各大石油公司都在積極尋找降低催化劑結(jié)焦速度的方法[6-8]。

王鼎聰?shù)萚9]提出一種新型二次納米自組裝氧化鋁載體制備方法，將一次超增溶納米自組裝體作為納米反應器制備出具有大量模板劑二級棒狀納米粒子，用其作為框架材料，進行互相粘接，燒除模板劑，使棒狀納米氧化鋁粒子搭建出框架式孔道，這是大孔容形成的原因。由于納米自組裝催化劑多為大孔，這樣金屬更加均勻聚集，使金屬分布更加均勻。另外從載體方面說，大孔道可以增強催化劑的金屬負載能力和抗結(jié)焦能力，以及大分子的擴散能力。

本實驗采用納米自組裝催化劑對回煉油加氫精制，通過改變工藝條件，考察不同條件下， HDS、HDN、HDAr的變換規(guī)律，并對其影響因子進行研究。

1 實驗部分

1.1試劑和原料

聚異丁烯馬來酸三乙醇胺酯(化學純)，自制150HVI( 潤滑油基礎油) (工業(yè)品)， 去離子水，磷酸(化學純)， MoO3(化學純)，堿式碳酸鎳(化學純)，硼酸(化學純)，九水硝酸鋁(化學純)，尿素(化學純)。

1.2催化劑載體及催化劑制備

攪拌條件下,將1 mol/L九水硝酸鋁和1～5 mol/L尿素混合加熱至100 ℃ ，緩慢加入至100 ℃的0.07～0.20 mol/L的潤滑油基礎油和0.001～0.010 mol/L聚異丁烯馬來酸三乙醇胺酯混合物中，形成超增溶膠團，得到一級超增溶膠團自組裝體[9]，100 ℃反應3 h，產(chǎn)物經(jīng)水洗和干燥，得到二級納米自組裝體壓條成型，150 ℃烘干，600 ℃焙燒，得到大孔容氧化鋁載體。將二級納米自組裝載體采用分步共浸法均勻浸漬鉬鎳磷溶液，然后110 ℃烘干，450 ℃焙燒，得到本實驗納米自組裝Al2O3加氫處理催化劑。

1.3催化劑活性表征

美國 Micromeritics 公司AUTOPORE II 9220壓汞儀, 美國麥克公司生產(chǎn)ASAP2405型吸附儀, 用汞和N2物理吸附法來分析孔容、孔徑、BET比表面積。美國Micromeritics公司Auto Chem 2910型全自動化學吸附分析儀進行程序升溫還原(TPR)測定，用于催化劑還原性質(zhì)表征。用ANTEK-9000S氮/硫分析儀測定反應前后硫、氮含量，用SH/T0806測定反應前后芳烴含量。

1.4催化劑活性評價

加氫反應在高壓微型反應器中進行，催化劑用量為10 mL(按體積計)。進行反應前先用質(zhì)量分數(shù)2%的CS2煤油進行預硫化，230 ℃預硫化4 h，360 ℃預硫化8 h。在壓力7 MPa，反應溫度360 ℃，氫油體積比600∶1，體積空速 1.5 h-1條件下，對鎮(zhèn)海催化裂化循環(huán)油和劣質(zhì)催化柴油以體積比2∶ 1的比例配成的混合油進行催化劑脫硫、脫氮、脫芳烴的加氫性能評價。

2 結(jié)果與討論

2.1催化劑孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)分析

表1為納米自組裝催化劑FA-1204和兩個參比劑的基本性質(zhì)，可以看出納米自組裝催化劑的金屬質(zhì)量分數(shù)為38.07%，比表面積為132.7 m2/g；而參比劑F-2的金屬質(zhì)量分數(shù)為29.4%，比表面積為255 m2/g。由以上數(shù)據(jù)可以看出納米自組裝催化劑比表面積小，負載金屬量高，可見納米自組裝金屬粒子在孔道中大量聚集，其活性必定高于金屬粒子以單層分散形式負載的催化劑。由參比劑F-20-12的數(shù)據(jù)可以看出，納米自組裝催化劑具有大孔容、孔徑、較低比表面積的特點。納米自組裝催化劑F-1204、F-20-12和參比劑的活性金屬堆積密度分別為0.61、0.43、1.05 g/cm3，說明納米自組裝催化劑具有低堆積密度的特點。

表1 催化劑孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)比較Table 1 Comparison of the pore structure characteristic for catalysts

注：*代表工業(yè)催化劑。

圖1為納米自組裝催化劑與兩個參比劑的孔徑分布。從圖1中可以看出,FA-1204與參比劑F-2的孔徑主要集中在1.7～10.0 nm，其中FA-1204在這區(qū)間的孔徑分布占催化劑總孔徑的66.58%，F(xiàn)-2為87.98%。由于參比劑F-2的金屬粒子分布主要是以單層分散的形式存在的，其活性中心主要集中在這個區(qū)間，與F-2不同，由FA-1204的載體的孔徑分布可知，F(xiàn)A-1204在1.7～10.0 nm形成的孔道是由大量的金屬粒子有序堆積形成的孔道，其金屬活性要遠遠高于單層分散形式負載的催化劑F-2，除此之外FA-1204還具有23.2%的大孔分布，因此無論是在孔結(jié)構(gòu)方面以及金屬活性方面FA-1204要好于參比劑F-2。對于參比劑納米自組裝催化劑FA-20-12與FA-1204具有相同的載體，但是FA-20-12的金屬負載量要小于FA-1204，只有18.30%，由參比劑FA-20-12與載體孔徑分布可知，F(xiàn)A-20-12在10～30 nm生成了大量金屬粒子堆積形成的孔道，占催化劑總孔徑的46.47%，其金屬堆積孔徑要大于FA-1204，大孔徑更利于大分子擴散，有利于反應物分子進入孔道進行反應，同時也便于產(chǎn)物通過孔道擴散到催化劑外部， 由此可分析出參比劑FA-20-12的金屬活性較FA-1204還要高，但是其金屬含量較低，所以對于FA-20-12的深加工能力具有一定的局限性。

圖1 催化劑的孔徑分布

Fig.1Theporesizedistributionofthecatalyst

2.2催化劑加氫性能評價

本實驗原料油用回煉油與劣質(zhì)催化柴油體積比2∶1配比，其主要性質(zhì)見表2。

表2 混合油的性質(zhì)Table 2 The properties of the oil mixture

由表2可以看出,原料油是一種高硫、高芳烴的劣質(zhì)原料油。其芳烴多為三環(huán)以上多環(huán)芳烴。從反應動力學來看，稠環(huán)芳烴中第一個環(huán)加氫飽和的反應速度較快，第二、第三個環(huán)繼續(xù)加氫的反應速度則依次降低。因此原料中多環(huán)芳烴含量較多就增加了芳烴脫除的難度。

在微型加氫反應裝置上，反應溫度為360 ℃，壓力為7 MPa，氫油體積比為600∶1，體積空速為1.5 h-1的實驗反應條件下，用FA-1204和參比催化劑FA-20-12以及F-2對混合原料油進行加氫脫硫、脫氮及脫芳烴性能的評價, 對比實驗結(jié)果見表3，催化劑金屬活性對比見表4。

表3 催化劑的加氫性能評價數(shù)據(jù)Table 3 The evaluation data of performance ofcatalysts hydrogenation

由表3可以看出，F(xiàn)-1204的脫硫率最高為66%，優(yōu)于參比劑FA-20-12的61%，遠遠好于參比劑F-2的40%；脫氮率為34%也高于參比劑FA-20-12的16%，F(xiàn)-2的24%；但對于多環(huán)芳烴(四環(huán)、五環(huán))的脫除率，納米自組裝催化劑FA-1204、FA-20-12都遠遠大于參比劑F-2，其中FA-1204的脫除率最高，達到74%，參比劑FA-20-12和F-2分別為45%和25%；從以上數(shù)據(jù)可以分析出，雖然FA-1204與F-2都具有較高的金屬含量，都具有大量的小孔結(jié)構(gòu)，但是納米自組裝催化的孔道結(jié)構(gòu)是由活性金屬的堆積形成的，其活性要遠遠好于金屬粒子以單層分散的形式負載的催化劑，而且在FA-1204的催化劑孔道結(jié)構(gòu)中還具有23.2%的大孔結(jié)構(gòu)，因此在催化劑活性和結(jié)構(gòu)上，F(xiàn)A-1204好于參比劑F-2；而在與參比劑FA-20-12的對比中可以發(fā)現(xiàn)，大孔的催化劑結(jié)構(gòu)有利于大分子的擴散，利于反應物分子進入孔道進行反應，而且具有非常高的金屬活性，但是與FA-1204相比其金屬含量低，限制了反應的加工深度。

表4 催化劑金屬活性對比Table 4 Reactive metal of catalyst

注：①單位體積金屬(比表面積)含量=堆積密度/(g·cm-3) (比表面積/(m2·g-1))×金屬含量/% ②單位體積金屬脫除率為脫除率與單位體積金屬含量的比。

通過表4,可以對單位體積金屬含量進行對比，從堆積密度和重量金屬含量可以計算出單位體積活性金屬含量，由此來考察單位體積金屬脫雜質(zhì)活性；由于納米自組裝催化劑具有低堆積密度的特點，所以其單位體積的金屬含量都很低，F(xiàn)-2的堆積密度較高即單位體積金屬含量高，單位體積金屬含量約為FA-1204的1.3倍，約為FA-20-12的4倍。但是數(shù)據(jù)表明F-2單位體積金屬含量雖高，但是其活性較低，從單位體積金屬脫出率來看，F(xiàn)A-1204的脫硫性能約為F-2的2.2倍，脫氮性能約是它的2倍，脫多環(huán)芳烴性能約是它的3.9倍； FA-20-12的脫硫性能約是F-2的6倍，脫氮性能約是它的2.7倍，脫多環(huán)芳烴性能約是它的7.2倍。由以上數(shù)據(jù)可以看出FA-20-12的單位體積金屬活性最好，但是其脫多環(huán)芳烴能力遠遠不如FA-1204，為了進一步強化對油品加工深度，提高輕質(zhì)組分收率，對納米自組裝催化劑FA-1204的研究是非常必要的。設計正交實驗，考察在不同條件下FA-1204催化劑對混合油的評價效果，找出最佳方案。

2.3正交試驗的考察

2.3.1 因素水平 正交試驗采用3因素3水平，其中3因素分別為反應溫度、空速和壓力，如表5所示，建立L9(33)正交試驗表，實驗結(jié)果與極差分析結(jié)果分別如表6、7所示。

表5 水平因素表Table 5 Orthogonal factor level table

表6 L9(33)正交試驗結(jié)果Table 6 Analysis of L9(33) orthorhombic experiment

表7 極差分析表Table 7 Analysis of range

續(xù)表7

極差HDS1水平2水平3水平HDN1水平2水平3水平HDAr1水平2水平3水平k3252.02194.96205.33174.66102.41144.49236.14223.15241.27K160.7280.3375.5939.9268.4545.7578.3484.3076.59K272.1471.5572.8352.0347.5856.2579.7878.1179.81K384.0064.9868.4458.2234.1348.1678.7174.3880.42R23.2815.357.1518.3034.3210.051.449.923.38

2.3.2 正交試驗結(jié)果分析 極差越大的因素重要程度越高，通過比較極差的大小確定影響因素的主次順序。影響脫硫因素主次順序應為：溫度>空速>壓力，最佳反應條件為A3B1C1即380 ℃、0.5 h-1、6 MPa；影響脫氮因素主次順序應為：空速>溫度>壓力，最佳反應條件為A3B1C2即380 ℃、0.5 h-1、7 MPa。影響脫芳烴因素主次順序應為：空速>壓力>溫度，最佳反應條件為A3B1C3即360 ℃、0.5 h-1、8 MPa。

2.4反應條件的考察

2.4.1 溫度的影響 圖2為不同反應溫度下HDN、HDS、HDAr的變化情況。由圖2可以看出，隨著溫度的增加，HDN與HDS呈現(xiàn)出增長的趨勢，與HDS曲線不同，當溫度達到360 ℃后，HDN增長速度緩慢，而且HDN效果沒有HDS效果那么明顯[2]，可見HDS較HDN更加容易進行，而HDAr過程與前兩者不同，隨著溫度的增加，HDAr曲線先增長后降低且在360 ℃達到最高，可見溫度對HDAr影響不大，這種現(xiàn)象是因為在HDAr過程中其反應為放熱反應[10-11]，隨著溫度的升高其反應速率降低，故受到熱力學平衡限制，對于HDAr反應應該注意最佳溫度的選擇。與HDAr相類似，HDN反應需要先經(jīng)歷芳環(huán)加氫飽和反應，導致HDN也像芳烴飽和反應一樣受到了熱力學平衡的限制，因此，對于HDN反應也應該注意最佳溫度的選擇。最終由圖分析得出HDS與HDN的最佳反應溫度為380 ℃,HDAr的最佳反應溫度為360 ℃。

2.4.2 反應空速的影響 圖3為不同空速下HDN、HDS、HDAr的變化情況。由圖3可見，HDS、HDN和HDAr曲線隨著空速的增加而降低，在空速為0.5 h-1時分別取到最大值，由此可知0.5 h-1時，為各個反應的最佳方案，從而可以看出增加反應時間促進了HDS、HDN、HDAr反應的進行，相反減少反應時間一定程度上制約了HDS、HDN、HDAr反應，使反應時間不夠充分，限制了反應進行。另外，從圖3中可以看出，HDN曲線在HDS、HDAr曲線之下，進一步說明HDN反應較后兩者更難進行。

圖2 HDN、HDS、HDAr隨反應溫度的變化曲線

Fig.2HDN,HDS,HDArcurvesversustemperature

圖3 HDN、HDS、HDAr隨反應空速的變化曲線

Fig.3HDN,HDS,HDArcurvesversusairspeed

2.4.3 反應壓力的影響 圖4為不同壓力下HDN、HDS、HDAr的變化情況。由圖4可以看出，對于回煉油中壓加氫的過程中，在壓力為6～8 MPa，HDS反應隨著壓力的增大而降低，而對于HDN反應隨著壓力的增大其脫除率曲線先增大后減小，在7 MPa時反應最佳，HDAr反應隨著反應壓力的增加曲線呈增長趨勢，可見HDAr反應適合在高壓條件下進行，HDS反應與之相反，HDN反應則需要尋找最佳的反應壓力，結(jié)合圖4可知HDS、HDN、HDAr反應的最佳壓力分別為6、7、8 MPa。

圖4 HDN、HDS、HDAr隨反應壓力的變化曲線

Fig.4HDN,HDS,HDArcurvesversuspressure

3 結(jié)論

(1) 利用二次納米自組裝方法得到的催化劑載體具有大孔容、金屬分散性好的特點。由此載體制備的催化劑FA-1204，具有0.26 cm3/g大孔容、7.7 nm平均孔徑，132 m2/g比表面積的特點，活性組分在載體上進行多層分散，活性中心高度分散，數(shù)目增加，催化活性提高。

(2) 反應器單位體積催化劑FA-1204，加氫脫硫率為66%，好于參比工業(yè)催化劑40%；脫氮率為34%，略高于參比劑24%；但對多環(huán)芳烴(四環(huán)、五環(huán))的脫除率74%，遠遠大于參比劑25%；并且制備的催化劑反應時并沒有生成太多的膠質(zhì)，有一定的抗結(jié)焦性能。

(3) 通過正交試驗確定對于HDS反應的因素主次順序為：反應溫度>空速>反應壓力,確定最佳實驗方案為380 ℃,0.5 h-1,6 MPa；HDN反應的因素主次順序為：空速>反應溫度>反應壓力,確定其最佳工藝條件為：380 ℃,0.5 h-1,7 MPa；HDAr反應的因素主次順序為：空速>壓力>溫度，確定其最佳工藝條件為：360 ℃,0.5 h-1,8 MPa 。

(4) 通過對反應條件的考察得出反應溫度的增加促進HDS、HDN反應的進行，而對HDAr影響不大；反應空速對HDS、HDN、HDAr的影響效果是一致的，HDS、HDN、HDAr反應都隨著反應空速的增加脫出效果降低；對于反應壓力在6～8 MPa，HDS反應隨著壓力的增大而降低，而對于HDN反應隨著壓力的增大其脫出率曲線先增大后減小，對于HDAr反應，隨著壓力的增加而增加。

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(編輯 閆玉玲)

The Application of Self-Assembly Catalyst in Hydrorefining Performance for Mixed Oil

Tian Ye1， Zhao Dezhi1， Wang Dingcong2， Li Siyang1， Song Guanlong1， Ding Wei1， Zhao Chunxiao1， Zhu Zhu1， Wang Chunguang3

(1.CollegeofChemistry,ChemistryEngineeringandEnvironmentalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001,China; 2.SinopecFushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals,FushunLiaoning113001,China; 3.TheMolecularSieveWorkshopofFushunPetrochemicalCompanyNo.3PetrochemicalFactory,FushunLiaoning113001,China)

Cycle stock and inferior catalytic cracking diesel oil with volume ratio 2∶1 were used as crude oil, which was refined by a new type of nano self-assembly catalyst. Orthogonal test was designed to investigate the influence of temperature, space velocity and pressure on HDS,HDN and HDAr. The most significant influence factor on HDS，HDN and HDAr was obtained. Through the representation of BET, it is concluded that multilayer dispersion of nanoparticles on the surface of the catalyst FA-1204 was uniformwith average pore diameter 7.7 nm, pore volume 0.26 cm3/g, and specific surface area 132.7 m2/g2respectively. The results proved that the anti coking performance of FA-1204 was better than industrial catalyst F-2. The liveness and resistance ability of carbonization of catalyst FA-1204 in harsh conditions were compared with industrial catalyst F-2 and nano self-assembly catalyst FA-20-12. The results showed that HDS,HDN,HDAr of the catalyst FA-1204 was superior to industial catalyst, the percent conversion of HDS,HDN and HDAr of FA-1204 were 66%,34% and 74% respectively, and the percent conversion of HDS,HDN and HDAr of F-2 were 40%,24% and 25%,respectively. Therefore, the resistance of coking properties of catalyst FA-1204 was superior to catalyst F-2. In addition, catalyst FA-1204 has a processing capacity of HDAr.

Self-assembly catalyst; Hydrogenation performance; Anti coking performance; Orthogonal test

1006-396X(2014)02-0015-06

2013-08-26

：2014-02-26

中國石油化工集團公司資助項目(030801)。

田野(1987-)，男，碩士研究生，從事大孔主客體催化材料的制備以及催化裂化回煉油加氫性能評價的研究；

E-mail:dna2569898@163.com。

趙德智(1959-)，男，碩士，教授，從事重油加工、輕油改質(zhì)、非常規(guī)能源等研究；E-mail：fszhaodezhi@163.com。

TE624.9+3

： A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.02.004