鄭仁垟，辛 靖，張潤強，李明豐

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

加氫精制深度對催化裂化柴油性質的影響

鄭仁垟，辛 靖，張潤強，李明豐

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

在固定床小型加氫實驗裝置上，以不同的催化裂化柴油為原料，模擬兩段加氫處理技術生產(chǎn)低硫低芳烴柴油，考察加氫精制深度對柴油性質的影響。評價時第一反應器裝填Ni-W催化劑，第二反應器裝填Pt-Pd貴金屬催化劑，通過調整空速和反應壓力，得到不同加氫精制深度的柴油。結果表明：經(jīng)過深度加氫精制，柴油的密度、折射率、硫含量、氮含量、總芳烴含量均減小，氫含量、十六烷值提高；加氫精制后的柴油芳烴含量與化學氫耗、折射率、密度、十六烷值成線性關系；不同催化裂化柴油加氫精制后的芳烴含量與十六烷值的線性擬合斜率和截距各不相同，與柴油的烴類組成和碳數(shù)分布密切相關，截距代表了芳烴完全飽和時的十六烷值，斜率反映了芳烴飽和對十六烷值的貢獻；對總芳烴質量分數(shù)為88.2%的催化裂化柴油LCO-Ⅰ，芳烴質量分數(shù)每降低1%，十六烷值可提高0.26個單位，芳烴完全飽和時十六烷值可達到42，對總芳烴質量分數(shù)為31.3%的混合柴油LCO-Ⅱ，芳烴質量分數(shù)每降低1百分點，十六烷值可提高0.66個單位。

催化裂化柴油 加氫精制 芳烴飽和 十六烷值

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，柴油需求量日益增加。單靠直餾柴油不可能滿足這一需求，這就需要調入二次加工柴油，如催化裂化柴油和焦化柴油。而二次加工柴油中含有大量的硫、氮和芳烴，目前硫和氮可以用傳統(tǒng)的硫化態(tài)催化劑進行脫除，技術難點是芳烴的轉化。柴油中的芳烴含量高不僅會降低油品質量，而且會增加柴油燃燒廢氣中的顆粒排放物。從國內(nèi)外公開文獻和專利可以看出，工業(yè)餾分油(尤其是柴油)中的芳烴飽和可以使用傳統(tǒng)的硫化態(tài)Co-Mo、Ni-Mo或Ni-W催化劑，或者是Pt、Pd等貴金屬催化劑[1-5]。當對芳烴含量要求不高時(如芳烴質量分數(shù)小于25%)，采用非貴金屬加氫催化劑和單段深度加氫工藝即可達到要求；該工藝的優(yōu)點是不受待處理原料中毒物的影響，缺點是加氫活性不高，需要苛刻的反應條件。當對柴油芳烴含量有更高的要求時(如芳烴質量分數(shù)小于15%或10%)，則需要采用貴金屬加氫催化劑和兩段工藝流程，即第一段反應器進行加氫脫硫、脫氮反應，第二段反應器進行脫芳烴反應；該工藝的優(yōu)點是可以深度脫除芳烴且反應條件較為溫和，缺點是第二段催化劑對原料中的硫化物非常敏感，要求一段精制產(chǎn)品中硫質量分數(shù)小于10 μg/g。

目前，芳烴加氫飽和的精制路線以及加氫裂化的改質路線是用來脫除芳烴、改進柴油品質的主要方法。一般認為，芳烴加氫飽和可以保持柴油組分的分子大小，但由于環(huán)烷烴的十六烷值也較低，芳烴加氫難以提高中間餾分油的十六烷值；加氫裂化可以產(chǎn)生高十六烷值的混合物，但同時也產(chǎn)生小分子物質，從而降低柴油的收率[6-9]。因此，是否可僅通過精制路線，使芳烴超深度飽和來有效提高十六烷值，以及它們之間是否存在定量關系，這是需要解決的問題。另外，較多文獻研究了直餾柴油在加氫精制及加氫改質過程中烴類反應與油品性質的關系，但較少研究高芳烴含量(芳烴質量分數(shù)大于80%)的催化裂化柴油的十六烷值與柴油烴類組成、碳數(shù)分布的關系[10-11]。本課題通過調整空速和反應壓力，得到不同加氫精制深度的柴油，并分析表征反應前后油品的性質，以獲得加氫精制深度對催化裂化柴油十六烷值等油品性質的影響規(guī)律。

1 實 驗

1.1 原料油

實驗用原料油有兩種：一是中國石化石家莊煉化分公司的催化裂化柴油(簡稱催柴，LCO)，記為LCO-Ⅰ；二是中國石化北京燕山分公司的混合柴油，含質量分數(shù)45%的常二線油、45%的常三線油、以及10%的LCO，記為LCO-Ⅱ。

1.2 加氫實驗及分析方法

采用小型加氫評價裝置，通過調整空速和反應壓力，得到不同加氫精制深度的柴油。第一段反應器裝填Ni-W催化劑，脫除大部分硫、氮，并部分飽和芳烴；一段反應器流出物經(jīng)汽提脫除硫化氫和氨后，進入裝有Pt-Pd貴金屬催化劑的第二反應器，用于芳烴深度飽和。所用催化劑由中國石化石油化工科學研究院研制。

油品的分析內(nèi)容包括密度(SH/T 0604—2000)、折射率(SH/T 0724—2002)、硫含量(原料，GB/T 17040—1997；產(chǎn)品，SH/T 0253—1992)、氮含量(SH/T 0657—2007)、碳氫含量(SH/T 0656—1998)、模擬蒸餾(ASTM D2887、GC35-D2887)、柴油烴類組成(SH/T 0606—2005)、柴油碳數(shù)分布(GC/FI-TOF MS、HCND)[12]、十六烷值(GB/T 386—1991)，具體操作條件詳見《石油化工分析方法(RIPP試驗方法)》[13]。

2 結果與討論

2.1 LCO-Ⅰ加氫精制反應結果

LCO-Ⅰ及其第一段加氫精制反應后油品的性質列于表1。其中十六烷值提高值定義為產(chǎn)品與原料的十六烷值差值，化學氫耗定義為[w(H)/w(C)]產(chǎn)品-[w(H)/w(C)]原料。由表1可以看出，LCO-Ⅰ原料的密度(20 ℃)達960 kg/m3、芳烴質量分數(shù)達88.2%、十六烷值低于20，且硫、氮含量高。經(jīng)第一段加氫精制反應后，密度、折射率、硫含量、氮含量、總芳烴含量都減小，氫含量、十六烷值提高。從烴類組成可以看出，LCO-Ⅰ主要包含質量分數(shù)為8.0%的鏈烷烴、3.8%的環(huán)烷烴和88.2%的芳烴，經(jīng)加氫精制后，總芳烴質量分數(shù)降低了一半左右，僅占30.1%～48.6%，環(huán)烷烴質量分數(shù)大幅增至37.7%～56.2%、且以雙環(huán)環(huán)烷烴含量最高，說明發(fā)生了芳烴的飽和反應；鏈烷烴質量分數(shù)略有增加，達到14%左右，可能是由烷基短側鏈、或者是單環(huán)烷烴開環(huán)形成的。詳細的LCO-Ⅰ碳數(shù)分布如圖1所示，根據(jù)分子中雙鍵、環(huán)數(shù)和雜原子決定的缺氫數(shù)，將LCO-Ⅰ柴油組分分成13類化合物，包括烷烴、環(huán)烷烴(一環(huán)、二環(huán)、三環(huán))、單環(huán)芳烴(烷基苯、茚滿和萘滿類、茚類)、雙環(huán)芳烴(萘類、二氫苊類和/或聯(lián)苯類、苊類)、三環(huán)芳烴(蒽、菲類)和含硫化合物(苯并噻吩類、二苯并噻吩類)[12]。由圖1可以看出：LCO-Ⅰ柴油的碳數(shù)分布主要集中在C9～C21，質量分數(shù)超過10%的碳數(shù)分布于C12～C16；質量分數(shù)最高的化合物種類是萘類(約27%)、茚滿和萘滿類(約11%)，其中萘類含量最多的碳數(shù)分布集中在C12～C14，說明萘類這種雙環(huán)芳烴的取代基碳數(shù)較少，集中在2～4之間；茚滿和萘滿類含量最多的3類碳數(shù)分布集中在C11～C13，說明這種單環(huán)芳烴的取代基碳數(shù)集中在1～4之間。圖2給出了LCO-Ⅰ一段精制產(chǎn)物的模擬蒸餾結果。由圖2可以看出：其餾程分布主要集中在150～400 ℃；在同樣的餾出體積分數(shù)時，加氫精制產(chǎn)物的餾出溫度有所下降，且加氫精制程度越深，下降幅度越大。經(jīng)一段加氫精制后，柴油餾分段(180～350 ℃)體積分數(shù)從LCO-Ⅰ原料的86.9%提高到LCO-Ⅰ-1的91.4%。

表1 LCO-Ⅰ及其一段加氫精制反應后油品的基本性質與烴族組成

圖1 LCO-Ⅰ的碳數(shù)分布■—烷烴； ■—一環(huán)環(huán)烷烴； ■—二環(huán)環(huán)烷烴； ■—三環(huán)環(huán)烷烴；■—烷基苯； ■—茚滿和萘滿類； ■—茚類； ■—苯并噻吩類；■—萘類； ■—二氫苊類和/或聯(lián)苯類； ■—苊類；■—二苯并噻吩類； ■—蒽、菲類

圖2 LCO-Ⅰ及其一段加氫精制油的模擬蒸餾結果 —LCO-Ⅰ; —LCO-Ⅰ-1; —LCO-Ⅰ-2; —LCO-Ⅰ-3

由一段加氫精制反應后的油品LCO-Ⅰ-3作為原料，用貴金屬催化劑對柴油進行深度加氫飽和，得到的油品性質列于表2。由表2可以看出：二段加氫精制后油品的密度、折射率、硫含量、氮含量、總芳烴含量都繼續(xù)減小，氫含量、十六烷值繼續(xù)提高；從烴類組成可以看出，體積空速0.5 h-1、反應壓力12 MPa(LCO-Ⅰ-4)基本上是芳烴深度飽和的極限條件，產(chǎn)品主要包含質量分數(shù)為13.9%的鏈烷烴、83.9%的環(huán)烷烴和2.2%的芳烴；與一段精制后的油品烴類組成比較后發(fā)現(xiàn)，鏈烷烴含量變化不大，主要發(fā)生了芳烴飽和生成環(huán)烷烴的反應，說明二段加氫反應幾乎沒有發(fā)生斷側鏈反應。

2.2 LCO-Ⅱ加氫精制反應結果

LCO-Ⅱ及其不同反應溫度下加氫精制后油品的基本性質與烴族組成列于表3。由表3可以看出：LCO-Ⅱ的密度(20 ℃)為849.9 kg/m3、芳烴質量分數(shù)為31.3%、十六烷值達48.7，比LCO-Ⅰ的性質好很多，但硫、氮含量仍較高。經(jīng)一段加氫精制反應后，密度、折射率、硫含量、氮含量、總芳烴含量均減小，氫含量、十六烷值提高；從烴類組成可以看出，LCO-Ⅱ主要包含質量分數(shù)為43.2%的鏈烷烴、25.5%的環(huán)烷烴和31.3%的芳烴，經(jīng)加氫精制后，鏈烷烴含量略有增加，總芳烴質量分數(shù)降至18.0%～25.3%，環(huán)烷烴質量分數(shù)增至28.7%～34.9%，說明發(fā)生了芳烴飽和反應。

表2 LCO-Ⅰ二段加氫精制反應后油品的基本性質與烴族組成

表3 LCO-Ⅱ及其加氫精制反應后油品的基本性質與烴族組成

2.3 芳烴含量與化學氫耗、折射率、密度的關系

圖3～圖5分別為芳烴含量與化學氫耗、折射率、密度的關系。

從圖3可以看出：LCO-Ⅰ和LCO-Ⅱ加氫產(chǎn)物的芳烴含量與化學氫耗成線性關系，均表現(xiàn)出芳烴含量降低時化學氫耗升高；而且，LCO-Ⅱ的化學氫耗遠低于LCO-Ⅰ，這是因為LCO-Ⅱ油品芳烴含量和氮含量都低于LCO-Ⅰ。

圖3 芳烴含量與化學氫耗的關系■—LCO-Ⅰ第一段加氫精制產(chǎn)品；●—LCO-Ⅰ第二段加氫精制產(chǎn)品；▲—LCO-Ⅱ加氫精制產(chǎn)品。 圖4～圖6同

從圖4可以看出，LCO-Ⅰ和LCO-Ⅱ加氫產(chǎn)物的芳烴含量與密度也成線性關系，表現(xiàn)出芳烴含量降低，密度變小，而且LCO-Ⅱ的密度低于LCO-Ⅰ。一般而言，碳數(shù)相同的化合物中，芳烴的芳香環(huán)中C—C鍵鍵長最短，其結構最緊湊，因而密度最大，環(huán)烷烴的分子結構也較緊湊，因而環(huán)烷烴的密度次之，烷烴的密度最小[14]。另一方面，兩種柴油原料的密度都比產(chǎn)品的線性擬合預計值高，這可能是因為原料的芳烴和硫、氮含量較高。例如，苯并噻吩的密度(20 ℃)是1 148 kg/m3，高于不含硫的類似結構化合物茚[密度(20 ℃)為1 038 kg/m3]。

圖4 芳烴含量與密度的關系

從圖5可以看出：LCO-Ⅰ和LCO-Ⅱ加氫產(chǎn)物的芳烴含量與折射率也成線性關系，表現(xiàn)出芳烴含量降低，折射率下降；而且，LCO-Ⅱ的折射率低于LCO-Ⅰ。一般而言，在各種烴類中，芳烴的折射率最大，約為1.5；烷烴的折射率最??；而環(huán)烷烴則介于兩者之間[14]。另一方面，兩種柴油原料的折射率都比產(chǎn)品的線性擬合預計值高，這可能是因為原料的芳烴和硫、氮含量較高。對比圖4和圖5發(fā)現(xiàn)，芳烴含量與折射率、密度的關系很類似，因此預計折射率和密度可能是相關的，將這二者作圖，得到圖6。從圖6可以看出，油品的折射率越大，密度也越大，即折射率與密度成正相關的線性關系。這與前人的研究結果[14]是一致的。

圖5 芳烴含量與折射率的關系

圖6 折射率與密度的關系

2.4 芳烴含量與十六烷值的關系

圖7為芳烴含量與十六烷值的關系。由圖7可以看出：LCO-Ⅰ和LCO-Ⅱ加氫精制產(chǎn)物的十六烷值與芳烴含量成線性關系，表現(xiàn)出芳烴含量越低，十六烷值越高；而且，LCO-Ⅰ原料、一段加氫產(chǎn)物、二段加氫產(chǎn)物都在一條線性擬合曲線上。Unzelman也曾報道了直餾柴油和LCO加氫前后油品的十六烷值與芳烴含量呈線性關系[15]。芳烴含量相同時，LCO-Ⅱ加氫產(chǎn)物的十六烷值比LCO-Ⅰ加氫產(chǎn)物約高15個單位。

為進行定量比較，將圖7線性擬合得到的直線斜率和截距列于表4。線性擬合公式為y=a-bx，其中：x為芳烴含量，y為十六烷值，a為線性擬合截距，b為線性擬合斜率。由表4可以看出，在本實驗范圍內(nèi)，不同原料的線性關系的斜率和截距均不同。截距的數(shù)值代表了芳烴完全飽和的理想情況(芳烴含量為0時的十六烷值)，其由大到小的順序為LCO-Ⅱ>柴油機燃料[15]>LCO和SR(直餾柴油)[15]>LCO-Ⅰ。對于LCO-Ⅰ這種芳烴含量較高的催化裂化柴油，即使芳烴完全飽和，其十六烷值也只能達到42；而對于LCO-Ⅱ這種含10%催化裂化柴油的直餾柴油，其十六烷值的極限可達70。斜率的數(shù)值反映了芳烴飽和對十六烷值的貢獻，LCO-Ⅰ的斜率為0.26，說明芳烴質量分數(shù)每降低1百分點，十六烷值可提高0.26個單位；LCO-Ⅱ的斜率為0.66，即芳烴質量分數(shù)每降低1百分點，十六烷值可提高0.66個單位。這也間接反映了單位氫耗對十六烷值的貢獻，斜率由大到小的順序為LCO-Ⅱ>柴油機燃料[15]>LCO和SR[15]>LCO-Ⅰ，與截距的大小順序一樣。斜率大小的順序說明單位氫耗對LCO-Ⅱ的貢獻遠大于對LCO-Ⅰ的貢獻。

圖7 芳烴含量與十六烷值的關系■—LCO-Ⅰ第一段加氫精制產(chǎn)品；●—LCO-Ⅰ第二段加氫精制產(chǎn)品；▲—LCO-Ⅱ加氫精制產(chǎn)品；◆—LCO和SR； 柴油機燃料

原 料線性擬合截距線性擬合斜率LCO-Ⅰ42.10.26LCO-Ⅱ69.90.66LCO和SR[15]57.30.48柴油機燃料[15]60.00.54

圖8 LCO-Ⅰ-7的碳數(shù)分布■—烷烴； ■—一環(huán)環(huán)烷烴； ■—二環(huán)環(huán)烷烴； ■—三環(huán)環(huán)烷烴；■—烷基苯； ■—茚滿和萘滿類； ■—茚類； ■—萘類；■—二氫苊類和/或聯(lián)苯類； ■—二苯并噻吩類

圖9 LCO-Ⅱ-3的碳數(shù)分布■—烷烴； ■—一環(huán)環(huán)烷烴； ■—二環(huán)環(huán)烷烴；■—三環(huán)環(huán)烷烴； ■—烷基苯

為了從分子水平上理解圖7擬合的直線斜率和截距的大小關系，將芳烴質量分數(shù)均為18%的LCO-Ⅰ-7和LCO-Ⅱ-3進行碳數(shù)分布表征，結果見圖8和圖9。由圖8可以看出，LCO-Ⅰ-7中含量最高的為二環(huán)環(huán)烷烴，二環(huán)環(huán)烷烴質量分數(shù)超過5%的碳數(shù)分布于C12～C15，說明二環(huán)環(huán)烷烴的取代基碳數(shù)集中在2～6。對比圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)，LCO-Ⅰ和LCO-Ⅱ加氫產(chǎn)物的區(qū)別主要體現(xiàn)在：①從碳數(shù)分布總體上看，LCO-Ⅱ加氫產(chǎn)物更為集中，LCO-Ⅰ加氫產(chǎn)物質量分數(shù)超過5%的碳數(shù)分布集中在C12～C18，而LCO-Ⅱ的相應分布集中在C13～C16；②從化合物種類看，LCO-Ⅰ加氫產(chǎn)物含10類化合物，而LCO-Ⅱ加氫產(chǎn)物僅含5類化合物，且大多是高十六烷值組分[16]。LCO-Ⅱ加氫產(chǎn)物的鏈烷烴質量分數(shù)高達47%，且碳數(shù)分布在C13～C16的鏈烷烴質量分數(shù)都各超過5%，碳數(shù)分布在17～22的鏈烷烴質量分數(shù)都在2%左右；環(huán)烷烴質量分數(shù)高達35%，且質量分數(shù)超過4%的碳數(shù)分布于C14～C16，這說明一環(huán)環(huán)烷烴的取代基碳數(shù)集中在8～11，二環(huán)環(huán)烷烴的取代基碳數(shù)集中在4～7。正是這些高十六烷值組分的C13～C22長鏈鏈烷烴導致了表4中的結果。

3 結 論

(1) 催化裂化柴油經(jīng)加氫精制第一反應器脫除大部分硫、氮，并部分飽和芳烴，再經(jīng)第二反應器進行芳烴深度飽和后，密度、折射率、硫含量、氮含量、總芳烴含量均減小，氫含量和十六烷值提高。加氫精制后的柴油芳烴含量與化學氫耗、折射率、密度成線性關系。

(2) 不同催化裂化柴油加氫精制后的芳烴含量與十六烷值的線性擬合斜率和截距不同，與柴油的烴類組成和碳數(shù)分布密切相關。截距的數(shù)值代表了芳烴完全飽和時的十六烷值，斜率的數(shù)值反映了芳烴飽和對十六烷值的貢獻。對總芳烴質量分數(shù)為88.2%的催化裂化柴油LCO-Ⅰ，芳烴含量每降低1百分點，十六烷值可提高0.26個單位，芳烴完全飽和時十六烷值可達到42；對總芳烴質量分數(shù)為31.3%的混合柴油LCO-Ⅱ，芳烴含量每降低1百分點，十六烷值可提高0.66個單位。

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INFLUENCE OF HYDROTREATING DEPTH ON PROPERTIES OF LCO

Zheng Renyang， Xin Jing， Zhang Runqiang， Li Mingfeng

(ResearchInstituteofPetroleumProcessing，SINOPEC，Beijing100083)

The influence of hydrotreating depth on the properties of diesel with low-sulfur and low-aromatic was investigated by simulating two-stage hydrotreating technology using two separate fixed-bed microreactors and different light cycle oils (LCO) feeds. The first reactor was packed with Ni-W sulfide catalyst， and the second reactor was packed with Pt-Pd noble metal catalyst. By adjusting the space velocity and reaction pressure， diesels with various hydrotreating depths were obtained. The results show that after deep hydrotreating， the density， refractive index， and the content of sulfur， nitrogen， and total aromatics decrease， while the hydrogen content and cetane number (CN) increase. The aromatic content of hydrotreated diesel is linearly related to the chemical hydrogen consumption， refractive index， density， and CN. The slope and intercept of the linear fitting of aromatic content and CN are different for various LCO， closely relating to the hydrocarbon compositions and the carbon number distributions. The intercept represents the CN of diesel after full aromatic saturation， and the slope reflects the contributions of aromatic saturation to CN. For feed LCO-Ⅰ with 88% of aromatic content， the CN will increase 0.26 units for every 1% reduction in aromatic content， and will reach up to 42.0 units after aromatic saturation in full. For the hybrid diesel LCO-Ⅱ with 31% of aromatic content， every 1% reduction of aromatic content will increase the CN of 0.66 units.

light cycle oil (LCO)； hydrotreating； aromatic saturation； cetane number

2014-03-10； 修改稿收到日期： 2014-06-21。

鄭仁垟，博士，工程師，從事加氫催化劑的應用基礎研究工作。

李明豐，E-mail：limf.ripp@sinopec.com。

國家重點基礎研究發(fā)展“973”計劃資助項目(2012CB224802)和國家科技支撐計劃課題(2012BAE05B03)資助項目。

參加本工作的還有中國石化石油化工科學研究院的李會峰。