王 迪,李福超,魏曉麗,張久順,代振宇
(中國石化石油化工科學研究院,北京 100083)
原油的重質(zhì)化和劣質(zhì)化使得催化裂化工藝摻煉渣油、焦化蠟油等高氮原料油的比例逐漸增大,這也使得含氮化合物對催化裂化過程的影響日益明顯。含氮化合物由于質(zhì)子親和力較強,容易與催化劑酸中心作用導致催化劑失活[1],汽油中的氮化物會導致汽油顏色變深[2],柴油中的氮化物會影響柴油安定性[3],催化裂化過程中產(chǎn)生的氨氣、NOx及氰化物等會導致設(shè)備腐蝕[4-5],NOx排放到大氣中也會造成嚴重的環(huán)境污染[6]。因此,隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴格和油品質(zhì)量的不斷升級,研究含氮化合物在催化裂化過程中的轉(zhuǎn)化規(guī)律,探究含氮化合物轉(zhuǎn)化的影響因素及其轉(zhuǎn)化機理,為催化裂化加工高氮原料油的工藝優(yōu)化、催化劑設(shè)計和新技術(shù)開發(fā)提供理論參考。本研究采用小型固定流化床裝置,考察以吲哚為代表的非堿性氮化物對催化裂化過程的影響,以及非堿性氮化物在催化裂化過程中的分布規(guī)律和反應(yīng)化學。
重質(zhì)原料油為大慶減壓蠟油(VGO),主要性質(zhì)見表1;模型化合物為吲哚,純度98.0%。通過在大慶減壓蠟油中添加一定量的吲哚,分別獲得高氮原料油IVGO。實驗所用催化劑由中國石化催化劑分公司生產(chǎn),主要物化性質(zhì)見表2。
表2 催化劑的主要物化性質(zhì)
采用小型固定流化床裝置(FFB)進行催化裂化反應(yīng),反應(yīng)油氣與催化劑分離后經(jīng)過冷凝、冷卻得到液體產(chǎn)物和裂化氣,將積炭催化劑進行在線燒焦,通過煙氣分析儀測得煙氣組成,并根據(jù)其中碳氧化物含量數(shù)據(jù)計算焦炭產(chǎn)率。通過簡單蒸餾對得到的液體產(chǎn)物進行餾分切割,分別得到汽油(初餾點~205 ℃)、柴油(205~350 ℃)以及重油(大于350 ℃)餾分。
為了進一步研究非堿性氮化物的反應(yīng)化學,采用DassaultBiovia公司開發(fā)的分子模擬軟件Material Studio 2016構(gòu)建吲哚及烴分子的結(jié)構(gòu)模型,選用該軟件中基于密度泛函理論的Dmol3模塊進行結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化、電子信息的展示以及相關(guān)熱力學和動力學參數(shù)的計算。Dmol3計算過程中選用基于廣義梯度近似(GGA)的BLYP泛函、TNP基組,自洽場(SCF)迭代收斂的閾值設(shè)為1×10-6Ha。收斂精度為:能量1×10-5Ha,受力0.000 2 Hanm,位移5×10-4nm。過渡態(tài)的搜索采用完全線性同步和二次同步變換(Complete LSTQST)方法。
采用離子色譜法測定汽提水中銨根濃度以得到裂化氣中氨氣含量;汽油和柴油中的氮化物采用GC-MS進行定性分析,采用GC-NCD進行定量分析;重油中的氮化物采用舟進樣化學發(fā)光法進行定量分析,采用FT ICR MS進行定性分析。
催化裂化產(chǎn)物的氮選擇性定義為氮分布,其中裂化氣和液體產(chǎn)物各組分的氮選擇性計算式如下[7]:
積炭催化劑上氮化物的分布由減差法獲得。
以吲哚質(zhì)量分數(shù)分別為2%,4%,8%的混合原油(IVGO)為原料,在反應(yīng)溫度為520 ℃、劑油質(zhì)量比為8、質(zhì)量空速為7.5 h-1的條件下,吲哚對大慶VGO催化裂化反應(yīng)的影響見表3。從表3可以看出:①原料油氮質(zhì)量分數(shù)從689 μgg升高到10 207 μgg,轉(zhuǎn)化率從82.07%降至56.35%,這是由于吲哚在催化劑上的吸附導致催化劑活性中心數(shù)量減少,使得裂化反應(yīng)減少,從而導致反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低;②干氣(H2~C2)產(chǎn)率隨吲哚添加量變化幅度較小,但由于反應(yīng)轉(zhuǎn)化率顯著降低,干氣選擇性明顯變差,這是因為吲哚在催化劑酸中心上吸附增加,使得活性中心數(shù)量減少,反應(yīng)轉(zhuǎn)化率顯著降低,因此干氣產(chǎn)率變化不大,但由于催化劑性質(zhì)變差,使得干氣選擇性變差;③原料油氮質(zhì)量分數(shù)從689 μgg升高到10 207 μgg,液化氣(C3~C4)收率從23.89%降低至12.83%,汽油收率從55.24%降低至40.97%,而柴油收率顯著升高,可能是因為含氮化合物吸附在催化劑酸中心上,減少了活性中心數(shù)量,減少了裂化反應(yīng),由重油和柴油裂化為汽油和液化氣的比例下降,從而導致汽油和液化氣收率顯著下降;④焦炭產(chǎn)率隨吲哚加入量的增大而降低,可能是由于氮含量升高,更多的含氮化合物吸附在催化劑活性中心上,由于競爭吸附效應(yīng)[8-10],顯著減少了烴類的吸附和反應(yīng),從而使得原料油反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低,因此焦炭產(chǎn)率降低。
表3 吲哚對大慶VGO催化裂化反應(yīng)的影響
為了便于分析吲哚的轉(zhuǎn)化情況,將各產(chǎn)物中含氮化合物含量減去相同條件下大慶VGO產(chǎn)物中含氮化合物含量,并以吲哚為基準計算各產(chǎn)物中含氮化合物的分布。4%IVGO催化裂化產(chǎn)物氮分布及吲哚轉(zhuǎn)化率見表4。從表4可以看出:63.18%的吲哚在經(jīng)過催化裂化反應(yīng)后發(fā)生了轉(zhuǎn)化;原料油中54.15%的氮分布于柴油餾分中,這是由于吲哚沸點為253 ℃,處于柴油餾分段,雖然在分餾過程中由于含氮化合物會與油品中的一些物質(zhì)形成共沸物[11-13]或存在其它相互作用,不會完全進入柴油餾分中,但未反應(yīng)的吲哚大部分保留在柴油中,使得柴油氮占原料氮的50%以上;原料油中24.88%的氮轉(zhuǎn)化到焦炭中,其中可能包括吸附焦和縮合焦[14];原料油中12.58%的氮分布于汽油餾分中,4.46%的氮轉(zhuǎn)化為氨氣,可能主要來自于苯胺的裂化反應(yīng)[15];進入重油餾分中的氮不足5%,其中的氮化物可能主要由吲哚通過烷基化、環(huán)化脫氫等反應(yīng)產(chǎn)生。
表4 4%IVGO催化裂化產(chǎn)物氮分布和吲哚轉(zhuǎn)化率
在反應(yīng)溫度為520 ℃、劑油質(zhì)量比為8、質(zhì)量空速為7.5 h-1的條件下,4%IVGO催化裂化產(chǎn)物汽油和柴油(初餾點~350 ℃餾分,簡稱汽柴油)中含氮化合物的選擇性見表5。從表5可以看出,在小于350 ℃液體餾分中,吲哚轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中烷基吲哚類的選擇性最高。對吲哚的烷基化反應(yīng)進行分子模擬計算,其反應(yīng)路徑如圖1所示,該反應(yīng)能壘△E為103.8 kJ/mol,吉布斯自由能△G為—236.3 kJ/mol,因此,該反應(yīng)發(fā)生的可能性較大,且能壘較低,從而解釋了吲哚產(chǎn)物中烷基吲哚類含量高的原因。
表5 4%IVGO催化裂化汽柴油產(chǎn)物中含氮化合物的選擇性
圖1 吲哚的烷基化反應(yīng)路徑
IVGO裂化產(chǎn)物汽柴油中苯胺類選擇性也較高。由于吲哚轉(zhuǎn)化為氨氣和苯胺,說明其分子中的氮環(huán)發(fā)生了開環(huán)裂化反應(yīng)。吲哚的鍵能見圖2。從圖2可以看出,C—C、C—H和C—N鍵的鍵能都明顯較高,在催化裂化條件下,較難直接開環(huán)裂化。因此,吲哚分子中的氮環(huán)或苯環(huán)可能通過負氫離子轉(zhuǎn)移得到了飽和。
圖2 吲哚的鍵能(kJmol)
為了研究氫轉(zhuǎn)移反應(yīng)的難易程度,采用分子模擬的方法計算吲哚的氫化能,結(jié)果見表6。從表6可以看出,吲哚分子中氮環(huán)的氫化能為-48.2 kJmol,吲哚中苯環(huán)的氫化能為-123.3 kJmol,因此,吲哚在催化裂化條件下通過負氫離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飽和時,更傾向于優(yōu)先飽和含氮的環(huán),吲哚含氮環(huán)得到飽和后,即有可能發(fā)生開環(huán)脫氮反應(yīng);進一步比較吲哚的氫化能,可以發(fā)現(xiàn),吲哚中的兩個環(huán)單獨被飽和時的總氫化能為-171.5 kJmol(兩個離域能的和),但當吲哚中的兩個環(huán)同時被飽和時,其實際氫化能高達-232.6 kJmol,表明兩個環(huán)之間存在超離域,意味著吲哚在飽和時更傾向于飽和1個含氮環(huán),生成部分飽和吲哚產(chǎn)物,進而發(fā)生開環(huán)脫氮反應(yīng)。
表6 吲哚的氫化能
二氫吲哚的部分鍵能見圖3。從圖3可以看出,最可能發(fā)生裂化的鍵是鍵能為296.1 kJmol的N—C鍵和鍵能為293.8 kJmol的C—C鍵,其開環(huán)裂化反應(yīng)熱力學和動力學數(shù)據(jù)見表7。從表7可以看出,二氫吲哚開環(huán)裂化生成烷基苯胺的兩類反應(yīng)△G都較大,且能壘不高,在催化裂化反應(yīng)過程中較容易發(fā)生,從而解釋了吲哚產(chǎn)物中苯胺類含量較高的原因。而由于吲哚分子中苯環(huán)較難飽和,理論上其產(chǎn)物中由開環(huán)裂化反應(yīng)生成的吡咯類含量很低。
圖3 二氫吲哚的部分鍵能(kJ/mol)
反應(yīng)式△E∕(kJ·mol-1)△G∕(kJ·mol-1)1617-8491337-1082
同時,在吲哚的反應(yīng)產(chǎn)物中檢測到了少量吡啶、喹啉、苯并喹啉等六元氮雜環(huán)化合物。研究表明[16],裂化產(chǎn)生的氨氣與烯烴(包括脂肪族和芳香族)發(fā)生聚合反應(yīng)生成苯胺類、吡啶類及吡咯類氮化物,其分子模擬計算得到的反應(yīng)路徑如圖4所示。而生成的吡啶、吡咯可能進一步發(fā)生烷基化、環(huán)化縮合反應(yīng)生成更大的分子[14],其反應(yīng)路徑如圖5所示,因此,吲哚產(chǎn)物中的大分子五元氮雜環(huán)化合物如咔唑類,可能來源于小分子五元氮雜環(huán)化合物的烷基化、環(huán)化縮合反應(yīng);產(chǎn)物中的吡啶類和喹啉類可能是由烯烴和氨氣或苯胺發(fā)生環(huán)化縮合反應(yīng)生成。
圖4 烯烴和氨氣環(huán)化縮合反應(yīng)路徑
圖5 吡啶和吡咯環(huán)化縮合反應(yīng)路徑
于煦[17]提到醇類與氨氣、四氫呋喃與氨氣以及氨醇類也可反應(yīng)生成四氫吡咯,因此吲哚反應(yīng)產(chǎn)物中的吡咯可能來源于吲哚裂化反應(yīng),或氨氣和烯烴的環(huán)化縮合反應(yīng),也可能來源于四氫吡咯的脫氫反應(yīng)。
小分子氮化物可發(fā)生烷基化、環(huán)化縮合等反應(yīng)。吲哚催化裂化產(chǎn)物重油餾分中不同缺氫數(shù)的含氮化合物的氮選擇性見圖6。從圖6可以看出,在IVGO裂化的重油產(chǎn)物中,缺氫數(shù)分別為-15,-21,-33的含氮化合物-15N1(缺氫數(shù)為-15的含1個氮原子的化合物),-21N1,-33N1的氮選擇性最高,而-19N1和-25N1的氮選擇性較低。其中,-15N1和-21N1可能分別為帶有較大烷基側(cè)鏈的咔唑和苯并咔唑,-33N1可能為縮合程度更高的咔唑類氮化物。
圖6 不同缺氫數(shù)含氮化合物的氮選擇性
(1)以吲哚為代表的非堿性氮化物的加入會導致大慶VGO反應(yīng)轉(zhuǎn)化率下降,干氣選擇性變差,LPG和汽油產(chǎn)率下降;吲哚含量越高,影響越大。
(2)吲哚經(jīng)過催化裂化反應(yīng),原料油中54.15%的氮分布于柴油餾分中,24.88%的氮轉(zhuǎn)化到焦炭中,12.58%的氮分布于汽油餾分中,4.46%的氮轉(zhuǎn)化為氨氣,進入重油餾分中的氮不足5%。
(3)吲哚在催化裂化過程中發(fā)生烷基化反應(yīng)的可能性最大;在氫轉(zhuǎn)移飽和的過程中,吲哚分子中氮環(huán)更易被飽和,進而發(fā)生開環(huán)裂化反應(yīng)生成苯胺類氮化物和氨氣。烯烴和氨氣可通過環(huán)化縮合反應(yīng)生成苯胺、喹啉類六元氮雜環(huán)化合物;吲哚反應(yīng)產(chǎn)物中的大分子氮化物可能由產(chǎn)物中的小分子氮雜環(huán)化合物發(fā)生烷基化、環(huán)化縮合反應(yīng)產(chǎn)生。
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