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        加氫法生產(chǎn)環(huán)保橡膠油的8種特定多環(huán)芳烴與總多環(huán)芳烴含量對應(yīng)關(guān)系的研究

        2018-05-07 05:39:33韓龍年田義斌張海洪宋君輝
        石油煉制與化工 2018年5期
        關(guān)鍵詞:催化劑工藝質(zhì)量

        韓龍年,田義斌,張海洪,宋君輝

        (中海油煉油化工科學(xué)研究院,山東 青島 266500)

        由于輪胎和橡膠行業(yè)所使用芳烴油的多環(huán)芳烴含量較高,而部分多環(huán)芳烴對生物體具有致癌、致畸作用和生殖毒性,很多國家的法規(guī)中均公認(rèn)芳烴是一種具有潛在毒性和致癌性的物質(zhì)。為了實現(xiàn)化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo),歐洲橡膠工業(yè)聯(lián)合協(xié)會和國際合成橡膠生產(chǎn)者學(xué)會共同宣布于2010年1月1日起在輪胎中使用無毒性橡膠油,即環(huán)保型橡膠填充油[1]。

        本研究以加氫工藝生產(chǎn)CA值大于12%的環(huán)保橡膠油為目標(biāo),考察不同原料、不同加氫催化劑及不同工藝條件下,其PAHs與PCA含量的對應(yīng)關(guān)系,一方面是佐證加氫法環(huán)保橡膠油中PAHs與PCA含量之間的不一致性,另一方面建立PAHs與PCA含量之間的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,用以指導(dǎo)實際的工業(yè)生產(chǎn)。

        1 實 驗

        1.1 原料油

        實驗所用原料油為3種不同類型的環(huán)烷基減三線餾分油,主要性質(zhì)見表1。從表1可以看出:3種原料油的PAHs質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于100 μgg,尤以原料3的PAHs含量最大,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為195.3 μgg,CA均大于20%;其中原料2的PCA質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,僅有7.8%,均適宜通過多環(huán)芳烴的選擇性加氫生產(chǎn)CA大于12%的環(huán)保橡膠油。

        表1 原料油的主要性質(zhì)

        1.2 分析方法

        PAHs含量的分析委托廣州通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司完成,采用GC-MS方法。參照US EPA 8270D2007方法,檢測下限為0.5 μgg。PCA含量的分析采用二甲亞砜折射率法,參照英國石油學(xué)會制定的標(biāo)準(zhǔn)IP 34696,采用液液萃取法,將多環(huán)芳烴萃取出來進行測定。

        1.3 試驗裝置及催化劑

        在300 mL連續(xù)等溫固定床加氫中試試驗裝置上進行試驗,采用氫氣一次通過的工藝流程。采用國內(nèi)外通用的市售潤滑油加氫催化劑A、B以及實驗室制備的潤滑油加氫催化劑C、D。催化劑均以W,Mo,Ni中的2種金屬氧化物的組合為活性組分,比表面積大,孔結(jié)構(gòu)中孔徑6~10 nm的孔所占的比例較大,適宜環(huán)烷基重質(zhì)餾分油中多環(huán)芳烴等大分子烴類在孔道中的擴散及選擇性加氫脫除。活性金屬氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為30%,在較大比表面積的催化劑上將提供更多適合多環(huán)芳烴加氫飽和的活性中心。實驗用催化劑的物化性質(zhì)見表2。

        表2 催化劑的物化性質(zhì)

        1)助劑的類型不同。

        2 結(jié)果與討論

        以不同的原料油,不同類型的加氫催化劑,在不同工藝條件下制備環(huán)保橡膠油,考察其PAHs與PCA含量之間的對應(yīng)關(guān)系。

        2.1 原料油的影響

        在氫分壓為15 MPa、氫油體積比為1 000∶1、體積空速為基準(zhǔn)時,不同溫度下制備環(huán)保橡膠油,結(jié)果見表3。

        表3 不同原料油制備環(huán)保橡膠油PAHs與PCA含量的對比

        從表3可以看出,以不同的原料油制備CA大于12%的環(huán)保橡膠油時,其PAHs與PCA含量的對應(yīng)關(guān)系為:當(dāng)環(huán)保橡膠油的PCA質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3%時,其PAHs滿足歐盟環(huán)保指標(biāo)的要求,而環(huán)保橡膠油的PAHs合格時,其PCA含量不一定合格,當(dāng)且僅當(dāng)PAHs總質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.0 μgg或是未檢出時,PCA質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足小于3%的指標(biāo)要求。

        2.2 加氫催化劑的影響

        采用原料油1,在氫分壓為15 MPa、氫油體積比為1 000∶1、體積空速為基準(zhǔn)時,進行不同類型加氫催化劑制備環(huán)保橡膠油的考察,其PAHs與PCA含量的對比見表4。

        從表4可以看出,對于不同類型潤滑油加氫催化劑制備的環(huán)保橡膠油,當(dāng)環(huán)保橡膠油的PCA質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3%時,其PAHs可以滿足歐盟環(huán)保指標(biāo)的要求,而環(huán)保橡膠油的PAHs合格時,其PCA含量卻不一定合格,當(dāng)且僅當(dāng)PAHs質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.0 μgg或未檢出時,其PCA質(zhì)量分?jǐn)?shù)才滿足小于3%的指標(biāo)要求。加氫法環(huán)保橡膠油PAHs與PCA含量的對應(yīng)關(guān)系不因催化劑類型的改變而不同。

        表4 不同催化劑制備環(huán)保橡膠油的PAHs與PCA含量的對比

        2.3 工藝條件的影響

        采用原料油1、催化劑B,在加氫中試裝置上考察工藝條件變化對環(huán)保橡膠油性質(zhì)及操作空間的影響(本文操作空間僅指反應(yīng)溫度,詳細的工藝考察見文獻[4])。

        2.3.1反應(yīng)溫度在氫分壓為16.0 MPa、氫油體積比為1 000∶1、體積空速為(基準(zhǔn)+0.5)h-1的條件下,考察反應(yīng)溫度對環(huán)保橡膠油產(chǎn)品性質(zhì)的影響,結(jié)果見表5。

        從表5可以看出,隨著反應(yīng)溫度的升高,環(huán)保橡膠油的CA值、PAHs與PCA含量均以指數(shù)函數(shù)的形式降低,符合加氫動力學(xué)反應(yīng)規(guī)律。環(huán)保橡膠油的PAHs與PCA含量的對應(yīng)關(guān)系仍同2.1節(jié)。此外,以PAHs為環(huán)保橡膠油的控制指標(biāo)時,其操作空間(反應(yīng)溫度)較以PCA含量為控制指標(biāo)寬。

        2.3.2氫分壓在體積空速為(基準(zhǔn)+0.5)h-1、氫油體積比為1 000∶1的條件下,考察氫分壓變化對環(huán)保橡膠油產(chǎn)品性質(zhì)的影響,結(jié)果見表6。

        注:式中x為反應(yīng)溫度,℃。

        表6 氫分壓對環(huán)保橡膠油產(chǎn)品性質(zhì)的影響

        從表6可以看出:氫分壓越高,環(huán)保橡膠油的CA值、PAHs及PCA含量越低;環(huán)保橡膠油的PAHs與PCA含量的對應(yīng)關(guān)系亦同2.1節(jié)。

        2.3.3空速在氫分壓為15.0 MPa、氫油體積比為1 000∶1的條件下,考察空速對環(huán)保橡膠油性質(zhì)的影響,結(jié)果見表7。

        表7 空速對環(huán)保橡膠油性質(zhì)的影響

        從表7可以看出:反應(yīng)溫度相同,空速增加時,環(huán)保橡膠油的CA值、PAHs與PCA含量增大;環(huán)保橡膠油PAHs與PCA含量的對應(yīng)關(guān)系同2.1節(jié)??账僭黾訒r,加氫法制備環(huán)保橡膠油的操作空間偏向高溫方向。

        2.4 結(jié)果分析

        環(huán)保橡膠油中的PAHs結(jié)構(gòu)均為4個或5個環(huán)相連的芳香環(huán)共軛體系。對于多環(huán)芳烴的加氫脫除,其反應(yīng)速率取決于芳烴分子結(jié)構(gòu)的諸多因素。對于縮合型的多環(huán)芳烴,環(huán)數(shù)越多,第一個環(huán)的相對反應(yīng)速率越高,尤其是那些位置比較突出,空間阻礙小,需氫少的芳環(huán)。隨著飽和度加深,芳香環(huán)的“芳香性”越來越接近于苯,隨后各環(huán)的加氫飽和依次變得越來越困難[5]。因此,相對于原料油中PCA的加氫脫除,PAHs的加氫脫除較為容易,其共軛體系中有一個芳香環(huán)加氫飽和后,PAHs的總量就會降低,而被飽和的多環(huán)芳烴仍是3個或4個芳香環(huán)相連的共軛體系,仍屬于稠環(huán)芳烴。此外,由于潤滑油加氫催化劑無裂化活性或裂化活性很弱,被飽和的環(huán)烷環(huán)進一步開環(huán)裂解的反應(yīng)速率較低,分子結(jié)構(gòu)中環(huán)烷環(huán)的存在使多環(huán)芳烴進一步的加氫飽和受到空間位阻的限制。

        在分析過程中,二甲基亞砜抽提物中包括致癌和非致癌的多環(huán)芳烴,選擇性不高。致癌多環(huán)芳烴通過加氫飽和或開環(huán)、斷側(cè)鏈后轉(zhuǎn)化為非致癌多環(huán)芳烴,但其結(jié)構(gòu)特征仍與致癌多環(huán)芳烴類似,二甲基亞砜對其選擇性和溶解性仍較強,將其以PCA萃取出來,尤其是對于環(huán)烷基餾分油更是如此[6]。以上原因造成加氫法環(huán)保橡膠油中PAHs與PCA含量的對應(yīng)性不好。

        2.5 關(guān)聯(lián)模型

        基于實驗室現(xiàn)有的分析數(shù)據(jù),建立了加氫法環(huán)保橡膠油中PAHs與PCA含量之間的關(guān)聯(lián)式,數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果見圖1。

        圖1 PAHs與PCA含量的關(guān)聯(lián)模型

        從圖1可以看出,擬合曲線(yPAHs=0.036 3xPCA3.186 6)的R2為0.982 2,相關(guān)系數(shù)較高,可在一定范圍內(nèi)利用環(huán)保橡膠油中PCA含量的分析數(shù)據(jù)來預(yù)測PAHs含量,避免在實際工業(yè)生產(chǎn)中因外送PAHs的GC-MS分析耗時過長而導(dǎo)致裝置調(diào)整滯后的弊端,盡量使工業(yè)生產(chǎn)做到實時監(jiān)控,降低操作成本。

        3 結(jié) 論

        (1)對于加氫工藝生產(chǎn)環(huán)保橡膠油,其PAHs含量與PCA含量的對應(yīng)關(guān)系為:當(dāng)環(huán)保橡膠油的PCA質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于3%時,其PAHs含量滿足歐盟環(huán)保指標(biāo)的要求,而其PAHs合格時,其PCA含量不一定合格,當(dāng)且僅當(dāng)PAHs質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.0 μgg或是未檢出時,環(huán)保橡膠油的PCA質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足小于3%的指標(biāo)要求。

        (2)對于單段加氫工藝制備環(huán)保橡膠油,以PAHs含量為環(huán)保橡膠油的控制指標(biāo)時,其操作空間(反應(yīng)溫度)較以PCA含量為控制指標(biāo)寬。

        (3)建立加氫法環(huán)保橡膠油中PAHs與PCA含量的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式y(tǒng)PAHs=0.036 3xPCA3.186 6,相關(guān)系數(shù)為0.982 2,可在一定范圍內(nèi)通過PCA含量的分析數(shù)據(jù)進行PAHs含量的預(yù)測。

        [1] Blainey M,de Avila C,Vander Z P.REACH:Substances in articles—A step in the right direction[J].Journal for European Environmental & Planning Law,2007,4(6):424-439

        [2] 歐盟委員會.《化學(xué)品注冊、評估、授權(quán)和限制法規(guī)》(REACH 法規(guī)),(EU)No 12722013,2013-12-07

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        [4] 宋君輝,韓龍年,楊瑯,等.環(huán)烷基減壓蠟油生產(chǎn)環(huán)保橡膠油的加氫工藝研究[J].石油與天然氣化工,2017,46(1):17-21

        [5] 韓崇仁.加氫裂化工藝與工程[M].北京:中國石化出版社,2001:585-586

        [6] 張卉,馬莉莉,曹逸飛,等.環(huán)保橡膠油中PCA與多環(huán)芳烴含量的對應(yīng)關(guān)系研究[J].潤滑油,2017,32(1):60-64

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