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        煤液化油加氫脫硫反應(yīng)動力學研究

        2022-11-03 12:34:12王光耀李偉林
        煤質(zhì)技術(shù) 2022年5期

        王光耀,李偉林,趙 淵

        (1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院,北京 100013;2.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室,北京 100013;3.昆侖保險經(jīng)紀股份有限公司 技術(shù)研發(fā)部,北京 100070)

        0 引 言

        保障能源供給安全事關(guān)國家經(jīng)濟社會發(fā)展,在我國缺油少氣的資源稟賦不可改變的前提下,發(fā)展煤制油技術(shù)具有重大的戰(zhàn)略和現(xiàn)實意義[1-3]。煤直接液化技術(shù)采用懸浮床加氫反應(yīng)器,反應(yīng)溫度一般>400 ℃,在催化劑與氫氣作用下煤中有機質(zhì)分解,大量自由基碎片加氫穩(wěn)定,形成煤液化油[4-5]。煤液化油保留了煤中有機質(zhì)分子特點,芳烴含量高、雜原子含量高、穩(wěn)定性差,還需進一步脫除硫、氮等雜原子,才能轉(zhuǎn)化為合格成品油[6-7]。目前國Ⅵ柴油標準要求硫含量<10 mg/kg,隨著油品質(zhì)量升級步伐加快,油品深度凈化要求是未來能源的必然趨勢[8];另一方面,隨著成品油需求增長放緩,液化油制化學品、特種溶劑[9]等技術(shù)方向成為了更加緊迫的任務(wù)。然而,無論是制燃料油還是制化學品,都要首先對油品進行含硫化合物脫除。油品中含硫化合物的脫除一般需要采用加氫的方式完成。許多文獻[10-12]研究表明,固定床加氫精制對煤液化油具有明顯的穩(wěn)定和改質(zhì)作用。因此研究煤液化油中含硫化合物分布形態(tài)與加氫脫除規(guī)律有利于推動煤化工清潔油品技術(shù)發(fā)展,實現(xiàn)煤化工產(chǎn)品技術(shù)升級[13]。

        動力學研究可以為加氫反應(yīng)器設(shè)計、新型催化劑開發(fā)提供理論指導。李偉林[14]等采用高壓釜研究了煤直接液化低分油加氫脫硫脫氮動力學模型,實驗條件下總硫的加氫脫除反應(yīng)符合表觀一級動力學?;诳偭蚝拷⒌膭恿W模型雖然能夠一定程度上反應(yīng)加氫脫硫規(guī)律,但由于未充分考慮不同類型含硫化合物加氫脫除速率差異,適用范圍較為局限。筆者采用GC -PFCD分析了加氫前后煤液化油中不同類型含硫化合物分布規(guī)律,建立了基于不同組分差異反應(yīng)速率的煤液化油加氫動力學模型,匹配煤液化油組分特點,適用范圍更廣,可為煤液化油加氫精制工藝設(shè)計提供理論指導。

        1 試 驗

        1.1 試驗原料

        實驗所用的原料油為煤炭科學技術(shù)研究院有限公司0.12 t/d懸浮床煤直接液化連續(xù)實驗裝置加氫產(chǎn)物,具體性質(zhì)分析見表1,硫/氮含量數(shù)據(jù)由Antek 9000微量氮硫分析儀測得。采用Agilent-6890雙通道模擬蒸餾儀,依據(jù)ASTM D2887方法對原料油進行模擬蒸餾實驗,具體餾程如圖1所示。采用國產(chǎn)NiMoW系工業(yè)催化劑對煤液化油進行加氫實驗,催化劑具體性質(zhì)見表2。

        圖1 原料油模擬蒸餾曲線

        表1 原料油性質(zhì)分析

        表2 加氫催化劑性質(zhì)

        1.2 試驗裝置及方法

        1.2.1試驗裝置

        加氫實驗在10 mL連續(xù)固定床加氫裝置上進行,10 mL固定床加氫流程如圖2所示。整個裝置分為進氣單元、進料單元、反應(yīng)單元、分離單元、尾氣計量單元。氫氣經(jīng)壓縮機增壓后進入系統(tǒng),在反應(yīng)器上部與油泵輸送的原料混合進入反應(yīng)器。反應(yīng)器的控溫分為3段,催化劑裝填在中間恒溫段,上下兩端由瓷球保護。反應(yīng)產(chǎn)物由反應(yīng)器下部離開反應(yīng)器,經(jīng)分離器進入產(chǎn)品罐,氣體產(chǎn)物經(jīng)尾氣計量后排出系統(tǒng)。

        1—壓縮機;2—原料罐;3—進料泵;4—固定床反應(yīng)器;5—分離器;6—產(chǎn)品罐;7—流量計

        1.2.2試驗方法

        在進行加氫反應(yīng)前,首先對催化劑進行預(yù)硫化,以含有體積分數(shù)1%二甲基二硫醚(DMDS)的航空煤油,按照催化劑的硫化曲線進行24 h預(yù)硫化。之后進行加氫實驗,反應(yīng)器壓力選取12 MPa;氫油比800 v/v;反應(yīng)溫度為260 ℃、280 ℃、300 ℃、320 ℃;液時空速(LHSV)為1 h-1、1.5 h-1、2 h-1、3 h-1。

        1.3 分析方法

        實驗油品組成分析采用Trace DSQ GC-MS,色譜柱為HP-5MS型石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);色譜柱初始溫度40 ℃保持5 min,以8 ℃/min速率升溫至300 ℃,保持5 min。載氣為高純He,恒流為1 mL/min,分流比為100∶1。質(zhì)譜采用EI源,70 eV;燈絲電流為100 μA;倍增器電壓為1 200 V;掃描范圍為45 amu~500 amu。含硫化合物分析采用GC-PFPD方法,色譜柱為HP-5型石英毛細管柱(15 m×0.53 mm×1.5 μm),使用O·I·Analytical 5380型PFPD檢測器。色譜柱溫45 ℃保持5 min,以10 ℃/min的速率升至300 ℃,保持5 min。進樣器溫度為280 ℃,氮氣為載氣,進樣量0.1 μL。分流進樣,分流比為100∶l。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 煤液化油中不同類型含硫化合物組成分析

        煤液化油中各種含硫化合物定量結(jié)果見表3,原料油GC-PFPD譜圖如圖3所示。

        圖3 原料油GC-PFPD圖譜

        表3 煤液化油中不同含硫化合物含量

        煤液化油中很多含硫化合物經(jīng)過了芳環(huán)化合物或者雜環(huán)上的不完全加氫,得到了很多不同于石油系分子結(jié)構(gòu)的中間加氫產(chǎn)物。筆者采取按照類別劃分的方法,將所有的含硫化合物進行分析和歸類。為方便起見,硫醇用MN(mercaptan)表示,硫醚用TE(thioether)表示,噻吩用T(thiophene)表示,噻吩類化合物用Ts表示,苯并噻吩用BT(benzothiophene)表示,苯并噻吩類化合物用BTs表示,二苯并噻吩用DBT(dibenzothiophene)表示,二苯并噻吩類化合物用DBTs表示,C1~Cn分別為含有1~n個碳原子的烷基基團結(jié)構(gòu)。由表3可看出,煤液化油中硫醇和硫醚含量均較少,噻吩類化合物的含量<5%;含硫化合物主要集中在苯并噻吩類和二苯并噻吩類化合物,兩者合計占到所有含硫化合物的93%。

        2.2 反應(yīng)條件對加氫總脫硫率的影響

        實驗考察了不同反應(yīng)條件對煤液化油脫硫率的影響,具體結(jié)果如圖4所示。

        圖4 反應(yīng)條件對脫硫率影響

        從圖4中可看出,脫硫率隨著反應(yīng)溫度上升而上升,隨著空速下降而上升。當加氫反應(yīng)溫度<300 ℃,空速≥1.5 h-1時,脫硫率<90%。當空速為3 h-1時,隨著反應(yīng)溫度提高,脫硫率上升幅度逐漸放緩,320 ℃條件與300 ℃條件相比,脫硫率僅提高1.16%;當空速為1 h-1時,320 ℃條件下脫硫率達到了95.57%,比300 ℃條件提高了4.81%。說明要想實現(xiàn)原料油較高的脫硫率,僅提高反應(yīng)溫度是不行的,同時必須滿足與反應(yīng)溫度相適應(yīng)的空速條件。當反應(yīng)溫度<320 ℃和空速>1 h-1時,反應(yīng)溫度和空速均為決定脫硫效果的限制因素。

        2.3 反應(yīng)條件對不同類型含硫化合物脫除的影響

        實驗考察了8組不同反應(yīng)條件對各種含硫化合物的脫除效果,具體結(jié)果如圖5所示。

        圖5 反應(yīng)條件對不同含硫化合物脫除效果影響

        從圖5中可看出,硫醇、硫醚、噻吩類化合物、苯并噻吩類化合物在280 ℃,空速1 h-1時,已基本脫除干凈。值得注意的是硫醇作為易加氫物質(zhì),脫除率未達到100%,主要是由于產(chǎn)物中的硫醇并不是原料油自身含有的,而是來自于原料油中的烯烴類化合物的加氫[15]。苯并噻吩類化合物脫除率低于噻吩類化合物,主要原因是雙取代基的空間位阻效應(yīng),抑制了硫原子的吸附,從而造成脫硫率下降[16]。二苯并噻吩類化合物在加氫過程中脫除效果最差,明顯低于其他類型含硫化合物,對比噻吩類化合物與苯并噻吩類化合物可知,苯環(huán)的作用會影響加氫脫硫效果,同時由于取代基的類型和所處位置不同,會進一步抑制脫硫效率。二苯并噻吩類化合物占液化油中含硫化合物總量的54.45%,提高反應(yīng)苛刻度主要針對的是二苯并噻吩類化合物的加氫反應(yīng),此類化合物是煤液化油加氫脫硫的難點。

        2.4 脫硫反應(yīng)動力學研究

        原料油的加氫脫硫過程是多種含硫化合物脫硫動力學的綜合表現(xiàn)。傳統(tǒng)的脫硫動力學在總硫含量的基礎(chǔ)上建立,未考慮不同化合物的反應(yīng)速率差異。筆者分別對噻吩類化合物、苯并噻吩類化合物與二苯并噻吩類化合物脫硫動力學進行研究;其中由于硫醇與硫醚含量較低,此處不再考慮。該方法兼顧了含硫化合物類型對反應(yīng)速率的影響,避免了傳統(tǒng)加氫脫硫動力學模型對于反應(yīng)條件的依賴性。含硫化合物的加氫脫硫反應(yīng)為二元反應(yīng),但由于整體反應(yīng)過程中H2保持過量,有文獻[17]研究表明,可將煤液化油加氫脫硫視為單組分反應(yīng)。

        2.4.1噻吩類化合物反應(yīng)動力學

        為方便起見,用S1代替噻吩類化合物,根據(jù)動力學定義:

        (1)

        假設(shè)S1加氫反應(yīng)動力學是一級反應(yīng),不考慮氫分壓影響,此時有:

        rHDS1=kwS1

        (2)

        聯(lián)合式(1)、(2)立得:

        (3)

        對式(3)進行積分得:

        (4)

        以上公式中,rHDS1為S1的加氫反應(yīng)速率,mg/(kg·min)-1;wS1為S1的質(zhì)量分數(shù),mg/kg;wS10為S1的初始質(zhì)量分數(shù),mg/kg;k為反應(yīng)速率常數(shù),min-1;t為反應(yīng)時間,min。

        代入反應(yīng)溫度260 ℃、不同空速條件下實驗數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行回歸,260 ℃條件下S1一級反應(yīng)動力學回歸結(jié)果如圖6所示。

        圖6 260 ℃條件下S1一級反應(yīng)動力學回歸結(jié)果

        線性回歸曲線經(jīng)過原點,R2=0.991,回歸效果良好,說明噻吩類化合物的加氫脫硫反應(yīng)是按一級反應(yīng)進行的,假設(shè)改變反應(yīng)溫度不改變反應(yīng)級數(shù),分別對反應(yīng)溫度260 ℃、280 ℃、300 ℃和320 ℃條件下實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合,所得一級反應(yīng)動力學速率常數(shù)見表4。

        表4 不同反應(yīng)溫度條件下S1速率常數(shù)k

        根據(jù)阿倫尼烏斯公式:

        (5)

        將式(5)進行變形得:

        (6)

        式中,A為指前因子,min-1;E為反應(yīng)活化能,kJ/mol;R為氣體常數(shù),J/(mol·K)-1;T為反應(yīng)溫度,K。將表4中數(shù)據(jù)代入式(6),對lnk與-1/RT作圖并進行線性回歸,如圖7所示。

        圖7 S1的ln k~-1/RT回歸曲線

        圖7中所得曲線斜率為活化能E=39.47 kJ/mol,截距為lnA=5.87,曲線擬合度R2=0.970,聯(lián)立式(4)與式(5),并進行計算,最終可得噻吩類化合物加氫脫硫動力學方程為:

        2.4.2苯并噻吩類化合物反應(yīng)動力學

        苯并噻吩類化合物通常用S2代替,參照S1化合物加氫反應(yīng)動力學公式的推導,假設(shè)S2加氫反應(yīng)動力學是一級反應(yīng),不考慮氫分壓影響,代入反應(yīng)溫度260 ℃、不同空速條件下實驗數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行回歸,260 ℃條件下S2一級反應(yīng)動力學回歸結(jié)果如圖8所示,其中,wS2為S2的質(zhì)量分數(shù),mg/kg;wS20為S2的初始質(zhì)量分數(shù),mg/kg。

        圖8 260 ℃條件下S2一級反應(yīng)動力學回歸結(jié)果

        從圖8中可看出,數(shù)據(jù)分布規(guī)律線性關(guān)系較差且不能通過原點,因此說明苯并噻吩類化合物加氫脫硫反應(yīng)不適合一級反應(yīng)動力學模型。按照二級反應(yīng)動力學方程對S2加氫脫硫數(shù)據(jù)進一步進行計算,詳見公式(7)。

        (7)

        將實驗數(shù)據(jù)代入式(7)中,并對1/wS2-1/wS20和時間t作圖,如圖9所示。

        圖9 260 ℃條件下S2二級反應(yīng)動力學回歸結(jié)果

        線性回歸曲線經(jīng)過原點,R2=0.984,說明苯并噻吩類化合物的加氫脫硫反應(yīng)是按二級反應(yīng)進行的,分別對反應(yīng)溫度260 ℃、280 ℃、300 ℃和320 ℃條件下實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合,所得二級反應(yīng)動力學速率常數(shù)見表5。

        表5 不同反應(yīng)溫度條件下S2速率常數(shù)k

        參照2.4.1將表5中數(shù)據(jù)代入式(6),對lnk與-1/RT作圖,并進行線性回歸,S2的lnk~-1/RT回歸曲線如圖10所示。

        圖10 S2的ln k~-1/RT回歸曲線

        圖10所得曲線斜率為活化能E=42.77 kJ/mol,截距:lnA=2.93,曲線擬合度:R2=0.974,最終可得苯并噻吩類化合物加氫脫硫動力學方程為:

        2.4.3二苯并噻吩類化合物反應(yīng)動力學

        二苯并噻吩類化合物通常用S3代替,參照S1化合物加氫反應(yīng)動力學公式推導,假設(shè)S3加氫反應(yīng)動力學是一級反應(yīng),不考慮氫分壓影響,代入反應(yīng)溫度260 ℃、不同空速條件下實驗數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行回歸。260 ℃條件下S3一級反應(yīng)動力學回歸結(jié)果如圖11所示,其中,wS3為S3的質(zhì)量分數(shù),mg/kg;wS30為S3的初始質(zhì)量分數(shù),mg/kg。

        圖11 260 ℃條件下S3一級反應(yīng)動力學回歸結(jié)果

        線性回歸曲線經(jīng)過原點,R2=0.980,說明二苯并噻吩類化合物的加氫脫硫反應(yīng)按一級反應(yīng)進行,分別對反應(yīng)溫度260 ℃、280 ℃、300 ℃和320 ℃條件下實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合,所得一級反應(yīng)動力學速率常數(shù)見表6。

        表6 不同反應(yīng)溫度條件下S3速率常數(shù)k

        參照2.4.1,將表6數(shù)據(jù)代入式(6),對lnk與-1/RT作圖并進行線性回歸,如圖12所示。

        圖12 S3的ln k~-1/RT回歸曲線

        圖12中所得曲線斜率為活化能E=26.97 kJ/mol,截距為lnA=2.22,曲線擬合度R2=0.999,最終可得二苯并噻吩類化合物加氫脫硫動力學方程為:

        上述動力學方程分別描述不同反應(yīng)溫度下加氫過程中煤液化油噻吩類化合物(S1)、苯并噻吩類化合物(S2)和二苯并噻吩類化合物(S3)濃度隨時間的變化規(guī)律,總硫含量變化規(guī)律:wS=wS1+wS2+wS3,最終得到整體加氫脫硫動力學方程為:

        其中,S1與S3加氫脫硫反應(yīng)同為一級反應(yīng),S2加氫脫硫反應(yīng)為二級反應(yīng)。同等反應(yīng)級數(shù)下,反應(yīng)速率常數(shù)代表反應(yīng)速率快慢,kS1反應(yīng)速率常數(shù)明顯高于kS3,說明S1在反應(yīng)條件下加氫脫硫速率較快。表觀活化能大小代表了反應(yīng)受溫度影響程度,升溫對S2有明顯作用,表現(xiàn)為在低溫即得到較完整的脫除,S3受溫度影響最小,即溫度升高對反應(yīng)速率常數(shù)kS3提高幅度較小,因此二苯并呋喃類化合物最難脫除,是煤液化油加氫脫硫反應(yīng)中難反應(yīng)組分。為了對動力學方程進行驗證,將反應(yīng)320 ℃,反應(yīng)時間120 min條件下實驗結(jié)果代入動力學方程,其計算值與實驗值誤差0.59%,相對誤差較小,因此所得動力學方程可以用來預(yù)測不同條件下煤液化油加氫產(chǎn)物中硫含量分布。

        3 結(jié) 論

        (1)采用GC-PFCD對煤液化油進行分析,得到了煤液化油中含硫化合物類型及分布特點,發(fā)現(xiàn)煤液化油中含硫化合物主要集中于苯并噻吩和二苯并噻吩類化合物,其中二苯并噻吩類化合物含量高達54.45%。

        (2)經(jīng)過10 mL固定床加氫精制實驗,在反應(yīng)溫度320 ℃、空速為1 h-1時,脫硫率可達95.57%。其中硫醇、硫醚及噻吩類化合物在較緩和的加氫條件下已脫除,二苯并噻吩類化合物在加氫過程中脫除效果最差,此為煤液化油加氫脫硫的難點。

        (3)以固定床加氫脫硫?qū)嶒灁?shù)據(jù)為基礎(chǔ),分別對噻吩類化合物、苯并噻吩類化合物和二苯并噻吩類化合物進行研究,發(fā)現(xiàn)噻吩類化合物與二苯并噻吩類化合物加氫脫硫反應(yīng)符合一級反應(yīng)模型,苯并噻吩類化合物加氫脫硫反應(yīng)符合二級反應(yīng)模型。建立了基于不同組分差異加氫速率動力學模型,經(jīng)驗證,相對誤差為0.59%。

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