Система слоистых катализаторов и способ денитрофикации углеводородов
Изобретение касается системы слоистых катализаторов для гидроденитрации углеводородов, например вакуумного газойля, применяемых для гидрокрекинга для получения различного топлива. Система слоистых катализаторов согласно изобретению содержит первый слой катализатора на основе никель-молибден-фосфор/окись алюминия или катализатор на основе кобальт-молибден-фосфор/окись алюминия и катализатор второго слоя, представляющий собой катализатор на основе никель-вольфрам/двуокись кремния-окись алюминия-цеолит или катализатор на основе никель-молибден/двуокись кремния-окись алюминия-цеолит. Предпочтительными признаками комбинации раскрытых здесь слоистых катализаторов являются: катализатор первого слоя на основе алюминия имеет содержание молибдена свыше примерно 14 мас.%; катализатор первого слоя на основе окиси алюминия имеет сравнительно большой размер пор, например, по крайней мере, примерно 60 ; катализатор второго слоя содержит, по крайней мере, примерно 2% цеолитового компонента. Система слоистых катализаторов согласно этому изобретению и соответствующий способ обеспечивают улучшенную денитрификацию исходных материалов, улучшенный срок службы и другие преимущества. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 5 табл.
Изобретение касается каталитических систем и способов гидроочистки углеводородов посредством контактирования углеводорода с водородом в присутствии соответствующего катализатора. Признаком гидроочистки, который представляет особый интерес в этом изобретении, является денитрация в связи с гидрокрекингом.
Денитрификация потоков углеводородов для очистки нефти и нефтепродуктов особенно важна в процессе гидрокрекинга для снижения содержания азота в потоке исходного сырья до допустимого уровня прежде, чем поток исходного сырья углеводородов будет подвергаться процессу гидрокрекинга. В общем, желательно уменьшить содержание азота в потоке исходного сырья до уровня меньше, чем 10 ч. /млн. по массе, предпочтительно меньше, чем 2 ч./млн. причем во многих случаях для достижения повышенного срока службы катализатора важно уменьшить содержание азота до уровня меньше, чем 0,5 ч./млн. Катализаторы, которые применяют для гидронитрификации, имеют различные недостатки, включая их склонность к отравлению коксом или другими примесями при чрезмерной скорости, в результате снижается срок службы катализатора больше, чем это требуется. Когда катализатор отравляется или дезактивируется, необходимо повышать температуру процесса денитрификации для поддержания его активности. При достижении максимальной температуры, которая допускается ограничениями процесса и оборудования, катализатор необходимо заменять или регенерировать. Известны катализаторы различных составов для гидроочистки. Например, никелевомолибденовые катализаторы и подобные катализаторы раскрыты в патентах США N 4210521; 4363719; 4534852 и в заявке США N 2073770, которые указаны для справки. Однако ни одно из этих известных технических решений не направлены на решение проблем активности и повышения срока службы катализаторов тем путем, который приемлем для настоящего изобретения. Целью изобретения является создание системы катализаторов для нитрификации, которые имеют повышенный срок службы и активность и, следовательно, они более экономичны для процессов гидроочистки. Повышенный срок службы катализаторов для денитрификации обеспечивается за счет уменьшения его тенденции к закоксованию, улучшения стойкости катализаторов к ядам, а также за счет улучшения диффузии углеводородов в катализаторах. Другие цели этого изобретения станут понятны из описания. Краткое изложение изобретения. Согласно одному признаку этого изобретения получена система слоистых катализаторов для гидроочистки углеводородов, содержащая первый слой катализатора, который представляет собой катализатор на основе никеля-молибдена-фосфора/окиси алюминия или катализатор на основе кобальт-молибден-фосфор/окись алюминия, имеющий содержание свыше примерно 14% по массе катализатора первого слоя и средний размер пор, по крайней мере, примерно 60






427oC), а лучше всего в интервале примерно 720oF 760oF (382oC 404oC). Давление для эффективной работы способа согласно изобретению должно быть в пределах примерно 1000-3000 фунт/кв.дюйм, предпочтительно примерно 1200-2500 фунт/кв. дюйм, а лучше всего в интервале примерно 1500-2200 фунт/кв. дюйм. Скорость водорода на входе по отношению скорости масла должно быть находиться в пределах примерно 3500-8000 куб.фут./баррель, предпочтительно примерно 4500-6500 ст. куб.футов/баррель (С В стандартный кубический фут подаваемого водорода на баррель подаваемой нефти). Было обнаружено, что применяя эти условия и указанное исходное сырье, система катализаторов и способ согласно этому изобретению будут производить газоочищенный продукт, который будет иметь содержание азота меньше, чем примерно 10 ч./млн. более типично меньше, чем примерно 2 ч./млн. и обычно будет меньше, чем примерно 0,5 ч./млн. При определении требуемых характеристик катализатора для гидроденитрации важной характеристикой является скорость, при которой катализатор отравляется или, наоборот, скорость, при которой снижается активность катализатора. С уменьшением активности катализатора рабочую температуру процесса необходимо увеличивать для поддержания конверсии, которая требуется в процессе. Температуру можно увеличивать до тех пор, пока не будут достигнуты рабочие пределы, которыми могут быть рабочие пределы, устанавливаемые самой системой катализаторов конкретным исходным сырьем и требуемыми продуктами конверсии сырья, или температурные ограничения для применяемого оборудования. Таким образом, одним важным критерием для оценки рабочих характеристик системы катализаторов является степень потерь в активности. Очевидно, чем ниже степень потерь в активности катализатора, имеющего требуемую активность, тем более экономично будет работать катализатор, потому что требуется меньше изменений в катализаторе и/или циклов регенерации. Имея описанные систему катализатора и способ согласно этому изобретению, можно проиллюстрировать изобретение следующими примерами, которые являются просто конкретными примерами исполнения настоящего изобретения. Следующие примеры и конкретные исполнения применяются не для ограничения объема настоящего изобретения, который определен приложенной формулой изобретения. Примеры. В следующих примерах один из катализаторов первого слоя, например "катализатор А", который применяли, был имеющийся в продаже катализатор на основе никель-молибден-фосфор с подложкой из окиси алюминия (катализатор марки "Шелл 411" фирмы Шелл Ойл Компани, Хьюстон, Техас), который имел следующие общие технические условия. Катализатор А. 3,3 мас. окиси никеля
22,4 мас. окиси молибдена
6,6 мас. окиси фосфора
67,7 мас. окиси алюминия
165 м2/г площадь поверхности
0,43 см3/г объем пор
104

Другой катализатор, применяемый для первого слоя, это катализатор В, имеющий следующие общие технические условия. Катализатор В. 4,7 мас. окиси никеля
19,8 мас. окиси молибдена
5,0 мас. окиси фосфора
70,5 мас. окиси алюминия
17,3 м2/г площадь поверхности
0,43 см3/г объем пор
99

Катализатор В приготавливают следующим образом:
1. 400 г Oкиси алюминия Kaiser Versal 250 и 600 г окиси алюминия Catapol загружают в смеситель. 2. 20 г и 70% Aзотной кислоты добавляют в окись алюминия с достаточным количеством воды для повышения уровней летучих веществ в полученной массе до 55%
3. Смесь перемешивают в течение 30 мин, затем экструдируют через фильеру размером 0,07'' (1,9 мм). 4. Полученную лапшу сушат при температуре 250oF (121oC) в течение 2 часов и при 400oF (204oC) в течение 2 часов. 5. Затем полученные экструдаты прокаливают при температуре 1400oF (760oC) в течение 4 часов. 6. Раствор никеля в фосфорно-молибденовой кислоте приготовили следующим образом:
раствор приготавливают из 39/5 г фосфорно-молибденовой кислоты, 6,4 г 85% H3PO4 и достаточного количества воды для получения 30 см3;
10,6 г NiCO3 добавляют в этот раствор;
добавляют 5 капель 30% перекиси водорода; и
добавляют воду для получения окончательного объема 65 см3. 7. Раствор со стадии 6 разбрызгивают на 100 г экструдатов со стадии 5. 8. Влажные экструдаты сушат при температуре 200oF (93oC) в течение 4 часов. 9. Высушенные экструдаты прокаливают при температуре 969oF (510oC) в течение 5 часов в 10 куб.фут. /ч. сухого воздуха. Другим катализатором, применяемым для первого слоя, был "Катализатор С", имеющийся в продаже катализатор (Ketjen KF 843" от фирмы AKZO, Chemicals, Inc. Псадена, Техас), который имел следующие технические параметры. Катализатор С. 4,2 мас. окиси никеля
25,1 мас. окиси молибдена
7,1 мас. окиси фосфора
63,6 мас. окиси алюминия
162 м2/г площадь поверхности
0,37 см3/г объем пор
91

Катализатором, применяемым для второго слоя "Катализатор Д" был совместно затвердеваемый катализатор на основе никеля вольфрама/двуокиси кремния окиси алюминия двуокиси титана цеолита, приготовленный согласно способам из патента США N 3536605. Общие технические параметры катализатора Д второго слоя следующие:
Катализатор Д. 9,1 мас. окиси никеля
24,4 мас. окиси вольфрама
7,7 мас. окиси титана
25,9 мас. двуокиси кремния
28,9 мас. окиси алюминия
4,0 мас. цеолита Na USY
270 м2/г площадь поверхности
0,39 см3/г объем пор
58

неслоистый 130 см3 единичного катализатора
45%/55% 58,5 см3 первого слоя, 71,5 см3 второго слоя
75%/25% 97,5 см3 первого слоя, 32,5 см3 второго слоя
После загрузки катализатора в реактор, катализаторы сульфидировали следующим образом, применяя диметилдисульфид (ДМДS): 1,0 объемная часовая скорость раствора, содержащего 2,0 мас. ДМДS в гептане нормального строения С 8,0 станд. куб.фут./ч. водорода при температуре между 450-600oF (323oC 316oC) в течение 9 часов
Катализатор Е. 5,9 мас. окиси никеля
27,6 мас. окиси вольфрама
38,4 мас. окиси алюминия
28,1 мас. окиси кремния
Объем пор 0,356 см3/г
Cредний диаметр пор 4,0 нм (40

Площадь поверхности 357 м2/г
Пример 1. Рабочие условия: 2275 фунт/кв.дюйм, 5500 ст. куб. фут/баррель водорода без рециркуляции, 1,5 объемная часовая скорость жидкости и уровень температуря для достижения 5,0 ч./млн. азота в продукте. Результаты были следующие (см. табл.2). Система слоистых катализаторов, состоящая из катализатора А, катализатора Д, обеспечила требуемый уровень азота при температуре значительно ниже температуры только одного любого катализатора. Пример 2. Рабочие условия: 1600 фунт/кв. дюйм, 5500 ст. куб. футов/баррель водорода без рециркуляции, 1,5 объемная часовая скорость жидкости и уровень температуры для достижения 5,0 ч./млн. азота в продукте. Результаты были следующие (см. табл.3)
Система слоистых катализаторов, состоящая из катализатора С, катализатора Д обеспечивала требуемый уровень азота при температуре значительно ниже температуры только одного катализатора Д, и она имела более низкую относительную степень потерь в активности. Пример 3. В этом примере условия были следующие: 1600 фунт/кв.дюйм, 5500 ст. куб.фут/баррель водорода без рециркуляции, 1,5 объемная часовая скорость жидкости и уровень температуры для достижения 5,0 ч./млн. азота в продукте. Результаты были следующие (см. табл. 4). Применение катализатора В нанесенным на катализатор Д не улучшило работу системы по сравнению с результатом, когда катализатор Д применялся самостоятельно. Этот пример демонстрирует необходимость наличия содержания молибдена в первом слое катализатора в количестве более чем 14%
Пример 4. В этом примере условия были следующие: 1600 фунт/кв.дюйм, 5500 ст. куб. фут/баррель водорода без рециркуляции; 1,5 объемная часовая скорость жидкости и уровень температуры для достижения 5,0 ч./млн. азота в продукте. Результаты были следующие (см. табл. 5). Этот пример показывает, что если содержание катализатора во втором слое составляет примерно 25% или меньше загрузки катализатора в реактор, тогда отмечается значительное повышение относительной степени потерь в активности. Неслоистая система всех катализаторов С будет иметь относительную скорость потерь в активности в 5-10 раз выше, чем у неслоистого катализатора Д. Пример 5. Катализатор Е
5,9 мас. окиси никеля
27,6 мас. окиси вольфрама
38,4 мас. окиси алюминия
28,1 мас. окиси кремния
объем пор 0,356 см3/г
средний диаметр пор 4,0 нм (40

площадь поверхности 357 м2/г
Далее слоистый катализатор, содержащий 45% катализатора А (55% катализатора Е, испытывали в условиях примера 1. Катализатор А использован в примере 1 описания изобретения). В результате эксперимента оказалось, что температура, необходимая для достижения 5,0 ppm образующегося азота через 250 часов, составляла 746oF (397oC). Хотя катализатор Е не испытывался сам по себе как неслоистый катализатор, данный результат подтверждает вывод о том, что титан является необязательным компонентом в отношении второго слоя. Для слоистого катализатора по изобретению, содержащего 45% катализатора А/55% катализатора Д (где катализатор Д включает титан), температура, необходимая для достижения 5,0 ppm образующегося азота через 250 часов была 739oF (393oC). Таким образом, в пределах ошибки эксперимента сравнение двух наборов данных ясно показывает то, что, когда титан не входит в катализатор второго слоя (катализатор Е), не происходит значительной потери каталитической активности.
Формула изобретения


Второй слой 40 60
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что катализатор первого слоя содержит следующие компоненты в следующем соотношении, мас. Никель 2,6 3,3
Молибден 14,3 16,7
Фосфор 2,9 3,1
Окись алюминия Остальное
3. Система по п.2, отличающаяся тем, что катализатор первого слоя содержит гамму-окись алюминия и имеет средний размер пор

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что катализатор второго слоя содержит следующие компоненты в следующем соотношении, мас. Никель 7,1
Вольфрам 19,4
Титан 4,6
Двуокись кремния 25,9
Цеолит 4,0
Окись алюминия 28,9
Кислород Остальное
5. Система по п.1, отличающаяся тем, что катализаторы предварительно сульфидированы. 6. Способ денитрофикации углеводородов путем контактирования последних с водородом в присутствии системы слоистых катализаторов, содержащей первый слой катализатора, который представляет собой катализатор на основе никель-молибден-фосфор-окись алюминия, и второй слой катализатора, который представляет собой катализатор на основе никель-вольфрам-двуокись кремния-окись алюминия-цеолит, отличающийся тем, что используют систему слоистых катализаторов, в которой катализатор первого слоя содержит свыше 14 мас. молибдена и имеет средний размер пор


Второй слой 40 60
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что используют систему слоистых катализаторов, в которой катализатор первого слоя содержит следующие компоненты в соотношении, мас. Никель 2,6 3,3
Молибден 14,3 16,7
Фосфор 2,9 3,1
Окись алюминия Остальное
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют систему слоистых катализаторов, в которой катализатор первого слоя содержит гамма-окись алюминия, имеет средний размер пор

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что используют систему слоистых катализаторов, в которой катализатор второго слоя содержит следующие компоненты в соотношении, мас. Никель 7,1
Вольфрам 19,4
Титан 4,6
Двуокись кремния 25,9
Цеолит 4,0
Окись алюминия 28,9
Кислород Остальное
10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что используют систему слоистых катализаторов, в которой последние предварительно сульфидированы.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5