KR0183394B1 - 디젤 비점-범위 탄화수소 공급원료 내 방향족 탄화수소 및 황-함유 탄화수소의 수소화 방법 - Google Patents

디젤 비점-범위 탄화수소 공급원료 내 방향족 탄화수소 및 황-함유 탄화수소의 수소화 방법 Download PDF

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Abstract

방향족 탄화수소-및 황-함유, 디젤 비점-범위 탄화수소 공급 원료 내 방향족 탄화수소 및 황-함유 탄화수소의 부수적인 수소화를 위한 방법에서, 공급원료는, 첨가된 수소 존재하에 315-399℃의 온도 및 40-168 바아의 압력에서 알루미나 지지재상 지지된, 니켈, 텅스텐 및 임의로 인을 함유하는 수소처리 촉매를 함유하는 첫번째 촉매층과 접촉되고, 첫번째 촉매층과의 접촉후, 변경없이 수소 및 공급원료는 첫번째 촉매층으로 부터 두번째 촉매 층으로 통과되어, 여기서, 315-399℃의 온도 및 40-168 바아의 압력에서, 알루미나 지지재상 지지된, 코발트 및/또는 니켈, 블리브덴 및 임의로 인을 함유하는 수소처리 촉매와 접촉된다.

Description

디젤 비점-범위 탄화수소 공급원료 내 방향족 탄화수소 및 황-함유 탄화수소의 수소화 방법
본 발명은 디젤 비점-범위 탄화수소 공급원료 내 방향족 탄화수소의 포화를 위한 수소처리방법에 관한 것이다.
환경 규정은 디젤 연료의 방향족 탄화수소 및 황함량의 감소를 요구한다. 방향족 탄화수소 및 황 함량의 감소는, 디젤 연료의 연소로 부터의 이산화황 방출 및 적은 미립을 결과시킬 것이다. 불행하게, 수소탈황화(hydrodesulphurization)를 위해 최적화된 수소처리 촉매는 방향족 탄화수소 포화에 대해 최적이 되지 못하고 그반대도 가능하다. 결합 수소탈황화 및 방향족 탄화수소 포화를 위한 개별적인 촉매들에 비해 가격 및 활성 장점을 모두 제공한 Co 및 /또는 Ni-Mo/알루미나 촉매의 상부상에 층적된 Ni-W/알루미나 촉매로 구성되는 층적된 또는 다중층 수소화처리 시스템이 개발되어 왔다.
본 발명은 하기(a)-(b)단계들로 구성되는, 실질적으로 모든 성분들이 93-482℃ 범위내 비점을 갖는, 방향족 탄화수소- 및 황-함유 탄화수소 공급원료 내 방향족 탄화수소 및 황-함유 탄화수소의 부수적인 수소화 방법으로 구성된다: (a) 첨가된 수소 존재하에 315-399℃의 온도 및 40-168 바아의 압력에서 상기 공급원료를, 알루미나 지지재상에 지지된 니켈, 텅스텐 및 임의로 인으로 구성되는 수소처리 촉매를 함유하는 첫번째 촉매층과 접촉시키는 단계, 및 (b) 첫번째 촉매층으로 부터 두번째 촉매층으로, 변경없이 수소 및 공급원료를 통과시켜, 319-399℃의 온도 및 40-168 바아의 압력에서, 알루미나 지지재상 지지된, 코발트 및/또는 니켈, 몰리브덴 및 임의로 인으로 구성되는 수소처리 촉매와 접촉시키는 단계.
본 발명은 특히, 황 0.01-2 중량%를 함유하는 수소처리 공급원료에 적합하다. 황-부족 공급원료를 위해, 황-함유 화합물이 공급원료에 첨가되어 황수준 0.01-2 중량%가 제공될 수 있다.
본 발명의 이중 촉매층 방법은 이중 층 시스템에 사용된 단지 하나의 촉매들을 이용하는 방법보다 낮은 수소 부분압에서 보다 나은 방향족 탄화수소 포화를 제공한다.
본 발명은, 첨가된 수소 존재하에 공급원료를 수소처리 조건 즉, 충분한 양의 방향족 탄화수소가 포화되고, 충분한 양의 황이 공급원료로부터 제거될 정도인, 첨가된 수소의 온도 및 압력, 및 양의 조건에서, 두개 층의 촉매 시스템과 접촉시키는, 디젤 비점-범위 탄화수소 공급원료의 황 및 방향족 탄화수소 함량을 감소시키기 위한 방법에 관한 것이다. 질소-함유 불순물도 또한 존재할때 상당히 감소된다.
이용될 공급원료는, 비점이 93-482℃, 바람직하게 121-427℃ 및 보다 바람직하게 149-399℃인 성분들 실질적으로 모두, 즉, 90 중량% 이상을 갖는 디젤 비점-범위 탄화수소 공급원료이고, 이는, 유기황 화합물들로서 존재하는 황 0.01-2, 바람직하게 0.05-1.5 중량%를 적절하게 포함한다. 매우 낮거나 매우 높은 황 함량을 가진 공급원료는 본 방법에서 처리하기에 대개 적합하지 않다. 매우 높은 황 함량을 가진 공급원료는, 본 방법에 의해 처리되기 이전에 그들의 황 함량을 0.01-2, 바람직하게 0.05-1.5 중량%로 감소시키기 위해 분리 수소탈황화법에 적용될 수 있다. 매우 낮은 황 함량을 가진 공급원료는, 황 함유 화합물들 적절한 양의 첨가로 황 수준 0.01-2, 바람직하게 0.05-1.5 중량%로 조절될 수 있다. 적절한 화합물들은 예컨대, 메르캅탄, 특히 알킬 메르캅탄; 황화물 및 이황화물 예컨대, 이황화탄소, 황화디메틸, 디메틸디설피드등; 리오펜 화합물들 예컨대, 메틸티오펜, 벤조티오펜등 및 일반식: R-S(n)-R'의 다황화물을 포함한다. 공급원료의 황함량을 조절하기 위해 이용될 수 있는 수 많은 다른 황-함유 재료가 있다. U.S. 특허 제3,366,684호는 많은 적절한 황-함유 화합물들을 나열한다.
본 방법은 일련의 두 개의 촉매층을 이용한다. 첫번째 촉매층은 알루미나 지지재상 지지된, 니켈, 텅스텐 및 임의로 인으로 구성되는 수소처리 촉매로 이루어지고, 두번째 촉매층은 알루미나 지지재상 지지된, 코발트, 니켈 및 그의 혼합물, 몰리브덴 및 임의로 인으로 부터 선택된 수소화 금속 성분으로 구성되는 수소처리 촉매로 이루어진다. 본 명세서에 사용된 용어 첫번째는 공급원료가 접촉된 첫번째층을 일컫고, 두번째는, 첫번째 층 통과후 공급원료가 그 다음에 접촉되는 층을 일컫는다. 두 개의 촉매층들은 두 개이상의 반응기를 통해 분포되거나, 바람직한 실시양태에서, 그들은 하나의 반응기에 포함된다. 대개, 본 발명에 사용된 반응기(들)은 작동의 세류상 모우드에 사용된다. 즉, 공급 원료 및 수소는 반응기 상부로 공급되고, 공급원료는 중력의 영향하에 주로 촉매층을 통해 아래로 똑똑 떨어진다. 하나이상의 반응기가 이용되든지 아니든지, 첨가된 수소를 가진 공급원료는 첫번째 촉매층으로 공급되고, 첫번째 촉매층으로 부터 유출되는 공급원료는 변경없이 두번째 촉매층으로 직접 통과된다. 변경없이란 탄화수소 재료의 측류가 두가지 촉매층들 사이를 통과하는 스트림으로부터 제거되거나 그로 첨가됨을 의미한다. 온도 조절을 유지하기 위해 반응기(들)내 하나이상의 위치에서 수소가 첨가될 수 있다. 두 개의 층 모두가 하나의 반응기에 포함될때, 첫번째 층도 또한 상부층으로서 일컬어진다.
첫번째 촉매층대 두번째 촉매층의 체적비는 주로, 원가효율 분석 및 처리될 공급물의 황 함량에 의해 결정된다. 보다 값비싼 텅스텐을 함유하는 첫번째 층 촉매의 가격은 보다 값싼 몰리브덴을 함유하는 두번째 층 촉매 가격의 대략 2-3배이다. 최적 체적비는 특이 공급원료 황-함향에 의존하고, 이는 최소 총 촉매가격 및 최대 방향족 탄화수소 포화를 제공하기 위해 최적화될 것이다. 대개, 첫번째 촉매층 대 두번째 촉매층의 부피비는, 1:4-4:1, 보다 바람직하게 1:3-3:1 및 가장 바람직하게 1:2-2:1 범위일 것이다.
첫번째 층에 이용된 촉매는 바람직하게 감마 알루미나로 구성되는 다공성 알루미나 지지재상 지지된 니켈, 텅스텐 및, 0-5 중량%인 (원소로서 측정됨)으로 구성된다. 이는 촉매의 총 중량 당 니켈(금속으로서 측정됨)1-5, 바람직하게 2-4 중량%; 텡스텐(금속으로서 측정됨) 15-35, 바람직하게 20-30 중량% 및, 존재할때, 인(원소로서 측정됨) 바람직하게 1-5, 보다 바람직하게 2-4 중량%를 포함한다. 이는 B.E.T. 방법(Brunauer 일행, J. Am. Chem. Soc., 60, 309-16(1938))에 의해 측정된, 표면적 100㎡/g 이상 및 수공 부피 0.2-0.6cc/g, 바람직하게 0.3-0.5를 가질것이다.
두번째 층에 이용된 촉매는 감마 알루미나로 바람직하게 구성되는 다공성 알루미나 지지재상 지지된 코발트, 니켈 및 그의 혼합물, 몰리브덴 및, 인(원소로서 측정됨) 0-5 중량%로 부터 선택된 수소화 금속성분으로 구성된다. 이는, 촉매 총 중량당 수소화 금속 성분(금속으로서 측정됨) 1-5, 바람직하게 2-4 중량%; 몰리브덴(금속으로서 측정됨)8-20, 바람직하게 12-16 중량% 및, 존재할때, 인(원소로서 측정됨) 바람직하게 1-5, 보다 바람직하게 2-4 중량%를 포함한다. 이는 B.E.T. 방법(Brunauer 일행, J. Am. Chem. Soc., 60, 309-16(1938))에 의해 측정된 표면적 120㎡/g 이상 및 수공 부피 0.2-0.6cc/g, 바람직하게 0.3-0.5를 가질것이다. 코발트 및 니켈은 몰리브덴-함유 수소화 처리 촉매에서 실질적인 등 가물임이 당 분야에 알려져 있다.
본 방법의 두가지 층에 사용된 촉매는 탄화수소 수소처리 분야에 알려진 촉매들이다. 이들 촉매들은 선행기술에 기술된 것과 같은 통상적인 방식으로 제조된다. 예컨대, 다공성 알루미나 펠릿은 코발트, 니켈, 텅스텐 또는 몰리브덴 및 인 화합물들을 함유하는 용액(들)로 함침될 수 있고, 이때, 펠릿은 잇따라 건조되고, 고온에서 소성된다. 대안적으로, 하나이상의 성분들은 으깸(mulling)으로 알루미나 분말로 혼입될 수 있고, 으깨어진 분말은 펠릿으로 형성되고, 고온에서 소성된다. 함침 및 으깸의 조합이 이용될 수 있다. 다른 적절한 방법들은 선행기술에서 발견될 수 있다. 촉매제조 기술의 비-제한 실시예들은 U.S. 특허 제4,530,911호 및 U.S. 특허 제4,520,128호 에서 찾을 수 있다. 촉매들은 통상적으로 다양한 크기 및 형태로 형성된다. 그들은 적절하게 입자, 큰 덩어리, 조각, 펠릿, 고리, 구, 왜건 바퀴 및 폴리로우브, 예컨대, 바이로우브, 트리로우브 및 테트라로우브로 성형될 수 있다.
상기된 두가지 촉매들은 대개, 사용 이전에 초기 황화된다. 통상적으로, 촉매들은 고온에서 H2S/H2대기내 가열로 초기황화된다. 예컨대, 적절한 초기황화 레짐은 371℃에서 약 2시간 동안 황화수소/수소 대기(H2S 5부피%/H295부피%)내 촉매의 가열로 구성된다. 다른 방법들도 또한, 초기황화에 적합하고, 이는 대개, 수소 및 황-함유 물질 존재하에 고온(예컨대, 204-399℃)으로의 촉매들의 가열로 구성된다.
본 발명의 수소화방법은 39바아 이상의 압력, 315-399℃, 바람직하게 327-399℃의 온도에서 수행된다. 총 압력은 통상적으로 41-169 비아의 범위일 것이다. 수소 부분압은 통상적으로 35-149 바아의 범위일 것이다. 수소 공급율은 통상적으로 178 -891 부피/부피의 범위일 것이다. 공급 원료 속도는 통상적으로 0.1-5, 바람직하게 0.2-3범위의 액체매시 공간 속도(LHSV)를 가질 것이다.
본 발명은 본 발명의 제한으로서 추론되지는 않고, 예증을 위해 제공된 하기 실시예로 기술될 것이다.
본 발명을 예증하기 위해 사용된 촉매들은 하기표 1에 제시된다.
본 발명을 예증하고, 대조시험을 수행하기 위해, 수직 마이크로-반응기를 사용하여 표 2에 지적된 공급원료를 수소처리했다. 표 1에 지적된 촉매들을 이용하여 세가지 형태의 촉매형상을 시험했다: a) 60/80 메쉬 탄화규소 입자들 40cc로 희석시킨 촉매 A 40Ccc, b) 60/80 메쉬 탄화규소 입자들 40cc로 희석시킨 촉매 B 40cc 및 c) 60/80 메쉬 탄화규소 입자들 20cc로 희석시킨 촉매 B 20cc 상부상 배치된 60/80 메쉬 탄화규소 입자들 20cc로 희석시킨 촉매 A 20cc, 촉매들을 약 371℃로 가열하고, 상기 온도에서 약 2시간 동안, 약 60l/h의 속도로 흐르는 수소 95부피%-황화수소 5부피%대기에서 유지시켜 반응기내에서 초기 황화 시켰다.
촉매 초기황화후, 약102 바아의 시스템 압력 및 약 1h-1의 액체 부피 매시 공간 속도, 약316℃의 온도에서 약48시간 동안 촉매층상에 벤조티오펜을 첨가하여 황함량을 1600ppm으로 조절한 표 2로 부터의 공급원료를 통과시켜 촉매층을 안정화시켰다.
수소가스를 약535 부피/부피 비율로 1회- 통과 기초원료상에 공급했다. 반응기 온도를 점차로 약332℃로 증가시키고 안정화시켰다. 상기 시간동안, 발취시료를 매일 수집하고 굴절율(RI)에 대해 분석했다. 촉매들은 RI가 안정한 안정화된 생성물을 가진다고 여겨졌다.
상기 연구 과정동안, 공급원료의 황 함량을 적절한 양의 벤조티오펜의 첨가로 조절했고, 반응기 온도, 시스템 압력 LHSV 및 수소 가스 속도를 표 3, 4 및 5에 지시된 조건으로 조절했다.
생성물 액체 샘플을 각 반응 조건에서 수집했고, S, N, 및 방향족 탄화수소에 대해 분석했다(형광 지시약 흡수 기술(FIA); ASTM D-1319-84에 의함). 이들 결과들은 표 3, 4 및 5에 보여진다.
상기 데이타로 부터 보여지듯이, 본 발명은 높은 황 수준에서 촉매 A에 대한 그리고, 낮은 황 수준에서 촉매 B에 대한 향상 된 방향족 탄화수소 포화를 제공한다.

Claims (10)

  1. 하기 (a)-(b) 단계들로 구성되는, 실질적으로 모든 성분들의 비점이 93-482℃ 범위인, 방향족 탄화수소- 및 황-함유 탄화수소 공급 원료내방향족 탄화수소 및 황-함유 탄화수소의 부수적인 수소화 방법: (a) 첨가된 수소존재하에 315-399℃의온도 및 40-168 바아의 압력에서 상기 공급 원료를 알루미나 지지재상 지지된, 니켈 및 텅스텐으로 구성되는 수소처리 촉매를 함유하는 첫번째 촉매층과 접촉시키는 단계, 및 (b) 변경 없이 수소 및 공급 원료를 첫번째 촉매층으로 부터 두번째 촉매층으로 통과시켜, 여기서, 315-399℃의 온도 및 40-168 바아의 압력에서, 알루미나 지지재상 지지된, 코발트, 니켈 및 그의 혼합물 및 몰리브덴으로부터 선택된 수소화 금속 성분으로 구성되는 수소처리 촉매와 접촉시키는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 첫번째 촉매층내 촉매들 위한 지지재가 100㎡/g 이상의 표면적 및 0.2-0.6cc/g 범위의 수공 부피를 갖고, 두번째 촉매층내 촉매를 위한 지지재가 120㎡/g 이상의 표면적 및 0.2-0.6cc/g 범위의 수공 부피를 갖는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 첫번째 층내 촉매에서, 금속으로서 측정된 니켈 함량이 총 촉매의 1-5 중량% 범위이고, 금속으로서 측정된 텅스텐 함량이 총 촉매의 15-35 중량%이며, 두번째 층내 촉매에서, 금속으로서 측정된 수소화 금속 성분 함량이 총 촉매의 1-5 중량% 범위이고, 금속으로서 측정된 몰리브덴 함량이 총 촉매의 8-20 중량% 범위인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 공급 원료의 황 함량이 0.01-2 중량%인 방법.
  5. 제4항에 있어서, 공급 원료의 황 함량이 0.05-1.5 중량%인 방법.
  6. 제3항에 있어서, 첫번째 층내 촉매에서, 금속으로서 측정된 니켈 함량이 총 촉매의 2-4 중량% 범위이고, 금속으로서 측정된 텅스텐 함량이 총 촉매의 20-30 중량% 범위이며, 두번째 층내 촉매에서, 금속으로서 측정된 수소화 금속 성분 함량이 총 촉매의 2-4 중량% 범위이고, 금속으로서 측정된 몰리브덴 함량이 총 촉매의 12-16 중량% 범위인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 공급 원료의 수소화가 35-149 바아의 수소 부분압에서 일어나고, 공급 원료가 0.1-5h-1의 액체 매시 공간 속도로 제공되고, 첨가된 수소가 178-891 부피/부피의 공급 비율로 제공되는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 첫번째 촉매 층내 촉매, 두번째 촉매층내 촉매 및 첫번재와 두번째 촉매층 모두에서의 촉매로부터 선택된 촉매가 부가적으로 인을 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 첫번째 층내 촉매에서, 금속으로서 측정된 니켈 함량이 총 촉매의 1-5 중량% 범위이고; 금속으로서 측정된 텅스텐 함량이 총 촉매의 15-35 중량% 범위고, 원소로서 측정된 인 함량이 총 촉매의 1-5 중량% 범위이며, 두번째 층내 촉매에서, 금속으로서 측정된 수소화 금속 성분 함량이 총 촉매의 1-5 중량% 범위이고; 금속으로서 측정된 몰리브덴 함량이 총 촉매의 8-20 중량% 범위이고, 원소로서 측정된 인 함량이 총 촉매의 1-5 중량% 범위인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 첫번째 층내 촉매에서, 금속으로서 측정된 니켈 함량이 총 촉매의 2-4 중량% 범위이고; 금속으로서 측정된 텅스텐 함량이 총 촉매의 20-30 중량% 범위이고; 원소로서 측정된 인 함량이 총 촉매의 2-4 중량% 범위이며, 두번재 층내 촉매에서, 금속으로서 측정된 수소화 금속 성분 함량이 총 촉매 2-4 중량% 범위이고; 금속으로서 측정된 몰리브덴 함량이 총 촉매의 12-16 중량% 범위이고, 원소로서 측정된 인 함량이 총 촉매의 2-4 중량% 범위인 방법.
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