Катализатор защитного слоя для переработки тяжелого нефтяного сырья и способ его приготовления
CATALYST FOR PROTECTIVE LAYER FOR PROCESSING OF HEAVY OIL STOCK AND METHOD OF ITS PREPARATION

Изобретение относится к области приготовления катализаторов, используемых в гидропроцессах на защитном слое катализатора, применяемом для каталитической очистки сырья от механических примесей, снижения содержания примесей оксида кремния, металлов, агрегированных макромолекул, кокса. Переработка сырья с повышенным содержанием нежелательных примесей на установках гидропереработки нефтей приводит к снижению срока службы катализаторов и ухудшению технико-экономических показателей. Для увеличения срока службы основных катализаторов и предотвращения снижения их активности используют каталитическую систему, включающую несколько слоев катализаторов, в том числе катализатор защитного слоя, расположенный впереди катализаторов основного слоя.
3
Компания Хальдор Топсе предлагает в качестве катализаторов защитного слоя NiMo катализаторы с высокой емкостью по поглощению металлов (Ni, V, Fe) и кремния, например, с наименованием ТК-453, а компания KNT-групп - ряд катализаторов, как не имеющих в своем составе активных компонентов (КНТ-300, КНТ-310, КНТ-326), так и содержащие 8-13 масс. % МоO и 0,5-4 масс. % NiO (КНТ-330, КНТ-351). Катализаторы защитного слоя позволяют снизить влияние отложений на перепад давления в реакторе, улучшить распределение газо-сырьевого потока в реакторе, обеспечивают удаление содержащихся в сырье механических примесей, непредельных соединений и каталитических ядов до поступления газо-сырьевой смеси на катализатор основного слоя, что способствует повышению длительности межрегенерационного цикла и общего срока службы каталитической системы.
В патенте RU 2140964 описан катализатор защитного слоя для гидроочистки нефтяных фракций на основе оксида алюминия, имеющего в своем составе 2-5 мас. %
- α-оксида алюминия, 73-85 мас. % β-оксида алюминия и 25-10 мас. % γ-оксида алюминия. В состав каталитического пакета из нескольких слоев входит 2-10 мас. % катализатора защитного слоя, полученного путем пропитки носителя - оксида алюминия водными растворами солей активных компонентов с последующей сушкой и прокалкой.
2
3
2
3
Патент RU 0002653494 описывает катализатор защитного слоя на основе γ-АlО, содержащий биметаллическое комплексное соединение [Ni(HO)] [МоО(СНО)] с концентрацией 5,3-7,9 мас. %, при этом сульфидированный катализатор содержит 75-85% никеля в составе NiMoS фазы. Катализатор имеет удельную поверхность 265-285 м/г, объем пор 0,70-0,72 см/г, средний диаметр пор 10-10,5 нм, представляет собой гранулы с сечением в виде круга диаметром 3±0,1 мм и длиной до 20 мм.
Описан катализатор защитного слоя для гидроочистки нефтяных фракций (RU 2319543 С1), содержащий оксид молибдена (3,0-9,0 масс. %), оксид никеля и/или кобальта (0,5-4,0), оксид кремния (0,8-3,0 масс. %), оксид алюминия (до 100%), сформованный в виде полых цилиндрических гранул.
Общим недостатком описанных катализаторов защитного слоя является низкая доля крупных пор, что затрудняет подвод реагентов к внутренней поверхности катализатора, не обеспечивает достаточно высокой емкости по металлам, оксиду кремния, асфальтенам и коксу. Сложность каталитической переработки тяжелого нефтяного сырья заключается в малой подвижности и низкой реакционной способности содержащихся в нем макромолекул, а также дезактивации катализаторов вследствие отравления побочными продуктами реакций крекинга и гидрокрекинга, включающих в себя углеродистые отложения, металлические примеси и металлорганические соединения. Известно, что каталитическая активность и стабильность работы катализаторов существенно зависят от текстурных характеристик носителя: распределения пор по размерам, их объема, а также от величины удельной поверхности. В случае малого размера пор внутренняя поверхность катализатора становится недоступной для макромолекул. Задача усложняется тем, что при переработке тяжелого нефтяного сырья побочный процесс образования коксовых отложений протекает с высокой скоростью, в результате узкие поры блокируются, поверхность падает и катализатор дезактивируется. Для решения указанных проблем предлагается использовать катализаторы с существенной долей крупных пор размером более 50 нм, которые по существующей классификации относятся к макропорам, а избыточную активность катализатора в реакции коксообразования снижать путем внесения в состав носителя и/или катализатора щелочные добавки в виде соединений кальция и/или магния. Развитая сеть транспортных макропор облегчает подвод реагентов к внутренней поверхности катализатора, уменьшают негативное влияние отложений побочных продуктов реакции (US №№4328127, 4572778, 5416054, 5968348), а щелочные добавки увеличивают время функционирования катализатора (Ancheyta J. Deactivation of heavy oil hydroprocessing catalysts: fundamentals and modeling. Hoboken, New Jersey: John Wiley&Sons,-2016).
Существующие методы создания макропор в катализаторах гидропереработки основаны на различных методах физических или химических воздействий на готовый немакропористый материал носителя. Например, в патенте US 4547485 описан способ приготовления носителя на основе оксида алюминия с бимодальным распределением пор по размерам в диапазонах 9-20 нм и 100-500 нм. Метод приготовления заключается в нагревании оксида алюминия до 1400°F, смешении его с не нагретым оксидом алюминия и нагревании смеси до 1400°F. Данный способ энерго- и трудоемок, а также характеризуется стохастическим распределением пор по размеру, благодаря чему не удается получить катализаторы с воспроизводимой каталитической активностью. В патенте US 4465789 катализаторы гидропереработки получены на носителях, имеющих ядро из оксида алюминия с преимущественной микропористостью, окруженное оболочкой другого оксида алюминия, имеющего по крайней мере 25% макропор. Недостатком этого подхода является усложнение и многостадийность синтеза материала с требуемой пористой структурой. При этом количество и связность макропор в ходе синтеза не контролируются, что не позволяет обеспечить равномерную доступность внутренней поверхности катализатора.
Таким образом, в литературе не известны способы получения катализаторов защитного слоя, имеющих сниженную активность в реакции коксообразования, с контролируемым и заданным объемом транспортных макропор для процесса переработки, в том числе гидроочистки, тяжелого нефтяного сырья.
Изобретение решает эти проблемы, раскрывая способ получения носителя и катализатора защитного слоя с щелочными примесями и со строго заданной структурой макропор, включая их размер, взаимное пространственное расположения, связность и другие характеристики.
Предлагаемый катализатор защитного слоя в процессе переработки тяжелого нефтяного сырья является прочным и износостойким структурированным катализатором, обладающим высокой емкостью по металлам, коксу и кремнию, высокой стабильностью, сниженной активностью в реакции коксообразования и сниженными требованиями к вязкости сырья и содержанию в нем макромолекул.
2
3
Задача решается с помощью использования материалов с регулярной пространственной структурой макропор и внесения соединений кальция и/или магния в состав катализатора. В качестве катализатора защитного слоя для переработки тяжелого нефтяного сырья используют оксид алюминия, который содержит макропоры, образующие пространственную структуру, причем доля макропор с размером в диапазоне от 50 нм до 15 мкм составляет не менее 30% в общем удельном объеме пор с удельной поверхностью не менее 100 м/г с долей внешней поверхности не менее 50% и удельным объемом пор не менее 0,1 см/г, и в состав катализатора входит не более 10 мас. % щелочной добавки в виде соединений кальция или магния.
Для получения пространственной структуры макропор используют синтетические темплаты - полимерные микросферы диаметром от 50 до 2000 нм из полистирола, метилметакрилата, этилметакрилата, бутилметакрилата, как в виде индивидуальных веществ, так и их смесей.
Для получения пространственной структуры макропор используют темплаты природного происхождения - крахмала, целлюлозы, как в виде индивидуальных веществ, так и их смесей.
Для внесения щелочных добавок в катализатор макропористый носитель, полученный с использованием органических темплатов, пропитывают раствором солей кальция и/или магния.
Под пространственной структурой макропор подразумевается пространственное расположение транспортных макропор, обеспечивающих связность макропор между собой. Специфика предлагаемой методики заключается во введении структурообразующей добавки - темплата - на стадии смешения предшественников носителя и катализатора, например, гидроксида алюминия, глинозема, псевдобемита, бемита и т.д. Темплат затем удаляется выжиганием или экстракцией, при этом размер частиц и содержание темплата в исходной смеси определяют свойства микро-/мезо-/макропористой структуры получаемого продукта - носителя, например, оксида алюминия. Для дальнейшего приготовления катализатора можно использовать известные в данной области техники способы, включая пропитку ранее приготовленного носителя с пространственной структурой макропор соединениями-предшественниками активного компонента, либо приготовление смесей из соединений предшественников активного компонента, носителя и темплатов, а также гидротермальную обработку указанных смесей.
Авторами было обнаружено, что получаемые катализаторы на основе пористого носителя, состоящие из оксида алюминия и содержащие щелочные добавки, имеют значительно более высокую величину удельной поверхности, доступной для высокомолекулярных реагентов, и увеличенный удельный объем макропор по сравнению с образцами аналогичного состава, полученными в отсутствие полимерных темплатов, а также показывают сниженную скорость коксообразования на поверхности катализатора в условиях гидропереработки тяжелых нефтей.
Как следует из предыдущего описания, пористая структура материала с наличием существенной доли макропор особенно важна при разработке катализаторов для переработки тяжелых нефтяных фракций. В соответствии с настоящим изобретением, носители и катализаторы защитного слоя на их основе, отличающиеся тем, что указанный катализатор содержит макропоры, образующие регулярную пространственную структуру, причем доля макропор размером в диапазоне от 50 нм до 15 мкм составляет не менее 30% в общем удельном объеме пор указанного катализатора, могут быть особенно эффективны при гидропереработке тяжелых фракций нефти. Материал носителя соответствует по составу оксиду алюминия с не более 10 мас. %) кальция и/или магния.
Указанные катализаторы с пространственной структурой макропор получают с использованием темплатов как синтетического происхождения - полимерных микросфер диаметром от 50 до 2000 нм, которые могут быть изготовлены из стирола, метилметакрилата, этилметакрилата, бутилметакрилата, в виде индивидуальных веществ, или их смесей, так и из природных материалов - крахмала, целлюлозы, микрокристаллической целлюлозы и других. Содержание щелочного компонента в указанных катализаторах не должно превышать 10 мас. % кальция и/или магния, т.к. при высоком содержании соединений щелочной природы происходит значительное снижение каталитической активности, сравнимой с обычным термическим гидрокрекингом.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
В качестве структурообразующего темплата используют полистирольные (ПС) микросферы в виде коммерческого продукта или полученные путем эмульсионной полимеризации стирола по описанной ранее методике [RU 2527573 С1]. В качестве предшественника оксида алюминия использовали гидроокись алюминия АlOOН марки ЗАО «Промышленные катализаторы», представленную кристаллической фазой бемита (93%) с примесью байерита (7%).
-4
2
3
Образцы носителей из оксида алюминия получают добавлением к порошку мелкодисперсного АlOОН разбавленного раствора азотной кислоты (10 М) в отсутствие и в присутствии сухого порошка ПС темплата, соответственно. Для темплатного образца массовое содержание ПС темплата в пасте составляет 20%. Полученные композитные пасты подвергают экструдированию с получением гранул диаметром 2,5 мм, длиной 5 мм. Гранулы сушат на воздухе в течение суток и прокаливают на воздухе при 800°С в течение 8 ч. Фазовый состав макропористых носителей, полученных после прокаливания, представлен смесью Y- и δ-модификаций АlO.
3
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Затем гранулы пропитывают растворами Mg(NO), пропитку проводят из двукратного избытка требуемого объема пропиточного раствора, рассчитанного с учетом влагоемкости носителя, сушат на воздухе 24 чи прокаливают при 350°С в течение 4 ч. Полученные темплатные образцы оксида алюминия обладают регулярной пространственной структурой макропор со средним размером 160 нм, измеренным и визуализированным с помощью сканирующей электронной микроскопии. Текстурные свойства темплатных образцов AlO, а также полученных на их основе катализаторов защитного слоя гидропереработки тяжелого нефтяного остатка 1Mg/AlO (1 мас. % Mg) и 5Mg/AlO (5 мас. % Mg) являются практически идентичными: площадь удельной поверхности по БЭТ лежит в диапазоне 108-117 м /г, объем мезопор по данным N/77K - 0,49-0,55 см/г, площадь удельной поверхности по данным ртутной порометрии - 140-173 м/г, общий объем пор - 0,79-0,81 см/г. В бестемплатном образце сравнения макропоры не упорядочены и составляют незначительную долю в общем объеме пор.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
В условиях гидропереработки тяжелого нефтяного остатка для макропористых катализаторов с различным содержанием магния - 1Mg/AlO и 5Mg/AlO - наблюдается различное изменение текстурных свойств. Образец с меньшим числом кислотных центров (5Mg/AlO) в меньшей степени показывает изменение удельной поверхности и объема мезопор по сравнению с образцом 1Mg/AlO, имеющим большую концентрацию кислотных центров. После испытаний катализатора 5Mg/AlO в качестве защитного слоя гидропереработки остатка в течение 1225 ч его текстурные свойства меняются незначительно, уменьшаются значения удельной поверхности и объема пор, причем наибольшие изменения произошли в мезопорах - уменьшение объема мезо- и макропор достигло 35 и 20%, соответственно. При испытаниях менее кислого образца 1Mg/AlO в течение 194 ч изменение объема мезопор превышает 50%. Таким образом, макропористый катализатор с меньшей кислотностью показывает меньшую скорость дезактивации даже несмотря на более длительные каталитические эксперименты на этом образце. Отработанные катализаторы после испытаний в качестве защитного слоя исследованы методом термогравиметрии для определения количества коксовых отложений. Согласно полученным данным, потери массы при термообработке для 1Mg/AlO и 5Mg/AlO составили 20 и 12%, соответственно. Это указывает на менее интенсивное протекание процессов образования кокса для катализатора с меньшим числом кислотных центров - 5Mg/AlO.
Полученный катализатор может быть использован как катализатор защитного слоя с увеличенным сроком функционирования при гидропереработке тяжелого нефтяного сырья.
Пример 2
В качестве структурообразующего темплата используют полиметилметакрилатные (ПММА) микросферы в виде коммерческого продукта или полученные путем эмульсионной полимеризации метилметакрилата. В качестве предшественника оксида алюминия использовали гидроокись алюминия АlOOН от компании Disperal, представленную кристаллической фазой бемита.
-4
2
3
Образцы носителей из оксида алюминия получают добавлением к водному раствору ПММА микросфер мелкодисперсного псевдобемита, при этом происходит совместное осаждение гидкроксида алюминия и темплата. Объем раствора ПММА микросфер подбирают таким образом, чтобы массовое содержание ПММА темплата в расчете на сухой композит составляло 20%. Осадок отделяют декантацией, высушивают, размалывают, добавляют водный раствор азотной кислоты (10 М), в количестве достаточном для формирования пасты. Полученные композитные пасты подвергают экструдированию с получением гранул диаметром 2,5 мм, длиной 5 мм. Гранулы сушат на воздухе в течение суток и прокаливают на воздухе при 800°С в течение 8 ч. Фазовый состав макропористых носителей, полученных после прокаливания, представлен смесью γ-модификацией AlO.
3
2
Затем гранулы пропитывают растворами Са(NO)), пропитку проводят из двукратного избытка требуемого объема пропиточного раствора, рассчитанного с учетом влагоемкости носителя, сушат на воздухе 24 ч и прокаливают при 350°С в течение 4 ч.
3
2
Полученные темплатные образцы оксида алюминия обладают регулярной пространственной структурой макропор со средним размером 160 нм, измеренным и визуализированным с помощью сканирующей электронной микроскопии. Полученный образец оксида алюминия с использованием темплата обладает пространственной структурой макропор со средним размером 150 нм, измеренным и визуализированным с помощью сканирующей электронной микроскопии, общий объем пор, измеренный с помощью ртутной порометрии, составляет 0,75 см/г при удельной поверхности 157 м/г.Относительно бестемплатного катализатора на основе оксида алюминия при испытаниях образца с кальциевой добавкой в качестве защитного слоя в гидропереработке тяжелой нефти скорость дезактивации катализатора ниже в 1,5 раза. Полученный оксид алюминия с щелочными добавками может быть использован как катализатор защитного слоя с увеличенным сроком функционирования при гидропереработке тяжелого нефтяного сырья.
Пример 3
В качестве структурообразующего темплата используют крахмал в виде нагретой водной суспензии. В качестве предшественника оксида алюминия использовали гидроокись алюминия АlOOН от компании ЗАО «Промышленные катализаторы», представленную кристаллической фазой бемита (93%) с примесью байерита (7%).
-4
Образцы носителей из оксида алюминия получают добавлением водной суспензии 10 мас. % крахмала, нагретого до 90°С в состоянии прозрачного геля, и водного раствора азотной кислоты (10 М) к порошку мелкодисперсного псевдобемита с формированием композитной пасты из гидкроксида алюминия и темплата. Композитные пасты подвергают экструдированию с получением гранул диаметром 2,5 мм, длиной 5 мм. Гранулы сушат на воздухе в течение суток и прокаливают на воздухе при 800°С в течение 8 ч.
3
2
3
2
3
2
Затем гранулы пропитывают раствором Mg(NO) и Са(NO)) равной концентрации, пропитку проводят из двукратного избытка требуемого объема пропиточного раствора, рассчитанного с учетом влагоемкости носителя, сушат на воздухе 24 часа и прокаливают при 350°С в течение 4 ч. Полученные темплатные образцы оксида алюминия обладают пространственной структурой макропор со средним размером 500 нм, измеренным и визуализированным с помощью сканирующей электронной микроскопии, общий объем пор, измеренный с помощью ртутной порометрии, составляет 0,70 см/г при удельной поверхности 150 м/г. Относительно бестемплатного катализатора на основе оксида алюминия при испытаниях образца с магний-кальциевой добавкой в качестве защитного слоя в гидропереработке тяжелой нефти скорость дезактивации катализатора ниже в 1,3 раза. Полученный оксид алюминия с щелочными добавками может быть использован как катализатор защитного слоя с увеличенным сроком функционирования при гидропереработке тяжелого нефтяного сырья.