FCC金属钝化剂的制备研究进展

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据报道在 20 世纪 70 年代后期洛阳工程公司 已开发了“三 (O ,O2二异丙基二硫代) 磷酸锑”,并 在上海化学试剂四厂生产 ,已取得工业试用结 果[1] 。该公司炼制研究所开发了 LMP 型金属钝 化剂 ,其中 1 号和 2 号为油溶剂 ,4 号为水溶性液 态填加剂 。
硫磷型钝化剂有强烈的刺激性气味 ,对环境 造成污染 ,不受操作者的欢迎 。专利[6 ,7] 公开了用 作裂化催化剂的钝化剂三新癸酸锑的制备方法 , 克服了上述缺点 。该方法包括将锑氧化物与无水 低级有机酸酐在高温下反应 ,得到的三羧酸锑在 一定温度下再与新癸酸反应 ,使基本上所有的低 级酸基团被高级酸基团所取代 ,蒸出低级酸副产 物和未反应的高级酸并回收三新癸酸锑 。原料新 癸酸是来自化工厂的副产品 。在进行第一步反应 时使用了易挥发的惰性溶剂 (如二甲苯) ,第二步 反应使用惰性气体 (氮气) ,以达到提高三新癸酸 锑收率的目的 。专利[8] 采用廉价易得的石油酸 (也称环烷酸) 为原料 ,将已有技术中的两步反应 法合并为一步反应法 ,也就是将石油酸 、三氧化二 锑和低级酸酐一起升温反应 ,然后蒸出反应生成 的低级羧酸 ,该方法不使用惰性气体和惰性溶剂 , 简化了制备工艺 , 所得产品的油溶性较好 。专 利[9] 进一步改进了羧酸锑型钝化剂的制备方法 , 该方法包括将低级酸酐和等当量 (或稍多于等当 量) 的锑和Π或铋化合物及反应介质 ( Ⅱ) 在搅拌下 加热回流 2~20 h ,在 88~130 ℃加入增溶剂 ( Ⅲ) 并再进行一段时间的搅拌 ,所述反应介质 ( Ⅱ) 包 括有机酸和芳烃 ,如石油酸 、脂肪酸 、甲苯 、二甲苯 等极性溶剂及其混合物 ,所述增溶剂 ( Ⅲ) 包括醇 类 、酰胺类 、酯类等溶剂 。
2 水基金属钝化剂
通常水基锑钝化剂较为常用 ,因为有机溶剂 有易燃易爆的危险 ,尤其是在将钝化剂直接加入 热氧化性的催化剂再生段的情况下更是如此 。必 须指出的是 ,油溶性金属钝化剂如三羟乙基硫醇 锑产品本身有刺激性臭味 ,而三羧酸锑产品本身 虽然没有臭味 ,但在生产过程中使用了有强烈刺 激性气味的醋酸酐 ,三羧酸锑遇水会产生白色沉 淀 ,使用过程中很容易造成输送管线的堵塞 。
采用乙烯基共聚物 、磷酸双烷基酯或羧甲基 纤维素作为悬浮剂 ,将 Sb2O3 配成水悬浮液也可 作为有效的金属钝化剂使用 ,只用较细等级的 Sb2O3 (直径小于 1μm) 制成的水悬浮液和用多种Baidu Nhomakorabea等级的 Sb2O3 的水悬浮液相比 ,前者具有较大的 粘度和剪切系数 ,这种钝化剂可直接加到催化裂 化装置的催化剂再生循环段中 ,以使金属钝化剂 得到有效利用[22] 。Sb2O3 的水悬浮液的缺点是储 存时间较短 (不超过 3 个月) ,粘度较大 。
1 油溶性钝化剂
Phillips Petroleum Company 早期使用的金属钝 化剂为三 (O , O2二正丙基二硫代) 磷酸锑 (其化学 结构式见图 1) [2 - 5] 。
图 1 三 (O ,O2二正丙基二硫代) 磷酸锑
其 典 型 的 制 备 方 法 如 下[4] : 将 6 0 . 0 g (0. 27 mol) P2 S5 与 36. 4 g 煤油调成浆状物 ,然后 与 68. 14 g (1. 134 mol , 5 % 过量) 12C3 H7OH 混合 后加入到 0. 5 L 反应瓶中搅拌 ,温度上升到 55 ℃ 并释放出 H2 S。当停止释放 H2 S 时 ,用加热套加 热 ,保持温度在 55 ℃约 0. 3 h ,将形成的绿色混合 物冷却到 40 ℃,完成第一步反应生成二丙基二硫 代磷酸 。然后将 23. 6 g (0. 081 mol) Sb2O3 加入到 上述混合物中 ,温度上升到 80 ℃时混合物变成黄 色 ,加热维持温度在 55 ℃,在氮气吹扫下用抽气
水溶性金属钝化剂的优点是 : (1) 无异味 ,与 水互溶 ,便于清除和使用 ; (2) 凝点低 ,粘度小 ,不 受季节限制 ,便于输送和加注 ; (3) 储存和运输安 全。
通常锑盐遇水分解生成锑的氧化物 ,但采用 一定的方法可得到可溶于水的稳定的锑络合物 , 例如 ,将 14. 2 g 氟化氢铵 (NH4 HF2 ) 溶解在 40 mL 水中 ,然后加入 12. 0 g 三氧化二锑 ( Sb2O3 ) ,加热 搅拌 20 min ,得到轻微浑浊的溶液 ,过滤得到 F∶ Sb 为 6∶1 的溶液 A ;用同样的方法得 F∶Sb 为 12∶1
收稿日期 : 2001210225 作者简介 : 梁红玉 (1969 - ) ,女 ,工程师.
22 0 当 代 化 工 第 30 卷第 4 期
机移出副产物水 ,产物经过滤分出微量的桔红色 固体 (小于 0. 1 g) 。得到的产品为黄色透明液体 , 在储存过程中不再产生上述提到的桔红色固体 。
固体悬浮物 。在反应期间 ,用 Dean - Stark 冷井收 集到 37 mL 副产物水 。反应混合物经过滤分离出 固体悬浮物 。第二种制备方法与上述方法相同 , 只是采用过量的β2巯基乙醇作为稀释剂 ,收集到 55 mL (3 mol) 副产物水 ,表明锑已经全部参加反 应 。第三种制备方法是在电磁加热板上于抽空 (2 0 mmH2 O ) 过 滤 反 应 瓶 中 进 行 的 , 7 1 . 0 4 g (0. 243 mol) Sb2O3 加入到 174. 4 g (2. 23 mol) β2巯 基乙醇中 ,混合物的温度保持在 80~130 ℃,2 h 。 过滤除去少量的固体得到黄色透明液体 。乙二 醇 、乙二醇单丁醚和水是这种粘稠黄色液体的稀 释剂 。
2001 年 12 月 梁红玉等 : FCC 金属钝化剂的制备研究进展 2 21
的溶液 B (28. 4 g NH4 HF2 , 65 mL 水 ,12. 0 g 三氧 化二锑) [15 - 17] 。这两种水基金属钝化剂与其它钝 化剂的性能比较见表 1 。
尽管锑钝化剂具有较好的钝化镍作用 ,但锑 化合物对人的毒害较大 ,美国环保署已将锑化物 列入危险品清单 。锑化合物易随产品和废催化剂 带出装置 ,或沉积在设备上 ,造成环境污染 。近年 来出现了水溶性稀土钝镍剂 的 研 究 报 道[23] , 在 FCC 再生温度 (约 700 ℃) 下 ,稀土元素与沉积在 催化剂表面上的高价镍反应生成 RENiO3 ( RE 为
Phil - Ad 6000 酒石酸锑水溶液
1 000 5 000
75. 5 50. 0 337 76. 5 50. 5 305
注 : 1 - 占原料的 %(m) ; 2 - 占已转化原料的 %(m) ; 3 - 0. 0283 标准立方米氢Π每桶已转化的原料
将α2羟 基 羧 酸 与 脂 肪 胺 反 应 后 在 高 温 下 (100~110 ℃) 与三氧化二锑反应 ,可得到与水无 限互溶的锑化合物[18 - 21] 。α2羟基羧酸有乳酸 、酒 石酸 、苹果酸 、柠檬酸等 ,脂肪胺包括一乙醇胺 、三 乙醇胺 、甲氧基乙醇胺 、N , N2二甲基乙胺 、N , N2 二甲基甲酰胺等 。制备举例[20] :向反应瓶中加入 3 3 2 g水 , 搅 拌 下 加 入 4 0 4 g ( 2 . 7 mol ) 酒 石 酸 和 165 g(2. 7 mol) 一乙醇胺 ,此时放热并自动升温至 75 ℃,溶液的 pH 值为 4 左右 。搅拌 15 min 后加 入 374 g(1. 28 mol) 三氧化二锑 ,得到的乳白色混 合物 ,升温在 100 ℃下回流 9 h 。最终得到的产品 为淡棕色液体 , Sb 含量为 20 % ,可与水无限互 溶。
表 1 几种水金属钝化剂的性能比较
钝化剂
催化剂中锑 平均转 平均汽油 平均氢 含量 ×10 - 6 化率1Π% 产量2Π% 产量3
无 溶液 A ( F :Sb = 6 :1) 溶液 B ( F :Sb = 12 :1)
0 1 000 1 000
74. 0 48. 0 395 75. 3 50. 3 293 76. 7 50. 3 319
金属钝化剂早期使用无机锑盐 ,现在多采用 有机锑化合物作钝化剂 ,都取得了明显的钝化效 果 。目前国内使用的金属钝化剂大致可分为两 类 ,一种是溶解在有机溶剂中的锑化合物 ;另一种 是锑化合物的水溶液 。有关 FCC 金属钝化剂研
究进展已有综述报道[1] ,本文着重介绍金属钝化 剂的制备方法 、使用性能及理化性质 。
摘 要 : 从制备方法 、使用性能以及理化性质 3 个方面综合论述了国内外金属钝化剂研究的进展 情况 。重点讨论了金属钝化剂的制备方法 。金属钝化剂可以抑制镍和钒等金属对催化裂化催化剂的污 染 ,使被污染催化剂的性质得到改善 。水溶性金属钝化剂比油溶性金属钝化剂具有更多的优点 。采用 非锑基金属钝化剂代替有毒的锑基金属钝化剂将是未来的发展方向 。 关 键 词 : 催化裂化 ; 金属钝化剂 ; 制备 中图分类号 : O 614. 33 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 0460 (2001) 04 0219 05
第 30 卷第 4 期 2001 年 12 月
当 代 化 工 Contemporary Chemical Industry
Vol. 30 ,No. 4 December ,2001
FCC 金属钝化剂的制备研究进展
梁红玉 , 宫 红 , 姜 恒
(抚顺石油学院材料科学系 , 辽宁 抚顺 113001)
在重油催化裂化 ( FCC) 过程中 ,原料油中的 重金属 (如 Fe 、Ni 、V 、Cu 等) 元素不断地沉积在催 化剂表面上 ,造成催化剂的污染 。随着其沉积量 的不断增加 ,给催化剂的活性和选择性带来不利 影响 ,使汽柴油收率下降 ,氢气 、焦炭产率上升 。 当催化剂上沉积镍时 ,促进了脱氢反应 ,导致生成 焦炭和氢气 ,降低了汽油的产率 ,但几乎不降低催 化剂的活性 。钒虽然也引起脱氢反应 ,但钒中毒 的更大的影响是由于钒迁移堵塞催化剂孔道并破 坏了催化剂沸石结构 ,致使催化剂活性降低 。采 用金属钝化剂可以克服这种不利影响 。随着原油 日趋重质化 ,催化裂化原料油越来越重 ,其性质也 逐渐变差 。其中 ,重金属含量急剧增加 ,这将加剧 催化剂的污染程度 。国内原油的镍含量普遍较 高 ,目前广泛使用的油溶性和水溶性钝镍剂主要 有锑剂 、铋剂和锡剂 。其钝镍机理是钝镍组分与 镍生成合金或稳定的化合物 ,改变镍的物相结构 和电子状态 。采用锑化合物可以钝化催化剂上这 些重金属特别是镍的活性 ,使被污染催化剂的性 质得到改善 。
Phillips Petroleum Company 生产的商品牌号为 Phil - ADCA 3000 金属钝化剂的主要成分为三羟 乙基硫醇锑[10 - 13] ,它的制备方法如下 : 在氮气保 护下 ,向 1 L 园底烧瓶中加入 291. 5 g (1. 00 mol) 三氧 化 二 锑 和 470 g ( 6. 00 mol ) β2巯 基 乙 醇 ( HSCH2 CH2 OH) , 发 生 放 热 反 应 , 温 度 上 升 到 80 ℃, 用加热套升温并在 110 ℃下保持 2 h 。反 应混合物转化为粘稠的黄色液体并有少量的白色
三羟乙基硫醇锑存在的一个问题是在储存过 程中外观变成浑浊深色不透明 ,尽管不影响它的 性能 ,但对购买者以及在操作过程中会造成不良 影响 。为解决这一问题 ,Boston 采用了向 Sb2O3 和 22羟基乙硫醇反应后的混合物中加入胺类化合物 的方法得到透明溶液 。具体过程如下 :在避光 、氮 气流保护下 ,1 份 Sb2O3 和 5. 23 份的 22羟基乙硫 醇反应得到混浊不透明棕色液体 ,然后向混合物 中加入 0. 0134 份乙醇胺得到透明棕色溶液[14] 。
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