Результат интеллектуальной деятельности: Катализатор защитного слоя для переработки тяжелого нефтяного сырья

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.

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 мас% МоO₃ и 0,5-4 мас% 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, имеющий 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.

Патент RU 2653494 описывает катализатор защитного слоя на основе γ-Аl₂О₃, содержащий биметаллическое комплексное соединение [Ni(HO)][MoO(CHO)] 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 м²/г, объем пор 0,70-0,72 см³/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 О), содержащий оксид молибдена (3,0-9,0 мас%), оксид никеля и/или кобальта (0,5-4,0), оксид кремния (0,8-3,0 мас%), оксид алюминия (до 100%), сформованный в виде полых цилиндрических гранул.

Общим недостатком описанных катализаторов защитного слоя в гидропереработке тяжелых нефтей 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. Кроме того, углеродистые отложения и примеси, образующиеся в ходе проведения процесса переработки в мелких порах, блокируют доступ реагентов к каталитическим центрам, что ведет к быстрой дезактивации катализатора. Для решения указанной проблемы предлагается использовать катализаторы с существенной долей крупных пор размером более 50 нм, которые по существующей классификации относятся к макропорам. Развитая сеть транспортных макропор облегчает подвод реагентов к внутренней поверхности катализатора и уменьшает негативное влияние отложений побочных продуктов реакции (US №№4328127, 4572778, 5416054, 5968348).

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 ненагретым 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 процедуры 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 с контролируемым и заданным объемом транспортных макропор для процесса переработки, в том числе гидроочистки тяжелого нефтяного сырья.

Изобретение решает задачу получения катализатора защитного слоя со строго заданной структурой макропор, включая их размер, взаимное пространственное расположение, связность и другие характеристики.

Задача решается с помощью использования материалов с пространственной структурой макропор и высокой долей макропор. 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 м²г с долей внешней поверхности не менее 50% и удельным объемом пор не менее 0,1 см³г.

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.

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, 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 структурообразующих темплатов.

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, отличаются тем, что указанный катализатор содержит макропоры, образующие 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, и могут быть особенно эффективны при гидропереработке тяжелых фракций нефти. Материал носителя соответствует по составу оксиду алюминия.

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.

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]. В качестве предшественника оксида алюминия использовали гидроокись алюминия АlOOH марки ЗАО «Промышленные катализаторы», представленную кристаллической фазой бемита (93%) с примесью байерита (7%).

Образцы носителей из оксида алюминия получают добавлением к порошку мелкодисперсного АlOОН, разбавленного раствора азотной кислоты (10^-4 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 γ- и δ-модификаций AI2O3. Полученный темплатный образец оксида алюминия обладает регулярной пространственной структурой макропор со средним размером 160 нм, измеренным и визуализированным с помощью сканирующей электронной микроскопии, общий объем пор, измеренный с помощью ртутной порометрии, составляет 0,73 и 0,51 см³/г для темплатного и бестемплатного образцов, соответственно, при удельной поверхности 149 м /г для обоих образцов. В бестемплатном образце сравнения макропоры не упорядочены и составляют незначительную долю в общем объеме пор. Полученный оксид алюминия может быть использован как катализатор защитного слоя гидропереработки тяжелого нефтяного сырья без дополнительного нанесения каталитически активных компонентов.

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 АlOОН от компании Disperal, представленную кристаллической фазой бемита.

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^-4 М), в количестве достаточном для формирования пасты. Для сравнения получают пасту аналогичным способом без стадии смешения с раствором 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.

Полученный образец оксида алюминия с использованием темплата обладает регулярной пространственной структурой макропор со средним размером 180 нм, измеренным и визуализированным с помощью сканирующей электронной микроскопии, общий объем пор, измеренный с помощью ртутной порометрии, составляет 0,98 и 0,52 см³/г при удельной поверхности 171 и 159 м²/г для темплатного и бестемплатного образцов, соответственно.

Пример 3

В качестве структурообразующего темплата используют смесь ПС и ПММА микросфер в виде коммерческого продукта или полученные путем эмульсионной полимеризации стирола и метилметакрилата. В качестве предшественника оксида алюминия использовали гидроокись алюминия АlOОН от компании ЗАО «Промышленные катализаторы», представленную кристаллической фазой бемита (93%) с примесью байерита (7%).

Образцы носителей из оксида алюминия получают добавлением к водной смеси 2,5 мас% ПММА и 2,5 мас% ПС микросфер мелкодисперсного псевдобемита, при этом происходит совместное осаждение гидкроксида алюминия и темплата. Объем раствора микросфер подбирают таким образом, чтобы массовое содержание темплата в расчете на сухой композит составляло 20%. Осадок отделяют декантацией, высушивают, размалывают, добавляют водный раствор азотной кислоты (10^-4 М), в количестве достаточном для формирования пасты. Для сравнения получают пасту аналогичным способом без стадии смешения с раствором 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.

Полученный образец оксида алюминия с использованием темплата обладает регулярной пространственной структурой макропор со средним размером 250 нм, измеренным и визуализированным с помощью сканирующей электронной микроскопии, общий объем пор, измеренный с помощью ртутной порометрии, составляет 0,78 и 0,52 см³/г при удельной поверхности 167 и 159 м²/г для темплатного и бестемплатного образцов, соответственно.

Пример 4

В качестве структурообразующего темплата используют крахмал в виде нагретой водной суспензии. В качестве предшественника оксида алюминия использовали гидроокись алюминия АlOОН от компании ЗАО «Промышленные катализаторы», представленную кристаллической фазой бемита (93%) с примесью байерита (7%).

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^-4 М) к порошку мелкодисперсного псевдобемита с формированием композитной пасты из гидкроксида алюминия и темплата. Для сравнения получают пасту аналогичным способом без стадии смешения с раствором 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.

Полученный образец оксида алюминия с использованием темплата обладает пространственной структурой макропор со средним размером 1 мкм, измеренным и визуализированным с помощью сканирующей электронной микроскопии, общий объем пор, измеренный с помощью ртутной порометрии, составляет 0,70 и 0,52 см³/г при удельной поверхности 165 и 159 м²/г для темплатного и бестемплатного образцов, соответственно.

Пример 5

В качестве структурообразующего темплата используют целлюлозу в виде размолотого на шаровой мельнице порошка. В качестве предшественника оксида алюминия использовали гидроокись алюминия АlOОН от компании ЗАО «Промышленные катализаторы», представленную кристаллической фазой бемита (93%) с примесью байерита (7%).

Образцы носителей из оксида алюминия получают добавлением порошка целлюлозы и водного раствора азотной кислоты (10^-4 М) к порошку мелкодисперсного псевдобемита с формированием композитной пасты из гидкроксида алюминия и темплата. Для сравнения получают пасту аналогичным способом без стадии смешения с раствором 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.

Полученный образец оксида алюминия с использованием темплата обладает пространственной структурой макропор со средним размером 13 мкм, измеренным и визуализированным с помощью сканирующей электронной микроскопии, общий объем пор, измеренный с помощью ртутной порометрии, составляет 0,59 и 0,52 см³/г при удельной поверхности 160 и 159 м²/г для темплатного и бестемплатного образцов, соответственно.