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催化劑鐵中毒? 跟著巴斯夫一起說“NO”!

催化劑鐵中毒? 跟著巴斯夫一起說“NO”!

催化裂化是在熱和催化劑的作用下使重質油發生裂化反應,轉變為裂化氣、汽油和柴油等的過程,是一種非常重要的汽、柴油生產工藝,目前國內消費汽油約有75%來自催化裂化工藝。催化裂化過程中催化劑的作用非常重要,直接影響到產品質量和收率。國內外對于催化裂化催化劑的研究一直沒有間斷,為催化裂化工藝的發展做出了巨大貢獻。

Stamina是一種重油流化催化裂化(FCC)反應催化劑。能夠根據實際情況設計催化劑孔道結構,最大化輕質油品產量,保證油品質量,抑制焦炭生成。從業人員利用Stamina能夠將劣質的原料轉化為具有較高經濟效益成品油,煉廠試驗表明使用該催化劑處理高金屬含量的原料時能夠顯著提高輕質油品產量。

在上世紀90年代時,鐵污染被首次確認為流化催化裂化(FCC)設備中的一大問題。巴斯夫在催化劑鐵中毒及其對FCC催化劑的影響上有廣泛的研究。本文對其中一些發現進行了簡短的總結。

首先,了解鐵的來源和如何量化FCC催化劑中的鐵含量是非常重要的。因為鐵自然存在于制備FCC催化劑所用的黏土中,所以新鮮的催化劑中本身含有0.25-0.75wt%的鐵。這種形式的鐵并不參與任何副反應,也不會造成催化劑表面任何形式的堵塞。原油中與高分子質量的烴類物質結合在一起的鐵原子才是問題的所在。

鐵原子同時也可能來源于設備的腐蝕(游離鐵),這部分鐵的量非常有限,不是鐵原子的主要來源。進料中的鐵也會對催化劑造成影響,沉淀于FCC催化劑表面。

催化劑鐵中毒

鐵的化學或物理作用都會造成催化劑中毒,為催化裂化過程造成一系列的問題,其中鐵對催化劑的化學作用影響要小于物理作用。由于鐵原子具有脫氫作用,鐵對催化劑的化學作用會導致反應的氫氣和積炭含量增加,一氧化碳含量的稍許增加,同時造成硫元素從反應器轉移到再生器,硫化物的排放增加。

催化劑受到鐵的物理作用會造成催化劑表明結晶、融化或者降低催化劑表面積。催化劑中毒引起的最嚴重問題是催化劑孔道被堵塞,這會降低催化劑內部和外部分子的轉移,最終造成焦炭和重油產量增加。

原料中的鐵對催化劑造成影響的強度取決于催化劑類型、鐵離子存在形式以及其他污染物的影響,受到污染的催化劑催化作用降低,從而降低原料轉化率。對催化劑的孔隙率,特別是表面孔隙率進行優化可以降低鐵對催化劑活性的影響,BASF的催化劑原位制造技術能夠顯著提高催化劑對鐵的抗性。

從表面形態學來說,采用原位制造的催化劑有更高的表面孔隙率,這樣它們也就能經受更高程度的鐵垢。巴斯夫的催化劑已經成功應用于含鐵2wt%原料的催化裂化應用中。

更高轉的化率

巴斯夫著力解決鐵在工業生產中造成的負面影響。在過去15年中,巴斯夫的催化劑從未因鐵的影響而導致轉化率的降低。下面這個案例分析描述了北美一個煉油廠在使用了巴斯夫的Stamina催化劑后的鐵的偏移。

在幾個月時間內,這家煉油廠在FCC設備中加工了高鐵含量的進料。這家煉油廠觀察到平衡狀態時催化劑上附著的鐵含量由1.17wt%增至1.48wt%,即表明進料中鐵含量增加了45%。同時,該煉油廠還發現在平衡狀態時催化劑上鈣和鈉的含量也分別增加了23%和48%,鎳(Ni)和釩(V)的含量則幾乎保持不變。設備活性未曾減少,也沒有造成過高的重油產量。

需注意的是,當轉化率隨著鐵含量的增加而降低時,這通常意味著催化裂化進料性質的改變是轉化率降低的主要原因,而不是由于鐵含量的上升引起的轉化率降低。在發生以上情況時,進料變重是Na和V含量提高、轉化率降低的原因。

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鐵的流動性

巴斯夫研究的另一個關注點是鐵的流動性。在研究鐵的流動性時,區分催化劑顆粒內部金屬原子的流動和催化劑顆粒間金屬原子的流動是非常重要的。量化分子內金屬原子流動的方法之一是使用掃面電子顯微鏡(SEM)獲取反應平衡狀態下催化劑顆粒橫截面上的數據。

通過比較外層和內層的金屬污染物含量可以得到催化劑的外圍沉積指數(PDI)。例如,金屬釩PDI數值接近于1,說明釩在催化劑分子中接近于均勻分布,即有比較高的分子內流動性。鐵的PDI數值范圍從4到7以上不等,說明鐵的分子內流動性比較低,與鎳的分散情況相似。

為了研究催化劑顆粒間金屬原子的轉移,研究人員采用了很多方法對反應平衡狀態下的催化劑顆粒進行了表征。利用催化劑顆粒的密度差異,采用懸浮法對催化劑顆粒進行了分離,結果顯示平衡狀態下鐵原子附著的催化劑顆粒密度與具有高轉移活性的V、低轉移活性的Ni催化劑顆粒密度差異明顯。

而從平衡態催化劑的整體的SEM數據來看,新、舊催化劑顆??梢酝ㄟ^表面制圖很明顯地區分出來,說明鐵的流動性與釩的流動性有明顯的區別??偟膩碚f,在對一系列商用設備的研究后表明,Fe并不像V一樣有很高的催化劑顆粒間流動性。

每一次技術的更新都經過科研人員的艱苦努力,Stamina是BASF多年研究的成果,相信Stamina在催化裂化工藝中一定會發揮出巨大的作用。

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