An Investigation of the Deactivation Behavior of Industrial Mo/Al2O3 and Ni-Mo/Al2O3 Catalysts in Hydrotreating Kuwait Atmospheric Residue

The catalyst system for fixed-bed residue hydrotreating processes usually consists of different types of catalysts designed to promote hydrodemetallation (HDM), hydrodesulfurization (HDS) and hydrodenitrogenation (HDN) reactions to desired levels. Overall catalyst life is determined by the performance of the individual catalysts in the different reactors. Therefore, information about the activity, stability, selectivity, and deactivation behavior of the individual catalyst is highly desirable to design improved catalysts that can prolong catalyst life, increase stream efficiency, and improve process economics. In the present work, residue hydrotreating experiments were conducted on two types of industrial hydrotreating catalysts, namely Mo/Al₂O₃ and Ni-Mo/Al₂O₃, that have been used as HDM and HDS catalysts, respectively, in an industrial ARDS process. The primary objective of the study was to compare the deactivation behavior of both types of catalyst. The characterization of the used catalysts by elemental analysis, surface area, pore volume, and pore size measurements along with TPO-MS, ¹³C NMR, and electron microprobe analysis showed significant differences in the nature of the coke and metal deposits on the two types of catalysts. The role of initial coking, the relative importance of the coke, and metal depositions on the deactivation of the two types of catalyst are discussed.     

渣油加氢失活催化剂的积炭规律

以正庚烷为溶剂,采用索氏抽提法对渣油加氢工业失活催化剂进行预处理,以脱除表面吸附的烃类组分;采用碳硫元素分析仪、扫描电子显微镜 能谱分析仪(SEM EDS)分别测定了失活催化剂的碳、硫含量及碳含量沿颗粒的径向分布,并采用热重 质谱联用分析仪(TG MS)和BET低温物理吸附仪研究了失活催化剂的热解行为及其孔结构的变化。结果表明,沿着反应器物流方向,失活剂的积炭量呈上升趋势,硫含量呈下降趋势;脱金属失活剂的积炭沿颗粒径向分布比较均匀,而脱硫、脱残炭失活剂颗粒的碳含量呈现边缘部位较内部含量偏高;沿物流方向,积炭氧化温度逐渐升高;积炭影响催化剂的孔结构特性,对脱金属剂的孔结构影响相对较小,而对脱硫剂、脱残炭剂的孔结构影响比较大;脱硫、脱残炭失活剂高温脱炭后,比表面积和孔容可恢复率高,尤其是脱残炭剂。     

渣油加氢脱残炭催化剂的失活研究

采用BET、ICP、元素分析、显微共焦激光拉曼光谱及TEM等多种分析手段,对工业装置运转后的渣油加氢脱残炭催化剂进行了研究。实验结果表明,运转后的脱残炭催化剂积碳量高达24.57%(w),且积碳在催化剂径向上呈"V"型分布,更多地沉积在催化剂边缘;积碳量大及积碳在催化剂径向分布不均匀使催化剂孔径变小,扩散阻力增加,孔内活性位利用率降低;运转后的脱残炭催化剂的MoS2相变长,且层数增加,使活性位减少。为提高脱残炭催化剂的活性稳定性,应加强催化剂的抗积碳性能,改善积碳在催化剂径向上的分布,提高MoS2相的高温稳定性,并在使用过程中尽可能避免热点和飞温等情况。     

两类典型渣油原料加氢过程中脱金属催化剂运转初期失活研究

采用碳硫元素分析(CS)、催化剂氮含量分析(CAT-N)、热重 质谱联用分析(TG-MS)以及低温静态N₂物理吸附等技术手段,分别对在中型固定床渣油加氢实验装置上运转0(硫化后)、162、262、562 h后的卸出加氢脱金属催化剂进行表征,以研究高氮低硫类渣油加氢过程运转初期催化剂失活快的原因。结果表明：在相同催化剂级配体系和相同工艺条件下,与加工高硫低氮类沙特阿拉伯轻质原油的渣油原料(沙轻渣油)的脱金属催化剂相比,加工高氮低硫类仪长管输原油的渣油原料(仪长渣油)的脱金属催化剂上形成了更多的积炭,沉积的硫化物略少,而氮化物较多;加工仪长渣油的脱金属催化剂上形成了更多的高温型积炭,且相比加工沙轻渣油的脱金属催化剂上形成的高温型积炭更难氧化燃烧;积炭对加工仪长渣油的脱金属催化剂的孔结构性质影响更大,比表面积、孔体积均低于加工沙轻渣油的脱金属催化剂,大孔占比更低。     

ZnO/Al2O3催化对苯二甲酸脱羧反应性能及失活

采用共沉淀法制备了ZnO/Al2O3催化剂并将其应用于对苯二甲酸脱羧反应中,分别考察了焙烧温度、氧化锌负载量、空时以及水比对脱羧反应性能的影响,并对负载催化剂的反应稳定性以及失活机理进行研究,结果表明,负载量30wt%、空时为2.1h-1、无水以及催化剂焙烧温度为600℃条件下,对苯二甲酸脱羧活性最高,苯收率可达到86%。XRD、TG/DTA以及BET分析结果表明,催化剂表面积炭和尖晶石相晶粒的增长均会导致脱羧催化剂失活。     

磷对MoCoNi/Al2O3催化剂性能及活性结构的影响

研究磷对MoCoNi/Al2O3催化剂反应性能及活性结构的影响。结果表明,添加磷的MoCoNiP/Al2O3催化剂在渣油加氢反应中具有更高的杂质脱除能力,而且催化剂加氢活性的提升改善了加氢后产品作为催化裂化原料的整体性能。DRS及TPR表征结果显示,添加磷的MoCoNiP/Al2O3催化剂活性组分的低温还原性提高,增加了八面体配位钼物种的数量,从而提高了催化剂活性。添加磷的MoCoNiP/Al2O3催化剂的孔体积和比表面积有所损失,不利于催化剂容金属能力的提升,但反应后催化剂表面的积炭量没有发生变化,说明催化剂的抗积炭性能得到了保持。     

均匀设计法分析制备过程对钴钼硫化物催化剂机械强度的影响

建立了CoMoP/Al2O3加氢精制催化剂机械强度及其可靠性在制备过程中的数学模型,采用均匀设计考察了浸渍、干燥、煅烧、硫化4个制备过程中,浸渍时间、干燥温度、干燥时间、煅烧温度、煅烧时间、硫化温度和硫化升温速率7个实验因子对催化剂强度均值、Weibull模量的影响,同时考察了这些因素对颗粒密度的影响。方差分析表明所有模型都是充足的。实验结果表明,硫化过程是影响催化剂强度均值的主要过程。在实验范围内提高硫化温度、降低硫化时的升温速率有利于提高催化剂的强度。影响催化剂Weibull模量的因素主要为各个制备过程的交互效应。要提高催化剂强度的可靠性就必须全面考虑催化剂制备的各个过程,特别是各个制备过程的交互效应。     

喹啉对在Co-Mo/Al2O3及Ni-Mo/Al2O3催化剂上二苯并噻吩加氢脱硫活性的影响

在工业催化剂FHUDS-5(Co-Mo/Al2O3)和FHUDS-6(Ni-Mo/Al2O3)上,模拟工业柴油加氢工艺,考察了喹啉对二苯并噻吩(DBT)加氢脱硫(HDS)活性的影响,还讨论了喹啉抑制DBT加氢脱硫反应的机理。结果表明,喹啉对DBT的HDS反应有强烈抑制作用,对加氢路径(HYD)的抑制作用大于对氢解路径(DDS)的抑制作用;反应温度高于300℃时,在同一温度下,喹啉对在Co-Mo/Al2O3及Ni-Mo/Al2O3催化剂上DBT加氢脱硫反应活性的影响不同;当氢分压大于4.8 MPa时,在同一氢分压下,喹啉对在Co-Mo/Al2O3及Ni-Mo/Al2O3催化剂上DBT加氢脱硫反应活性的影响不同。     

Ni／Al2O3-SiO2加氢催化剂的失活与再生

以轻质C5馏分为探针，考察了Ni／Al2O3-SiO2催化剂的加氢活性稳定性。讨论了催化剂活性下降的主要原因，并进行了催化剂再生实验。结果表明，在使用Ni／Al2O3-SiO2催化剂对轻质C5馏分原料加氢时，催化剂活性下降的主要原因是原料中双烯烃和炔烃齐聚生成的齐聚物覆盖了催化剂的活性位，催化剂活性随着催化剂表面齐聚物生成量的增加而呈现缓慢下降的趋势。由于这种齐聚物疏松地附载在催化剂表面，并可以在氢气气氛中和较高的温度下从催化剂表面脱除，使催化剂得以再生，其活性可以恢复到新鲜催化剂水平。     

超细负载型Ni-Mo/Al2O3催化剂在渣油加氢裂化中的应用

针对渣油固定床加氢工艺催化剂易结焦失活以及悬浮床加氢工艺催化剂活性偏低的问题,将能悬浮在渣油中的超细负载型催化剂(Ni-Mo/Al2O3)应用于渣油的加氢裂化反应,并在高压釜中考察了反应条件对新疆减压渣油(XJVR)转化率的影响,其中催化剂添加量(质量分数)的考察范围为1%～10%、反应温度为410～450℃、反应时间为0.5～2.5 h、氢气初始压力为5～9 MPa。结果表明,催化剂的添加量对渣油、沥青质以及残炭转化率的影响都很小,但增加催化剂添加量能明显地促进硫的转化,即在此催化体系下,渣油的裂化反应以热反应为主,而加氢脱硫反应则由催化剂的活性中心所决定;反应温度对渣油、残炭、沥青质以及硫的转化率的影响较大,随着反应温度的提高,渣油、残炭、沥青质以及硫的转化率都呈上升的趋势,且前三者的上升趋势更为显著;延长反应时间对反应转化率的影响与提高反应温度所得到的结果类似;当氢气严重过量时,再提高氢气压力对硫转化率没有影响,但可在一定程度上促进残炭和沥青质的加氢反应。     

焦化粗苯两段加氢精制Ni-Mo/TiO_2-Al_2O_3和Co-Mo-P/TiO_2-Al_2O_3催化剂

采用分步浸渍法制备了系列Ni-Mo/TiO_2-Al_2O_3和Co-Mo-P/TiO_2-Al_2O_3催化剂,在固定床微型反应装置上考察了n(Ni):n(Ni+Mo)、n(Co):n(Co+Mo)、P的添加量对催化剂预加氢和主加氢反应性能的影响;对粗苯两段加氢精制的工艺条件进行了研究。实验结果表明,2Ni-8Mo/TiO_2-Al_2O_3预加氢催化剂(NiO和MoO_3质量分数分别为2%和8%)和2Co-8Mo-1P/TiO_2-Al_2O_3主加氢催化剂(CoO,MoO_3,P_2O_5质量分数分别为2%,8%,1%)对粗苯加氢反应效果最好;粗苯两段加氢精制最优工艺条件为:预加氢反应温度190～230℃、主加氢反应温度310～360℃、反应压力2.0～3.5MPa、液态空速2.0～3.5h~(-1)、氢油体积比350～800,在此条件下加氢液体产物中噻吩硫含量为零,苯、甲苯和二甲苯总收率保持在99%以上;催化剂在160h的稳定性实验中表现出良好的稳定性。     

The Role of Nitrogen in Facilitating Methylcyclohexane Aromatization on Pt/Al2O3 and Pt-Re/Al2O3 Catalysts

The kinetics of methylcyclohexane aromatization on commercial Pt/Al₂O₃ and Pt-Re/Al₂O₃ catalysts was investigated in a micro-reactor using N₂ and/or H₂ as carrier gases at temperatures ranging between 300-500°C, W/F values ranging between 0.83-3.75 mg min/mL and at a total pressure of 4.0 kg/cm². On both catalysts in N₂ atmosphere, aromatization accompanied by demethylation was observed with the formation of cracked products, benzene and toluene. However, in H₂ methane was the predominant product of methylcyclohexane reforming on PtA1₂O₃ and Pt-Re/Al₂O₃ at 500°C and 400-500°C respectively, whereas at 350°C, aromatization was predominant on Pt/Al₂O₃ but on Pt-Re/Al₂O₃, aromatization was accompanied by fragmentation to methane. In N₂-H₂ mixtures, demethylation activity was observed to decrease with H₂ content of the mixture on Pt-Re/Al₂O₃. A preliminary test of the kinetic data using Sica's method of pulse kinetic analysis suggests a first order rate in methylcyclohexane with activation energies of 3.21 kcal/gmol in N₂ and 19.70 kcal/gmol in H₂ for the Pt/Al₂O₃ catalyst and 16.66 kcal/gmol in N₂ and 34.94 kcal/gmol in H₂ for the Pt-Re/Al₂O₃ catalyst. However, a more comprehensive kinetic analysis suggested an aromatization mechanism for Pt-Re/Al₂O₃, where adsorbed H₂ was a participant. A different aromatization mechanism for the reaction in N₂ where hydrogen was not needed explained the data on Pt/Al₂O_3. In both cases, the desorption of toluene was determined as the rate determining step.     

The Role of Nitrogen in Facilitating Methylcyclohexane Aromatization on Pt/Al2O3 and Pt-Re/Al2O3 Catalysts

Abstract

The kinetics of methylcyclohexane aromatization on commercial Pt/Al₂O₃ and Pt-Re/Al₂O₃ catalysts was investigated in a micro-reactor using N₂ and/or H₂ as carrier gases at temperatures ranging between 300–500°C, W/F values ranging between 0.83–3.75 mg min/mL and at a total pressure of 4.0 kg/cm². On both catalysts in N₂ atmosphere, aromatization accompanied by demethylation was observed with the formation of cracked products, benzene and toluene. However, in H₂ methane was the predominant product of methylcyclohexane reforming on PtA1₂O₃ and Pt-Re/Al₂O₃ at 500°C and 400–500°C respectively, whereas at 350°C, aromatization was predominant on Pt/Al₂O₃ but on Pt-Re/Al₂O₃, aromatization was accompanied by fragmentation to methane. In N₂–H₂ mixtures, demethylation activity was observed to decrease with H₂ content of the mixture on Pt-Re/Al₂O₃. A preliminary test of the kinetic data using Sica's method of pulse kinetic analysis suggests a first order rate in methylcyclohexane with activation energies of 3.21 kcal/gmol in N₂ and 19.70 kcal/gmol in H₂ for the Pt/Al₂O₃ catalyst and 16.66 kcal/gmol in N₂ and 34.94 kcal/gmol in H₂ for the Pt-Re/Al₂O₃ catalyst. However, a more comprehensive kinetic analysis suggested an aromatization mechanism for Pt-Re/Al₂O₃, where adsorbed H₂ was a participant. A different aromatization mechanism for the reaction in N₂ where hydrogen was not needed explained the data on Pt/Al₂O_3. In both cases, the desorption of toluene was determined as the rate determining step.     

含分子筛CoMoP/Al2O3催化剂的加氢脱硫反应性能

以具有不同孔结构的十二元环微孔分子筛为酸性组分,制备了含分子筛的CoMoP/Al2O3加氢催化剂,采用固定床高压微反装置考察了4,6-二甲基二苯并噻吩的加氢脱硫反应,并通过N2吸附 脱附、吡啶吸附红外、X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）等表征手段对几种分子筛样品进行物化性质分析。结果表明,〖JP2〗分子筛的孔结构和酸中心的可接近性是影响含分子筛催化剂上总反应活性及各路径产物分布的主要因素。在反应温度300℃、H2分压4.0 MPa、H2/原料油（体积比）为500的条件下,含Y分子筛催化剂的总反应活性及脱硫率最高。与β分子筛相比,晶粒尺寸更小的Nβ分子筛上酸中心的可接近性提高,含Nβ分子筛催化剂的总反应活性与酸催化反应活性明显提高。     

含分子筛NiMoP/Al2O3催化剂上邻二甲苯异构化的反应性能

以具有不同孔结构的微孔分子筛为酸性组分,制备了含分子筛的硫化态NiMoP/Al2O3催化剂。考察了临氢条件下邻二甲苯的异构化反应,采用XRD、N2吸附 脱附、吡啶吸附红外和SEM等表征手段对分子筛及催化剂样品进行物化性质分析。结果表明,分子筛的孔结构和酸性中心的可接近性是影响该催化剂体系上邻二甲苯的反应活性及产物分布的主要因素。在反应温度为300℃、氢分压40 MPa、氢气/邻二甲苯（体积比）为1000的条件下,含Beta分子筛催化剂的总反应活性及异构化反应活性最高。与由Al2O3和分子筛挤条成型制得的催化剂相比,使用NiMoP/Al2O3和分子筛机械混合催化剂的邻二甲苯异构化反应活性明显提高。