仪长渣油加氢处理反应规律的研究 Ⅰ.仪长渣油性质特点及加氢反应特性

以仪长管输原油渣油(简称仪长渣油)为原料、以沙特阿拉伯轻质原油渣油(简称沙轻渣油)作为对比油,采用傅里叶变换离子回旋共振质谱仪及核磁共振波谱仪对两类渣油的烃类组成及结构参数进行表征,对比考察两种渣油的加氢处理反应性能。结果表明,与沙轻渣油相比,仪长渣油具有硫含量低、氮含量高、胶质含量高、芳香分含量低、大量分子都含有氮原子、分子较大、支化程度高等特点,在相同的催化剂体系和工艺条件下,仪长渣油的残炭降低率显著低于沙轻渣油。     

仪长渣油加氢处理反应规律的研究 I.仪长渣油性质特点及加氢反应特性

以仪长管输原油渣油（简称仪长渣油）为原料、以沙特阿拉伯轻质原油渣油（简称沙轻渣油）作为对比油,采用傅里叶变换离子回旋共振质谱仪及核磁共振波谱仪对两类渣油的烃类组成及结构参数进行表征,对比考察两种渣油的加氢处理反应性能。结果表明,与沙轻渣油相比,仪长渣油具有硫含量低、氮含量高、胶质含量高、芳香分含量低、大量分子都含有氮原子、分子较大、支化程度高等特点,在相同的催化剂体系和工艺条件下,仪长渣油的残炭降低率显著低于沙轻渣油。     

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。     

反应条件对渣油加氢产物中碱性氮化物的影响

利用间歇式固定床反应器对大连混合渣油进行催化加氢反应,研究氢分压和剂油比对加氢液体产物中碱性氮化物分布及类型的影响;利用电喷雾傅里叶变换离子回旋共振质谱（ESI FT-ICR MS）对原料油及产物中的碱性氮化物进行表征。结果表明：反应前后渣油中N1（含1个N原子）类的碱性化合物占绝大比例,N1S1（含1个N、1个S原子）和O1（含1个O原子）类化合物的比例次之,其它类型的相对丰度均较低;随氢分压的增大,产物中大部分碱性氮化物类别的丰度有所下降,同时发生了加氢断侧链致使N1类化合物分子的碳数减少,分子尺寸变小;随剂油质量比的增大,杂原子的相对丰度减弱,分子饱和度减小,N1类化合物的等效双键数（DBE）分布没有显著变化（DBE为9~18）;但加氢反应的断链使得分子碳数明显变小为C20~C34;反应后产物中杂原子明显减少。     

沸腾床渣油加氢工艺中氮化物转化规律的研究

以管输减压渣油作为原料油，在中型沸腾床渣油加氢试验装置上开展加氢转化试验，采用静电场轨道阱质谱分析方法，考察原料油及不同工艺条件下制得的加氢生成油中氮化物的分子结构。结果表明：管输减压渣油中的氮化物包括碱性氮化物和中性氮化物，以N1，N1O1，N2，N2O1形式存在，以N1类化合物为主；原料油在加氢转化试验过程中，碱性氮化物的碳数分布向高碳数、等效双键数（DBE）分布向低DBE方向移动，反应温度越高，趋势越明显；随着反应温度的升高，中性氮化物的DBE降低，而由于热裂化反应加剧，碳数减小。     

仪长渣油加氢处理反应规律的研究Ⅱ.新型催化剂及工艺条件的影响

针对仪长管输原油渣油(简称仪长渣油)的性质特点,开发了新型渣油加氢降残炭催化剂,并考察了加氢工艺条件对仪长渣油加氢处理反应的影响。通过选用镍钼型活性金属体系,改进载体的制备方法、浸渍工艺过程及添加助剂等开发了新型渣油加氢降残炭催化剂,使用该催化剂的级配体系具有更强的加氢饱和活性及杂原子脱除活性。在相同的操作条件下,与现工业装置应用的催化剂级配体系相比,使用新型加氢降残炭催化剂的级配体系可以使仪长渣油的残炭降低率提高3.3百分点、加氢脱氮率提高7.9百分点,有效提升仪长渣油的加氢生成油品质。在渣油加氢常规操作范围内,通过提高反应温度和氢分压、降低体积空速可以提高仪长渣油残炭降低率,促进加氢脱硫、加氢脱氮等反应的进行,有利于加氢生成油品质的提高。     

加氢渣油中沥青质的加氢再转化性能

采用单程加氢和循环加氢的方法,考察了加氢渣油中沥青质进一步转化的可行性。利用超临界流体萃取分馏仪分离出加氢渣油中富含沥青质和杂原子的脱油沥青,将其与加氢渣油调合后进行再加氢,考察加氢渣油中沥青质的加氢再转化性能。在此基础上,通过循环加氢的方式,考察加氢渣油中沥青质循环加氢的转化性能,并采用FT ICR MS手段分析沥青质的分子结构和组成。结果表明,加氢渣油经超临界流体萃取得到的富含沥青质的脱油沥青在进一步加氢过程中能够继续转化。循环加氢过程中,正戊烷沥青质的转化率能够达到70%左右;随着加氢次数的增加,沥青质中含硫化合物（S1、S2、N1S1、N1O1S1结构）能够被有效加氢,而含氮化合物（N1、N2结构）加氢转化困难,HC芳烃结构最难以转化。     

不同类型渣油原料的加氢反应特性的差异

采用相同催化剂级配方式,在相同工艺条件下进行加氢试验,考察了两类典型固定床渣油加氢原料的反应特性,结果表明：渣油加氢过程中较易发生加氢脱硫反应,而相对较难发生加氢脱氮和残炭前身物加氢转化反应;不同类型渣油原料的加氢反应特性不同,与硫含量较高、氮含量较低的原料相比,硫含量较低、氮含量较高的原料较难发生加氢脱硫、加氢脱氮和残炭前身物加氢转化反应;两种典型原料的反应特性差异主要与其杂原子含量、组分组成和分子结构有关。通过对加工两类典型渣油原料的固定床渣油加氢装置的工业运转情况的比较分析,也表明硫含量较低、氮含量较高的原料较难发生加氢脱硫、加氢脱氮和残炭前身物加氢转化反应。     

不同类型渣油原料加氢反应特性的差异

采用相同催化剂级配方式,在相同工艺条件下进行加氢试验,考察了两类典型的固定床渣油加氢原料的反应特性,结果表明:渣油加氢过程中较易发生加氢脱硫反应,而相对较难发生加氢脱氮和残炭前身物加氢转化反应;不同类型渣油原料的加氢反应特性不同,与硫含量较高、氮含量较低的原料相比,硫含量较低、氮含量较高的原料较难发生加氢脱硫、加氢脱氮和残炭前身物加氢转化反应;两种典型原料的反应特性差异主要与其杂原子含量、组分组成和分子结构有关。通过对加工两类典型渣油原料的固定床渣油加氢装置的工业运转情况的比较分析,也表明硫含量较低、氮含量较高的原料较难发生加氢脱硫、加氢脱氮和残炭前身物加氢转化反应。     

仪长渣油中含钙化合物的分布及加氢脱钙反应的研究

深入分析了高钙含量仪长渣油的性质,并对其进行加氢处理,考察了渣油加氢前后含钙化合物分布规律及其加氢反应特性。结果表明,仪长渣油中含钙化合物可以分为易脱除钙和难脱除钙;前者主要分布于胶质中,较容易加氢脱除或使用脱钙剂脱除,后者则主要分布于沥青质中,采用上述2种方法均较难脱除。仪长渣油的加氢脱钙率通常低于其脱镍率和脱钒率;较高的反应温度对加氢脱钙反应有利;加氢脱钙率与沥青质加氢脱除率具有一定的相关性。在实际工业装置上,为避免易脱除钙过于集中地沉积在固定床渣油加氢前部催化剂床层,应采用适量的脱钙剂先将易脱除钙尽可能完全脱除,再进行固定床加氢处理。     

基于分子组成的减压渣油聚类分析

基于减压渣油的结焦性能受化合物的类型分布的影响,将高分辨质谱分析得到的数据按照芳烃（HC）、含1个硫原子的硫化物(S1)、含2个硫原子的硫化物(S2)、含1个氮原子的氮化物(N1),按碳数的分布分成10类,并从分子组成上对71种减压渣油进行了聚类分析。结果表明：聚类分析将71种减压渣油按分子组成特点分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类减压渣油;为验证聚类的准确性,以减压渣油的残炭值作为聚类分析结果合理性判断的依据,发现Ⅰ类减压渣油残炭值最低,属于不易结焦的减压渣油;Ⅲ类减压渣油残炭值最大,属于最易结焦的减压渣油;Ⅱ类减压渣油残炭值高于Ⅰ类减压渣油,低于Ⅲ类减压渣油,结焦倾向居中。本研究利用聚类分析对多个减压渣油样本按分子组成进行分类,实现了FT-ICR MS数据的有效管理,为减压渣油的加工提供指导。     

两种中东原油的减压渣油性质的研究

运用超临界流体萃取分馏技术，对两种中东原油（沙特轻质原油与阿曼原油）的减压渣油进行分离，测定与分析了窄馏分的折光指数、密度、粘度、残炭、平均相对分子质量、元素分析（C、H、S）、金属含量（Ni，V）、族组成（饱和烃、芳香烃和胶质含量）及结构组成。并与大庆、辽河原油的减压渣油分离结果进行了对比，为沙特轻质原油及阿曼原油的减压渣油的合理加工提供了重要的基础数据。     

阿尔巴克拉高酸原油的石油酸结构分析

以阿尔巴克拉原油为模型,对高酸原油中石油酸分子的结构进行了研究。对其进行实沸点蒸馏分析,表明间歇蒸馏过程中部分石油酸类化合物在受热过程中会发生脱羧反应,不利于分子结构特性的研究。借助高分辨质谱、红外光谱对常减压装置中馏分油的酸性氧化物进行了组成及结构分析,认为相对丰度均为:O2>O1>N1O2>N1O1>N2O1;各馏分油中O2类石油酸化合物分子的等价双键数(DBE)值范围在1~19,碳数范围在C10~C54;丰度较高的化合物分子碳数集中在C25~C30之间,DBE值为2~4附近;采用碱醇液萃取的方法对环烷酸进行了富集和红外光谱分析,推断原油及馏分油中存在的石油酸分子以环烷酸类为主,羧基连接在环烷酸的侧链上且侧链的碳数一般不超过5。     

DEVELOPMENT OF HIGH-PERFORMANCE HEAVY OIL HYDROCRACK1NG CATALYSTS: CHARACTERIZATION OF ATMOSPHERIC RESIDUE FEED

ABSTRACT

The characterization results of the atmospheric residue obtained from Saudi Arabian Light crude oil show the complex nature and composition of this material. The distillation results showed that about 50 percent of Arab Light crude is the atmospheric residue. The elemental analysis of the residue showed that high amount of carbon, sulfur and nitrogen is present along with heavy metals such as nickel and vanadium. The determination of hydrocarbon types by HPLC exhibited that 12% polars and 27% aromatics are present along with 6% asphaltenes. Nuclear magnetic resonance study conducted on the residue and its fraction provides a detailed composition in terms of aliphatic and aromatic nature of the residue and its fractions. The results showed that the residue contains 21% aromatic and 79% aliphatic carbon. The aliphatic carbon is present in saturates and as side chains of aromatic and polar molecules whereas the aromatic carbons are those in the ring structure. Asphaltenes separated from the residue were characterized for their different properties to understand its complexity. The use of electron spin resonance spectroscopy provides determination of the free radicals present in the residue. Asphaltenes were analyzed using the state-of-the-art high temperature high pressure electron spin resonance (ESR) technique in the temperature range 20 to 625 °C and at 30 and 50 bar hydrogen pressure. The ESR determination at 30 bar shows that me pressure was not enough to prevent the boiling of the asphaltene and thus a decrease in the spin concentration was observed beyond 350 °C temperature. The data at 50 bar pressure showed the adequacy of this pressure for ESR measurement. The PMRTA analysis of asphaltene showed a decrease in residual hydrogen with increasing temperature.     

Origin of the unusually high dibenzothiophene concentrations in Lower Ordovician oils from the Tazhong Uplift, Tarim Basin, China

The origin of the unusually high dibenzothiophene (DBT) concentrations in Lower Ordovician oils from the Tazhong Uplift,Tarim Basin was studied by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS).The most abundant sulfur compounds in the oils are S 1 species with doublebond equivalent (DBE) values of 1-19 and 11-48 carbon atoms.The range of the number of carbon atoms in the sulfur compounds detected by the FT-ICR MS (S 1 species with DBE=9) is about ten times larger than that for sulfur compounds detected by GC/MS (DBTs).This suggests that FT-ICR MS is a much better approach than GC/MS for characterization of DBTs in crude oils.The abundance of S 1 species with DBE=1-8 decreased with increasing thermal maturity,while the abundance of S 1 species with DBE=9 (primarily DBTs) increased.Therefore,thermal maturity is an important factor in the formation of oils with high DBT concentrations.Unusually high abundances of S 1 species with low DBE values (1-8),which include sulfide,thiophene and benzothiophene,were observed in several oils,especially the TZ83 (O 1) oil with high or very high thermal maturity.Thermochemical sulfate reduction (TSR) was thought to be the reason for the high abundance of these low DBE compounds in deep reservoirs,and thermochemical sulfate reduction could affect the distribution and composition of DBTs in the oils.According to the results of FT-ICR MS analysis,there are no signs that TSR is occurring or has occurred recently for most of the Lower Ordovician oils.     

原油中环烷酸催化酯化前后的高分辨质谱分析

原油中的环烷酸可通过酯化反应转化为环烷酸酯,从而降低原油酸值。本文利用Zn-Al水滑石作为酯化反应催化剂,乙二醇作为反应物。对催化酯化前后的原油采用ESI FT-ICR MS进行分析,从中鉴定出了O2、O1、N1、N2、N1O1及N1O2六种类型的杂原子非烃化合物,其中O2的丰度最高。酯化前原油中O2的丰度远高于其它组分,酯化后O2的丰度显著降低。酯化前后的原油样品中,丰度较高的环烷酸的DBE值均为5,碳数均基本分布在C30-C34。研究结果表明,原油中的环烷酸可被有效酯化从而显著降低原油酸值,酯化前后环烷酸的碳数和DBE值分布均基本接近,这主要是由于酯化过程中各类环烷酸的酯化效率基本相同。