本發(fā)明涉及生物柴油加氫脫氧工藝。

背景技術(shù)：

進(jìn)入二十一世紀(jì)，燃料油的需求和使用大幅度增長(zhǎng)，而其中的含硫化合物所帶來(lái)的環(huán)境污染問題，更引起人們的關(guān)注。燃料油中的硫化物經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的硫氧化物(SO_x)排放到空氣中，產(chǎn)生酸雨和硫酸煙霧型污染等，造成大氣污染。

為了解決日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，減少化石燃料對(duì)環(huán)境的污染，近一段時(shí)期以來(lái)，以植物油為基礎(chǔ)，充分利用可再生的資源作為燃料，正成為熱點(diǎn)。

上世紀(jì)80年代，美國(guó)人Graham Quick第一次把亞麻油棉籽油酸甲酯引入柴油機(jī)使用，此后，把經(jīng)過(guò)酯交換反應(yīng)得到的脂肪酸單酯類化合物定義為生物柴油。這種脂肪酸單酯類化合物可以單獨(dú)使用，也可以與傳統(tǒng)化石柴油混合使用，從此引發(fā)了人們對(duì)生物柴油的研究熱潮。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，植物油中的主要化學(xué)組成基本一致，因此任何一種植物油都可以作為原料轉(zhuǎn)化成生物柴油燃料，例如大豆油、菜籽油以及地溝油等。人么集中研究了以脂肪酸類化合物為目標(biāo)產(chǎn)物的合成工藝，制備得到了以脂肪酸甲酯為代表組分的生物柴油。1990年，奧地利投產(chǎn)建成了世界首套以菜籽油為原料的萬(wàn)噸級(jí)脂肪酸甲酯生產(chǎn)裝置，其后，生物柴油生產(chǎn)蓬勃發(fā)展，目前僅在歐洲，生物柴油產(chǎn)能已經(jīng)超過(guò)1300萬(wàn)噸。由此可知，生物柴油是油脂化工中產(chǎn)量最大，增長(zhǎng)最快的品種。

與石化柴油相比，生物柴油具備很多優(yōu)點(diǎn)：使用可再生油脂為原料，不受原料儲(chǔ)量限制；S、N等有害元素含量低，燃燒后對(duì)大氣污染小；有較高的十六烷值，單位產(chǎn)品蘊(yùn)含能量高；含有O元素，有助于燃燒充分，同時(shí)有效減少CO的排放；閃點(diǎn)高，運(yùn)輸與使用更加安全。但隨著生物柴油的廣泛應(yīng)用，其存在的缺陷也越來(lái)越多的被發(fā)現(xiàn)：動(dòng)植物油脂原料中含有不同種類的脂肪酸，其生產(chǎn)工藝不會(huì)改變不飽和度，而不飽和度高，例如棉籽油、菜籽油等生產(chǎn)出來(lái)的生物柴油，分子結(jié)構(gòu)中含有大量的碳-碳不飽和鍵，在儲(chǔ)運(yùn)和使用中容易氧化導(dǎo)致變質(zhì)，如果不飽和度低，如工業(yè)豬油、牛油等生產(chǎn)得到的生物柴油，其凝固點(diǎn)比石化柴油高出很多，即使以較低的比例與石化柴油混合使用，其在秋冬季等低溫時(shí)節(jié)時(shí)，容易析出導(dǎo)致管路堵塞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞發(fā)動(dòng)機(jī)。盡管人們進(jìn)行了大量研究和改進(jìn)，但生物柴油的分子結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，因此其缺陷也仍然存在。

近年來(lái)，以深度加氫為核心的合成路線來(lái)制備生物柴油，或者說(shuō)對(duì)生物柴油進(jìn)行改性，得到了越來(lái)越多的關(guān)注。該工藝注意是通過(guò)對(duì)油脂進(jìn)行加氫脫氧反應(yīng)和臨氫異構(gòu)化反應(yīng)，最終獲得長(zhǎng)鏈的飽和烷烴。該工藝得到的生物柴油在分子結(jié)構(gòu)和性能方面與化石柴油更為接近，在產(chǎn)品使用方面更為方便，目前已經(jīng)開始大規(guī)模的工業(yè)化推廣。

現(xiàn)階段比較成熟的脫氧工藝有：直接加氫脫氧工藝，加氫脫氧再異構(gòu)工藝，柴油摻煉工藝，加氫脫氧工藝。其中，催化劑的活性和壽命是關(guān)鍵影響因素。由于反應(yīng)機(jī)理類似，一般的加氫脫氧催化劑是基于傳統(tǒng)的加氫脫硫、加氫脫氮等催化劑的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。但由于反應(yīng)的本質(zhì)區(qū)別，為適應(yīng)加氫脫氧反應(yīng)條件，需對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)。

因此如何提供一種加氫脫氧工藝，能有效實(shí)現(xiàn)加氫脫氧反應(yīng)，并使催化劑盡可能的保持加氫活性，同時(shí)提高其使用壽命，是本領(lǐng)域面臨的一個(gè)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種生物柴油加氫脫氧工藝，該工藝可以實(shí)現(xiàn)生物柴油的加氫脫氧，并能使其加氫活性長(zhǎng)期保持。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種生物柴油加氫脫氧工藝，所述工藝采用固定床反應(yīng)器，固定床反應(yīng)器中裝填有加氫脫氧催化劑，所述催化劑包括載體和活性組分。

所述載體為合成骨架結(jié)構(gòu)中摻入雜原子Cu²⁺的KIT-1。

所述活性組分為氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的混合物。

所述固定床反應(yīng)器的反應(yīng)條件為：反應(yīng)溫度為300-450℃，氫氣壓力2.5-3.5MPa，氫油體積比500-800，體積空速1.0-2.5h^-1。

KIT-1分子篩具有一維孔道彼此交叉形成三維無(wú)序結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有利于催化、吸附過(guò)程中的物質(zhì)傳遞。純硅介孔分子篩KIT-1具有比MCM-241、HMS更好的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性。本發(fā)明經(jīng)過(guò)在眾多介孔材料中，比如KIT-1、KIT-6、MCM-22、MCM-36、MCM-48、MCM-49、MCM56等，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)選擇，發(fā)現(xiàn)只有KIT-1能夠達(dá)到本發(fā)明的發(fā)明目的，其他介孔材料都有這樣那樣的缺陷，在應(yīng)用到本發(fā)明中時(shí)存在難以克服的技術(shù)困難，因此本發(fā)明選擇用KIT-1作為載體基礎(chǔ)。

純硅KIT-1介孔分子篩水熱性能盡管已經(jīng)很出色，但發(fā)明人研究以后發(fā)現(xiàn)，其加入雜原子或表面經(jīng)化學(xué)修飾后，其水熱穩(wěn)定性得到更大提高。因此，本發(fā)明對(duì)其進(jìn)行改性，以增加其催化活性。本發(fā)明對(duì)KIT-1介孔分子篩改性的途徑是：向成品的全硅KIT-1介孔分子篩孔道內(nèi)表面引入Cu²⁺，這種途徑可以通過(guò)離子交換將Cu²⁺負(fù)載在KIT-1的內(nèi)表面，從而在整體上改善了KIT-1介孔分子篩的催化活性、吸附以及熱力學(xué)穩(wěn)定性能等。

盡管對(duì)KIT-1介孔分子篩進(jìn)行改性的方法或途徑很多，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的催化劑只能采用摻雜Cu²⁺的KIT-1作為載體才能實(shí)現(xiàn)較高的脫氧率(99.8％以上)以及連續(xù)運(yùn)行600小時(shí)催化活性無(wú)明顯下降(反應(yīng)收率無(wú)明顯降低)，發(fā)明人嘗試了在KIT-1中摻雜:Al³⁺、Fe³⁺、Zn²⁺、Ga³⁺等產(chǎn)生陰離子表面中心的離子，發(fā)現(xiàn)都不能實(shí)現(xiàn)所述效果。盡管所述機(jī)理目前并不清楚，但這并不影響本發(fā)明的實(shí)施，發(fā)明人根據(jù)已知理論與實(shí)驗(yàn)證實(shí)，其與本發(fā)明的活性成分之間存在協(xié)同效應(yīng)。

所述Cu²⁺在KIT-1中的摻雜量必須控制在特定的含量范圍之內(nèi)，其摻雜量以重量計(jì)，為KIT-1重量的0.56％-0.75％，例如0.57％、0.58％、0.59％、0.6％、0.61％、0.62％、0.63％、0.64％、0.65％、0.66％、0.67％、0.68％、0.69％、0.7％、0.71％、0.72％、0.73％、0.74等。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在該范圍之外，會(huì)導(dǎo)致催化劑使用壽命和催化活性的急劇降低。但令人欣喜的是，當(dāng)Cu²⁺在KIT-1中的摻雜量控制在0.63％-0.72％范圍內(nèi)時(shí)，其使用壽命和催化活性最強(qiáng)，當(dāng)繪制以Cu²⁺摻雜量為橫軸，以使用壽命為縱軸的曲線圖時(shí)，該含量范圍內(nèi)催化劑的使用壽命在500小時(shí)時(shí)無(wú)明顯降低，其產(chǎn)生的使用壽命效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期，屬于預(yù)料不到的技術(shù)效果。

所述活性組分的總含量為載體KIT-1重量的1％-15％，優(yōu)選3-12％，進(jìn)一步優(yōu)選5-10％。例如，所述含量可以為2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％、14.5％等。

本發(fā)明中，特別限定活性組分為氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的混合比例，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，不同的混合比例達(dá)到的效果完全不同。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的混合比例(摩爾比)為1:(0.4-0.6):(0.28-0.45):(0.8-1.2)，只有控制氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的摩爾比在該范圍內(nèi)，才能夠?qū)崿F(xiàn)脫氧率和使用壽命的提高。也就是說(shuō)，本發(fā)明的四種活性組分只有在摩爾比為1:(0.4-0.6):(0.28-0.45):(0.8-1.2)時(shí)，才具備協(xié)同效應(yīng)。除開該摩爾比范圍之外，或者省略或者替換任意一種組分，都不能實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。

優(yōu)選的，氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的摩爾比為1:(0.45-0.5):(0.35-0.45):(0.8-1.0)，進(jìn)一步優(yōu)選為1:(0.45-0.48):(0.4-0.45):(0.9-1.0)，最優(yōu)選1:0.48:0.42:0.95。

所述催化劑的制備方法可以采取常規(guī)的浸漬法以及其他替代方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)其掌握的現(xiàn)有技術(shù)自由選擇，本發(fā)明不再贅述。本發(fā)明典型但非限制性的實(shí)例如下：

將硅酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、乙二胺四乙酸鈉(EDTA)和蒸餾水按摩爾比1:0.25:1:60的比例混合，攪拌均勻后裝入帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的壓力釜中，在373K下恒溫24h，重復(fù)調(diào)節(jié)混合物的pH為10.5，恒溫4次后，取出產(chǎn)品，用蒸餾水反復(fù)洗滌至濾液的pH＝7，然后373K下恒溫過(guò)夜，得到帶有表面活性劑的KIT-1。將帶有表面活性劑的KIT-1在523K下焙燒1.5h，然后在813K下空氣氣氛中焙燒6h，得到KIT-1粉體。將該粉體用0.1mol/L的硝酸溶液進(jìn)行酸洗(控制固液比為1：10)，室溫下攪拌0.5h，過(guò)濾，用蒸餾水洗滌至濾液的pH＝7，373K下烘干得到基體KIT-1分子篩。

優(yōu)選的，所述固定床反應(yīng)器的反應(yīng)條件為：反應(yīng)溫度為300-350℃，氫氣壓力3.0-3.5MPa，氫油體積比600-750，體積空速1.0-2.0h^-1。

優(yōu)選的，所述工藝流程包括，生物柴油與氫氣混合后，經(jīng)可選的換熱器換熱，再經(jīng)加熱爐加熱后進(jìn)入固定床反應(yīng)器進(jìn)行加氫脫氧，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)氣液分離塔分離?？蛇x的，氣相返回與生物柴油和氫氣混合，液相可進(jìn)行進(jìn)一步的精制，例如胺洗、汽提和分餾等。

優(yōu)選的，所述固定床反應(yīng)器包括1-5個(gè)催化劑床層，進(jìn)一步優(yōu)選2-3個(gè)催化劑床層。

本發(fā)明的加氫脫氧工藝通過(guò)選取特定的催化劑，所述催化劑通過(guò)摻入雜原子Cu²⁺的KIT-1作為載體，以及選取特定比例的氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC作為活性成分，使得該催化劑產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，對(duì)生物柴油的加氫脫氧能控制在較高的脫氧率(99.8％以上)以及連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)催化活性無(wú)明顯下降(反應(yīng)收率無(wú)明顯降低)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明通過(guò)下述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的加氫脫氧工藝進(jìn)行說(shuō)明。

實(shí)施例1

通過(guò)浸漬法制備得到催化劑，載體為摻雜Cu²⁺的KIT-1，Cu²⁺在KIT-1中的摻雜量控制在載體質(zhì)量的0.65％。所述活性組分氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的總含量為載體質(zhì)量的10％，其摩爾比為1:0.4:0.3:0.8。

將所述催化劑裝填入固定床反應(yīng)器，所述反應(yīng)器的反應(yīng)管由內(nèi)徑50mm的不銹鋼制成，催化劑床層溫度用UGU808型溫控表測(cè)量，原材料輕質(zhì)油由北京衛(wèi)星制造廠制造的雙柱塞微量泵連續(xù)輸送，氫氣由高壓氣瓶供給并用北京七星華創(chuàng)D07-11A/ZM氣體質(zhì)量流量計(jì)控制流速，催化劑裝填量為2kg。反應(yīng)后的產(chǎn)物經(jīng)水浴室溫冷卻后進(jìn)行氣液分離。

所用原料為棉籽油制備得到的生物柴油。

控制反應(yīng)條件為：反應(yīng)溫度為300℃，氫氣壓力3.0MPa，氫油體積比600，體積空速1.0h^-1。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，其脫氧率達(dá)到99.8％，裝置連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后，脫氧率仍達(dá)到99.1％。

實(shí)施例2

通過(guò)浸漬法制備得到催化劑，載體為摻雜Cu²⁺的KIT-1，Cu²⁺在KIT-1中的摻雜量控制在載體質(zhì)量的0.7％。所述活性組分氮化二鉬MO₂N、氮化鎢W₂N、碳化鉬Mo₂C和碳化鎢WC的總含量為載體質(zhì)量的10％，其摩爾比為1:0.6:0.45):1.2。

其余條件與實(shí)施例1相同。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，其脫氧率達(dá)到99.85％，裝置連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后，脫氧率仍達(dá)到99.0％。

對(duì)比例1

將實(shí)施例1的載體替換為γ-Al₂O₃，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，其脫氧率達(dá)到83％，裝置連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后，脫氧率僅為61％。

對(duì)比例2

將實(shí)施例1的載體替換為未摻雜的KIT-1，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，其脫氧率達(dá)到84％，裝置連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后，脫氧率僅為68％。

對(duì)比例3

將實(shí)施例1的Cu²⁺替換為Zn²⁺，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，其脫氧率達(dá)到77％，裝置連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后，脫氧率僅為62％。

對(duì)比例4

將實(shí)施例1中的Cu²⁺在KIT-1中的摻雜量控制在載體質(zhì)量的0.5％，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，其脫氧率達(dá)到83％，裝置連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后，脫氧率僅為66％。

對(duì)比例5

將實(shí)施例1中的Cu²⁺在KIT-1中的摻雜量控制在載體質(zhì)量的0.8％，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，其脫氧率達(dá)到80％，裝置連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后，脫氧率僅為65％。

實(shí)施例1與對(duì)比例1-5表明，本申請(qǐng)采用的特定含量范圍和特定負(fù)載金屬離子的KIT-1載體，當(dāng)替換為本領(lǐng)域的其他已知載體時(shí)，或者載體相同但Cu²⁺摻雜量不同時(shí)，均達(dá)不到本發(fā)明的技術(shù)效果，因此本發(fā)明的特定含量范圍的Cu²⁺摻雜KIT-1載體與催化劑其他組分之間具備協(xié)同效應(yīng)，所述加氫脫氧工藝產(chǎn)生了預(yù)料不到的技術(shù)效果。

對(duì)比例6

省略實(shí)施例1中的MO₂N，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，其脫氧率達(dá)到76％，裝置連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后，脫氧率僅為53％。

對(duì)比例7

省略實(shí)施例1中的WC，其余條件不變。

測(cè)試最終的產(chǎn)品，其脫氧率達(dá)到83％，裝置連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)后，脫氧率僅為62％。

上述實(shí)施例及對(duì)比例6-7說(shuō)明，本發(fā)明的加氫脫氧工藝的催化劑幾種活性組分之間存在特定的聯(lián)系，省略或替換其中一種或幾種，都不能達(dá)到本申請(qǐng)的特定效果，證明其產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)。

申請(qǐng)人聲明，本發(fā)明通過(guò)上述實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的工藝，但本發(fā)明并不局限于上述工藝，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)催化劑才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)，對(duì)本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。