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一种环保型轮胎用芳烃油的生产方法

2021-02-06 17:55:36

一种环保型轮胎用芳烃油的生产方法

  技术领域

  本发明涉及一种环保型轮胎用芳烃油的生产方法,具体地说是一种采用加氢-溶剂抽提组合工艺生产环保芳烃油的方法。

  背景技术

  橡胶填充油在橡胶工业中作为一种助剂起着很重要的作用,可以改善胶料的塑性、降低胶料粘度和混炼时的温度,能促进其它配合剂的分散和混合,对压延的挤出起润滑作用,而且能降低硫化橡胶的硬度,并提高其性能。橡胶填充油还可以增加橡胶产量,降低成本,改善橡胶的加工性能和使用性能,在橡胶加工工业中有着重要的地位。

  作为一种用量最大,用途较广的橡胶填充油,芳烃油(DAE)与橡胶良好的相容性以及能够赋予轮胎良好的抗湿滑性等优越性能及其低廉的价格和较好的适应性广泛地使用在丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)、丁晴橡胶(NBR/IR、CR)等橡胶及其制品中,用其填充的SBR,NBR和BR具有良好的加工性能、拉伸强度和撕裂强度高。橡胶制品特别在轮胎的制造过程中,使用的传统芳烃油(DAE)含有大量稠环芳烃,由于芳烃油的带入,轮胎和橡胶制品中或多或少含有稠环芳烃。随着国外发达国家对其毒害性研究的深入,芳烃油中含有致癌性多环芳烃,会对人体和环境造成危害的问题已得到公众的认可。欧盟关于在轮胎生产中禁用有毒芳烃油等橡胶填充油的指令已于2005年底出台,将于2010年1月1日起在轮胎生产中必须使用稠环芳烃含量%20(二甲基亚砜萃取法%20IP346)<%203%的环保芳烃油。同时芳烃油作为橡胶油应遵循相似相容原理,需要与橡胶保持良好的相溶性,对橡胶产品的性能无不良影响,因此环保芳烃油在保证稠环芳烃含量(PCA)<%203%的同时,还应尽量保证较高的芳烃含量(芳烃含量以CA值表达,一般要求CA>20%)。

  糠醛抽出油是目前生产芳烃油的主要原料。糠醛抽出油是在“老三套”工艺生产润滑油基础油过程中的副产物。“老三套”工艺是指传统润滑油基础油生产的三个主要工艺过程,即:糠醛精制、酮苯脱蜡以及白土精制。原料先经过糠醛精制,抽余油再进行酮苯脱蜡的过程一般称之为润滑油生产正序工艺;原料先经过酮苯脱蜡,再进行糠醛精制的过程一般称之为润滑油生产反序工艺。经过正序工艺得到的糠醛抽出油一般称之为正序抽出油,由于正序抽出油未经过酮苯脱蜡,凝点比反序抽出油高。

  目前环保芳烃油的生产技术主要有芳烃油的溶剂抽提和加氢两种方案。

  EP-A-417980公开了一种溶剂抽提处理芳烃油的方法。以润滑油溶剂精制过程的溶剂抽出油为原料,选用糠醛、苯酚及NMP等极性溶剂,与原料进行逆流萃取生产PCA<%203%,CA>50%的环保芳烃油。该工艺过程较简单,但需要在现有的溶剂精制装置的基础上,再新建一个液-液萃取塔,以避免环保芳烃油产品受到稠环芳烃的污染。

  EP1260569-A2公开了一种加氢处理生产芳烃油的方法。将减压馏分油和润滑油溶剂精制过程的溶剂抽出油混合作为原料,采用镍-钼或镍-钴型加氢精制催化剂,在反应压力6.0-8.0MPa,反应温度265-320℃,空速0.5h-1的条件下,生产环保芳烃油。采用镍-钼或镍-钴型加氢精制催化剂,且溶剂抽出油含量不超过50%。另外,在加氢精制条件下,为了使稠环芳烃降低至符合环保质量指标,则芳烃值损失较多,两者指标不能兼顾,同时氢耗较大,操作费用增加。

  CN201010222057.8公开了一种采用加氢改质-加氢补充精制组合工艺生产环保型芳烃油的方法。原料油和氢气在加氢处理条件下依次经过加氢改质反应区和加氢精制反应区,加氢改质反应区和加氢精制反应区体积比为0.5:1~2.0:1,优选的体积比为1.0:1~1.5:1,加氢改质反应区使用含有无定形硅铝和改性Y沸石的加氢改质催化剂。该工艺可以在较缓和的加氢条件下生产环保型橡胶填充油,但是该工艺原料适应性差,单纯依靠加氢改质-加氢精制很难同时满足填充油的芳烃含量和稠环芳烃含量要求,同时芳烃油收率不高,目的产品粘度损失大,而且没有降凝手段,不能处理凝点较高的正序糠醛抽出油原料。

  CN201010513706.X公开了一种采用加氢处理-溶剂抽提组合工艺生产环保型芳烃油的方法。原料油和氢气首先在加氢条件经过加氢改质反应区。加氢处理后的油进入溶剂抽提装置,选择一种选择性强而溶解能力适宜的溶剂,经过浅度抽提,生产出稠环芳烃质量含量(PCA)<%203%%20、芳烃含量CA>20%环保型芳烃油。其中加氢改质反应区使用含有无定形硅铝和改性Y沸石的加氢改质催化剂。该工艺采用加氢和溶剂抽提组合工艺,原料适应性强,可以同时满足填充油的芳烃含量和稠环芳烃含量要求,但是没有降凝手段,不能处理凝点较高的正序糠醛抽出油原料。

  发明内容

  针对现有技术的不足,本发明提供了一种工艺条件缓和的加氢处理-临氢降凝-溶剂抽提组合工艺生产环保型轮胎用芳烃油的方法。

  本发明的一种环保型轮胎用芳烃油的生产方法,包括如下内容:

  (1)糠醛抽出油原料和氢气混合后,首先在加氢精制条件下进入加氢精制反应区,与加氢精制催化剂接触反应;

  (2)加氢精制反应流出物进入加氢改质反应区,与加氢改质催化剂接触反应;

  (3)加氢改质流出物进入临氢降凝反应区,与加氢降凝催化剂接触,进行反应;

  (4)加氢降凝反应流出物进行气液分离,所得液体进入溶剂抽提装置,进行溶剂抽提,得到芳烃油。

  进一步的,所述的糠醛抽出油原料可以是石蜡基、中间基或者环烷基原油经过减压蒸馏得到的各种馏分油的正序糠醛抽出油,如减二线馏分油、减三线馏分油、减四线馏分油或者脱沥青油的正序糠醛抽出油中的一种或几种。糠醛抽出油的硫含量为2~6%20wt%;芳烃含量一般为60~90%20wt%;三环以上(含三环)芳烃含量一般为35~50%20wt%。

  原料油和氢气首先在加氢处理条件下经过加氢精制反应区和加氢改质反应区。加氢精制反应区和加氢改质反应区的体积比为0.5:1~2.0:1,优选的体积比为1.0:1~1.5:1,加氢改质反应区使用含有无定形硅铝和改性Y沸石的加氢改质催化剂。加氢改质后的油进入临氢降凝反应区降低凝点,然后进入溶剂抽提装置,选择一种选择性强而溶解能力适宜的溶剂,经过浅度抽提,生产出稠环芳烃质量含量(PCA)<%203%%20、芳烃含量CA>20%环保型芳烃油。

  所述加氢精制反应区的操作条件为:反应压力0.5~18.0MPa,优选6.0~10.0MPa;反应温度230~430℃,优选280℃~380℃;氢油体积比200~1500,优选600:1~800:1;体积空速0.5~10.0h-1,优选1.0h-1~3.0h-1。

  所述加氢改质反应区的操作条件为:反应压力0.5~18.0MPa,优选6.0~10.0MPa;反应温度230~430℃,优选350℃~410℃;氢油体积比200~1500,优选600:1~1000:1;体积空速0.5~10.0h-1,优选0.8%20h-1~1.5h-1。

  加氢精制反应区使用常规的加氢精制催化剂,其活性金属组分为第ⅥB族和第Ⅷ族金属,使用前催化剂应进行硫化,保证加氢活性金属在反应过程中处于硫化态。所述的第ⅥB族金属选自Mo和Ni或W,其含量以氧化物计最好为10wt%~30wt%;第Ⅷ族金属选自Co和/或Ni,其含量以氧化物计最好为3wt%~7wt%。其中,ⅥB/(ⅥB+Ⅷ)原子比为0.30~0.70,最好为0.45~0.50。

  以催化剂重量为基准,加氢改质催化剂中含有:20wt%~60wt%无定形硅铝、5wt%~25wt%的改性Y沸石、10wt%~30wt%的第ⅥB族金属(以氧化物计)和4wt%~10wt%的第Ⅷ族金属(以氧化物计)。其中,所用的无定形硅铝的性质如下:含氧化硅10wt%~60wt%,比表面为400~650%20m2/g,孔容为1.0~1.8%20mL/g,红外酸度为0.34~0.50%20mmol/g,孔直径4~10nm的孔容占总孔容的85%~95%,>15nm的孔容占总孔容的5%以下;优选性质如下:含氧化硅10wt%~35wt%,比表面为530~650%20m2/g,孔容为1.2~1.5%20mL/g;其中的改性Y沸石具有如下性质:SiO2/Al2O3摩尔比为40~60,晶胞常数为2.425~2.440%20nm,相对结晶度为80~100%,红外酸度0.1~0.5%20mmol/g,其中250~550℃的中强酸分布集中,占总酸的60~70%,比表面积为600~900%20m2/g,孔容0.3~0.6%20mL/g,其中4~15%20nm的二次中孔的孔容占总孔容的40%~50%。加氢改质催化剂中还可以含有氧化铝、氧化锆、氧化钛等组分。加氢改质催化剂的比表面积为220~300%20m2/g,孔容为0.3~0.6%20mL/g,孔直径3~10%20nm的孔容占总孔容的75%~95%,优选为85%~95%,红外酸度在0.30~0.5mmol/g。

  所述临氢降凝反应区的操作条件为:反应压力5.0~20.0%20MPa,反应温度300~420℃,氢油体积比200~2000,体积空速0.1~3.0%20h-1,优选为反应压力5.0~10.0%20MPa,氢油体积比500~1200,体积空速0.2~2.0%20h-1,反应温度320~400%20℃。

  临氢降凝反应区使用具有适宜酸分布含ZSM-5分子筛的临氢降凝催化剂。以催化剂重量计,ZSM-5分子筛含量为50wt%~85wt%,加氢降凝催化剂中含有NiO或CoO为1.0%20wt%~8.0wt%,其余为粘结剂。

  上述各催化剂可以按组成和性质采用常规方法制备,也可以选择组成和性质符合要求的商品催化剂。

  步骤(4)抽提过程所用的溶剂可以使用糠醛、环丁砜、二甲砜、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮(NMP)其中的一种。

  步骤(4)中溶剂抽提的工艺条件为:剂(溶剂)油(芳烃油)体积比1:5~6:1,优选1:1~3:1;温度10~90%20℃,优选30~70%20℃;抽提时间10~70%20min,优选20~50%20min。

  按照本领域一般知识和现有技术,使用加氢精制催化剂,将溶剂精制抽出油进行深度的加氢饱和,满足稠环芳烃含量(PCA)<%203%的要求,不仅需要在较苛刻的条件下进行,而且氢耗很大,更重要的是在加氢饱和稠环芳烃的同时,受化学平衡的限制,大量的单环及双环芳烃也被加氢饱和,造成芳烃油产品的芳烃含量较低(CA<10%),溶解性降低较大,已不适宜于在轮胎生产中使用。单纯的溶剂抽提技术生产环保型芳烃油,虽然能抽出大量稠环芳烃,达到欧盟标准,但由于溶剂抽提的选择性问题,产品收率很低。本发明采用适宜的加氢精制催化剂和加氢改质催化剂,在相对缓和的条件下加氢将稠环芳烃进行的部分芳环打开,生成单环或双环芳烃,而不是简单的加氢饱和,因此在减少稠环芳烃的同时,有利保持产品较高的芳烃含量,然后经过临氢降凝催化剂,将没有经过酮苯脱蜡、凝点较高的加氢处理生成油经过择形脱蜡,把加氢处理油中对凝点影响较大的大分子直链烷烃裂解成汽、柴油馏分,降低凝点的同时提高目的产品中的芳烃含量,最后浅度抽提后,生产出稠环芳烃含量(PCA)<%203%且芳烃含量较高(CA>20%)环保型轮胎芳烃油,有利于提高芳烃油的收率。

  本发明中,所述的加氢精制反应区内优选还含有钼-钴型加氢精制催化剂。即,沿原料流动方向,所述加氢精制反应区内依次包括钼-镍型加氢精制催化剂和钼-钴型加氢精制催化剂。所述钼-镍型加氢精制催化剂和钼-钴型加氢精制催化剂的体积比为0.5:1~2.0:1,优选为1.0:1~1.5:1。

  所述的钼-钴型加氢精制催化剂的性质如下:以催化剂重量为基准,Mo以氧化物计的含量为10wt%~35wt%,Co以氧化物计含量为3wt%~7wt%。

  与现有技术相比,本发明的方法具有以下有益效果:

  1、原料适应性强、工艺条件缓和。本发明加氢改质过程,加氢条件缓和,芳烃损失较少,对产品的粘度影响很小,并且降低了氢耗,有效地节省了操作费用。本发明的溶剂抽提过程与单纯抽提生产芳烃油相比,降低了剂油比和抽提温度,并提高了产品收率。

  2、糠醛抽出油原料硫、氮含量特别高,仅经过Mo-Ni型催化剂的加氢精制,尽管该类催化剂具有较好的脱氮性能和饱和性能,对于简单硫化物的脱除具有较好的效果,然而由于空间位阻的存在导致其对于原料中噻吩类化合物的脱除效果不够理想。本发明中,经过Mo-Ni型加氢精制催化剂后,再通过Mo-Co型催化剂床层,在较高温度下,能够进行烷基转移反应,以消除硫的空间位阻效应,并将噻吩类化合物转化为类似联苯结构的芳烃化合物;再通过加氢改质催化剂床层后,将联苯化合物中间的C-C键断开,生成具有单环或双环结构的芳烃。一方面能够提高单环或双环芳烃的含量,另一方面降低了稠环(多环)芳烃(碳)的含量。因此,所采用加氢精制催化剂级配方案,能够提高所得产品的质量。在某种程度上,还能够减缓下游抽提装置的操作苛刻度,如可以提高抽提能力,甚至取消下游的浅度抽提装置。

  具体实施方式

  本发明加氢处理-临氢降凝-溶剂抽提组合工艺包括以下内容:加氢精制反应区和加氢改质反应区。加氢精制反应区装载具有脱硫、脱氮、烯烃饱和及芳烃饱和功能的加氢精制催化剂,加氢改质反应区装载具有芳烃饱和及开环性能的加氢改质催化剂。

  正序的糠醛抽出油原料与氢气混合,先与加氢精制反应区装载的加氢精制催化剂先接触,在缓和的条件下优先将三环以上的稠环芳烃部分加氢饱和。加氢精制反应区的产物进入加氢改质反应区与加氢改质催化剂相接触,进一步将残余的三环以上的稠环芳烃发生开环反应生成单环及双环芳烃并保留在生成油中。加氢处理反应产物进入临氢降凝反应区,产物中的高凝点直链烷烃进行择形裂化,降低凝点。临氢降凝反应区的产物从抽提塔底部进入,溶剂从抽提塔上部进入,利用原料油与溶剂的比重差,在抽提塔内逆流充分接触进行抽提。将残余三环以上(含三环)的稠环芳烃尽量溶解到溶剂中,并自动沉降在塔底部,抽提后的油上升到塔顶,通过溶剂回收,得到稠环芳烃含量(PCA)<%203%且芳烃含量较高(CA>20%)的环保芳烃油。

  本发明的加氢改质催化剂的制备过程包括:将无定形硅铝和改性Y沸石混合均匀后,加入粘合剂混捏、碾压成团后,在挤条机上挤条成型而获得载体,再负载加氢活性金属。

  所用无定形硅铝可以采用现有的方法制备,如一种具体制备方法包括如下步骤:

  a、配制铝酸钠溶液、硅酸钠溶液;

  b、将铝酸钠溶液和硅酸钠溶液并流加入到成胶罐中,同时通风和通入CO2气体,调整铝酸钠溶液、硅酸钠溶液和CO2流量,控制成胶罐内物料pH值为9~11,控制中和反应温度为20~50℃,中和反应时间为0.5~1.5小时;

  c、在步骤b的控制温度和pH值下,上述混合物通风稳定0.5~3.0小时,优选为0.5~1.0小时;

  d、将步骤c所得的固液混合物过滤并洗涤;

  e、将步骤d干燥粉碎而得到无定形硅铝。

  步骤a中,铝酸钠溶液的浓度为25~60%20gAl2O3/L,最好为30~45%20gAl2O3/L,硅酸钠溶液的浓度为100~250%20gSiO2/L,最好为100~150%20gSiO2/L。

  将步骤d所得的浆液过滤并用50~90℃去离子水洗至中性,然后在110~130℃干燥6~8小时。

  步骤b中的pH值一般恒定为9~11,最好为9.5~10.5;中和反应时间一般为0.5~1.5小时,最好为45~60分钟。

  步骤b中,CO2浓度为20v%~50v%。通风指从反应成胶罐底部通入气体,使反应体系均匀,可以通入空气或其它不含CO2的气体。

  无定形硅铝是以铝酸钠、硅酸钠及二氧化碳为原料制备的。该方法特别适合于采用烧结法工艺生产氧化铝的厂家,以其中间产品铝酸钠溶液和副产CO2气为原料生产无定形硅铝,所产生的Na2CO3母液可以循环至烧结工艺以提供部分Na2CO3,形成闭路循环,而不产生废水污染。

  改性Y沸石由NaY通过pH值在1~3之间的NH4+交换、水热处理及酸处理制备而成的。具体的制备步骤如下:

  NaY沸石通过一次NH4NO3交换后,然后再用草酸和NH4NO3混合液,在pH值在1~3之间进行第二次NH4+交换、然后在0.080~0.098%20MPa和500~550℃条件下进行第一次水热处理,第一次水热处理后再进行NH4NO3交换,进行第二次水热处理,第二次水热处理条件为0.1~0.2MPa和500~700℃。最后用HNO3进行酸处理,即得改性Y沸石。

  加氢改质催化剂活性金属的负载方法,可以采用混捏法、浸渍法等常规技术制备,最好采用先挤条成型,再浸渍金属组分的方式。本发明催化剂的制备采用改性Y沸石与无定形硅铝干胶粉混合均匀后,加入适量的由SB氧化铝与硝酸胶溶而制备的粘合剂,混捏或碾压成膏状物,挤条成型,一般为直径3~8毫米的圆柱条。载体经100~130℃干燥4~14小时,在500~600℃焙烧3~10小时。活化后,采用饱和或过量浸渍液浸渍含加氢金属的浸渍液,再进行100~130℃干燥4~14小时,在450~550℃下焙烧3~10小时而制成催化剂。

  本发明涉及的加氢精制催化剂和临氢降凝催化剂可以按性质选择商品催化剂,如抚顺石油化工研究院研制生产的3936、FF-36、FHUDS-5、FHUDS-8和FDW-3等加氢催化剂。也可以按本领域知识制备,如CN98114346.6、CN01114183.2、CN03134003.2等现有专利技术制备。

  下面通过具体实施例说明本发明方法的具体内容和效果。

  下面的实施列将对本发明提供的方法予以进一步的说明,但并不因此而限制本发明的范围。本发明处理的原料性质见表1。

  表1%20试验用原料性质。

  

  下面实施例1为本发明催化剂所涉及无定形硅铝制备过程,实例2为催化剂制备过程。

  实施例1

  将700固体铝酸钠配制成浓度为200gAl2O3/L浓铝酸钠溶液,再稀释成浓度为35gAl2O3/L铝酸钠工作溶液(a),取含SiO228wt%的硅酸钠溶液,再稀释成浓度为150gSiO2/L硅酸钠工作溶液2L(b)。取一30L的钢制成胶罐,同时打开分别存有(a)和(b)的容器阀门,同时通风和通入浓度为45v%的CO2气体,设定(a)和(b)的流量使反应时间在1小时,并且迅速调整CO2的流量,使体系的pH保持在10.0左右,反应温度30℃,待(a)和(b)反应完后,停止通入CO2,然后通风稳定40分钟,浆液过滤并用85℃去离子水洗至中性。在120℃干燥8小时,粉碎过筛得无定形硅铝GL。该无定形硅铝含氧化硅30wt%,活化后比表面为560m2/g,孔容为1.41mL/g,红外酸度为0.42mmol/g,孔直径4~10nm的孔容占总孔容的90%,>15nm孔容占总孔容的3%。

  实施例2

  取100g硅铝GL、45g改性Y沸石(SiO2/Al2O3为40、晶胞常数为2.432nm、红外酸度0.19mmol/g、比表面866m2/g、孔容0.52mL/g)与310g由硝酸与SB氧化铝胶溶而制成的粘合剂,混捏,碾压,制成可挤条的糊膏,挤条成型。110℃干燥6小时,550℃焙烧4小时,制得载体A。再用200mL的W-Ni共浸液过量浸渍80g载体A 2小时,110℃干燥6小时,500℃焙烧4小时,制得加氢改质催化剂catA。加氢改质催化剂物性见表2。

  表2 加氢改质催化剂。

  

  实施例3

  本实施例介绍了采用加氢处理-临氢降凝-溶剂抽提组合工艺,处理表1中所列的原料。其中加氢改质过程采用的是表2列出的加氢改质催化剂,及表3列中的抚顺石油化工研究院研制北京三聚环保科技公司生产的加氢精制催化剂FF-36和临氢降凝催化剂FDW-3,抽提用溶剂为糠醛,得到结果具体见表4-5。

  实施例4

  本实施例介绍了采用加氢处理-临氢降凝-溶剂抽提组合工艺,处理表1中所列的原料。其中加氢改质过程采用的是表2列出的加氢改质催化剂,及表3列中的抚顺石油化工研究院研制北京三聚环保科技公司生产的加氢精制催化剂FF-36、FHUDS-5和临氢降凝催化剂FDW-3;FF-36与FHUDS-5的装填体积比为1:1。抽提用溶剂为糠醛,得到结果具体见表4-5。

  表3 催化剂的物化性质。

  

  对比例1

  本对比例介绍了采用实施例4中加氢精制催化剂和加氢改质催化剂,不使用临氢降凝催化剂,抽提所用溶剂与实施例1相同,处理表1中所列的原料。得到结果具体见表4-5。

  对比例2

  本对比例介绍了采用实施例4中加氢精制催化剂、加氢改质催化剂和临氢降凝催化剂,不使用溶剂抽提,处理表1中所列的原料。得到结果具体见表4-5。

  表4 实施例及对比例的工艺条件。

  

  表5 实施例及对比例结果。

  

  从表4-5中实施例和对比例的比较数据可知,本发明过程采用了加氢处理-临氢降凝-溶剂抽提组合工艺,具有原料适应性强的特点,可以用于处理正序糠醛抽出油。其中实施例4加氢精制采用两种催化剂级配方案,可以在非常缓和的条件下尽可能地脱除硫氮,减少了加氢改质催化剂在双环以上芳烃加氢开环时脱除硫氮带来的氢解反应,液体收率和目的产品收率更高,加氢精制催化剂级配的方案优于单剂方案。与现有技术相比,在实现生产稠环芳烃含量(PCA)<3%环保芳烃油的前提下,本发明的反应条件缓和、氢耗低且环保芳烃油产品中芳烃含量较高(CA>20%)。

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