液化石油气脱硫醇技术研究进展.pdf
化学工程师 C h e m i c a l E n g i n e e r 2 0 1 3年第 8期 文章编号 1 0 0 2 1 1 2 4 2 0 1 3 0 8 0 0 5 4 0 5 坏 ’ 液化石油气脱硫醇技术研究进展 曹 口 陕西国防工业职业技术学院 化学工程学院 , 陕西 西安 7 1 0 3 0 2 摘要 论述了Me r o x 抽提 一氧化法、 纤维膜技术、 无碱催化氧化法、 固定床吸附法等液化石油气 L P G 脱硫醇技术的应用现状及缺陷和不足, 并指出未来 L P G脱硫醇技术的发展方向。 关键词 液化石油气; 脱硫醇; 概述 中图分类号 T E 6 2 4 . 5 文献标识码 A P r o g r e s s a n d r e s e a r c h i n LP G s we e t e n i n g p r o c e s s CA0 Yu n D e p a r t me n t o f C h e mi c a l E n g i n e e r i n g , S h a a n x i G u o f a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , X i a ll 7 1 0 3 0 2 , C h i n a Ab s t r a c t T h e a p p l i c a t i o n s t a t u s a n d d e fi c i e n c i e s o f l i q u e fi e d p e t r o l e u m g a s L P Gs we e t e n i n g t e c h n o l o g i e s s u c h a s me r o x e x t r a c t i o n - o x i d a t i o n p r o c e s s ,me r i c h e m f i b e r - fi l m p r o c e s s ,c a u s t i c - f r e e c a t a l y t i c o x i d a t i o n p r o c e s s a n d fi x e d b e d a d s o r p t i o n p r o c e s s a r e i n t r o d u c e d . T h e d e v e l o p me n t d i r e c t i o n o f L P G s we e t e n i n g p r o c e s s i s p o i n t e d o u t a t l a s t . Ke y wo r d s l i q u e f i e d p e t r o l e u m g a s ; s w e e t e n i n g ; r e v i e w 当前 ,国内外炼油厂生产 的液化石油气 L P G 中总硫含量不断升高,如果不脱 除含硫有害成分 , 将会对环境 以及后续炼制过程造成不良影响。炼油 厂 L P G的主要成分是 C , 、 C 组分 , 主要用作工业 和 家用燃气 ; 由于 L P G中还富含烯烃组分 丙烯 、 异丁 烯和 1 一丁烯 , 还可作为化工原料生产高附加值的 化工产品。近几年国内外市场对液化石油气及其化 工产 品的需求量大幅提高 , 给炼厂带来很大 的综合 经济效益 , 因此开始重点着眼于 L P G的深度加工利 用,而其首要问题就是脱硫净化。L P G中除了含有 H S 、 C O S 、 硫醚外, 主要还有硫醇 如 C H S H、 C H S H , 其危害在于, 具有恶臭气味, 与其他物质反应活性 强 , 易腐蚀金属设备 , 燃烧后会造成环境和大气污 染 ; 在 生产 化工产 品时 , 硫 醇易 使反 应催 化剂 失 活 l 】 】 。 近些年 国内外脱硫醇技术发展较快 , 常用 的有 Me r o x抽提 一氧化工艺 、 Me r i c h e m纤维膜工 艺等 。 Me r o x工艺大量使用和频繁更换碱液 ,排放问题给 环境带来 巨大压力 , 并且 L P G脱硫深度不大 , 氧化 再生后剂碱液 中的二硫化物会导致 总硫含量超标 和铜片腐蚀不合格; 纤维膜技术提高了碱液的利用 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 9 作者简介 曹口 1 9 8 5 一 , 女 , 汉族 , 湖北广水人 , 助教 , 2 0 1 1年毕业 于中国石油大学 北京 化学工艺 专业 , 硕士 , 从事石 油化 工 的研究及教学工作。 率 , 减少 了碱渣排放 , 但没有从根本上解决碱渣排 放 的问题 ; 无碱催化氧化脱硫醇技术优点在于无废 碱液排放、 操作方便, 但易造成总硫含量超标。 本文 将重点论述 L P G脱硫醇技术的研究现状及进展 。 1 液化石油气脱硫醇技术研究现状 1 . 1 碱洗 法 碱洗法是最古老的炼油厂 L P G脱硫醇传统方 法 。其优点在于 , 工艺流程和操作简单 , 能有效地脱 除低沸点硫醇 , 这主要取决于硫醇的弱酸性。随着 硫醇分子量的增加及从伯硫醇到仲硫醇 、 叔硫醇 的 异构 , 酸性逐渐减弱 , 脱硫醇有效性降低 , 并且碱液 吸收是可逆反应 , 硫醇在 碱液 中吸收积聚 , 反应逐 渐趋于平衡 。该方法 的缺点是碱液消耗量大 、 废液 中 N a 2 S含量低不易利用 , 若直接排放 , 会造成环境 污染和资源浪费 。近些年 , 碱洗只作为油 品精制过 程的配套工艺 , 比如在 L P G精制前脱除低分子硫醇 和 H 2 s等酸性物质 。 1 . 2 Me r o x抽提一 氧化工艺 美 国 U O P公 司开发的 Me r o x抽提 一氧化法是 目前工业上最常用的 L P G脱硫醇工艺, 在强碱性介 质 如 N a O H溶液 中, 以磺化酞菁钴或聚酞菁钴为 催化剂 , 空气 为氧化剂 , 将 硫醇氧化成无害的二硫 化物并溶解在油品中。主要反应式为 R S H 油相 N a O H 碱相 一N a s H 碱相 H 0 2 0 1 3年第 8期 曹赘 液化石 油气脱硫 醇技 术研 究进展 N a S H 碱相 O 2 2 H2 0 N a O H 碱相 n S S R 油 相 一 般在常压及 2 0 ~ 5 0 %下进行 。碱液浓度一般 为 1 0 % 质量分数 N a O H, 催化剂 在碱 液 中的质量 浓度一般为 l O - 5 1 . 2 51 0 。 其工艺流程图见 图 1 t 。 抽提后液化气 - 催化剂 图 1 Me r o x 硫醇抽提工艺 Fi g. 1 Me r o x me r c a p t a n e x t r a c t i o n pr oc e s s 该工艺碱耗量低 、 适用范围广 、 脱硫醇容量大 , 是一种优 良的脱硫醇方法 , 但 也存在不足 , 其 主要 问题有 1 抽提采用塔设备, 传质效率不高, 总硫 脱除率不高 ; 2 催化剂稳定性不好 , 在碱液 中易聚 集失活 ; 3 预碱洗过程的碱液无法再生 , 废碱液排 放量大 , 增加环保压力。 1 . 3 L P G 无碱脱硫 醇工艺 L P G无碱脱硫醇工艺使用固定床脱硫剂进行 预碱洗脱 H 2 S ,以复合金属氧化物作为催化剂 , 利 用溶解 氧将硫醇氧化成二硫化物 , 二硫化物可采用 精馏方法除去 , 整个工艺不存在碱渣排放问题。 中国石化齐鲁分公司研究院在复合金属氧化 物 中 添 加 了适 量 的 活 性 助 剂 和 添 加 剂 ,制 成 Q T M2 0 1 硫醇氧化催化剂 , 其优点在于 , 对硫醇的催 化氧化活性高 , 稳定性好 , 能有效地将硫醇氧化成 二硫化物 , 无碱渣排放 问题- 3 1 。 北京三聚环保公司拥有 自主知识产权的用于 L P G硫醇转化 的新型催化剂 j x一 2 A, 并开发 出相应 的 L P G固定床无碱脱硫醇组合工艺[4 1 , 见图2 。 该工 艺采用 2 ~ 3个 固定床 , 用醇胺法 脱除 H2 S后 , 首先 除去 L P G中夹带 的少量醇胺残液 ,然后进入 C O S 水解罐 , 除去 C O S水解生成的 H S和醇胺法未脱尽 的 H S , 最后进入催化氧化硫醇转化催化剂床, 将硫 醇氧化为二硫化物。 大庆炼化公司采用三聚环保公司的无碱脱硫 醇工艺 , 工艺流程见图 2 。 图 2三聚环保液化石油气无碱脱硫醇工艺流程 F i g .2 T h e s we e t e n i n g p r o c e s s o f L P G w i t h o u t a l k a l i 由图 2 可见, 自上游胺法脱硫来的L P G经过沉 降缓冲罐及脱液器, L P G携带的含有 H 2 S的胺液被 除去, 分离出的 L P G进入分别填装 J X 一 6 B和 J x 一 2 B 两种催化剂的精脱硫固定床反应器。其中, J x 一 6 B 催化剂用来催化水解 C O S , J X 一 2 B催化剂用作吸附 H s 。 最后 L P G进入脱硫醇固定床反应器 , 在脱硫醇 催化剂 j x 一 2 A的催化作用下 ,硫醇与 L P G中溶解 的微量氧发生催化氧化反应而被氧化为二硫化物 , 产品中硫醇硫含量低 于 5 g g _ ,最终达到了脱硫 醇的 目的, 而生成 的二硫化物进入下游生产装置单 元 。 1 . 4 纤维膜脱硫醇技术 二 十世纪 7 0年代 , M e r i c h e m公 司开发 的纤维 膜脱硫醇技术被全球 3 0 0 余家公司使用。与传统的 碱洗工艺相 比, 该技术 的优势在于 , 能够在 比较小 的反应空间内提供非常大的反应接触面积 , 大大提 高了产品质量 , 具有很好的经济效益。 纤维膜脱硫醇技术的原理见图 3 ,该工艺的核 心设备是纤维膜接触器, 见图4 , 其内部的一个大套 管 中装有很多细纤维丝 , 直伸人油碱分离罐底部的 碱相,并提供一个大的接触面来增加传质速率 , 当 碱液从接触器顶部进入纤维丝束并在其表面流动 时 , 由于表 面张力 的作用 , 在纤维丝表面会形成一 层极薄 的液膜 , 而从接触器顶部进入的 L P G, 与纤 维上的碱液相 同向接触流动并发生脱硫醇反应 , 最 后汇人 L P G相 ,由于碱液的表面张力大于 L P G, 且 两相之 间的密度差很大 , 使得碱液被 附着在纤维丝 表面, 而 L P G相自动分开, 两相在沉降罐内很快分 离形成界面 , 从而减少了 L P G对碱液的夹带 , 碱液 中也不会携带 L P G r 引 。 曹赘 液化石油气脱硫 醇技术研究进展 2 0 1 3年第 8期 5。 纤维 碱液膜相 液化气相 图 3 纤维膜脱硫原理示意 F i g . 3 P r i n c i p l e o f fi b e r l i q u i d me mb r a n e f o r s we e t e n i n g 烃 豫料 图 4 纤维液膜接触器 Fi g . 4 Co nt a c t o r o f fibe r l i qu i d me mbr a n e L P G纤维 液膜脱硫醇技术典 型工艺 流程见 图 图 5 液化气纤维液膜脱硫醇工艺流程 F i g . 5 P p r o c e s s o f fi b e r l i q u i d me mb r a n e t e c h n o l o g y for s we e t e ni ng 中国海洋石油惠州炼油分公司采用 L P G纤维 液膜 脱硫醇工艺 , 脱硫醇 效果较好且 总硫 含量达 标【 7 J 。 在设计上采用碱液阶梯补充的工艺 , 新鲜碱液 首先在二级碱洗以较高的浓度除掉有机硫 , 然后补 充一级碱洗碱液 , 脱除无机硫和低分子有机硫。此 工艺在降低 L P G中的硫含量的同时尽可能减少 了 碱液用量和废渣排放。 新疆乌鲁木齐石化分公司重油催化装置采用 两套纤维液膜脱硫醇单元 ,包括重油 F C C及蜡油 F C C液态烃膜碱洗单元 、 加氢裂化及延迟焦化液态 烃膜碱洗单元 、 碱洗再生单元 , 改造后的总硫和硫 醇含量 、 产品质量全部达标 。此外 , 兰州石油机械 研究所和浙江大学等 共同研究开发 的液化石油气 纤维液膜脱硫技术也已工业化应用。 然而 , 该技术也存在一些问题 首先 , 极细的金 属纤维易使管线堵塞 , 需要同时使用多级过滤器 以 避免此问题 ; 其次 , 反应生成的硫化钠易被氧化为 活性硫 , 会对设备造成腐蚀 问题 ; 而且该技术依然 存在碱渣排放问题 , 没有从根本上解决此问题。 1 .5 固定床 吸附法 硫醇的 s使得整个分子上的电子云分布变得 不均匀 , 从而对某些活性 中心键合力强弱程度与烃 类产生很大差别 。D a v i s t 研究指出, 二氧化碳 、 含硫 化物等有极性或能够极化 的分子能够被具有一定 孔尺寸 、 孔结构 、 极性和其 它物理性质的沸石选择 性的吸附【 m 1 。这方面研究较多的包括以分子筛 、 氧 化铝 、 活性炭 、 活性炭纤维等作为吸附剂。 1 . 5 . 1 分子筛法分子筛是一种合成沸石 , 具有选 择吸附性能 ,可同时吸附脱除硫化氢和有机硫 , 其 优点在于不发生化学反应 , 只有物理吸附。对液化 石油气脱硫醇效果最好 的吸附剂是 1 3 X分子筛 , 在 除去 L P G中硫醇的同时也可脱除 H 2 S , 免除了预碱 洗单元 , 无排放污染 , 在常温下 即可吸附脱硫 , 但较 高的再生温度使得再生过程 的操作成本大大提高 , 从而限制 了其使用。北京三聚环保公司研究开发出 了一种改性 x型或 Y型分子筛 , 该分子筛是用高价 态金属 阳离子镧 、铈或混合轻稀土元素进行交换 的,对 L P G中的有机硫化物能够物理吸附脱除 , 操 作简单且脱硫效率高 ,吸附剂可以反复再使用 , 只 是再生温度必须高于 2 0 0 ℃以上⋯] 。 1 . 5 . 2 氧化铝居沈贵等对氧化铝负载金属离子 , 进行汽油脱硫实验结果表 明 1 从静态吸附容量 、 净化度 、 环保等方面考虑 , 在微波条件下 , 选择 C u 、 z n 作为活性组分负载于氧化铝上比较合适 ; 2 在 一 定温度范 围内, 静态吸附容量和硫醇浓度成线性 关系 ; 3 该 吸附剂在净化汽油 中硫醇的同时也可 以脱除其他含硫化合物 ] 。 1 . 5 . 3 活性炭纤维法活性炭纤维 A C F 具有乱层 石墨结构 , 孔径 和外形结构可调节 , 并且可负载各 种活性组分 , 其优点在于选择性高 、 吸附 一脱 附速 度快 、 处理能力大、 易再生 、 装置使用费用低。 D a e J u n g K i m等使用固定床动力学吸收法分别 对 甲硫醇在纯净和充满 C u C 1 的活性炭上 的吸收性 能进行研究 ,检测项 目有 N 吸收 、 X R D、 T G A和溶 解性测试 , 结果表明 , 在活性炭上浸渍 C u C 1 可以明 显提高对 C H S H的吸收能力 , 当 C u负载量高于 1 0% 时吸收容量逐渐降低, 导致活性炭对 C H S H吸收能 2 0 1 3年第 8期 曹赘 液化石油气脱硫醇技术研究进展 5 7 力 F 降[ ” 】 。 1 . 6 溶剂抽提脱硫醇技术 溶剂抽提脱硫醇的原理 对于合适 的溶剂 , 由 于硫醇和油品在溶剂中的溶解度存在很 大差异 , 硫 醇被有选择性 的抽提出来 , 从而改善 了油品的各项 物理化学性能 。由此可知 , 溶剂抽提脱硫醇的关键 问题在于对合适抽提剂的选择,目前主要采用碱 液、 胺类和砜类等 。 物理 / 化学混合溶剂法可大量脱除有机硫且脱 硫效率较高 , 是首选工艺技术 , 应用最为普遍的溶 剂为环丁砜 , 代表性 的有 国外 的 S u l fi n o l D、 s u m n o l M、 U C A R S O L L E 7 0 3和国内的 C T 8 2 2 0 t H ] 。 在美 国专利 中有采用环丁砜作为抽提剂的报道 , 一步抽 唐晓东等采用 D M F 、 N M P 、甲醇、 N 一甲酰吗啉 及 自制脱硫剂 S W一 1 进行脱硫实验 , 优选出最佳脱 硫剂 S W一 1 由 N 一甲基吡咯烷酮 、 环丁砜 、 聚乙二醇 和水按一定比例混合制得 , 进行脱硫方法评选, 并 对脱硫工艺条件及再生条件进行考察_ l 6 1 。采用气 一 液吸收法 , 在温度 2 O ℃、 脱硫剂空速 0 . 1 5 h - 1 , C 馏分 空速 3 5 0 h 和吸收级数三的条件下 , 可使有机硫从 1 9 8 .9 g g - 降至 7 .5 g g - , 脱硫率 9 6 . 2 3 %; 在再 生温度 7 0 ℃、脱硫剂空速 1 . 0 2 h 和汽提空气空速 2 9 1 h 的条件下 ,采用热空气汽提再生法对脱硫剂 进行再生后 , 脱硫率 9 6 . 0 3 %, 再生率 9 9 . 8 0 %。 O ’ B r i e n T i mo t h y J 等开发 出一种从烃的气体混 合物中脱除 H 2 S 和硫醇的方法, 以高氧化态的金属 如钴、 铁、 铬和 / 或镍作为氧化剂, 与季铵的醇盐或 季铵碱结合为催化剂 , 密切接触烃气体混合物并脱 除硫醇 】 。 1 . 7 络合脱 除法 络合法适用于脱除炼厂气 中硫醇和硫醚 , 以一 些金属化合物作为络合剂, 主要包括 1 汞盐, Hg 2 C 1 、 H g A c 、 H g N O , 等,能与各种饱和硫醚形成络合物并 被热溶剂破坏而分出硫化物 ; 2 过渡金属羰基化合 物 , 能与硫醇、 硫醚等形成络合物 ; 3 其它金属化 合物,如用 C u S O 4 “ x H C 1 可脱除 L P G中高于 8 0 %的 硫醚以及 2 0 %的硫醇【 埽 】 。 H a k k a L e o E r n e s t 等开发了一种络合剂, 用于脱 除液态或气态流体中硫醇、 H S 、 C O S 、 噻吩、 硫醚, 该 络合剂是一种金属阳离子的有机化合物, 有机物是 酞菁或 卟啉 ,金属 阳离子可 以选 F e 、 C u 、 N i 、 S n 、 Z n 等 阳离子 , 络合剂与氧化态的 S形成络合物 , 并且 在热作用或拆模下可再生。络合脱除法的主要问题 在于络合剂的工业化生产 。 1 . 8 催化氧化一 吸附法 针对 Me r o x 脱硫醇工艺 中总硫含量超标 问题 , 采用催化氧化与吸附相结合的方法进行脱硫 , 即在 Me r o x工艺后面多加一个吸收二硫化物 的吸收塔 , 这样可以保证产品总硫含量合格f 。选用分子筛 、 活性 炭 等作 为吸 附 剂 ;另 外 ,也 可 以用 铁 系 、 M n O C u O 、 稀土金属 、 贵金属系列等催化剂代替碱 液进行 L P G预处理 ” 。 2 结语 近些年 , 石油资源供应紧张 , 国内外原油质量 趋于重质化 ,炼油厂生产 的 L P G中硫含量不断升 高, 但世界各国对 L P G的需求量却大幅提高, 因此 L P G脱硫醇技术的研究显得日益重要。M e r o x 抽提 一 氧化技术、纤维膜技术和无碱催化氧化技术是 目 前主要应用的L P G脱硫醇技术, 但均有缺陷和不足 之处 , 因此对其进行技术优化的深人研究是主要发 展方向。另外 , 开发创新型技术也是今后 L P G脱硫 醇的一个重要发展方向。 参考文献 [ 1 ] 钱建兵, 朴香兰, 朱慎林. 炼油厂液化石油气胺法脱硫工艺设计 优化[ J ] . 炼油技术与工程 , 2 0 0 7 , 3 7 1 1 7 2 0 . 1 2 J R o b e A M. 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