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低压加氢喷气燃料中残留氮化物的类型及其对喷气燃料色度的影响

2018-06-01沈本贤赵基钢

石油学报(石油加工) 2018年3期
关键词:白土氮化物喹啉

侯 柯,沈本贤,孙 辉,赵基钢

(华东理工大学 石油加工所,上海 200237)

喷气燃料生产的精制问题一直受到人们关注,也是不同工艺生产高品质喷气燃料必须解决的问题。喷气燃料中氮的质量分数一般控制在不超过0.001%,虽然氮含量不高,却对油品的储存安定性影响很大[1-5]。氮杂环化合物可分为碱性氮化物(含吡啶环结构)和非碱性氮化物(含吡咯环结构)[6-8]。

通过加氢精制可以脱除喷气燃料中的硫氮等杂原子化合物,实现对喷气燃料的精制[9-11]。喷气燃料加氢精制技术按照氢压大致可分为高压(≮14 MPa)、中压(≤12 MPa)和低压(≤4 MPa)加氢精制[12]。增加氢分压对加氢脱硫和加氢脱氮反应都有促进作用,但由于加氢脱氮反应需要先进行氮杂环的加氢饱和,所以压力对提高加氢脱氮反应速率的影响远大于脱硫,但氢压升高会增加工业装置的公用工程消耗及操作成本[13]。喷气燃料高压加氢精制能使原料中的硫、氮、氧等非烃化合物得到充分的氢解和脱除,具有处理原料范围广、液体收率高、产品质量好且稳定等优点。但由于部分炼油企业受设备工艺条件的限制,现在仍采用喷气燃料低压加氢精制技术,存在如何稳定控制色度合格的问题。赵升红等[4]和陈立波等[14]已对导致喷气燃料储存中颜色变深的酚类多聚体及其它复杂的大分子含氧化合物进行了研究。此外,经低压加氢后不稳定的硫醇等硫化物被加氢脱除,剩余的硫化物相对稳定,基本上不会引起颜色的变化,因此,笔者将进一步研究喷气燃料的色度与氮化物的关系。有关报道涉及了对重油、汽油、柴油中氮化物进行的分离分析[15-22],但鲜见关于喷气燃料低压加氢精制残留氮化物的分离及鉴别方面的报道。笔者采用酸萃取方法对低压加氢喷气燃料中的氮化物进行分离;同时采用酸性白土动态吸附对低压加氢喷气燃料开展进一步补充精制,将吸附后酸性白土通过索氏抽提富集杂质吸附物,将得到的低压加氢喷气燃料氮萃取物和白土吸附物进行对比分析;考察了吡啶、喹啉、苯胺、异喹啉、酰胺等化合物对精制喷气燃料色度的影响规律,为揭示低压加氢精制喷气燃料如何进一步稳定控制色度合格提供依据。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

实验用喷气燃料样品取自中国石化某公司低压加氢后白土补充精制前的喷气燃料,基本性质列于表1;酸性白土取自浙江安吉中新活性白土有限公司,基本性质见表2;冰醋酸、高氯酸、盐酸、氢氧化钠、甲苯、正戊烷和二氯甲烷,均为分析纯,上海国药集团化学试剂有限公司产品;甲基紫(生物染色);苯胺、吡啶、喹啉、异喹啉和丙烯酰胺,均为优级纯,国药集团化学试剂有限公司产品。

表1 低压加氢后白土补充精制前喷气燃料的基本性质Table 1 Basic properties of aviation kerosene by low pressure hydrogenation before clay supplemental adsorption refining

表2 酸性白土的基本性质Table 2 Basic properties of acid clay

1.2 碱性氮的测定

喷气燃料中碱性氮含量的测定方法参照SH/T 0162-1992。因为苯对人体的毒性较大,故将溶剂苯-冰乙酸混合液(体积比1/1)替换为甲苯-冰乙酸混合液(体积比1/1)[23]。

1.3 氮化物的浓缩分离

为了考察氮化物对喷气燃料色度的影响,首先采用酸碱萃取方法对白土精制前的低压加氢喷气燃料中氮化物进行萃取浓缩并进行分析。在剂/油体积比为1/10的基础上,萃取剂分别选用3%、5%和10%(体积分数)的HCl溶液。选定3%HCl溶液作为萃取剂,考察不同剂/油体积比1/10、1/30和1/50 下的萃取分离效果。

萃取分离方法:取油样600 mL于1000 mL分液漏斗中,按一定的剂/油体积比加入萃取剂,振荡5 min,静置分层10 min后,分出酸液,再萃取一次,合并水相,油相用去离子水洗至中性,干燥后分析其碱氮含量和总氮含量。酸液用正戊烷按酸液与正戊烷体积比为2/1萃取,将酸液中带出的油抽出,再将酸液用NaOH中和至中性或弱碱性,用二氯甲烷按酸液/二氯甲烷体积比为2/1萃取2次,将碱性氮化物从水相中抽出。合并2次萃取的二氯甲烷溶液,用蒸馏水洗去盐分,除去二氯甲烷溶剂后得到氮化物浓缩物,分别采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析含氮浓缩物。

1.4 白土动态吸附实验

喷气燃料经低压加氢精制后,通过酸性白土补充精制能够达到进一步脱除杂质化合物,特别是氮化物的目的,保证喷气燃料产品的色度合格。以酸性白土为吸附剂对低压加氢喷气燃料进行动态吸附实验,低压加氢喷气燃料自上至下进料。实验条件为:吸附塔器高/径比3.53,空速15 h-1,温度40℃,吸附剂装填量12.5 g,装填密度0.85 g/cm3。经分析,低压加氢后白土补充精制前喷气燃料中碱性氮和总氮质量分数分别为2.7 μg/g 和7.5 μg/g。

通过比较酸性白土精制前后低压加氢喷气燃料的色度变化,考察白土对低压加氢喷气燃料的补充精制效果和氮含量对喷气燃料色度的影响。将白土补充精制前后的喷气燃料同时放置在密闭的环境中,用赛氏比色仪每隔一定时间测一次色度,观察其色度的衰减情况。

1.5 索氏抽提实验

对喷气燃料动态吸附后的酸性白土进行索氏萃取方法分离吸附物。称取40 g左右经固定床吸附后的酸性白土,于80℃油浴中,用300 mL二氯甲烷对白土中吸附物进行索氏抽提,将二氯甲烷抽提液中溶剂蒸除后,FT-IR和GC-MS分析白土中吸附质。

1.6 模型化合物对喷气燃料色度的影响实验

向800 mL白土精制后的喷气燃料中分别加入得到的苯胺、吡啶、喹啉、异喹啉和丙烯酰胺等喷气燃料中的主要含氮化合物,保持各化合物的浓度为0.1 mol/L。在相同条件下,用赛氏比色仪每隔一定时间测一次色度,观察不同物质对喷气燃料色度的衰减情况。

1.7 分析方法

采用美国Thermol Nicolet公司生产的NICOLET 6700傅里叶红外光谱仪对样品进行红外表征(液膜透视法)。测试分辨率为4 cm-1,扫描次数为64次,扫描范围为400~4000 cm-1。

酸萃取过程中使用硫氮分析仪测定样品总氮值,硫氮分析仪的条件:标准曲线中氮质量浓度设定为0~10 mg/L,硫质量浓度设定为500~1000 mg/L;裂解炉温度1080℃;进样量5 μL;高纯氧压力和氦气压力设定为0.4 MPa;硫偏压620 V,氮偏压800 V。

采用Koehler K13009赛氏比色仪测定喷气燃料的色度,参照标准GB/T 3555—1992。

气-质联用分析条件为:HP6890气相色谱,毛细管色谱柱HP6890MS 30 m×0.25 mm×0.25 μm;进样口温度280℃;分流比1/80;流速0.6 mL/min;程序升温,初始温度60℃保持2 min,以3 ℃/min升温至280℃,保持10 min;Agilent Technologies 5973型四极杆质谱仪条件:电离方式EI,电子能量70 eV;灯丝电流300 μA;离子源温度230℃;质量扫描范围(m/z)33~480;扫描速率0.5次/s。

2 结果与讨论

2.1 低压加氢喷气燃料残留氮化物的浓缩与分离

直馏喷气燃料馏分经低压加氢精制可以达到脱除杂质化合物的目的,但由于加氢脱氮反应需要先进行氮杂环的加氢饱和,所以氢压较低时氮化物不能得到有效的脱除。低压加氢喷气燃料的氮化物与喷气燃料的色度有着直接的关系,因此有必要对低压加氢喷气燃料中的氮化物进行分离和鉴定。低压加氢喷气燃料中残留的氮化物含量甚低,难以直接进行分析,因此实验首先采用0.05~1.0 mol/L的盐酸溶液对其进行酸萃取浓缩[24]。式(1)和式(2)分别为吡啶和伯胺类氮化物被萃取的原理,同理可推其他碱性氮化物。

(1)

(2)

在剂/油体积比为1/10的条件下,考察HCl浓度对萃取效率的影响,结果如表3所示。可以看出,3%、5%、10%的HCl对低压加氢喷气燃料中残留氮化物均具有较好的萃取脱除效果,低压加氢喷气燃料中的总氮质量分数从11.33 μg/g降至1.2 μg/g左右,萃取率均在90%左右;碱氮质量分数从3.36 μg/g 降至0.15 μg/g以下,萃取率均高于95%。

表3 不同浓度HCl萃取剂对低压加氢喷气燃料(LPHJF)中残留总氮和碱氮的脱除效果Table 3 Comparison of removing rate for residual total nitrogen and basic nitrogen of LPHJF with different concents of HCl extractant

At room temperature;V(Agent)/V(Oil)=1/10

在3%HCl作为萃取剂的基础上,进一步考察了剂/油体积比对低压加氢喷气燃料中残留氮化物萃取效果的影响,结果如表4所示。可以看出,当剂/油体积比由1/50增大到1/10时,总氮的萃取率由75%增加至89.3%,碱氮的萃取率由70.2%增加到95.8%;进一步增大剂/油体积比对萃取率的提高效果有限,且剂/油体积比的增大会同时增加萃取的含氮浓缩物中芳烃及酚类化合物含量,应尽可能减少萃取剂的使用量,故实验选用剂/油体积比为1/10。

表4 不同剂/油体积比下低压加氢喷气燃料中残留总氮和碱氮的脱除率Table 4 Comparison of removing rate for total nitrogen and basic nitrogen of LPHJF with different solvents to oil volume ratio

At room temperature; 3%HCl

综上所述,实验最终选用3%HCl作为酸萃取剂,以剂/油体积比为1/10对低压加氢喷气燃料中残留的氮化物进行萃取浓缩。

低压加氢喷气燃料中残留氮化物经萃取浓缩前后样品的红外谱图如图1所示。可以看出,浓缩后样品红外谱图中3300 cm-1左右的宽峰为缔合O—H的强吸收峰,1690 cm-1左右的中强峰为C=O振动吸收峰,1320和1270 cm-1左右的小峰为C—N振动吸收峰,1510 cm-1和1600 cm-12个中强吸收峰为芳环的骨架振动和弯曲振动峰,1030、1120和1170 cm-1左右的小峰为—C—O伸缩振动峰。

低压加氢喷气燃料浓缩氮化物气-质联用分析的总离子流如图2所示。可以看出,出峰时间集中在15~35 min和45~55 min,强度较强的几个氮化物峰按出峰先后顺序依次为吡啶、苯胺、喹啉和酰胺化物。

图1 低压加氢喷气燃料中残留氮化物浓缩前后的红外谱图Fig.1 Infrared spectra of the concentrated residual nitrogen and LPHJF(1) LPHJF; (2) Residual nitrogen concentrates of LPHJF

图2 低压加氢喷气燃料酸萃取物的总离子流图Fig.2 Total ion chromatogram of acid extract from LPHJFThe numbers of 1-46 are ion peak number

表5列出了低压加氢喷气燃料中残留氮浓缩物中氮化物的气-质联用分析结果。从表5可以看出,在所鉴别的碱性氮化物中,喹啉类的相对含量占24.04%,吡啶类占28.57%,苯胺类占27.61%,异喹啉占6.32%;非碱性氮化物中吡咯类占2.34%,酰胺类占7.14%;其中C1代表1个甲基,C2代表2个甲基或1个乙基,C3代表3个甲基或1个甲基和1个乙基或1个丙基,C4、C5以此类推。

表5 低压加氢喷气燃料中残留氮浓缩物中氮化物的气-质联用分析结果Table 5 GC-MS results of nitrogen compounds in the concentrated residual nitrogen from LPHJF

2.2 低压加氢喷气燃料白土补充精制结果

工业上直馏喷气燃料馏分经低压加氢精制后赛比色度值平均从+19提高至+26(喷气燃料产品的色度值要求+30),而且低压加氢后喷气燃料的色度随着原料性质的变化而呈现一定的波动性,因此白土补充精制起到进一步提高和稳定产品色度的作用。对比考察酸性白土对低压加氢喷气燃料补充精制效果。

白土补充精制后喷气燃料的总氮质量分数从7.5 μg/g降至3.45 μg/g,碱氮质量分数从2.7 μg/g降至0.7 μg/g。白土吸附前氮含量较高时,喷气燃料颜色偏黄,其赛比色度为+24;而白土精制后喷气燃料中氮含量较低时,喷气燃料颜色呈水白色,其赛比色度为+30。不同氮含量的喷气燃料色度衰减实验结果如图3所示。可以看出,精制前喷气燃料氮含量较高时,在100 d的考察期间,其赛比色度从+24衰减到+20,衰减程度较大;精制后喷气燃料氮含量较低时,其赛比色度100 d内只从+30衰减到+29,衰减缓慢。这表明喷气燃料中氮含量较高时,喷气燃料的色度较差,同时还会加剧喷气燃料色度的衰减。通过酸性白土对低压加氢喷气燃料的补充精制能够达到进一步脱除杂质化合物特别是氮化物的目的,保证喷气燃料产品的色度合格。

图3 白土精制前后喷气燃料色度的衰减对比Fig.3 Comparison of the chroma reduction of LPHJF

2.3 低压加氢喷气燃料中酸性白土捕集吸附物分析

为了进一步明晰导致低压加氢喷气燃料变色的氮化物类型,实验还对酸性白土上的吸附物进行萃取分离,并进行红外光谱和质谱分析。图4为酸性白土上吸附物的红外谱图。可以看出,该吸附物的分析结果与酸萃取浓缩物的分析结果相一致。谱图中存在3100~3700 cm-1范围的缔合O—H宽吸收峰,1610 cm-1的强吸收峰为C=O振动吸收峰,1510 cm-1和1600 cm-1左右的中强峰和818 cm-1左右的小峰为芳环的骨架振动峰和弯曲振动峰,1270和1320 cm-1处的小峰为C—N的伸缩振动峰,1120、1160和1230 cm-1左右的小峰为C—O伸缩振动峰。吸附物气-质联用分析的总离子流图如图5所示。可以看出,含量较高的氮化物组分按出峰先后顺序依次为苯胺、喹啉、烃类和吡啶。

图4 低压加氢喷气燃料被酸性白土捕集的吸附物的红外谱图Fig.4 Infrared spectra of adsorbate on the acid clay for LPHJF

图5 低压加氢喷气燃料被酸性白土捕集的吸附物气-质联用分析总离子谱图Fig.5 Total ion chromatogram of adsorbate on the acid clay for LPHJFThe numbers of 1-65 are ion peak number

表6中列出了气-质联用分析中氮化物的分析结果。可以看出,碱性氮化物中喹啉类的相对含量占26.15%,吡啶类占27.80%,苯胺类占28.29%,异喹啉占10.53%;非碱性氮化物中酰胺类占4.60%。

表6 低压加氢喷气燃料被酸性白土捕集的吸附物中氮化物的气-质联用分析结果Table 6 GC-MS results of nitrogen compounds in adsorbates on the acid clay for LPHJF

通过对比分析未精制喷气燃料酸萃取浓缩物与酸性白土吸附物中氮化物的组成和相对含量可以得出,氮化物中,吡啶、喹啉、苯胺、酰胺、异喹啉等可能是导致喷气燃料变色的主要杂质组分。

2.4 影响低压加氢喷气燃料色度的原因分析

低压加氢喷气燃料白土补充精制前后的红外谱图如图6所示。可以看出,补充精制后的喷气燃料在1320 cm-1和1270 cm-1左右的C—N振动吸收峰的面积小于补充精制前的,这说明白土起到了进一步吸附低压加氢喷气燃料中氮化物的作用。低压加氢喷气燃料残留氮浓缩物及白土吸附物中氮化物的类型及相对含量对比如表7所示。由表7可见,苯胺、喹啉、吡啶、异喹啉和酰胺的含量占检测到的氮化物总含量的95%左右,且2种样品中各类型氮化物的相对含量基本相同。进一步说明,氮化物中苯胺、吡啶和喹啉是导致低压加氢喷气燃料变色的重要原因。

图6 低压加氢喷气燃料白土补充精制前后的红外谱图Fig.6 Infrared spectra of LPHJF before and after caly supplemental refining

CompoundsRelative content/%AminesPyridinesQuinolinesIsoquinolinesAmidesTotal content/%LPHJF27.6128.5724.046.327.1493.68Adsorbates in clay28.2927.8026.1510.534.6097.37

已有的研究表明,具有稳定结构的烃类物质不易产生色度变化,而含有不饱和键、带有孤对电子的杂原子等有机物质往往易导致色度的变化,此类化合物首先通过自由基自氧化形成氢过氧化物,其次与极性或中性化合物反应以形成低聚物或聚合物,与氢过氧化物反应的化合物的类型决定缩合产物是否着色,若为含S和N杂原子的极性化合物,它们可以形成有色体,产生颜色[25]。低压加氢后喷气燃料中硫醇含量接近于零,因此可不考虑硫醇对低压加氢喷气燃料色度的影响,而氮化物因为含有1对孤对电子,具有产生颜色的条件,理论上成为低压加氢喷气燃料馏分中最重要的不安定因素和颜色形成的来源[26]。

根据前文得到的低压加氢喷气燃料中氮化物以及酸性白土吸附物的基本组成分析结果,并结合已有的相关研究结果,苯胺、吡啶、喹啉、异喹啉、酰胺均有可能导致低压加氢喷气燃料变色。笔者通过将一定量苯胺、吡啶、喹啉、异喹啉、丙烯酰胺分别加入到白土补充精制后的喷气燃料中,分别考察上述主要氮化物对精制后合格喷气燃料色度衰减的影响,结果示于图7。从图7可以看出,加入喹啉后,精制喷气燃料的色度在63 d内从+30降至+18,在22d时降到色度最低值+18后保持不变;吡啶和苯胺都使精制喷气燃料的色度在63 d内从+30 降至+21,在36 d时色度降至最低值+21后保持不变,但在36 d之前,吡啶较之苯胺导致精制喷气燃料色度下降的速度更快;丙烯酰胺和异喹啉对精制喷气燃料色度的影响最小,在63 d内,精制喷气燃料色度仅从+30降至+27,且很快达到稳定。综上分析,氮化物中喹啉对低压加氢喷气燃料色度的影响最大,吡啶和苯胺次之,异喹啉和丙烯酰胺影响最小。因此,氮化物中喹啉、吡啶、苯胺、异喹啉等是导致低压加氢喷气燃料变色的主要原因。

低压加氢喷气燃料中易被氧化的组分如芳烃系被氧化后与含氮化物缩合可形成燃料可溶性低聚物,燃料可溶性低聚物与有机酸结合最终形成有色物质。当该物质在使喷气燃料色度值降到最低后,即使形成的沉积物增加,色度也不会继续降低,这表明如果液体中的显色体达到饱和,喷气燃料颜色将不再变深,并且颜色与沉积物之间不呈现正相关的关系。

图7 不同氮化物对精制喷气燃料色度衰减的影响Fig.7 Effect of various compounds on the chroma reduction of refined aviation kerosene

吡啶较为稳定,不易被氧化,但烷基吡啶的侧链容易被氧化成相应的吡啶甲酸,其反应式如式(3)所示。此外,甲基吡啶的侧链烷基的活泼性类似于硝基甲苯中的甲基,尤其是α-及γ-甲基中的氢原子,可以进行一系列缩合反应,如式(4)和式(5)所示。喹啉是由苯环与吡啶环相稠和而成,也成为苯并吡啶,具有芳香性,氧化过程与烷基吡啶相似,如式(6)所示。脂肪族胺类常温下比较稳定,芳香族胺类则较易氧化,尤其是芳香族的伯胺及仲胺对氧化特别敏感,暴露在空气中往往颜色变深,氧化过程很复杂,产物也难于分离,如式(7)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

3 结 论

(1)选用 3%HCl 为萃取剂,剂/油体积比为1/10 时,萃取分离低压加氢喷气燃料中的氮化物效果较好。

(2)红外和气-质联用分析结果表明,低压加氢精制喷气燃料酸萃取浓缩物中的氮化物主要是喹啉类、吡啶类、苯胺类、异喹啉类和酰胺类化合物;白土吸附物中所含氮化物的种类及相对含量与酸萃取浓缩物相一致。

(3)低压加氢喷气燃料中残留氮化物会诱使喷气燃料色度不达标,酸性白土对低压加氢喷气燃料的补充精制能够达到进一步脱除杂质化合物、特别是氮化物的目的,保证喷气燃料产品的色度合格。

(4)低压加氢喷气燃料中残留氮化物对低压加氢喷气燃料色度的影响大小顺序为:喹啉>吡啶>苯胺>异喹啉和酰胺。

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