棕櫚油加氫脫氧反應的規律

張 超，聶 紅，高曉冬，渠紅亮，褚 陽

（中國石化 石油化工科學研究院，北京 100083）

隨著化石燃料的短缺及人們環保意識日益增強，發展可再生綠色生物能源已成為全球共識［1－2］。目前，在全球節能減排、降低CO2排放量的大趨勢下，越來越多的人把目光和減排的希望寄托在使用生物燃料［3－5］。其中發展生物航空燃料是緩解能源危機，解決環境問題的有效措施之一［6－10］。美國的UOP公司、芬蘭Neste Oil及中國石化等公司都相繼推出了自己的生物燃料生產工藝。

植物油的主要成分為三脂肪酸甘油酯，氧含量高，用做燃料必須首先進行脫氧處理。加氫脫氧是其生產生物燃料的重要步驟，已有許多針對工藝條件對植物油加氫直接脫氧和脫羧路線的影響的研究報道［11－13］，但在區分加氫脫羧基和脫羰基路線以及加氫脫氧反應熱等方面的研究不多。在本研究中，筆者以具有典型脂肪酸組成的棕櫚油為原料，模擬計算了加氫直接脫氧、脫羧基和脫羰基3種反應路徑的反應熱，同時采用Ni-Mo/Al2O3催化劑，在中試裝置上考察了工藝條件對3種反應路徑的影響，期望能給予實際生產的優化操作一定的理論支持。

1 實驗部分

1.1 原料

市售棕櫚油，其主要成分為三脂肪酸甘油酯，脂肪酸的碳數分布以偶數碳為主，具有典型的植物油脂肪酸組成特征，其主要性質見表1。燕山煤油，作為硫化油；滄州直餾柴油，作為初活油。

表1 棕櫚油的主要性質Table 1 The properties of palm oil

CS2，分析純，天津百世化工有限公司提供；堿式碳酸鎳，分析純，宜興徐馳化工廠提供；三氧化鉬，分析純，天津四方化工有限公司提供；磷酸，分析純，百靈威科技有限公司提供；氧化鋁載體，長嶺催化劑分公司提供。

1.2 催化劑的制備

配制含有Ni、Mo金屬組分的磷酸溶液，采取飽和浸漬法浸漬氧化鋁載體。浸漬后的載體經過干燥、焙燒制得成品催化劑。其中NiO負載質量分數為3.6%，MoO3負載質量分數為14.9%。

1.3 催化劑的表征

1.3.1 XRD表征

采用日本理學電機Rigaku的D/MAX-2500型X射線衍射儀分析催化劑物相及晶化程度，Cu靶，石墨單色濾光片，狹縫SS/DS＝1°，RS 0.15mm，工作電壓40kV，電流100mA，計數器SC，2θ掃描范圍10°～80°。

1.3.2 BET全分析

在液氮溫度下，測定不同相對壓力下試樣所吸附N2的體積，按GB/T5816方法，根據BET公式計算催化劑總表面積。取p/p0約等于0.98的液態N2吸附體積為孔體積。

1.3.3 XRF分析

將粉末樣品壓片成型后，在X射線熒光光譜儀上分別測定標樣和試樣中各元素特征譜線的強度，采用經驗系數法校正元素間的干擾，計算得到試樣中各元素的含量。

1.4 反應性能評價

采用中型固定床加氫反應器進行棕櫚油加氫反應。首先在一定條件下將催化劑硫化，然后進行反應性能評價實驗。反應裝置及流程如圖1所示。

圖1 棕櫚油加氫反應裝置及流程示意圖Fig.1 Hydrogenation processing flow chart of palm oil

1.5 產物分析

1.5.1 煉廠氣分析

待測氣體試樣經樣品環并行導入微型氣相色譜儀分離系統的4個通道中，試樣中的特定組分在特定的通道中實現分離，經微型熱導檢測器檢測，由外標和四通道面積分配歸一法計算得到各組分的體積分數。

1.5.2 餾程分析

將經CS2稀釋，并加入一定碳數正構烷烴內標的試樣導入能按沸點次序分離烴類的氣相色譜柱，記錄整個程序升溫過程的色譜圖及其面積。根據相同條件下測定沸程已知的正構烷烴混合物得到的保留時間－沸點校正曲線，可以獲得被測試樣的沸程數據。

1.5.3 柴油碳數分布分析

試樣隨載氣進入涂漬OV-101的毛細管色譜柱，使各正構烷烴和絕大部分異構體分離，用氫焰檢測器檢測，計算各正構烷烴的含量。

1.6 反應化學參數計算

分別按照式（1）～（6）計算棕櫚油轉化率x、餾分油收率y、脫氧率r和脫氧路徑選擇性s，脫氧路徑選擇性包括加氫直接脫氧選擇性s（HDDO）、加氫脫羧基選擇性s（HDCO2）和加氫脫羰基選擇性s（HDCO）。

式（1）中，w500，0、w500，1分別為原料和反應產物中＞500℃餾分的質量分數。

式（2）中，w為反應產物中一定餾程范圍內餾分油質量分數；wTotal為反應產物中餾分油總質量分數。

式（3）中，wO，0原料中 O的質量分數，wO，1反應產物中O的質量分數。

式（4）～（6）中，n（n-Ci）指i個碳數的正構烷烴物質的量，VCO2和VCO指反應尾氣中CO2和CO的體積。

2 結果與討論

2.1 棕櫚油的加氫反應性能

2.1.1 棕櫚油的脂肪酸組成

表2列出了棕櫚油的脂肪酸組成，棕櫚油脂肪酸主 要 由 軟 脂 酸 （C16∶0）、 硬 脂 酸 （C18∶0）、 油 酸（C18∶1）、亞油酸（C18∶2）組成，這4種脂肪酸質量之和占棕櫚油脂肪酸總質量的97.83%。

表2 棕櫚油脂肪酸組成Table 2 Composition of fatty acid in palm oil

2.1.2 棕櫚油加氫化學反應及反應性能的計算

棕櫚油的主要成分是甘油三酯，具有較高的相對分子質量，而且O質量分數較高（可達11%以上），同時還存在不飽和的碳碳鍵，其分子結構如圖2所示。在棕櫚油加氫過程中包含了多種反應，其中主要為加氫飽和反應和加氫脫氧反應。棕櫚油加氫反應途徑如圖3所示［11］。

圖2 棕櫚油中甘油三酯的分子結構示意圖Fig.2 Schematic of the molecular structure of triglyceride in palm oil

加氫脫氧有加氫直接脫氧、加氫脫羰基、加氫脫羧基3種路徑。加氫直接脫氧的生成物主要是C3H8、H2O和C16、C18等偶碳數烴；加氫脫羰基反應的生成物主要是C3H8、CO2、和C15、C17等奇碳數烴；加氫脫羧基反應的生成物主要是C3H8、H2O、CO和C15、C17等奇碳數烴。在脫氧過程中，由于產生CO和CO2，體系中又有H2和催化劑存在，有可能發生甲烷化反應。本實驗采用的催化劑是硫化態催化劑，不是甲烷化的催化劑體系，反應溫度在200～360℃范圍，實驗過程中檢測到CH4體積分數不足2%，說明甲烷化程度較低，因此計算中忽略甲烷化對脫羧和脫羰路徑的影響。

圖3 棕櫚油加氫反應途徑Fig.3 Hydrotreating reaction paths of palm oil

原料棕櫚油的主要餾程處于500℃以上（＞500℃），二脂肪酸甘油酯、單脂肪酸甘油酯等中間產物的餾程主要在350～500℃范圍，完全轉化后的正構烷烴餾程主要在180～350℃范圍。可以采用餾程作為原料轉化程度的指標。

根據棕櫚油的分析數據和化學組成計算，棕櫚油的平均分子式為C55H102O6。利用量子力學軟件MOPAC的AM1模塊對分子式進行結構優化后，計算反應中涉及的每個物質的標準生成熱，由此算出加氫反應的反應熱。棕櫚油的加氫反應包括不飽和雙鍵加氫飽和、加氫直接脫氧、加氫脫羰基和加氫脫羧基反應，相應的反應方程式分別如式（7）～式（10）所示。

式（7）～（10）中，C52H110代表CH3R1、CH3R2、CH3R33種烷烴的分子式之和，C49H104代表HR1、HR2、HR33種烷烴的分子式之和。

上述4個反應均為放熱反應，加氫飽和反應和直接脫氧反應熱較大，加氫脫羧基反應熱次之，加氫脫羰基反應熱最低。

棕櫚油加氫脫氧后的正構烷烴屬于柴油餾分。以棕櫚油為基礎，計算得到的3種脫氧路徑的化學氫耗，柴油餾分、H2O和C3H8收率列于表3。

表3 棕櫚油加氫反應中3種脫氧路徑的化學氫耗和各產物收率Table 3 Hydrogen consumption and product yields of the three deoxygenation paths in palm oil hydrotreating

從表3可見，為追求柴油餾分收率最大化，應盡量使反應按照加氫直接脫氧路徑進行，減少脫羰基和脫羧基反應，同時避免烷烴的裂化反應；若追求低氫耗，應增加脫羧基反應，減少加氫直接脫氧和脫羰基反應。

2.2 棕櫚油加氫反應溫度對餾分油收率、脫氧率的影響

棕櫚油加氫后得到的液態烴大部分為柴油餾分。采用氣相色譜法分析液體產物的碳數分布，結果如圖4所示。產物主要由C15～C18的正構烷烴組成，占總液體產物的96%以上，這一結果與棕櫚油的脂肪酸組成結果一致。

2.2.1 溫度對餾分油收率的影響

在反應氫分壓6.4MPa、液時空速2.0h－1的條件下，考察了棕櫚油加氫反應溫度對餾分油收率的影響，結果示于圖5。

圖4 棕櫚油加氫產物的氣相色譜圖Fig.4 The chromatogram of distillate oil from hydrodeoxygenation reaction of palm oil

圖5 棕櫚油加氫反應溫度對餾分油收率（y）的影響Fig.5Effects of reaction temperature on the yields（y）of distillate oil from palm oil hydrodeoxygenation

從圖5可以看出，隨著反應溫度的提高，產品油中大于500℃的餾分油收率降低，柴油餾分油收率增加，中間餾分油先增加后降低；當溫度高于320℃時，液體烴全部為柴油餾分。在低溫條件下，原料中的三脂肪酸甘油酯逐步脫氧轉化為餾程在350～500℃的范圍內的二脂肪酸甘油酯、單脂肪酸甘油酯等中間產物［14］；高溫條件下，完全脫氧后轉化為180～350℃柴油餾分的正構烷烴。

計算得到反應溫度為260、280、300℃的原料轉化率分別為37.6%、62.1%、98.2%，表明反應溫度300℃時原料基本轉化完全，反應溫度從260℃增加到300℃，原料的轉化率提高了60.6%。

2.2.2 溫度對脫氧率的影響

植物油脂中氧含量高，脫氧率r是衡量原料最終轉化的重要指標之一。圖6為氫分壓6.4MPa、液時空速2.0h－1、不同反應溫度下，棕櫚油加氫液體產品的O質量分數（wO，1）。從圖6可以看出，隨著反應溫度的提高，wO，1不斷降低，當溫度達到300℃時，wO，1為 0.91%， 脫 氧 率r達 91.5%；320℃時，r達到100%。由上可知，在 Ni-Mo/Al2O3催化下，植物油加氫脫氧反應比較容易發生，反應條件不苛刻，與徐春明等、Krar等［15－18］報道的結果一致。

圖6 不同反應溫度下棕櫚油加氫反應產物的O質量分數（wO，1）Fig.6 wO，1of the distillate oil from palm oil hydrodeoxygenation at different temperatures

2.3 反應條件對棕櫚油加氫反應3種脫氧路徑選擇性的影響

2.3.1 溫度的影響

在氫分壓6.4MPa、液時空速2.0h－1的條件下，考察了不同反應溫度對棕櫚油加氫脫氧路徑選擇性和脫氧路徑絕對脫氧率（總脫氧率未歸一）的影響，結果分別示于圖7、圖8。同時，以280℃的脫氧率為基礎，考察了溫度變化對不同脫氧路徑的脫氧率增加量的影響，結果示于圖9。

圖7 反應溫度對棕櫚油加氫反應脫氧路徑選擇性的影響Fig.7Effect of reaction temperature on the deoxygenation path selectivity of palm oil hydrodeoxygenation

圖8 反應溫度對棕櫚油加氫反應脫氧路徑絕對脫氧率的影響Fig.8 Effect of reaction temperature on the absolute deoxidation rate of deoxygenation paths in palm oil hydrodeoxygenation

圖9 不同棕櫚油加氫反應溫度下以280℃時脫氧率為基礎的各脫氧路徑脫氧率的增量（Δr）Fig.9 TheΔr of deoxygenation paths in palm oil hydrodeoxygenation at different temperatures related to that at 280℃

由圖7可以看出，隨溫度從280℃升高到360℃時，加氫直接脫氧選擇性由60.1%降低到53.9%，加氫脫羧基選擇性由0.6%升高到25.4%，加氫脫羰基選擇性由39.4%降低到20.7%；溫度平均每升高10℃，加氫直接脫氧選擇性平均降低0.8個百分點，加氫脫羧基選擇性平均提高3.1個百分點，加氫脫羰基選擇性平均降低2.3個百分點，因此，提高反應溫度，對脫羧基和脫羰基路徑選擇性影響較大。

從圖8、圖9可以看出，在未完全轉化階段（300℃以前），隨著反應溫度的升高，加氫直接脫氧、脫羧和脫羰3種路徑的脫氧率均呈現增加的趨勢；加氫直接脫氧的脫氧率增量最大，加氫脫羰基的次之，加氫脫羧基的最小。但隨著溫度的繼續升高，原料進入完全轉化階段（300℃以后），加氫直接脫氧路徑的脫氧率呈現略增加后降低的過程，加氫脫羰路徑的脫氧率降低，加氫脫羧路徑的脫氧率呈現較大幅度的增加，320℃以后加氫脫羰和加氫脫羧路徑的脫氧率變化很小。說明進入完全轉化階段，反應速率對溫度不敏感。由于加氫直接脫氧、脫羧和脫羰反應互為競爭反應，存在著此消彼長的關系，由此導致3條脫氧路徑的選擇性隨溫度呈現如圖7所示的變化。

2.3.2 壓力的影響

在溫度340℃、液時空速2.0h－1的條件下，考察了反應壓力對棕櫚油加氫脫氧路徑選擇性的影響，結果示于圖10。

圖10 反應壓力對棕櫚油加氫脫氧路徑選擇性的影響Fig.10 Effect of reaction pressure on the deoxygenation path selectivity of palm oil hydrodeoxygenation

由圖10可以看出，隨著反應壓力的提高，棕櫚油加氫過程中的加氫直接脫氧和加氫脫羧基選擇性增加，加氫脫羰基選擇性降低。反應壓力從3.2MPa提高到8.0MPa，加氫直接脫氧選擇性從43.7%提高到55.1%，加氫脫羧基選擇性由17.9%提高到29.1%，脫羰基選擇性由38.4%降低到15.9%。因此，增加反應壓力有利于加氫直接脫氧，同時可能促進脂肪酸的生成，對脫羧反應也有利。由于加氫直接脫氧、脫羧和脫羰反應互為競爭反應，增加反應壓力對脫羰反應不利。加氫脫氧反應中，加氫直接脫氧反應的氫耗最大，增加反應壓力，有利于加氫直接脫氧反應的發生［19－23］。在三脂肪酸甘油酯轉化成二脂肪酸甘油酯和單脂肪酸甘油酯的過程中主要存在兩種路徑，三脂肪酸甘油酯可以不經過中間產物發生脫氧反應，生成相應的烷烴和二脂肪酸甘油酯或單脂肪酸甘油酯，也可以先生成相應的脂肪酸中間產物，然后脫氧生成相應的烷烴和二脂肪酸甘油酯或單脂肪酸甘油酯，生成相應的脂肪酸是耗氫過程，增大壓力有利于生成相應的脂肪酸。Maki等［24］的研究發現，脂肪酸脫氧過程主要經脫羧反應得到烷烴，而脂肪酸酯不經過中間產物的脫氧過程主要經加氫直接脫氧和加氫脫羰反應得到相應的烷烴。

2.3.3 液時空速的影響

考察了在溫度340℃、壓力6.4MPa的條件下，不同液時空速對棕櫚油加氫脫氧路徑的影響，結果示于圖11。

圖11 液時空速對棕櫚油加氫脫氧路徑選擇性的影響Fig.11 Effect of LHSV on the deoxygenation path selectivity of palm oil hydrodeoxygenation

從圖11可以看出，隨著反應液時空速的提高，棕櫚油加氫的加氫直接脫氧和加氫脫羧基選擇性降低，加氫脫羰基選擇性增加。同時，隨著反應液時空速的提高，柴油、H2O的收率以及氫耗都略有降低。當反應液時空速從1.5h－1提高到3.0h－1時，加氫直接脫氧選擇性從54.7%降低到52.7%，加氫脫羧基選擇性由10.8%降低到4.8%，脫羰基選擇性由34.5%增加到42.5%。這說明，與加氫脫羰基反應相比，加氫直接脫氧反應和加氫脫羧基反應需要更長的催化劑停留時間。

以上討論的結果表明，若希望較高的油收率，應該適當的提高反應壓力并降低反應溫度和反應空速，提高直接加氫脫氧途徑的選擇性。但是高的油收率也會引起一些問題，如氫耗高，同時由于直接脫氧途徑放熱量大，產物中H2O含量高，在催化劑床層容易引起劇烈溫升，反應產生的H2O引起催化劑粉化；若追求低氫耗，應選擇適當的提高反應溫度和空速，同時降低反應壓力，使脫氧反應朝脫羰或脫羧路徑進行，相對加氫直接脫氧路徑，其放熱量少，導致的溫升劇烈程度減緩，有利于溫度控制。但最大程度地提高加氫脫羧基和脫羰基反應的選擇性時，生成的烷烴比直接脫氧反應的少1個碳，造成油收率降低，同時，副產的CO2和CO也會影響催化劑的活性。

3 結 論

（1）植物油加氫過程的加氫飽和反應和3種脫氧反應都是放熱反應，加氫飽和和直接脫氧反應放熱較大，加氫脫羧基反應次之，加氫脫羰基反應最低。

（2）對于植物油加氫脫氧反應，Ni-Mo/Al2O3催化劑的反應條件溫和且脫氧率高。

（3）在植物油加氫脫氧反應中，適當降低反應溫度和液時空速以及提高反應壓力，更有利于加氫直接脫氧反應的發生，同時油收率提高，但引起氫耗增大，壓力對加氫直接脫氧反應的影響較明顯；適當提高反應溫度和壓力以及降低反應液時空速，更有利于加氫脫羧基反應的發生，溫度對加氫脫羧基反應的影響較明顯；適當提高反應液時空速以及降低反應溫度和壓力，更有利于加氫脫羰基反應的發生；加氫脫羰基反應對溫度、壓力和液時空速都很敏感。

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