FCC油漿富芳烴抽出油組成分析

馮 祎 ，孫昱東 ，張 帥

（中國石油大學（華東）化學工程學院 山東 青島 266580）

催化裂化是石油煉制的核心裝置，在重油二次加工中占有重要的地位。為了提高催化裂化裝置的吃重能力，通常采用油漿外甩的操作方式，以達到增產輕質運輸燃料的目的[1]。在中國每年外甩的油漿量占裝置進料量的5%-10%[2]。外甩油漿的密度大、黏度高，且含有較多的催化劑粉塵，目前，大多數煉廠將其用作低附加值的燃料油調和組分使用，不僅經濟效益低下，且造成了資源的極大浪費[3]。催化裂化油漿中含有大量的稠環芳烴，加工處理后可用作橡膠軟化劑等高附加值產品的原料。為了有效利用油漿中的芳烴，首先要研究其中的芳烴種類及結構組成，以便制定合理的高附加值產品應用方案。

蘭翔等[4,5]利用超臨界流體萃取將大慶和遼河油漿切割為若干窄餾分，采用常規分析方法結合質譜手段，得到了兩種油漿窄餾分中飽和分的烷烴組成及芳香分的環系組成，并使用改進B-L法計算得到窄餾分的芳香分平均結構。王遙[6]結合平均相對分子質量、元素分析以及核磁共振氫譜，利用改進B-L法得到了洛陽石化油漿老化前后的平均分子結構。常澤軍等[7]以石蠟基屬的油漿為研究對象，利用高真空釜式蒸餾將其切割為7個窄餾分，采用常規分析方法并利用正離子ESI結合FT-ICR MS，得到了油漿窄餾分性質及其結構隨沸點的變化規律。元素分析、紅外光譜法[8](FTIR)，核磁共振波譜[9](1H-NMR、13C-NMR)和改進BL法[10]等手段可用于FCC油漿等重餾分油的結構組成表征。但以上方法均有一定局限性，分析得到的多為某餾分中烴類的平均分子結構，而非單體烴的詳細結構組成[11]。近年來，全二維氣相色譜/飛行時間質譜（GC × GC TOF MS）由于靈敏度和分辨率高，越來越多地被應用于重餾分油品的表征。本研究選取某中間基屬的催化裂化油漿，利用溶劑抽提使芳烴富集得到抽出油，采用實沸點蒸餾將其切割為窄餾分，結合常規分析及GC ×GC TOF MS對窄餾分進行分析表征，研究窄餾分中芳烴結構和組成變化，為FCC油漿的高附加值利用提供指導。

1 實驗部分

1.1 原料

實驗原料為某中間基屬FCC油漿，取自青島煉化MIP-CGP裝置，基本性質見表1。

表1 原料基本性質Table 1 Primary properties of the FCC slurry

1.2 實驗方法

1.2.1 溶劑抽提

根據前期研究結果[12,13]，使用自制復配溶劑對原料油漿進行抽提以得到高芳烴含量的抽提油，抽提條件為溫度60 ℃，劑油質量比3∶1，抽提時間45 min。

1.2.2 實沸點蒸餾

利用Oilpro Distillation Technology VDS-06L-04A實沸點蒸餾裝置對抽出油進行減壓蒸餾，得到360-380、380-400、400-420、420-440、440-460、460-480、480-500 ℃、500 ℃-FBP等8個窄餾分。各窄餾分收率如表2所示。

表2 窄餾分收率分布Table 2 Extraction yield of each narrow fraction from the FCC slurry

1.3 分析方法

1.3.1 常規性質分析

分析方法見表3。

表3 原料及產物性質檢測方法Table 3 Standards of testing methods of feedstock and products

1.3.2 其他分析

采用德國Elementar的Vario EL型元素分析儀進行C、H、S、N元素分析，使用氦氣作為吹掃氣和載氣。

采用德國Bruker公司的AV500核磁共振儀，以DCl3為溶劑，TMS為內標物對窄餾分進行核磁共振分析。

采用美國LECO公司的全二維氣相色譜/飛行時間質譜（GC × GC-TOF MS）對窄餾分組成進行定性定量分析，其中，GC × GC系統包括Agilent 7890氣相色譜儀及雙噴口冷熱調制器和自動進樣器，TOF MS則為LECO公司生產的Pegasus，系統采用軟件Chroma TOF。

2 結果與討論

2.1 蒸餾曲線

圖1為抽出油的實沸點蒸餾曲線，餾程主要分布在380-500 ℃，占比約為80%，高于500 ℃餾分為17%左右。

圖1 抽出油實沸點蒸餾曲線Figure 1 True boiling point distillation curve of extracted oil

2.2 物性分析

表4為窄餾分的密度、殘炭以及運動黏度的變化表。三者皆隨餾程的升高而增大，尤其是420 ℃后餾分的變化明顯，說明所含芳烴的結構發生了較大的改變。

表4 窄餾分物性變化Table 4 Physical properties of narrow fractions

2.3 平均分子結構變化

利用元素分析、VPO分子量、核磁共振波譜（1H-NMR、13C-NMR）等表征手段，結合改進的B-L法計算窄餾分結構參數，以得到不同窄餾分中芳烴結構之間的差異。

2.3.1 VPO分子量、元素及族組成分析

表5為窄餾分的元素及分子量分析結果。

由表5可知，隨餾程增加，氫碳原子比呈遞減趨勢，說明窄餾分的不飽和度及芳香度逐漸增加；硫含量和氮含量呈現明顯的下降趨勢，與原油中硫、氮含量分布規律不符，原因是高沸點組分中的含硫化合物和含氮化合物更不穩定，在催化裂化過程中易于發生分解和縮合反應而轉移到氣體和焦炭中，導致高沸點油漿中的硫和氮含量較低。

表5 C、H、S、N元素分析及VPO分子量Table 5 Elemental composition and molecular weight of all narrow fractions

2.3.21H-NMR和13C-NMR分析

利用MestReNova核磁分析軟件對核磁共振氫譜分析結果進行譜圖解析，得到窄餾分中不同類型氫含量，結果見表6。由表6可知，與芳香碳直接相連的氫HA及芳環上的α氫占比較大，而芳環上的β氫占比較小，且幾乎不含γ氫，說明各窄餾分中所含物質基本為短側鏈芳烴，且側鏈以甲基為主，幾乎不含等于或大于C3的烷基側鏈。隨沸點升高，芳碳上的氫呈遞增趨勢，而α氫、β氫和γ氫呈現明顯的遞減趨勢，說明芳環的縮合度增加，側鏈數變少，且鏈長變短。

表6 窄餾分中不同化學位移氫的含量Table 6 Content of hydrogen species (%) of different chemical shifts in each narrow fraction determined by 1H-NMR

表7為以1H-NMR分析結果為基礎，通過改進B-L法計算得到的窄餾分結構參數，隨餾程變重，芳環數自2-3環增長至5-6環；芳香碳取代率σ呈遞減趨勢，與表6氫譜解析的側鏈數減少一致；芳碳率隨餾程變重呈遞增趨勢，而總飽和碳率則相反；縮合度參數減小，所含芳烴的縮合度增加。

表8為核磁共振碳譜的解析結果，可以看出隨餾程變重，芳碳率呈遞增趨勢，且所含碳類型以質子化芳碳為主，飽和碳率則呈現遞減趨勢，進一步驗證了表7的結果。

表7 窄餾分核磁共振H譜結構參數Table 7 Structural parameters of narrow fractions derived by the improved B-L method based on the 1H-NMR results

表8 窄餾分中不同化學位移碳的含量Table 8 Fractions of carbon species (%) of different chemical shifts in each narrow fraction determined by 13C-NMR

2.4 GC × GC-TOF MS表征

為更好了解中間基屬油漿不同窄餾分的芳烴組成及含量，利用GC × GC-TOF MS對窄餾分的芳烴進行定性定量分析。由于設備的局限性，過高升溫會破壞色譜柱，故本研究僅選取380-400、400-420、420-440、440-460、460-480 ℃餾分進行檢測，結果見圖2。

圖2 抽出油窄餾分芳烴組成Figure 2 Aromatic composition of different narrow fractions determined by GC×GC-TOFMS.

FCC油漿抽出油的飽和烴含量極低，主要以芳烴為主。由圖2可知，中間基屬油漿中的芳烴主要以三、四、五環為主，幾乎不含單環芳烴和六環芳烴，且隨餾分變重，高芳環數烴占比增加。五環芳烴自400-420 ℃餾分開始出現，420-440 ℃之后餾分出現明顯的遞增趨勢，這也可以解釋為何各物性指標從420-440 ℃餾分出現較大變化幅度，主要是五環芳烴含量發生較大變化的緣故。380-440 ℃餾分(尤其是420-440 ℃餾分)中，主要以三、四環芳烴為主，其他環數芳烴占比極低，有學者提出[14]，短側鏈三、四環芳烴是生產針狀焦的優質原料，故此餾分經預處理后，可用作優質針狀焦的生產。

圖3為窄餾分中雜原子化合物的分布情況。由圖3可知，FCC油漿中的雜原子化合物主要以含硫和含氧化合物為主。隨餾分變重，含硫化合物呈遞減趨勢，而含氧化合物則在420-440 ℃達到最大值，含氧化合物的分布與原油中氧化物的分布規律[15]有所不同，原因及組成有待于后續進一步研究。相較于含硫、含氧化合物，氮化物的含量較低。

圖3 抽出油窄餾分雜原子化合物分布Figure 3 Distribution of heteroatomic compounds in various narrow fractions

3 結 論

中間基屬FCC油漿抽出油的餾程分布主要在380-500 ℃，隨沸點升高，窄餾分的密度、殘炭以及運動黏度均呈遞增趨勢，且在420-440 ℃餾分后變化尤為明顯，主要是芳烴的種類及組成發生了明顯變化所致。

隨沸點升高，窄餾分分子量顯著增加且氫碳原子比呈遞減趨勢，芳碳上的氫呈遞增趨勢，而α氫、β氫和γ氫呈現明顯的遞減趨勢，說明芳環的縮合度增加，側鏈數變少，且鏈長變短。

改進的B-L法和GC × GC-TOF MS分析結果表明，不同窄餾分中芳烴的類型和含量相差較大，420-440 ℃之前餾分中以三、四環芳烴為主，400-420 ℃餾分中開始出現五環芳烴，且隨餾分變重五環芳烴含量急劇增加，導致各物性指標從420-440 ℃餾分開始出現較大的變化幅度。抽出油窄餾分中雜原子化合物主要是硫化物和氧化物，氮化物含量極低。