低壓加氫噴氣燃料中殘留氮化物的類型及其對噴氣燃料色度的影響

侯 柯，沈本賢，孫 輝，趙基鋼

(華東理工大學 石油加工所，上海 200237)

噴氣燃料生產的精制問題一直受到人們關注，也是不同工藝生產高品質噴氣燃料必須解決的問題。噴氣燃料中氮的質量分數一般控制在不超過0.001%，雖然氮含量不高，卻對油品的儲存安定性影響很大[1-5]。氮雜環(huán)化合物可分為堿性氮化物(含吡啶環(huán)結構)和非堿性氮化物(含吡咯環(huán)結構)[6-8]。

通過加氫精制可以脫除噴氣燃料中的硫氮等雜原子化合物，實現對噴氣燃料的精制[9-11]。噴氣燃料加氫精制技術按照氫壓大致可分為高壓(≮14 MPa)、中壓(≤12 MPa)和低壓(≤4 MPa)加氫精制[12]。增加氫分壓對加氫脫硫和加氫脫氮反應都有促進作用，但由于加氫脫氮反應需要先進行氮雜環(huán)的加氫飽和，所以壓力對提高加氫脫氮反應速率的影響遠大于脫硫，但氫壓升高會增加工業(yè)裝置的公用工程消耗及操作成本[13]。噴氣燃料高壓加氫精制能使原料中的硫、氮、氧等非烴化合物得到充分的氫解和脫除，具有處理原料范圍廣、液體收率高、產品質量好且穩(wěn)定等優(yōu)點。但由于部分煉油企業(yè)受設備工藝條件的限制，現在仍采用噴氣燃料低壓加氫精制技術，存在如何穩(wěn)定控制色度合格的問題。趙升紅等[4]和陳立波等[14]已對導致噴氣燃料儲存中顏色變深的酚類多聚體及其它復雜的大分子含氧化合物進行了研究。此外，經低壓加氫后不穩(wěn)定的硫醇等硫化物被加氫脫除，剩余的硫化物相對穩(wěn)定，基本上不會引起顏色的變化，因此，筆者將進一步研究噴氣燃料的色度與氮化物的關系。有關報道涉及了對重油、汽油、柴油中氮化物進行的分離分析[15-22]，但鮮見關于噴氣燃料低壓加氫精制殘留氮化物的分離及鑒別方面的報道。筆者采用酸萃取方法對低壓加氫噴氣燃料中的氮化物進行分離；同時采用酸性白土動態(tài)吸附對低壓加氫噴氣燃料開展進一步補充精制，將吸附后酸性白土通過索氏抽提富集雜質吸附物，將得到的低壓加氫噴氣燃料氮萃取物和白土吸附物進行對比分析；考察了吡啶、喹啉、苯胺、異喹啉、酰胺等化合物對精制噴氣燃料色度的影響規(guī)律，為揭示低壓加氫精制噴氣燃料如何進一步穩(wěn)定控制色度合格提供依據。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

實驗用噴氣燃料樣品取自中國石化某公司低壓加氫后白土補充精制前的噴氣燃料，基本性質列于表1；酸性白土取自浙江安吉中新活性白土有限公司，基本性質見表2；冰醋酸、高氯酸、鹽酸、氫氧化鈉、甲苯、正戊烷和二氯甲烷，均為分析純，上海國藥集團化學試劑有限公司產品；甲基紫(生物染色)；苯胺、吡啶、喹啉、異喹啉和丙烯酰胺，均為優(yōu)級純，國藥集團化學試劑有限公司產品。

表1 低壓加氫后白土補充精制前噴氣燃料的基本性質Table 1 Basic properties of aviation kerosene by low pressure hydrogenation before clay supplemental adsorption refining

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

1.2 堿性氮的測定

噴氣燃料中堿性氮含量的測定方法參照SH/T 0162-1992。因為苯對人體的毒性較大，故將溶劑苯-冰乙酸混合液(體積比1/1)替換為甲苯-冰乙酸混合液(體積比1/1)[23]。

1.3 氮化物的濃縮分離

為了考察氮化物對噴氣燃料色度的影響，首先采用酸堿萃取方法對白土精制前的低壓加氫噴氣燃料中氮化物進行萃取濃縮并進行分析。在劑/油體積比為1/10的基礎上，萃取劑分別選用3%、5%和10%(體積分數)的HCl溶液。選定3%HCl溶液作為萃取劑，考察不同劑/油體積比1/10、1/30和1/50 下的萃取分離效果。

萃取分離方法：取油樣600 mL于1000 mL分液漏斗中，按一定的劑/油體積比加入萃取劑，振蕩5 min，靜置分層10 min后，分出酸液，再萃取一次，合并水相，油相用去離子水洗至中性，干燥后分析其堿氮含量和總氮含量。酸液用正戊烷按酸液與正戊烷體積比為2/1萃取，將酸液中帶出的油抽出，再將酸液用NaOH中和至中性或弱堿性，用二氯甲烷按酸液/二氯甲烷體積比為2/1萃取2次，將堿性氮化物從水相中抽出。合并2次萃取的二氯甲烷溶液，用蒸餾水洗去鹽分，除去二氯甲烷溶劑后得到氮化物濃縮物，分別采用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)和氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)分析含氮濃縮物。

1.4 白土動態(tài)吸附實驗

噴氣燃料經低壓加氫精制后，通過酸性白土補充精制能夠達到進一步脫除雜質化合物，特別是氮化物的目的，保證噴氣燃料產品的色度合格。以酸性白土為吸附劑對低壓加氫噴氣燃料進行動態(tài)吸附實驗，低壓加氫噴氣燃料自上至下進料。實驗條件為：吸附塔器高/徑比3.53，空速15 h-1，溫度40℃，吸附劑裝填量12.5 g，裝填密度0.85 g/cm3。經分析，低壓加氫后白土補充精制前噴氣燃料中堿性氮和總氮質量分數分別為2.7 μg/g 和7.5 μg/g。

通過比較酸性白土精制前后低壓加氫噴氣燃料的色度變化，考察白土對低壓加氫噴氣燃料的補充精制效果和氮含量對噴氣燃料色度的影響。將白土補充精制前后的噴氣燃料同時放置在密閉的環(huán)境中，用賽氏比色儀每隔一定時間測一次色度，觀察其色度的衰減情況。

1.5 索氏抽提實驗

對噴氣燃料動態(tài)吸附后的酸性白土進行索氏萃取方法分離吸附物。稱取40 g左右經固定床吸附后的酸性白土，于80℃油浴中，用300 mL二氯甲烷對白土中吸附物進行索氏抽提，將二氯甲烷抽提液中溶劑蒸除后，FT-IR和GC-MS分析白土中吸附質。

1.6 模型化合物對噴氣燃料色度的影響實驗

向800 mL白土精制后的噴氣燃料中分別加入得到的苯胺、吡啶、喹啉、異喹啉和丙烯酰胺等噴氣燃料中的主要含氮化合物，保持各化合物的濃度為0.1 mol/L。在相同條件下，用賽氏比色儀每隔一定時間測一次色度，觀察不同物質對噴氣燃料色度的衰減情況。

1.7 分析方法

采用美國Thermol Nicolet公司生產的NICOLET 6700傅里葉紅外光譜儀對樣品進行紅外表征(液膜透視法)。測試分辨率為4 cm-1，掃描次數為64次，掃描范圍為400～4000 cm-1。

酸萃取過程中使用硫氮分析儀測定樣品總氮值，硫氮分析儀的條件：標準曲線中氮質量濃度設定為0～10 mg/L，硫質量濃度設定為500～1000 mg/L；裂解爐溫度1080℃；進樣量5 μL；高純氧壓力和氦氣壓力設定為0.4 MPa；硫偏壓620 V，氮偏壓800 V。

采用Koehler K13009賽氏比色儀測定噴氣燃料的色度，參照標準GB/T 3555—1992。

氣-質聯用分析條件為：HP6890氣相色譜，毛細管色譜柱HP6890MS 30 m×0.25 mm×0.25 μm；進樣口溫度280℃；分流比1/80；流速0.6 mL/min；程序升溫，初始溫度60℃保持2 min，以3 ℃/min升溫至280℃，保持10 min；Agilent Technologies 5973型四極桿質譜儀條件：電離方式EI，電子能量70 eV；燈絲電流300 μA；離子源溫度230℃；質量掃描范圍(m/z)33～480；掃描速率0.5次/s。

2 結果與討論

2.1 低壓加氫噴氣燃料殘留氮化物的濃縮與分離

直餾噴氣燃料餾分經低壓加氫精制可以達到脫除雜質化合物的目的，但由于加氫脫氮反應需要先進行氮雜環(huán)的加氫飽和，所以氫壓較低時氮化物不能得到有效的脫除。低壓加氫噴氣燃料的氮化物與噴氣燃料的色度有著直接的關系，因此有必要對低壓加氫噴氣燃料中的氮化物進行分離和鑒定。低壓加氫噴氣燃料中殘留的氮化物含量甚低，難以直接進行分析，因此實驗首先采用0.05～1.0 mol/L的鹽酸溶液對其進行酸萃取濃縮[24]。式(1)和式(2)分別為吡啶和伯胺類氮化物被萃取的原理，同理可推其他堿性氮化物。

(1)

(2)

在劑/油體積比為1/10的條件下，考察HCl濃度對萃取效率的影響，結果如表3所示。可以看出，3%、5%、10%的HCl對低壓加氫噴氣燃料中殘留氮化物均具有較好的萃取脫除效果，低壓加氫噴氣燃料中的總氮質量分數從11.33 μg/g降至1.2 μg/g左右，萃取率均在90%左右；堿氮質量分數從3.36 μg/g 降至0.15 μg/g以下，萃取率均高于95%。

表3 不同濃度HCl萃取劑對低壓加氫噴氣燃料(LPHJF)中殘留總氮和堿氮的脫除效果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作為萃取劑的基礎上，進一步考察了劑/油體積比對低壓加氫噴氣燃料中殘留氮化物萃取效果的影響，結果如表4所示?？梢钥闯觯攧?油體積比由1/50增大到1/10時，總氮的萃取率由75%增加至89.3%，堿氮的萃取率由70.2%增加到95.8%；進一步增大劑/油體積比對萃取率的提高效果有限，且劑/油體積比的增大會同時增加萃取的含氮濃縮物中芳烴及酚類化合物含量，應盡可能減少萃取劑的使用量，故實驗選用劑/油體積比為1/10。

表4 不同劑/油體積比下低壓加氫噴氣燃料中殘留總氮和堿氮的脫除率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

綜上所述，實驗最終選用3%HCl作為酸萃取劑，以劑/油體積比為1/10對低壓加氫噴氣燃料中殘留的氮化物進行萃取濃縮。

低壓加氫噴氣燃料中殘留氮化物經萃取濃縮前后樣品的紅外譜圖如圖1所示。可以看出，濃縮后樣品紅外譜圖中3300 cm-1左右的寬峰為締合O—H的強吸收峰，1690 cm-1左右的中強峰為C=O振動吸收峰，1320和1270 cm-1左右的小峰為C—N振動吸收峰，1510 cm-1和1600 cm-12個中強吸收峰為芳環(huán)的骨架振動和彎曲振動峰，1030、1120和1170 cm-1左右的小峰為—C—O伸縮振動峰。

低壓加氫噴氣燃料濃縮氮化物氣-質聯用分析的總離子流如圖2所示?？梢钥闯觯龇鍟r間集中在15～35 min和45～55 min，強度較強的幾個氮化物峰按出峰先后順序依次為吡啶、苯胺、喹啉和酰胺化物。

圖1 低壓加氫噴氣燃料中殘留氮化物濃縮前后的紅外譜圖Fig.1 Infrared spectra of the concentrated residual nitrogen and LPHJF(1) LPHJF; (2) Residual nitrogen concentrates of LPHJF

圖2 低壓加氫噴氣燃料酸萃取物的總離子流圖Fig.2 Total ion chromatogram of acid extract from LPHJFThe numbers of 1-46 are ion peak number

表5列出了低壓加氫噴氣燃料中殘留氮濃縮物中氮化物的氣-質聯用分析結果。從表5可以看出，在所鑒別的堿性氮化物中，喹啉類的相對含量占24.04%，吡啶類占28.57%，苯胺類占27.61%，異喹啉占6.32%；非堿性氮化物中吡咯類占2.34%，酰胺類占7.14%；其中C1代表1個甲基，C2代表2個甲基或1個乙基，C3代表3個甲基或1個甲基和1個乙基或1個丙基，C4、C5以此類推。

表5 低壓加氫噴氣燃料中殘留氮濃縮物中氮化物的氣-質聯用分析結果Table 5 GC-MS results of nitrogen compounds in the concentrated residual nitrogen from LPHJF

2.2 低壓加氫噴氣燃料白土補充精制結果

工業(yè)上直餾噴氣燃料餾分經低壓加氫精制后賽比色度值平均從+19提高至+26(噴氣燃料產品的色度值要求+30)，而且低壓加氫后噴氣燃料的色度隨著原料性質的變化而呈現一定的波動性，因此白土補充精制起到進一步提高和穩(wěn)定產品色度的作用。對比考察酸性白土對低壓加氫噴氣燃料補充精制效果。

白土補充精制后噴氣燃料的總氮質量分數從7.5 μg/g降至3.45 μg/g，堿氮質量分數從2.7 μg/g降至0.7 μg/g。白土吸附前氮含量較高時，噴氣燃料顏色偏黃，其賽比色度為+24；而白土精制后噴氣燃料中氮含量較低時，噴氣燃料顏色呈水白色，其賽比色度為+30。不同氮含量的噴氣燃料色度衰減實驗結果如圖3所示?？梢钥闯?，精制前噴氣燃料氮含量較高時，在100 d的考察期間，其賽比色度從+24衰減到+20，衰減程度較大；精制后噴氣燃料氮含量較低時，其賽比色度100 d內只從+30衰減到+29，衰減緩慢。這表明噴氣燃料中氮含量較高時，噴氣燃料的色度較差，同時還會加劇噴氣燃料色度的衰減。通過酸性白土對低壓加氫噴氣燃料的補充精制能夠達到進一步脫除雜質化合物特別是氮化物的目的，保證噴氣燃料產品的色度合格。

圖3 白土精制前后噴氣燃料色度的衰減對比Fig.3 Comparison of the chroma reduction of LPHJF

2.3 低壓加氫噴氣燃料中酸性白土捕集吸附物分析

為了進一步明晰導致低壓加氫噴氣燃料變色的氮化物類型，實驗還對酸性白土上的吸附物進行萃取分離，并進行紅外光譜和質譜分析。圖4為酸性白土上吸附物的紅外譜圖?？梢钥闯觯撐轿锏姆治鼋Y果與酸萃取濃縮物的分析結果相一致。譜圖中存在3100～3700 cm-1范圍的締合O—H寬吸收峰，1610 cm-1的強吸收峰為C=O振動吸收峰，1510 cm-1和1600 cm-1左右的中強峰和818 cm-1左右的小峰為芳環(huán)的骨架振動峰和彎曲振動峰，1270和1320 cm-1處的小峰為C—N的伸縮振動峰，1120、1160和1230 cm-1左右的小峰為C—O伸縮振動峰。吸附物氣-質聯用分析的總離子流圖如圖5所示?？梢钥闯?，含量較高的氮化物組分按出峰先后順序依次為苯胺、喹啉、烴類和吡啶。

圖4 低壓加氫噴氣燃料被酸性白土捕集的吸附物的紅外譜圖Fig.4 Infrared spectra of adsorbate on the acid clay for LPHJF

圖5 低壓加氫噴氣燃料被酸性白土捕集的吸附物氣-質聯用分析總離子譜圖Fig.5 Total ion chromatogram of adsorbate on the acid clay for LPHJFThe numbers of 1-65 are ion peak number

表6中列出了氣-質聯用分析中氮化物的分析結果?？梢钥闯?，堿性氮化物中喹啉類的相對含量占26.15%，吡啶類占27.80%，苯胺類占28.29%，異喹啉占10.53%；非堿性氮化物中酰胺類占4.60%。

表6 低壓加氫噴氣燃料被酸性白土捕集的吸附物中氮化物的氣-質聯用分析結果Table 6 GC-MS results of nitrogen compounds in adsorbates on the acid clay for LPHJF

通過對比分析未精制噴氣燃料酸萃取濃縮物與酸性白土吸附物中氮化物的組成和相對含量可以得出，氮化物中，吡啶、喹啉、苯胺、酰胺、異喹啉等可能是導致噴氣燃料變色的主要雜質組分。

2.4 影響低壓加氫噴氣燃料色度的原因分析

低壓加氫噴氣燃料白土補充精制前后的紅外譜圖如圖6所示。可以看出，補充精制后的噴氣燃料在1320 cm-1和1270 cm-1左右的C—N振動吸收峰的面積小于補充精制前的，這說明白土起到了進一步吸附低壓加氫噴氣燃料中氮化物的作用。低壓加氫噴氣燃料殘留氮濃縮物及白土吸附物中氮化物的類型及相對含量對比如表7所示。由表7可見，苯胺、喹啉、吡啶、異喹啉和酰胺的含量占檢測到的氮化物總含量的95%左右，且2種樣品中各類型氮化物的相對含量基本相同。進一步說明，氮化物中苯胺、吡啶和喹啉是導致低壓加氫噴氣燃料變色的重要原因。

圖6 低壓加氫噴氣燃料白土補充精制前后的紅外譜圖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，具有穩(wěn)定結構的烴類物質不易產生色度變化，而含有不飽和鍵、帶有孤對電子的雜原子等有機物質往往易導致色度的變化，此類化合物首先通過自由基自氧化形成氫過氧化物，其次與極性或中性化合物反應以形成低聚物或聚合物，與氫過氧化物反應的化合物的類型決定縮合產物是否著色，若為含S和N雜原子的極性化合物，它們可以形成有色體，產生顏色[25]。低壓加氫后噴氣燃料中硫醇含量接近于零，因此可不考慮硫醇對低壓加氫噴氣燃料色度的影響，而氮化物因為含有1對孤對電子，具有產生顏色的條件，理論上成為低壓加氫噴氣燃料餾分中最重要的不安定因素和顏色形成的來源[26]。

根據前文得到的低壓加氫噴氣燃料中氮化物以及酸性白土吸附物的基本組成分析結果，并結合已有的相關研究結果，苯胺、吡啶、喹啉、異喹啉、酰胺均有可能導致低壓加氫噴氣燃料變色。筆者通過將一定量苯胺、吡啶、喹啉、異喹啉、丙烯酰胺分別加入到白土補充精制后的噴氣燃料中，分別考察上述主要氮化物對精制后合格噴氣燃料色度衰減的影響，結果示于圖7。從圖7可以看出，加入喹啉后，精制噴氣燃料的色度在63 d內從+30降至+18，在22d時降到色度最低值+18后保持不變；吡啶和苯胺都使精制噴氣燃料的色度在63 d內從+30 降至+21，在36 d時色度降至最低值+21后保持不變，但在36 d之前，吡啶較之苯胺導致精制噴氣燃料色度下降的速度更快；丙烯酰胺和異喹啉對精制噴氣燃料色度的影響最小，在63 d內，精制噴氣燃料色度僅從+30降至+27，且很快達到穩(wěn)定。綜上分析，氮化物中喹啉對低壓加氫噴氣燃料色度的影響最大，吡啶和苯胺次之，異喹啉和丙烯酰胺影響最小。因此，氮化物中喹啉、吡啶、苯胺、異喹啉等是導致低壓加氫噴氣燃料變色的主要原因。

低壓加氫噴氣燃料中易被氧化的組分如芳烴系被氧化后與含氮化物縮合可形成燃料可溶性低聚物，燃料可溶性低聚物與有機酸結合最終形成有色物質。當該物質在使噴氣燃料色度值降到最低后，即使形成的沉積物增加，色度也不會繼續(xù)降低，這表明如果液體中的顯色體達到飽和，噴氣燃料顏色將不再變深，并且顏色與沉積物之間不呈現正相關的關系。

圖7 不同氮化物對精制噴氣燃料色度衰減的影響Fig.7 Effect of various compounds on the chroma reduction of refined aviation kerosene

吡啶較為穩(wěn)定，不易被氧化，但烷基吡啶的側鏈容易被氧化成相應的吡啶甲酸，其反應式如式(3)所示。此外，甲基吡啶的側鏈烷基的活潑性類似于硝基甲苯中的甲基，尤其是α-及γ-甲基中的氫原子，可以進行一系列縮合反應，如式(4)和式(5)所示。喹啉是由苯環(huán)與吡啶環(huán)相稠和而成，也成為苯并吡啶，具有芳香性，氧化過程與烷基吡啶相似，如式(6)所示。脂肪族胺類常溫下比較穩(wěn)定，芳香族胺類則較易氧化，尤其是芳香族的伯胺及仲胺對氧化特別敏感，暴露在空氣中往往顏色變深，氧化過程很復雜，產物也難于分離，如式(7)所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

3 結 論

(1)選用 3%HCl 為萃取劑，劑/油體積比為1/10 時，萃取分離低壓加氫噴氣燃料中的氮化物效果較好。

(2)紅外和氣-質聯用分析結果表明，低壓加氫精制噴氣燃料酸萃取濃縮物中的氮化物主要是喹啉類、吡啶類、苯胺類、異喹啉類和酰胺類化合物；白土吸附物中所含氮化物的種類及相對含量與酸萃取濃縮物相一致。

(3)低壓加氫噴氣燃料中殘留氮化物會誘使噴氣燃料色度不達標，酸性白土對低壓加氫噴氣燃料的補充精制能夠達到進一步脫除雜質化合物、特別是氮化物的目的，保證噴氣燃料產品的色度合格。

(4)低壓加氫噴氣燃料中殘留氮化物對低壓加氫噴氣燃料色度的影響大小順序為：喹啉>吡啶>苯胺>異喹啉和酰胺。

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