Hydrodesulfurierung

Hydrodesulfurierung (kurz: "HDS"), ist die Entschwefelung von Mineralölprodukten durch Hydrierung (Reaktion der Schwefelverbindungen mit Wasserstoff). Das Verfahren hat erhebliche Bedeutung in der Mineralölindustrie. Es werden Komponenten für die Herstellung von Gasölen (Dieselkraftstoff, Heizöl EL) hydriert, es werden aber auch Zwischenprodukte (Naphtha) für die Weiterverarbeitung (Katalytisches Reforming, Isomerisierung) behandelt, um empfindliche Katalysatoren vor Schwefelkontamination zu schützen. Während dieses Prozesses werden neben Schwefelverbindungen auch Olefine, Stickstoff- und Sauerstoffverbindungen hydriert.

Anwendung

Reaktionsschema der Entschwefelung an einem Molybdän-Katalysator

Durch die strengen Umweltschutzauflagen bestehen heutzutage fast alle wichtigen mineralischen Brenn- und Kraftstoffe aus hydrierten Komponenten.

Die Motorenbenzinspezifikation von 10 mg/kg Schwefel kann durch Hydrierung sämtlicher Komponenten erzielt werden. Dieser niedrige Wert ist erforderlich, um den schwefelempfindlichen platindotierten Fahrzeugkatalysator zu schützen.

Ein erheblicher Anteil des Kerosins wird hydriert. Dies geschieht jedoch nicht, um den Schwefel zu entfernen (Jet A1 darf einen Schwefelgehalt von 3000 mg/kg aufweisen), sondern, um andere schädliche Verbindungen (Naphthensäuren, gemessen über die sogenannte Total Acid Number=TAN), zu hydrieren.

Die Herstellung von Dieselkraftstoff mit 10 mg/kg Schwefel erfordert eine Hydrierung sämtlicher Komponenten (Kerosin, Gasöle). Im Motor verbrennt der Schwefelanteil zu SO₂, bzw. SO₃. Feinste SO₃-Tröpfchen stellen Kondensationskeime für Kohlenstoffpartikel dar, hohe Schwefelkonzentrationen führen somit zu verstärkter Rußbildung.

Heizöl EL wird in Kürze einen Schwefelgehalt < 50 mg/kg aufweisen und somit ebenfalls nur noch aus hydrierten Komponenten bestehen.

In einigen Raffinerien mit einer Cat-Cracker-Anlage (FCC) wird das Vakuumgasöl hydriert, um den Schwefelgehalt der FCC-Fertigprodukte zu reduzieren.

Bei der Herstellung medizinischer Weißöle und von Vaseline aus Grundölen der Erdölverarbeitung kommt die Hydrodesulfurierung zur industriellen Anwendung.

Prozess

Als Einsatzprodukte können im Verfahren je nach Anforderung wahlweise Naphtha, Kerosin und Gasöle verschiedener Herkunft eingesetzt werden. Als Katalysatoren dienen Nickel-Molybdän oder Kobalt-Molybdän-Katalysatoren. Das flüssige Einsatzprodukt wird (zusammen mit wasserstoffreichem Gas) mittels Wärmetauscher vorgewärmt, in einem Ofen auf die nötige Reaktionstemperatur von ca. 320 bis 360 °C gebracht und anschließend in den Reaktor geführt. Der Feed ist am Reaktoreintritt dann - je nach Bedingungen - gasförmig (Naphtha, Kerosin) oder befindet sich im 2-Phasenzustand (gasförmig/flüssig, z.B. Gasöle). Unter Drücken von 20 bis 80 bar, abhängig von der Auslegung der Anlage und dem spezifischen Einsatzprodukt, reagiert das Gemisch am Katalysator (befindet sich das Feed in einem 2-Phasenzustand, so bezeichnet man das System Katalysator-gasförmige Kohlenwasserstoffe -flüssige Kohlenwasserstoffe als trickle phase System). Die am Katalysator ablaufende Hydrierungsreaktion (siehe Bild) führt letztendlich zu H₂S und dem hydrierten Kohlenwasserstoffrest. Im Reaktoraustritt befindet sich das schwefelreduzierte Produkt, unverbrauchter Wasserstoff sowie geringe Mengen durch Cracken entstandene leichte Kohlenwasserstoffe (C1-C4), und Schwefelwasserstoff.

In einer ersten Stufe wird das Gemisch abgekühlt und ein wasserstoffreiches Gas im Kreislauf zurück zum Einsatz geführt (sogenanntes Recyclegas). Manchmal befindet sich im Recycle eine (Hochdruck-)Aminwäsche um das H₂S aus dem Recyclestrom zu entfernen (Erhöhung des Wasserstoffpartialdruckes). In einem nächsten Schritt wird das Produktgemisch zur Entfernung des H₂S sowie der leichten Bestandteile gestrippt. Das abgestrippte Gas (H₂S,C1-C4) wird in einer sogenannten Aminwäsche von H₂S befreit und als Raffineriebrenngas benutzt. Das am Amin gebundene H₂S wird in einem Regenerator ("Strippkolonne" für Aminlösung) aus der Lösung wieder freigesetzt und zur sogenannten Claus-Anlage gefahren. Dort erfolgt die Umsetzung zu reinem Schwefel. Der Schwefel aus Entschwefelungsanlagen trägt mittlerweile erheblich zur weltweiten Schwefelgewinnung bei. Als Fertigprodukt der HDS-Anlage entsteht schwefelarmes Naphtha, Kerosin, Gasöl oder Vakuumgasöl.

Begriffe

Andere Bezeichnungen für diesen Prozess sind Hydrofinishing, Hydrofining, Hydrotreating.

Sonstiges

Sulfide und Thiole lassen sich leicht aus Rohölen entfernen, polycyclische aromatische Schwefel-Heterocyclen (PASH) dagegen schwer. Der größten Anteil an den PASHs haben Dibenzothiophen und Alkyldibenzothiophene.

Wenn es ein Verfahren gäbe, mit dem man Schweröl ("HFO") entschwefeln könnte, dann könnte man den Einbau großer Rauchgasentschwefelungsanlagen auf Hochseeschiffen vermeiden. Ein Unternehmen namens Alternative Petroleum Technologies (APT) soll ein solches Verfahren entwickelt haben.

Literatur

• Hydrodesulfurization and Hydrodenitrogenation (Gebundene Ausgabe) von Toshiaki Kabe, Atsushi Ishihara, Weihua Qian, Verlag Wiley-VCH (2000), ISBN 978-3-527-30116-4.

Weblinks

• Oil & Gas Journal: Study outlines optimum ULSD hydrotreater design, Publikation vom 28. Juli 2003 (PDF-Datei; 419 kB)
• Encyclopedia of Chemical Processing, von Sunggyu Lee, Lee Lee (als Google-Book)
• The Desulfurization of Heavy Oils and Residua, von J. G. Speigh (als Google-Book)
• umweltdatenbank.de: Entschwefelung