Способ приготовления катализатора и процесс полимеризации этилена и сополимеризации этилена с альфа-олефинами с использованием этого катализатора

Способ приготовления катализатора и процесс полимеризации этилена и сополимеризации этилена с альфа-олефинами с использованием этого катализатора

Реферат

Изобретение относится к способу приготовления катализаторов полимеризации этилена и сополимеризации этилена с α -олефинами, более конкретно к нанесенным катализаторам циглеровского типа, содержащим в своем составе соединение переходного металла на магнийсодержащем носителе.

Известны различные способы приготовления нанесенных катализаторов циглеровского типа. При этом только некоторые из этих способов позволяют регулировать морфологию частиц носителя и соответственно катализатора (размер, форму и плотность частиц, распределение частиц по размерам). В случае суспензионной и газофазной полимеризации морфология частиц катализатора определяет морфологию образующегося на них частиц полимера. Получение порошка полимера с определенным средним размером частиц, узким распределением частиц по размерам и повышенной насыпной плотностью является важным условием для технологии процесса полимеризации. Для этого необходимо получать катализаторы, обладающие узким распределением частиц по размеру, необходимым средним размером частиц и улучшенной морфологией. При этом для различных технологий полимеризации и различных областей применения полимеров требуются катализаторы с различным средним размером частиц.

Катализаторы с размером частиц 5-25 мкм используют в случае суспензионной полимеризации этилена. Катализаторы с размером частиц 20-50 мкм используют для газофазной полимеризации.

Катализатор с узким распределением частиц по размеру, содержащий в качестве носителя хлорид магния, может быть получен взаимодействием раствора соединения MgCl₂·3i-C₈H₁₇OH в углеводном разбавителе с TiCl₄ в присутствии электронно-донорного соединения (этилбензоат, этиланизат и другие) [Заявка Японии №59-53511, B 01 J 1/32, 1986]. Катализатор, полученный таким способом, характеризуется размером частиц 5-15 мкм, обладает достаточно высокой активностью (до 35 кг/г ПЭ г Ti ч атм С₃Н₄) и позволяет получать порошок полиэтилена с узкой гранулометрией и высокой насыпной плотностью. Недостатком такого способа получения катализатора является применение низких температур (до -20° С), использование в качестве реакционной среды больших количеств жидкого TiCl₄, выделение при синтезе катализатора значительного количества хлористого водорода. Кроме того, этим способом не удается получить катализаторы с размером частиц более 15 мкм.

Известен способ приготовления катализатора взаимодействием магний-алюминий-алкильного соединения состава RMgR‘· nАlR₃“· mD с хлоруглеводородом и последующим взаимодействием полученного твердого продукта (носителя) с галогенидом титана или ванадия [Заявка ФРГ №3626060, B 01 J 31/32, 1987]. При этом в качестве магнийорганического соединения RMgR‘ используют (n-Bu)Mg(i-Bu) или (n-Bu)Mg(Oct), растворимые в углеводородах, а в качестве хлоруглеводорода предпочтительно использовать tret-BuCl. Основным недостатком катализаторов, приготовленных этим способом, является их недостаточно высокая активность.

Известен способ получения нанесенного катализатора для полимеризации этилена и сополимеризации этилена с альфа-олефинами, содержащий соединение переходного металла (TiCl₄, VОСl₃, VCL₄) на носителе состава MgCl₂·mR₂O, путем нанесения соединения переходного металла на носитель [Пат. РФ № 2064836, B 01 J 31/38, 10.08.96]. При этом носитель получают взаимодействием магнийорганического соединения (МОС) состава Mg(C₆H₅)₂·nMgCl₂·mR₂O, где n=0.37-0.7, m=2, R₂O простой эфир с R=i-Am, n-Bu, с четыреххлористым углеродом. Катализатор, приготовленный этим способом, позволяет получать полимеры с узким регулируемым распределением частиц по размеру и повышенной насыпной плотностью при сохранении высокой активности в процессах суспензионной и газофазной полимеризации этилена и сополимеризации этилена с α -олефинами.

Основным недостатком этого способа является использование в качестве хлорирующего агента четыреххлористого углерода: реакция четыреххлористого углерода с магнийорганическим соединением протекает очень интенсивно, с большим выделением тепла и трудно контролируется, особенно при приготовлении катализатора в больших количествах.

Изобретение решает задачу разработки способа получения катализатора для полимеризации этилена и сополимеризации этилена с α -олефинами, позволяющего получать полимеры с узким регулируемым распределением частиц по размеру и повышенной насыпной плотностью при сохранении высокой активности в процессах суспензионной и газофазной полимеризации этилена и сополимеризации этилена с α -олефинами, но без использования на стадии синтеза носителя четыреххлористого углерода.

Задача решается тем, что для получения магнийсодержащего носителя для катализатора в качестве хлорирующего агента для магнийорганического соединения (МОС) состава Mg(С₆H₅)₂·nMgCl₂·mR₂O, где С₆Н₅ - фенил, n=0.37-0.7, m=2, R₂O - простой эфир с R=i-Am, n-Вu, используют фенилтрихлорметан С₆Н₅ССl₃. Взаимодействие магнийорганического соединения с фенилтрихлорметаном С₆Н₅ССl₃ можно проводить при мольном отношении C₆H₅CCl₃/Mg≥ 1.0 и температуре 5-80° С.

Таким образом, основным отличительным признаком предлагаемого способа является использование вместо четыреххлористого углерода для хлорирования магнийорганического соединения МОС состава Mg(C₆H₅)₂·nMgCl₂·mR₂О фенилтрихлорметана С₆Н₅ССl₃.

Носитель, получаемый этим методом, имеет узкое распределение частиц по размеру в области от 5 до 50 мкм. Требуемый размер частиц носителя и соответственно катализатора в этой области определяются условиями проведения процесса взаимодействия МОС с С₆Н₅ССl₃. Получаемый магнийсодержащий носитель включает в свой состав, преимущественно, мас.%: дихлорид магния 70-80, простой эфир 7-15, а также углеводородные продукты сложного состава в количестве 10-15. Катализатор получают последующей обработкой носителя раствором тетрахлорида титана (TiCl₄) или хлорида ванадия (VCl₄, VОСl₃) в углеводородном растворителе.

Предлагаемый способ обеспечивает получение высокоактивных катализаторов с различным средним размером частиц и с узким распределением частиц по размеру для различных областей применения. Например, согласно изобретению можно получить катализаторы с размером частиц в области от 5 до 40 мкм для суспензионной полимеризации этилена.

Задача решается также процессом полимеризации этилена и сополимеризации этилена с альфа-олефинами в присутствии катализатора, содержащего в своем составе соединение переходного металла на магнийсодержащем носителе, характеризующимся тем, что используют катализатор, приготовленный описанным выше способом.

При полимеризации этилена на этом катализаторе образуется полиэтилен с высокой насыпной плотностью (более 0.3 г/см³) и узким распределением частиц по размеру. При использовании в качестве активного компонента для этих катализаторов хлорида титана образуется полиэтилен с узким молекулярно-массовым распределением, а при использовании хлоридов ванадия образуется полиэтилен с широким молекулярно-массовым распределением. Активность полученных катализаторов достигает 290 кг полиэтилена (ПЭ)/г Ti ч или 250 кг (ПЭ)/г V ч.

Катализаторы применяют для полимеризации этилена или сополимеризации этилена с α -олефинами в сочетании с сокатализатором - триалкилом алюминия, преимущественно триизобутилалюминием или триэтилалюминием. Полимеризацию проводят в режиме суспензии при температурах 50-100° С в среде углеводородного растворителя, например гексана, гептана или в газофазном режиме без углеводородного разбавителя при температуре 60-100° С и давлении 2-40 атм. В качестве регулятора молекулярной массы полимера используют водород в количестве 5-50 об.%. При сополимеризации этилена с а-олефинами используют пропилен, бутен-1, гексен-1, 4-метил-пентен-1 и другие высшие α -олефины.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

(А). Приготовление раствора магнийорганического соединения.

В стеклянный реактор объемом 1 л, оборудованный мешалкой и термостатирующим устройством, загружают 29.2 г порошкообразного магния (1.2 моль) в 450 мл хлорбензола (4.4 моль), 203 мл дибутилового эфира (1.2 моль) и активирующий агент, представляющий собой раствор 0.05 г йода в 3 мл хлористого бутила. Реакцию проводят в атмосфере инертного газа (азот, аргон) при температуре от 80 до 100° С в течение 10 ч. По окончании реакции полученную реакционную смесь отстаивают и отделяют жидкую фазу от осадка. Жидкая фаза представляет собой раствор в хлорбензоле магнийорганического соединения состава:

MgPh₂·0.49MgCl₂·2(С₄Н₉)₂O с концентрацией 1.0 моль Mg/л.

(Б). Синтез носителя.

200 мл полученного раствора (0.2 моль Mg) загружают в реактор с мешалкой и при температуре 8° С в течение 35 минут дозируют в реактор раствор 26 мл фенилтрихлорметана (С₆Н₅ССl₃) (0.32 моль) в 30 мл гептана (PhCCl₃/Mg=1.0 (мол.)).

Затем нагревают реакционную смесь до 60° С в течение 30 мин и выдерживают при этой температуре 1 ч. Удаляют маточный раствор и промывают образовавшийся осадок гептаном 4 раза по 250 мл при температуре 20° С. Получают 33 г порошкообразного магнийсодержащего носителя в виде суспензии в гептане.

(В). Приготовление катализатора.

К полученной суспензии магнийсодержащего носителя в 150 мл гептана приливают 22 мл TiCl₄ (TiCl₄/Mg=1), нагревают реакционную смесь до 60° С и выдерживают при перемешивании в течение 2 ч, затем твердый осадок отстаивают и промывают гептаном при температуре 60-70° С 3 раза по 200 мл. Получают нанесенный катализатор с содержанием титана 1.4 мас.%. Средний размер частиц катализатора составляет 7.4 мкм.

Полимеризацию этилена проводят в стальном реакторе объемом 0.7 л, оборудованном мешалкой и термостатирующей рубашкой. В качестве растворителя для полимеризации используют гептан (250 мл) и сокатализатор Аl(i-Вu)₃ с концентрацией 5 ммоль/л. Полимеризацию проводят при температуре 70° С, давлении этилена 4 атм в течение 2 ч. Результаты полимеризации приведены в таблице.

Для опыта используют 0.0083 г катализатора, получают 68 г полимера, активность катализатора 4.1 кг/г катализатора· час или 293 кг/г Ti ч. Насыпная плотность порошка ПЭ составляет 0.35 г/см³, а средний размер частиц ПЭ по данным ситового анализа составляет 150 мкм. Порошок ПЭ имеет узкое распределение частиц по размерам, которое характеризуется величиной SPAN=(d₉₀-d₁₀)/d₅₀, где d₉₀, d₁₀ и d₅₀ - размеры частиц ПЭ, соответствующие интегральному содержанию частиц в количестве 90, 50 и 10 мас.% соответственно. Величина SPAN для данного примера составляет 0.9.

Пример 2. Катализатор, полученный в условиях примера 1, используют в полимеризации этилена в условиях примера 1, но в присутствии водорода. Полимеризацию проводят при температуре 80° С, давлении этилена 4 атм, в качестве переносчика полимерной цепи используется водород при давлении 2 атм, время полимеризации 1 ч. Каталитические свойства приведены в таблице.

Пример 3. Синтез катализатора осуществляют аналогично примеру 1, за исключением того, что дозировку хлорирующего агента ведут при 60° С. После дозировки раствора С₆Н₅ССl₃ носитель выдерживают при температуре 60° С 1 ч и промывают 3 раза по 200 мл гептаном. После этого в реактор к суспензии носителя добавляют 204 мл раствора диэтилалюминий хлорида с концентрацией 1.6 моль/л при мольном отношении AlEt₂Cl/Mg=1.2 в течение 20 мин при комнатной температуре и затем выдерживают реакционную смесь 1 ч при 45° С. После этого носитель промывают 5 раз по 200 мл гептаном.

Катализатор получают обработкой суспензии носителя в гептане вместо тетрахлорида титана раствором тетрахлорида ванадия в четырехлористом углероде (52 мл с концентрацией ванадия 0.035 г/мл) при температуре 50° С в течение 1 ч и затем промывают 1 раз 200 мл гептана. Катализатор содержит 3.2 мас.% ванадия и имеет средний размер частиц 38 мкм. Полимеризацию этилена ведут в условиях примера 1, за исключением того, что температура полимеризации 90° С, давление этилена 9.5 атм, давление водорода 0.5 атм, время полимеризации 1 ч. Каталитические свойства приведены в таблице.

Пример 4. Катализатор, полученный в примере 1, используют в сополимеризации этилена с гексеном-1. Полимеризацию ведут при давлении этилена 3 атм, концентрации гексена 1-0.19 моль/л, при 70° С в течение 30 мин.

Получают сополимер, содержащий 1.2 мол.% гексена-1, с выходом 16 кг/г кат (активность катализатора 580 кг/г Ti ч).

Из представленных примеров видно, что использование для синтеза носителя фенилтрихлорметана для хлорирования магнийорганического соединения Mg(C₆H₅)₂·nMgCl₂·mR₂O позволяет получать высокоактивные катализаторы полимеризации этилена с узким распределением частиц по размеру, которое характеризуется величиной SPAN<0.9 и регулируемым средним размером частиц от 7 до 40 мкм.

Важным отличием синтеза носителя с использованием С₆Н₅ССl₃ от хлорирования магнийорганического соединения (МОС) четыреххлористым углеродом является менее интенсивный характер взаимодействия МОС с хлорирующими агентами с более низким тепловыделением и более медленным формированием частиц носителя, что позволяет легко контролировать и регулировать процесс синтеза катализатора.

1. Способ приготовления нанесенного катализатора для полимеризации этилена и сополимеризации этилена с альфа-олефинами, содержащего соединение титана или ванадия на магнийсодержащем носителе, который получают взаимодействием раствора магнийорганического соединения состава: Mg(C₆H₅)₂·MgCl₂·mR₂O, где n=0,37-0,7, m=2, R₂О - простой эфир с R=i-Am, n-Bu, с хлорирующим агентом, отличающийся тем, что в качестве хлорирующего агента используют фенилтрихлорметан С₆Н₅ССl₃.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что взаимодействие магнийорганического соединения с фенилтрихлорметаном С₆H₅ССl₃, проводят при мольном отношении C₆H₅CCl₃/Mg≥ 1,0 и температуре 5-80° С.

3. Процесс полимеризации этилена и сополимеризации этилена с альфа-олефинами в присутствии катализатора, содержащего в своем составе соединение переходного металла на магнийсодержащем носителе, отличающийся тем, что используют катализатор, полученный по любому из пп.1 и 2.