Способ получения олигомеров высших линейных -олефинов

Способ получения олигомеров высших линейных -олефинов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области нефтехимического синтеза, а именно к способу получения олигомеров высших линейных α-олефинов С₆-С₁₄.

Олигомеры высших линейных α-олефинов широко используются в качестве основы для получения синтетических смазочных масел различного назначения [1. О.Н.Цветков Поли-α-олефиновые масла: Химия, технология и применение. - М.: изд. "Техника", ТУМА ГРУПП, 2006, 192 с.; 2. Патент US №4912280, 1990].

Известные промышленные технологии получения поли-α-олефинов базируются на использовании в качестве катализаторов хлорид алюминия и фторида бора или их комплексов с различными соединениями [1; 3. С.В.Котов, И.К.Моисеев, А.В.Шабанова Нефтехимия, 2003, Т.43, №5, с.323]. После отделения катализатора, включающего стадии нейтрализации и промывки, олигомеризат разделяют на отдельные фракции, которые затем гидрируют для получения стабильного к окислению продукта. Недостатками способов олигомеризации с использованием традиционных каталитических систем являются многостадийность, образование большого количества отходов и побочных продуктов (хлоридов или фторированных олигомеров), высокая токсичность и коррозионная активность катализаторов.

Среди гетерогенных катализаторов в олигомеризации α-олефинов с числом атомов углерода 6 и выше использовали фосфат бора, оксид бора на Al₂O₃, SO₄ ^2-/ZrO₂ [4. A.Tada, H.Suzuka, Y.Imizu. Chemistry letters, 1987, p.423-424]; гетерополикислоты, нанесенные на носители [5. П.С.Мамедова, Д.Б.Тагиев, М.К.Муншиева, С.М.Зульфугарова, Х.Т.Кахраманова. ЖПХ, т.69, №1 1996, с.69-73]; фосфорную кислоту на носителе [6. Пат. US №6884914, 2005; 7. Arno de Klerk. Ind. Eng. Chem. Res., 45, 2006, p.578-584]; смешанные оксиды металлов NiO, SiO₂, Al₂O₃, TiO. Na₂O [8. Пат. US №5849972, 1998]; оксиды металлов VI группы (предпочтительно Cr) на широкопористом SiO₂ [9. Пат. US №4827073, 1989]; модифицированные кислотные глины - монтмориллонит [10. Пат. US №5171909, 1992; 11. Пат. US №5202040, 1993; 12. John F. Knifton, John R. Sanderson. Catalysis Letters, 1994, 28, P.223-230] и бейделит [13. Jerome P.G. Pater, Pierre A. Jacobs, J.A. Martens. Journal of catalysis, 1998, 179, p.477-482]; аморфный гель оксидов кремния и алюминия с отношением SiO₂/Al₂O₃ от 30 до 500 [14. Пат. US №5049536, 1991].

Примером успешного использования цеолитов в процессах олигомеризации олефинов является реализованный в промышленности процесс MOGD фирмы Mobil, предназначенный для получения полимердистиллята из легких олефинов С₃-С₅. В качестве катализатора этого процесса используют цеолит ZSM-5 [15. Пат. US №4504693, 1983; 16. R.J.Guann, L.A.Green, S.A.Tabak, F.J.Krambeck. Ind. Eng. Chem. Res., 1988, 27, p.565]. В конце XX века начали активно вести исследования по олигомеризации высших α-олефинов в присутствии цеолитных катализаторов.

В работе [17. Пат. US №4417088, 1983; 18. A.Miller. Ind. Eng. Chem. Res., 1984, 23, p.118] олигомеризацию алкенов С₈ и выше проводят в присутствии среднепористых цеолитов ZSM-5, ZSM-11 и некоторых других, модифицированных цинком для повышения их активности и стабильности. Для получения олигомеров с разветвленной структурой рекомендуется проводить реакции в жидкой фазе при повышенном давлении. Показано, что олигомеризация дец-1-ена в присутствии Zn-ZSM-5 (1% Zn) при 204°С и 26 атм проходит с образованием димеров (75-80%) и тримеров (11%). Конверсия дец-1-ена составляет 46%. При взаимодействии с катализатором (Zn-ZSM-5) смеси дец-1-ена и тетрадец-1-ена при 232°С и давлении 27,6 атм образуется смесь олигомеров C₂₀, C₂₄, C₂₈. Конверсия олефинов составляет 30% (для С₁₀) или 20% (для С₁₄). Фракцию с температурой кипения выше 329°С выделяли и после гидрирования получали продукт с температурой застывания -6,7°С и индексом вязкости 105.

Кроме цеолита ZSM-5, для олигомеризации олефинов C_2-12 предложено использовать другие кристаллические алюмосиликаты, структура которых содержит 10-членные кислородные кольца: структурного типа TON (например, ZSM-22, Theta-1, NU-10), MTT (ZSM-23, EU-13 и др.), FER (ZSM-35, FU-9 и др.), AEL (например, SAPO-1) [19. Заявка US №2004/0030212 A1, 2004; 20. Пат. ЕР №2072484 A1].

Однако в работах [4; 12; 21. A. de Klerk. Ind. Eng. Chem. Res., 2005, 44, p.3887-3893] показано, что цеолит H-ZSM-5 проявляет низкую каталитическую активность при олигомеризации гекс-1-ена и более высокомолекулярных олефинов (дец-1-ена, тетрадец-1-ена). Более эффективны в этой реакции широкопористые цеолиты с 12-членными кольцами, такие как фожазит и морденит.

В патенте [22. Пат. US №4029719, 1977] для приготовления катализаторов олигомеризации линейных олефинов С₆-С₂₄ использовали цеолиты, например, цеолит X, модифицированный щелочными и щелочноземельными металлами или металлами VIII-группы и активированные затем путем их обработки органическими или неорганическими основаниями с последующим удалением этих соединений азотом при температуре от 250 до 450°С. Из приведенных в патенте примеров следует, что конверсия окт-1-ена в присутствии цеолита X, модифицированного катионами Ni, при 180°С составляет 12,8-27%. Продуктами реакции являются димеры окт-1-ена.

Недостатком данного способа олигомеризации является низкая активность цеолитного катализатора.

Для димеризации α-олефинов C₄-C₂₄ предлагается использовать фожазиты (цеолиты Х и Y) в катион-декатионированной форме, модифицированные двух- или трехвалентными металлами (Fe, Cu, Со, Ni, La, Са, Ва, Zn и др.) [23. Пат. US №4912280, 1990]. В олигомеризации тетрадецена-1 наиболее высокую активность проявили цеолиты, модифицированные солями Fe (конверсия α-олефина 55%) и La (конверсия - 51%). Самой низкой активностью обладали Са- (конверсия - 20%) и Cu-форма (конверсия - 24%) цеолита Y. Продуктами реакции были, в основном, димеры (до 95%). Реакцию проводили при 180°С в течение 4 часов при массовом содержании катализатора, равном 4%.

Недостатком данного способа является низкая активность катализатора.

В работе [24. Grigor'eva N.G., Bubennov S.V., Kutepov B.I. Catalysis in Industry, 2011, V.3, №2, p.148-154] показано, что высокую активность в олигомеризации окт-1-ена проявляют цеолиты Y, Beta и ZSM-12, под действием которых конверсия олефина достигает 90-96%. Основными продуктами превращения окт-1-ена в присутствии цеолитов Y, Beta и ZSM-12 являются олигомеры, среди которых преобладают димеры. Наиболее селективно димеры октена образуются на цеолите ZSM-12 (селективность до 100% мас.). Недостатками данного способа является получение олигомеров с низкой молекулярной массой - в основном, димеров октена.

Активность, селективность и стабильность работы цеолита Y в олигомеризации α-олефинов зависят от условий реакции. При изучении олигомеризации гекс-1-ена в присутствии ультрастабильного цеолита Y (Si/Al=25) в различных растворителях в газовой, жидкой и суперкритической фазах установлено, что наиболее высокие значения конверсии и селективности по олигомерам достигаются в жидкой фазе в октане [13]. Соотношение гекс-1-ен: октан составляет 30:70, температура реакции 200°С, давление 5 МПа. При этом конверсия гекс-1-ена достигает 93%, селективность образования олигомеров - 62%. Среди олигомеров преобладают димеры. Образуется значительное количество побочных продуктов: 13% насыщенных углеводородов С₆ и 23% соединений, образующихся в результате крекинга (С₃-С₅, С₇-С₁₁).

Недостатками данного способа являются низкая селективность образования олигомеров, большое количество низкокипящих побочных продуктов (С₃-С₁₁). Кроме того, используется значительное количество растворителя, что усложняет способ и увеличивает объемы аппаратуры.

Ультрастабильный цеолит Y исследовали также в олигомеризации олефинов C₁₂-C₁₈ [12]. На примере олигомеризации тетрадец-1-ена показано, что конверсия олефинов возрастает с увеличением отношения Si/Al катализатора. Образец цеолита Y с отношением Si/Al=60 при 180°С обеспечивает конверсию тетрадец-1-ена, равную 79,8%. В продуктах реакции содержится 84-93% димеров, остальное - более высококипящие олигомеры. Согласно патенту этих же авторов [25. Пат. US №5120891, 1992], конверсия додец-1-ена при 180°С в присутствии ультрастабильного цеолита Y (Si/Al=60) составляет 87,9%. Супердеалюминирование цеолита Y достигается путем гидротермальной обработки, обработки минеральными кислотами, этилендиаминтетрауксусной кислотой или другими агентами.

К недостаткам данного способа можно отнести получение преимущественно димеров α-олефинов, что ограничивает области применения полученных продуктов. Такие олигомеры могут использоваться только в качестве основы маловязких масел.

Задачей настоящего изобретения является получение олигомеров с более широким молекулярно-массовым распределением, например, олигомеров с числом мономерных звеньев 2÷5.

Решение этой задачи достигается тем, что способ олигомеризации высших линейных α-олефинов С₆-С₁₄ осуществляют в присутствии гранулированного без связующих веществ цеолита Y в Н-форме (HY-БС), подвергнутого термопаровой обработке (ТПО) и ионному обмену. Реакцию проводят в присутствии 10-30% мас. катализатора (HY-БС), при 130÷200°С, без растворителя. Конверсия α-олефинов составляет 70,3-100%. Основными продуктами реакции являются олигомеры, в составе которых присутствуют соединения со степенью олигомеризации от 2 до 5. Кроме олигомеров, в реакционной массе содержатся изомеры исходных α-олефинов, образующиеся в результате перемещения двойной связи и структурных изменений углеводородной цепи и при температуре ≥120°С появляется незначительное количество продуктов крекинга.

В предлагаемом способе используют катализатор на основе цеолита структурного типа FAU.

Гранулированный цеолит Y обычно получают путем смешения высокодисперсного цеолита Y со связующим (например, гидроксидом алюминия), формовки гранул методом экструзии и термообработки. Количество активного компонента в катализаторе при этом составляет 20-70%.

В предлагаемом способе используют гранулированный без связующих веществ цеолит Y-БС. Его гранулы представляют собой единые сростки цеолитных кристаллов и обладают близкой к 100% степенью кристалличности. Пористая структура гранул состоит из микропористой структуры самого цеолита и мезопористой структуры, сформировавшейся между сростками кристаллов. Объем мезопор от общего объема пор, по данным ртутной порометрии, составляет ~15%. Комбинированная микро-мезопористая кристаллическая структура цеолита HY-БС высокостабильна и не разрушается в процессе декатионирования.

Для увеличения объема мезопор цеолит HY-БС подвергали гидротермальной обработке водяным паром, причем после каждой термопаровой обработки проводили ионный обмен. В результате термопаровой обработки объем мезопор увеличивается более чем в два раза. Наличие мезо-, а также макропор в кристаллической структуре цеолита Y-БС облегчает транспорт молекул реагентов и продуктов реакции, что приводит к увеличению каталитической активности материала.

Применение цеолита Y-БС, модифицированного путем термопаровой обработки, в реакции олигомеризации высших линейных α-олефинов неизвестно.

Химическая структура олигомеров высших α-олефинов, которые образуются на цеолитных катализаторах, ранее никем не изучалась.

Предполагалось, что образуются олигомеры, аналогичные синтезируемым на промышленных катализаторах (комплексах BF₃ и AlCl₃), т.е. поли-α-олефины. Изучение структуры полученных димеров окт-1-ена методами ИК- и ЯМР-спектроскопии (рис.1-2) показало, что в них преобладают алифатические циклические соединения. На нафтеновый характер соединений указывает высокая спектральная плотность в диапазоне спектра ¹³С 12-50 м.д. Незначительное количество ненасыщенных соединений представлено, в основном, олефинами с три- и тетразамещенными двойными связями. Их присутствие подтверждается наличием слабых сигналов в области 120-140 м.д. спектра ¹³С, характеризующих атомы углерода при три- (120, 140 м.д.) и тетразамещенных двойных связях (120, 130 м.д.). В ЯМР ¹Н-спектре димеров октена-1 присутствуют сигналы протонов метильных -СН₃ (0,91 м.д.) и метиленовых-СН₂-групп. Наличие в спектре сигналов в области 1,6-2,1 м.д. свидетельствует о присутствии нафтеновых структур, а также групп с двойными связями =С-СН₂- или =С-. Присутствие в составе димеров октена небольшого количества непредельных соединений подтверждается присутствием в спектре ЯМР ¹H очень слабых сигналов в области 4,7-5,4 м.д. (вероятно, протоны групп -С=Н<, =СН-, =СН₂). Из соотношения интегральных интенсивностей полос, характеризующих метильные и метиленовые группы, следует, что углеводородные цепи являются разветвленными, а не линейными.

В ИК-спектре димеров присутствуют интенсивные полосы поглощения в области 1380 см^-1 и 1460 см^-1, характерные для групп СН₃ и СН₂, а также полоса

720 см^-1, соответствующая высшим деформационным С-Н колебаниям в неразветвленных цепочках -(CH₂)_n-. На присутствие незначительного количества соединений, содержащих транс-дизамещенную двойную связь, указывает полоса поглощения 970 см^-1.

С использованием методов количественной спектроскопии ЯМР ¹Н и ¹³С образцы димеров октена охарактеризованы по более крупным структурным фрагментам: определены количество нафтеновых циклов в молекуле, содержание атомов углерода в «узлах» углеродного скелета, средняя длина алкильных цепей. Из полученных данных следует, что основное количество атомов углерода сосредоточено в насыщенных структурных фрагментах-парафиновых и нафтеновых. На присутствие в молекулах димеров длинных алкильных цепей указывают сигналы атомов углерода 5 δ_C=14,1; 22,7; 32,2; 29,7. Алкильные цепи олигомеров октена являются разветвленными, поскольку в спектре присутствуют также сигналы атомов углерода с химическим сдвигом, равным 19,4; 27,6; 37,4; 39,7, относящиеся к изоалкильным цепям и значительное количество третичных алифатических углеводородов.

Использование предлагаемого способа позволяет:

1. Синтезировать олигомеры α-олефинов, в составе которых присутствуют, в основном, соединения с алкилнафтеновой структурой. Незначительное количество непредельных соединений (0,7-3%) позволяет ускорить процесс гидрирования, уменьшить расход водорода или даже исключить эту стадию из технологической схемы.

2. Получить олигомеры с расширенным молекулярно-массовым распределением, поскольку степень олигомеризации синтезированных углеводородов изменяется от 2 до 5.

Предлагаемый способ олигомеризации осуществляют следующим образом.

Используют α-олефины С₆-С₁₄, выпускаемые Нижнекамским нефтехимическим комбинатом: гекс-1-ен (ТУ-2411-059-05766801-96), окт-1-ен (ТУ-2411-057-05766801-96), дец-1-ен (ТУ 2411-057-05766801-96), фракция С₁₂-C₁₄ (ТУ-2411 -058-05766801-96).

В качестве катализатора используют гранулированный без связующих веществ цеолит Y-БС, синтезированный в Na-форме по методу, приведенному в [27. Патент РФ №2412903 С1, опубл. 27.02.11 г., Бюл. №6]. Ионным обменом из раствора NH₄NO₃ и последующим прокаливанием при 540°С цеолит NaY-БС переводят в Н-форму со степенью декатионирования ионов Na⁺ на Н⁺ 70%. В процессе ионного обмена с промежуточными термообработками аморфизация кристаллического каркаса цеолита не происходит. Удельная поверхность образцов, определяемая методом ртутной порометрии, составляет 4-7,5 м²/г, а объем пор 0,21-0,32 см³/г. Транспортные поры, в основном, представлены порами с радиусом 50-100 нм и 100-1000 нм.

Цеолит HY-БС подвергают гидротермальной обработке паром при 600°С в течение 4 ч, причем после термопаровой обработки проводят ионный обмен. В процессе термопаровой обработки происходит деалюминирование, в результате чего мольное отношение SiO₂/Al₂O₃ возрастает до 40.

Согласно данным, полученным при изучении адсорбции азота, удельная поверхность образцов после ТПО уменьшается, что связано с увеличением объема микро- и мезопор. Объем мезопор в образцах, прошедших термопаровую обработку, составляет ~50% от общего объема пор.

Олигомеризацию α-олефинов проводят в металлическом автоклаве. В автоклав загружают α-олефин и катализатор, герметично закрывают и помещают в термостатируемый шкаф, где автоклав непрерывно вращается при выбранной температуре. По окончании реакции реакционную массу охлаждают, отфильтровывают от нее катализатор. Состав продукта анализируют методом газожидкостной и жидкостной хроматографии. Условия ГЖХ-анализа: хроматограф HRGS 5300 Mega Series "Carlo Erba" с пламенно-ионизационным детектором; стеклянная капиллярная колонка с SE-30 длиной 25 м, температура анализа 50-280°С с программированным нагревом 8°С/мин, температура детектора 250°С, температура испарителя 300°С, газ носитель-гелий со скоростью подачи 30 мл/мин. Условия ВЭЖХ-анализа: хроматограф HP-1090, полистирольная колонка Pigel 50 Å, скорость подачи толуола 0,8 мл/мин, скорость ленты 1,5 см^-1, рефрактометрический детектор.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1. В металлический автоклав загружают 10 мл (0,064 моль) окт-1-ена, затем добавляют 0,7 г (10% мас. в расчете на олефин) цеолита HY-БС, подвергнутого ТПО при 600°С в течение 4 ч и последующему ионному обмену, автоклав герметично закрывают и помещают в термостатируемый шкаф. Реакцию проводят при температуре 200°С 5 ч при непрерывном вращении автоклава. После окончания реакции реакционную массу охлаждают, отфильтровывают катализатор. От полученного олигомеризата отгоняют непрореагировавшие изомеры окт-1-ена. Получают 5,14 г олигомеризата, представляющего собой прозрачную, бесцветную жидкость. Состав олигомеров (% мас.): димеры - 64,1; тримеры - 25,6; тетрамеры - 8,3; пентамеры - 2,0. Конверсия окт-1-ена - 100,0%.

Остальные примеры приведены в табл.1 аналогично примеру 1.

Таблица 1
Олигомеризация α-олефинов в присутствии цеолита HY-БС, подвергнутого термопаровой обработке
№ п/п	α-олефин	Кол-во катализатора,% мас.	Т, °C	Время, ч	Конверсия, % мас.	Состав, %
олигомеры	изомеры	Продукты крекинга
n=2	n=3	n=4	n=5
1	С6	10	180	5	100	47,9	20,6	7,1	2,5	21,9	-
2	C8	10	200	5	100	48,1	19,2	6,2	1,5	24,6	0,4
3	-║-║-	20	180	5	100	48,6	19,7	5,6	0,9	25,2	-
4	-║-║-	30	130	6	70,3	43,8	15,8	4,7	0,6	35,1	-
5	С10	20	180	6	98,5	54,9	12,1	4,1	0,8	28,1	-
6	фракция C12-C14	20	180	6	98,1	55,3	11,3	3,9	0,8	28,7	-
n - степень олигомеризации

Способ получения олигомеров высших α-олефинов взаимодействием линейных α-олефинов С₆-С₁₄ с катализатором на основе цеолита структурного типа FAU, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют гранулированный без связующих веществ цеолит Y-БС в Н-форме, подвергнутый термопаровой обработке при 600°С в течение 4 ч и последующему ионному обмену, и реакцию проводят при массовом содержании катализатора 10-30% по отношению к α-олефину и 130-200°С.