Катализатор для получения синтетических базовых масел в процессе соолигомеризации этилена с альфа-олефинами с6-с10 и способ его приготовления

Катализатор для получения синтетических базовых масел в процессе соолигомеризации этилена с альфа-олефинами с6-с10 и способ его приготовления

Реферат

Изобретение относится к способу получения катализатора для синтеза синтетических базовых масел и может быть использовано в нефтехимической промышленности.

Подбор каталитических систем в процессах олигомеризации высших α-олефинов C₆-C₁₀ или их соолигомеризации с этиленом является очень важной задачей в плане получения высококачественных основ синтетических поли-α-олефиновых масел для различных областей применения. В зависимости от использования той или иной каталитической системы в широком диапазоне можно контролировать различные свойства конечного продукта, такие как вязкость и индекс вязкости, молекулярно-массовое распределение (ММР), конверсия исходного мономера, температура застывания, а также обеспечивать технологичность самого процесса в целом. Для поддержания высокой активности и селективности катализаторов в данном процессе необходима оптимизация его состава и способа его приготовления.

Известен способ получения катализатора для катионной олигомеризации олефинов с получением основ синтетических базовых масел, содержащий металлический алюминий и четыреххлористый углерод. Катализатор для олигомеризации олефинов по этому способу получают путем взаимодействия металлического алюминия с четыреххлористым углеродом при температурах 40-80°C и массовом соотношении четыреххлористого углерода к алюминию, равному (20-80):1 в среде четыреххлористого углерода в отсутствие олефинов в инертной атмосфере (Патент РФ №2212935).

Недостатком данного способа является использование четыреххлористого углерода в составе применяемой каталитической системы при высоком соотношении CCl₄/Al(0). Это приводит к вхождению в состав продуктов большого количества (до 3,0% масс.) трудноудаляемого из них хлора. Другим недостатком является низкая активность и селективность по целевому продукту.

Известен способ приготовления катализатора на основе силикагеля в процессе получения синтетических базовых масел олигомеризацией децена-1 (Патент US №4308414). В качестве носителя используют силикагель с размером частиц 0,3-2 мм. Способ получения катализатора на основе силикагеля включает адсорбцию растворенного фторида бора в процессе олигомеризации децена-1 при температуре 15-150°C, давлении 0,17-3,6 МПа и объемной скорости подачи децена-1 5 ч^-1.

Недостатком данного катализатора является смывание со временем BF₃ олигомеризатом с поверхности подложки, что в результате приводит к снижению активности катализатора.

Известен способ приготовления катализатора олигомеризации α-олефинов для получения основ синтетических базовых масел на основе деалюминированного цеолита Y с различным соотношением SiO₂/Al₂O₃ (Патент US №5120891).

Катализатор готовят методом влажной пропитки носителя - цеолита Y, водным раствором солей металлов, в качестве которых используют катионы металлов групп III В, IV В, VI В, VII В. Количество металла составляет 10% масс.

Недостатками указанного способа получения катализатора являются его низкая активность, а также коксуемость катализатора в процессе олигомеризации.

Катализатор анионно-координационного типа процесса соолигомеризации этилена с деценом-1 для получения синтетических углеводородных масел представляет собой комбинацию растворимого соединения ванадия, например, VOCl₃, VO(OC₂H₅)Cl₂, VO(OC₂H₅)₃ и алюминийорганического соединения, например, (C₂H₅)₃Al, (C₂H₅)₂AlCl (Патент US №5767331). Концентрация соединения ванадия в полимеризационной системе составляет 0,3-30 ммоль/л. Полученный продукт представляет собой синтетическое масло, представляющее собой сополимер этилена и α-олефина, с содержанием этилена от 40 до 80% мол., имеющего кинематическую вязкость при 100°C от 4 до 200 сСт, индекс вязкости от 120 до 190 и температуру застывания от ниже минус 27,5°C до минус 55°C. Средний молекулярный вес продукта составляет от 300 до 8200.

Недостатками данного катализатора являются сложность его приготовления и высокая стоимость.

Наиболее близким к предлагаемому в изобретении катализатору является катализатор олигомеризации α-олефинов C₈-C₁₂, содержащий твердый кислотный носитель, представляющий собой оксид металла IV В группы (оксид титана или циркония) и модификатор - оксид металла VI В группы (вольфрам или молибден) (Патент US №5453556). Способ получения катализатора заключается в том, что метавольфрамат аммония наносят пропиткой на носитель, представляющий собой гидроксид циркония Zr(OH)₄, приготовленный методом осаждения ZrOCl₂ раствором NH₄OH при pH~9. Полученный осадок промывают водой и формуют экструзией с добавлением связующего, в качестве которого может использоваться оксид алюминия, оксид титана или глины, в соотношении от 80:20 до 50:50. После пропитки модификатором катализатор прокаливают в токе воздуха при температурах от 500 до 800°C в течение от 1 до 3 часов. Перед тестированием катализатор WO_x/ZrO₂ восстанавливают в токе водорода при температурах от 200 до 500°C в течение 15 часов.

Недостатком данного катализатора является низкая механическая прочность, недостаточно высокая каталитическая активность и изомеризующая способность.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, служит повышение механической прочности катализатора, каталитической активности и изомеризующей способности.

Техническая задача решается тем, что катализатор содержит промотор, в качестве которого используют Pd или Re или их оксиды, причем оксидная составляющая носителя представляет собой гранулированный оксид циркония и/или церия с длиной гранул 2-5 мм и диаметром 2-2,5 мм, а в качестве связующего используют бемит, при этом катализатор имеет следующий состав (% масс.):

оксид вольфрама	5-20
промотор	0,1-0,5

носитель:

бемит	10-20
оксид циркония и/или церия	59,5-84,9

Также техническая задача решается тем, что носитель готовят из оксида циркония и/или церия, бемита, при этом приготовление носителя осуществляют смешиванием порошка бемита и оксида циркония и/или церия с размером частиц не более 0,5 мм, пластификатора - триэтиленгликоля, смесь увлажняют и пептизируют 60-64%-ным раствором азотной кислоты, перемешивают до получения однородной массы, которую гранулируют экструзией с получением гранул длиной 2-5 мм и диаметром 2-2,5 мм, гранулы просушивают при температуре 20-110°C и прокаливают в токе воздуха при температуре 450-650°C в течение 3-5 часов, а оксид вольфрама в количестве 5-20% наносят на гранулы путем их пропитки водным раствором кремневольфрамовой кислоты, после чего катализатор высушивают на воздухе, добавляют промотор и прокаливают.

Указанные отличительные признаки существенны. Применение указанных промоторов в сочетании с церием или цирконием при использовании вольфрама в качестве каталитически активного вещества обеспечивает значительное повышение каталитической активности и изомеризующей способности катализатора, а указанный состав, форма и размеры носителя, технология получения катализатора повышают одновременно прочность катализатора, оптимизируя также процессы при применении катализатора.

Изобретение реализуют следующим образом.

Для получения синтетических базовых масел предлагается процесс соолигомеризации этилена с α-олефинами C₆-C₁₀ в присутствии катализатора, содержащего в качестве носителя оксид циркония и/или церия, который готовят экструзией пасты, содержащей оксид циркония и/или церия, бемит, азотную кислоту, воду и пластификатор - триэтиленгликоль. Оксид циркония и/или церия получали предварительным прокаливанием оксинитрата циркония ZrO(NO₃)₂·2H₂O или нитрата церия Ce(NO₃)₃·6H₂O при 400°C в течение 5 часов. После прокаливания получившийся оксид циркония и/или оксид церия перетирают до фракции <500 мкм. Носитель гранулируют с получением гранул длиной 2-5 мм и диаметром 2-2,5 мм. Экструдаты высушивают при температуре 20-110°C и прокаливают в токе воздуха при 550°C в течение 4 часов. Катализатор WO₃/ZrO₂ готовят методом пропитки носителя в одну стадию водным раствором кремневольфрамовой кислоты без последующей термообработки. После чего добавляют промотор и прокаливают.

Катализатор содержит оксидные и/или металлические промоторы. Предлагается следующий состав катализатора (% масс.):

Оксид вольфрама	5-20
Промотор	0,1-0,5

Носитель - бемит (10-20)+оксид циркония или церия (59,5-84,9)

Активацию катализатора осуществляли алюминийорганическим соединением (сесквиэтилалюминийхлоридом или триалкилалюминием)

Процесс соолигомеризации этилена с α-олефинами C₆-C₁₀ проводили при давлении 0,25-5 МПа, температуре 180-220°C и мольном отношении СЭАХ/Zr - от 1.5:1 до 3:1.

Полученный продукт соолигомеризации имеет следующие показатели: кинематическая вязкость при 100°C 2-2,8 мм²/с, индекс вязкости 115-120, температура застывания - ниже минус 60°C. Такой продукт относится к группе маловязких масел и может использоваться в качестве основы для гидравлических жидкостей в авиационной и другой технике, эксплуатируемой при низких температурах, а также в качестве компонентов буровых растворов для морской добычи нефти и природного газа.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

Образец катализатора состава 10%WO₃/(80%ZrO₂+20%γ-Al₂O₃) готовят следующим способом.

Для получения ZrO₂ оксонитрат циркония ZrO(NO₃)₂·2H₂O прокаливают при 400°C в течение 4 часов. После прокаливания получившийся оксид циркония перетирают до фракции <500 мкм. К 2 г бемита SB добавляют смесь из 0,45 мл HNO₃ (64%), 10 мл дистиллированной воды и 2,4 г пластификатора триэтиленгликоля (ТЭГ). Смесь тщательно перемешивают до получения однородного геля. Далее к смеси добавляют 8 г порошка оксида циркония, тщательно перемешивают до однородной массы и экструдируют на поршневом экструдере через фильеру диаметром 2,0 мм. Экструдаты выдерживают на воздухе в течение 10-12 часов и измельчают до фракции 2×2 мм. Затем экструдаты помещают в муфельную печь. Режим высушивания ступенчатый: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч. Далее температуру повышают со скоростью 2°C/мин до 550°C. При температуре 550°C выдерживают 4 ч. Вольфрам наносят из водного раствора кремневольфрамовой кислоты в одну пропитку. 10,44 г кремневольфрамовой кислоты растворяют в горячей дистиллированной воде и добавляют к 10 г полученного носителя. Смесь помещают в фарфоровую чашку, перемешивают в течение 5-10 мин при комнатной температуре и высушивают на воздухе в течение 10-12 ч без дальнейшей термообработки.

Процесс соолигомеризации этилена с α-олефинами C₆-C₁₀ проводят на лабораторном стенде в реакторе периодического действия при давлении 5 МПа в диапазоне температур 180-220°C.

Пример 2

Образец катализатора состава 10%WO₃/(90%ZrO₂+10%γ-Al₂O₃) готовят следующим способом.

Для получения ZrO₂ оксонитрат циркония ZrO(NO₃)₂·2H₂O прокаливают при 400°C в течение 4 часов. После прокаливания получившийся оксид циркония перетирают до фракции <500 мкм. К 1 г бемита SB добавляют смесь из 0,45 мл HNO₃ (64%), 10 мл дистиллированной воды и 2,4 г пластификатора триэтиленгликоля (ТЭГ). Смесь тщательно перемешивают до получения однородного геля. Далее к смеси добавляют 9 г порошка оксида циркония, тщательно перемешивают до однородной массы и экструдируют на поршневом экструдере через фильеру диаметром 2,5 мм. Экструдаты выдерживают на воздухе в течение 10-12 часов и измельчают до фракции 2,5×5 мм. Затем экструдаты помещают в муфельную печь. Режим высушивания ступенчатый: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч. Далее температуру повышают со скоростью 2°C/мин до 450°C. При температуре 450°C выдерживают 4 ч. Вольфрам наносят из водного раствора кремневольфрамовой кислоты в одну пропитку. 10,44 г кремневольфрамовой кислоты растворяют в горячей дистиллированной воде и добавляют к 10 г полученного носителя. Смесь помещают в фарфоровую чашку, перемешивают в течение 5-10 мин при комнатной температуре и высушивают на воздухе в течение 10-12 ч без дальнейшей термообработки.

Процесс соолигомеризации этилена с α-олефинами C₆-C₁₀ проводят на лабораторном стенде в реакторе периодического действия при давлении 5 МПа в диапазоне температур 180-220°C.

Пример 3

Образец катализатора состава 5%WO₃/(80%ZrO₂+20%γ-Al₂O₃) готовят следующим способом.

Для получения ZrO₂ оксонитрат циркония ZrO(NO₃)₂·2H₂O прокаливают при 400°C в течение 4 часов. После прокаливания получившийся оксид циркония перетирают до фракции <500 мкм. К 2 г бемита SB добавляют смесь из 0,45 мл HNO₃ (64%), 10 мл дистиллированной воды и 2,4 г пластификатора триэтиленгликоля (ТЭГ). Смесь тщательно перемешивают до получения однородного геля. Далее к смеси добавляют 8 г порошка оксида циркония, тщательно перемешивают до однородной массы и экструдируют на поршневом экструдере через фильеру диаметром 2,2 мм. Экструдаты выдерживают на воздухе в течение 10-12 часов и измельчают до фракции 2,2×3 мм. Затем экструдаты помещают в муфельную печь. Режим высушивания ступенчатый: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч. Далее температуру повышают со скоростью 2°C/мин до 450°C. При температуре 450°C выдерживают 4 ч. Вольфрам наносят из водного раствора кремневольфрамовой кислоты в одну пропитку. 5,22 г кремневольфрамовой кислоты растворяют в горячей дистиллированной воде и добавляют к 10 г полученного носителя. Смесь помещают в фарфоровую чашку, перемешивают в течение 5-10 мин при комнатной температуре и высушивают на воздухе в течение 10-12 ч без дальнейшей термообработки.

Процесс соолигомеризации этилена с α-олефинами C₆-C₁₀ проводят на лабораторном стенде в реакторе периодического действия при давлении 2,5 МПа в диапазоне температур 180-220°C.

Пример 4

Образец катализатора состава 10%WO₃-0,1%Pd/(80%ZrO₂+20%γ-Al₂O₃) готовят следующим способом.

Носитель готовят, как в примере 1.

Вольфрам наносят из водного раствора кремневольфрамовой кислоты, а палладий - из хлорида палладия в две последовательных пропитки.

1 пропитка. 5,22 г кремневольфрамовой кислоты растворяют в горячей дистиллированной воде и добавляют к 10 г полученного носителя. Смесь помещают в фарфоровую чашку, перемешивают в течение 5-10 мин при комнатной температуре и высушивают на воздухе в течение 10-12 ч без дальнейшей термообработки.

2 пропитка. 0,017 г хлорида палладия растворяют в 15 мл дистиллированной воды и добавляют к материалу, полученному на стадии 1. Смесь помещают в фарфоровую чашку и сушат на водяной бане в течение 30-60 мин, после чего прокаливают при температуре 450°C в течение 1 ч.

Активацию катализатора и синтез проводят, как в примере 1.

Пример 5

Образец катализатора состава 10%WO₃-0,5%Pd/(80%ZrO₂+20%γ-Al₂O₃) готовят следующим способом.

Носитель готовят, как в примере 1.

Вольфрам наносят из водного раствора кремневольфрамовой кислоты, а палладий - из хлорида палладия в две последовательных пропитки.

1 пропитка. 5,22 г кремневольфрамовой кислоты растворяют в горячей дистиллированной воде и добавляют к 10 г полученного носителя. Смесь помещают в фарфоровую чашку, перемешивают в течение 5-10 мин при комнатной температуре и высушивают на воздухе в течение 10-12 ч без дальнейшей термообработки.

2 пропитка. 0,085 г хлорида палладия растворяют в 15 мл дистиллированной воды и добавляют к материалу, полученному на стадии 1. Смесь помещают в фарфоровую чашку и сушат на водяной бане в течение 30-60 мин, после чего прокаливают при температуре 450°C в течение 1 ч.

Активацию катализатора и синтез проводят, как в примере 1.

Пример 6

Образец катализатора состава 10%WO₃-0,2%Re/(90%ZrO₂+10%γ-Al₂O₃) готовят следующим способом.

Носитель готовят, как в примере 2.

Вольфрам наносят из водного раствора кремневольфрамовой кислоты, а рений - из водного раствора соли перрениата аммония в две последовательных пропитки.

1 пропитка. 5,22 г кремневольфрамовой кислоты растворяют в горячей дистиллированной воде и добавляют к 10 г полученного носителя. Смесь помещают в фарфоровую чашку, перемешивают в течение 5-10 мин при комнатной температуре и высушивают на воздухе в течение 10-12 ч без дальнейшей термообработки.

2 пропитка. 0,030 г перрениата аммония растворяют в дистиллированной воде и добавляют к материалу, полученному на стадии 2. Смесь помещают в фарфоровую чашку и сушат на водяной бане в течение 30-60 мин, после чего прокаливают при температуре 450°C в течение 1 ч.

Активацию катализатора и синтез проводят, как в примере 1.

Пример 7

Образец катализатора состава 10%WO₃-0,5%Re/(90%ZrO₂+10%γ-Al₂O₃) готовят следующим способом.

Носитель готовят, как в примере 2.

Вольфрам наносят из водного раствора кремневольфрамовой кислоты, а рений - из водного раствора соли перрениата аммония в две последовательных пропитки.

1 пропитка. 5,22 г кремневольфрамовой кислоты растворяют в горячей дистиллированной воде и добавляют к 10 г полученного носителя. Смесь помещают в фарфоровую чашку, перемешивают в течение 5-10 мин при комнатной температуре и высушивают на воздухе в течение 10-12 ч без дальнейшей термообработки.

2 пропитка. 0,075 г перрениата аммония растворяют в дистиллированной воде и добавляют к материалу, полученному на стадии 2. Смесь помещают в фарфоровую чашку и сушат на водяной бане в течение 30-60 мин, после чего прокаливают при температуре 450°C в течение 1 ч.

Активацию катализатора и синтез проводят, как в примере 1.

Пример 8

Образец катализатора состава 20%WO₃/(80%ZrO₂+20%γ-Al₂O₃) готовят следующим способом.

Носитель готовят, как в примере 1.

Вольфрам наносят из водного раствора кремневольфрамовой кислоты в одну пропитку. 23,5 г кремневольфрамовой кислоты растворяют в горячей дистиллированной воде и добавляют к 10 г полученного носителя. Смесь помещают в фарфоровую чашку, перемешивают в течение 5-10 мин при комнатной температуре и высушивают на воздухе в течение 10-12 ч без дальнейшей термообработки.

Процесс соолигомеризации этилена с α-олефинами C₆-C₁₀ проводят на лабораторном стенде в реакторе периодического действия при давлении 5 МПа в диапазоне температур 180-220°C.

Пример 9

Образец катализатора состава 10%WO₃/(80%CeO₂+20%γ-Al₂O₃) готовят следующим образом.

Для получения CeO₂ нитрат церия Се(NO₃)₃·6H₂O прокаливают при 400°C в течение 4 часов. После прокаливания получившийся оксид церия перетирают до фракции <500 мкм. К 2 г бемита SB добавляют смесь из 0,45 мл HNO₃ (64%), 10 мл дистиллированной воды и 2,4 г пластификатора триэтиленгликоля (ТЭГ). Смесь тщательно перемешивают до получения однородного геля. Далее к смеси добавляют 8 г порошка оксида циркония, тщательно перемешивают до однородной массы и экструдируют на поршневом экструдере через фильеру диаметром 2,0 мм. Экструдаты выдерживают на воздухе в течение 10-12 часов и измельчают до фракции 2×4 мм. Затем экструдаты помещают в муфельную печь. Режим высушивания ступенчатый: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч. Далее температуру повышают со скоростью 2°C/мин до 450°C. При температуре 650°C выдерживают 4 ч. Вольфрам наносят из водного раствора кремневольфрамовой кислоты в одну пропитку. 5,22 г кремневольфрамовой кислоты растворяют в горячей дистиллированной воде и добавляют к 10 г полученного носителя. Смесь помещают в фарфоровую чашку, перемешивают в течение 5-10 мин при комнатной температуре и высушивают на воздухе в течение 10-12 ч без дальнейшей термообработки.

Процесс соолигомеризации этилена с α-олефинами C₆-C₁₀ проводят на лабораторном стенде в реакторе периодического действия при давлении 2,5 МПа в диапазоне температур 180-220°C.

Пример 10 (Сравнение)

Образец катализатора состава WO₃ - 10%, Al₂O₃ - 90% готовят следующим способом.

К 10 г бемита SB добавляют смесь из 0,45 мл HNO₃ (64%), 12 мл дистиллированной воды и 2,4 г пластификатора триэтиленгликоля (ТЭГ). Смесь тщательно перемешивают до получения однородной массы и экструдируют на поршневом экструдере через фильеру диаметром 2,5 мм. Экструдаты выдерживают на воздухе в течение 6-8 часов и измельчают до фракции 2,5×5 мм. Затем экструдаты помещают в муфельную печь. Режим высушивания ступенчатый: 60°C - 2 ч, 80°C - 2 ч, 110°C - 2 ч. Далее температуру повышают со скоростью 2°C/мин до 550°C. При температуре 550°C выдерживают 4 ч.

Вольфрам наносят, как в Примере 1.

Активацию катализатора и синтез проводили, как в Примере 1.

Результаты тестирования образцов катализаторов, полученных и испытанных в соответствии с Примерами 1-10, приведены в нижеследующей Таблице.

Таблица
Пример	Конверсия гексена-1, %	Выход целевой фракции, %	Характеристики базовых масел
Кинематическая вязкость, мм2/с	Индекс вязкости	Температура застывания
40°C	100°C
1	95	75	10,48	2,762	115	Ниже минус 60°C
2	97	78	10,52	2,753	112	Ниже минус 60°C
3	75	60	8,993	2,414	80	Ниже минус 60°C
4	96	78	10,61	2,800	109	Ниже минус 60°C
5	98	80	10,47	2,765	113	Ниже минус 60°C
6	94	75	10,63	2,770	108	Ниже минус 60°C
7	97	77	10,51	2,812	112	Ниже минус 60°C
8	98	80	10,31	2,815	119	Ниже минус 60°C
9	96	75	10,35	2,770	117	Ниже минус 60°C
10	93	72	9,002	2,463	102	минус 55°C

Как видно из таблицы, применение заявленного катализатора увеличивает выход целевой фракции и улучшает характеристики получаемых масел.

1. Катализатор для получения синтетических базовых масел в процессе соолигомеризации этилена с α-олефинами С₆-С₁₀, содержащий каталитически активный компонент - оксид вольфрама и носитель, включающий оксидную составляющую и связующее, отличающийся тем, что катализатор дополнительно содержит промотор, в качестве которого используют Pd или Re или их оксиды, причем оксидная составляющая носителя представляет собой гранулированный оксид циркония и/или церия с длиной гранул 2-5 мм и диаметром 2-2,5 мм, а в качестве связующего используют бемит, при этом катализатор имеет следующий состав (% масс.):

оксид вольфрама	5-20
промотор	0,1-0,5

носитель:

бемит	10-20
оксид циркония и/или церия	59,5-84,9

2. Способ приготовления катализатора по п.1, включающий приготовление гранулированного носителя, нанесение соединения вольфрама на прокаленный носитель, просушивание, отличающийся тем, что носитель готовят из оксида циркония и/или церия, бемита, при этом приготовление носителя осуществляют смешиванием порошка бемита и оксида циркония и/или церия с размером частиц не более 0,5 мм, пластификатора - триэтиленгликоля, смесь увлажняют и пептизируют 60-64%-ным раствором азотной кислоты, перемешивают до получения однородной массы, которую гранулируют экструзией с получением гранул длиной 2-5 мм и диаметром 2-2,5 мм, гранулы просушивают при температуре 20-110°С и прокаливают в токе воздуха при температуре 450-650°С в течение 3-5 часов, а оксид вольфрама в количестве 5-20% наносят на гранулы путем их пропитки водным раствором кремневольфрамовой кислоты, после чего катализатор высушивают на воздухе, добавляют промотор и прокаливают.