Область настоящего изобретения относится к производству олефинов и стабилизации каталитической системы для производства олефинов.
Олефины, главным образом альфа-олефины, находят широкое применение. Помимо их использования в качестве специальных реагентов альфа-олефины применяются в процессах полимеризации как мономеры или сомономеры для получения полиолефинов или других полимеров.
К сожалению, в ходе любой каталитической реакций, например в процессе получения олефина или в полимеризационном процессе, активность и производительность каталитической системы могут понижаться. Кроме этого, более жесткие условия реакции, например использование повышенных температур, могут увеличивать производительность и селективность катализатора, но с другой стороны, в этом случае может уменьшаться срок службы каталитической системы, происходить более быстрое разложение каталитической системы и/или ее дестабилизация.
Утилизация отработавшей каталитической системы может создавать проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, а непрерывное введение новой каталитической системы может оказаться слишком дорогостоящей операцией.
В соответствии со сказанным выше цель настоящего изобретения заключается в улучшении активности и производительности каталитической системы, применяемой для получения олефинов.
Объектом настоящего изобретения является эффективно стабилизированная каталитическая система, используемая для получения олефинов.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ получения олефинов с использованием усовершенствованной или стабилизированной каталитической системы получения олефинов.
Цель настоящего изобретения заключается в разработке способа повышения термостабильности каталитической системы, используемой для получения олефинов.
В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается стабилизация, регенерация и/или реактивация каталитической системы получения олефинов путем контактирования каталитической системы для получения олефинов до или после ее применения, с ароматическим соединением.
Каталитические системы, используемые в соответствии с настоящим изобретением, включают источник хрома, пирролсодержащее соединение и металл-алкил, причем все указанные компоненты контактируют и/или реагируют друг с другом в присутствии ненасыщенного углеводорода.
Такие каталитические системы необязательно могут быть нанесены на неорганическую оксидную подложку. Такие каталитические системы особенно полезны для димеризации и тримеризации олефинов, например этилена и гексен-1.
Источник хрома может представлять собой одно или более органических или неорганических соединений со степенью окисления хрома от 0 до 6. Как правило, источник хрома имеет формулу CrXn, в которой X может иметь одинаковые или различные значения и представлять собой любой органический или неорганический радикал, а n представляет собой целое число в интервале от 1 до 6.
Типичные органические радикалы могут содержать 1-20 углеродных атомов в радикале, и их выбирают из группы, состоящей из алкильных, алкокси, сложноэфирных, кетонных и/или амидо-радикалов,
Такие органические радикалы могут быть линейными или разветвленными, циклическими или ациклическими, ароматическими или алифатическими или могут содержать одновременно алифатические, ароматические и/или циклоалифатические группы. Типичными неорганическими радикалами могут быть галогениды, сульфаты и/или оксиды.
Предпочтительно источник хрома представляет собой хром (II)- и/или хром (III)-содержащее соединение, которое позволяет получить каталитическую систему, обладающую улучшенной полимеризационной активностью. Более предпочтительным источником хрома является соединение хрома (III), что связано с легкостью его применения, доступностью и повышенной активностью содержащей его каталитической системы. Типичные соединения хрома (III) включают, но не ограничиваются ими, карбоксилаты хрома, нафтенаты хрома, галогениды хрома, пирролиды хрома и/или дионаты хрома.
Конкретные типичные соединения хрома (III) включают, но не ограничиваются ими, 2,2,6,6-тетраметилгептандионат хрома (III) [Cr(ТМГД)3], 2-этилгексаноат хрома (III) [Cr(ЭГ)3] или трис-(2-этилгексаноат) хрома (III), нафтена хрома [Cr(Нф)3], хлорид хрома (III), бромид хрома (III), фтористый хром (III), ацетилацетонат хрома (III), бутират хрома (III), неопентаноат хрома (III), лаурат хрома (III), стеарат хрома (III), пирролиды хрома (III) и/или оксалат хрома (III).
Конкретные типичные соединения хрома (II) включают, но не ограничиваются ими, бромистый хром (II), фтористый бром (II), хлористый хром (II), бис-(2-этилгексаноат) хрома (II), ацетат хрома (II), бутират хрома (II), неопентаноат хрома (II), лаурат хрома (II), стеарат хрома (II), оксалат хрома (II) и/или пирролиды хрома (II).
Пирролсодержащее соединение может представлять собой любое пирролсодержащее соединение, или пирролид, которое реагирует с источником хрома с образованием хром-пирролидного комплекса.
Используемый в тексте настоящего описания термин "пирролсодержащее соединение" относится к водородсодержащему пирролиду, т.е. пирролу (C4H5N) производным водородсодержащего пирролида, замещенным пирролидам, а также к металл-пирролидным комплексам. Под термином "пирролид" подразумевается соединение, содержащее 5-членный азотсодержащий гетероцикл, например пиррол, производные пиррола и их смеси.
В широком смысле пирролсодержащее соединение может представлять собой пиррол и/или любой гетеролептический или гомолептический металлический комплекс или соль, содержащие пирролидный радикал или лиганд. Пирролсодержащее соединение может непосредственно добавляться в реакционную среду или образовываться in situ.
Как правило, пирролсодержащее соединение содержит 4-20 углеродных атомов в расчете на молекулу. Типичные пирролиды выбирают из группы, состоящей из водород-содержащего пирролида (пиррол), пирролида лития, пирролида натрия, пирролида калия, пирролида цезия и/или солей замещенных пирролидов, из-за их высокой реакционной способности и активности в отношении других реагентов. Примеры замещенных пирролидов включают, но не ограничиваются ими, пиррол-2-карбоновую кислоту, 2-ацетилпиррол, пиррол-2- карбоксальдегид, тетрагидроиндол, 2,5-диметилпиррол, 2,4-диметил-3-этилпиррол, 3-ацетил- 2,4-диметилпиррол, этил-2,4-диметил-5-(этоксикарбонил)-3- пиррол-пропионат, этил-3,5-диметил-2-пирролкарбоксилат и их смеси.
В том случае, когда пирролсодержащее соединение содержит хром, полученное в результате соединение хрома может быть названо пирролидом хрома.
Наиболее предпочтительные пирролсодержащие соединения, используемые в тримеризационной каталитической системе, выбирают из группы, состоящей из водород-содержащего пирролида, т. е. пиррола (C4H5N), 2,5-диметилпиррола и/или пирролидов хрома, из-за их повышенной тримеризационной активности. Для упрощения применения, но не обязательно, пирролид хрома может представлять собой источник хрома и пирролсодержащее соединение одновременно.
В настоящем описании, в том случае, когда пирролид хрома используется для формирования каталитической системы, это соединение рассматривается в качестве как источника хрома, так и пирролсодержащего соединения. Хотя все пирролсодержащие соединения могут обеспечивать получение каталитических систем, обладающих высокой активностью и производительностью, использование пиррола и 2,5-диметилпиррола обеспечивает получение каталитической системы с улучшенной активностью и селективностью по целевому продукту.
В качестве металл-алкила может использоваться любое гетеролептическое или гомолептическое металл-алкильное соединение. Может использоваться один или более металл-алкилов. Алкильный лиганд, связанный с металлом, может быть алифатическим и/или ароматическим. Предпочтительно алкильный(е) лиганд(ы) представляет(ют) собой насыщенный или ненасыщенный алифатический радикал. Металл-алкил может содержать любое число углеродных атомов. Однако, исходя из коммерческой доступности и легкости применения, металл-алкил обычно содержит менее 70 углеродных атомов на молекулу металл-алкила, предпочтительно менее 20 углеродных атомов на молекулу. Типичные металл-алкилы включают, но не ограничиваются ими, соединения алкилалюминия, соединения алкилбора, соединения алкилмагния, соединения алкилцинка и/или соединения алкиллития.
Типичные металл-алкилы включают, но не ограничиваются ими, н-бутиллитий, втор. -бутиллитий, трет. -бутиллитий, диэтилмагний, диэтилцинк, триэтилалюминий, триметилалюминий, триизобутилалюминий и их смеси.
Предпочтительно металл-алкил выбирают из группы, состоящей из не-гидролизованных, т. е. предварительно не контактировавших с водой, алкилалюминиевых соединений, производных алкилалюминиевых соединений, галогенированных алкилалюминиевых соединений и их смесей с целью достижения улучшенной селективности по конечному продукту, а также улучшенной реакционоспособности, активности и/или производительности каталитической системы.
Применение гидролизованных металл-алкилов может приводить к понижению выхода олефинов, т.е. жидких продуктов реакции, и повышенному выходу полимера, т.е. твердого продукта реакции.
Наиболее предпочтительно, когда металл-алкил представляет собой негидролизованное алкилалюминиевое соединение, соответствующее общим формулам AlR3, AlR2X, AlRX2, AlR2OR, AlRXOR и/или Al2R3X3, в которых R представляет собой алкильную группу, а X - атом галогена.
Типичные соединения включают, но не ограничиваются ими, триэтилалюминий, трипропилалюминий, трибутилалюминий, диэтилалюминийхлорид, диэтилалюминий бромид, диэтилалюминийэтилат, диэтилалюминий фенолят, этилалюминий дихлорид, этилалюминий полухлорид и их смеси с целью достижения наилучшей активности каталитической системы и селективности по конечному продукту. Наиболее предпочтительное алкилалюминиевое соединение представляет собой триэтилалюминий, поскольку в этом случае достигаются наилучшие результаты в отношении активности каталитической системы и селективности по конечному продукту.
Обычно контактирование и/или реакцию источника хрома, пирролсодержащего соединения и металл-алкила осуществляют в среде ненасыщенного углеводорода. В качестве ненасыщенного углеводорода может использоваться любой ароматический или алифатический углеводород в газообразном, жидком или твердом состоянии.
Предпочтительно, чтобы в ходе контактирования источника хрома, пирролсодержащего соединения и металл-алкила ненасыщенный углеводород находился в жидком состояния. Молекула ненасыщенного углеводорода может содержать любое число углеродных атомов. Обычно ненасыщенный углеводород содержит менее 70 углеродных атомов в расчете на молекулу, предпочтительно менее 20 углеродных атомов на молекулу, что связано с коммерческой доступностью и легкостью применения.
Типичные ненасыщенные алифатические углеводородные соединения включают, но не ограничиваются ими, этилен, 1-гексен, 1,3-бутадиен и их смеси. Наиболее предпочтительным ненасыщенным алифатическим углеводородным соединением является 1-гексен, поскольку в этом случае устраняется необходимость в проведении стадий приготовления каталитической системы и 1-гексен может являться продуктом реакции.
Типичные ненасыщенные ароматические углеводороды включают, но не ограничиваются ими, толуол, бензол, ксилол, мезитилен, гексаметилбензол и их смеси. Ненасыщенные ароматические углеводороды являются предпочтительными веществами для улучшения стабильности каталитической системы и получения высокоактивной и селективной каталитической системы. Наиболее предпочтительным ненасыщенным ароматическим углеводородом является толуол.
Однако следует иметь в виду, что реакционная смесь, включающая источник хрома, пирролсодержащее соединение, металл-алкил и ненасыщенный углеводород, может содержать дополнительные компоненты, которые не оказывают вредного влияния и способны улучшать полученную в результате каталитическую систему, например галогениды.
Хотя в присутствии ненасыщенного углеводорода может быть получена предпочтительная каталитическая система, в соответствии с настоящим изобретением может быть достигнута полезная стабилизация каталитической системы в результате ее контактирования с ароматическим соединением.
Контактирование каталитической системы и ароматического соединения может осуществляться в любой момент времени перед контактированием каталитической системы с одним из реагентов, например, таким олефином, как этилен, и до подвода тепла к каталитической системе. Поэтому предпочтительно, чтобы ароматическое соединение и каталитическая система могли предварительно контактировать вне реактора или контактировать в реакторе in situ. Контактирование ароматического соединения и каталитической системы может осуществляться при любых условиях, достаточных для стабилизации каталитической системы при подводе тепла. Обычно температуры контактирования лежат в интервале от -50oC до 70oC, предпочтительно 10-70oC.
В целях обеспечения легкости применения и безопасности наиболее предпочтительно проводить такое контактирование при температуре 20-30oC. Обычно время контактирования составляет величину менее 1 часа, предпочтительно от 0,01 секунды до 10 минут. Наиболее предпочтительный интервал времен контактирования составляет 0,1-30 секунд. Более длительные времена контакта не улучшают стабильность катализатора, а более короткие времена контакта могут оказаться недостаточными для обеспечения полного контактирования ароматического соединения и каталитической системы и поэтому не обеспечивают достаточной стабилизации каталитической системы. Могут использоваться любые давления, позволяющие осуществлять полное контактирование ароматического соединения и каталитической системы.
Наиболее предпочтительно использовать любое давление, способное поддерживать ароматическое соединение и каталитическую систему в жидком состоянии с тем, чтобы обеспечить полное контактирование. Наиболее предпочтительно проводить контактирование в сухой инертной атмосфера с тем, чтобы не изменять каталитическую систему.
Можно использовать любое ароматическое соединение, способное стабилизировать каталитическую систему при нагревании. Обычно такое ароматическое соединение содержит в молекуле 6 или более углеродных атомов и может иметь любые заместители, присоединенные к ароматическому кольцу. Предпочтительно для полного контактирования ароматического соединения с каталитической системой такое ароматическое соединение, которое содержит от шести до 50 углеродных атомов в молекуле.
Ароматическое соединение может выполнять функции собственного растворителя или может быть растворено в другом растворителе или носителе.
Ароматические соединения, молекулы которых содержат 6-50 углеродных атомов, как правило, более растворимы в реакционной среде при условиях проведения реакции, и поэтому их легко поддерживать в жидком состоянии.
Как правило, в реактор добавляют ароматическое соединение в количестве до примерно 15 вес.% в расчете на количество растворителя в реакторе, предпочтительно в количестве 0,1-10 вес.%. Наиболее предпочтительно, когда количество ароматического соединения, контактирующего с каталитической системой, составляет 0,5-5 вес. % в расчете на объем растворителя в реакторе. Избыточное количество ароматического соединения может ингибировать активность каталитической системы, а недостаточное количество ароматического соединения не обеспечивает ее стабилизации.
Количество молей ароматического соединения на моль активного хромового соединения в каталитической системе может составлять величину до 6000, причем предпочтительный интервал составляет 550-3000 молей ароматического соединения на моль активного хрома каталитической системы. По указанным выше причинам наиболее предпочтительно использовать количество в интервале 400-1000.
Под термином "тримеризация", используемым в тексте описания, подразумевается комбинация любых двух, трех или более олефинов, при которой число олефиновых, т.е. углерод-углеродных двойных связей, уменьшается на две единицы. Для использования в процессе тримеризации настоящего изобретения подходящие олефиновые соединения способны а) самореагировать, т.е. тримеризоваться, с образованием полезных продуктов, так, например, в случае этилена реакция такого типа приводит к образованию гексена-1, а в случае 1,3-бутадиена можно получить 1,5-циклооктадиен; и/или
б) реагировать с другими олефиновыми соединениями, т.е. со-тримеризоваться с образованием полезных продуктов, так, например, в случае со-тримеризации этилена с гексеном можно получить 1-децен и/или 1-тетрадецен, при со-тримеризации этилена и бутена-1 можно получить 1-октен, при со-тримеризации 1-децена и этилена можно получить 1-тетрадецен и/или 1-докозен. Так, например, число олефиновых связей при комбинации трех этиленовых единиц уменьшается на две единицы до одной олефиновой связи в гексене-1.
Согласно другому примеру число олефинових связей при комбинации двух молекул 1,3-бутадиена уменьшается на две единицы, до двух олефиновых связей в 1,5-циклооктадиене.
Используемый в тексте термин "тримеризация" включает, в соответствии с указанным выше, как димеризацию диолефинов, так и "со-тримеризацию".
Подходящими для тримеризации олефинами являются соединения, которые содержат в молекуле 2-30 углеродных атомов и имеют, по крайней мере, одну олефиновую двойную связь. Типичные моно-1-олефиновые соединения включают, но не ограничиваются ими, такие, например, ациклические и циклические олефины, как этилен, пропилен, 1-бутен, 2-бутен, изобутилен, 1-пентен, 2-пентен, 1-гексен, 2-гексен, 3-гексен, 1-гептен, 2-гептен, 3-гептен, четыре нормальных октена, четыре нормальных нонена, а также смеси любых двух других или более перечисленных соединений.
Типичные диолефиновые соединения включают, но не ограничиваются ими, 1,3-бутадиен, 1,4-пентадиен и 1,5-гексадиен. Если в качестве реагентов используются разветвленные и/или циклические олефины, то можно предположить, без теоретических ограничений, что стерические затруднения будут препятствовать протеканию реакции тримеризации. Поэтому предпочтительно, чтобы paзвeтвлeнная или циклическая часть олефина находилась далее от углерод-углеродной двойной связи.
Каталитические системы, полученные в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно использовать в качестве тримеризационных каталитических систем.
Продукты реакции, т. е. олефиновые тримеры, в соответствии с настоящим изобретением могут быть получены на каталитических системах настоящего изобретения путем проведения реакции в растворе, суспензии и/или газовой фазе с использованием традиционного оборудования и условий контактирования.
Контактирование мономера или мономеров с каталитической системой может осуществляться любым способом, известным в данной области техники. Один из удобных методов заключается в суспендировании каталитической системы в органической среде и перемешивании смеси с целью поддержания каталитической системы в растворе в ходе всего процесса тримеризации. Могут также использоваться и другие известные способы контактирования.
В ходе проведения реакции могут применяться любые температуры и давления, при которых может осуществляться тримеризация олефиновых реагентов. Обычно температура реакции лежит в интервале 0-250oC.
Предпочтительно использовать реакционные температуры в интервале 60-200oC, более предпочтительно - в интервале 80-150oC. Обычно реакцию проводят при давлениях в интервале от атмосферного до 175,8 кг/см2 (2500 фунт/дюйм2). Предпочтительно использовать давления в интервале от атмосферного до 70 кг/см2 (1000 фунт/дюйм2) и наиболее предпочтительно использовать интервал давлений 21,1-49,2 кг/см2 (300-700 фунт/дюйм2).
Использование слишком низких температур реакции может приводить к образованию большого количества нежелательного нерастворимого продукта, например полимера, а слишком высокие температуры могут вызывать разложение каталитической системы и продуктов реакции. Слишком низкое давление может приводить в результате к низкой активности каталитической системы.
В качестве необязательной меры в реактор может вводиться водород с целью ускорения реакции и/или повышения активности каталитической системы.
Каталитические системы настоящего изобретения особенно подходят для использования в процессах тримеризации. Суспензионный процесс обычно проводят в таком инертном разбавителе (среде), как парафин, циклопарафин или ароматический углеводород.
Типичные реакционные разбавители включают, но не ограничиваются ими, изобутан и циклогексан. Изобутан может использоваться с целью улучшения совместимости процесса с другими известными процессами получения олефинов. Однако гомогенная каталитическая система тримеризации более растворима в циклогексане. В связи с этим предпочтительным разбавителем для гомогенного каталитического процесса тримеризации является циклогексан. В том случае, когда доминирующим реагентом является этилен, обычно поддерживают температуру в интервале 0-300oC. Предпочтительный температурный интервал в этом случае составляет 60-110oC.
Олефины, получаемые согласно настоящему изобретению, могут находить разнообразное применение, например в качестве мономеров, используемых для получения гомополимеров, сополимеров и/или терполимеров.
Следующие ниже примеры помогут лучшему пониманию настоящего изобретения и его преимуществ.
ПРИМЕР 1
Типичную каталитическую систему получали в инертной атмосфере (азот) с использованием 2-этилгексаноата хрома (III) (21,3 ммоля Cr), 2,5-диметилпиррола (63,8 ммоля), этилалюминий-дихлорида (85,1 ммоля) и триэтилалюминия (319 ммоля) в соответствии со следующей методикой: 2-этилгексаноат хрома (III) растворяли в 100 мл безводного толуола и к полученному в результате темно-зеленому раствору добавляли 2,5- диметилпиррол. В отдельном резервуаре смешивали этилаллюминий-дихлорид и триэтилалюминий. Затем раствор алюминий-алкила медленно переливали в раствор хром/пиррола. Полученный в результате темный желто-коричневый раствор перемешивали в течение 5 минут и затем растворитель удаляли в вакууме. Оставшуюся маслянистую жидкость разбавляли циклогексаном до объема 150 мл и полученной системе давали отстаиваться в течение ночи в атмосфере азота при комнатной температуре и нормальном давлении. Затем раствор фильтровали с целью удаления из фильтрата черного осадка, содержащего каталитическую систему, и фильтрат разбавляли циклогексаном до объема 250 мл.
Раствор каталитической системы и растворитель (додекан) помещали в 1-литровую колбу, снабженную патрубком для подачи азота и мешалкой, в атмосфере азота и реактор нагревали до необходимой температуры.
В реактор подавали этилен до достижения давления 49,2 кг/см2 (700 фунт/дюйм2) и затем в течение определенного времени для его поддержания в систему вводили дополнительное количество этилена.
После этого подачу этилена прекращали и через вентиль и охлаждаемый медный змеевик медленно сбрасывали давление. Жидкость, сконденсировавшуюся в змеевике и реакторе, собирали и анализировали. Сразу после падения давления в реакторе до одной атмосферы систему слегка продували азотом с целью удаления летучих продуктов.
Затем реактор снова закрывали и вновь подавали этилен до достижения давления 49,2 кг/см2 (700 фунт/дюйм2), для его поддержания подавали дополнительное количество этилена.
В реакторе снова сбрасывали давление, как описано выше. Операция закрывания реактора, подачи под давлением этилена, сбрасывания давления и сбора образца повторяли еще два или три раза.
В опыте 101 в качестве части каталитической системы загружали 10 мг хрома (Cr), а в опытах 102-104 - 5 мг Cr.
В таблице 1 приведены результаты четырех опытов, в которых не добавляли дополнительных количеств ароматических соединений с целью стабилизации каталитической системы. Данные, приведенные в таблицах 1 и 2, суммированы или обобщены для всех собранных фракций образца. Такие заголовки колонок в этих таблицах, как C4= и C6= относятся ко всему количеству однотипного собранного олефина, например ко всем бутенам и всем гексенам, если не указано особо. Оставшиеся до 100 вес.% собранные продукты представляли собой олефины, содержащие более 10 углеродных атомов на молекулу.
Представленные в таблице 1 данные показывают, что по мере повышения температуры реакции, например, с 90oC до 140oC активность каталитической системы понижается. Из данных таблицы 1 также следует, что активность каталитической системы падает с течением времени при постоянных условиях проведения реакции.
ПРИМЕР 2
В опытах 201-204 использовали каталитические системы, идентичные описанным для опытов 101-104, и условия реакции получения олефинов аналогичны тем, что указаны в таблице 1. Однако в опытах 201-204 совместно с каталитической системой в реактор вводили ароматическое соединение. Температура реакции в опытах 201-204 составляла 140oC, и в реактор в качестве компонента каталитической системы загружали 5 мг Cr. В опытах 201 и 202 в реактор совместно с каталитической системой получения олефинов вводили 15 мл толуола, а в опытах 203 и 204 совместно с каталитической системой вводили 15 мл свежеперегнанного н-бутилбензола. Результаты опытов 201-204 приведены в таблице 2.
Как можно видеть из данных, приведенных в таблице 2, добавление к каталитической системе ароматического соединения значительно увеличивает активность каталитической системы и общее количество граммов собранного олефина, что не сопровождается ухудшением селективности по 1-гексену.
Хотя настоящее изобретение в целях иллюстрации описано достаточно подробно, оно не ограничивается приведенным описанием и охватывает все изменения и модификации, подпадающие под его сущность и объем.
Описываются способ и стабилизированная каталитическая система для получения олефинов, содержащая источник хрома, пирролсодержащее соединение и металл-алкил. Стабилизирование заключается в контактировании каталитической системы для получения олефинов до и после применения с ненасыщенным ароматическим углеводородом, содержащим от 6 до менее 20 атомов углерода, при температуре от -50 до 70°С, времени контакта менее 1 ч, причем количество углеводорода составляет до 6000 молей на 1 моль активного соединения хрома. Полученная стабилизированная каталитическая система обладает повышенной термостабильностью. 2 с. и 15 з.п.ф-лы, 2 табл.
Способ удаления остатков катализатора алкилирования ароматических углеводородов олефинами или олигомеризации олефинов | 1978 |
|
SU1022959A1 |
US 4319065 А, 09.03.1982 | |||
1972 |
|
SU416304A1 | |
US 5221774 А, 22.01.1993. |
Авторы
Даты
2000-08-10—Публикация
1995-02-17—Подача