CN1874975A - 使离子液体催化剂与氧接触以改进化学反应的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

在一个实施方案中，公开了一种提高离子液体催化剂活性的方法，该方法包括使离子液体催化剂与氧接触。在另一个实施方案中，公开了一种方法，其包括将单体进料和离子液体催化剂引入反应区，控制存在于反应区内的氧量以维持单体转化反应。在另一个实施方案中，公开了一种聚α－烯烃低聚系统，其包括反应器和控制器，构造所述反应器用于接收单体、离子液体催化剂和氧并使之混合，所述控制器与氧源相连并构造用于控制存在于催化反应区内的氧量以维持单体转化反应。

Description

使离子液体催化剂与氧接触以改进 化学反应的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2003年10月31日提交的题为“使离子液体催化剂与氧接触以改进化学反应的方法和系统”的美国临时专利申请No.60/516,516的权益和优先权。本申请与2003年4月22日提交的题为“使用离子液体催化剂制备高粘度聚α-烯烃的方法”的共同待审美国专利申请No.10/420,261相关，而该申请要求于2002年4月22日提交的题为“使用离子液体催化剂制备高粘度聚α-烯烃的方法”的美国临时专利申请No.60/374,528的权益和优先权。本申请还与2003年4月22日提交的题为“制备离子液体催化剂的方法”的共同待审美国专利申请No.10/420,182相关。本申请还与同时提交的题为“引入高剪切以改进离子液体催化的化学反应的方法和系统”的美国专利申请No.______(代理人案号210538US01(4081-05501))相关，而该申请要求于2003年10月31日提交的美国临时专利申请No.60/516,501的权益和优先权。出于所有目的，上述各申请在此全文作为参考引入。
技术领域
本发明总体涉及用于化学转化的离子液体催化体系。更具体地，本发明涉及在聚α-烯烃产品的制备中为提高单体转化率而提高的离子液体催化剂活性。
背景技术
可以使用离子液体催化剂催化多种化学反应，例如α-烯烃低聚制备聚α-烯烃(PAO)。聚α-烯烃是通常由C6-C20α-烯烃低聚制备的合成烃液体。聚α-烯烃在许多工业中用作齿轮油、润滑脂、机油、纤维光学凝胶、润滑油以及多种其它润滑剂应用中的润滑剂。用于制备PAO的离子液体催化剂可能很贵。因此，本领域中需要一种提高离子液体催化剂效率的方法，例如提高离子液体催化剂活性并且仍用较少量催化剂维持所需转化率，由此改进过程经济性。
发明内容
在一个实施方案中，公开了一种提高离子液体催化剂活性的方法，该方法包括使离子液体催化剂与氧接触。在另一个实施方案中，公开了一种方法，其包括将单体进料和离子液体催化剂引入反应区，并控制存在于反应区内的氧量以维持单体转化反应。在另一个实施方案中，公开了一种低聚系统，其包括反应器和控制器，构造该反应器用于接收单体、离子液体催化剂和氧并使之混合而控制器与氧源相连，构造该控制器以控制存在于催化反应区内的氧量，从而维持单体转化反应。
附图说明
图1是在制备氢化聚α-烯烃产品的工艺中结合的使离子液体催化剂与氧接触的系统的一个实施方案的工艺流程图。
具体实施方式
本发明涉及一种使离子液体催化剂与氧接触以提高离子液体催化剂在生产过程中的活性的系统和/或方法。本发明还涉及一种使离子液体催化剂与水接触以提高离子液体催化剂在生产过程中的活性的系统和/或方法。另外，本发明涉及一种使离子液体催化剂与氧和水接触以提高离子液体催化剂在生产过程中的活性的系统和/或方法。一般而言，本发明可以用于其中氧可能影响反应速率、转化率百分数、催化剂活性、反应产物性能或这些因素任意组合的任何离子液体催化的反应。在聚α-烯烃的制备中使氧与离子液体液滴接触是可能影响这些因素中的一个或多个的过程。另外，在烯烃低聚反应中，离子液体液滴的大小可能影响这些因素中的一个或多个。
本发明还涉及一种制备聚α-烯烃的方法，其包括：1)使单体进料与离子液体催化剂接触；和2)回收聚α-烯烃产品；其中使离子液体催化剂与氧、水或这两者接触。在这类聚α-烯烃工艺的一些实施方案中，使离子液体催化剂与氧接触。在另一些实施方案中，使离子液体催化剂与水接触。在另一些实施方案中，使离子液体催化剂与氧和水接触。在本文中叙述了该单体进料、离子液体催化剂、氧和/或水的量及其它工艺参数。
以下公开内容主要集中于实施本发明以制备PAOs。但应该理解，本发明的范围由权利要求书所确定，并不局限于本文所描述的特定实施方案。因此，本文所描述的本发明同样可用于其它烯烃聚合和/或低聚反应。
图1描绘了使离子液体催化剂与氧接触以提高离子液体催化剂在用于制备氢化的聚α-烯烃(PAO)产品的生产过程1中的活性的系统100。该系统100包括反应器10和控制器103，构造反应器10用于接收反应物进料、离子液体催化剂和氧并使之混合，控制器103与氧源(未示出)相连并构造用于控制存在于催化反应区内的氧量，以维持反应物的转化反应。系统100包括：通过管线12将反应物进料和通过管线14将离子液体催化剂引入反应器10的反应区，通过产品线16从反应器10的反应区中采出反应流出物。在一个实施方案中，可以通过以下方式将氧引入系统100：通过所示出的氧注入管线101按控制器103控制的量将氧注入离子液体催化剂管线14，以在反应区之前在管线14中预接触离子液体催化剂。另外，可以将氧注入反应物进料管线12(未示出)或者直接注入反应器10(未示出)，以在反应区内使离子液体催化剂与氧接触。另外，可以将反应物进料和离子液体催化剂组合并通过单个进料管线(未示出)进料，可以将氧注入该组合进料管线内。在一个实施方案中，通过以下方式将氧注入前述管线中：例如将至多5体积％的氧加入设置在该管线中的泵例如高剪切泵的吸入侧。
在反应区内进行的反应可以是低聚反应。在一个实施方案中，系统100的反应区包括了在反应器10内的低聚反应，其中进料物流12包含α-烯烃单体，产品线16包含聚α-烯烃产品。合适的α-烯烃单体的非限定性例子包括含有4-20个碳原子、或者6-20个碳原子、或者8-16个碳原子、或者10-14个碳原子的α-烯烃。
以下公开内容主要集中于PAO生产实施方案，但应该理解，本发明的范围由权利要求书所确定，并且不限于本文中所描述的特定实施方案。例如，在一个替代性实施方案中，系统100的反应区包括了在反应器10内的一般低聚反应，其中进料物流12包含可低聚的烯烃，产品物流16包含低聚产品。合适的可低聚烯烃的非限定性例子包括含有3个以上碳原子的直链单烯烃及其混合物。另外，单烯烃含有4-30个碳原子，或者为4-20个碳原子，其中双键可以位于直链碳链的任何位置。合适的烯烃的非限定性例子包括1-丙烯、1-丁烯、2-丁烯、1-戊烯、2-戊烯及其混合物。
该聚α-烯烃低聚过程的反应区可以由本领域公知的任何反应装置限定，其提供了在被维持和控制的合适反应条件下使单体与离子液体接触以提供单体的反应，由此得到聚α-烯烃产品。反应区通常由向其中引入单体和离子液体催化剂的反应容器即反应器10限定。如图1中所示，可以通过单独的进料物流将单体和离子液体催化剂分别引入反应区，单体通过管线12而离子液体催化剂通过管线14或者它们可以作为预混物一起引入。由于单体进料和离子液体催化剂通常是不混溶的流体，因此反应器10可以装配混合或搅拌装置例如图1中的搅拌器11，用于使单体进料和离子液体催化剂混合，以使这两种流体紧密接触或者提供基本均匀的单体进料和离子液体催化剂的混合物。适宜地提供了所要求的单体进料和离子液体催化剂的混合的一类反应器是本领域已知的连续搅拌釜反应器(CSTR)。
维持反应区内的反应条件，以提供用于将α-烯烃单体进料低聚从而得到聚α-烯烃产品的合适反应条件。通常可以将反应压力维持在低于大气压至约250psig的范围内。由于该反应并不是明显与压力相关，因此最经济的是在低压例如约为大气压至约50psig或者大气压至25psig下操作反应器。在反应期间维持反应温度以保持反应物和催化剂至处于液相。因此，反应温度范围通常约为20-200。在一个实施方案中，反应温度范围约为40-150或者50-110。
进料在反应区内的停留时间对所得反应产物影响较小。在此所使用的术语“停留时间”被定义为反应器容积与装入或引入由反应器限定的反应区的进料即单体进料和离子液体催化剂进料的体积引入流量的比例。该停留时间以时间单位计。反应器容积和进料引入流量应使总的单体进料和离子液体催化剂进料的停留时间通常至多约为300分钟，但是由于为了反应进行和经济考虑而需要足够的停留时间，因此停留时间更适宜地约为1-200分钟。在一个实施方案中，停留时间约为2-120分钟或者5-60分钟。
在一些实施方案中，在反应区之前使离子液体与氧接触。在另一些实施方案中，在反应区内使离子液体与氧接触。可以通过控制器103控制存在于反应区内的氧量以维持反应。可以通过以下方式控制存在于反应区内的氧量：控制反应区的单体进料中的氧量、控制反应区的离子液体催化剂进料中的氧量、控制反应区的组合单体和离子液体催化剂进料中的氧量、控制位于在存在于反应区内的液体组分上方的顶部空间的气体中的氧量或其组合。在一个实施方案中，氧占反应区上方顶部空间内气体的至少约0.5-100wt％，或者为约0.5-50wt％，或者为约0.5-21wt％，或者为约18-21wt％，或者为约4-21wt％，或者为约0.5-8wt％，或者为约1-8wt％，或者为约3-8wt％，或者为约5-8wt％。另外，可以在反应区中维持恒定的氧分压，由此置换可能在反应中消耗的氧，以此方式将氧加入系统100。由于在较高的浓度下涉及到易燃性，因此在所有的实施方案中，均应该控制存在于反应区内的氧量，以使所述量被认为是安全的。
在一个实施方案中，将控制存在于反应区内的氧量，以使得该量足以维持反应区中所希望的反应。在一些实施方案中，控制存在于反应区内的氧量，以获得等于或大于约20wt％的单体进料转化率。在另一些实施方案中，控制存在于反应区内的氧量以获得等于或大于约30wt％、40wt％、50wt％、60wt％、70wt％或75wt％的单体进料转化率。对于给定的离子液体催化剂组合物而言，可以在试验中通过反复地降低反应区中的氧量并监控单体转化率直到该转化率对于所需反应而言不可接受，从而来确定氧量的下限。构成可接受的离子液体催化剂活性的因素可以取决于例如特定的催化剂组合物、反应条件和/或所要制备的最终产品的种类和性能(例如粘度指标)。用来确定为了实现在此所述的对于特定的催化剂组合物、反应条件和/或最终产品组合而言的效果所需的氧量的常规试验方法在本领域技术人员考虑本公开内容之后的能力之内。
可以使用任何合适的氧源例如含氧气体、含氧液体或这两者控制存在于反应区内的氧量。在其中控制存在于顶部空间气体中的氧量的一个实施方案中，可以通过将氧直接注入顶部空间而加入氧。在一个替代性实施方案中，可以通过使氧向上鼓泡通过反应区而加入氧。例如，可以将氧源与反应器10底部的分布板相连以将氧加入反应器。在一个实施方案中，氧源(未在图1中示出)可以是纯氧、空气、干燥空气(即含有降低量的水的空气)、富氧空气、其它氧源例如工艺物流或其组合。该氧源可以是气态或者液态。氧流例如干燥空气可以在其中含有以重量计少于约1ppm的水。可以控制和/或选择氧源中的氧量，以获得希望的反应转化率。
本发明还涉及使离子液体催化剂与水接触以提高离子液体催化剂在生产过程中的活性的系统和/或方法。在一个实施方案中，可以将一定量的水加入离子液体催化剂中，以活化催化剂并由此提高单体进料的转化率百分数，但前提是所加入的水量要小于不希望的使催化剂失活的量。在聚α-烯烃低聚反应中控制水的优点详细描述于2003年4月22日提交的题为“使用离子液体催化剂制备高粘度聚α-烯烃的方法”的美国专利申请No.10/420,261中，该申请在此全文引入作为参考。在一些实施方案中，在反应区之前使离子液体与水接触。在另一些实施方案中，在反应区内使离子液体与水接触。在本公开内容的一个实施方案中，可以控制存在于反应区内的水量以及氧量以维持反应并避免使离子液体催化剂失活。因此，有关反应区内水的控制的公开内容可与本文中所述的氧的控制相结合。在一个实施方案中，存在于反应区内的水量基于反应区内总反应物的重量约为10-20ppm。在一个实施方案中，通过一个控制器来控制存在于反应区内的水量，该控制器与氧控制器103相同或不同，构造用于控制水量以使得该量小于足以使离子液体催化剂失活(即由三氯化铝形成所不希望的量的氢氧化铝)的上限量并大于不足以维持反应区中所需反应(例如单体进料转化率小于约20wt％)的下限量。
对于给定的离子液体催化剂组合物而言，可以通过反复降低反应区中的水量并监控单体转化率直到该转化率对于所需反应而言不可接受，从而实验确定水的下限量。相反，对于给定的离子液体催化剂组合物而言，可以通过反复提高反应区中的水量并监控催化剂失活率直到该失活率对于所需反应而言不可接受，从而实验确定水的上限量。构成可接受的离子液体催化剂活性的因素可以取决于例如特定的催化剂组合物、反应条件和/或所制备的最终产品的种类和性能(例如粘度指标)。用来确定为了实现在此所述的对于特定的催化剂组合物、反应条件和/或最终产品组合的效果所需的氧量的常规试验方法在本领域技术人员考虑本公开内容之后的能力之内。
在一些实施方案中，水的最大上限量是与催化剂反应生成其非催化物质的水的化学计量比。对于通过与水反应形成氢氧化铝而失活的包含氯铝酸盐(例如Al2Cl7 -)的离子液体催化剂而言，水的最大上限量是每摩尔氯铝酸盐约6摩尔水的摩尔比。
可以通过以下方式控制存在于反应区内的水量：控制反应区的单体进料中的水量、控制位于在存在于反应区内的液体组分上方的顶部空间的气体中的水量或其组合。存在于离子液体催化剂中的水量(如果有)通常约为恒定的并因此在进行初始控制校正之后不会进行常规调节或者改变。
在其中控制存在于单体进料中的水量的一个实施方案中，存在于进料中的水量约为1-100ppm。在其中控制存在于单体进料中的水量的另一些实施方案中，进料中的水量约为2-60ppm，或者为约3-30ppm，或者为约5-15ppm，基于单体进料的重量计。在其中控制存在于顶部空间气体中的水量的一个实施方案中，将单体进料干燥至水含量以重量计小于约1ppm，并将一定量的湿气例如湿氮(例如包含一定量的水的氮气)加入反应区以控制其中的水量。可以通过例如使干燥的氮气鼓泡穿过水而制备湿氮。在一些实施方案中，控制存在于反应区内的水量以获得等于或大于约20wt％的单体进料转化率。在另一些实施方案中，控制存在于反应区内的水量以获得等于或大于约30wt％、40wt％、50wt％、60wt％、70wt％或75wt％的单体进料转化率。
在其中将单体进料干燥至水含量以重量计小于约1ppm并且顶部空间气体是干燥氮气的一个实施方案中，存在于反应区内的水量可能不足以维持在反应区中所需的反应，即单体进料的转化率小于约20wt％。在该实施方案中，可以通过以下方式提高单体进料的转化率重量百分数：a)如前所述例如通过将湿氮加入反应区顶部空间或者通过本领域技术人员所公知的其它方法来提高存在于反应区内的水量；b)如前所述例如通过将氧加入反应区顶部空间而将氧加入反应区；或者c)a)和b)的组合。换句话说，可以按前述方式将一定量的水、氧或者这两者加入离子液体催化剂中，以使催化剂活化并由此提高单体进料的转化率重量百分数，但前提是所加入的水、氧或这两者的量要小于不希望的使催化剂失活的量。在一些实施方案中，控制存在于反应区内的氧和水的量以获得等于或大于约20wt％的单体进料转化率。在另一些实施方案中，控制存在于反应区内的氧和水的量以获得等于或大于约30wt％、40wt％、50wt％、60wt％、70wt％或75wt％的单体进料转化率。
不希望受理论所束缚，据信离子液体催化剂需要存在质量供体例如酸，在反应区中存在或形成的水与催化剂(例如氯铝酸盐)反应形成氯化氢，其起到了残余催化剂的质量供体的作用。在一个实施方案中，将酸例如氯化氢或者其它酸例如布朗斯台德酸或路易斯酸直接加入离子液体催化剂中。例如，可以通过使氯化氢气体鼓泡穿过离子液体催化剂或者通过本领域技术人员所公知的任何其它方法而将氯化氢直接加入离子液体催化剂中。
在一个实施方案中，可以按上述方式将一定量的氧、一定量的水或这两者加入离子液体催化剂中，以使催化剂活化并由此提高单体进料的转化率重量百分数，但前提是所加入的氧、所加入的水或这两者的量要小于不希望的使催化剂失活的量。在该实施方案中，单体转化率约为44-58％，或者为约44-70％，或者为约44-85％，或者为约44-100％。
用于该离子液体反应混合物的乳化量可以如前面所参考的和其同时提交的题为“引入高剪切以改进离子液体催化的化学反应的方法和系统”的美国专利申请No.(代理人案号210538US01(4081-05501))所公开的那样来控制，该申请要求了于2003年10月31日提交的美国临时专利申请No.60/516,501的权益和优先权。
反应区中的催化剂浓度可以用来控制聚α-烯烃产品的某些所希望的物理性能。在一个实施方案中，基于反应器进料重量，被引入反应区的离子液体催化剂的重量百分比可以为约0.1-50wt％，或者为约0.1-25wt％，或者为约0.1-10wt％，或者为约0.1-5wt％，或者为约1-3wt％，或者为约1.5-2.5wt％，或者为约2.0-2.5wt％。
在聚α-烯烃的生产中，被引入本工艺的反应区的单体进料包含至少一种α-烯烃。在一个实施方案中，基于单体进料的重量，该单体进料包含至少约50wt％的α-烯烃，或者至少约60wt％、70wt％、80wt％、90wt％、95wt％或99wt％的α-烯烃。在一个实施方案中，单体进料基本由α-烯烃组成，这应该被理解为包括了可商购的α-烯烃产品。也被称为1-烯烃或1-链烯烃的适于用作为本工艺的单体进料的α-烯烃及其组合可以含有4-20个碳原子，包括例如1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯、1-癸烯、1-十二碳烯、1-十四碳烯及其组合。在一些实施方案中，单体进料包含1-癸烯。在另一些实施方案中，单体进料包括1-十二碳烯。在另一些实施方案中，单体进料基本由1-癸烯、1-十二碳烯或其混合物组成。单体进料的α-烯烃或其混合物可以含有4-20个碳原子，或者6-18个碳原子，或者为约10-12个碳原子。
从反应区采出的反应器流出物通常包含聚α-烯烃和离子液体催化剂。可以根据本公开内容制备多种聚α-烯烃。聚α-烯烃是由单体制成的合成烃液体。聚α-烯烃具有带有烯烃键即碳-碳双键的复杂的支化结构，由于催化剂的异构化作用，该烯烃键可以位于分子的任何位置。在此所使用的术语“聚α-烯烃”包括α-烯烃低聚产品，该产品是α-烯烃的二聚物、三聚物、四聚物、更高级低聚物、聚合物或者其任意一种或多种的混合物，其每一种均具有某些所希望的物理性能，具体地具有所希望的高粘度性能，所有的这些在下面将更完整地进行描述。因此，聚α-烯烃可以包括含于单体进料中的α-烯烃的二聚物、三聚物、四聚物、更高级低聚物、聚合物或其任意一种或多种的混合物。这些二聚物、三聚物、四聚物、更高级低聚物、聚合物或其任意一种或多种的混合物可以包含具有12至1300个以上碳原子的分子。
如果有未反应的单体，则反应器流出物可以进一步包括单体进料中的α-烯烃和未反应单体的二聚物。可以将聚α-烯烃与反应器流出物的其它组分分离，这些其它组分包括离子液体催化剂和任选的未反应单体以及在单体进料反应期间形成的二聚物。可以使分离的聚α-烯烃经受随后的加工或者改质例如氢化，以形成更稳定的例如可用作基础油原料的聚α-烯烃产品(在本文中称作氢化的聚α-烯烃产品)。氢化的聚α-烯烃产品含有用氢饱和的烯烃-碳，这赋予分子优良的热稳定性。
在一个实施方案中，氢化的聚α-烯烃产品的粘度约为2-100cSt@100℃，例如低粘度的氢化聚α-烯烃产品的粘度约为2-12cSt@100℃，中等粘度的氢化聚α-烯烃产品的粘度约为12-40cSt@100℃，或者高粘度的氢化聚α-烯烃产品的粘度约为40-100cSt@100℃。氢化的聚α-烯烃产品的重均分子量可以为约170-18,200，或者为约200-10,000，或者为约210-8,000，或者为约250-3,000。在另一些实施方案中，氢化的聚α-烯烃产品的重均分子量可以为约500-8,000，或者为约1,000-5,000，或者为约1,500-2,500。
在一个实施方案中，可以由1-癸烯或1-十二碳烯原料或其混合物制备氢化的聚α-烯烃产品。得自于这些原料的氢化的聚α-烯烃产品特别明显的是它们具有独特的物理性能。下表1中示出了氢化的聚α-烯烃产品的各种物理性能的典型范围和用于测量这些物理性能的相关测试方法。
                                    表1
                         氢化的PAO产品的物理性能
  试验   单位   测试方法           数值
  在100℃下的运动粘度   cSt   ASTM D445   最小最大   12.035.0
  溴指数   mg/100g   ASTM D2710   最大   800
  挥发度，Noack   wt％   CEC L40 T87   最大   2.0
  闪点   ℃   ASTM D92   最小   245
  燃点   ℃   ASTM D92   最小   290
  倾点   ℃   ASTM D97   最大   -30
  多分散度指数   最大最小   3.51.0
  重均分子量   最小最大   17018200
可使用适于催化所需的化学反应的任何离子液体催化剂。适用于本发明方法的离子液体组合物的例子是在本发明方法反应条件下形成液态组合物的两种组分的复合物。具体地，离子液体催化剂是由金属卤化物和含烷基的氢卤化物胺盐的结合得到的复合物。这类组合物详细描述于美国专利Nos.5,731,101和6,395,948中，其每一个的公开内容在此全文引入作为参考。已经发现，使用这类离子液体组合物提供了具有某些所希望的新颖的物理性能的聚α-烯烃终产品，这使得它们特别适用于各种润滑剂或润滑剂添加剂的应用。使用离子液体组合物制备聚α-烯烃产品描述于美国专利6,395,948和2004年6月27日提交的美国专利申请10/900221中，其公开内容在此全文引入作为参考。
可用于形成在本发明中使用的离子液体催化剂的金属卤化物是在上述反应温度下与含烷基的氢卤化物胺盐结合时能够形成液体形式的离子液体复合物的那些化合物。合适的金属卤化物的例子是共价键接的金属卤化物。可以被选择用于本文中的可能合适的金属包括元素周期表(CAS版本)的族IVB、VIII、IB、IIB和IIIA的那些。更具体地，该金属卤化物的金属可以选自铝、镓、铁、铜、锌、钛和铟，或者选自铝和镓，或者为铝。金属卤化物的例子包括选自卤化铝、烷基卤化铝、卤化镓、烷基卤化镓、卤化钛和烷基卤化钛的那些，其中特别希望的是卤化铝或烷基卤化铝。在一个实施方案中，金属卤化物是卤化铝或烷基卤化铝。在一个实施方案中，金属卤化物是三氯化铝。
可用于形成在本发明中使用的离子液体催化剂的含烷基的氢卤化物胺盐包括：单胺、二胺、三胺和环状胺，所有这些均包含一个或多个烷基和氢卤化物阴离子。术语“烷基”意在包括含有1-9个碳原子的直链和支化烷基。可用于本发明的含烷基的氢卤化物胺盐的例子含有至少一个烷基取代基并可以含有多至三个的烷基取代基。它们可与全部四个取代基位置均被烃基占据的季铵盐相区别。合适的化合物的例子是具有通式R3N·HX的那些，其中至少一个“R”基团是烷基，例如1-8个碳原子的烷基(例如1-4个碳原子的低级烷基)，X是卤素例如氯化物。如果三个R基团的每一个被分别指定为R1、R2和R3，则在某些实施方案中存在以下可能性：R1-R3的每一个可以是任选被氮或氧中断的或者被芳基取代的低级烷基；R1和R2可以形成环，R3如前面针对R1所述；R2和R3的任一个可以是氢，R1如前面所述；或者R1、R2和R3可以形成双环。在一个实施方案中，三个基团是甲基或乙基。在一个实施方案中，可以使用二烷基和三烷基物质。在一个实施方案中，一个或两个R基团可以是芳基。这些烷基和如果存在的芳基可以被其它基团例如卤素所取代。苯基和苄基是可以选择的芳基的代表性例子。但这些进一步取代可能会不希望地提高熔体的粘度。因此，在一个实施方案中，这些烷基和如果存在的芳基只由碳和氢基团组成。这种短链是所希望的，因为它们形成了粘性最小或传导性最大的熔体。可以使用这些含烷基的氢卤化物胺盐的混合物。
氢卤化物胺盐的例子是其中R基团是氢或含有1-4个碳原子的烷基并且氢卤化物是氯化氢的那些化合物，其一个例子是三甲胺氯化氢。
可以将所制备的离子液体储存并随后用作本文中所述反应的催化剂。一旦被用作催化剂，则可以通过本领域技术人员已知的方法将离子液体从反应流出物中分离和/或回收。可以将分离和/或回收的离子液体单独或者与新鲜制备的离子液体催化剂组合而再循环用作催化剂。在一些情况下，可以用一定量的金属卤化物或者氢卤化物胺盐将再循环的离子液体组分强化。
以下描述将所公开的本发明方法结合到图1中所示的实施方案中，其中示出了用于制备氢化聚α-烯烃产品的生产过程1。通过管线101将氧注入管线14，其量通过控制器103控制。通过管线12将单体进料以及再循环的单体和二聚物引入或装入反应器10，其在下文中被称作连续搅拌釜式反应器或CSTR 10，所述再循环的单体和二聚物在下面将更全面地描述。通过管线14将补充的离子液体催化剂和再循环的离子液体催化剂进料引入或装入CSTR 10，所述再循环的离子液体催化剂进料在下面将更全面地描述。将单体和离子液体催化剂进料同时引入CSTR 10，在引入进料的同时通过管线16从CSTR 10采出反应器流出物。
通过管线16将反应器流出物从CSTR 10中通入第一相分离器18，该分离器提供了将反应器流出物分离成离子液体催化剂相20和含有烃或聚α-烯烃的相22的装置。通过管线24将分离的离子液体催化剂相20再循环并与通过管线14的补充离子液体催化剂组合，由此引入CSTR 10。该第一相分离器可以是本领域技术人员已知的能够分离两种具有不同密度的不混溶液体的任何相分离器。例如，该第一相分离器可以是重力分离器或离心分离器。
含聚α-烯烃的相22通过管线26从相分离器18通入失活容器28，该失活容器提供了将与含聚α-烯烃的相混合的任何残余离子液体催化剂与水接触以使离子液体催化剂失活的装置。含聚α-烯烃的相、水及失活的离子液体催化剂的混合物通过管线30从失活容器28通入第二相分离器32，该分离器提供了将废水与催化剂相34和含聚α-烯烃的相36分离的装置。废水相通过管线37从第二相分离器32中排出。
含聚α-烯烃的相36通过管线38从第二相分离器32通入水洗容器40，该容器提供了将含聚α-烯烃的相36与新鲜水接触的装置。通过管线42将新鲜水装入或引入水洗容器40。水和含聚α-烯烃的相通过管线44从水洗容器40通入第三相分离器46，该分离器提供了将从水洗容器40引入其中的水和含聚α-烯烃的相分离成水相48和含聚α-烯烃的相50的装置。可以通过管线52将水相48再循环并引入失活容器28，由此提供用于失活容器28中的失活洗涤水。
含聚α-烯烃的相50通过管线54从第三相分离器46通入水分离容器56，该分离容器提供了例如通过闪蒸分离使水与含聚α-烯烃的相50分离以提供闪蒸水流和具有低水浓度的含聚α-烯烃相的装置。闪蒸水流可以通过管线58从水分离容器56排出并再循环到失活容器28，或者作为选择，可以通过管线37将闪蒸水流作为废水进行处理。具有低的水浓度的含聚α-烯烃相通过管线60从水分离容器56排出并被装入分离容器62例如蒸发器。分离容器62提供了将具有低的水浓度的含聚α-烯烃相分离成包含单体和任选的二聚物的第一物流和包含聚α-烯烃产品的第二物流的装置。第一物流通过管线63从分离容器62排出并再循环到管线12，在管线12中与单体进料混合并被装入CSTR 10。
第二物流通过管线64从分离容器62通入防护容器66，该防护容器限定了含有防护床材料的区域并提供了将氯和其它可能的污染物在装入氢化反应器68之前从第二物流中除去的装置。来自防护容器66的流出物通过管线70通入氢化反应器68。氢化反应器68提供了使第二物流中的聚α-烯烃产品反应以提供其较大比例碳-碳双键被氢饱和的氢化的聚α-烯烃产品的装置。通过管线72将氢气引入管线70并使其与第二物流混合，之后将如此混合的氢气和第二物流装入氢化反应器68。氢化的聚α-烯烃产品通过管线74从氢化反应器68中排出。
本发明的以下实施例仅仅是出于说明的目的而描述，并且不打算以任何方式限制本发明的范围。
实施例1-4：在1-癸烯的低聚中控制氧
以下实施例即实施例1-4描述了在进料中存在恒定的10-15ppm水时顶部空间内的氧浓度对由1-癸烯低聚的连续过程得到的低聚物反应产物的一些物理性能和在反应中转化的单体百分比的影响。
实施例1
在连续过程中，以2800-2900克/小时的流量将1-癸烯与73克/小时的催化剂进料(AlCl3∶TMA·HCl的摩尔比为1.65∶1)一起送入1-加仑的搅拌釜反应器。该反应器装有外部和内部冷却盘管。1-癸烯进料含有10-15ppm的水。将反应器的液位控制在大致为容积的一半，这产生22-37分钟的停留时间。使用由高剪切混合机和齿轮泵组成的环绕泵的回路以确保1-癸烯与催化剂之间的充分接触。将反应器的搅拌器设置在660rpm。在21％氧(余量为氮气)的顶部空间下在30psig的压力下将反应段控制在15-20℃。用水将反应器流出物骤冷以使催化剂失活。将所得产品蒸馏至目标为小于2wt％的单体和二聚物。采用气相色谱测量该水骤冷的产品的单体转化率。采用凝胶渗透色谱(GPC)测量该蒸馏产品的低聚物分布、重均分子量(Mw)和多分散度(D)。下表2示出了得自于该实施例和下述实施例的水骤冷产品的单体转化率百分数和蒸馏产品的性能。
                                                               表2
  单位   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5   实施例6   实施例7   实施例8
  氧   ％   21   4.5   1   0   21   0   21   0
  水   ppm   10-15   10-15   10-15   10-15   0-1   65   52   0-1
  单体转化率(蒸馏前)   ％   77   61   58   40   75   67   78   26
  单体   Wt％   2.5   ＜0.5   0.6   2.1   0   0.1   0   0.2
  二聚物   Wt％   1.1   1.0   1.1   1.5   1.0   1.3   0.6   2.4
  三聚物   Wt％   2.3   3.5   4.4   4.4   2.3   3.2   1.9   6.0
  四聚物   Wt％   2.8   4.1   5.2   5.2   2.8   3.9   2.5   6.8
  五聚物   Wt％   4.2   6.5   8.0   7.8   4.2   6.1   4.2   9.6
  六聚物   Wt％   5.0   7.4   8.5   8.6   5.0   7.0   5.1   10.0
  七聚物+   Wt％   82.1   77.6   72.1   70.4   84.7   78.4   85.7   64.9
  Mw   1717   1513   1369   1339   1778   1525   1759   1221
  D   1.57   1.31   1.34   1.44   1.37   1.33   1.29   1.33
  100℃粘度   cSt   27.6   22.6   20.0   17.3   30.1   23.6   33.1   16.4
  40℃粘度   cSt   217   175   150   126   255   194   234   120
  粘度指数   163   155   154   151   158   149   187   147
  倾点   ℃   -46   -46   -49   -51   -48   -45   -40   -48
实施例2
重复实施例1的条件，只是顶部空间气体中的氧浓度为4.5％(余量为氮气)。在该实施例中获得的产品的性能示于表2中。该实施例证明了与在单独的氮气下的反应(参见实施例4)相比，反应顶部空间中4.5％的氧得到了更高的单体转化率和更高的产品粘度。该单体转化率百分数和产品粘度低于在顶部空间中更高氧浓度下观察到的那些(参见实施例1)。
实施例3
重复实施例1的条件，只是顶部空间气体中的氧浓度为1.0％(余量为氮气)和顶部空间气体以恒定流量吹扫通过反应器。在该实施例中获得的产品的性能示于表2中。该实施例证明了与在单独的氮气下的反应(参见实施例4)相比，反应顶部空间中1.0％的氧得到了更高的单体转化率和更高的产品粘度。所得到的单体转化率和产品粘度低于在顶部空间中增加百分比观察到的那些(参见实施例1和2)。
实施例4
重复实施例1的条件，只是顶部空间气体的组成为氮气。在该实施例中获得的产品的性能示于表2中。描述于实施例1和4中的产品的单体转化率百分数和产品性能的比较证明了可以通过控制反应器顶部空间中的氧实现单体转化率百分数和产品粘度的显著提高。
实施例5-7：在1-癸烯的低聚中控制氧和/或水
以下实施例即实施例5-7描述了进料中的氧浓度和不同水量对由1-癸烯低聚的连续过程得到的低聚物反应产物的一些物理性能和在反应中转化的单体百分比的影响。
实施例5
重复实施例1的条件，只是含于1-癸烯进料中的水为0-1ppm。在该实施例中获得的产品的性能示于表2中。描述于实施例1和5中的产品的单体转化率百分数和产品性能的比较证明了可以在存在或不存在水时通过控制反应器顶部空间中的氧实现单体转化率百分数和产品粘度的显著提高。
实施例6
重复实施例1的条件，只是顶部空间气体的组成为氮气和1-癸烯进料的水含量为65ppm。在该实施例中获得的产品的性能示于表2中。描述于实施例1和6中的产品的单体转化率百分数和产品性能的比较证明了在不存在氧但存在高于30ppm的水时1-癸烯的转化率接近于在氧存在时所实现的。
实施例7
重复实施例1的条件，只是1-癸烯进料中的水含量为52ppm。在该实施例中获得的产品的性能示于表2中。描述于实施例1和7中的产品的单体转化率百分数和产品性能的比较描述了在氧和高于30ppm的水存在时实现了产品粘度的提高。
比较例8
重复实施例1的条件，只是使1-癸烯进料通过分子筛干燥剂床以从进料物流中除去水和顶部空间气体的组成为100％的氮气。在该实施例中获得的产品的性能示于表2中。实施例8与描述于实施例1-7中的产品的单体转化率百分数和产品性能的比较证明了在氧或水存在下实现了单体转化率和产品粘度的提高。
离子液体催化剂通常用于例如α-烯烃低聚或一般烯烃低聚的过程中。一般而言，在催化反应中希望防止氧(或空气)和水进入反应区，因为水或氧可能使催化剂失活。但在所公开的方法和系统中，氧和/或水的存在提高了离子液体催化剂活性，导致PAO生产过程中单体转化率提高。
在上面的描述中，在整个说明书和附图中用相同的参考标记表示类似的部件。附图不必是按比例制作的。本发明的某些特征可以按比例放大或者以一定的图解形式表现出来，为了清楚和简明而可能并未示出一些常规元件的细节。本发明容许不同形式的实施方案。在附图中示出且在本文中详细描述了本发明的特定实施方案，应理解本公开内容只是对本发明原理的举例，并不打算将本发明限于本文所说明和描述的内容。应充分认识到，以上所讨论的实施方案的不同教导内容可以单独或者任何合适的组合方式使用以产生所希望的结果。具体地，本文中所公开的使离子液体催化剂与氧接触的方法和系统可用于其中反应产物含有转化的化学反应物的任何合适的离子液体催化反应。在一个实施方案中，本发明的使离子液体催化剂与氧接触的方法和系统用于在离子液体基催化剂体系存在下由单体制备PAO的低聚反应，以上的详细描述集中于该实施方案，但应理解本发明可以具有更广泛的应用，包括一般的烯烃低聚。尽管在本文中只描述了本发明的几种实施方案，但应理解本发明可以体现在多种其它特定形式中，只要不偏离本发明的精神或范围即可。所包括的任何实施例均是说明性和非限制性的，本发明并不限于本文所给出的细节，而是可以在所附权利要求及其等价内容的范围内进行改进。

Claims (36)

1.一种提高离子液体催化剂活性的方法，其包括使离子液体催化剂与氧接触。
2.权利要求1的方法，其中在反应区之前或者在反应区内进行接触。
3.权利要求2的方法，其中在反应区内的反应是聚合反应。
4.权利要求2的方法，其中在反应区内的反应是低聚反应。
5.权利要求4的方法，还包括将单体和离子液体催化剂进料到反应区。
6.权利要求5的方法，其中所述单体包括含有约4-20个碳原子的α-烯烃或其混合物。
7.权利要求5的方法，其中所述单体包括含有约10-12个碳原子的α-烯烃或其混合物。
8.权利要求5的方法，其中将氧加入离子液体催化剂进料中。
9.权利要求5的方法，其中将氧加入单体进料中。
10.权利要求5的方法，其中将氧加入组合的单体和离子液体催化剂进料中。
11.权利要求5的方法，其中将氧加入反应区的项部空间中。
12.权利要求5的方法，其中通过使氧向上鼓泡通过反应区而加入氧。
13.权利要求2的方法，还包括控制存在于反应区内的氧量以维持希望的反应转化率。
14.权利要求13的方法，其中通过以下方式控制氧量：控制反应区的单体进料中的氧量、控制反应区的离子液体催化剂进料中的氧量、控制反应区的组合单体和离子液体催化剂进料中的氧量、控制位于反应区顶部空间内的气体中的氧量或其组合。
15.权利要求13的方法，还包括控制存在于反应区内的水量以维持希望的反应转化率并避免使催化剂失活。
16.权利要求15的方法，其中通过以下方式控制水量：控制反应区的单体进料中的水量、控制反应区的离子液体催化剂进料中的水量、控制反应区的组合单体和离子液体催化剂进料中的水量、控制位于反应区顶部空间内的气体中的水量或其组合。
17.权利要求13的方法，其中控制氧量使氧占反应区上方顶部空间内气体的至少约0.5-21wt％。
18.权利要求15的方法，其中控制氧量使氧占反应区上方顶部空间内气体的至少约0.5-21wt％，并且控制水量使基于反应区内总反应物的重量水占至少约0-100ppm。
19.权利要求5的方法，还包括从反应区回收聚α-烯烃。
20.权利要求19的方法，其中单体转化率为约44-100％。
21.一种方法，其包括将单体进料和离子液体催化剂引入反应区并控制存在于反应区内的氧量以维持单体转化反应。
22.权利要求21的方法，其中通过以下方式控制氧量：控制反应区的单体进料中的氧量、控制反应区的离子液体催化剂进料中的氧量、控制反应区的组合单体和离子液体催化剂进料中的氧量、控制位于反应区顶部空间内的气体中的氧量或其组合。
23.权利要求21的方法，还包括控制存在于反应区内的水量以维持单体转化反应并避免使催化剂失活。
24.权利要求23的方法，其中通过以下方式控制水量：控制反应区的单体进料中的水量、控制反应区的离子液体催化剂进料中的水量、控制反应区的组合单体和离子液体催化剂进料中的水量、控制位于反应区顶部空间内的气体中的水量或其组合。
25.权利要求24的方法，其中将单体进料干燥至水含量以重量计小于约1ppm，并将一定量的氧或湿气加入反应区。
26.权利要求25的方法，其中所述湿气是湿氮。
27.一种用于在反应区中将单体催化低聚成聚α-烯烃的方法，其包括在反应区之前或者在反应区内使离子液体催化剂与氧接触。
28.权利要求27的方法，其中通过使氧向上鼓泡通过反应区而将氧加入反应区的离子液体催化剂进料、反应区的单体进料、反应区的组合单体和离子液体催化剂进料、反应区的顶部空间或其组合中。
29.权利要求28的方法，还包括控制存在于反应区内的氧量以维持希望的反应转化率，其中通过以下方式控制氧量：控制反应区的单体进料中的氧量、控制反应区的离子液体催化剂进料中的氧量、控制反应区的组合单体和离子液体催化剂进料中的氧量、控制位于反应区顶部空间内的气体中的氧量或其组合。
30.权利要求29的方法，还包括控制存在于反应区内的水量以维持希望的反应转化率并避免使催化剂失活，通过以下方式控制水量：控制反应区的单体进料中的水量、控制反应区的离子液体催化剂进料中的水量、控制反应区的组合单体和离子液体催化剂进料中的水量、控制位于反应区顶部空间内的气体中的水量或其组合。
31.一种聚α-烯烃低聚系统，其包括：
反应器，构造该反应器用于接收单体、离子液体催化剂和氧并使之混合；和
控制器，该控制器与氧源相连并构造用于控制存在于催化反应区内的氧量以维持单体转化反应。
32.权利要求31的系统，其中氧源向反应器的进料物流中加入氧。
33.权利要求31的系统，其中氧源与反应器底部分布板相连以将氧直接加入反应器。
34.权利要求31的系统，其中氧源是纯氧、空气、干燥空气、富氧空气、工艺物流或其组合。
35.权利要求31的系统，还包括控制器，该控制器与水源相连并构造用于控制存在于反应区内的水量以维持单体转化反应并避免使离子液体催化剂失活，其中所述水控制器可以与所述氧控制器相同或不同。
36.权利要求35的系统，其中所述水源是湿氮。
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