DE3235507C2 - - Google Patents
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Description
Mittlere und schwere Olefine sind sehr wertvolle Chemialien.
Diese Verbindungen können ohne weitere Reaktion als
Komponenten von funktionellen Fluids, wie Schmiermitteln,
als Viskositätsindexverbesserungsmittel in Schmiermitteln,
als hydraulische Fluids, als Übertragungsfluids sowie als
Isolationsöle, beispielsweise in Transformatoren zum Ersatz
von PCB-enthaltenden Ölen, eingesetzt werden. Diese
Olefine können auch chemischen Reaktionen zur Gewinnung
von grenzflächenaktiven Mitteln unterzogen werden, die
ihrerseits als Additive zur Verbesserung der Eigenschaften
von Massen dienen, denen sie zugesetzt werden (beispiels
weise Schmierölen). Ferner können sie als primäre grenz
flächenaktive Mittel für sehr wichtige Zwecke eingesetzt
werden, beispielsweise zur gesteigerten Ölgewinnung oder
als Detergentien. Von den am häufigsten eingesetzten grenz
flächenaktiven Mitteln, die aus schweren Olefinen hergestellt
werden, seien Alkylsulfonate sowie Alkylarylsulfonate
erwähnt.
Leichte Alkene, insbesondere Propene und Butene, sind
leichte Gasprodukte, die bei einer Vielzahl von Synthese
verfahren anfallen. Sie werden als Abgase beim katalytischen
Cracken sowie als Produkte der synthetischen Treib
stoffherstellung gewonnen.
Es besteht ein fortwährender Bedarf an wirksameren Methoden
zur Verwendung von schwereren und noch wertvolleren Olefinen.
Die typischen Methoden zur Herstellung von schwereren Olefinen
bedienen sich 1-Alkene (α-Olefine) als Reaktanten.
Bei einem typischen Verfahren werden 1-Octen, 1-Decen, 1-
Tetradecen oder Mischungen davon oligomerisiert und schwere
Olefinmischungen, welche Trimere, Tetramere und Pentamere
der Reaktanten enthalten, gewonnen. Die Verfahren sind
in typischer Weise katalytisch, wobei ferner in typischer
Weise Vielphasensysteme angewendet werden. Andere Oligo
merisationstyp-Verfahren verwenden Phosphorsäure enthaltende
Katalysatoren zur Herstellung von Materialien, die in
den Benzinbereich fallen. Drei Hauptmodifikationen, welche
Phosphorsäurekatalysatoren umfassen, sind (1) Quarz, der
mit flüssiger Phosphorsäure benetzt ist, (2) mit Phosphor
säure imprägnierte Pellets (beispielsweise Kieselgur), die
in Reaktionskammern eingesetzt werden, und (3) mit Phosphor
säure imprägnierte Katalysatorpellets, die in Röhren eingepackt
sind, welche von Kühlwasser umgeben sind. Ferner wurde
Kupferpyrophosphat als Katalysator verwendet.
Neuere Verfahren zur Gewinnung von schweren Olefinen für
synthetische Schmiermittel, d. h. von Materialien, die von
Treibstoffen im Benzinbereich verschieden sind, verwenden
Bortrifluorid als Katalysator, und zwar zusammen mit Pro
motoren (beispielsweise BF₃-Decanol- oder BF₃-Essigsäure
komplexe) oder mit Cokatalysatoren. Die Reaktionsbedingungen
sehen in typischer Weise Temperaturen von weniger
als 100°C und Drucke von weniger als 7 bar vor. Die Reaktionen
werden in Lösungen durchgeführt, welche die C₈-
oder größeren Alkenreaktanten und den BF₃-Komplex oder den
Cokatalysator enthalten. Gasförmiges BF₃ wird in typischer
Weise durch Durchperlen durch die Lösung zugesetzt. Cokatalysatoren
sind beispielsweise viele organische Verbindungen,
wie z. B. Ester, Polyole, aliphatische Alkohole, ali
phatische Ether, aliphatische Carbonsäuren, Ketone, Alde
hyde sowie Säureanhydride.
Es sind zahlreiche Veröffentlichungen, betreffend die Her
stellung substituierter Benzolaromaten aus kurzkettigen
Olefinen unter Verwendung von stark aktiven Zeolithen,
wie ZSM-5 (US-PS 37 56 942, 38 27 968 und 39 60 978) er
schienen. Ferner beschreiben einige Veröffentlichungen die
Herstellung von Benzin und Heizöl aus kurzkettigen Olefinen,
wie Propen und Ethen (vgl. die US-PS'en 42 27 992
und 42 11 640).
Trotz der Existenz von Phosphorsäure- und Zeolithverfahren
zur Herstellung von Benzin sowie von Bortrifluoridverfahren
zur Gewinnung von schweren Olefinen besteht immer noch
ein Bedarf an noch wirksameren Methoden zur Herstellung
von schweren Olefinen, die unter Verwendung von verfügbaren
Materialien durchgeführt werden können, keine Lösungs
mittelwiedergewinnungsstufen erfordern oder flüssige Lösungen
verwenden und dennoch effizient sind.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß unter bestimmten
Reaktionsbedingungen die kürzerkettigen Alkene über
kristallinen Molekularsieben mit Zwischenporengröße zu
gesuchten schwereren und längerkettigen Alkenen polymerisiert
werden können. In überraschender Weise vermögen Molekular
siebe mit Zwischenporengrößen diese Reaktionen zu
katalysieren, obwohl man angenommen hätte, daß sie die
als Beschickung eingesetzten Alkene oder die als Produkte
auftretenden Oligomeren aromatisieren oder die als Produkte
anfallenden Alkenoligomeren cracken.
Durch Einhaltung einer Kombination aus Bedingungen, durch
welche der leichte Alkenreaktant als Gas aufrechterhalten
wird, wobei jedoch die Verflüssigung von Alkenpolymeren mit
höherem Molekulargewicht erforderlich ist, lassen sich in
überraschenderweise langen Betriebszeiten erzielen. Ferner
können hochqualitative Midbarrel-Treibstoffe, wie Düsen
treibstoffe, zusätzlich zu den Produkten mit noch höheren Mole
kulargewichten erzeugt werden, welche wertvolle Zwischen
produkte zur Gewinnung von grenzfllächenaktiven Mitteln sind.
Bei Anwendung der Erfindung kann die wirksame Kapazität von
Reaktoren, wie katalytischen Crackern, gesteigert werden,
da das Volumen des erzeugten Gases leicht und in wirksamer
Weise vermindert werden kann. Die Kombination aus hohen
Drucken und tiefen Temperaturen begünstigt die Oligomerisation
eines gasförmigen Olefinreaktanten und nicht die Crackung
oder Reaktionen, wie eine Cyclisierung, welche zu
Wasserstoffübertragungsreaktionen von Reaktant und Produkt
führen. Hoher Druck und tiefe Temperaturen begünstigen ferner
die Bildung von Alkenflüssigkeiten mit höheren Molekular
gewichten.
Die Erfindung betrifft demgemäß das in den Patentansprüchen gekennzeichnete
Verfahren zur Oligomerisation von Alkenen.
Die Beschickungen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eingesetzt werden, enthalten Alkene, die
unter den Bedingungen der Oligomerisationsreaktionszone
Gase sind. Unter Standardbetriebsbedingungen ist es üblich,
die chemischen Zusammensetzungen der Ausgangsmaterialien zu
kennen, die in eine Reaktionszone eingeführt werden, und die
Temperatur und den Druck in der Reaktionszone einzustellen
und zu kontrollieren. Nachdem die chemische Zusammensetzung
eines Beschickungsmaterials bekannt ist, können die Temperatur
und die Kohlenwasserstoffpartialdrucke, welche einen
Teil der Alkenbeschickung oder die ganze Alkenbeschickung
als Gase aufrechterhalten, unter Verwendung von Standard
tabellen oder Routineberechnungen bestimmt werden. Sind
umgekehrt einmal die Temperatur und der Druck in der Reaktions
zone festgelegt, dann ist es eine Routineangelegenheit,
zu ermitteln, welche Beschickungen und Beschickungskomponenten
in dem Reaktor Gase sind. Diese Berechnungen sehen
die Verwendung von kritischen Temperaturen und Drucken vor.
Kritische Temperaturen und Drucke für reine organische Ver
bindungen finden sich in Standardwerken, wie dem "CRC Hand
book of Chemistry and Physics, International Critical Tables,
Handbook of Tables for Applied Engineering Science," und
in der Arbeit von Kudchaker, Alani und Zwolinski in "Chemical
Reviews", 68, 659 (1968). Die kritische Temperatur
einer reinen Verbindung ist die Temperatur, oberhalb welcher
die Verbindunbg nicht mehr unabhängig von dem Druck
verflüssigt werden kann. Der kritische Druck ist der Dampf
druck der Verbindung bei seiner kritischen Temperatur. Diese
Punkte sind für einige reine Alkene nachfolgend zusammen
gefaßt:
Man sieht, daß bei einer Temperatur oberhalb ungefähr
235°C reine C₆- und niedere Alkene gasförmig sein
müssen, während reine C₇- und höhere Alkene noch durch
Anlegen von Druck verflüssigt werden können. In ähnlicher
Weise können oberhalb ungefähr 150°C reine C₅-
und höhere Alkene in dem flüssigen Zustand gehalten werden,
während reine C₄- und niedere Alkene gasförmig sein müssen.
Typische Beschickungen sind Mischungen aus Verbindungen.
Auch in diesem Falle kann nach dem Bekanntsein der chemischen
Zusammensetzung der Beschickung die kritische Temperatur
und der Druck der Mischung aus den Verhältnissen der
Chemikalien sowie der kritischen Punkte der reinen Verbindungen
bestimmt werden. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise
auf die Methoden von Kay und Edmister in "Perry's
Chemical Engineering Handbook", 4. Auflage, Seiten 3-214,
3-215 (McGraw Hill, 1963) zu verweisen.
Die einzige Beschränkung bezüglich der Alkene in der Beschickung,
die in die Oligomerisationszone eingeführt wird,
besteht darin, daß wenigstens ein Teil der Alkene unter
den Bedingungen in der Zone Gase sein müssen (die Bedin
gungen sehen eine Temperatur von weniger als ungefähr 350
bis 400°C vor). Die chemische Zusammensetzung der Alkene
kann zur Gewinnung irgendeiner gewünschten Reaktionsmischung
oder einer Produktmischung variiert werden, solange
einige Beschickungsalkenkomponenten Gase sind.
Die Alkenketten können verzweigt sein. Obwohl Molekularsiebe
mit Zwischenporengrößen als Katalysatoren verwendet
werden, können Alkene, wie 3,3-Dimethyl-1-buten, das quaternäre
Kohlenstoffe (zwei Verzweigungen an dem gleichen
Kohlenstoffatom) aufweist, verwendet werden. Liegen quaternäre
Kohlenstoffe vor, dann ist es vorzuziehen, daß
die Verzweigungen aus Methyl bestehen. Obwohl die Moleku
larsiebe mit Zwischenporengröße keine quaternären Kohlen
stoffatome in die Porenstruktur hineinlassen, haben
sie offensichtlich die Fähigkeit, einen der quaternären
Substituenten zu einer Wanderung an eine andere Position
der Alkenkette zu bewegen, wodurch zwei tertiäre Stellen
und eine Einheit gebildet wird, die in die Poren mit
Zwischengröße eintreten kann.
Die bevorzugten Alkene sind geradkettige oder n-Alkene
und die bevorzugten n-Alkene sind 1-Alkene. Die Alkene
weisen vorzugsweise 2 bis 6 Kohlenstoffatome auf. Die
bevorzugtesten Alkene bestehen aus Propen, 1-Buten, 2-Buten
und 2-Methylpropen sowie Mischungen davon.
Eine der überraschenden Erkenntnisse, auf denen die Erfindung
beruht, liegt darin, daß unter bestimmten Reaktions
bedingungen kürzerkettige Alkene über Molekularsieben
mit Zwischenporengrößen und niedriger Wasserstoffüber
tragungsaktivität zu sehr langkettigen Verbindungen oli
gomerisiert werden können, wobei unter hohen Drucken extrem
lange Betriebszeiten erreicht werden.
Die als Beschickung eingesetzten Alkene können aus jeder
Quelle nach Standardmethoden hergestellt werden. Quellen
für derartige als Beschickungen eingesetzte Alkene sind
beispielsweise FCC-Abgas, Kokerabgas, thermisches Crack
abgas, Syngas (durch Verwendung von CO-Reduktionskataly
satoren), Materialien, die bei einer unter niederem Druck
erfolgenden nichthydrierenden Zeolithentwachsung anfallen,
Alkanole (unter Verwendung von Zeolithen mit hohem Silizium
dioxidgehalt) sowie Materialien, die bei der Entwachsung
mit kristallinen Kieselsäurepolymorphs erhalten
werden. Die Alkene können in Kohlenwasserstoffströmen mit anderen
kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen vorliegen,
vorzugsweise besteht jedoch die Beschickung primär aus
Alkenen.
Unter dem Begriff "kieselsäurehaltiges kristallines Mole
kularsieb mit Zwischenporengröße" sind zwei Klassen von
von Siliziumdioxid enthaltenden kristallinen Materialien zu
verstehen. Die erste Klasse umfaßt Materialien, die
zusätzlich zu Siliziumdioxid signifikanten Mengen an Alu
miniumoxid enthalten. Diese kristallinen Materialien werden
gewöhnlich als "Zeolithe" bezeichnet, d. h. als kristalline
Aluminosilikate. Diese zweite Klasse von Materialien
sind im wesentlichen aluminiumoxidfreie Silikate.
Diese kristallinen Materialien von kristallinen Kieselsäure
polymorphs, beispielsweise Silikalit, Chromoxid-Silikate,
beispielsweise CZM, sowie Ferrosilikate (vgl. bei
spielsweise die US-PS 42 38 318) umfassen.
Alle diese Materialien besitzen die Fähigkeit, Moleküle
auf der Grundlage ihrer Größe oder Form oder auf der Grundlage
dieser beiden Parameter zu sortieren. Die Materialien
mit großer Porengröße lassen größere Moleküle zu als die
Materialien mit kleinerer Porengröße. Kieselsäurehaltige
kristalline Molekularsiebe mit Zwischenporengröße besitzen
die einzigartige Eigenschaft, daß sie dazu in der Lage sind,
zwischen großen Molekülen und Molekülen, die quaternäre
Kohlenstoffatome enthalten, einerseits und kleineren Molekülen
andererseits zu unterscheiden. Daher besitzen die
Materialien mit mittlerer Porengröße eine überraschende
katalytische Selektivität aufgrund ihrer wirksamen Poren
öffnungen sowie ihrer sehr erstrebenswerten und überraschenden
katalytischen Aktivität und Stabilität im Vergleich
zu kristallinen Molekularsieben mit größeren Porengrößen.
Unter dem Begriff "mittlere Porengröße" ist eine wirksame
Porenöffnung zwischen ungefähr 0,5 und 0,6 nm zu versehen,
wenn sich das Molekularsieb in der H-Form befindet. Molekular
siebe mit Porenöffnungen in diesem Bereich besitzen
einzigartige Molekularsiebeigenschaften. Im Gegensatz zu
Zeolithen mit kleinen Poren, wie Erionit und Chabazit,
erlauben sie den Zugang von Kohlenwasserstoffen mit einigen
Verzweigungen in die Molekularsiebleerräume. Im Gegensatz
zu Zeolithen mit größeren Poren, wie Faujasiten und
Mordeniten, können sie zwischen n-Alkanen und leicht
verzweigten Alkanen einerseits und größeren verzweigten
Alkanen mit beispielsweise quaternären Kohlenstoffatomen
andererseits unterscheiden.
Die wirksame Porengröße der Molekularsiebe kann unter Anwendung
von Standardadsorptionsmethoden und Kohlenwasser
stoffverbindungen mit bekannten minimalen kinetischen Durchmessern
gemessen werden (vgl. Breck "Zeolite Molecular
Sieves", 1974, 58, 114 (1979)).
Molekularsiebe mit Zwischenporengrößen in der H-Form lassen
in typischer Weise Moleküle mit kinetische Durchmessern
von 0,50 bis 0,65 nm ohne große Behinderungen eintreten. Beispiele
für derartige Verbindungen (und ihre kinetischen
Durchmesser in nm) sind: n-Hexan (0,43), 3-Methylpentan (0,55),
Benzol (0,585) und Toluol (0,58). Verbindungen mit kinetischen
Durchmessern von ungefähr 0,6 bis 0,65 nm können in die Poren
eintreten, und zwar in Abhängigkeit von dem jeweiligen Molekularsieb,
dringen jedoch nicht so schnell ein und werden
in einigen Fällen wirksam ausgeschlossen. Verbindungen mit
kinetischen Durchmessern zwischen 0,6 und 0,65 nm sind bei
spielsweise folgende: Cyclohexan (0,60), 2,3-Dimethylbutan
(0,61), m-Xylol (0,61) sowie 1,2,3,4-Tetramethylbenzol (0,64).
Im allgemeinen dringen Verbindungen mit kinetischen Durch
messern von mehr als ungefähr 0,65 nm nicht in die Porenöffnungen
ein und werden daher nicht im Inneren des Molekular
siebgitters absorbiert. Beispiele für derartige größere
Verbindungen sind folgende: o-Xylol (0,68), Hexamethylbenzol
(0,71), 1,3,5-Trimethylbenzol (0,75) sowie Tributylamin
(0,81).
Der bevorzugte wirksame Porengrößenbereich liegt zwischen
ungefähr 0,53 und ungefähr 0,62 nm. Von den Materialien, die
in diesen Bereich fallen, seien der Zeolith ZSM-5, das kristalline
Kieselsäurepolymorph Silikalit, RE 29,948-Organo
silikate sowie das Chromoxidsilikat, CZM, erwähnt.
Zur Durchführung von Adsorptionsmessungen zur Ermittlung
der Porengröße werden Standardmethoden angewendet. Es ist
zweckmäßig, ein jeweiliges Molekül als ausgeschlossen zu
betrachten, wenn es nicht wenigstens 95% seines Gleich
gewichtsadsorptionswertes an dem Zeolith in weniger als
ungefähr 10 min erreicht (p/po=0,5; 26°C).
Beispiele für kieselsäurehaltige kristalline Molekularsiebe
mit mittlerer Porengröße sind Zeolithe, wie CZH-5 und
Glieder der ZSM-Reihe, beispielsweise ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12,
ZSM-21, ZSM-23, ZSM-35 und ZSM-38. ZSM-5 wird in den US-PS'en
37 02 886 und 37 70 614 beschrieben, ZSM-11 ist Gegenstand
der US-PS 37 09 979, ZSM-12 wird in der US-PS
38 32 449 erläutert, ZSM-21 und ZSM-38 werden in der US-PS
39 48 758 offenbart, ZSM-23 wird in der US-PS 40 76 842
beschrieben, ZSM-35 ist Gegenstand der US-PS 40 16 245, CZH-5
wird in DE-OS 31 26 132 erläutert. Die Materialien mit Zwischen
porengröße können "kristalline Mischungen" umfassen,
von denen man annimmt, daß sie Ergebnis von Fehlern sind,
die innerhalb des Kristalls oder der Kristallitflächen während
der Synthese der Zeolithe auftreten. Die "kristalli
nen Mischungen" sind selbst Zeolithe, weisen jedoch in
gleichmäßiger oder nichtgleichmäßiger Weise gemeinsame
Eigenschaften auf, so daß die Literatur von verschiedenen
Zeolithen spricht. Beispiele für kristalline Mischungen
von ZSM-5 und ZSM-11 werden in der US-PS 42 29 424 be
schrieben. Die kristallinen Mischungen sind selbst Zeolithe
mit Zwischenporengröße und dürfen nicht mit physi
kalischen Mischungen von Zeolithen verwechselt werden,
in denen verschiedene Kristalle oder Kristallite verschiedener
Zeolithe physikalisch in dem gleichen Katalysatorverbund
oder in der hydrothermalen Reaktionsmischung vor
liegen.
Andere Beispiele für kieselsäurehaltige kristalline Molekular
siebe mit Zwischenporengröße sind kristalline Kiesel
säurepolymorphs, die, wie bereits erwähnt, im wesentlichen
aluminiumoxidfrei sind.
Unter dem Begriff "im wesentlichen aluminiumoxidfrei" ist
das Produkt Kieselsäurepolymorph (oder im wesentlichen alu
miniumoxidfreies kieselsäurehaltiges kristallines Molekular
sieb) zu verstehen, das ein Siliziumdioxid : Aluminiumoxid-
Molverhältnis von mehr als 200 : 1, vorzugsweise von mehr
als 500 : 1 und insbesondere von mehr als 1000 : 1 besitzt.
Der Begriff "im wesentlichen aluminiumoxidfrei" wird ver
wendet, da es schwierig ist, vollständig aluminiumfreie
Reaktionsmischungen zur Synthetisierung dieser Materialien
herzustellen. Insbesondere dann, wenn im Handel erhältliche
Kieselsäurequellen verwendet werden, liegt Aluminium praktisch
immer in einem größeren oder geringeren Ausmaße vor.
Die hydrothermalen Reaktionsmischungen, aus welchen die
im wesentlichen aluminiumoxidfreien kristallinen kiesel
säurehaltigen Molekularsiebe hergestellt werden, können
auch im wesentlichen aluminiumfrei bezeichnet werden.
Darunter ist zu verstehen, daß kein Aluminium absichtlich
der Reaktionsmischung zugesetzt wird, beispielsweise als
Aluminiumoxid- oder Aluminatreagens, so daß in dem Umfange,
in dem Aluminium vorliegt, es nur als Verunreinigung in den
Reagentien vorhanden ist.
Kristalline Kieselsäuren mit Zwischenporengrößen sind bei
spielsweise Silikalit (US-PS 40 61 724) RE 29,948-Organo
silikate (US-RE 29,948) sowie CHZ-9.
Siliziumdioxide mit Zwischenporengröße, Ferrosilikate sowie
Galliosilikate werden in der US-PS 42 38 318 beschrieben.
Chromoxidsilikate mit Zwischenporengröße, CZM, werden in
der DE-OS 30 31 102 erläutert. Die bevorzugtesten Mole
kularsiebe sind Silikalit, RE-29,948-Organosilikate
sowie das Chromoxid-Silikat CZM. Natürlich können diese
und andere Molekularsiebe in physikalischen Mischungen ein
gesetzt werden.
Die kieselsäurehaltigen kristallinen Molekularsiebe müssen
im wesentlichen frei von Wasserstoffübertragungsaktivität
sein. Eine hohe Wasserstoffübertragungsaktivität liegt in
typischer Weise in einem Katalysator als Ergebnis eines
hohen Aluminiumgehaltes (niedriges Molverhältnis Silizium
dioxiod : Aluminiumoxid) in einer Molekularsiebkomponente vor.
Ist dann das Verhältnis Siliziumdioxid : Aluminiumoxid niedrig,
dann neigt der Katalysator zu einer Umwandlung der olefinischen
Produkte und Reaktanten zu Paraffinen und Aromaten
und nicht zu einer Oligomerisation dieser Verbindungen,
so daß die Vorteile der Erfindung erheblich verschlechtert
oder eliminiert werden (die Wasserstoffübertragungsaktivität
muß von der Hydrierungsaktivität unterschieden werden,
welche die Alkene zur Erzeugung der entsprechenden Alkane
sättigt). Die Wasserstoffübertragungsaktivität des Mole
kularsiebs kann erheblich herabgesetzt werden durch Verwendung
von im wesentlichen aluminiumoxidfreien kieselsäure
haltigen kristallinen Molekularsieben und insbesondere Materialien,
wie Silikalit, RE 29,948-Organosilikaten sowie
CZM.
Zeolithische kieselsäurehaltige kristalline Molekularsieb
katalysatoren können aktiver und stabiler für die Oligo
merisation gemacht werden, indem Metalle der Gruppe IIB,
Zink oder Cadmium zugesetzt werden. Die primäre Charakteristik
dieser Substituenten besteht darin, daß sie schwache
Basen sind und nicht leicht reduziert werden. Diese
Materialien können in die Katalysatoren unter Anwendung von
Standardimprägniermethoden und Ionenaustauschermethoden
eingebracht werden. Andere Metalle, wie Calcium sowie die
Seltenen Erden, können ebenfalls in den Katalysator einge
bracht werden. Wird kein Wasserstoff der Beschickung zugesetzt,
dann können Metalle der Gruppe VIII (wie Nickel,
Kobalt, Palladium und Platin) sowie andere Metalle (Chrom,
Vanadin, Titan, Mangan und Rhenium) dem Katalysator zugegeben
werden. Mischungen aus diesen Metallen können ebenfalls
vorliegen. Stark basische Metalle, wie Alkalimetalle,
sind nicht zufriedenstellend, da sie im wesentlichen die
ganzen Polymerisationsstellen an dem Zeolith vergiften. Aus
diesem Grunde ist der Alkalimetallgehalt des Zeolith geringer
als 1%, vorzugsweise geringer als 0,1% und insbesondere
geringer als 0,01%. Die bevorzugtesten Substituenten
sind Zink und Cadmium, wobei von diesen Zink bevorzugt
wird. Die Menge an Zink oder Cadmium liegt in typischer
Weise zwischen 0,01 und ungefähr 10 Gew.-%.
Die Verwendung von Zink oder Zinkverbindungen als Substi
tuenten an den zeolithischen Molekularsieben und sogar an
den im wesentlichen aluminiumoxidfreien Materialien liefert
überraschende Stabilitäten, Ausbeuten und Aktivitäten
bei den beschriebenen Oligomerisationsverfahren von gas
förmigen Olefinen.
Das Fehlen von Wasserstoffübertragungsaktivität läßt sich
unter Verwendung von Standardlabormethoden ermitteln.
Die erfindungsgemäßen Polymerisationsverfahren sind überraschend
wirksamer im Falle von kleinen Kristallitsiebteil
chen als bei Einsatz größerer kristalliner Teilchen. Vor
zugsweise besitzen die Molekularsiebkristalle oder -kri
stallite eine Größe von weniger als ungefähr 10 Mikron,
insbesondere weniger als ungefähr 1 Mikron und in ganz
besonders bevorzugter Weise von weniger als ungefähr 0,1
Mikron, gemessen in der größten Dimension. Methoden zur
Herstellung von Molekularsiebkristallen mit verschiedenen
physikalischen Größenbereichen sind bekannt.
Die Molekularsiebe können mit anorganischen Matrixmaterialien
vermischt oder mit organischen Bindemitteln verwendet
werden. Es ist vorzuziehen, eine anorganische Matrix
zu verwenden, da die Molekularsiebe infolge ihrer großen
internen Porenvolumina zerbrechlich sind und während der
normalen Beladung der Reaktionszone und während der Entnahme
aus den Reaktionszonen sowie während der Oligomerisations
verfahren physikalisch zerbrechen und/oder zerrieben werden.
Wird eine anorganische Matrix verwendet, dann ist es vorzuziehen,
daß die Matrix im wesentlichen frei von Kohlen
wasserstoffumwandlungsaktivität ist. Es ist darauf hinzuweisen,
daß dann, wenn eine anorganische Matrix mit Wasserstoff
übertragungsaktivität verwendet wird, ein erheblicher Teil
der Oligomeren, die durch das Molekularsieb erzeugt werden,
zu Paraffinen und Aromaten umgewandelt werden, so daß
in einem erheblichen Ausmaße die Vorteile der Erfindung
verlorengehen.
Die Reaktionsbedingungen, unter denen die Oligomerisations
reaktionen stattfinden, sehen Kohlenwasserstoffpartialdrucke
vor, die dazu ausreichen, die gewünschten Alkenreaktanten
in gasförmigem Zustand in der Reaktionszone zu halten, wobei
sie bewirken, daß wenigstens ein Teil der Oligomerprodukte
Flüssigkeiten sind. Natürlich nimmt mit kleiner werdenden
Alkenmolekülen die minimale Temperatur ab, die erforderlich
ist, um den gasförmigen Zustand aufrechtzuerhalten. Wie vorstehend
erwähnt, stehen der Druck und die Temperatur in einer
innigen Beziehung zu der chemischen Zusammensetzung der Beschickung,
lassen sich jedoch leicht ermitteln. So können
die erforderlichen Temperaturen von mehr als 231°C für eine
reine n-1-Hexenmischung bis mehr als 64°C für eine
reine Butenbeschickung schwanken.
Die Reaktionszone wird in typischer Weise unterhalb ungefähr
350°C betrieben. Oberhalb dieser Temperatur erfolgt nicht
nur eine signifikante Crackung und ein Verlust an Oligomer
produkt, sondern auch signifikante Wasserstoffübertragungs
reaktionen, die einen Verlust an olefinischen Oligomeren
zu Paraffinen und Aromaten bedingen. Die Temperaturen der
Reaktionszone liegen in typischer Weise oberhalb 50°C. Die
Drucke betragen mehr als ungefähr 30 bar, um das flüssige
Produkt aufrechtzuerhalten und liegen vorzugsweise oberhalb
ungefähr 65 bar. Die stündlichen Flüssigkeitsraumströmungs
geschwindigkeiten schwanken von 0,05 bis 20 und vorzugsweise
von 0,1 bis ungefähr 4.
Nachdem der Ablauf aus der Oligomerisationsreaktionszone
gewonnen worden ist, kann eine Anzahl weiterer Verarbeitungs
stufen durchgeführt werden.
Die erzeugten Alkenoligomeren sind besonders geeignet
für eine Verwendung von Synthese von Detergentien, insbesondere
zur Gewinnung von grenzflächenaktiven Alkyl
benzolsulfonaten.
Der ganze Ablauf oder ein Teil desselben kann mit dem
Molekularsiebkatalysator in weiteren Reaktionszonen kon
taktiert werden, um weiter nichtumgesetzte Alkene und
Alkenoligomere mit sich selbst und gegeneinander unter
Bildung noch längerkettiger Materialien umzusetzen. Je
länger die Kohlenstoffkette ist, desto empfänglicher ist
die Verbindung gegenüber einem Cracken. Werden daher auf
einanderfolgende Oligomerisationszonen verwendet, dann
dürfen die Bedingungen in jeder Zone nicht so scharf
sein, daß die Oligomeren gecrackt werden. Vorzugsweise
sind die Reaktionsbedingungen jeder der aufeinanderfolgenden
Zonen weniger scharf als in der Oligomerisations
zone, die unmittelbar vorgeschaltet ist. Ein Betrieb
der Oligomerisationszone in Reihe mit abnehmender Schärfe
macht auch die Verfahrenssteuerung der exothermen Oli
gomerisationsreaktionen einfacher.
Eine besonders geeignete Betriebsmethode besteht darin,
nichtumgesetzte Alkene, die in dem Ablauf vorliegen, von
den Alkenoligomeren, die in dem Ablauf zugegen sind, abzu
trennen und dann die nichtumgesetzten Alkene erneut der
Beschickung zuzuführen.
Die Gebrauchsdauer des Katalysators in der Oligomerisations
reaktionszone läßt sich in überraschender Weise erheblich
durch ein periodisches Abstoppen des Beschickungsstromes
in die Reaktionszone und Strippen des Katalysators mit einem
Strippgas (wie Wasserstoff, Stickstoff oder Wasserdampf)
steigern.
Die Erfindung wird durch die beigefügten Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Werte, welche die Unterschiede zwischen den Wasser
stoffübertragungsindizes verschiedener Katalysatoren
sowie das Ansprechen der Wasserstoffüber
tragungsindizes gegenüber einem Fouling wiedergeben;
Fig. 2 Werte, welche die größere Stabilität eines Zn-Si
likalitkatalysators gegenüber einem H-Silikalit
katalysator widerspiegeln;
Fig. 3 Werte, welche die Wirkung der Kristallgröße auf
eine Hochdruckoligomerisation zeigen;
Fig. 4 Werte, welche die Wirkung des Drucks auf die Fouling
eigenschaften und das 288°C+-Produkt aus 1-Buten
zeigen.
Es wird eine Reihe von Versuchen durchgeführt, um die Wasser
stoffübertragungsaktivität von Molekularsieben zu unter
suchen. Ein Beschickungspuls mit einem fixierten Volumen
(0,5 Mikrolitern) aus einem erhitzten Valco-Ventil wird
in ein kleines fixiertes Katalysatorbett, das sich in einem
Reaktor aus rostfreiem Stahl befindet, überführt. Die Reak
tion erfolgt vollständig in der Gasphase und ist isotherm.
Der Kohlenwasserstoffbeschickungspuls wird dem Katalysator
bett mit einem Stickstoffstrom mit bekannter Geschwindigkeit
in einer hohen linearen Rate zugeführt. Der Stickstoff
strom wird durch ein 0,4 nm/0,5 nm-Molekularsiebreinigungsmittel
vor dem Kontaktieren der Beschickung geleitet. Das Katalysator
bett enthält Katalysatorfeinteilchen mit -250 mesh,
die, in Abhängigkeit von dem Katalysator, mit Aluminiumoxid
mit der gleichen mesh-Größe verdünnt werden. Das als Ver
dünnungsmittel eingesetzte Aluminiumoxid wird erforderlichen
falls zugesetzt, um die Katalysatoraktivität herabzusetzen,
so daß der ganze Katalysator bei etwa identischen Beschic
kungsumsätzen gemessen werden kann. Der Katalysator wird
abschließend (4 : 1) mit einem gewaschenen Alundum mit 80
bis 100 mesh zur Verbesserung der Katalysatordispersion
sowie zur Aufrechterhaltung einer wahren isothermen Bett
temperatur verdünnt. Der Rekorddruck wird mittels eines
Annin-Ventils gesteuert.
Der gesamte Gasstrom, der den umgesetzten Beschickungspuls
enthält, wird direkt durch erhitzte Leitungen einem Kapillar
gaschromatographen zugeführt, der mit einem Flammen
ionisationsdetektor versehen ist.
Die Reaktionsbedingungen sehen eine Katalysatortemperatur
von 221°C, einen Gesamtdruck von 34,5 bar
und einen Stickstoffträgergasstrom von 800 ccm/min bei STP
vor. Das Injektionsvolumen beträgt 0,5 Mikroliter. Die
Kohlenwasserstoffanalyse wird unter Verwendung einer 50 m-
Kapillarsäule, die mit geschmolzenem Siliziumdioxid (OV-101)
gefüllt ist, durchgeführt. Der Katalysator wird kontinuierlich
dem Stickstoffträgergas zwischen den Injektionen ausgesetzt.
Der Wasserstoffübertragungsindex, berechnet aus den Test
ergebnissen, ist das Verhältnis von 3-Methylpentenen zu
3-Methylpentan, erzeugt aus einer 1-Hexenbeschickung bei
einem linearen Hexenumsatz von 30 bis 70%.
Die Kontaktzeit wird aus der temperatur- und druckkorrigierten
linearen Geschwindigkeit des Stickstoffträgerstroms
und der Länge und dem Volumen des Katalysatorbetts errechnet.
Der berechnete WHSV-Wert sowie das Katalysator/Öl-
Verhältnis basieren nur auf dem Gebiet an aktiver Komponente
in dem Bett.
Die getesteten Katalysatoren gehen aus der Tabelle I
hervor.
Katalysator | |
SiO₂/Al₂O₃-Molverhältnis | |
(A) ZSM-5|78 : 1 | |
(B) Silikalit | 230 : 1 |
(C) Silikalit | 2200 : 1 |
(D) Ultrastabiles Y | 6 : 1 |
(E) Entaluminisierter Mordenit | 63 : 1 |
(F) Amorphes SiO₂/Al₂O₃ | 54/46 (Gew.-Verhältnis) |
(G) CZH-5 | 50 : 1 |
Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle II zusammen
gefaßt. Die Versuche mit den Katalysatoren (A) und (B) werden
nach einem Imprägnieren der Katalysatoren mit 0,8 Gew.-%
Zink durchgeführt.
Die graphische Darstellung der Fig. 1 zeigt die Unterschiede
bezüglich des Wasserstoffübertragungsindex für
verschiedene Katalysatoren sowie das Ansprechen des Wasser
stoffübertragungsindex auf die Anzahl der Hexeninjektion,
d. h. auf das Fouling des Katalysators. Je höher
der Wasserstoffübertragungsindex ist, desto geringer ist
die Wasserstoffübertragungsaktivität des Katalysators.
Der Wasserstoffübertragungsindex sollte oberhalb 10,
vorzugsweise oberhalb 25, liegen.
Es wird ein Versuch durchgeführt, um die Reaktion eines
Alkens mit einem quaternären Kohlenstoffatom über einem
Zeolith mit mittlerer Porengröße zu untersuchen. Die Beschickung
besteht aus 3,3-Dimethyl-1-buten.
Von den während des Versuchs B erzeugten C₇+-Verbindungen
bestehen ungefähr 50% aus C₁₂-Kohlenwasserstoffen. Die
Werte zeigen, daß eine äußerst ungewöhnliche Reaktion statt
gefunden hat.
Es wird ein Versuch durchgeführt, um CZM mit Silikalit,
imprägniert mit Chrom, im Hinblick auf die Oligomerisation
von 1-Buten bei einem Wasserstoffdruck von 110 bar
und einer Temperatur von 288°C
sowie einem LHSV-Wert von 1,5 zu vergleichen.
Die folgenden Werte zeigen, daß CZM aktiver ist als das
imprägnierte Material.
Der Test unter Verwendung von CZM wird 80 h fortgesetzt,
d. h. bis zu dem Zeitpunkt, an welchem die CZM-Aktivität
auf den Wert des imprägnierten Silikalits 17 h abgefallen
ist.
Propen wird über drei Katalysatoren, die jeweils 1% Zink
enthalten, oligomerisiert. Die Reaktionsbedingungen und
Ergebnisse gehen aus der Tabelle III hervor. Dabei wird ein
erfindungsgemäß verwendeter Zn-H-Silikalit-Katalysator mit einem
Zn-HZSMN5-Katalysator verglichen.
Die Olefinizität des Zn-HZSM-5 93-177°C Produktes,
das bei 27,6 bar erzeugt worden ist, ist hoch, wie sich
aus der hohen Oktanzahl ergibt. Eine Erhöhung des Drucks
steigert die 371°C-Fraktion, setzt jedoch die Ole
finizität herab. Unter Verwendung eines Katalysators auf
Silikalitbasis anstelle eines Katalysators auf ZSM-5-Basis
erhöht den Olefingehalt des Produkts.
Es wird ein Versuch durchgeführt, um die Wirkung von Zink
auf eine Hochdruckoligomerisation unter Verwendung von Mole
kularsieben mit mittlerer Porengröße zu untersuchen. Ein
Silikalit und ein mit Zink imprägnierter Silikalit werden
als Katalysatoren verwendet. Die Propenbeschickung wird mit
dem Katalysator bei einem LHVS-Wert von 1, einem Kohlenwasser
stoffdruck von 110 bar und 288°C kontaktiert.
Die Werte gehen aus der Fig. 2 hervor. Nach einer
20stündigen Betriebszeit beträgt die Ausbeute der 316°C+-
Fraktion 9 Gew.-% im Falle des Silikalitkatalysators,
jedoch 14 Gew.-% im Falle des Zink-Silikalitkatalysators.
Nach 50stündiger Betriebszeit erzeugt der Silkalitkataly
sator nur 2% 316°C+, während der Zink enthaltende Kataly
sator 150 h braucht, um diesen Punkt zu erreichen.
Propen wird über einem Zink (1 Gew.-%) enthaltenden ZSM-5-
Katalysator bei 27,6 bar, 288°C und einem
LHSV-Wert von 4 oligomerisiert. Die Ergebnisse gehen aus
der Tabelle IV hervor.
Produktausbeuten (Gew.-%) | |
C₁-C₂ | |
0 | |
C₃ | 3,5 |
C₄ | 5,7 |
C₅-93°C | 6,6 |
93-177°C | 23,7 |
177°C | 60,5 |
93-177°C Produkt | |
P/N+O/A|8,7/90,8/0,5 | |
Gum, mg/100 ml | 1,0 |
Maleinsäuredienwert | 0 |
F-1/F-2 | 95/80 |
177°C+ Produkt |
P/N+O/A|17,0/79,2/3,8 |
Die 177°C+-Fraktion des Produktes wird bei 329°C
sowie unter einem Druck von 34,5 bar über einem
Ni-Mo/Al₂O₃-Katalysator einer Hydrofining-Behandlung unterzogen.
Die Produkteigenschaften werden mit den ASTM-Spezi
fikationen für Jet A-1 und Nr. 2 Diesel in der Tabelle V
verglichen.
Destillation, simulierter TBP-Wert, °C | |
10/30|280/301 | |
50/70 | 321/342 |
90/EP | 387/462 |
Es wird ein Versuch durchgeführt, der die Vorteile der Steuerung
der Größe des Molekularsiebkristallits zeigt. Propen wird
über 1 Gew.-% Zink enthaltenden Silikalitkatalysatoren bei
110 bar, 288°C und einem LHVS-Wert von
0,5 oligomerisiert. Die Aktivität der Katalysatoren bezüglich
der Herstellung von Oligomeren mit hohen Molekulargewichten,
315°C+-Fraktion, geht aus Fig. 3 hervor.
Es wird ein Versuch durchgeführt, um die Wirkung des Drucks
auf die Versuchsdauer und die Flüssigkeitsausbeute unter
Verwendung eines Zink (1 Gew.-%) enthaltenden Silikalit
katalysators und einer 1-Butenbeschickungzu zeigen. Die
Reaktionsbedingungen sind 288°C, ein LHSV-Wert von
0,5 und ein Druck von entweder 55,1 bar oder
110,2 bar. Die Gew.-% des flüssigen Produktes,
das oberhalb 288°C siedet, als Funktion der Betriebs
zeit, geht aus Fig. 4 hervor.
aus der wahren Siedepunktdestillation des Produktes bei
55 bar nach 42 h sowie nach 89 h wird der Prozentsatz
des Produktes, der bei seiner flüssigen Phase vorliegt,
berechnet, wobei Standardmethoden sowie kritische Temperaturen
und Drucke angewendet werden. Die wahren Siede
punktswerte, die bezüglich des Gases in dem Reaktorab
lauf korrigiert worden sind, sind wie folgt:
Die berechnete Fraktion des Produktes, die sich in der flüssigen
Phase befindet, ist wie folgt:
Diese Werte zeichnen die Vorteile einer Betriebsweise bei
sehr hohen Drucken, und zwar 110 bar im Gegensatz zu 55 bar.
Sie zeigen ferner, daß mit einem Altern des Katalysators er
allmählich die Fähigkeit verliert, Reaktanten zu Produkten,
die Flüssigkeiten sind, zu oligomerisieren.
Claims (13)
1. Verfahren zum Oligomerisieren von C₂-C₆-Alkenen als Einzel
verbindungen oder im Gemisch,
dadurch gekennzeichnet,
daß man
- a) eine C₂-C₆-Alkenbeschickung unter Oligomerisierungs
bedingungen mit einem Oligomerisierungskatalysator
kontaktiert, wobei der Oligomerisierungskatalysator
periodisch durch Strippen regeneriert werden kann;
wobei
- a1) die C₂-C₆-Alkenbeschickung ein einfaches C₂-C₆- Alken oder ein C₂-C₆-Alkengemisch enthält, und das einfache C₂-C₆-Alken oder im Falle eines C₂-C₆-Alkengemisches mindestens eines der C₂-C₆-Alkene unter Oligomerisierungsbedingungen gasförmig ist.;
- a2) der Oligomerisierungskatalysator ein kieselsäure haltiges kristallines Molekularsieb mit Zwischen porengröße und einer wirksamen Porenöffnung zwischen ungefähr 0,5 und 0,65 nm, wenn sich das Molekularsieb in der H-Form befindet, enthält, einen Wasser stoffübertragungsindex von größer 10 aufweist und ausgewählt ist aus Silikalit, RE 29,498-Organo silikalit, CZM oder Gemischen davon; und
- a3) die Oligomerisierungsbedingungen eine Temperatur von 50 bis 350°C, einen Druck von mehr als 30 bar und eine LHSV von 0,05 bis 20 h-1 einschließen;
- b) einen oligomerisierte Alkene enthaltenden Ablauf gewinnt, wobei wenigstens ein Teil der oligomerisierten Alkene unter den Oligomerisierungsbedingungen flüssig ist, und daß man wahlweise die Beschickung durch mehrere Oligomerisierungsstufen führt, wobei man die Oligomeren von nicht umgesetzten Alkenen abtrennt, die Alkene zurückführt und die Oligomeren hydriert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß im wesentlichen alle Alkene in der Alkenmischung Gase
unter den Oligomerisationsbedingungen sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oligomerisationsbedingungen einen Druck vorsehen,
der größer ist als ungefähr 30 bar, sowie eine Temperatur
von oberhalb ungefähr 100°C.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die eingesetzten Alkene verzweigtkettige Alkene
enthalten, wobei die Verzweigungen der verzweigtkettigen
Alkene Methylverzweigungen sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die eingesetzten Alkene n-Alkene enthalten.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die eingesetzten n-Alkene aus 1-Alkenen bestehen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das eingesetzte Alken aus Propen, 1-Buten, 2-Buten oder
2-Methylpropen besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oligomerisationsbedingungen einen Druck von mehr als
ungefähr 65 bar vorsehen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß der eingesetzte Katalysator außerdem Zink oder
eine Zinkverbindung, Cadmium oder eine Verbindung davon
oder Mischungen davon enthält.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Molekularsieb im wesentlichen aluminiumoxid
frei ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß periodisch der Katalysator von dem Kontakt mit
der Beschickung entfernt wird, der Katalysator mit einem
Strippgas gestrippt und die Kontaktierung unter Oligome
risationsbedingungen erneut aufgenommen wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens ein Teil der nichtumgesetzten Alkene
und der Alkenoligomeren, die in dem Ablauf vorliegen,
mit einem Katalysator aus einem kieselsäurehaltigen kristallinen
Molekularsieb mit Zwischenporengröße, das im
wesentlichen frei von Wasserstoffübertragungsaktivität
ist, in wenigstens einer weiteren Reaktionszone unter
weiteren Oligomerisationsbedingungen kontaktiert wird,
wobei die weiteren Oligomerisationsbedingungen nicht
so streng sind, daß Oligomere, die in dem Ablauf der
weiteren Reaktionszone vorliegen, gecrackt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die weiteren Oligomerisationsbedingungen in der
weiteren Reaktionszone weniger scharf sind als die
Reaktionsbedingungen der Oligomerisationszone, die der
weiteren Reaktionszone unmittelbar vorgeschaltet ist.
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Legal Events
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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Owner name: CHEVRON RESEARCH AND TECHNOLOGY CO., SAN FRANCISCO |
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