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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts
mit verringertem Schwefelgehalt aus einem Einsatzmaterial, wobei
das Einsatzmaterial eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen umfaßt und schwefelhaltige
aromatische Verbindungen wie thiophenische und benzothiophenische
Verbindungen als unerwünschte
Verunreinigungen enthält.
Insbesondere beinhaltet das Verfahren ein Trennen des Einsatzmaterials
in Fraktionen mit unterschiedlichem Siedepunkt, Umwandeln von zumindest
einem Anteil der schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen
einer jeden Fraktion zu höhersiedenden
Produkten durch Alkylieren und Entfernen dieser höhersiedenden
Produkte durch fraktionierte Destillation.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Das
katalytische Wirbelschicht-Crackverfahren ist einer der Hauptraffinierungsarbeitsschritte,
welcher derzeitig bei der Umwandlung von Erdöl zu gewünschten Kraftstoffen wie Benzin
und Dieselkraftstoff verwendet wird. In diesem Verfahren wird ein
Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial mit hohem Molekulargewicht zu
Produkten mit niedrigerem Molekulargewicht umgewandelt wird durch
einen Kontakt mit heißen
feinverteilten Feststoffkatalysatorteilchen in einem Wirbelfließzustand
oder dispergierten Zustand. Geeignete Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterialien
sieden typischerweise innerhalb des Bereichs von ungefähr 205 °C bis ungefähr 650 °C und sie
werden im allgemeinen mit dem Katalysator bei Temperaturen im Bereich
von ungefähr
450 °C bis
ungefähr
650 °C in
Kontakt gebracht. Ge eignete Einsatzmaterialien umfassen verschiedene
Mineralölfraktionen
wie leichte Gasöle,
schwere Gasöle,
breitverschnittene Gasöle,
Vakuumgasöle,
Kerosine, geklärte Öle, Rückstandsfraktionen,
reduzierte Rohöle
und Rückführöle, welche
von einer dieser stammen, ebenso wie Fraktionen, die von Schieferölen, einer
Teersandverarbeitung und Kohleverflüssigung stammen. Produkte dieser
Verfahren basieren typischerweise auf Siedepunkten und umfassen
leichtes Naphtha (Siedepunkt zwischen ungefähr 10 °C und ungefähr 221 °C), schweres Naphtha (Siedepunkt
zwischen ungefähr
10 °C und ungefähr 249 °C), Kerosin
(Siedepunkt zwischen ungefähr
180 °C und
ungefähr
300 °C),
leichte Rückführöle (Siedepunkt
zwischen ungefähr
221 °C und
ungefähr
345 °C)
und schwere Rückführöle (Siedepunkt
bei Temperaturen von mehr als ungefähr 345 °C).
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Das
katalytische Wirbelschicht-Crackverfahren stellt nicht nur einen
signifikanten Anteil des Treibstoffpools der Vereinigten Staaten
zur Verfügung,
sondern stellt auch einen großen
Anteil des Schwefels zur Verfügung,
der in diesem Pool auftaucht. Der Schwefel in den flüssigen Produkten
aus diesem Verfahren liegt in der Form von organischen Schwefelverbindungen
vor und ist eine unerwünschte
Verunreinigung, welche zu Schwefeloxiden umgewandelt wird, wenn
diese Produkte als ein Treibstoff verwendet werden. Diese Schwefeloxide
sind unerwünschte
Luftschadstoffe. Darüber
hinaus können
sie viele der Katalysatoren deaktivieren, welche für die katalytischen
Umwandler entwickelt wurden, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden,
um die Umwandlung von schädlichen
Emissionen im Motorabgas zu Gasen zu katalysieren, die weniger unerwünscht sind.
Es ist folglich wünschenswert,
den Schwefelgehalt der katalytischen Crackprodukte auf die geringstmöglichen
Niveaus zu verringern.
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Die
schwefelhaltigen Verunreinigungen von Rohbenzinen (Straight-run-Benzinen),
welche durch einfache Destillation von Rohöl hergestellt werden, sind
im allgemeinen sehr verschieden von denen in gecrackten Benzinen.
Die ersteren enthalten in der Hauptsache Mercaptane und Sulfide,
wohingegen die letzteren reich an Thiophen, Benzothiophen und Derivaten
von Thiophen und Benzothiophen sind.
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Schwefelarme
Produkte werden üblicherweise
aus dem katalytischen Crackverfahren erhalten durch Hydrotreating
von entweder dem Einsatzmaterial des Verfahrens oder der Produkte
aus dem Verfahren. Das Hydrotreating-Verfahren umfaßt eine
Behandlung mit Wasserstoff in der Gegenwart eines Katalysators und führt zu der
Umwandlung des Schwefels in den schwefelhaltigen organischen Verunreinigungen
zu Schwefelwasserstoff, welcher abgetrennt und zu elementarem Schwefel
umgewandelt werden kann. Unglücklicherweise
ist dieser Verfahrenstyp typischerweise sehr kostenintensiv, da
er eine Wasserstoffquelle, eine Hochdruckverfahrensausrüstung, teure
Hydrotreating-Katalysatoren und eine Schwefelrückgewinnungsanlage zur Umwandlung
des resultierenden Schwefelwasserstoffs zu elementarem Schwefel
erfordert. Darüber
hinaus kann das Hydrotreating-Verfahren zu einer unerwünschten
Zerstörung
von Olefinen in dem Einsatzmaterial führen durch deren Umwandlung
zu gesättigten
Kohlenwasserstoffen durch Hydrierung. Diese Zerstörung von
Olefinen durch Hydrierung ist unerwünscht, da sie zum Verbrauch
von teurem Wasserstoff führt
und die Olefine als Komponenten des Benzins mit hoher Oktanzahl
wertvoll sind. Beispielsweise weist Naphtha eines Benzinsiedebereichs
von einem katalytischen Crackverfahren eine relativ hohe Oktanzahl
auf als eine Folge eines großen Olefingehalts. Ein Hydrotreating eines derartigen
Materials bewirkt eine Verringerung des Olefingehalts zusätzlich zu
der gewünschten
Entschwefelung, und die Oktanzahl nimmt in dem Maße ab, wie
die Entschwefelung fortschreitet.
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Das
US-Patent Nr. 2,448,211 (Caesar et al.) offenbart, daß Thiophen
und dessen Derivate alkyliert werden können durch Umsetzen mit olefinischen
Kohlenwasserstoffen bei einer Temperatur zwischen ungefähr 140 °C und ungefähr 400 °C in der
Gegenwart eines Katalysators wie eines aktivierten natürlichen
Tons oder eines synthetischen Adsorptionsmittelkomposits aus Siliciumdioxid
und mindestens einem amphoteren Metalloxid. Geeignete aktivierte
natürliche
Tonkatalysatoren umfassen Tonkatalysatoren, auf welchen Zinkchlorid
oder Phosphorsäure
abgeschieden wurde. Geeignete Katalysatoren aus Siliciumdioxid – amphoterem Metalloxid
umfassen Kombinationen von Siliciumdioxid mit Materialien wie Aluminiumoxid,
Zirconiumoxid, Ceroxid und Thoriumoxid. Das US-Patent Nr. 2,469,823
(Hansford et al.) lehrt, daß Bortrifluorid
verwendet werden kann, um die Alkylierung von Thiophen und Alkylthiophenen
mit Alkylierungsmitteln wie olefinischen Kohlenwasserstoffen, Alkylhalogeniden,
Alkoholen und Mercaptanen zu katalysieren. Darüber hinaus offenbart das US-Patent
Nr. 2,921,081 (Zimmerschied et al.), daß saure Feststoffkatalysatoren
hergestellt werden können durch
Kombinieren einer Zirconiumverbindung, die aus der aus Zirconiumdioxid
und den Halogeniden von Zirconium bestehenden Gruppe ausgewählt ist,
mit einer Säure,
die aus der aus Orthophosphorsäure,
Pyrophosphorsäure
und Triphosphorsäure
bestehenden Gruppe ausgewählt
ist. Zimmerschied et al. lehren auch, daß Thiophen mit Propylen bei
einer Temperatur von 227 °C
in der Gegenwart eines solchen Katalysators alkyliert werden kann.
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Das
US-Patent Nr. 2,563,087 (Vesely) offenbart, daß Thiophen aus aromatischen
Kohlenwasserstoffen entfernt werden kann durch selektive Alkylierung
des Thiophens und Abtrennen des resultierenden Thiophenalkylats
durch Destillation. Die selektive Alkylierung wird durchgeführt durch
Mischen des mit Thiophen kontaminierten aromatischen Kohlenwasserstoffs
mit einem Alkylierungsmittel und In-Kontakt-Bringen der Mischung
mit einem Alkylierungskatalysator bei einer sorgfältig gesteuerten
Temperatur im Bereich von ungefähr –20 °C bis ungefähr 85 °C. Es wird
offenbart, daß geeignete
Alkylierungsmittel Olefine, Mercaptane, Mineralsäureester und Alkoxyverbindungen
wie aliphatische Alkohole, Ether und Ester von Carbonsäuren umfassen. Es
wird ebenfalls offenbart, daß geeignete
Alkylierungskatalysatoren die folgenden einschließen: (1)
die Friedel-Crafts-Metallhalogenide, welche bevorzugt in einer wasserfreien
Form verwendet werden; (2) eine Phosphorsäure, vorzugsweise Pyrophosphorsäure, oder
eine Mischung eines solchen Materials mit Schwefelsäure, wobei
das Volumenverhältnis
von Schwefelsäure
zu Phosphorsäure
weniger als ungefähr
4:1 beträgt;
und (3) eine Mischung einer Phosphorsäure wie Orthophosphorsäure oder
Pyrophosphorsäure
mit einem siliciumhaltigen Adsorptionsmittel wie Kieselgur oder
einem siliciumhaltigen Ton, welche bei einer Temperatur von ungefähr 400 °C bis ungefähr 500 °C calciniert
wurde, um eine Silico-Phosphorsäure-Kombination
zu bilden, die üblicherweise
als ein fester Phosphorsäurekatalysator
bezeichnet wird.
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Das
US-Patent Nr. 5, 171, 916 (Le et al.) betrifft ein Verfahren zum
Aufwerten eines leichten Rückführöls durch
(1) Alkylieren der Heteroatom-enthaltenden aromatischen Verbindungen
des Rückführöls mit einem aliphatischen
Kohlenwasserstoff mit mindestens einer olefinischen Doppelbindung
durch die Verwendung eines kristallinen Metallosilicatkatalysators;
und (2) Trennen des hochsiedenden Alkylierungsprodukts durch fraktionierte
Destillation. Es wird offenbart, daß das nicht umgewandelte leichte
Rückführöl einen
verringerten Schwefel- und Stickstoffgehalt aufweist und das hochsiedende
Alkylierungsprodukt brauchbar ist als ein synthetisches, alkyliertes,
aromatisches, funktionales Fluidgrundmaterial.
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Das
US-Patent Nr. 5,599,441 (Collins et al.) offenbart ein Verfahren
zum Entfernen von thiophenischen Schwefelverbindungen aus einem
gecrackten Naphtha durch: (1) In-Kontakt-Bringen des Naphthas mit
einem sauren Katalysator in einer Alkylierungszone, um die thiophenischen
Verbindungen unter Verwendung der in dem Naphtha vorhandenen Olefine
als ein Alkylierungsmittel zu alkylieren; (2) Entfernen eines Ausflußstroms aus
der Alkylierungszone; und (3) Trennen der alkylierten thiophenischen
Verbindungen von dem aus der Alkylierungszone ausfließenden Strom
durch fraktionierte Destillation. Es wird auch offenbart, daß zusätzliche Olefine
zu dem gecrackten Naphtha zugegeben werden können, um zusätzliches
Alkylierungsmittel für
das Verfahren zur Verfügung
zu stellen.
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WO-A-9830655
beschreibt ein Trennen eines gecrackten Produkts in zwei Fraktionen
und dann Alkylieren der S-enthaltenden Verbindungen der leichteren
Fraktion, gefolgt von einem Entfernen der alkylierten S-Verbindungen
durch fraktionierte Destillation.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Kohlenwasserstoffflüssigkeiten,
die über
einen breiten oder einen engen Bereich an Temperaturen innerhalb
des Bereich von ungefähr
10 °C bis
ungefähr
345 °C sieden,
werden hierin als "Kohlenwasserstoffdestillatflüssigkeiten" bezeichnet. Solche
Flüssigkeiten
treten häufig
bei der Raffination von Erdöl
und auch bei der Raffination von Produkten aus einer Kohleverflüssigung
und der Verarbeitung von Ölschiefer
oder Teersänden auf,
und diese Flüssigkeiten
umfassen typischerweise eine komplexe Mischung aus Kohlenwasserstoffen. Zum
Beispiel leichtes Naphtha, schweres Naphtha, Benzin, Kerosin und
leichtes Rückführöl sind alles
Kohlenwasserstoffdestillatflüssigkeiten.
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Kohlenwasserstoffdestillatflüssigkeiten,
die bei einer Raffination auftreten, enthalten häufig unerwünschte schwefelhaltige Verunreinigungen,
welche zumindest teilweise entfernt werden müssen. Hydrotreating-Verfahren
sind wirksam und werden üblicherweise
zur Entfernung von schwefelhaltigen Verunreinigungen aus Kohlenwasserstoffdestillatflüssigkeiten
verwendet. Unglücklicherweise
ist das Hydrotreating ein kostenintensives Verfahren und ist im
allgemeinen unbefriedigend bei einer Verwendung mit Kohlenwasserstoffdestillatflüssigkeiten
mit hohem Olefingehalt. Demgemäß besteht
eine Notwendigkeit für
ein kostengünstiges
Verfahren zur wirksamen Entfernung von schwefelhaltigen Verunreinigungen
aus Kohlenwasserstoffdestillatflüssigkeiten.
Es besteht auch eine Notwendigkeit für ein solches Verfahren, das
verwendet werden kann zur Entfernung von schwefelhaltigen Verunreinigungen
aus Kohlenwasserstoffdestillatflüssigkeiten,
wie Produkten aus einem katalytischen Wirbelschicht-Crackverfahren,
die in hohem Maße
olefinisch sind und sowohl thiophenische als auch benzothiophenische
Verbindungen als unerwünschte
Verunreinigungen enthalten.
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Organische
Schwefelverbindungen können
aus Kohlenwasserstoffdestillatflüssigkeiten
entfernt werden durch: (1) Umwandeln der Schwefelverbindungen zu
Produkten mit höherem
Siedepunkt durch Alkylierung; und (2) Entfernen der höhersiedenden
Produkte durch fraktionierte Destillation. Dieser Verfahrenstyp
zur Schwefelentfernung wird hierin als ein "Alkylierungs/Fraktionierungs-Entschwefelungsver fahren" bezeichnet. Obwohl
ein solches Verfahren durchaus wirksam ist, ist es bei manchen Einsatzmaterialien
besser als bei anderen. Wenn es zum Beispiel auf ein Einsatzmaterial
angewendet wird, das eine signifikante Menge an aromatischen Kohlenwasserstoffen
enthält,
wie Naphtha aus einem katalytischen Crackverfahren, ist die Alkylierung
von aromatischen Kohlenwasserstoffen in dem Naphtha eine Reaktion,
die in Konkurrenz steht mit der gewünschten Alkylierung von schwefelhaltigen
Verunreinigungen. Diese konkurrierende Alkylierung von aromatischen
Kohlenwasserstoffen ist für
gewöhnlich
unerwünscht,
da ein signifikanter Anteil der alkylierten aromatischen. Kohlenwasserstoffprodukte
unerwünscht
hohe Siedepunkte aufweisen wird und bei dem Verfahren zusammen mit
den alkylierten schwefelhaltigen Verunreinigungen mit hohem Siedepunkt
verworfen wird. Glücklicherweise
werden viele typische schwefelhaltige Verunreinigungen viel schneller
alkyliert als aromatische Kohlenwasserstoffe. Demgemäß können die
schwefelhaltigen Verunreinigungen bis zu einem beschränkten Grad
selektiv alkyliert werden. Jedoch macht die konkurrierende Alkylierung
von aromatischen Kohlenwasserstoffen es im wesentlichen unmöglich, eine
im wesentlichen vollständige
Entfernung der schwefelhaltigen Verunreinigungen ohne eine gleichzeitige
und unerwünschte
Entfernung von signifikanten Mengen an aromatischen Kohlenwasserstoffen
zu erreichen.
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In
den Fällen,
bei denen ein Olefin oder eine Mischung von Olefinen als das Alkylierungsmittel
bei der praktischen Durchführung
des Alkylierungs/Fraktionierungs-Entschwefelungsverfahrens verwendet
wird, wird eine Olefinpolymerisation als eine unerwünschte Nebenreaktion
auch mit der gewünschten
Alkylierung von schwefelhaltigen Verunreinigungen konkurrieren.
Als eine Folge dieser Nebenreaktion ist es oft nicht möglich, eine
hohe Umwandlung der schwefelhaltigen Verunreinigungen zu Alkylie rungsprodukten
zu erreichen ohne eine signifikante Umwandlung von olefinischem
Alkylierungsmittel zu polymeren Nebenprodukten. Ein solcher Verlust
an Olefinen kann sehr unerwünscht
sein, wenn zum Beispiel ein olefinisches Naphtha im Siedepunktbereich
von Benzin zu entschwefeln ist und das resultierende Produkt als
ein Material zum Mischen von Benzinen verwendet wird. In diesem
Beispiel können
C6- bis C10-Olefine,
welche eine hohe Oktanzahl aufweisen und in dem Siedepunktbereich
von Benzin liegen, unter stark alkylierenden Bedingungen zu hochsiedenden polymeren
Nebenprodukten umgewandelt werden und dadurch als Benzinkomponenten
verlorengehen.
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Wir
haben herausgefunden, daß der
Verlust von aromatischen Kohlenwasserstoffen aus einem Einsatzmaterial,
das zur Entfernung von schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen
einem Alkylierungs/Fraktionierungs-Entschwefelungsverfahren unterzogen
wird, minimiert werden kann durch Trennen des Einsatzmaterials in
mindestens zwei Fraktionen durch fraktionierte Destillation und
dann Unterziehen einer jeden Fraktion von Reaktionsbedingungen,
die wirksam sind zum Umwandeln von zumindest einem Anteil ihrer schwefelhaltigen
aromatischen Verunreinigungen zu höhersiedenden schwefelhaltigen
Produkten durch Alkylieren mit einem Alkylierungsmittel in der Gegenwart
eines sauren Katalysators. Die höhersiedenden
schwefelhaltigen Produkte werden dann durch fraktionierte Destillation
entfernt. Wir haben auch herausgefunden, daß der Verlust von C6- bis C10-Olefinen
durch Umwandlung zu unerwünschten
Nebenprodukten auch minimiert werden kann durch die Verwendung dieser
Art des Verfahrens. Insbesondere haben wir herausgefunden, daß die leichter
flüchtigen
schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen im allgemeinen leichter
alkyliert werden als die weniger flüchtigen schwefelhaltigen aromatischen
Verunreinigungen. Demgemäß kann das Einsatzmaterial
auf der Basis des Siedepunkts in eine niedrigsiedende Fraktion und
zumindest eine höhersiedende
Fraktion fraktioniert werden, und die reaktiveren und flüchtigeren
schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen in der niedrigsiedenden
Fraktion können
alkyliert werden, indem diese niedriger siedende Fraktion Alkylierungsbedingungen
ausgesetzt wird, die ausreichend mild sind, so daß aromatische
Kohlenwasserstoffe in der Fraktion im wesentlichen nicht beteiligt
werden. Die weniger flüchtigen
und häufig
weniger reaktiven schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen
in der höhersiedenden
Fraktion können
alkyliert werden, indem diese höhersiedende
Fraktion Alkylierungsbedingungen ausgesetzt wird, die stärker sind.
Die resultierenden hochsiedenen schwefelhaltigen Produkte werden
dann durch fraktionierte Destillation entfernt.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Produkten mit
verringertem Schwefelgehalt aus einem Einsatzmaterial, wobei das
Einsatzmaterial eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen umfaßt, welche
Olefine einschließt,
und wobei das Einsatzmaterial als Verunreinigungen schwefelhaltige aromatische
Verbindungen enthält,
wobei das Verfahren folgendes umfaßt:
- (a)
Fraktionieren des Einsatzmaterials zur Herstellung:
(i) einer
ersten Einsatzmaterialfraktion, die einen Teil der Verunreinigungen
enthält,
einen Olefingehalt von 5 bis 25 Gew.-% aufweist und einen Destillationsendpunkt
aufweist, der im Bereich von 135 °C
bis 221 °C liegt;
und
(ii) einer zweiten Einsatzmaterialfraktion, die höher siedet
als die erste Einsatzmaterialfraktion und einen Teil der Verunreinigungen
enthält;
- (b) in einem ersten Kontaktierungsschritt In-Kontakt-Bringen der ersten
Einsatzmaterialfraktion mit einem sauren Katalysator unter Bedingungen,
die wirksam sind für
ein Umwandeln von zumindest einem Teil deren Gehalts an den Verunreinigungen
zu einem schwefelhaltigen Material mit höherem Siedepunkt durch Alkylierung
durch die Olefine;
- (c) Herstellen eines sekundären
Prozeßstroms
durch Vereinigen der zweiten Einsatzmaterialfraktion mit einem sekundären Alkylierungsmittel,
das mindestens ein Material umfaßt, ausgewählt aus der aus Alkoholen und
Olefinen bestehenden Gruppe, und wobei das sekundäre Alkylierungsmittel
zusätzlich
zu jeglichen Olefinen vorhanden ist, die in der zweiten Einsatzmaterialfraktion
vorhanden sind;
- (d) in einem zweiten Kontaktierungsschritt In-Kontakt-Bringen des sekundären Prozeßstroms
mit einem sauren Katalysator unter Bedingungen, die wirksam sind
für ein
Umwandeln von zumindest einem Teil dessen Gehalts an den Verunreinigungen
zu einem schwefelhaltigen Material mit höherem Siedepunkt durch Alkylierung;
und
- (e) fraktioniertes Destillieren der Produkte der ersten und
zweiten Kontaktierungsschritte zur Entfernung des schwefelhaltigen
Materials mit höherem
Siedepunkt.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Produkten mit
verringertem Schwefelgehalt aus einem Einsatzmaterial, wobei das
Einsatzmaterial eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen umfaßt, welche
Olefine einschließt,
und wobei das Einsatzmaterial als Verunreinigungen sowohl thiophenische
als auch benzothiophenische Verbindungen enthält, wobei das Verfahren folgendes
umfaßt:
- (a) Fraktionieren des Einsatzmaterials zur
Herstellung:
(i) einer ersten Einsatzmaterialfraktion, die
thiophenische Verbindungen als Verunreinigungen enthält, einen
Olefingehalt von 5 bis 25 Gew.-% aufweist und einen Destillationsendpunkt
aufweist, der unterhalb dem liegt, bei dem signifikante Mengen an
benzothiophenischen Verbindungen destilliert werden; und
(ii)
einer zweiten Einsatzmaterialfraktion, die höher siedet als die erste Einsatzmaterialfraktion
und benzothiophenische Verbindungen als Verunreinigungen enthält;
- (b) in einem ersten Kontaktierungsschritt In-Kontakt-Bringen der ersten
Einsatzmaterialfraktion mit einem sauren Katalysator unter Bedingungen,
die wirksam sind für
ein Umwandeln von zumindest einem Teil ihrer thiophenischen Verunreinigungen
zu einem schwefelhaltigen Material mit höherem Siedepunkt durch Alkylierung
durch die Olefine;
- (c) Herstellen eines sekundären
Prozeßstroms
durch Vereinigen der zweiten Einsatzmaterialfraktion mit einem sekundären Alkylierungsmittel,
das mindestens ein Material umfaßt, ausgewählt aus der aus Alkoholen und
Olefinen bestehenden Gruppe, und wobei das sekundäre Alkylierungsmittel
zusätzlich
zu jeglichen Olefinen vorhanden ist, die in der zweiten Einsatzmaterialfraktion
vorhanden sind;
- (d) in einem zweiten Kontaktierungsschritt In-Kontakt-Bringen des sekundären Prozeßstroms
mit einem sauren Katalysator unter Bedingungen, die wirksam sind
für ein
Umwandeln von zumindest einem Teil seiner benzothiophenischen Verunreinigungen
zu einem schwefelhaltigen Material mit höherem Siedepunkt durch Alkylierung;
und
- (e) fraktioniertes Destillieren der Produkte der ersten und
zweiten Kontaktierungsschritte zur Entfernung des schwefelhaltigen
Materials mit höherem
Siedepunkt.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Alkylierungs/Fraktionierungs-Entschwefelungsverfahren
zur Verfügung
zu stellen, bei dem die Nebenproduktbildung minimiert ist.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Alkylierungs/Fraktionierungs-Entschwefelungsverfahren
zur Verfügung
zu stellen, bei dem die Bildung von unerwünschten Oligomeren und Polymeren
aus der Polymerisation von olefinischen Alkylierungsmitteln minimiert
ist.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Alkylierungs/Fraktionierungs-Entschwefelungsverfahren
zur Verfügung
zu stellen, welches auf ein Einsatzmaterial angewendet werden kann,
das flüchtige aromatische
Kohlenwasserstoffe enthält,
ohne daß ein
signifikanter Verlust solcher Kohlenwasserstoffe bewirkt wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren
zur wirksamen Entfernung von thiophenischen und benzothiophenischen
Verunreinigungen aus einem olefinischen gecrackten Naphtha zur Verfügung zu
stellen, welches nicht signifikant die Oktanzahl des Naphthas verringert.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges
Verfahren zur wirksamen Entfernung von thiophenischen und benzothiophenischen
Verunreinigungen aus einem Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial zur
Verfügung
zu stellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 der
Zeichnungen ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
der Erfindung
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2 der
Zeichnungen vergleicht die Umwandlung von Benzol, Toluol, Thiophen,
Ethylthiophen und Benzothiophen zu Produkten mit höherem Siedepunkt
durch Alkylierung mit C5-C8-Olefinen
sowohl in Gegenwart als auch in Abwesenheit von zugegebenem Propen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wir
haben ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts mit verringertem
Schwefelgehalt aus einem Einsatzmaterial, das eine Mischung aus
Kohlenwasserstoffen umfaßt
und schwefelhaltige aromatische Verbindungen wie thiophenische und
benzothiophenische Verbindungen als unerwünschte Verunreinigungen enthält, gefunden.
Die Erfindung beinhaltet ein Trennen des Einsatzmaterials in Fraktionen
mit unterschiedlicher Flüchtigkeit,
und jede Fraktion wird getrennt Reaktionsbedingungen ausgesetzt,
welche wirksam sind, um zumindest einen Anteil ihrer schwefelhaltigen
aromatischen Verunreinigungen zu höhersiedenden schwefelhaltigen
Produkten durch Alkylierung mit einem Alkylierungsmittel in der
Gegenwart eines sauren Katalysators umzuwandeln. Das heißt, die
Alkylierung der schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen bei
der praktischen Durchführung
dieser Erfindung wird durchgeführt
durch das parallele Verarbeiten von Einsatzmateri alfraktionen verschiedener
Flüchtigkeit.
Der Einfachheit halber wird dies hierin gelegentlich als ein mehrstufiges Alkylierungsverfahren
bezeichnet, mit der Bedeutung, daß jede Einsatzmaterialfraktion
in einer separaten Stufe alkyliert wird. Die höhersiedenden schwefelhaltigen
Produkte werden dann durch fraktionierte Destillation entfernt.
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Wie
hierin verwendet, bezeichnen die Begriffe "schwefelhaltige aromatische Verbindung" und "schwefelhaltige aromatische
Verunreinigung" eine
beliebige aromatische organische Verbindung, die zumindest ein Schwefelatom
in ihrem aromatischen Ringsystem aufweist. Solche Materialien umfassen
thiophenische und benzothiophenische Verbindungen, und Beispiele
solcher Materialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Thiophen, 2-Methylthiophen,
3-Methylthiophen, 2,3-Dimethylthiophen, 2,5-Dimethylthiophen, 2-Ethylthiophen,
3-Ethylthiophen, Benzothiophen, 2-Methylbenzothiophen, 2,3-Dimethylbenzothiophen
und 3-Ethylbenzothiophen.
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Bei
der praktischen Durchführung
der Erfindung wird das Einsatzmaterial auf Basis des Siedepunkts fraktioniert,
um folgendes zu erhalten: (1) eine Fraktion mit geringerem Siedepunkt,
die flüchtige
und typischerweise hochreaktive schwefelhaltige aromatische Verunreinigungen
umfaßt;
und (2) mindestens eine höhersiedende
Fraktion, die weniger flüchtige
und typischerweise weniger reaktive schwefelhaltige aromatische
Verunreinigungen umfaßt.
Die niedriger siedende Fraktion wird Alkylierungsbedingungen ausgesetzt,
die wirksam sind, um die flüchtigeren
und reaktiven Verunreinigungen zu höhersiedenden schwefelhaltigen
Produkten, die durch fraktionierte Destillation abgetrennt werden
können,
umzuwandeln. Diese flüchtigeren
Verunreinigungen werden typischerweise Thiophen und verschiedene
alkylsubstituierte Thiophene mit niedrigem Molekulargewicht einschließen. Die
Alkylierungsbedingungen können
so gewählt
werden, daß sie
mild genug sind, um zu einer wesentlichen Alkylierung der flüchtigen
schwefelhaltigen Verunreinigungen zu führen, ohne eine signifikante
Alkylierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen oder eine unerwünschte Olefinpolymerisation
zu verursachen. Die weniger flüchtigen
schwefelhaltigen Verunreinigungen in der höhersiedenden Fraktion oder den
höhersiedenden
Fraktionen, die typischerweise mehrfach substituierte Thiophene,
Benzothiophene und substituierte Benzothiophene einschließen, werden
dann Alkylierungsbedingungen ausgesetzt, die wirksam sind, um zumindest
einen Anteil davon zu höhersiedenden
schwefelhaltigen Produkten, die einfach durch fraktionierte Destillation
abgetrennt werden können,
umzuwandeln.
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Die
stufenweise Alkylierung der Erfindung wird durchgeführt durch
selektives Alkylieren der flüchtigeren
schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen in einer Stufe, während die
weniger flüchtigen
schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen in zumindest einer
zusätzlichen
Stufe alkyliert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Alkylierung von schwefelhaltigen Verunreinigungen in zwei
Stufen durchgeführt.
Die Alkylierungsstufe, die für
die flüchtigeren
Verunreinigungen verwendet wird, wird hierin als die erste oder
Anfangsstufe bezeichnet, während
die zusätzliche
Alkylierungsstufe oder die zusätzlichen
Alkylierungsstufen als zweite oder Sekundärstufen bezeichnet werden.
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Der
Destillationsendpunkt der niedrigsiedenden Einsatzmaterialfraktion
zur Verwendung in der ersten Stufe der Erfindung wird wünschenswerterweise
so gewählt,
daß er
unterhalb der Temperatur liegt, bei der wesentliche Mengen an Benzothiophen
destillieren. Da der Siedepunkt von Benzothiophen 221 °C beträgt, wird der
Destillationsendpunkt dieser niedrigsiedenden Fraktion typischerweise so
gewählt
werden, daß er
unterhalb von ungefähr
221 °C liegt.
Wir haben jedoch herausgefunden, daß Benzothiophen niedrigsiedende
Azeotrope mit einigen der Komponenten der Kohlenwasserstoffdestillatflüssigkeiten,
in denen es typischerweise als eine Verunreinigung auftritt, bilden
kann. Aufgrund einer solchen Azeotropbildung wird der Destillationsendpunkt
der niedrigsiedenden Einsatzmaterialfraktion für eine Verwendung in der Erfindung
vorzugsweise unterhalb ungefähr
199 °C und
weiter bevorzugt unterhalb ungefähr
190 °C liegen.
Ein wünschenswerter
Destillationsendpunkt für
die niedrigsiedende Fraktion wird im Bereich von ungefähr 135 °C bis ungefähr 221 °C liegen, da
dies dazu dient, benzothiophenische Verbindungen und auch einige
mehrfach substituierte Thiophene wie bestimmte 2,5-Dialkylthiophene,
welche typischerweise schwierig zu alkylieren sind, auszuschließen. Ein
in hohem Maße
wünschenswerter
Destillationsendpunkt für
die niedrigsiedende Einsatzmaterialfraktion wird im Bereich von
ungefähr
150 °C bis
ungefähr
190 °C liegen.
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Die
höhersiedende
Einsatzmaterialfraktion oder die höhersiedenden Einsatzmaterialfraktionen,
welche in der Sekundärstufe
oder den Sekundärstufen
der Erfindung verarbeitet werden, werden wünschenswerterweise einen Destillationsendpunkt
aufweisen, der unterhalb ungefähr
345 °C und
vorzugsweise unterhalb ungefähr
249 °C liegt.
Wenn zum Beispiel ein Produkt mit geringem Schwefelgehalt für eine Verwendung
als ein Material zum Mischen von Benzin gewünscht wird, kann das Einsatzmaterial
ein Naphtha aus einem katalytischen Crackverfahren sein, wobei die
niedrigsiedende Einsatzmaterialfraktion, die in der Anfangsstufe
der Erfindung verarbeitet wird, einen Destillationsendpunkt im Bereich
von ungefähr
150 °C bis
ungefähr
190 °C aufweisen
kann und die hochsiedende Einsatzmaterialfraktion, welche in der
Sekundärstufe
oder den Sekundärstufen
verarbeiten wird, einen Destillationsendpunkt von ungefähr 221 °C aufweisen
kann.
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Bei
der praktischen Durchführung
dieser Erfindung beinhalten die Hauptmechanismen für eine Umwandlung
der schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen zu höhersiedenden
Produkten die Alkylierung dieser Verunreinigungen mit dem Alkylierungsmittel.
Beispielsweise wird eine einfache Alkylierung einer schwefelhaltigen
aromatischen Verbindung wie Thiophen ein alkylsubstituiertes Thiophen
ergeben. Dieser Reaktionstyp wird in der folgenden Gleichung veranschaulicht,
bei der die Umwandlung von Thiophen zu 2-Isopropylthiophen veranschaulicht
wird unter Verwendung von Propen als dem Alkylierungsmittel.
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Dabei
kann natürlich
die Monoalkylierung von Thiophen entweder α oder β zu dem Schwefelatom stattfinden,
und es kann auch eine Polyalkylierung stattfinden. Das Alkylierungsverfahren
führt zu
der Substitution einer Alkylgruppe für ein Wasserstoffatom in dem
schwefelhaltigen Ausgangsmaterial und bewirkt eine entsprechende
Zunahme des Molekulargewichts gegenüber dem des Ausgangsmaterials.
Das höhere
Molekulargewicht eines derartigen alkylierten Produkts spiegelt
sich in einem höheren
Siedepunkt relativ zu dem des Ausgangsmaterials wider.
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Wir
haben herausgefunden, daß viele
der flüchtigeren
schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen viel reaktiver sind
als Alkylierungssubstrate im Vergleich mit vielen der weniger flüchtigen
schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen, die in herkömmlichen
Raffinationsprozeßströmen wie
einem olefinischen Naphtha aus einem katalytischen Crackverfahren
gefunden werden. Wie in Beispiel VI aufgezeigt, haben wir die folgenden
relativen Reaktivitäten
gegenüber
einer sauer katalysierten Alkylierung durch 1-Hepten bei 204 °C über einem
festen Phosphorsäurekatalysator
gefunden: Thiophen (84 °C) > 2-Methylthiophen (113 °C) » Benzothiophen
(221 °C) > 2,5-Dimethylthiophen
(137 °C) > Toluol (111 °C) > Benzol (80 °C), wobei
der Siedepunkt einer jeden Verbindung in Klammern angegeben ist.
Es wird angenommen, daß eine
Alkylierung der thiophenischen Verbindungen vorzugsweise an einer
der Thiophenringpositionen stattfindet, die direkt benachbart zu
dem Schwefel liegen (als Positionen 2 und 5 bezeichnet). Demgemäß wäre zu erwarten,
daß ein
Thiophen wie 2,5-Dimethylthiophen, welches an sowohl der Position
2 als auch 5 substituiert ist, weniger reaktiv ist als Thiophene,
die zumindest eine dieser Positionen verfügbar haben. Es wird jedoch
angenommen, daß die
meisten thiophenischen Verbindungen, welche entweder an der Position
2 oder 5 nicht substituiert sind, viel reaktiver sein werden als
Benzothiophen oder alkylsubstituierte Benzothiophene. Demgemäß nutzt
die stufenförmige
Alkylierung der Einsatzmaterialfraktionen bei der praktischen Durchführung dieser
Erfindung vorteilhaft die typischerweise höhere Reaktivität der flüchtigeren
schwefelhaltigen aromatischen Verbindungen.
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Die
Alkylierungsbedingungen in den verschiedenen Alkylierungsstufen
der Erfindung können
optimiert werden, um die gewünschte
Alkylierung von schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen zu
erreichen und unerwünschte
Nebenreaktionen wie die Alkylierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen
und eine Olefinpolymerisation zu minimieren. In einer in hohem Maße bevorzugten
Ausführungsform
wird diese Optimierung die Verwendung von milden Alkylierungsbedingungen
in der Anfangsalkylierungsstufe und von stärkeren Alkylierungsbedingungen
in den Sekundäralkylierungsstufen
einschließen.
Die Parameter, die eingestellt werden können zur Steuerung der Stärke des
Alky lierungsprozesses, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Temperatur,
Auswahl des Katalysators, Art des Alkylierungsmittels und Konzentration
des Alkylierungsmittels.
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Alkylierungsbedingungen,
die weniger stark sind in der Anfangsalkylierungsstufe als in einer
Sekundärstufe,
können
zum Beispiel erreicht werden durch die Verwendung einer niedrigeren
Temperatur in der ersten Stufe gegenüber einer hohen Temperatur
in einer Sekundärstufe.
Darüber
hinaus beinhaltet ein höchst wünschenswertes
Verfahren der Erhöhung
der Stärke
der Alkylierungsbedingungen in einer Sekundäralkylierungsstufe ein Zugeben
eines Alkylierungsmittels mit niedrigem Molekulargewicht. Zum Beispiel
sind Olefine, die von 3 bis 5 Kohlenstoffatome enthalten, in hohem
Maße bevorzugt
für eine
Verwendung als ein zuzugebendes Alkylierungsmittel. Obwohl solche
Olefine mit niedrigem Molekulargewicht einer Polymerisation unterliegen
können,
werden die aus dieser Polymerisation resultierenden Nebenprodukte
in großem
Maße flüchtige Oligomere
umfassen, die im Siedepunktbereich von Benzin liegen. Das heißt, wenn
das Produkt als ein Material zum Mischen von Benzin beabsichtigt
ist, werden diese Oligomere eine wünschenswerte Produktkomponente
mit hoher Oktanzahl sein, die nicht verlorengehen wird, wenn die
hochsiedenden schwefelhaltigen Alkylierungsprodukte durch Fraktionierung
entfernt werden. In dieser Ausführungsform
der Erfindung wird der Prozeßstrom,
der Alkylierungsbedingungen in der Sekundärstufe unterzogen wird, wünschenswerterweise
von ungefähr
1 bis ungefähr
50 Vol.-% und vorzugsweise von ungefähr 10 bis ungefähr 50 Vol.-%
an zugegebenem Alkylierungsmittel einschließen, das zumindest ein Material
umfaßt,
das aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus Olefinen von 3 bis 5 Kohlenstoffatomen besteht.
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Die
Verwendung von milden Alkylierungsbedingungen in der Anfangsalkylierungsstufe
ist möglich,
da diese Stufe einer Umwandlung der flüchtigeren und typischerweise
reaktiveren schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen zu höhersiedenden
schwefelhaltigen Produkten dient. Als eine Folge dieser milden Reaktionsbedingungen
werden Reaktionen wie die Alkylierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen
und die Olefinpolymerisation minimiert. Demgemäß werden flüchtige aromatische Kohlenwasserstoffe
wie Benzol, Toluol, Xylol, Ethylbenzol und Cumol in der Einspeisung
einer geringen Umwandlung in dieser Anfangsstufe unterliegen. Darüber hinaus
wird ein relativ geringer Verlust an wertvollen Olefinen als eine
Folge der Polymerisation auftreten.
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Flüchtige aromatische
Kohlenwasserstoffe werden im wesentlichen aus der Einsatzmaterialfraktion entfernt,
die Alkylierungsbedingungen in der Sekundäralkylierungsstufe oder den
Sekundäralkylierungsstufen der
Erfindung unterzogen wird. Da diese Materialien nicht vorhanden
sind, werden sie nicht den stärkeren
Alkylierungsbedingungen, die in der Sekundäralkylierungsstufe oder den
Sekundäralkylierungsstufen
bevorzugt sind, unterzogen.
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Die
höhersiedenden
schwefelhaltigen Produkte aus den Alkylierungsstufen können auf
eine beliebige gewünschte
Weise entfernt werden. Zum Beispiel können die Produkte einer jeden
Alkylierungsstufe getrennt fraktioniert werden, um die höhersiedenden
schwefelhaltigen Produkte zu entfernen, die sich in einer solchen Stufe
gebildet haben. Alternativ dazu können die Produkte der verschiedenen
Stufen vereinigt werden und die resultierende Mischung kann fraktioniert
werden, um die höhersiedenden
schwefelhaltigen Produkte in einem einzelnen Fraktionierungsschritt
zu entfernen. Eine bevorzugte Ausführungsform beinhaltet die folgenden Schritte
(1) Die Produkte aus der ersten Alkylierungsstufe werden in einer
niedriger siedenden ersten Produktfraktion mit verringertem Schwefelgehalt
und einer höhersiedenden
Fraktion getrennt; (2) die höhersiedende Fraktion
wird mit der Einsatzmaterialfraktion, die in einer Sekundärstufe verarbeitet
werden soll, vermischt, und die resultierende Mischung wird in Kombination
mit einem beliebigen zusätzlichen
Alkylierungsmittel als die Zufuhr zu der Sekundärstufe verwendet; und (3) die
Produkte aus der Sekundäraikylierungsstufe
werden in eine niedriger siedende zweite Produktfraktion und eine
höhersiedende
Fraktion, welche die höhersiedenden schwefelhaltigen
Produkte enthält,
getrennt.
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Geeignete
Alkylierungsmittel für
eine Verwendung bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung umfassen
sowohl Olefine als auch Alkohole, und diese Alkylierungsmittel werden
wünschenswerterweise
von 3 bis ungefähr
20 Kohlenstoffatome enthalten. Olefine sind jedoch im allgemeinen
bevorzugt, da sie üblicherweise
reaktiver als Alkohole sind und unter milderen Reaktionsbedingungen
in dem vorliegenden Verfahren verwendet werden können. Materialien wie Ethylen,
Methanol und Ethanol sind aufgrund ihrer relativ geringen Reaktivität weniger
brauchbar als Alkylierungsmittel bei der praktischen Durchführung dieser
Erfindung als die meisten anderen Olefine und Alkohole.
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Geeignete
Olefine umfassen cyclische Olefine, substituierte cyclische Olefine
und Olefine der Formel I, wobei R1 eine
Kohlenwasserstoffgruppe ist und jedes R2 unabhängig ausgewählt ist
aus der Gruppe, bestehend aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffgruppen.
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R1 ist vorzugsweise eine Alkylgruppe und jedes
R2 ist unabhängig ausgewählt aus der Gruppe, bestehend
aus Wasserstoff und Alkylgruppen. Beispiele von geeigneten cyclischen
Olefinen und substituierten cyclischen Olefinen umfassen Cyclopenten,
1-Methylcyclopenten, Cyclohexen, 1-Methylcyclohexen, 3-Methylcyclohexen,
4-Methylcyclohexen, Cyclohepten, Cycloocten und 4-Methylcycloocten.
Beispiele von geeigneten Olefinen des Typs der Formel I umfassen
Propen, 2-Methylpropen, 1-Buten, 2-Buten, 2-Methyl-1-buten, 3-Methyl-1-buten,
2-Methyl-2-buten, 2,3-Dimethyl-1-buten,
3,3-Dimethyl-1-buten, 2,3-Dimethyl-2-buten, 2-Ethyl-1-buten, 2-Ethyl-3-methyl-1-buten,
2,3,3-Trimethyl-1-buten, 1-Penten, 2-Penten, 2-Methyl-1-penten, 3-Methyl-1-penten,
4-Methyl-1-penten, 2,4-Dimethyl-1-penten, 1-Hexen, 2-Hexen, 3-Hexen,
1,3-Hexadien, 1,4-Hexadien, 1,5-Hexadien, 2,4-Hexadien, 1-Hepten,
2-Hepten, 3-Hepten,
1-Octen, 2-Octen, 3-Octen und 4-Octen. Wir haben herausgefunden,
daß Olefine
mit niedrigerem Molekulargewicht dazu neigen, reaktivere Alkylierungsmittel
für eine
Verwendung in der Alkylierung von thiophenischen und benzothiophenischen
Verbindungen zu sein. Bei der Anwendung des Alkylierungs/Fraktionierungs/Entschwefelungsverfahrens
auf ein schweres Naphtha aus einem katalytischen Crackverfahren,
das einen Siedepunktbereich von ungefähr 10 °C bis ungefähr 249 °C aufweist, haben wir beispielsweise
herausgefunden, daß die
Olefine, die als Komponenten des Naphthas vorhanden sind, die C5- und C6-Olefine
mit niedrigerem Molekulargewicht, reaktiver sind als die C7+-Olefine mit höherem Molekulargewicht. Wir
haben auch herausgefunden, daß Olefine,
die von 3 bis 5 Kohlenstoffatome enthalten, in hohem Maße zufriedenstellend
sind für
eine Verwendung als das Alkylierungsmittel in der Se kundärstufe oder
den Sekundärstufen
der Erfindung. Diese Olefine mit 3 bis 5 Kohlenstoffen sind nicht
nur in hohem Maße
reaktiv als Alkylierungsmittel, sondern sie ergeben auch Polymerisationsnebenprodukte,
die üblicherweise
weniger zu beanstanden sind als solche, die durch Olefine mit höherem Molekulargewicht
erzeugt werden. Wie oben angegeben, werden Nebenprodukte, die aus
der Polymerisation dieser Olefine mit 3 bis 5 Kohlenstoffatomen
resultieren, zumindest teilweise flüchtige Dimere und Trimere umfassen, die
von 6 bis 10 Kohlenstoffatomen enthalten und im Siedepunktbereich
von Benzin liegen. Wenn folglich das Produkt für eine Verwendung als ein Mittel
zum Mischen von Benzin beabsichtigt ist, werden diese flüchtigen Oligomere
wünschenswerte
Produktkomponenten mit hoher Oktanzahl sein, und sie werden einen
Siedepunkt aufweisen, der niedrig genug ist, so daß sie nicht
verlorengehen werden, wenn die hochsiedenden schwefelhaltigen Alkylierungsprodukte
durch Fraktionierung entfernt werden.
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Bevorzugte
Olefine für
eine Verwendung als das Alkylierungsmittel in der Anfangsalkylierungsstufe
der Erfindung umfassen solche Olefine, die von ungefähr 7 bis
ungefähr
15 Kohlenstoffatome enthalten. Wie oben angemerkt, neigen diese
Olefine dazu, etwas weniger reaktiv zu sein als die Olefine mit
niedrigerem Molekulargewicht, die von 3 bis 6 Kohlenstoffatome enthalten.
Demgemäß sind sie
weit weniger geeignet für
eine Verwendung als das Alkylierungsmittel, das in Kombination mit
den hochreaktiven schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen
in der ersten Alkylierungsstufe verwendet wird. Darüber hinaus
werden Alkylierungsmittel, die eine große Anzahl an Kohlenstoffatomen
enthalten, gewöhnlich
höhersiedende
Alkylierungsprodukte ergeben als Alkylierungsmittel, die eine geringere
Anzahl an Kohlenstoffatomen enthalten.
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Als
eine sehr grobe Abschätzung
wird jedes Kohlenstoffatom in der Seitenkette eines monoalkylierten Thiophens
ungefähr
25 °C zu
dem Siedepunkt von Thiophen von 84 °C hinzufügen. Beispielsweise besitzt 2-Octylthiophen
einen Siedepunkt von 259 °C,
welches einer Siedepunkterhöhung
von 23 °C
gegenüber
dem von Thiophen für
jedes Kohlenstoffatom in der Alkylgruppe mit 8 Kohlenstoffen entspricht.
Demgemäß wird eine
Monoalkylierung von Thiophen mit einem C7-
bis C15-Olefin in der ersten Alkylierungsstufe
der Erfindung für
gewöhnlich
ein schwefelhaltiges Alkylierungsprodukt ergeben, das einen Siedepunkt
besitzt, der hoch genug ist, um einfach durch fraktionierte Destillation
als eine Komponente einer hochsiedenden Fraktion entfernt zu werden,
die einen Anfangssiedepunkt von ungefähr 210 °C besitzt. Wenn im Gegensatz
dazu 2-Methylpropen, ein Olefin mit 4 Kohlenstoffen, als das Alkylierungsmittel
verwendet wird, würde
eine Monoalkylierung Thiophen zu 2-t-Butylthiophen (Siedepunkt 164 °C) umwandeln
und würde
eine Dialkylierung Di-t-butylthiophen (Siedepunkt ungefähr 224 °C) ergeben.
Demgemäß wird eine
Dialkylierung mit dem Olefin mit 4 Kohlenstoffen notwendig sein,
um Thiophen zu einem hochsiedenden alkylierten Material umzuwandeln,
das durch fraktionierte Destillation als eine Komponente einer hochsiedenden
Fraktion, die einen Anfangssiedepunkt von ungefähr 210 °C aufweist, entfernt werden
kann.
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Wenn
ein Alkohol oder eine Mischung von Alkoholen als ein Alkylierungsmittel
bei der praktischen Durchführung
der Erfindung verwendet wird, sind sekundäre und tertiäre Alkohole
in hohem Maße
bevorzugt gegenüber
primären
Alkoholen, da diese für
gewöhnlich
reaktiver als die primären
Alkohole sind und unter milderen Reaktionsbedingungen eingesetzt
werden können.
Alkohole, die von 3 bis 5 Kohlenstoffatome enthalten, sind im allgemeinen
bevorzugt.
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Einsatzmaterialien,
die bei der praktischen Durchführung
dieser Erfindung verwendet werden können, umfassen eine Mischung
aus Kohlenwasserstoffen und enthalten eine geringere Menge an schwefelhaltigen aromatischen
Verunreinigungen wie thiophenischen Verbindungen und benzothiophenischen
Verbindungen. Darüber
hinaus wird das Einsatzmaterial eine Flüssigkeit umfassen und weist
wünschenswerterweise
einen Destillationsendpunkt auf, der ungefähr 345 °C oder geringer und vorzugsweise
ungefähr
249 °C oder
geringer ist. Falls gewünscht,
kann das Einsatzmaterial einen Destillationsendpunkt von ungefähr 221 °C oder weniger aufweisen.
Vorzugsweise wird das Einsatzmaterial einen Anfangssiedepunkt aufweisen,
der geringer als ungefähr
79 °C ist.
Geeignete Einsatzmaterialien schließen irgendeine der verschiedenen
komplexen Mischungen von Kohlenwasserstoffen ein, die üblicherweise
bei der Raffination von Erdöl
beteiligt sind, wie Erdgasflüssigkeiten,
Naphtha, leichte Gasöle,
schwere Gasöle
und breitverschnittene Gasöle,
ebenso wie Kohlenwasserstofffraktionen, die aus einer Kohleverflüssigung
und der Verarbeitung von Ölschiefer
oder Teersänden stammen.
Bevorzugte Einsatzmaterialien schließen olefinische Naphthas ein,
die aus dem katalytischen Cracken oder Verkoken von Kohlenwasserstoffeinsatzmaterialien
stammen.
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Für die Verwendung
in der vorliegenden Erfindung sind katalytische Crackprodukte bevorzugte
Einsatzmaterialien. Bevorzugte Einsatzmaterialien von diesem Typ
umfassen Flüssigkeiten,
die unterhalb von 345 °C
sieden, wie leichtes Naphtha, schweres Naphtha, Destillatöl und leichtes
Rückführöl. Es ist
jedoch auch vorgesehen, daß der
gesamte Ausstoß an
flüchtigen
Produkten aus einem katalytischen Crackverfahren als ein Einsatzmaterial
in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Katalytische
Crackprodukte sind ein wünschenswertes
Einsatzmaterial, da sie typischerweise einen relativ hohen Olefinge halt
enthalten, der es unnötig
macht, jegliches zusätzliches
Alkylierungsmittel zuzugeben. Darüber hinaus sind aromatische
Schwefelverbindungen wie thiophenische und benzothiophenische Verbindungen
häufig
eine Hauptkomponente der schwefelhaltigen Verunreinigungen in katalytischen
Crackprodukten, und solche Verunreinigungen werden mittels der vorliegenden
Erfindung leicht entfernt. Zum Beispiel kann ein typisches leichtes
Naphtha aus einem katalytischen Wirbelschicht-Cracken eines von
einem Erdöl
stammenden Gasöls
bis zu 60 Gew.-% an Olefinen und bis zu 0,5 Gew.-% an Schwefel enthalten,
wobei der Großteil
des Schwefels in der Form von thiophenischen und benzothiophenischen
Verbindungen vorliegt. Ein bevorzugtes Einsatzmaterial für eine Verwendung
in der praktischen Durchführung
dieser Erfindung wird katalytische Crackprodukte umfassen und wird darüber hinaus
mindestens 1 Gew.-%
an Olefinen umfassen. Ein noch weiter bevorzugtes Einsatzmaterial
wird katalytische Crackprodukte umfassen und wird darüber hinaus
mindestens 5 Gew.-% an Olefinen umfassen. Solche Einsatzmaterialien
können
ein Anteil der flüchtigen
Produkte aus einem katalytischen Crackprozeß sein, der durch Destillation
isoliert wird.
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Bei
der praktischen Durchführung
dieser Erfindung wird das Einsatzmaterial schwefelhaltige aromatische
Verbindungen als Verunreinigungen enthalten. In einer Ausführungsform
der Erfindung wird das Einsatzmaterial sowohl thiophenische als
auch benzothiophenische Verbindungen als Verunreinigungen enthalten. Falls
gewünscht,
können
bei der praktischen Durchführung
dieser Erfindung mindestens ungefähr 50 % oder noch mehr dieser
schwefelhaltigen aromatischen Verbindungen umgewandelt werden zu
höhersiedendem schwefelhaltigem
Material. In einer Ausführungsform
der Erfindung wird das Einsatzmaterial Benzothiophen enthalten und
werden mindestens ungefähr
50 des Benzothiophens durch Alkylierung zu höhersiedendem schwefelhaltigem
Material umgewandelt und durch Fraktionierung entfernt.
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Bei
der praktischen Durchführung
dieser Erfindung kann als ein Katalysator ein beliebiges saures
Material verwendet werden, welches die Alkylierung von schwefelhaltigen
aromatischen Verbindungen durch Olefine oder Alkohole katalysieren
kann. Obwohl flüssige
Säuren
wie Schwefelsäure
verwendet werden können, sind
feste saure Katalysatoren besonders wünschenswert, und solche festen
sauren Katalysatoren schließen flüssige Säuren, die
auf einem festen Substrat getragen werden, ein. Die festen sauren
Katalysatoren sind aufgrund der Einfachheit, mit der die Zufuhr
mit einem solchen Material in Kontakt gebracht werden kann, gegenüber flüssigen Katalysatoren
bevorzugt. Zum Beispiel kann die Zufuhr auf einfache Weise bei einer
geeigneten Temperatur durch eines oder mehrere Festbetten aus festem
teilchenförmigem
saurem Katalysator geleitet werden. Falls gewünscht, können unterschiedliche saure
Katalysatoren in den verschiedenen Alkylierungsstufen der Erfindung
verwendet werden. Die Stärke
der Alkylierungsbedingungen kann zum Beispiel in der Anfangsalkylierungsstufe
durch die Verwendung eines weniger aktiven Katalysators gemildert
werden, während einer
aktiverer Katalysator in der Sekundärstufe oder den Sekundärstufen
verwendet werden kann.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird ein Destillationskolonnenreaktor für zumindest
eine der Alkylierungsstufen verwendet. In einer Destillationskolonne
können
zum Beispiel eines oder mehrere Teilchenfestbetten aus festem saurem
Katalysator als eine Kolonnenpackung verwendet werden. Durch Einsetzen
des Katalysators in die Destillationskolonne wird die Kolonne zu
einem Destillationskolonnenreaktor. Als Folge davon kann die sauer
katalysierte Alkylierung von einer Stufe dieser Erfindung gleichzeitig
mit der fraktionierten Destillation der resultierenden Produkte
durchgeführt
werden, indem die Zufuhr zu der Stufe unter geeigneten Reaktionsbedingungen
innerhalb der Destillationskolonne mit dem Katalysator in Kontakt
gebracht wird.
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Katalysatoren,
welche für
eine Verwendung in der praktischen Durchführung dieser Erfindung geeignet
sind, können
Materialien umfassen wie saure Polymerharze, Säuren auf Trägern und saure anorganische Oxide.
Geeignete saure Polymerharze umfassen die polymeren Sulfonsäureharze,
welche auf dem Gebiet gut bekannt sind und im Handel erhältlich sind.
Ein typisches Beispiel eines solchen Materials ist Amberlyst® 35, ein
von Rohm und Haas Co. hergestelltes Produkt.
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Säuren auf
Trägern,
welche als Katalysatoren brauchbar sind, umfassen, ohne jedoch darauf
beschränkt
zu sein, Brönsted-Säuren (Beispiele
umfassen Phosphorsäure,
Schwefelsäure,
Borsäure,
HF, Fluorsulfonsäure,
Trifluormethansulfonsäure
und Dihydroxyfluorborsäure)
und Lewis-Säuren (Beispiele
umfassen BF3, BCl3,
AlCl3, AlBr3, FeCl2, FeCl3, ZnCl2, SbF5, SbCl5 und Kombinationen von AlCl3 und
HCl), welche auf Feststoffen wie Siliciumdioxid, Aluminiumoxid,
Siliciumdioxid-Aluminiumoxiden, Zirconiumoxid oder Tonen getragen
werden. Wenn getragene flüssige
Säuren
verwendet werden, werden die getragenen Katalysatoren typischerweise
hergestellt durch Vereinigen der gewünschten flüssigen Säure mit dem gewünschten
Träger
und Trocknen. Katalysatoren auf Trägern, welche hergestellt werden
durch Vereinigen einer Phosphorsäure
mit einem Träger,
sind in hohem Maße
bevorzugt und werden hierin als feste Phosphorsäurekatalysatoren bezeichnet.
Diese Katalysatoren sind bevorzugt, da sie sowohl hochwirksam als
auch kostengünstig
sind. Das US-Patent Nr. 2,921,081 (Zimmerschied et al.), das durch
Verweis hierin mitaufgenommen wird, offenbart die Herstellung von
festen Phosphorsäurekatalysatoren
durch Vereinigen einer Zirconiumverbindung, die aus der Gruppe ausgewählt ist,
bestehend aus Zirconiumoxid und den Halogeniden von Zirconium, mit
einer Säure, die
aus der Gruppe ausgewählt
ist, bestehend aus Orthophosphorsäure, Pyrophosphorsäure und
Triphosphorsäure.
Das US-Patent Nr. 2,120,702 (Ipatieff et al.), das durch Verweis
hierin mitaufgenommen wird, offenbart die Herstellung von festen
Phosphorsäurekatalysatoren
durch Vereinigen einer Phosphorsäure
mit einem siliciumhaltigen Material. Schließlich offenbart das Britische
Patent Nr. 863,539, das durch Verweis hierin mitaufgenommen wird,
auch die Herstellung eines festen Phosphorsäurekatalysators durch Abscheiden
einer Phosphorsäure
auf einem festen siliciumhaltigen Material wie Diatomeenerde oder
Kieselgur.
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Hinsichtlich
einer festen Phosphorsäure,
die durch Abscheiden einer Phosphorsäure auf Kieselgur hergestellt
wird, wird angenommen, daß der
Katalysator folgendes enthält:
(1) eine oder mehrere freie Phosphorsäuren (wie Orthophosphorsäure, Pyrophosphorsäure und
Triphosphorsäure),
die auf Kieselgur getragen werden; und (2) Siliciumphosphate, die
von der chemischen Reaktion der Säure oder Säuren mit dem Kieselgur stammen.
Während
man annimmt, daß die
wasserfreien Siliciumphosphate als ein Alkylierungskatalysator inaktiv
sind, wird ebenfalls angenommen, daß sie hydrolysiert werden können, um
eine Mischung aus Orthophosphor- und Polyphosphorsäuren zu
ergeben, die katalytisch aktiv sind. Die genaue Zusammensetzung
dieser Mischung wird abhängig
sein von der Menge an Wasser, der der Katalysator ausgesetzt wird.
Um einen festen Phosphorsäurealkylierungskatalysator
mit einem zufriedenstellenden Aktivitätsniveau zu erhalten, wenn
er mit einem im wesentlichen wasserfreien Kohlenwasserstoffeinsatzmaterial
verwendet wird, ist es übliche
Praxis, eine geringe Menge eines Alkohols wie Isopropylalkohol dem
Einsatzmaterial zuzugeben, um den Katalysator auf einem zufriedenstellenden
Hydratationsniveau zu halten. Es wird angenommen, daß der Alkohol
beim Kontakt mit dem Katalysator einer Dehydratisierung unterliegt
und daß das
resultierende Wasser dann den Katalysator hydratisiert. Wenn der
Katalysator zu wenig Wasser enthält,
neigt er dazu, eine sehr hohe Azidität aufzuweisen, welche zu einer
schnellen Deaktivierung als eine Folge einer Verkokung führen kann,
und der Katalysator wird darüber
hinaus keine gute physikalische Integrität besitzen. Eine weitere Hydratation
des Katalysators wirkt als eine Verringerung dessen Azidität und verringert
dessen Tendenz im Hinblick auf eine schnelle Deaktivierung durch
Koksbildung. Jedoch kann eine überschüssige Hydratation
eines solchen Katalysators bewirken, daß der Katalysator weich wird,
physikalisch agglomeriert und in Festbettreaktoren Hochdrucktropfen
erzeugt. Demgemäß gibt es
ein optimales Hydratationsniveau für einen festen Phosphorsäurekatalysator,
und dieses Hydratationsniveau wird eine Funktion der Reaktionsbedingungen,
des Substrats und des Alkylierungsmittels sein. Obwohl die Erfindung
nicht darauf beschränkt
ist, haben wir bei festen Phosphorsäurekatalysatoren herausgefunden,
daß eine
Wasserkonzentration in dem Einsatzmaterial, die im Bereich von ungefähr 50 bis
ungefähr
1000 ppm liegt, im allgemeinen zufriedenstellend ist und daß dieses Wasser
am geeignetsten in der Form eines Alkohols wie Isopropylalkohol
zur Verfügung
gestellt wird.
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Saure
anorganische Oxide, die als Katalysatoren brauchbar sind, umfassen,
ohne darauf beschränkt zu
sein, Aluminiumoxide, Siliciumdioxid-Aluminiumoxide, natürliche und
synthetische Schichttone und natürliche
und synthetische Zeolithe wie Faujasite, Mordenite, L-, omega-,
X-, Y, beta- und ZSM-Zeolithe. In hohem Maße geeignete Zeo lithe umfassen
beta, Y, ZSAM-3, ZSM-4, ZSM-5, ZSM-18 und ZSM-20. Falls gewünscht, können die
Zeolithe in ein anorganisches Oxidmatrixmaterial wie Siliciumdioxid-Aluminiumoxide
eingebracht werden. In der Tat können
Gleichgewichtscrackkatalysatoren als der saure Katalysator bei der
praktischen Durchführung
dieser Erfindung verwendet werden.
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Katalysatoren
können
Mischungen verschiedener Materialien umfassen, wie einer Lewis-Säure (Beispiele
umfassen BF3, BCl3,
SbF5 und AlCl3),
eines nichtzeolithischen festen anorganischen Oxids (wie Siliciumdioxid,
Aluminiumoxid und Siliciumdioxid-Aluminiumoxide) und eines großporigen
kristallinen Molekularsiebs (Beispiele umfassen Zeolithe, Schichttone
und Aluminophosphate).
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In
dem Fall, daß ein
fester Katalysator verwendet wird, wird er wünschenswerterweise in einer
physikalischen Form vorliegen, die ein schnelles und wirksames Kontaktieren
mit den Reaktanten in der Prozeßstufe,
in der er verwendet wird, ermöglicht.
Obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, ist es bevorzugt,
daß ein
fester Katalysator in Teilchenform vorliegt, wobei die größte Abmessung
der Teilchen einen Mittelwert aufweist, der im Bereich von ungefähr 0,1 mm
bis ungefähr
2 cm liegt. Zum Beispiel können
im wesentlichen kugelförmige
Perlen eines Katalysators verwendet werden, die einen mittleren
Durchmesser von ungefähr
0,1 mm bis ungefähr
2 cm besitzen. Alternativ dazu kann der Katalysator in der Form
von Stäbchen
verwendet werden, die einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 0,1 mm
bis ungefähr
1 cm und eine Länge
im Bereich von ungefähr
0,2 mm bis ungefähr
2 cm aufweisen.
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Einsatzmaterialien,
die bei der praktischen Durchführung
dieser Erfindung verwendet werden, werden zusätzlich zu den schwefelhaltigen
Verunreinigungen gelegentlich stickstoffhaltige organische Verbindungen als
Verunreinigungen enthalten. Viele dieser typischen stickstoffhaltigen
Verunreinigungen sind organische Basen und können manchmal eine Deaktivierung
des sauren Katalysators bewirken, indem sie mit ihm reagieren. Für den Fall,
daß eine
derartige Deaktivierung beobachtet wird, kann sie verhindert werden
durch Entfernen der basischen stickstoffhaltigen Verunreinigungen
aus dem Einsatzmaterial, bevor dieses in Kontakt mit dem sauren
Katalysator gebracht wird. Diese basischen Verunreinigungen werden
am geeignetsten vor dessen Verwendung bei der praktischen Durchführung der
Erfindung aus dem Einsatzmaterial entfernt. Ein in hohem Maße bevorzugtes
Einsatzmaterial für
die Verwendung in der Erfindung umfaßt ein behandeltes Naphtha, das
hergestellt wird durch Entfernen von basischen stickstoffhaltigen
Verunreinigungen aus dem Naphtha, das mittels eines katalytischen
Crackverfahrens erzeugt wurde.
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Die
basischen stickstoffhaltigen Verunreinigungen können durch ein beliebiges herkömmliches
Verfahren entfernt werden. Solche Verfahren umfassen typischerweise
eine Behandlung mit einem sauren Material, und herkömmliche
Verfahren beinhalten Arbeitsschritte wie ein Waschen mit einer wäßrigen Lösung einer Säure und
die Verwendung eines Schutzbettes, das vor dem sauren Katalysator
angeordnet ist. Beispiele von wirksamen Schutzbetten umfassen, ohne
darauf beschränkt
zu sein, A-Zeolith, Y-Zeolith, L-Zeolith, Mordenit, fluoridiertes
Aluminiumoxid, frischen Crackkatalysator, Gleichgewichtscrackkatalysator
und saure Polymerharze. Wenn eine Schutzbettechnik verwendet wird,
ist es oft wünschenswert,
zwei Schutzbetten in einer solchen Weise zu verwenden, daß ein Schutzbett
regeneriert werden kann, während
das andere verwendet wird, um das Einsatzmaterial vorzubehandeln
und den sau ren Katalysator zu schützen. Wenn ein Crackkatalysator
verwendet wird, um basische stickstoffhaltige Verunreinigungen zu
entfernen, kann ein derartiges Material in dem Regenerator einer
katalytischen Crackeinheit regeneriert werden, wenn es im Hinblick
auf dessen Fähigkeit zur
Entfernung solcher Verunreinigungen deaktiviert worden ist. Wenn
ein saures Waschen verwendet wird, um basische stickstoffhaltige
Verbindungen zu entfernen, wird das Einsatzmaterial mit einer wäßrigen Lösung einer
geeigneten Säure
behandelt. Geeignete Säuren
für eine
derartige Verwendung umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein,
Chlorwasserstoffsäure,
Schwefelsäure
und Essigsäure.
Die Konzentration der Säure
in der wäßrigen Lösung ist
nicht kritisch, wird jedoch üblicherweise
so gewählt,
daß sie
in dem Bereich von ungefähr
0,5 bis ungefähr
30 Gew.-% liegt. Es kann zum Beispiel eine Lösung mit 2 Gew.-% an Schwefelsäure in Wasser
verwendet werden, um basische stickstoffhaltige Verbindungen aus
einem schweren Naphtha eines katalytischen Crackverfahrens zu entfernen.
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Bei
der praktischen Durchführung
dieser Erfindung wird die Zufuhr einer jeden Alkylierungsstufe mit dem
sauren Katalysator bei einer Temperatur und während einer Zeitdauer in Kontakt
gebracht, die wirksam sind, um den gewünschten Grad der Umwandlung
von schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen zu höhersiedendem
schwefelhaltigem Material zu ergeben. Dabei können die Temperatur und die
Kontaktzeit derart gewählt
werden, daß die
Alkylierungsbedingungen in der ersten Stufe der Erfindung weniger
stark sind als in einer Sekundärstufe
oder in Sekundärstufen,
und dies kann erreicht werden durch Verwenden einer geringeren Temperatur
und/oder kürzeren
Kontaktzeit in der ersten Stufe. Unabhängig von der spezifischen Alkylierungsstufe
der Erfindung wird die Kontakttemperatur wünschenswerterweise über ungefähr 50 °C, vorzugsweise über 100 °C und weiter
bevorzugt über
125 °C liegen.
Das Kontaktieren wird im allgemeinen bei einer Temperatur im Bereich
von ungefähr
50 °C bis
ungefähr
350 °C,
vorzugsweise von ungefähr
100 °C bis
ungefähr
350 °C und
weiter bevorzugt von ungefähr
125 °C bis
ungefähr
250 °C durchgeführt. Dabei
wird natürlich die
optimale Temperatur eine Funktion des verwendeten sauren Katalysators,
des oder der gewählten
Alkylierungsmittel, der Konzentration des oder der Alkylierungsmittel
und der Natur der schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen,
die zu entfernen sind, sein.
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In
dem Fall, daß eine
Alkylierungs/Destillations-Stufe
in dem Verfahren mit einem Destillationskolonnenreaktor durchgeführt wird,
kann der Druck, bei dem der Destillationskolonnenreaktor betrieben
wird, verwendet werden, um sowohl die Destillationstemperatur als
auch die Temperatur, bei der der saure Katalysator mit den Reaktanten
in dem Destillationskolonnenreaktor in Kontakt gebracht wird, zu
steuern. Durch Erhöhung des
Drucks wird eine höhere
Temperatur erforderlich sein, um eine fraktionierte Destillation
in dem Destillationskolonnenreaktor zu bewirken.
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Bei
der praktischen Durchführung
dieser Erfindung kann eine beliebige gewünschte Menge an Alkylierungsmittel
verwendet werden. Die Verwendung von größeren Mengen an Alkylierungsmittel
in der Alkylierungsstufe relativ zu der Menge an schwefelhaltigen
Verunreinigungen wird die Stärke
der Alkylierungsbedingungen erhöhen
und eine schnellere und vollständigere
Umwandlung der schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen zu
höhersiedenden
schwefelhaltigen Produkten beim Kontakt mit dem sauren Katalysator
fördern.
Demgemäß ist die
Konzentration des Alkylierungsmittels eine der Variablen, die verwendet
werden können
zur Steuerung der Stärke
der Alkylierungsbedingungen in den verschiedenen Alkylierungsstufen
der Erfindung. Die Zufuhr zu irgendeiner speziellen Alkylierungsstufe
wird wünschenswerterweise
jedoch eine Menge an Alkylierungsmittel enthalten, die auf molarer
Basis zumindest gleich zu der der schwefelhaltigen aromatischen
Verunreinigungen in der Zufuhr ist. Falls gewünscht, kann das Molverhältnis von
Alkylierungsmittel zu schwefelhaltigen aromatischen Verunreinigungen
mindestens 5 oder noch größer sein.
In einer Sekundärstufe, bei
der starke Alkylierungsbedingungen gewünscht sind, kann zum Beispiel
die Zufuhr von ungefähr
10 bis ungefähr
50 Vol.-% an Olefinen, die von 3 bis 5 Kohlenstoffatomen enthalten,
umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein olefinisches
Alkylierungsmittel verwendet werden, und die molare Konzentration
an Olefinen in der Zufuhr zu der ersten Stufe wird geringer sein
als die in der Zufuhr zu der zweiten Stufe oder den zweiten Stufen.
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Bei
der praktischen Durchführung
dieser Erfindung kann die Zufuhr zu einer Alkylierungsstufe bei
einem beliebigen geeigneten Druck mit dem sauren Katalysator in
Kontakt gebracht werden. Es sind jedoch Drücke im Bereich von ungefähr 0,01
bis ungefähr
200 Atmosphären
(1,01 bis 20 260 kPa) wünschenswert,
und ein Druck im Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 100 Atmosphären (101,3
bis 10 130 kPa) ist bevorzugt. Wenn man zuläßt, daß die Zufuhr auf einfache Weise
durch ein Katalysatorbett fließt,
ist es im allgemeinen bevorzugt, einen Druck zu verwenden, bei dem
die Zufuhr flüssig
sein wird. Wenn jedoch eine Alkylierungsstufe in einem Destillationskolonnenreaktor
durchgeführt
wird, werden die Temperatur und der Druck, bei denen die Zufuhr
mit dem festen sauren Katalysator in dem Destillationskolonnenreaktor
in Kontakt gebracht wird, so gewählt,
daß: (1)
die Temperatur hoch genug ist, um Reaktionsbedingungen zur Verfügung zu
stellen, die von geeigneter Stärke
sind für
die in Frage kom mende Alkylierungsstufe; und (2) die gewünschte fraktionierte
Destillation stattfindet.
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In
dem Fall, daß ein
Destillationskolonnenreaktor in einer oder mehreren der Stufen der
Erfindung verwendet wird, kann ein fester saurer Katalysator auf
eine beliebige herkömmliche
Weise in dem Destillationskolonnenreaktor angeordnet werden und
kann in einer einzelnen Kontaktzone oder einer Vielzahl an Kontaktzonen
innerhalb des Reaktors plaziert werden. Der Katalysator kann zum
Beispiel auf den Böden
einer herkömmlichen
Destillationskolonne angeordnet sein oder innerhalb zumindest einer
Rohrleitung, die einen Pfad für
den Fluß von
Flüssigkeit
von einer Zone zu einer anderen innerhalb des Destillationskolonnenreaktors
zur Verfügung
stellt. Falls gewünscht,
können
solche Rohrleitungen außerhalb
der Hauptstruktur des Destillationskolonnenreaktors angeordnet sein,
so daß sie
jeweils zugänglich
sind und unabhängig
entnommen werden können
für einen
Ersatz des sauren festen Katalysators, ohne den Destillationskolonnenreaktor
herunterzufahren. Es sei angemerkt, daß es im allgemeinen wünschenswert
sein wird, zumindest zwei solcher Rohrleitungen, die einen sauren
festen Katalysator enthalten, zu verwenden, so daß ein deaktivierter
oder verbrauchter Katalysator in einer Rohrleitung entfernt oder
regeneriert werden kann, während
die zusätzliche
Rohrleitung oder die zusätzlichen
Rohrleitungen einen fortdauernden Betrieb des Destillationskolonnenreaktors
ermöglichen.
Alternativ dazu können
die Rohrleitungen die Form von Rückflußrohren
einnehmen, welche benachbarte Böden
verbinden und einen Pfad für
den Fluß von
Flüssigkeit
innerhalb einer herkömmlichen
Destillationskolonne zur Verfügung
stellen. Die Verwendung von Rückflußrohren
zur Aufbewahrung des Katalysators in einem Destillationskolonnenreaktors
wird in den US-Patenten Nr. 3,629,478 (Haunschild) und 3,634,534
(Haunschild) beschrieben und diese Patente wer den durch Verweis
in ihrer Gesamtheit hierin mitaufgenommen. In einer bevorzugten
Ausführungsform
wird der Katalysator als eine Packung für die Destillationskolonne
verwendet, und es wird eine Fraktionierung zumindest teilweise in
Gegenwart des Katalysators durchgeführt. Zum Beispiel kann der
feste saure Katalysator in der Form von Pellets, Stäbchen, Ringen,
Sätteln,
Kugeln, unregelmäßigen Stücken, Blättchen,
Röhren,
Spiralen, in Beuteln verpackt oder auf Rosten oder Sieben vorliegen.
Die Verwendung eines Katalysators als ein Packungsmaterial in einem
Destillationskolonnenreaktor wird in den US-Patenten Nr. 4,232,177
(Smith), 4,242,530 (Smith), 4,307,254 (Smith) und 4,336,407 (Smith)
beschrieben und diese Patente werden durch Verweis in ihrer Gesamtheit
hierin mitaufgenommen.
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Diese
Erfindung stellt ein Verfahren zum Konzentrieren der schwefelhaltigen
aromatischen Verunreinigungen eines Kohlenwasserstoffeinsatzmaterials
in einem relativ kleinen Volumen an hochsiedendem Material dar.
Als ein Ergebnis dieser Konzentrierung kann der Schwefel leichter
und bei geringeren Kosten entsorgt werden, und es kann ein beliebiges
herkömmliches
Verfahren für
diese Entsorgung verwendet werden. Zum Beispiel kann dieses Material
mit schweren Brennstoffen, bei denen der Schwefelgehalt weniger
zu beanstanden ist, vermischt werden. Alternativ dazu kann es, da
sein Volumen relativ zu dem des ursprünglichen Einsatzmaterials verringert
ist, bei relativ geringen Kosten einem Hydrotreating unterzogen
werden.
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Eine
in hohem Maße
bevorzugte Ausführungsform
dieser Erfindung umfaßt
deren Verwendung zur Entfernung von schwefelhaltigen aromatischen
Verbindungen aus den Kohlenwasserstoffprodukten, die aus dem katalytischen
Wirbelschicht-Cracken eines Kohlenwasserstoffeinsatzmaterials, das
schwefelhaltige Verunreinigungen enthält, re sultieren. Bei katalytischen
Wirbelschicht-Crackverfahren werden Kohlenwasserstoffflüssigkeiten
oder -dämpfe
mit hohem Molekulargewicht in Kontakt gebracht mit heißen, feinverteilten,
festen Katalysatorteilchen, typischerweise in einem Fließbettreaktor
oder in einem länglichen
Airliftreaktor, und die Katalysator-Kohlenwasserstoff-Mischung wird
bei einer erhöhten
Temperatur in einem fluidisierten oder dispergierten Zustand über einen
Zeitraum gehalten, der ausreichend ist, um den gewünschten
Grad des Crackens zu niedermolekularen Kohlenwasserstoffen von der
Art, die typischerweise in Motorkraftstoffen und Destillatkraftstoffen
vorhanden sind, zu bewirken.
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Die
Umwandlung eines ausgewählten
Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials
in einem katalytischen Wirbelschicht-Crackverfahren wird bewirkt durch den
Kontakt mit einem Crackkatalysator in einer Reaktionszone bei einer
Umwandlungstemperatur und bei einer Fluidisierungsgeschwindigkeit,
welche die Umwandlungszeit auf nicht mehr als ungefähr 10 Sekunden
beschränkt.
Umwandlungstemperaturen liegen wünschenswerterweise
in dem Bereich von ungefähr
430 °C bis
ungefähr
700 °C und
bevorzugt von ungefähr
450 °C bis
ungefähr
650 °C.
Der Ausfluß aus
der Reaktionszone, der Kohlenwasserstoffdämpfe und Crackkatalysator,
enthaltend eine deaktivierende Menge an kohlenstoffhaltigem Material
oder Koks, umfaßt,
wird dann in eine Trennzone überführt. Kohlenwasserstoffe
werden in der Trennzone von verbrauchtem Crackkatalysator getrennt
und einem Fraktionator zur Trennung dieser Materialien auf Basis
des Siedepunkts zugeführt.
Diese flüchtigen Kohlenwasserstoffprodukte
treten in den Fraktionator typischerweise bei einer Temperatur im
Bereich von ungefähr
430 °C bis
ungefähr
650 °C ein
und liefern die gesamte für
die Fraktionierung benötigte
Wärme.
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Bei
dem katalytischen Cracken von Kohlenwasserstoffen wird eine gewisse
Menge an nichtflüchtigem kohlenstoffhaltigem
Material oder Koks auf den Katalysatorteilchen abgeschieden. In
dem Maße,
wie sich Koks auf dem Crackkatalysator bildet, wird die Aktivität des Katalysators
zum Cracken und die Selektivität
des Katalysators zur Herstellung von Ausgangsmaterialien zum Mischen
von Benzin vermindert. Der Katalysator kann jedoch einen Großteil seiner
ursprünglichen
Fähigkeiten
rückgewinnen,
indem ein Großteil
des Koks von ihm entfernt wird. Dies wird durchgeführt durch
Verbrennen der Koksablagerungen von dem Katalysator mit einem Regenerationsgas,
das molekularen Sauerstoff enthält,
wie Luft, in einer Regenerationszone oder einem Regenerator.
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Bei
der praktischen Durchführung
des katalytischen Wirbelschicht-Crackverfahrens können eine
Vielzahl an Verfahrensbedingungen verwendet werden. Im üblichen
Fall, bei dem ein Gasöl-Einsatzmaterial
verwendet wird, kann das Durchsatzverhältnis oder Volumenverhältnis von
gesamter Zuführung
zu frischer Zuführung
von ungefähr
1,0 bis ungefähr
3,0 variieren. Das Umwandlungsniveau kann von ungefähr 40 %
bis ungefähr
100 % variieren, wobei die Umwandlung definiert ist als die prozentuale
Verringerung von Kohlenwasserstoffen, die bei Atmosphärendruck
oberhalb von 221 °C
sieden, durch die Bildung von leichteren Materialien oder Koks.
Das Gewichtsverhältnis
des Katalysators zum Öl
in dem Reaktor kann innerhalb des Bereichs von ungefähr 2 bis
ungefähr
20 variieren, so daß die
fluidisierte Dispersion eine Dichte im Bereich von ungefähr 15 bis
ungefähr
320 kg/m3 aufweisen wird. Die Fluidisierungsgeschwindigkeit
kann im Bereich von ungefähr
3,0 bis ungefähr
30 Meter pro Sekunde liegen.
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Ein
geeignetes Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial für eine Verwendung in einem
katalytischen Wirbelschicht- Crackverfahren
kann von ungefähr
0,2 bis ungefähr
6,0 Gew.-% an Schwefel in der Form von organischen Schwefelverbindungen
enthalten. Geeignete Einsatzmaterialien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein,
schwefelhaltige Erdölfraktionen
wie leichte Gasöle,
schwere Gasöle,
breitverschnittene Gasöle,
Vakuumgasöle,
Naphthas, geklärte Öle, Rückstandsfraktionen
oder Rückführöle, die
von irgendwelchen dieser stammen, ebenso wie schwefelhaltige Kohlenwasserstoffraktionen,
die von synthetischen Ölen,
der Kohleverflüssigung
und der Verarbeitung von Ölschiefer
und Teersänden
stammen. Ein jedes dieser Einsatzmaterialien kann entweder einzeln
oder in einer beliebigen gewünschten
Kombination verwendet werden.
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Während diese
Erfindung für
Ausführungsformen
in vielen Formen geeignet ist, wird eine spezifische Ausführungsform
schematisch in 1 aufgezeigt, was so zu verstehen
ist, daß mit
der vorliegenden Offenbarung nicht beabsichtigt ist, die Erfindung
auf die veranschaulichte Ausführungsform
zu beschränken.
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Unter
Bezug auf 1 wird ein Gasöl, das organische
Schwefelverbindungen als Verunreinigungen enthält, in einem katalytischen
Wirbelschicht-Crackverfahren katalytisch gecrackt, und die flüchtigen
Produkte aus diesem Verfahren werden durch die Rohrleitung 1 in
die Destillationskolonne 2 geleitet. Aus der Destillationskolonne 2 wird
durch die Rohrleitung 3 eine erste Einsatzmaterialfraktion,
die über
dem Bereich von ungefähr
60 °C bis
ungefähr
177 °C siedet,
abgezogen, und es wird über
die Rohrleitung 4 eine zweite Einsatzmaterialfraktion,
die über
dem Bereich von ungefähr
177 °C bis
ungefähr
221 °C siedet,
abgezogen. Das niedrigsiedende Material mit einem Siedepunkt von
unterhalb ungefähr
60 °C wird
aus der Destillationskolonne 2 durch die Rohrleitung 5 abgezogen, und
hochsiedendes Material mit einem Siedepunkt von über ungefähr 221 °C wird durch die Leitung 6 abgezogen.
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Die
erste Einsatzmaterialfraktion, die über dem Bereich von ungefähr 60 °C bis ungefähr 177 °C siedet,
enthält
thiophenische Verbindungen als Verunreinigungen und weist einen
Olefingehalt im Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 25 Gew.-%
auf. Diese erste Einsatzmaterialfraktion wird durch die Rohrleitung 3 geleitet und
in einen Alkylierungsreaktor 7, der einen sauren Katalysator
enthält,
eingeleitet. Die erste Einsatzmaterialfraktion wird durch den Reaktor 7 geleitet,
wo sie den sauren Katalysator unter Reaktionsbedingungen kontaktiert,
welche wirksam sind, um zumindest einen Teil der thiophenischen
Verunreinigungen durch eine Alkylierung mittels der Olefine zu einem
thiophenischen Material mit höherem
Siedepunkt umzuwandeln. Die Produkte aus dem Alkylierungsreaktor 7 werden
durch die Rohrleitung 8 abgelassen und zur Destillationskolonne 9 geleitet,
wo diese Produkte fraktioniert destilliert werden. Eine hochsiedende
Fraktion, die einen Anfangssiedepunkt von ungefähr 177 °C aufweist und das hochsiedende
alkylierte thiophenische Material enthält, das im Alkylierungsreaktor 7 erzeugt
wurde, wird aus der Destillationskolonne 9 durch die Rohrleitung 10 abgezogen. Falls
gewünscht,
kann dieses hochsiedende Material für eine nachfolgende Verwendung
oder Entsorgung durch die Rohrleitung 11 abgezogen werden.
Zum Beispiel kann dieses hochsiedende Material zur Entfernung von
zumindest einem Teil seines Schwefelgehalts zu einer Hydrotreating-Einheit geleitet
werden. Eine niedrigsiedende Fraktion, die einen verringerten Schwefelgehalt
relativ zu dem Schwefelgehalt der ersten Einsatzmaterialfraktion
besitzt und einen Destillationsendpunkt von ungefähr 177 °C aufweist,
wird aus der Destillationskolonne 9 durch die Rohrleitung 12 abgezogen.
Falls gewünscht,
kann diese niedrigsiedende Fraktion aus der Rohrleitung 12 als
ein schwefelarmes Material zum Mischen von Benzin verwendet werden.
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Die
zweite Einsatzmaterialfraktion, die über dem Bereich von ungefähr 177 °C bis ungefähr 221 °C siedet,
enthält
sowohl thiophenische als auch benzothiophenische Verbindungen als
Verunreinigungen und weist einen Olefingehalt im Bereich von ungefähr 5 bis
ungefähr
25 Gew.-% auf. Diese zweite Einsatzmaterialfraktion wird durch Rohrleitung 4 geleitet
und wird mit ungefähr
10 bis ungefähr
50 Vol.-% an Propen, das durch die Rohrleitung 13 eingeleitet
wird, vermischt. Die resultierende Mischung wird durch die Rohrleitungen 14 und 15 in
den Alkylierungsreaktor 16 eingeleitet. Falls gewünscht, kann
etwas oder das gesamte hochsiedende und schwefelreiche Produkt aus
der Destillationskolonne 9 durch die Rohrleitungen 10 und 17 geleitet und
mit dieser Mischung vor einem Einleiten durch die Rohrleitung 15 in
den Alkylierungsreaktor 16 kombiniert werden.
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Der
Alkylierungsreaktor 16 enthält einen sauren Katalysator,
und die Mischung, die aus Leitung 15 als ein Einsatzmaterial
in diesen Reaktor eintritt, kontaktiert den sauren Katalysator unter
Reaktionsbedingungen, die wirksam sind, um zumindest einen Teil
der thiophenischen und benzothiophenischen Verunreinigungen in der
Mischung durch eine Alkylierung mittels der Olefine in der Mischung
zu einem schwefelhaltigen Material mit höherem Siedepunkt umzuwandeln.
Die Produkte aus dem Alkylierungsreaktor 16 werden durch
die Rohrleitung 18 abgelassen und zur Destillationskolonne 19 geleitet,
wo diese Produkte fraktioniert destilliert werden. Eine hochsiedende
Fraktion, die einen Anfangssiedepunkte von ungefähr 221 °C besitzt und die hochsiedenden
alkylierten thiophenischen und benzothiophenischen Produkte enthält, wird
aus der Destillationskolonne 19 durch die Leitung 20 ab gezogen.
Falls gewünscht,
kann dieses hochsiedende Material zur Entfernung von zumindest einem
Teil seines Schwefelgehalts zu einer Hydrotreating-Einheit geleitet
werden. Eine niedrigsiedende Fraktion, die einen verringerten Schwefelgehalt
relativ zu dem Schwefelgehalt der Mischung, die in den Reaktor 16 durch
Leitung 15 eingeleitet wird, aufweist, wird durch die Leitung 21 aus
der Destillationskolonne 19 abgezogen. Die niedrigsiedende
Fraktion, die durch die Rohrleitung 21 abgelassen wurde,
besitzt einen Destillationsendpunkt von ungefähr 221 °C und besteht nach einer Entfernung
von überschüssigem Propen
hauptsächlich
aus einem Material, das von ungefähr 177 °C bis ungefähr 221 °C siedet, welches als ein Material
zur Mischung von Benzin verwendet werden kann.
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Die
folgenden Beispiele beabsichtigen lediglich eine Veranschaulichung
der Erfindung und sind nicht dazu gedacht, die Erfindung einzuschränken.
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BEISPIEL I
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Ein
Naphtha-Einsatzmaterial, das über
dem Bereich von 61 °C
bis ungefähr
226 °C siedet,
wurde erhalten durch: (1) eine fraktionierte Destillation der Produkte
aus dem katalytischen Wirbelschicht-Cracken eines Gasöl-Einsatzmaterials,
das schwefelhaltige Verunreinigungen enthielt; und (2) Waschen des
Destillats mit einer wäßrigen Schwefelsäurelösung von
2 Gew.-% in einem Trommelmischer. Eine Analyse des Naphtha-Einsatzmaterials
unter Verwendung einer Mehrfachsäulengaschromatographietechnik
zeigte, daß es
gewichtsbezogen: 12,67 % an Paraffinen, 20,36 % an Olefinen, 11,93
% an Naphthenen, 50,89 % an Aromaten und 4,14 % an nichtidentifiziertem
hochsiedendem C12+-Material enthielt. Der
Gesamtschwefelgehalt des Naphthas, bestimmt mittels Röntgenfluoreszenzspektroskopie,
betrug 1644 ppm, und ungefähr
90 % dieses Schwefelgehalts (d. h. 1480 ppm) lagen in der Form von
Thiophen, Thiophenderivaten, Benzothiophen und Benzothiophenderivaten
(zusammenfassend bezeichnet als thiophenischer/benzothiophenischer
Schwefel) vor. Die gesamten schwefelhaltigen Komponenten, die keinen
thiophenischen/benzothiophenischen Charakter aufwiesen (wie Mercaptane,
Sulfide und Disulfide), besaßen
einen Siedepunkt unterhalb 177 °C.
Das Naphtha besaß einen
Gesamtstickstoffgehalt von 8 ppm und einen Gehalt an basischem Stickstoff
von weniger als 5 ppm.
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Das
Naphtha-Einsatzmaterial wurde durch fraktionierte Destillation in
zwei Fraktionen aufgetrennt: (1) eine erste Fraktion, die bis zu
177 °C siedet
(76 Gew.-% des Einsatzmaterials); und (2) eine zweite Fraktion, die
oberhalb 177 °C
siedet (24 Gew.-% des Einsatzmaterials). Die erste Fraktion wird
hierin als das "177 °C-(–)-Einsatzmaterial" bezeichnet, und
die zweite Fraktion wird hierin als das "177 °C-(+)-Einsatzmaterial" bezeichnet. Der
Gehalt an thiophenischem/benzothiophenischem Schwefel dieser beiden
Fraktionen betrug ungefähr
1060 ppm bzw. 2809 ppm.
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In
einer ersten Stufe wurde das 177 °C-(-)-Einsatzmaterial
mit 670 ppm an Isopropylalkohol vereinigt und wurde die resultierende
Mischung in Kontakt gebracht mit einem Festbett aus einem festen
Phosphorsäurekatalysator
auf Kieselgur (der erhalten wurde von UOP und unter dem Namen SPA-2
verkauft wurde) von 12 bis 18 mesh bei einer Temperatur von 204 °C, einem
Druck von 34 atm und einer stundenbezogenen Flüssigkeitsraumgeschwindigkeit
von 1,0 h–1.
Die geringe Menge an Isopropylalkohol wurde verwendet, um die Katalysatoraktivität beizubehalten,
und es wird angenommen, daß der
Alkohol beim Kontakt mit dem Katalysator einer Dehydratisierung
unterliegt und daß die
resultierenden 200 ppm an Wasser dazu dienen, die Kataly satorhydratisierung
auf einem zufriedenstellenden Niveau zu halten. Darüber hinaus
ergänzt
der Isopropylalkohol die Olefine in dem 177 °C-(-)-Einsatzmaterial als ein
Alkylierungsmittel. Das Katalysatorbett besaß ein Volumen von 20 cm3 und wurde zwischen zwei Betten aus inertem
Aluminiumoxid gehalten, die in einem röhrenförmigen Edelstahlreaktor mit
einem Innendurchmesser von 1,58 cm gepackt waren. Der Reaktor besaß ein beheiztes
Gesamtinnenvolumen von ungefähr
80 cm3 und wurde in einer vertikalen Ausrichtung
gehalten. Das resultierende Produkt wurde mittels Gaschromatographie
auf der Basis des Siedepunkts fraktioniert, und der Schwefelgehalt
der Fraktionen wurde unter Verwendung eines Schwefelchemilumineszenzdetektors
bestimmt. Unter Verwendung dieses analytischen Verfahrens wurde
das Produkt in zwei Fraktionen getrennt: (1) eine erste Fraktion,
die bis zu 221 °C
siedet; und (2) eine zweite Fraktion, die oberhalb 221 °C siedet.
Die erste Fraktion wird hierin als das "221 °C-(–)-Produkt
der ersten Stufe" bezeichnet,
und die zweite Fraktion wird hierin als das "221 °C-(+)-Produkt
der ersten Stufe" bezeichnet.
Es zeigte sich, daß ungefähr 68 %
des thiophenischen/benzothiophenischen Schwefels in dem 177 °C-(-)-Einsatzmaterial zu
höhersiedendem
Material umgewandelt wurden, welches in dem 221 °C-(+)-Produkt der ersten Stufe
auftaucht. Das 221 °C-(–)-Produkt
der ersten Stufe enthielt gewichtsbezogen lediglich ungefähr 330 ppm
an thiophenischem/benzothiophenischem Schwefel.
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Das
177 °C-(+)-Einsatzmaterial
wurde vereinigt mit 10 Vol.-% an Propen und 670 ppm an Isopropylalkohol,
und die resultierende Mischung wurde als ein Einsatzmaterial der
zweiten Stufe verwendet. In einer zweiten Stufe wurde das Einsatzmaterial
der zweiten Stufe in Kontakt gebracht mit einem Festbett aus festem Phosphorsäurekatalysator
auf Kieselgur (der erhalten wurde von UOP und unter dem Namen SPA-2
verkauft wurde) mit 12 bis 18 mesh unter Verwendung derselben Reaktionsbedingungen
und des Reaktors, die oben für
die erste Stufe beschrieben wurden. Das resultierende Produkt wurde
mittels Gaschromatographie auf Basis des Siedepunkts fraktioniert,
und der Schwefelgehalt der Fraktionen wurde unter Verwendung eines Schwefelchemilumineszenzdetektors
bestimmt. Unter Verwendung dieses analytischen Verfahrens wurde
das Produkt in zwei Fraktionen getrennt: (1) eine erste Fraktion,
die bis zu 221 °C
siedet; und (2) eine zweite Fraktion, die oberhalb 221 °C siedet.
Die erste Fraktion wird hierin als das "221 °C-(–)-Produkt der zweiten Stufe" bezeichnet, und
die zweite Fraktion wird hierin als das "221 °C-(+)-Produkt
der zweiten Stufe" bezeichnet.
Es zeigte sich, daß ungefähr 66 Gew.-%
des thiophenischen/benzothiophenischen Schwefels in dem Einsatzmaterial
der zweiten Stufe, das einen Siedepunkt unterhalb 221 °C besaß, umgewandelt
wurde zu hochsiedendem Material, das in dem hochsiedenden 221 °C-(+)-Produkt der zweiten
Stufe auftaucht. Das 221 °C-
(-) -Produkt der
zweiten Stufe enthielt gewichtsbezogen ungefähr 840 ppm an thiophenischem/benzothiophenischem Schwefel.
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Das
gesamte schwefelarme Produkt aus dem Verfahren bestand aus der Kombination
des 221 °C-(–)-Produkts
der ersten Stufe und des 221 °C-(–)-Produkts
der zweiten Stufe. Dieses gesamte schwefelarme Produkt enthielt
gewichtsbezogen 440 ppm an thiophenischem/benzothiophenischem Schwefel,
was einer Entfernung von 70 % des thiophenischen/benzothiophenischen
Schwefels in dem ursprünglichen
Naphtha-Einsatzmaterial entspricht. Darüber hinaus wurde das gesamte
schwefelarme Produkt in einer Ausbeute von 95,9 %, basierend auf
dem Gewicht des ursprünglichen
Naphtha-Einsatzmaterials, erhalten. Demgemäß wurden 4,1 Gew.-% des ursprünglichen
Naphtha-Einsatzmaterials zu einem hochsiedenden Material mit hohem
Schwefelgehalt in der Form der 221 °C-(+)-Produkte der ersten und
zweiten Stufe umgewandelt. Die vereinigten 221 °C-(+)-Produkte der ersten und
zweiten Stufe enthielten 2,58 Gew.-% an thiophenischem/benzothiophenischem
Schwefel. Die Ergebnisse dieses Beispiels I werden in TABELLE I
zusammengefaßt.
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BEISPIEL II
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Eine
Probe des Naphtha-Einsatzmaterials, das oben in Beispiel I beschrieben
wurde, wurde mit 670 ppm an Isopropylalkohol vereinigt, und die
resultierende Mischung wurde in Kontakt gebracht mit einem Festbett
aus festem Phosphorsäurekatalysator
auf Kieselgur (der erhalten wurde von UOP und unter dem Namen SPA-2
verkauft wurde) mit 12 bis 18 mesh bei einer Temperatur von 204 °C, einem
Druck von 3444 kPa (34 atm) und einer stundenbezogenen Flüssigkeitsraumgeschwindigkeit
von 1,0 h–1 in
einem Reaktor des Typs, wie er in Beispiel I beschrieben wird. Das
resultierende Produkt wurde mittels Gaschromatographie auf der Basis
des Siedepunkts fraktioniert, und der Schwefelgehalt der Fraktionen
wurde unter Verwendung eines Schwefelchemilumineszenzdetektors bestimmt.
Unter Verwendung dieses analytischen Verfahrens wurde das Produkt
in zwei Fraktionen getrennt: (1) eine erste Fraktion, die bis zu
221 °C siedet;
und (2) eine zweite Fraktion, die oberhalb 221 °C siedet. Die erste Fraktion
wird hierin als das "221 °C-(–)-Produkt" bezeichnet, und
die zweite Fraktion wird hierin als das "221 °C-(+)-Produkt" bezeichnet. Es zeigte
sich, daß 66,7
Gew.-% des thiophenischen/benzothiophenischen Schwefels in dem Naphtha
umgewandelt wurden zu hochsiedendem Material, das in dem 221 °C-(+)-Produkt
auftaucht. Das 221 °C-(–)-Produkt
enthielt gewichtsbezogen 567 ppm an thiophenischem/benzothiophenischem
Schwefel, und das 221 °C-(+)-Produkt
enthielt 1,75 Gew.-% an thiophenischem/benzothiophe nischem Schwefel.
Darüber
hinaus wurde das gesamte schwefelarme Produkt in einer Ausbeute
von 94,0 %, basierend auf dem Gewicht des ursprünglichen Naphtha-Einsatzmaterials,
erhalten. Demgemäß wurden
6,0 Gew.-% des ursprünglichen
Naphtha-Einsatzmaterials zu einem hochsiedenden Material mit hohem
Schwefelgehalt in der Form des 221 °C-(+)-Produkts umgewandelt.
Die Ergebnisse dieses Beispiels II sind in TABELLE I zusammengefaßt.
-
Tabelle
2. Zusammenfassung der Ergebnisse der Beispiele I, II und III
-
Das
Alkylierungsverfahren dieses Beispiels II beinhaltet eine Einstufenalkylierung
der thiophenischen und benzothiophenischen Komponenten des Naphtha-Einsatzmaterials,
wobei das Alkylierungsmittel aus den Olefinen besteht, die inhärent in
dem Naphtha-Einsatzmaterial vorhanden sind. Ein Vergleich des einstufigen Alkylierungsverfahrens
dieses Beispiels II mit dem zweistufigen Alkylierungsverfahren des
Beispiels I zeigt an, daß das
zweistufige Verfahren viel zufriedenstellender ist, da: (1) das
Produkt einen geringeren Gehalt an thiophenischem/benzothiophenischem
Schwefel aufweist; und (2) ein viel geringerer Gewichtsverlust auftritt, wenn
das Naphtha-Ausgangsmaterial dem zweistufigen Verfahren unterzogen
wird.
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BEISPIEL III
-
Eine
Probe des Naphtha-Einsatzmaterials, das oben in Beispiel I beschrieben
wird, wurde vermischt mit 10 Vol.-% an Propen und 670 ppm an Isopropylalkohol,
und die resultierende Mischung wurde in Kontakt gebracht mit einem
Festbett aus festem Phosphorsäurekatalysator
auf Kieselgur (der erhalten wurde von UOP und unter dem Namen SPA-2
verkauft wurde) mit 12 bis 18 mesh bei einer Temperatur von 204 °C, einem Druck
von 3444 kPa (34 atm) und einer stundenbezogenen Flüssigkeitsraumgeschwindigkeit
von 1,0 h–1 in
einem Reaktor von dem Typ, wie er in Bei spiel I beschrieben wird.
Das resultierende Produkt wurde mittels Gaschromatographie auf der
Basis des Siedepunkts fraktioniert, und der Schwefelgehalt der Fraktionen
wurde unter Verwendung eines Schwefelchemilumineszenzdetektors bestimmt.
Unter Verwendung dieses analytischen Verfahrens wurde das Produkt
in zwei Fraktionen getrennt: (1) eine erste Fraktion, die bis 221 °C siedet;
und (2) eine zweite Fraktion, die oberhalb 221 °C siedet. Die erste Fraktion
wird hierin als das "221 °C-(–)-Produkt" bezeichnet, und
die zweite Fraktion wird hierin als das "221 °C-(+)-Produkt bezeichnet.
Es zeigte sich, daß 70,4
Gew.-% des thiophenischen/benzothiophenischen Schwefels in dem Naphtha
umgewandelt wurden zu hochsiedendem Material, das in dem 221 °C-(+)-Produkt
auftaucht. Das 221 °C-(–)-Produkt
enthielt gewichtsbezogen 537 ppm an thiophenischem/benzothiophenischem
Schwefel, und das 221 °C-(+)-Produkt enthielt 1,22
Gew.-% an thiophenischem/benzothiophenischem Schwefel. Das 221 °C-(–)-Produkt
wurde in einer Ausbeute von 91,0 %, bezogen auf das Gewicht des
ursprünglichen
Naphtha-Einsatzmaterials, erhalten. Zusätzlich wurde eine Ausbeute
von 9,0 Gew.-% eines hochsiedenden Materials mit hohem Schwefelgehalt
in der Form des 221 °C-(+)-Produkts
erhalten. Die Ergebnisse dieses Beispiels III sind in TABELLE I
zusammengefaßt.
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Das
Alkylierungsverfahren dieses Beispiels III beinhaltet eine einstufige
Alkylierung der thiophenischen und benzothiophenischen Komponenten
des Naphtha-Einsatzmaterials, wobei das Alkylierungsmittel aus den
Olefinen, die inhärent
in dem Naphtha-Einsatzmaterial vorhanden sind, und auch dem zugegebenen Propen
besteht. Ein Vergleich der Ergebnisse des einstufigen Alkylierungsverfahrens
dieses Beispiels III mit dem zweistufigen Alkylierungsverfahren
des Beispiels I zeigt auf, daß das
zweistufige Verfahren viel zufriedenstellender ist, da: (1) das
Produkt einen geringeren Gehalt an thiopheni schem/benzothiophenischem Schwefel
aufweist; und (2) eine größere Ausbeute
des wünschenswerten
flüchtigen
Produkts erhalten wird, wenn das Naphtha-Ausgangsmaterial dem zweistufigen
Verfahren unterzogen wird.
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BEISPIEL IV
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Ein
synthetisches Einsatzmaterial wurde hergestellt durch Mischen von
Modellverbindungen, die ausgewählt
wurden, um die Arten und Konzentrationen der verschiedenen organischen
Verbindungen, die in einem typischen schweren Naphtha gefunden werden,
das durch das katalytische Wirbelschicht-Crackverfahren hergestellt
wird, zu repräsentieren.
Die Zusammensetzung des synthetischen Einsatzmaterials ist in Tabelle
II aufgezeigt.
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Tabelle
II. Zusammensetzung des synthetischen Einsatzmaterials
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Das
synthetische Einsatzmaterial wurde mit 1730 ppm an Isopropylalkohol
vereinigt, und die resultierende Mischung wurde in Kontakt gebracht
mit einem Festbett aus einem festen Phosphorsäurekatalysator auf Kieselgur
(der erhalten wurde von UOP und unter dem Namen SPA-2 verkauft wurde)
von 12 bis 18 mesh bei einer Temperatur von 204 °C, einem Druck von 54 atm und
einer stundenbezogenen Flüssigkeitsraumgeschwindigkeit
von 4,0 h–1.
Das resultierende Produkt wurde unter Verwendung einer Kapillargaschromatographie,
die unter Verwendung des synthetischen Einsatzmaterials kalibriert
wurde, analysiert. Die Analyse zeigte, daß Benzol, Toluol, Thiophen,
Ethylthiophen und Benzothiophen in den folgenden Mengen zu höher siedenem
Material umgewandelt wurden: Benzol (4,49 Gew.-%), Toluol (0,68
Gew.-%), Thiophen (89,83 Gew.-%), Ethylthiophen (78,37 Gew.-%) und
Benzothiophen (34,34 Gew.-%). Diese Ergebnisse sind in 2 dargestellt. Diese
Ergebnisse zeigen auf, daß Thiophen
und Ethylthiophen durch Olefine leichter alkyliert werden als Benzothiophen.
Darüber
hinaus zeigen die Ergebnisse dieses Beispiels auf, daß Thiophen
und Ethylthiophen durch Olefine in hoher Ausbeute unter Bedingungen
alkyliert werden können,
die ausreichend mild sind, so daß eine sehr geringe Alkylierung
von Benzol und Toluol stattfindet.
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BEISPIEL V
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Das
oben in Beispiel IV beschriebenen synthetische Einsatzmaterial wurde
mit 20 Vol.-% an Propen und 1730 ppm an Isopropylalkohol gemischt,
und die resultierende Mischung wurde in Kontakt gebracht mit einem
Festbett aus einem festen Phosphorsäurekatalysator auf Kieselgur
(der erhalten wurde von UOP und unter dem Namen SPA-2 verkauft wurde)
von 12 bis 18 mesh bei einer Temperatur von 204 °C, einem Druck von 5470 kPa
(54 atm) und einer stundenbezogenen Flüssigkeitsraumgeschwindigkeit
von 4,0 h–1.
Eine Analyse des Produkts mittels Kapillargaschromatographie zeigte,
daß Benzol,
Toluol, Thiophen, Ethylthiophen und Benzothiophen in den folgenden
Mengen zu höher
siedenem Material umgewandelt wurden: Benzol (70,31 Gew.-%), Toluol
(61,13 Gew.-%), Thiophen (96,51 Gew.-%), Ethylthiophen (89,47 Gew.-%)
und Benzothiophen (84,06 Gew.-%). Diese Ergebnisse sind in 2 dargestellt.
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Als
eine Folge der in diesem Beispiel V verwendeten hohen Konzentration
an Olefin-Alkylierungsmittel sind die Alkylierungsbedingungen stärker als
die oben in Beispiel IV verwendeten. Dieses Beispiel zeigt auf, daß Benzothiophen
unter den stärkeren
Reaktionsbedingungen dieses Beispiels V in hoher Ausbeute durch Olefine
alkyliert werden kann. Jedoch führen
diese stärkeren
Alkylierungsbedingungen zu einer hohen Umwandlung von Benzol und
Toluol (aromatische Kohlenwasserstoffe) zu Alkylierungsprodukten.
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BEISPIEL VI
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Ein
synthetisches Einsatzmaterial wurde hergestellt durch Auflösen von
0,499 g an Thiophen, 0,522 g an 2-Methylthiophen, 0,501 g an 2,5-Dimethylthiophen,
0,518 g an Benzothiophen, 0,509 g an Benzol, 0,614 g an Toluol und
10,014 g an 1-Heptene in 87,015 g an Decan. Eine Portion von 50
g des synthetischen Einsatzmaterials wurde vereinigt mit 25 g eines
festen Phosphorsäurekatalysators
auf Kieselgur (der erhalten wurde von UOP und unter dem Namen SPA-2
verkauft wurde), der zerkleinert und auf 12–20 mesh klassiert worden war.
Die resultierende Mischung wurde in einen gerührten 100 cm3 Autoklavenreaktor
gegeben, der ausgestattet war mit einem Tauch rohr zur on-line-Probennahme
der Reaktionsmischung, und die Mischung wurde unter Stickstoff bei
204 °C und
einem Druck von 5511 kPa (54,4 atm) bei 500 Upm gerührt. Die
Reaktionsmischung wurde durch zeitweises Stoppen des Rührens, Absetzen-Lassen
des Katalysators und Entfernen von ungefähr 2 g der Flüssigkeit,
periodisch beprobt. Jede Probe wurde mittels Gaschromatographie
analysiert, um die Änderungen
der Konzentration der verschiedenen Reaktanten zu messen. Die resultierenden analytischen
Daten wurden verwendet, um die Alkylierungsgeschwindigkeitskonstanten,
die in Tabelle III aufgezeigt werden, für die Alkylierung der verschiedenen
aromatischen Verbindungen in dem Einsatzmaterial durch 1-Hepten
zu berechnen. Bei der Berechnung dieser Gsgeschwindigkeitskonstanten
wurde angenommen, daß die
Alkylierungsreaktionen pseudo 1. Ordnung in dem aromatischen Substrat
waren als eine Folge des großen Überschusses
an olefinischem Alkylierungsmittel, der verwendet wurde. Jede Geschwindigkeitskonstante
wurde aus der Steigung der Kurve erhalten, die durch lineare Regression
angepaßt
wurde an die experimentellen Daten, die als 1n(1–x) als eine Funktion der Zeit
aufgetragen wurden, wobei x die Substratkonzentration darstellt.
Die Siedepunkte der verschiedenen aromatischen Komponenten des synthetischen Einsatzmaterials
werden ebenfalls in Tabelle III aufgezeigt.
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Tabelle
III. Siedepunkte und Alkylierungsgeschwindigkeitskonstanten für verschiedene
aromatische Verbindungen
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Diese
Ergebnisse belegen, daß flüchtige thiophenische
Verbindungen wie Thiophen und 2-Methylthiophen viel reaktiver sind
als das weniger flüchtige
Benzothiophen.