KR20130127996A - 저 비등점 올레핀을 올리고머화함으로써 기유를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 1100 mm2/s 초과의 40℃에서의 동점도를 갖는 기유를 생산하기 위해 이온성 액체 촉매의 존재 하에 82℃ 미만의 비등점을 갖는 하나 이상의 올레핀을 올리고머화하는 단계를 포함하는 제조방법에 관한 것이다. 또한, 300 mm2/s 이상의 40℃에서의 동점도 및 저 운점을 갖는 기유를 생산하기 위해 이온성 액체 촉매의 존재 하에 올레핀을 올리고머화하는 단계를 포함하는 기유를 만들기 위한 공정으로서, 여기서 482℃+ (900℉+)에서 비등하는 생성물의 wt% 수율은 올리고머화 단계로부터의 생성물의 총 수율의 적어도 65 wt%인 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 1100 mm2/s 초과의 40℃에서의 동점도와 저 운점을 갖는 기유를 생산하기 위해 이온성 액체 촉매의 존재 하에 올레핀을 올리고머화하는 단계를 포함하는 기유의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 이온성 액체 촉매를 이용하여 저 비등점 올레핀을 올리고머화함으로써 기유를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 본 출원과 함께 출원된 특허 출원 "PROCESS FOR MAKING A HIGH VISCOSITY BASE OIL WITH AN IMPROVED VISCOSITY INDEX"와 관련이 있으며, 상기 특허 출원의 전체 내용은 본 명세서에 포함된다.
본 발명은, 기유를 만들기 위한 공정을 제공하며, 상기 공정은 이온성 액체 촉매의 존재 하에 82℃ (180℉) 미만의 비등점을 갖는 하나 이상의 올레핀을 올리고머화하여 1100 mm2/s를 초과하는 40℃에서의 동점도(kinematic viscosity)를 갖는 기유를 생산하는 단계를 포함한다.
본 발명은 기유를 만들기 위한 공정을 제공하며, 상기 공정은 이온성 액체 촉매의 존재 하에 82℃ (180℉) 미만의 비등점을 갖는 하나 이상의 올레핀을 올리고머화하여 300 mm2/s 이상의 40℃에서의 동점도 및 -20℃ 미만의 운점(cloud point)을 갖는 기유를 생산하는 단계를 포함하며, 여기서 482℃+ (900℉+)에서 비등하는 생성물의 wt% 수율은 올리고머화 단계로부터의 생성물의 총 수율의 적어도 65 wt%이다.
본 발명은 기유를 만들기 위한 공정을 제공하며, 상기 공정은 이온성 액체 촉매의 존재 하에 82℃ (180℉) 미만의 비등점을 갖는 하나 이상의 올레핀을 올리고머화하여 1100 mm2/s 초과의 40℃에서의 동점도와 -20℃ 미만의 운점을 갖는 기유를 생산하는 단계를 포함한다.
도 1은 정적 믹서 루프 반응기(static mixer loop reactor)의 일 구체예의 도해(diagram)이다.
도 2는 고정층 접촉기 반응기(fixed bed contactor reactor)의 일 구체예의 도해(diagram)이다.
도 2는 고정층 접촉기 반응기(fixed bed contactor reactor)의 일 구체예의 도해(diagram)이다.
기유(base oil)는 완성 윤활유를 생산하기 위해 다른 오일이나 물질이 첨가될 수 있는 오일이다.
여러 다른 올레핀들이 82℃ (180℉) 미만의 비등점을 갖는다. 그 일부 구체적 예시는 아래와 같다.
일 구체예에서, 하나 이상의 올레핀은 주로 또는 전적으로 알파 올레핀을 포함한다. 일 구체예에서, 하나 이상의 올레핀은 프로필렌, 1-부텐, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 또 다른 일 구체예에서, 하나 이상의 올레핀은 65 ℃ 미만, 50 ℃ 미만, 40 ℃ 미만, 30 ℃ 미만, 20 ℃ 미만, 10 ℃ 미만, 또는 0 ℃ 미만의 비등점을 가진다. 프로필렌의 공급원은, 예를 들어, 2009년 08월 10일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 12/538,738에 기재되어 있다.
이온성 액체 촉매는 복합물을 형성하는 적어도 2개의 성분으로 구성된다. 상기 이온성 액체 촉매는 제 1 성분과 제 2 성분을 포함한다. 상기 이온성 액체 촉매의 제 1 성분은 루이스 산(Lewis Acid)을 포함할 수 있다. 상기 루이스 산은 13족 금속의 루이스 산성 화합물, 가령, 알루미늄 할라이드, 알킬 알루미늄 할라이드, 갈륨 할라이드, 및 알킬 갈륨 할라이드과 같은 성분들 중에서 선택된 금속 할라이드 화합물일 수 있다. 상기 13족 금속의 루이스 산성 화합물 외에 추가로, 3, 4 및 5족 금속 할라이드 같은 그 밖의 다른 루이스 산성 화합물도 사용될 수 있다. 그 밖의 다른 구체적 예로는 ZrCl4, HfCl4, NbCl5, TaCl5, ScCl3, YCl3, 및 이들의 혼합물이 있다. 3, 4, 5 및 13족 금속을 정의하기 위해 국제 순수응용 화학 연합(IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry)에 의한 주기율표(2007년 06월 22일자 버전)가 사용된다. 일 구체예에서, 상기 제 1 성분은 알루미늄 할라이드 또는 알킬 알루미늄 할라이드이다. 예를 들어, 알루미늄 트리클로라이드가 산성 이온성 액체의 제 1 성분일 수 있다.
상기 이온성 액체 촉매를 구성하는 제 2 성분은 유기 염 또는 염들의 혼합물이다. 이들 염은 일반식 Q+A-에 의해 특징지어질 수 있으며, 여기서, Q+는 암모늄, 포스포늄, 또는 술포늄 양이온이고, A-는 Cl-, Br-, ClO4 -, NO3 -, BF4 -, BCl4 -, PF6 -, SbF6 -, AlCl4 -, TaF6 -, CuCl2 -, FeCl3 -, HSO3 -, RSO3 -, SO3CF3 -, 알킬-아릴 술포네이트, 및 벤젠 술포네이트(가령, 3-술퍼트리옥시페닐)와 같은 음으로 대전된 이온이다. 일 구체예에서, 상기 제 2 성분은, 약 1 내지 약 12개의 탄소 원자를 갖는 하나 이상의 알킬 부분(moiety)을 함유하는 제4급 암모늄 할라이드를 갖는 것들, 가령, 트리메틸아민 히드로클로라이드, 메틸트리부틸암모늄 할라이드, 또는 치환된 헤테로사이클릭 암모늄 할라이드 화합물, 가령, 히드로카빌 치환된 피리디늄 할라이드 화학물, 예컨대, 1-부틸피리디늄 할라이드, 벤질피리디늄 할라이드, 또는 히드로카빌 치환된 이미다졸륨 할라이드, 예컨대, 1-에틸-3-메틸-이미다졸륨 클로라이드 중에서 선택된다.
일 구체예에서, 상기 이온성 액체 촉매는, 히드로카빌(hydrocarbyl) 치환된 피리디늄 클로로알루미네이트, 히드로카빌 치환된 이미다졸륨 클로로알루미네이트, 제4급 아민 클로로알루미네이트, 트리알킬 아민 수소 클로라이드 클로로알루미네이트, 알킬 피리딘 수소 클로라이드 클로로알루미네이트, 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택된다. 예를 들어, 상기 이온성 액체 촉매는 산성 할로알루미네이트 이온성 액체, 가령, 각각 하기 일반식 A 및 B로 표현되는 알킬 치환된 피리디늄 클로로알루미네이트 또는 알킬 치환된 이미다졸륨 클로로알루미네이트일 수 있다.
화학식 A 및 B에서; R, R1, R2, 및 R3는 H, 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 또는 헥실 기이며, X는 클로로알루미네이트이다. 일 구체예에서, X는 AlCl4 - 또는 Al2Cl7 -이다. 화학식 A 및 B에서, R, R1, R2 , 및 R3는 서로 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 일 구체예에서 이온성 액체 촉매는 N-부틸피리디늄 클로로알루미네이트이다.
일 구체예에서, 상기 이온성 액체 촉매는 알킬-피리디늄, 알킬-이미다졸륨, 또는 이들의 혼합물의 군 중에서 선택된 양이온을 포함한다. 또 다른 일 구체예에서 이온성 액체 촉매는 RR' R" N H+ Al2Cl7 -의 일반식을 가질 수 있으며, 여기서, N은 질소 함유 기이며, 여기서 RR' 및 R"은 1 내지 12개의 탄소를 함유하는 알킬 기이고, RR'과 R"은 서로 동일하거나 동일하지 않을 수 있다.
제 1 성분의 존재가 이온성 액체 촉매에게 프랭클린 또는 루이스 산 특성을 부여할 수 있다. 일 구체예에서, 이온성 액체 촉매는 강한 루이스 산성 음이온, 가령, Al2Cl7 -를 포함한다. Al2Cl7 -는 예를 들어, 강한 루이스 산성 음이온이지만, AlCl4 -는 그렇지 않다. 일 구체예에서, 제 2 성분에 대한 제 1 성분의 몰비가 클수록 이온성 액체 촉매의 산성도가 크다.
이온성 액체 촉매로서 사용될 수 있는 화합물의 또 다른 예가, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트 [bmim+][PF6-], 트리헥실(테트라데실)포스포늄 클로라이드 [thtdPh+][Cl-], 상용화된 CYPHOS IL 101™(탄화수소 가용성 (헥산, 톨루엔) Tg-56℃), 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라클로로알루미네이트 [emim+][AlCl4-]를 포함한다. 상기 이온성 액체 촉매에서 제 2 성분으로서 사용될 수 있는 이온성 액체는 트리헥실(테트라데실)포스포늄 클로라이드[thtdPh][Cl-]를 포함한다.
일 구체예에서, 조촉매(co-catalyst) 또는 촉진제(promoter)가 상기 이온성 액체 촉매에 첨가된다. 조촉매 또는 촉진제의 예로는 할라이드 함유 첨가제, 가령, 알킬 할라이드 또는 수소 할라이드가 있다. 그 밖의 다른 조촉매 또는 촉진제로 브로뢴스테드 산이 있다. 촉진제는 촉매가 반응에 미치는 영향을 가속시킬 물질이다. 브로뢴스테드 산은 H+ 이온을 염기에 공여할 수 있는 임의의 물질이다. 브로뢴스테드 산은 H+ 이온 또는 양성자 공여체이다. 브로뢴스테드 산의 예로는 HCl, HBr, HI, HF, 황산, +NH4, CH3CO2H, 및 이들의 혼합물이 있다.
본원에서의 하나 이상의 올레핀 및 기유의 비등 범위 분포, 초기 비등점, 및 상한 비등점에 대해 사용되는 시험법은 ASTM D 2887-06a 및 ASTM D 6352-04이다. 여기서 상기 시험법은 "SIMDIST"라고도 지칭된다. 증류에 의한 비등 범위 분포 결정이 가스 크로마토그래피를 사용하여 시뮬레이트된다. 이 시험법에 의해 얻어진 비등 범위 분포는 진비등점(TBP: true boiling point) 증류에 의해 얻어진 것과 실질적으로 동등하지만(ASTM 시험법 D 2892를 참조), ASTM 시험법 D 86 또는 D 1160에 의해 얻어진 것과 같은 저효율 증류로부터의 결과와 동등하지는 않다.
상기 공정에 의해 생산된 기유는 40℃에서 고 동점도(high kinematic viscosity)를 가진다. 이는 일반적으로, 40℃에서 200 mm2/s 초과일 수 있으며, 특정 구체예에서, 300 mm2/s 이상이다. 일부 구체예에서, 기유는 400 mm2/s 이상, 500 mm2/s 이상, 600 mm2/s 이상, 700 mm2/s 이상, 800 mm2/s 이상, 또는 심지어 1100 mm2/s 초과의 40℃에서의 동점도를 가진다. 일 구체예에서, 기유는 1100 mm2/s 초과, 1200 mm2/s 이상, 1500 mm2/s 초과, 또는 1600 mm2/s 초과의 40℃에서의 동점도를 가진다. 일 구체예에서, 기유는 1100 mm2/s 초과 5000 mm2/s 미만의 40℃에서의 동점도를 가진다. 40℃, 또는 100℃에서의 동점도를 결정하기 위한 시험법은 ASTM D 445-09이다.
일 구체예에서, 기유는 37 이상, 또는 39 초과의 점도 지수(VI)를 가진다. 또 다른 구체예에서, 기유의 VI는 40 초과, 45 초과, 50 초과, 55 초과, 또는 60 초과이다. 일 구체예에서, VI는 120 미만, 또는 100 미만이다. VI를 결정하기 위한 시험법은 ASTM D 2270-04이다.
일 구체예에서, 기유는 저 운점(cloud point), 일반적으로 0℃ 미만의 저 운점을 가지며, 특정 구체예에서 운점은 -20℃ 미만, -30℃ 미만, -40℃미만, -50℃ 미만, 또는 -60℃ 미만이다. 운점을 결정하기 위한 시험법은 ASTM D5773 - 10 석유 제품의 운점에 대한 표준 시험법(정속 냉각법)[Standard Test Method for Cloud Point of Petroleum Products(Constant Cooling Rate Method)], 또는 이와 동등한 결과를 제공하는 그 밖의 다른 임의의 방법이다.
일 구체예에서, 기유의 초기 비등점은 650℉ (343℃) 미만이다. 또 다른 구체예에서, 기유의 초기 비등점은 650℉ (343℃) 내지 700℉ (371℃)이다. 일 구체예에서, 상기 기유는 482℃+ (900℉+) 내지 815.6℃- (1500℉-)의 비등 범위를 가진다. 또 다른 구체예에서, 비등 범위는 최대 상한 749℃- (1380℉-), 760℃- (1400℉-), 또는 788℃- (1450℉-)이다. 기유는 기유의 40℃에서의 동점도보다 높거나 낮은 여러 다른 동점도를 갖는 여러 다른 컷(cut)으로 증류될 수 있도록, 때때로 광범위한 비등점을 갖는 것이 바람직하다. 일 구체예에서, 기유는 735℃ (1355℉) 초과의 비등점 상한을 가진다.
일 구체예에서, 상기 올리고머화 조건은 이온성 액체 촉매의 용융점과 그 분해 온도(decomposition temperature) 사이의 온도를 포함한다. 일 구체예에서, 올리고머화 조건은 약 -10℃ 내지 약 150℃, 가령, 약 0 내지 약 100℃, 약 10 내지 약 100℃, 약 0 내지 약 50℃, 약 40℃ 내지 60℃, 또는 약 50℃의 온도를 포함한다.
일 구체예에서, 상기 올리고머화는 5시간 미만에서 발생하고, 일부 구체예에서, 2시간 미만 또는 1시간 미만에서 발생할 수 있다. 일 구체예에서, 올리고머화는 0.1분 내지 60분, 10분 내지 45분, 또는 15분 내지 30분에서 발생한다.
일 구체예에서, 상기 올리고머화 조건은 0.1 내지 10, 0.5 내지 5, 1 내지 5, 또는 1 내지 1.5의 하나 이상의 올레핀 LHSV를 포함한다.
일 구체예에서, 상기 올리고머화 조건은 50 초과, 100 초과, 200 초과, 300 초과, 또는 400 초과의, 첨가제를 함유하는 할라이드에 대한 하나 이상의 올레핀의 몰비를 포함한다. 미국 특허 공개 번호 20100065476A1는 첨가제를 함유하는 할라이드에 대한 올레핀의 높은 몰비를 조절 및 유지함으로써 C10+ 생성물의 생산량을 증가시키는 방법을 개시하고 있다.
이온성 액체 촉매의 존재 하에서 하나 이상의 올레핀을 올리고머화하여 기유를 만들기 위한 목적에 적합한 임의의 반응기에서 올리고머화가 실시된다. 상기 올리고머화는 단일 단계 또는 복수의 단계로 실시될 수 있다. 사용될 수 있는 반응기의 예로는 연속 교반 탱크 반응기(CTSR), 노즐 반응기(가령 노즐 루프 반응기), 관형 반응기(가령 연속 관형 반응기), 및 루프 반응기(가령 정적 믹서 루프 반응기)가 있다. 고정층 접촉기 반응기(fixed bed contactor reactor)가 2010년 06월 28일자 출원된 특허 출원 번호 12/824,893에 기재되어 있다. 고정층 접촉기 반응기의 일 구체예가 도 2에 도시되어 있다.
정적 믹서 루프 반응기는 한 루프 내에 배치된 정적 믹서를 이용하며, 이 루프에서 정적 믹서의 유출물(effluent)의 일부가 정적 믹서의 유입구로 재활용된다. 정적 믹서 루프 반응기는 루프 내 정적 믹서를 통해 하나 이상의 올레핀과 이온성 액체 촉매를 펌핑함으로써 상기 하나 이상의 올레핀과 이온성 액체 촉매의 교반 및 혼합을 이룬다. 정적 믹서 루프 반응기는 CTSR 반응기와 역학적으로 매우 유사하게 작동하지만, 전환율(conversion rate)이 증가할수록, 반응기의 작동이 유출물 재활용을 이용한 플러그 흐름 반응기(plug flow reactor)와 매우 유사하게 작동하도록 변한다. 전단 믹서 루프 반응기는 작은 실험실 단위에서의 압력 하에서도 동작이 가능하게 하는 작은 체적의 레이아웃으로 용이하게 제작된다. 정적 믹서에 대한 압력 강하를 변경함으로써 접촉 효율이 변경될 수 있다. 일 구체예에서, 정적 믹서의 1회 통과로, 하나 이상의 올레핀의 준 정량적 전환(near quantitative conversion)을 거의 달성할 수 있다. 일 구체예에서, 유출물의 재활용이 열 용량을 증가시키고, 올리고머화로부터의 발열(exotherm)의 더 효율적인 제어를 가능하게 한다. 정적 믹서 루프 반응기의 일 구체예는 도 1에 도시되어 있다.
상기 공정은 연속식, 반-연속식, 또는 일괄식(batch)일 수 있다. 연속식은 중단이나 중지 없이 동작하는(또는 동작하도록 의도된) 공정을 의미한다. 예를 들어, 연속식 공정은 반응물(가령 하나 이상의 올레핀 또는 이온성 액체 촉매)이 하나 이상의 반응기로 연속으로 도입되고, 기유가 연속으로 회수되는 공정일 것이다. 반-연속식은 주기적으로 중단되면서 동작하는(또는 동작하도록 의도된) 시스템을 의미한다. 예를 들어, 기유를 생산하기 위한 반-연속식 공정은 반응물이 하나 이상의 반응기로 연속으로 도입되고 기유 생성물이 간헐적으로 회수되는 공정일 것이다. 일괄식 공정은 연속식이나 반-연속식이 아닌 공정이다.
일 구체예에서, 상기 공정은 하나 이상의 올레핀을, 여러 다른 위치에 있는 이온성 액체 촉매를 포함하는 반응기로 공급하기 위해 둘 이상의 공급 스트림(feed stream)으로 나누는 공정을 수반한다. 이를 위한 한 가지 공정이 미국 특허 공개 번호 US20090171134에 기재되어 있다.
일 구체예에서, 상기 공정은 노즐 분사를 채용하며, 상기 노즐 분사에 의해, 하나 이상의 올레핀 및 이온성 액체 촉매가 적어도 하나의 노즐을 통해 반응기로 주입되어 올리고머화 단계를 개시한다. 이 구체예에서, 상기 적어도 하나의 노즐은 더 우수한 생성물 및 올리고머화 제어를 위해 하나 이상의 올레핀과 이온성 액체 촉매의 친화적 접촉(intimate contact)을 제공한다. 이를 위한 한 가지 공정이 미국 특허 공개 번호 US20090166257에 기재되어 있다.
일 구체예에서, 신선한 이온성 액체 촉매가 반응기로 연속적으로 첨가되고, 부동태화된(passivated) 이온성 액체 촉매가 반응기로부터 연속적으로 회수된다. 상기 이온성 액체 촉매는, 예를 들어 이의 산성도를 낮춤으로써, 부동태화될 수 있다. 이는 예를 들어, 올리고머화 동안 부산물로서 형성되는 공동 중합체(conjunct polymer)와 착화함으로써, 발생할 수 있다. 신선한 이온성 액체 촉매를 반응기로 연속으로 첨가함으로써, 촉매 활성도가 제어될 수 있다. 부동태화된 이온성 액체 촉매는 완전히 또는 부분적으로 재생되고, 반응기로 다시 재활용될 수 있다.
일 구체예에서, 가령, 고정층 접촉기(fixed bed contactor)가 사용될 때, 이온성 액체 촉매는 고체 지지부(solid support)와 함께 반응기 내에 있다. 이 구체예에서, 반응기 내 이온성 액체 촉매의 평균 체류 시간이 반응기 내 하나 이상의 올레핀의 평균 체류 시간과 상이한 것이 가능하다.
일 구체예에서, 이온성 액체 촉매 및 하나 이상의 올레핀은 유제(emulsion)를 형성하지 않는다. 따라서 공정의 이 구체예의 한 가지 기술적 이점은 기유로부터 이온성 액체 촉매를 상분리하는 것이 훨씬 덜 어렵다는 것이다. 즉, 설비가 덜 필요하다는 것, 감소된 공정 복잡도를 가진다는 것, 시간이 덜 필요하다는 것, 또는 이들의 조합의 장점을 가진다.
일 구체예에서, 하나 이상의 올레핀을 포함하는 탄화수소 공급물의 반응기로의 흐름과 이온성 액체 촉매의 반응기로의 흐름 간에 차이가 있다. 일 구체예에서, 예를 들어, 하나 이상의 올레핀이 탄화수소 공급물의 20-25 wt%가 될 때, 고정층 접촉기 반응기로의 이온성 액체 촉매의 흐름에 대한 탄화수소 공급물의 흐름의 비는 부피비로 약 10:1 내지 약 1000:1; 약 50:1 내지 약 300:1; 또는 약 100:1 내지 약 200:1일 수 있다. 일부 구체예에서, 공정을 최적화하기 위해, 이온성 액체 촉매의 반응기로의 도입 동안의 이온성 액체 촉매의 흐름과 하나 이상의 올레핀을 포함하는 공급물 스트림의 흐름이 서로 독립적으로 다양해질 수 있다.
일 구체예에서, 올리고머화를 위해 사용되는 반응기는 단열적으로(adiabatically) 동작한다. 단열적 공정 동안, 임의의 온도 변화는 내부 시스템 변동(internal system fluctuation) 때문이며, 외부에서 제공되는 어떠한 가열이나 냉각도 없다. 이 모드에서의 동작은 상당한 설비 절약 및 공정 복잡도 감소를 제공할 수 있다. 반응기 내 온도가 적합한 범위로 유지될 수 있는 한 가지 방법은 반응기 내 반응 존(reaction zone)에서의 휘발성 탄화수소가 증발되게 하여 반응기를 냉각하는 것이다. 반응 존에서의 휘발성 탄화수소가 증발되게 하여 반응기를 냉각함으로써, 반응기 내 온도가 10℃ 내로, 5℃ 내로, 또는 1℃ 내로 유지될 수 있다. 일 구체예에서, 반응기 내 반응 존에서의 휘발성 탄화수소는 증발되어 반응기를 냉각하고, 상기 반응기는 25 내지 100℃, 가령, 30 내지 70℃, 35 내지 50℃, 35 내지 40℃, 또는 약 40 내지 50℃의 온도로 유지된다. 반응기를 냉각하는 이 수단은 크게 확장가능(scalable)하며, 연구실 내 소형의 마이크로 단위 반응기에서부터 파일럿 플랜트(pilot plant) 내 반응기까지, 그리고 최대, 대형 정유소 작업에서의 풀 사이즈 반응기까지, 어떠한 반응기 크기에서도 사용될 수 있다. 냉각을 제공할 수 있는 반응 존에서의 휘발성 탄화수소의 예로는 C6 - 노멀 알칸, 이소파라핀, 및 약 15℃ 미만의 비등점을 갖는 올레핀이 있다. 구체적 예로는 에틸렌, 에탄, 프로판, n-부탄, 이소부탄, 이소부텐, 및 이들의 혼합물이 있다.
일 구체예에서, 482℃+ (900℉+)에서 비등하는 생성물의 wt% 수율은 올리고머화 단계로부터의 생성물의 총 수율의 25 wt%를 초과한다. 일부 구체예에서, 482℃+ (900℉+)에서 비등하는 생성물의 wt% 수율은 올리고머화 단계로부터의 생성물의 총 수율의 적어도 35 wt%, 적어도 45 wt%, 적어도 50 wt%, 적어도 65 wt%, 70 wt% 초과, 또는 적어도 75 wt%이다.
일 구체예에서, 상기 올리고머화는 하나 이상의 알파 올레핀, 가령, 하나 이상의 C4+, 하나 이상의 C5+, 하나 이상의 C6+, 하나 이상의 C8+, 또는 하나 이상의 C10+ 알파 올레핀의 존재하에 이뤄진다. C4+, C5+, C6+, C8+, 또는 C10+ 알파 올레핀의 존재가 기유의 VI를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, VI는 적어도 5, 적어도 10, 또는 적어도 15만큼 증가될 수 있다. 일부 구체예에서, VI는 증가하지만 운점은 증가하지 않는다.
상기 알파 올레핀은 임의의 공급원으로부터 생산될 수 있으며, 가령, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 공정으로부터의 것, 정유 공정으로부터의 것, 중질 탄화수소의 열 크래킹(thermal cracking)으로부터 유래된 것, 또는 중합체의 열분해(pyrolysis)로부터 유래된 것일 수 있다. 일 구체예에서, 알파 올레핀은 제올라이트 촉매를 이용한 제3급 알코올의 전환에 의해 생산된다. 이를 위한 한 가지 공정이 미국 특허 번호 5,157,192에 기재되어 있다. 일 구체예에서, 알파 올레핀은 폐 플라스틱, 가령, 폴리에틸렌의 열분해(pyrolysis)로부터 유래된다. 올레핀을 생산하기 위한 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 유래 왁스질 공급물(waxy feed)의 열 크래킹을 위한 공정이 미국 특허 번호 6,497,812 및 6,703,535에 설명되어 있다. 폐 플라스틱의 열분해(pyrolysis)를 위한 공정은 미국 특허 번호 6,774,272 및 6,822,126에 설명되어 있다. 일 구체예에서, 알파 올레핀은 에틸렌 올리고머화에 의해 만들어진 고순도의 노멀 알파 올레핀(NAO: Normal Alpha Olefin) 공정으로부터의 컷(cut)이다. 초 고순도(99%+) C6+, C8+, 또는 C10+ 알파 올레핀은 가령 변형된 지글러 에틸렌 연쇄 성장 기법(Ziegler ethylene chain growth technology)을 이용해 생산될 수 있다.
기유는 브라이트 스톡(bright stock) 또는 그 밖의 다른 고점도 합성 윤활유가 사용될 수 있는 어떠한 적용예에서도 사용될 수 있다. 예를 들어 기유는 다른 제품을 제제화하는 데 사용되는 하나 이상의 증점제(thickener)를 대체하도록 사용될 수 있다. 상기 증점제의 예로는 폴리이소부틸렌, 고 분자 중량 복합 에스테르, 부틸 고무, 올레핀 공중합체, 스티렌-디엔 중합체, 폴리메타크릴레이트, 스티렌-에스테르, 및 초고점도 PAO가 있다. 증점제로서 사용될 수 있는 고 분자 중량 복합 에스테르의 예로는 Croda Internaltional PLC사의 상표등록된 제품, 가령, Priolube® 1847, 1851, 1929, 2040, 2046, 3952, 3955, 및 3986이 있다. 본 명세서에서 사용되는, "초고점도 PAO"는 100℃에서 약 150 내지 1,000 mm2/s 또는 그 이상의 동점도를 가진다.
상기 기유는 하나 이상의 첨가제와 블렌딩되어 완성된 윤활유(finished lubricant)를 만들 수 있다. 사용되는 첨가제는 완성 윤활유의 유형에 따라 달라질 것이다. 완성 윤활유를 제공하기 위해 기유와 블렌딩될 수 있는 첨가제는, 완성 윤활유의 선택 속성을 개선하기 위한 것을 포함한다. 전형적인 첨가제로는, 예를 들어, 유동점 강하제(pour point depressant), 마모방지 첨가제(anti-wear additive), EP제(EP agent), 세제(detergent), 분산제(dispersant), 항산화제(antioxidant), 점도 지수 향상제(viscosity index improver), 점도 조절제(viscosity modifier), 마찰 조절제(friction modifier), 해유화제(demulsifier), 소포제(antifoaming agent), 부식 억제제(corrosion inhibitor), 방청제(rust inhibitor), 씰 팽창제(seal swell agent), 유화제(emulsifier), 습윤제(wetting agent), 윤활성 향상제(lubricity improver), 금속 불활성화제(metal deactivator), 겔화제(gelling agent), 접착성 향상제(tackiness agent), 살세균제(bactericide), 살진균제(fungicide), 유체-손실 첨가제(fluid-loss additive), 착색제(colorant), 및 이와 유사한 것이 있다. 일부 구체예에서, 완성 윤활유 중 첨가제의 총량은 완성 윤활유의 대략 0.1 내지 약 30 중량 퍼센트이다. 완성 윤활유의 제제 시의 첨가제의 사용은 문헌에 잘 나타나 있으며, 당해 분야의 통상의 기술자에게 자명하다.
완성 윤활유의 예로는 다음의 것이 있다: 설탕 제분 윤활유(sugar milling lubricant), 기어유(gear oil), 변속기 유체(transmission fluid), 체인유(chain oil), 그리스(grease), 유압 유체(hydraulic fluid), 금속작업 유체(metalworking fluid), 알루미늄 압연유(aluminum rolling oil), 및 엔진유(engine oil)(가령, 2-행정 및 4-행정 엔진유). 기유는 종종 경계 윤활 상태(boundary lubrication condition)가 만연해 있는 높은 하중의 저속 기어에서, 가령 웜 기어(worm gear)에서 사용되는 기어유로 사용될 수 있다. 일 구체예에서, 기유는 하나 이상의 다른 기유와 블렌딩되어, 증가된 베어링 막 강도(bearing film strength), 감소된 스커핑 마모(scuffing wear), 감소된 오일 소모량 및 이들의 조합으로 구성된 군 중에서 선택된 개선된 속성을 갖는 기유 블렌드를 만들 수 있다. 증가된 베어링 막 강도를 측정하기 위한 한 가지 방법은 ASTM D2670 - 95(2010) 유체 윤활유의 마모 속성을 측정하기 위한 표준 시험법(팰릭스 핀과 비 블록법)[Standard Test Method for Measuring Wear Properties of Fluid Lubricants (Falex Pin and Vee Block Method)]이다. 감소된 스커핑 마모를 측정하기 위한 한 가지 방법은 ASTM D5182 - 97(2008) 오일의 스커핑 하중 용량을 평가하기 위한 표준 시험법(FZG 시각 방법)[Standard Test Method for Evaluating the Scuffing Load Capacity of Oils (FZG Visual Method)]이다. 감소된 오일 소모량을 측정하기 위한 한 가지 방법은 ASTM D6750 - 10a 고속, 단일 실린더 디젤 엔진에서의 엔진유의 평가에 대한 표준 시험법-1K 절차 (0.4 % 연료 황) 및 1N 절차 (0.04 % 연료 황)[Standard Test Methods for Evaluation of Engine Oils in a High-Speed, Single-Cylinder Diesel Engine-1K Procedure (0.4 % Fuel Sulfur) and 1N Procedure (0.04 % Fuel Sulfur)]이다.
또한 기유는 유화제(emulsifier)와 블렌딩되어, 혼합되는 완성 윤활유에 증점과 유화 속성 모두를 제공한다.
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실시예
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실시예
1:
프로필렌의 올리고머화를 생산하기 위한 조건 하에서, 정유소(refinery)로부터의 73 wt% 프로필렌과 27 wt% 프로판의 혼합물을 1-부틸피리디늄 헵타클로로알루미네이트 이온성 액체를 함유하는 오토클레이브(autoclave)로 도입하였다. 가스 혼합물의 압력의 감소가 없을 때까지 혼합물을 상기 오토클레이브에서 교반하였다. 올리고머화는 0(zero)℃에서 이뤄졌고 냉각에 의해 온도 상승이 제어됐다. 이온성 액체 내 프로필렌의 올리고머화로, 100℃에서 65 mm2/s의 동점도, 40℃에서 3100 mm2/s 초과의 동점도, -60℃ 미만의 운점, 및 +4℃의 유동점을 갖는 55-60 wt%의 중유를 생산했다. 상기 유동점은 저온에서의 오일 내 왁스 형성(wax formation)과 관련이 있지는 않았고, 오히려 그것의 매우 높은 동점도로 인한 것이었다. 중유는 40의 VI를 가졌다.
실시예
2:
프로필렌의 올리고머화를 생산하기 위한 조건 하에서, 정유소로부터의 77 wt% 프로필렌과 23 wt% 프로판의 혼합물을, 1-부틸피리디늄 헵타클로로알루미네이트이온성 액체와 약 10 mol%의 C10 및 C12 알파 올레핀(대략 20 wt%의 결합된 C10 및 C12 올레핀)을 함유하는 오토클레이브에 도입하였다. 가스 혼합물의 압력의 감소가 없을 때까지 혼합물은 상기 오토클레이브에서 교반되었다. 올리고머화는 0(zero)℃에서 이뤄졌고 냉각에 의해 온도 상승이 제어됐다. C10 및 C12 올레핀의 존재 하에 이온성 액체 내 프로필렌의 올리고머화가 410 내지 1360℉의 비등 범위를 갖는 중유를 도출했다. 이 중유는 수소처리(hydrotreat)되고 다음 두 가지 분획(fraction)으로 분획되었다: 61 wt% 수율에서 (900℉+) 900-1360℉, 및 49 wt% 수율에서 (900℉-) 410-900℉. 상기 900℉+ 유분은 100℃에서 42 mm2/s의 동점도, 40℃에서 1010 mm2/s의 동점도, 76의 VI, -60℃ 미만의 운점, 및 -14℃의 유동점을 가졌다. 상기 900℉- 유분은 100℃에서 4 mm2/s의 동점도, 40℃에서 22 mm2/s의 동점도, 75의 VI, -60℃ 미만의 운점, -56℃의 유동점을 가졌다. 프로필렌의 올리고머화 동안 더 긴 연쇄 알파 올레핀의 존재에 의해 VI는 상당히 개선되었다. 900℉+ 유분의 동점도는 여전히 300 mm2/s 이상의 40℃에서의 동점도를 유지했다.
실시예
3:
프로필렌의 올리고머화를 생산하기 위한 조건 하에서, 프로필렌, n-부탄, 및 19 wt% 도데켄(dodecene)의 혼합물을, 1-부틸피리디늄 헵타클로로알루미네이트 이온성 액체를 함유하는 고정층 접촉기 반응기(fixed bed contactor reactor)로 도입하였다. 상기 고정층 접촉기 반응기는 2010년 06월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 12/824,893에 기재되어 있다. 다음의 조건 하에서 올리고머화는 단일 단계로 이뤄졌다: 1 내지 1.5의 올레핀 LHSV(빈 접촉기 반응기를 바탕으로 계산됨), 약 500의 올레핀/HCl 몰비, 약 40-45℃의 온도, 및 90 wt% 초과의 올레핀 전환. 고정층 접촉기 반응기는 어떠한 교반도 필요로 하지 않았다. 고정층 접촉기는 어떠한 내부 열전달 표면도 갖지 않았고, 온도는 부탄의 증발에 의해 단열적으로(adiabatically) 제어되었다. 고정층 접촉기 반응기의 한 가지 이점은 이온성 액체의 흐름이 반응기 내 다른 반응물의 흐름에 독립적이라는 것이다. 이온성 액체 내 프로필렌 및 도데켄의 올리고머화가 24 mm2/s의 100℃에서의 동점도 및 87의 VI를 가진 중유를 생산했다. 상기 중유는 수소처리되었고 다음 세 가지 분획, 즉, 930℉ 이상에서 비등하는 65 wt%, 680 내지 930℉에서 비등하는 27 wt%, 및 680℉ 미만에서 비등하는 7 wt%로 분획되었다. 상기 930℉ 이상에서 비등하는 유분의 속성은 다음과 같았다: 57 mm2/s의 100℃에서의 동점도, 78의 VI, 적어도 1614 mm2/s의 40℃에서의 동점도, 및 -60℃ 미만의 운점. 반응기에 도데켄을 포함시킴으로써, 930℉ 이상에서 비등하는 유분의 VI는 적어도 15만큼 증가하였다.
실시예
4:
프로필렌의 올리고머화를 생산하기 위한 조건 하에서, 프로필렌, n-부탄, 및 19 wt% 1-옥텐의 혼합물을, 1-부틸피리디늄 헵타클로로알루미네이트 이온성 액체을 함유하며 실시예 3에 기재된 것과 동일한 고정층 접촉기 반응기로 도입하였다. 올리고머화는 다음의 조건 하에서 단일 단계로 이뤄졌다: 1 내지 1.5의 올레핀 LHSV(빈 접촉기 반응기를 바탕으로 계산됨), 약 500의 올레핀/HCl 몰비, 약 40-45℃의 온도, 및 90 wt% 초과의 올레핀 전환. 이온성 액체 내 프로필렌 및 1-옥텐의 올리고머화가 29 mm2/s의 100℃에서의 동점도 및 82의 VI를 갖는 중유를 생산했다. 상기 중유는 수소처리되었고, 다음 세 가지 분획, 즉, 930℉ 이상에서 비등하는 67 wt%, 680 내지 930℉에서 비등하는 27 wt%, 및 680℉ 미만에서 비등하는 6 wt%로 분획되었다. 930℉ 이상에서 비등하는 분획의 속성은 다음과 같았다: 69 mm2/s의 100℃에서의 동점도, 75의 VI, 및 적어도 2336의 40℃에서의 동점도.
실시예
5:
프로필렌의 올리고머화를 생산하기 위한 조건 하에서, 정유소로부터의 77 wt% 프로필렌 및 23 wt% 프로판의 혼합물을, 1-부틸피리디늄 헵타클로로알루미네이트 이온성 액체 및 약 15 mol%의 C10 알파 올레핀(대략 28 wt% 결합된 C10 및 C12 올레핀)을 함유하는 오토클레이브로 도입하였다. 가스 혼합물의 압력의 감소가 없을 때까지 혼합물은 상기 오토클레이브에서 교반되었다. 올리고머화는 0℃에서 이뤄졌고 냉각에 의해 온도 상승이 제어됐다. C10 및 C12 올레핀의 존재 하에서 이온성 액체 내 프로필렌의 올리고머화가 410 내지 1360℉의 비등 범위를 갖는 중유를 도출했다. 이 중유는 수소처리되었고 다음 두 가지 분획으로 분획되었다: 65 wt% 수율에서 (900℉+) 900-1360℉, 및 45 wt% 수율에서 (900℉-) 410-900℉. 상기 900℉+ 분획은 100℃에서 36 mm2/s의 동점도, 40℃에서 711 mm2/s의 동점도, 81의 VI, -60℃ 미만의 운점, 및 -16℃의 유동점을 가졌다. 상기 900℉- 분획은 100℃에서 4.5 mm2/s의 동점도, 40℃에서 25 mm2/s의 동점도, 80의 VI, -60℃ 미만의 운점, 및 -52℃의 유동점을 가졌다. 프로필렌의 올리고머화 동안 더 긴 연쇄 알파 올레핀의 존재에 의해, VI는 상당히 개선되었다. 900℉+ 분획의 동점도는 40℃에서 여전히 300 mm2/s 이상을 유지하였다.
실시예
6:
정유소로부터의 77 wt% 프로필렌 및 23 wt% 프로판의 혼합물을, 1-부틸피리디늄 헵타클로로알루미네이트 이온성 액체와 열분해(pyrolysis)에 의해 폐 플라스틱으로부터 유래된 대략 30 wt%의 알파 올레핀을 함유하는 오토클레이브로 도입하였다. 폐 플라스틱 알파 올레핀은 140-310℉의 비등 범위에 속하는 다양한 알파 올레핀(일반적으로, C5-C10 올레핀)과 3.4% 방향족 화합물(일반적으로, 나프탈렌 또는 그 유도체)로 구성되었다. 반응은 실시예 5에 기재된 바와 같이 이뤄졌다. 가스 혼합물의 압력의 감소가 없을 때까지(거의 완전한 프로필렌 소모를 나타냄), 혼합물을 상기 오토클레이브에서 교반하였다. 상기 올리고머화는 330-1360℉의 비등 범위의 올리고머를 생산했다. 올리고머화 생성물은 수소처리되었고, 다음 두 가지 분획으로 분획되었다: 49 wt% 수율에서의 900℉+ (482℃+), 및 51 wt% 수율에서의 (900℉-) 410-900℉. 상기 900℉+ 분획은 100℃에서 70.6 mm2/s의 동점도, 40℃에서 1608 mm2/s의 동점도, 90의 VI, -60℃ 미만의 운점, 및 -2℃의 유동점을 가졌다. 폐 플라스틱의 열분해(pyrolysis)에 의해 유래된 알파 올레핀의 존재에 의해, VI는 상당히 개선되었고, 900℉+ 분획의 동점도는 40℃에서 여전히 300 mm2/s를 초과하여 유지되었다.
본 명세서에서 "~를 포함하는"이라는 용어는 상기 용어 앞에서 식별된 요소나 단계를 포함하는 것을 의미하지만, 이러한 임의의 요소나 단계가 전부인 것은 아니며, 일 구체예가 그 밖의 다른 요소나 단계를 포함할 수 있다. 상세한 설명과 청구항의 목적을 위해, 다르게 언급되지 않는 한, 수량, 퍼센트, 또는 비율을 표현하는 모든 숫자, 및 본 상세한 설명 및 청구항에서 사용된 그 밖의 다른 수치 값은 모든 경우에서, 용어 "약"에 의해 변형되는 것으로 이해되어야 한다. 덧붙이자면, 본원에 개시된 모든 범위는 종단점을 포함하고 독립적으로 조합될 수 있다. 하한과 상한을 갖는 수치 범위가 개시될 때면, 상기 범위 내에 속하는 임의의 숫자도 역시 특정하게 개시된 것이다.
정의되지 않은 임의의 용어, 약자, 또는 줄임말은 출원 시점에서 당해분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 일반적인 의미로 이해된다. 하나의 경우로 명시적이고 구체적으로 한정되지 않는 한, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 복수 참조를 포함한다.
본 명세서에서 인용된 간행물, 특허 및 특허 출원은 그 전체가, 개별 간행물, 특허 출원 또는 특허 각각의 개시내용이 그 전체의 참조로서 포함된다고 구체적이며 개별적으로 언급된 것과 동일한 범위로, 참조로서 본원에 포함된다.
이 기재는 최적 모드를 포함하여 본 발명을 개시하고, 당해 분야의 통상의 기술자가 본 발명을 만들고 사용할 수 있도록 하기 위해 실시예들을 사용한다. 당해 분야의 통상의 기술자라면 앞서 개시된 본 발명의 예시적 구체예의 많은 변형을 쉽게 이해할 것이다. 따라서 본 발명은 이하의 청구항의 범위 내에 속하는 모든 구조 및 방법을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 다르게 특정되지 않는 한, 하나의 속의 요소, 물질 또는 개별 구성요소 또는 구성요소 혼합물이 선택될 수 있는 그 밖의 다른 구성요소의 언급은, 나열된 구성요소 및 이의 혼합물의 모든 가능한 하위 조합을 포함하는 것으로 의도된다.
Claims (24)
- 이온성 액체 촉매의 존재 하에 에틸렌 또는 프로필렌 중 하나 이상을 올리고머화하여, 1100 mm2/s를 초과하는 40℃에서의 동점도를 갖는 기유(base oil)를 생산하는 단계를 포함하는 기유의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기유는 50 mm2/s 이상의 100℃에서의 동점도를 갖는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기유는 39를 초과하는 점도 지수(VI)를 갖는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 올리고머화는 단일 단계로 완료되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 40℃에서의 동점도는 1200 mm2/s 이상인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제5항에 있어서, 상기 40℃에서의 동점도는 1500 mm2/s를 초과하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기유는 -20℃ 미만의 운점을 갖는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제7항에 있어서, 상기 운점은 -40℃ 미만인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제8항에 있어서, 상기 운점은 -50℃ 미만인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기유는 482℃+ (900℉+) 내지 815.6℃- (1500℉-)의 비등 범위를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기유는 735℃ (1355℉)를 초과하는 비등점의 상한을 갖는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 이온성 액체 촉매는 RR'R"NH+ Al2Cl7 -의 일반식을 가지며, 여기서, N은 질소 함유 기이며, RR' 및 R"은 1 내지 12개의 탄소를 함유하는 알킬 기이고, RR'과 R"은 서로 동일하거나 동일하지 않을 수 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 올리고머화는 고정층 접촉기 반응기(fixed bed contactor reactor)에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 올리고머화는 정적 믹서 루프 반응기(static mixer loop reactor)에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 올레핀은 1-부텐을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 482℃+ (900℉+)에서 비등하는 생성물의 wt% 수율은 올리고머화 단계로부터의 생성물의 총 수율의 적어도 50 wt%인 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 올리고머화는 하나 이상의 C6+ 알파 올레핀의 존재 하에 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제17항에 있어서, 상기 하나 이상의 C6+ 알파 올레핀은 폐 플라스틱의 열분해(pyrolysis)로부터 유래되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기유는 하나 이상의 다른 기유와 블렌딩되어, 증가된 베어링 막 강도(bearing film strength), 감소된 스커핑 마모(scuffing wear), 감소된 오일 소모량 및 이들의 조합으로 구성된 군 중에서 선택된 개선된 속성을 갖는 기유 블렌드를 만들 수 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 기유는 하나 이상의 첨가제와 블렌딩되어 완성 윤활유(finished lubricant)를 만들 수 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 이온성 액체 촉매의 존재 하에 에틸렌 또는 프로필렌 중 하나 이상을 올리고머화하여, 300 mm2/s 이상의 40℃에서의 동점도 및 -20℃ 미만의 운점을 갖는 기유를 생산하는 단계를 포함하되, 여기서, 482℃+ (900℉+)에서 비등하는 생성물의 wt% 수율은 올리고머화 단계로부터의 생성물의 총 수율의 적어도 65 wt%인 것을 특징으로 하는 기유의 제조방법.
- 제21항에 있어서, 상기 올리고머화는 고정층 접촉기 반응기에서 실시되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제21항에 있어서, 상기 올리고머화는 정적 믹서 루프 반응기에서 실시되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 1100 mm2/s 초과의 40℃에서의 동점도와 -20℃ 미만의 운점을 갖는 기유를 생산하기 위해, 이온성 액체 촉매의 존재 하에 82℃ (180℉) 미만의 비등점을 갖는 하나 이상의 올레핀을 올리고머화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기유의 제조방법.
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