Результат интеллектуальной деятельности: Способ олигомеризации пентена

Предлагаемое изобретение относится к области нефтехимического синтеза, а именно к способу получения олигомеров пент-1-ена.

Олигомеры амиленов - продукты с высокой добавленной стоимостью, которые после гидрирования используются в качестве компонентов бензинового (димеры) либо дизельного топлива (гримеры и более высокомолекулярные) [Cruz V.J., Izquierdo J.F., Cunill F., Tejero J., Iborra M., Fite' С. React. Funct. Polym. 2005. V. 65. P. 149], присадок [Kulkarni A., Kumar A., Goldman A.S., Celik F.E. Catalysis Communications. 2016. V. 75. P. 98-102] или растворителей [US Pat. 4,335,009, 1982]. Кроме того, димеры амиленов - изодецены - являются промежуточными продуктами в производстве эпоксидов, аминов, алкилированных ароматических соединений и синтетических жирных кислот [Ceska J., Zilkova N., Nachtigall P. Industrial Studies in Surface Science and Catalysis. 2005. V. 158. P. 1201-1212].

Разветвленные димеры изоамиленов находят применение в парфюмерной и пищевой промышленности [US Pat. 4,374,053, 1983; US Pat. 4,391,999, 1983].

Один из первых промышленных способов получения олигомеров низших олефинов С₃-С₅ фирмы UOP«Catalytic Condensation process» основан на применении силикафосфатных катализаторов (SPA- фосфорная кислота, нанесенная на природный или синтетический диоксид кремния). Катализатор характеризуется серьезными недостатками: короткий срок службы, коррозия оборудования, сложности при удалении катализатора из реактора и его утилизации [Ipatieff V.N. Industrial and Engineering Chemistry. 1935. V. 27. №9. P. 1067-1069.] Кроме того, в случае наличия в исходной углеводородной смеси трет-алкенов (изобутена, изопентенов и т.п.), последние в условиях, необходимых для димеризации нетретичных алкенов, превращаются преимущественно не в димеры, а в олигомеры и полимеры.

Известно об использовании в качестве катализаторов данной реакции модифицированных оксидов алюминия (5%NН₄F/Аl₂О₃) [Ferrer D.I. Universidad Nacional Autonoma de Mexico: Maestro eningenieria. 2009], катионных ионообменных смол Amberlyst, Pyrolite, Nafion [Shah N.F., Sharma M.M. Reactive Polymers. 1993. V. 19. P. 181-190; Valkai I., Chemical Engineering Transaction. 2012. V. 29. P. 985-990; Valkai I., Topics in Catalysis. 2013. V. 56. P. 831-838; Tomasek S., Journal of Cleaner Production. 2016. V. 136, Part B. P. 81-88; Granollers M., Izquierdo J.F., Cunill F. Appl. Catal. A: General. 2012. V. 435-436. P. 163-171; Cruz V.J., Izquierdo J.F., Cunill F., Tejero J., Iborra M., Fite' C. React. Funct. Polym. 2005. V. 65, I. 1-2 P. 149-160; Cruz V.J., Cunill F., Izquierdo J.F., Tejero J., Iborra M., Journal of Catalysis. 2007. V. 67. P. 210-224; Di Girolamo M., Marchionna M. Journal Of Molecular Catalysis A Chemical. 2001. V. 177. P. 33-40; Granollers M., Izquierdo J.F., Cunill F. Applied Catalysis A: General. 2012. V. 435-436. P. 163-171; Патент РФ №2137808. 1999].

Недостатками использования ионообменных смол являются: 1) температурные ограничения их использования; 2) дезактивация при повышении температуры и необратимая деактивация при повышенных температурах, и, как следствие, невозможность реактивации; 3) быстрая дезактивация из-за наличия примесей в реакционной массе (например, NaOH); 4) частое использование в качестве растворителя метилового или этилового спирта, что приводит к добавлению стадии отделения растворителя; 5) высокое давление и низкая скорость подачи сырья; 6) необходимость добавления стадии гидрирования в случае наличия в сырье диенов (бутадиена), для того, чтобы избежать дезактивации. [Antunes В.М., Rodrigues А.Е., Lin Z., Portugal I., Silva C.M. Fuel Processing Technology. 2015. V. 138 P. 86-99].

Среди различных гетерогенных катализаторов олигомеризации пент-1-ена известно применение смектитовых глин, а именно столбчатого монтмориллонита (АРМ) и сапонита (APS), отличающихся кислотными свойствами и структурными характеристиками [Casagrande М., Storaro L., Lenarda М., Rossini S. Catalysis Communications V. 6. 2005. P. 568-572]. Продуктами олигомеризации пент-1-ена в изопентане в присутствии вышеописанных глин являются следующие фракции: С₁-С₉ (9,4-37,7%), С₁₀ (44,5-71,7%) и С₁₁-С₂₀ (10,8-47,2%). Суммарная селективность образования дизельной фракции С₁₀-С₂₀ достигает 62,3-94,2%. Конверсия не превышает 34-63% (Р=4,9 МПа, Т=200-250°С, WHSV=2-3 ч^-1). Наиболее активный и селективный образец АРМ не восстанавливает свои свойства после регенерации, а образец APS более стабилен, но характеризуются меньшей селективностью по олигомерам С₁₀-С₂₀.

Недостатками данного метода является низкая конверсия и стабильность работы приведенных образцов катализаторов. Высокие выходы дизельной фракции достигаются лишь при проведении процесса в условиях высокого давления (4,9 МПа) и низких объемных скоростей (2 ч^-1).

Разработаны катализаторы олигомеризации низших олефинов (преимущественно С₃-С₄) на основе цеолита ZSM-5. Для получения качественного дизельного топлива необходимо проводить процесс в реакторах периодического действия со стационарным слоем катализатора при невысоких температурах (200-300°С) и высоком давлении (3-10 МПа) (процесс MOGD фирмы Mobil Oil). [US Pat. №4504693, 1983; Guann R.J., Green L.A., Tabak S.A., Krambeck F.J. // Ind. Eng. Chem. Res. 1988, V. 27, P.565-570; Tabak S.A., Krambeck F.J, Garwood W.E. AIChEJ. 1986. V. №9. P. 1526-1531].

Недостатки описанных методов: высокое давление реакции, большое количество побочных продуктов реакции.

В работах [Kulkarni A., Kumar A., Goldman A.S., Celik F.E. Catalysis Communications. 2016. V. 75. P. 98-102; Kulkarni A. Graduate School-New Brunswick Rutgers, The State University of New Jersey. 2015] исследованы превращения пент-1-ена в присутствии цеолитов различного структурного типа: MFI (Si/Al=15), BEA (Si/Al=12,5), MOR (Si/Al=10), FER (Si/Al=10), FAU (Si/Al=2.6 и 6) в Н-форме. Получены следующие результаты: селективность образования димеров пентенов достигает 40% на MFI, 15% на MOR, 20% на ВЕА, 74% на FER, 59% на FAU (Si/Al=6) при 40% конверсии мономера. Остальными продуктами реакции являются продукты крекинга изомеров пентенов. Реакцию проводят в автоклавах в атмосфере аргона при постоянном перемешивании. Концентрация исходного пент-1-ена составляет 300 ммоль в до декане, температура реакции 200°С, массу катализатора варьируют от 7,86 мг (для образцов с Si/Al=10) до 11,43 мг (для образцов с Si/Al=15), время реакции от 1 до 6 ч.

Недостатками способа являются: высокая крекирующая активность данных образцов катализаторов, низкий выход олигомеров.

Жидкофазную олигомеризацию пентена, согласно методу, приведенному авторами [Diaz-Rey M.R., Paris С., Martinez-Franco R., Moliner M., Martinez С., Corma A. ACS Catal. 2017. V. 7. P. 6170-6178.], проводят в присутствии наноразмерных образцов цеолита Beta (Si/Al=15 и 30), приготовленных в щелочной среде (Beta-15-OH, Beta-30-OH) и фтористоводородной (Beta-15-F, Beta-30-F). Реакционные условия: проточный реактор, 200°С, 4 МПа, скорость подачи сырья 2,8-9,1 г*ч*моль^-1. Измельченные гранулы цеолита Beta (фракция 0,25-0,42 мм) смешивают с фракцией SiC (0,64-0,82 мм). Пент-1-ен растворяют в н-гептане в мольном соотношении 60:40.

Отмечено, что наиболее стабильным и активным катализатором является цеолит Beta - 15-ОН. Конверсия пентена составляет 85-95%. Селективность образования фракций составляет: углеводороды с температурой кипения до 173.9°С - 42% для Beta-15-ОН и 48% для Beta-15-F; средний дистиллят (173.9-391.1°С) - 56% для Beta-15-OH и 52% для Beta-15-F, высококипящая фракция (391.1-1000°С) - 1-2% на обоих катализаторах.

Авторами [Margarit V.J., Diaz-Rey M.R., Navarro М.Т., Martinez С., Corma A. Angew. Chem. 2018. V. 57. P. 3459-3463] реализована олигомеризация пентена в растворе гептана, в присутствии наноразмерных цеолитов структурного типа FER (Si/Al=15), приготовленных при 150°С (N-FER (15)-150) и 120°С (N-FER (15)-120). Реакционные условия: проточный реактор, 200°С, 4 МПа, скорость подачи сырья 8 ч^-1. Лучшие результаты в олигомеризации пентена были получены на образце N-FER (15)-120: конверсия пентена была равна 90%, селективность образования "легких" углеводородов (до 173.9°С) ~ 47%, среднего дистиллята (173.9-391.1°С) ~ 52%, высококипящей фракции (391.1-1000°С) ~ 1%.

Недостатком является сложный и длительный синтез катализаторов с использованием дорогостоящих органических веществ, ограничивающих рост кристаллов; сложное отделение наноразмерных цеолитов от реакционной массы; высокая температура и давление реакции, использование растворителя.

В работе [Bertrand-Drira С., Cheng X.-W., Cacciaguerra Т., Trens P., Melinte G., Ersen O., Minoux D., Finiels A., Fajula F., Gerardin С. Microporous Mesoporous Mater. 2015. V. 213. P. 142-149] описана олигомеризация пент-1-ена в присутствии образцов мезопористого цеолита MOR, синтезированных путем десилилирования образца H-MOR (Si/Al=48) растворами 0,2-0,4М NaOH в течение 30 мин при 80°С. Пент-1-ен подавали в трубчатый реактор в виде раствора в гептане (50/50) при 180°С, давлении 5 МПа, с объемной скоростью 1 ч^-1 (1). Конверсия мономера превышала 95%, при этом селективность по димерам С₁₀=10%, по тримерам C₁₅=29%, по олигомерам С₂₀-С₃₀=61%.

Недостатками метода является использование деструктивного способа получения мезопористого катализатора, приводящего к значительной аморфизации цеолита, высокое давление, использование растворителя. К недостаткам способа можно отнести и состав образующихся олигомеров, которые могут использоваться только в качестве компонентов дизельного топлива.

A. Corma и сотрудники [Corma A., Martinez С., Doskocil Е.J. Catal. 2013. V. 300. Р. 183-196] разработали метод олигомеризации пент-1-ена на мезопористых цеолитах ZSM-5 в Н-форме, полученных постсинтетической щелочной обработкой. Показано, что при олигомеризации пент-1-ена в растворе гептана (60:40) в проточном реакторе при 200°С, 4 МПа, 0,17 ч^-1, в присутствии цеолита MFI с Si/Al=15 конверсия мономера достигает 95-99%, селективность образования олигомеров составляет: "легкие" углеводороды (до 173.9°С) - 45-55%, средний дистиллят (173.9-391.1°С) - 45-55%.

Недостатками данного метода являются высокая температура и давление реакции, использование растворителя затруднит выделение продуктов реакции.

В работе [Schmidt R., Welch М.В., Randolph В.В. Energy and Fuels. 2008. V. 22. P. 1148-1155] изучали олигомеризацию различных видов сырья: пентена и метилбутена, разбавленных пентаном, фракции олефинов С₅ с установки крекинга в присутствии цеолитных катализаторов MOR, MFI, ВЕА в Ft-форме. Скорость подачи сырья варьировали от 1,4 до 2,2 ч^-1. Температуру реакции изменяли от 75-125°С. Показано, что при олигомеризации смеси олефинов в присутствии кислотных цеолитных катализаторов следующих структурных типов: ВЕА (SiO₂/Al₂O₃=25), MFI (SiO₂/Al₂O₃=50 и 90), MOR (SiO₂/Al₂O₃=14, 40, 90 и 130), в качестве связующего в которых использовали бентонит, конверсия в расчете на пент-1-ен изменялась от 7 до 55% в зависимости от типа цеолита и выбранных условий процесса. Селективность по продуктам составляла: С₉ - 1-3%, С₁₀ - 80-86%, C₁₂₊ - 18-39%. Катализатор MOR (SiO₂/Al₂O₃=90) работал стабильно при постоянной температуре в течение 600 часов.

В работе [Catani R., Mandreoli М., Rossini S., Vaccari A. Catal Today. 2002. V. 75. P. 125-131] исследована олигомеризации олефинов C₂, C₄, и C₅ в присутствии кремнеземного мезопористого материала МСМ-41 и катализаторов на его основе - (0,3-2% Ni, 0,3-2% Rh или 0,3-2% Pt)- МСМ-41. Реакцию проводили в проточном микрореакторе со стационарным слоем катализатора. В реактор подавали смесь олефина и алкана (пент-1-ена:изо-пентана - 30:70, бут-1-ен:н-бутан - 88:12, бут-1-ен и бут-2-ен:изо-бутан - 80:20, этилен: N₂ - 30:70). Из приведенных результатов по олигомеризации бутена следует, что алюмосиликат МСМ-41 обладает высокой активностью в олигомеризации: конверсия составляет 85-99%. Показано, что реакция протекает с высокой селективностью (до 75%) по дизельной фракции для С₄-С₅ олефинов при температурах 140-180°С, давлении 1,5-5.0 МПа и объемной скорости подачи сырья 5.3-10.6 ч^-1. Наличие Pt и Rh оказало незначительное влияние на каталитическую активность в олигомеризации олефинов С4 и С5, однако, введение Ni приводило к падению активности катализатора и увеличению селективности образования димеров: конверсия мономера на МСМ-41 с 3% Ni - 20%, селективность по димерам - 80%.

Недостатками данного метода является многостадийный метод синтеза мезопористого мезоструктурированного материала МСМ-41, требующий использования дорогостоящих темплатов, модифицирование его малодоступными (Rh) или драгоценными металлами (Pt).

В [Патент РФ №2697885, 2019] олигомеризацию пент-1-ена осуществляют в присутствии аморфного мезопористого алюмосиликата ASM (Si/Al=40). Содержание катализатора составляет 5-30% мас. в расчете на мономер. Реакцию проводят при 110- 200°С в течение 5-15 ч. Конверсия пентена 98-100%, селективность образования димеров пентена (С₁₀) - 30-63%, тримеров (С₁₅) - 16-41% и тетрамеров пентена (С₂₀), - 2-29%, изомеров пентена - 0-24%.

Задачей настоящего изобретения является разработка эффективного способа получения олигомеров пент-1-ена, позволяющего получать олигомеры с высоким выходом в более мягких условиях.

Решение этой задачи достигается тем, что способ получения олигомеров пент-1-ена осуществляют в присутствии аморфного мезопористого алюмосиликата NiASM-10 (мольное соотношение Si/Al=10, содержание Ni - 1% масс.). Содержание катализатора составляет 10-30% мас. в расчете на мономер. Реакцию проводят в автоклаве при 60-180°С в течение 1-5 ч. Конверсия пентена 99-100%, селективность образования димеров пентена (С₁₀) - 34-62%, тримеров (С₁₅) - 15-36% и олигомеров С₂₀₊- 3-28%, продуктов крекинга и олигомеров продуктов крекинга (С₆-С₉, С₁₁ -С₁₄) - 1-13, изомеров пентена - 1-19%.

Сравнительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от прототипа тем, что в процессе синтеза олигомеров пент-1-ена реакцией олигомеризации используют аморфный мезопористый алюмосиликат NiASM-10 с мольным соотношением Si/Al=10, содержание Ni - 1,0% масс. Синтез олигомеров осуществляют в автоклаве при 60-180°С.

Мезопористый алюмосиликат ASM синтезируют по методике, приведенной в [Аглиуллин М.Р., Григорьева Н.Г., Данилова ИТ., Магаев О.В., Водянкина О.В. //Кинетика и катализ. 2015. Т. 56. №4. С. 507; Agliullin M.R., Danilova I.G., Faizullin A.V., Amarantov S.V., Bubennov S.V., Prosochkina T.R., Grigor'eva N.G., Paukshtis E.A., Kutepov B.I. Microporous and Mesoporous Materials. 2016. V. 230. P.118-127]. Синтезированные образцы ASM с мольным соотношением Si/Al=10 характеризуются узким распределением мезопор по размеру от 2 до 5 нм, объем мезопор составляет 0,70-0,98 см³/г, удельная поверхность 560-713 м²/г. Общая концентрация кислотных центров по ТПД аммиака - 216-402 мкммоль/г. Образцы NiASM-10 (содержание никеля 1,0% масс.) получают методом пропитки раствором Ni(NO₃)₂ исходных аморфных мезопористых алюмосиликатов ASM при 95°С с последующей промывкой образцов дистиллированной водой, сушкой при комнатной температуре и прокалкой при 550°С.

Существенными преимуществами мезопористого алюмосиликата ASM перед другими мезопористыми мезофазными материалами являются простота синтеза, дешевизна и доступность реагентов.

Благодаря присутствию мезопор в катализаторе облегчен доступ реагирующих молекул к активным центрам алюмосиликата и транспорт продуктов реакции из катализатора в объем реакционной массы. Промотирование мезопористого алюмосиликата ASM никелем приводит к повышению активности катализатора, изменению состава олигомеров в сторону более высокомолекулярных (три-, тетра-, пента- и гексамеры), позволяет проводить реакцию при более низких температурах.

Использование предлагаемого способа позволяет снизить энерго- и материалоемкость процесса олигомеризации пентена, поскольку:

1. Синтез олигомеров пентена проходит при более низкой температуре (60-180°С), чем в известных способах (150-300°С);

2. Олигомеризацию проводят в отсутствие растворителя.

3. Для синтеза мезопористого алюмосиликата используются дешевые и доступные реагенты.

4. Предлагаемый способ позволяет синтезировать олигомеры пент-1-ена со степенью олигомеризации n=2-6 с высоким выходом (до 100%). Содержание изомеров пентена незначительное. Широкое молекулярно-массовое распределение олигомеров - ди-, три-, тетрамеры и более высокомолекулярные олигомеры - позволяет использовать олигомеры после гидрирования и разделения на фракции в качестве компонентов бензинов, дизельного топлива и масел. Содержание олигомеров можно варьировать, изменяя условия реакции.

Предлагаемый способ олигомеризации пент-1-ена осуществляют следующим образом.

В качестве катализатора используют аморфный мезопористый алюмосиликат NiASM-10 с мольным соотношением Si/Al=10.

Олигомеризацию пент-1-ена проводят в металлическом автоклаве, куда загружают пент-1-ен и катализатор. Автоклав непрерывно вращается в термостатируемой печи при заданной температуре в течение 1-5 ч. Количество катализатора составляет 10-30% мас. в расчете на пент-1-ен. После окончания реакции автоклав охлаждают жидким азотом и открывают. Реакционную массу фильтруют и анализируют.

Количественный анализ реакционной массы осуществляют методами газовой, газожидкостной и жидкостной хроматографии. Условия анализа пентенов: хроматограф "Кристаллюкс-4000М с детектором по теплопроводности, металлическая насадочная колонка длиной 6 м с фазой дибутилфталат (20%) на диатомитовой глине, температура анализа 30-100°С с программированным нагревом 2°С/мин. Условия анализа олигомеризата: хроматограф HRGS 5300 Mega Series «Carlo Erba» с пламенно-ионизационным детектором, стеклянная капиллярная колонка длиной 25 м, температура анализа 50-280°С. Состав олигомеров определяют методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на приборе LC-20 Prominence (Shimadzu). Условия анализа: полистирольная колонка Plgel скорость подачи толуола 0,8 мл/мин, рефрактометрический детектор.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

ПРИМЕР 1.

Для синтеза ASM с Si/Al=10 14 г тетраэтилортосиликата и 1,3 г нитрата алюминия добавляют к 12 мл воды и 28 мл этанола. Исходный раствор с рН ~ 3 выдерживают в термостате при 58-60°С в течение 20 ч до точки гелеобразования. Затем добавляют 6,3 г спиртового раствора аммиака (25%) до достижения рН=10 с последующим выдерживанием полученной смеси при 25°С в течение 24 ч. Далее все приготовленные образцы подвергают термообработке при 550°С в течение 5-6 ч. Синтезированные алюмосиликаты дробят до порошков фракционного состава <100 мкм.

В металлический автоклав загружают 1,5 мл (0,014 моль) пент-1-ена и 0,192 г аморфного мезопористого алюмосиликата NiASM-10 (20% мас. на олефин). Автоклав герметично закрывают и помещают в термостатируемый шкаф. Реакцию проводят при 60°С в течение 1 ч при непрерывном вращении автоклава. После окончания синтеза реакционную массу, представляющую собой прозрачную, бесцветную жидкость, отделяют от катализатора фильтрованием при охлаждении и анализируют методами ГЖХ и ВЭЖХ. Состав продуктов реакции (% мас.): димеры пентена (С₁₀) - 62%; тримеры (С₁₅) - 15%; олигомеров n≥4 (С₂₀₊) - 3%, продуктов крекинга и олигомеров продуктов крекинга (С₆-С₉, С₁₁-С₁₄) - 1%; изомеры пентена - 19%. Конверсия пент-1-ена - 100%.

ПРИМЕРЫ 2-8. Аналогично примеру 1. Результаты приведены в таблице.

Для сравнения в таблице приведены результаты олигомеризации пент-1-ена в присутствии ASM [Патент РФ №2697885, 2019]. Видно, что заявленный способ позволяет получать олигомеры пентена с более высоким выходом и широким молекулярно-массовым распределением.

1. Патент РФ №2697885,2019