CN115867379B - 生产聚-α-烯烃的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于生产聚‑α‑烯烃(PAO)的方法,包括在催化剂复合物的存在下使烯烃单体反应以形成PAO产物。反应在包含反应器容器和用于再循环和冷却部分反应器出口流的系统的反应中进行。至少一个反应器是锥形反应器,在容器的上部具有第一横截面积,并且横截面积向下缩减至小于第一横截面积的第二横截面积。本发明还涉及用于进行该方法的装置。
Description
技术领域
本发明涉及用于从α-烯烃单体生产聚-α-烯烃(或聚-alpha-烯烃;PAO)的方法和装置。更具体地,本发明涉及在具有至少一个具有横截面积的反应器容器的反应器系统中生产PAO的方法,该横截面积向下缩减至更小的横截面积。
因此,本发明提供了一种用于生产PAO的简单有效的方法和装置,该方法和装置具有高产率并有效利用原料和催化剂材料。所公开的方法还提供了具有优化的产物分布和组成的PAO产物。
背景技术
已知α-烯烃的低聚反应会形成可用于合成润滑剂生产中的各级别组分。生产方法通常包括使用催化剂或催化剂复合物进行的α-烯烃单体的低聚、催化剂或催化剂复合物从反应产物中的去除、以及低聚产物的各种反应后处理。低聚产物通常称为聚-α-烯烃(PAO),并且可以基于所测量的产物粘度(以cSt计)进行分类。例如,各种PAO产物的粘度可以是2、4、6或8cSt。
在α-烯烃的低聚中会形成二聚体、三聚体、四聚体、五聚体等。与较轻的产物相比,较重的产物(即,在低聚物中具有较高数量的结合单体),天然地具有较高的粘度。PAO产物用于多种应用,并且根据用途而对PAO产物具有各种粘度和其他性能的要求。不同的低聚物还可以组合以形成具有所需性能的产物。
出版物US4,434,309描述了低分子量α-烯烃生产合成润滑剂基础油(base stock)的低聚。低聚在催化剂存在下进行,该催化剂可以是三氟化硼和质子促进剂(protonicpromoter)。
该生产工艺的一个关键方面是从低聚产物中分离催化剂或催化剂复合物。出版物EP 493 024描述了典型的PAO生产方法,并且在减压下通过蒸馏从低聚产物中分离含三氟化硼(BF3)和丁醇的催化剂复合物。
PAO生产工艺中的关键挑战至少涉及反应的温度控制、催化剂与单体混合物的有效混合(以形成确保有效反应的均匀混合物)、以及停留时间的控制(以确保最佳产物分布)。低聚是放热反应,并且需要控制用于反应和产物控制以及单体利用率的生产条件集合(组,set)。本发明提供了对这些挑战的解决方案。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种方法和一种用于实施该方法的装置以解决上述问题。本发明的目的通过特征在于独立权利要求中所述的方法和装置实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
因此,本发明提供了一种用于生产聚-α-烯烃(PAO)的方法,该方法包括以下步骤:
a)提供包含至少一个反应器的反应器系统,该至少一个反应器具有反应器容器和用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统,
b)至少将α-烯烃单体、再循环反应器出口流、催化剂和助催化剂引入到反应器系统的至少一个反应器容器中,其中助催化剂与催化剂一起形成催化剂复合物,
c)在反应器容器中使α-烯烃单体反应形成聚-α-烯烃(PAO)产物的混合物,
d)从反应器容器中排出包含未反应单体、PAO产物的混合物和催化剂复合物的出口流,
e)将出口流分流成第一流和产物流,第一流被冷却并且作为再循环反应器出口流引回到反应器容器中,其中,
反应器系统中的至少一个反应器是锥形反应器,在锥形反应器中反应器容器在容器的上部具有第一横截面积,并且该横截面积向下缩减至小于第一横截面积的第二横截面积。
本发明还提供一种用于进行根据本发明的方法的装置,其中该装置包括包含至少一个反应器的反应器系统,该至少一个反应器具有反应器容器和用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统,用于至少将α-烯烃单体、再循环反应器出口流、催化剂和助催化剂引入到至少一个反应器容器的装置,以及用于从反应器容器中排出出口流的出口,其中,
至少一个反应器容器是锥形反应器,该锥形反应器在容器的上部具有第一横截面积,并且该横截面积向下缩减至小于第一横截面积的第二横截面积。
附图说明
在下文中,将参考附图通过优选的实施方式更详细地描述本发明,其中:
图1是根据本发明的PAO方法的示意性工艺描述(图1A)和根据本发明的反应器的示意性工艺描述(图1B),以及
图2显示了本发明中使用的反应容器2A和用于比较的圆柱形反应容器2B的细节。
图3显示了本发明中使用的各种反应器形状3A和3B和用于比较的圆柱形反应容器3C的细节。
图4显示了在不同容量下锥形反应器相对于管状反应器的试剂液位。
具体实施方式
本发明涉及生产聚-α-烯烃(PAO)的方法,该聚-α-烯烃(PAO)是α-烯烃的低聚产物。本文中术语“α-烯烃”意欲表示与alpha-烯烃相同,并且是1-烯烃,即在伯碳中具有双键,也称为α碳。α-烯烃的碳链优选是直链,即正烯烃。如果没有专门提到α-烯烃是支链的,则应认为是直链α-烯烃。在本发明的一个实施方式中,α-烯烃单体是C4-C20α-烯烃,优选地C8-C12α-烯烃,并且更优选地C10α-烯烃(1-癸烯)。应注意的是,即使低聚反应的原料主要包含例如C10-α-烯烃(1-癸烯),但是原料也不完全是纯1-癸烯,并且总是含有各种量的其他烯烃。其他烯烃也将在低聚反应中发生反应。因此,在低聚反应中形成的PAO产物始终是一种包含具有不同低聚度(二聚体、三聚体、四聚体等)的产物和来自除了原料的主要所选α-烯烃之外的其他烯烃单体的低聚物的混合物。
α-烯烃单体的低聚反应的产物称为聚-α-烯烃(PAO)。不同低聚产物可以基于低聚物(即二聚体、三聚体、四聚体等)中的单体单元数量进行表征。低聚产物也可以基于产物的粘度值(以cSt表示)进行表征。轻PAO产物的典型粘度包括但不限于在100℃的2、4、6、8等的运动粘度(以cSt计)。
多数情况下具有一定运动粘度(如4cSt或6cSt)的PAO产物是各种低聚物的混合物。这是因为包含单体的原料不是完全纯的,并且总是含有各种α-烯烃的混合物,而且因为总是形成各种低聚物。然而,获得纯产物(即仅含有一种低聚物的产物)并非必要,因为重要的是产物的性能,而非化学结构。具有特定性能如运动粘度的产物才是所需的。因此,产物通常需要进行分馏才能获得具有所需性能的产物。低聚反应总是提供低聚物的混合物,并且通常通过分馏PAO反应混合物形成最终的PAO产物,以获得具有所需性能如粘度和挥发度的产物。
低聚反应需要使用催化剂或催化剂复合物。通常使用包含催化剂和助催化剂的催化剂复合物进行低聚。本文中术语“催化剂复合物”用于表示催化剂和助催化剂(也可以称为质子促进剂)的组合。催化剂复合物可以是物理混合物,或催化剂和助催化剂可以彼此键合,或它可以是两者的组合。在本发明的一个实施方式中,用于α-烯烃低聚的催化剂是卤化铝或卤化硼,三氟化硼(BF3)是优选的催化剂。根据一个实施方式,助催化剂选自C1-C10醇,优选地C1-C5醇,并且最优选地正丁醇。
本发明的性能和优点不依赖于在低聚中使用的所选α-烯烃或催化剂复合物。然而,在本发明的一个优选的实施方式中,单体是直链1-癸烯,并且催化剂复合物由BF3作为催化剂而正丁醇作为助催化剂形成。
根据本发明的方法涉及提供一种反应器系统,该反应器系统包括至少一个反应器,该反应器具有反应器容器和用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统。本文中术语“反应器系统”用于表示发生低聚反应的一个或多个反应器的系统。本文中术语“反应器”或“PAO反应器”用于表示反应器系统中的单个反应器。该反应器包含反应器容器和用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统。术语“反应器容器”用于表示主要发生低聚反应的容器。如本文所示,反应器还包括用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统。
反应器容器出口流从反应器容器中排出,分流成两个分离流。从总出口流中分流出的出口流中的一个被引入用于再循环和冷却该流的系统。进行该流的冷却是为了控制反应混合物的温度。低聚反应是放热反应,因此如果不控制,反应混合物的温度会随着时间而升高。冷却的流重新引入反应容器中进行进一步反应。
根据本发明,低聚反应在反应器系统中进行,该反应器系统包括至少一个反应器和用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统,其中反应器包含反应器容器。根据本发明,反应器系统中的至少一个反应器是锥形反应器,在锥形反应器中反应器容器在容器的上部具有第一横截面积,并且该横截面积向下缩减至小于第一横截面积的第二横截面积。
反应器系统可以包含超过一个反应器。当反应器系统包含超过一个反应器时,反应器系统中的至少一个反应器是锥形反应器。在本发明的一个实施方式中,反应器系统包含作为锥形反应器的一个主反应器(一级反应器,primary reactor)。如果反应器系统包含作为锥形反应器的一个主反应器,则该反应器系统可以另外包含一个或多个次反应器(二级反应器,secondary reactor),该次反应器可以是但不必要是锥形反应器。
在本发明的一个实施方式中,反应器系统仅包含一个作为锥形反应器的反应器。
应注意的是,反应器容器还可以包括出口底部区段,该出口底部区段朝着反应器容器的底部呈圆形。根据本发明的方法中使用的锥形反应器的反应器容器具有反应区,如图2A中的A所示。反应器也可以具有圆形出口区,如图2A中的B所示。反应器出口流从圆形出口区排出。在反应器是锥形反应器的情况下,反应区在容器的上部具有第一横截面积,并且横截面积向下缩减至小于第一横截面积的第二横截面积。
此外,圆柱形或管状反应器容器具有圆形出口底部区段(如图2B中的B所示)和反应区(如图2B中的A所示)。因此,根据本发明的方法和装置中的锥形反应器具有容器的反应区(A),该反应区在容器的上部具有第一横截面积,并且横截面积向下缩减至小于第一横截面积的第二横截面积。图2B的圆柱形或管状反应器容器理解为仅具有在反应区的整个高度内基本相同的横截面积的反应区。
在本发明的一个实施方式中,锥形反应器具有反应区,并且反应器出口流直接从反应区排出,并且锥形反应器不具有圆形出口区。在没有圆形出口区的锥形反应器中,锥形端部用法兰(flange)连接至出口管道,该出口管道形成反应器出口流。由于反应器中需要大量的冷却和再循环,所以出口管道需要具有大的直径。
应注意的是,圆柱形或管状反应器容器几乎总是需要某种圆形或垂直的出口部分,才能将反应产物驱动至出口管道。此外,圆柱形反应器的直径远大于出口管道的直径。
在本发明的一个实施方式中,锥形反应器的反应区被分成至少两个区段,其中一个区段是锥形区段,在容器的上部具有第一横截面积,并且横截面积向下缩减至小于第一横截面积的第二横截面积。因此,在所谓的锥形反应器中,整个反应器容器不必都具有锥形形状。相反,锥形反应器中反应器容器的反应区的部分可以具有管状形状,并且部分可以具有锥形形状,其中横截面积在反应区中向下缩减。锥形反应器的反应区可以具有在第一横截面积处的锥形反应器最大直径的0.2-10倍、优选地0.3-8倍、更优选0.5-4倍的长度。
在本发明的一个实施方式中,锥形反应器的反应区具有管状区段,在管状区段的上部具有第三横截面积,在管状部分的下部具有第四横截面积,第四横截面积基本上等于第三横截面积;和锥形区段,在锥形区段的上部具有第一横截面积,并且该横截面积向下缩减至小于第一横截面积的第二横截面积。当反应器具有管状区段和锥形区段时,管状区段的长度可以是管状区段横截面积直径的0.1-8倍,优选地0.5-4倍,更优选地1-3倍,并且锥形区段的长度可以是在第一横截面积处的锥形区段最大直径的0.2-5倍,优选地0.3-3倍,更优选地0.5-1.5倍。
在本发明的一个实施方式中,锥形区段的体积是用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统的体积的0.1至5倍。优选地锥形区段体积是用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统的体积的0.2至4倍,更优选地0.3至2倍。
在一个实施方式中,锥形反应器没有用于混合试剂(反应物,reagents)和催化剂复合物的外部混合或搅拌装置。反应器的锥形使试剂和催化剂复合物能够充分混合。
反应混合物在反应器(包括反应器容器和用于冷却和再循环部分反应器容器出口流的系统)中的停留时间可以为1至90分钟,优选地3至60分钟,且更优选地5至40分钟。当使用具有管状和锥形区段的反应器容器时,在管状区段中的液体停留时间可以是与在锥形区段中的液体停留时间相比的至多5倍,优选地至多4倍,且更优选地至多2倍。
因此,本发明的一个目的是提供一种用于生产聚-α-烯烃(PAO)的方法,该方法包括以下步骤:
a)提供包括至少一个反应器的反应器系统,该至少一个反应器具有反应器容器和用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统,
b)至少将α-烯烃单体、再循环反应器出口流、催化剂和助催化剂引入到反应器系统的至少一个反应器容器中,其中助催化剂与催化剂一起形成催化剂复合物,
c)在反应器容器中使α-烯烃单体反应以形成聚-α-烯烃(PAO)产物的混合物,
d)从反应器容器中排出包含未反应单体、PAO产物的混合物和催化剂复合物的出口流,
e)将出口流分流成第一流和产物流,该第一流被冷却并作为再循环反应器出口流引回到反应器容器中,其中,
反应器系统中的至少一个反应器是锥形反应器,该锥形反应器在容器的上部具有第一横截面积,并且该横截面积向下缩减至小于第一横截面积的第二横截面积。
在本发明的一个实施方式中,反应器系统包括超过一个反应器。当反应器系统中具有超过一个反应器时,反应器可以串联,使得部分反应器容器出口流被冷却并且再循环回到同一反应器容器,而部分出口流被引入到串联的后续反应器中。在反应器系统包括超过一个反应器的实施方式中,反应器中的至少一个是锥形反应器。
根据本发明的方法包括从反应器容器中排出包含未反应单体、PAO产物的混合物和催化剂复合物的出口流的步骤。所排出的出口流被分流成第一流和产物流(第二流)。第一流被冷却并且作为再循环反应器出口流引回到反应器容器中。从出口流中分流出的产物流构成反应产物流,并且经过进一步的加工步骤以生产PAO产物。
为了控制反应器中的温度,需要将出口流分流成两个流,并且需要随后冷却和再循环第一流。低聚反应是放热反应,并且为了优化低聚物分布,反应器中的条件应优选地在整个反应器内尽可能等温或接近等温。冷却和再循环从反应器容器中排出的出口流的部分能够更好地控制整个反应器的温度条件。目的是在包括冷却和再循环从反应器容器中排出的出口流的部分的整个反应器内实现等温或接近等温条件。
在本发明的一个实施方式中,将出口流进行分流形成第一流和产物流,使得50-99%、优选地80-97%,并且更优选地90-95%的出口流形成第一流,并且其余形成产物流。与总反应器容器出口流相比,第一流的部分很大,超过50%或甚至至多达99%。大部分再循环流(第一流)确保反应混合物充分冷却,从而确保整个反应器内的等温或接近等温条件。
大部分反应混合物(在一个实施方式中超过50%)处于反应器回路(loop)中,而非处于反应器容器中。这意味着:
-反应器体积的一半将以湍流状态处于再循环回路管道中,而非处于湍流较少的反应器容器中,并且所有反应混合物将频繁地通过再循环回路;
-在反应器入口处发生的催化剂混合是没有循环回路的简单反应器的10倍;并且
-与仅在出口处冷却的直通式(once-through)反应器容器相比,反应期间的反应温度将仅升高10%。
在本发明的一个实施方式中,利用喷射器(ejector)将再循环反应器出口流引入反应器容器中。还可以使用将再循环反应器出口流引入反应器中的喷射器将至少部分催化剂引入反应器容器中。
在本发明的一个实施方式中,该方法还包括步骤f),其中产物流经受用于将PAO产物流与未反应单体和催化剂复合物分离的分离步骤。应注意的是,产物流是从反应器出口流中分离出来而未冷却并再循环回反应器容器中的流。相反,产物流要经受用于生产PAO产物的进一步加工步骤。
PAO产物流与未反应单体和催化剂复合物的分离可以通过蒸馏产物流而进行。与PAO产物的混合物相比,未反应单体和催化剂复合物具有较低的沸点,并且因此可以容易地通过蒸馏分离。此外,还可以使用其他分离技术,如液-液分离或它们的组合。
在一个实施方式中,未反应单体和催化剂复合物从产物混合物中的分离是在10℃至300℃,优选地20℃至150℃的温度下在减压下蒸馏而进行,其中压力可以为1毫巴至20毫巴,优选地2毫巴至10毫巴(0.1kPa至2kPa,优选地0.2kPa至1kPa)。
在本发明的一个实施方式中,该方法还包括一个或多个附加步骤,其中PAO产物流进一步蒸馏成单独的PAO馏分,例如,基于产物的运动粘度。整个PAO产物流或分离后的PAO馏分也可以经历氢化步骤。氢化步骤优选地在贵金属或镍催化剂(优选地,镍催化剂)的存在下进行。氢化可以在固定床反应器中进行。
一般而言,有利的是低聚反应产生不同的产物分布,这可以被分离成具有不同产物性能(如粘度和挥发度)的PAO馏分。因此,有利的是,关于所形成的低聚物,产物分布尽可能窄。例如,可以有利的是主要获得三聚体而具有较少量的更高级低聚物(如四聚体和五聚体)。另一个关键问题是PAO产物的混合物中的未反应单体量应尽可能低,即高产率。各方面和工艺条件对主要形成哪种低聚物具有显著影响。
所形成的低聚物至少取决于反应中的温度、反应条件中的试剂的停留时间以及在单体和产物混合物中催化剂复合物的混合。需要监测并且可以控制和替代反应的至少这些条件和方面,用于优化低聚物形成和总体结果。利用具有较窄出口部分的反应器容器的本设计,可以控制这些工艺条件。特别是与整个反应区段内具有基本相等横截面积的反应器容器相比,具有较窄底部区段的反应器可以控制停留时间。反应混合物的广泛再循环和冷却还可以改善反应温度的控制,并且与根据本发明的反应器容器组合,可以获得整个反应器内的等温反应条件。与管状反应器相比,锥形反应器中由试剂和催化剂复合物形成的液位(试剂液位)在不同的反应器容量中也变化更大。与反应器的锥形形状相关的是,由于试剂液位的变化,即使在反应器容器中反应体积较低的情况下,也可以保持运行泵抽吸条件(包括所需的净正抽吸压头)。这使得冷却再循环可以保持在恒定的冷却任务,同时能够运行泵抽吸条件。
应避免含有大量未反应单体的产物混合物。例如,一种避免产物混合物中未反应单体的方法是通过蒸馏而从产物混合物中分离出未反应单体。另一种方法是确保催化剂复合物充分混合到原料中,并且在反应器的反应产物中保持混合物均匀。这也能够通过根据本发明的反应器容器实现。
图1A显示了本发明一个实施方式的示意性过程。将至少包含α-烯烃单体和催化剂复合物的原料(10)(可以预混合)引入PAO反应器系统(20)中。PAO反应器系统可以包含一个或多个反应器。反应器包含反应器容器和用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统。反应器中的至少一个是具有锥形反应器容器的锥形反应器(图1A中未显示)。在PAO反应器系统(20)中,α-烯烃单体在催化剂复合物存在下低聚,并且形成包含未反应单体、反应产物和催化剂复合物的反应产物混合物,并且将其作为产物流(25)从PAO反应系统(20)中移出。
从PAO反应器系统(20)中移出的产物流(25)引入到分离单元(30),该分离单元(30)用于从PAO产物中至少分离出未反应单体和催化剂复合物。分离出的未反应单体和催化剂复合物流(32)再循环回PAO反应器系统(20)中。将PAO产物(35)(从中至少移出未反应单体和催化剂复合物(流32))从分离单元(30)中移出用于进一步的处理(40)。进一步的处理可以包括至少各种PAO产物的分离以分离出PAO馏分(41、42和43)。示意图1A显示了三种PAO馏分的形成,但这应当被解释为仅作为示例,并且馏分可以超过三种或少于三种。PAO馏分(41、42和43)可以作为单独的馏分经受氢化,或可替代地,PAO产物(35)可以在分离成PAO馏分之前进行氢化。PAO产物(35)分离成PAO馏分(41、42和43)通常通过蒸馏进行。
图1B显示了PAO反应器(80)的示意性过程,该PAO反应器(80)包括PAO反应器容器(60)和用于冷却和再循环部分反应器容器出口(70和流67和72)的系统。将包含α-烯烃单体和催化剂复合物的新原料(10)或来自反应器上游的反应混合物(50)引入到PAO反应器容器(60)。反应器容器出口流(66)从反应器容器(60)中移出并且分成两个流。第一流(67)被引导入热交换器(70)进行冷却。冷却的再循环流(72)被引回反应器容器(60)进行进一步反应。反应器容器出口流(66)的部分被分成产物流(25)。该产物流(25)含有PAO产物的混合物、未反应单体和催化剂复合物。该产物流(25)被引入图1A所示的分离单元(30)。图1B还显示了来自分离单元(30)的包含分离的未反应单体和催化剂复合物的流(32)。该流在图1A和1B中描述为一个流,但也可以是两个或更多个分离的流,一些流包含未反应单体,并且另一些流包含催化剂复合物和/或催化剂。
图3显示了两个具有根据本发明的形状的不同反应器3A和3B,以及用于比较的圆柱形反应器3C。反应器形状3A是根据本发明的并且在图中显示了圆形出口区B以及反应区A1和A2。根据本发明的具有锥形的反应器容器可以具有圆形出口区,但并非必须。反应区分成两个区段,锥形区段A2和管状区段A1。锥形区段A1具有第一横截面积(61)和第二横截面积(62)。第二横截面积(62)小于第一横截面积(61)。管状区段A1具有第三横截面积(63)和第四横截面积(64)。第三横截面积(63)基本上等于第四横截面积(64)。
图3B显示了根据本发明的反应器形状,其具有反应区A3和A4以及圆形出口区B。图3B中的反应区被分成两个区段,锥形区段A3和管状区段A4。为了比较,在图3C中显示了具有反应区A5和圆形出口区B的管状反应器。圆柱形反应器(3C)的反应区A5不能分成反应区段。
本发明还涉及用于进行根据本发明的方法的装置,其中该装置包括包含至少一个反应器的反应器系统,该至少一个反应器具有反应器容器和用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统;用于至少将α-烯烃单体、再循环反应器出口流、催化剂和助催化剂引入至少一个反应器容器的装置;和用于从反应器容器排出出口流的出口,其中至少一个反应器容器是锥形反应器,该锥形反应器在容器的上部具有第一横截面积,并且该横截面积向下缩减至小于第一横截面积的第二横截面积。
所公开的装置还包括用于将出口流分流成第一流和产物流的装置;和用于冷却第一流并将第一流再循环至反应器容器的装置。
对于本领域技术人员而言显而易见的是,随着技术的进步,本发明构思可以以各种方式实施。本发明及其实施方式不限于上述实施例,但是可以在权利要求的范围内变化。
实施例
1-癸烯的低聚在0.002m3间歇式反应器中进行测试。反应用1mol%的三氟化硼(BF3)正丁醇复合物催化。反应器中的压力设定为200kPa,并且用BF3气流控制。温度用冷却套和内部线圈控制。间歇式反应器用涡轮混合器混合。混合是必要的,因为间歇式反应器不包含任何使得能够充分混合的再循环。产物使用气相色谱和质谱检测器分析。
实施例1
首先进行一系列反应以测试在不同温度下的反应(低聚)速度。选择了三种不同的反应温度,10℃、30℃和70℃。如上所述,反应在等温条件下进行。反应速度确定为单体1-癸烯在反应混合物中减少的速度。
在不同温度下反应的转化率表示为单体1-癸烯的减少,可以参见下表1。
转化% | |||||
反应温度 | 5min | 10min | 20min | 30min | 60min |
10℃ | 30 | 43 | 65 | 75 | 100 |
30℃ | 50 | 70 | 90 | 97 | 100 |
70℃ | 60 | 85 | 90 | 93 | 100 |
表1.转化率是反应温度的函数。100%的转化表示所有单体(1-癸烯)均已消耗。
从表1所示的结果可以看出,在10℃的反应温度下,与30℃和70℃的较高温度相比,反应明显较慢。在10℃下的完全转化实现于约60min的反应时间后。结果还表明,将温度从30℃升高到70℃不会显著提高转化率。实际上,当反应温度为30℃和70℃时,在30min的反应时间时就达到完全转化。
实施例2
基于实施例1的发现,选择30℃的反应温度作为最佳反应温度。使用与实施例1相同的装置和参数进行一组反应。此处产物分布作为反应时间的函数进行测量。总反应时间为120min。
1-癸烯的低聚以及三聚体和四聚体的形成在下表2中显示。
表2.实验室间歇式反应器的低聚反应结果
表2中总结的结果表明,三聚体选择性可以在短停留时间内最大化。长停留时间会产生较重的低聚物。基于这些结果,显然停留时间影响产物形成。因此,即使在不同的容量下,反应停留时间和关键操作条件参数也应在操作期间保持恒定以优化产物选择性。
实施例3
前述实施例表明了反应温度、而尤其是停留时间对于获得最佳产物分布的重要性。使用锥形反应器进行计算,以优化不同反应器容量的停留时间。在计算中,100%容量设定为13125kg/h。冷却回路、泵和管道的体积是固定的。在模拟中,100%容量设置为使试剂液位位于倒锥形反应器即锥形区段A2的顶部。以100%、90%、80%、70%和60%的反应器容量进行计算。计算结果汇总在表3中。
表3.不同容量的锥形反应器的停留时间优化
从表3的结果可以看出,在不同的反应器容量下,总停留时间可以保持在10min。回路(意指冷却回路、泵和管道)的体积恒定为1.59m3。反应器锥形区段的试剂液位随容量而变化。通过改变回路循环泵速度(从180m3/h至300m3/h),冷却再循环可以在所有容量下保持恒定的冷却任务,同时结合反应器锥形,即使在反应器容器中的低反应体积下,也可以保持包括所需净正抽吸压头的运行泵抽吸条件。
图4显示了不同反应器容量下锥形反应器和管式反应器中试剂液位的差异。从图4可以看出,与管状反应器相比,锥形反应器在较低容量下的液位下降更快。因此,与管状反应器相比,尤其是在反应器容量较低的情况下,更容易监测锥形反应器中试剂液位的变化。
Claims (20)
1.一种用于生产聚-α-烯烃(PAO)的方法,所述方法包括以下步骤:
a)提供包括至少一个反应器(80)的反应器系统(20),所述至少一个反应器(80)具有反应器容器(60)以及用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统,
b)至少将α-烯烃单体、再循环反应器出口流(72)、催化剂和助催化剂引入到所述反应器系统(20)的至少一个反应器容器(60)中,所述助催化剂与所述催化剂一起形成催化剂复合物,
c)在所述反应器容器(60)中使所述α-烯烃单体反应以形成聚-α-烯烃(PAO)产物的混合物,
d)从所述反应器容器排出包含未反应的单体、PAO产物的混合物和催化剂复合物的出口流(66),
e)将所述出口流(66)分流成第一流(67)和产物流(25),所述第一流(67)被冷却并且作为再循环反应器出口流(72)引回所述反应器容器(60)中,其中,
在所述反应器系统(20)中的至少一个反应器(80)是锥形反应器,在所述锥形反应器中所述反应器容器在容器的上部具有第一横截面积(61),并且横截面积向下缩减至小于所述第一横截面积的第二横截面积(62)。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述锥形反应器具有反应区和圆形出口区,反应器出口流从所述圆形出口区排出,并且其中所述反应区在容器的上部具有第一横截面积,并且横截面积向下缩减至小于所述第一横截面积的第二横截面积。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述锥形反应器具有反应区,并且反应器出口流直接从所述反应区排出,并且所述锥形反应器不具有圆形出口区。
4.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述锥形反应器的反应区分成至少两个区段,其中一个区段是锥形区段,在容器的上部具有第一横截面积,并且横截面积向下缩减至小于所述第一横截面积的第二横截面积。
5.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述锥形反应器的反应区具有在所述第一横截面积处所述锥形反应器的最大直径的0.2-5倍的长度。
6.根据权利要求4所述的方法,其中所述锥形反应器的所述反应区具有管状区段,在所述管状区段的上部具有第三横截面积(63),并且在所述管状区段的下部具有第四横截面积(64),所述第四横截面积基本上等于所述第三横截面积;和锥形区段,在所述锥形区段的上部具有第一横截面积(61),并且横截面积向下缩减至小于所述第一横截面积的第二横截面积(62)。
7.根据权利要求6所述的方法,其中所述管状区段的长度是所述管状区段的横截面积的直径的0.1-8倍,并且所述锥形区段的长度是在所述第一横截面积处所述锥形区段的最大直径的0.2-5倍。
8.根据权利要求1或2所述的方法,其中将所述再循环反应器出口流引入到所述反应器容器是使用喷射器进行的。
9.根据权利要求8所述的方法,其中使用将所述再循环反应器出口流引入到所述反应器容器的喷射器,将至少部分的所述催化剂引入到所述反应器容器。
10.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述α-烯烃单体包含C4-C20α-烯烃。
11.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述催化剂是卤化铝或卤化硼,并且所述助催化剂选自C1-C10醇。
12.根据权利要求1或2所述的方法,其中将出口流进行分流形成第一流和产物流,使得50-99%的所述出口流形成所述第一流,并且其余形成所述产物流。
13.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述方法还包括步骤f),其中所述产物流经受分离步骤,用于将PAO产物流与未反应的单体和催化剂复合物分离。
14.根据权利要求13所述的方法,其中所述步骤f)在减压下在10℃至300℃的温度下通过蒸馏进行,并且所述分离还将作为催化剂和助催化剂的所述催化剂复合物从所述未反应的单体中分离。
15.根据权利要求13所述的方法,其中通过以下进一步加工PAO产物:将所述PAO产物分离为另外的PAO馏分,然后在贵金属催化剂或镍催化剂的存在下将所述PAO馏分氢化;或者在贵金属催化剂或镍催化剂的存在下将PAO产物氢化,然后将氢化的PAO产物分离为另外的氢化的PAO馏分。
16.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述α-烯烃单体包含C8-C12α-烯烃。
17.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述α-烯烃单体包含C10α-烯烃。
18.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述催化剂是BF3,并且所述助催化剂是正丁醇。
19.一种用于进行根据权利要求1-18中任一项所述的方法的装置,其中所述装置包括包含至少一个反应器的反应器系统,所述至少一个反应器具有反应器容器以及用于再循环和冷却部分反应器容器出口流的系统;用于至少将α-烯烃单体、再循环反应器出口流、催化剂和助催化剂引入到至少一个反应器容器中的装置;以及用于从所述反应器容器排出出口流的出口,其中,
至少一个反应器容器是锥形反应器,所述锥形反应器在容器的上部具有第一横截面积,并且横截面积向下缩减至小于所述第一横截面积的第二横截面积。
20.根据权利要求19所述的装置,其中所述装置还包括用于将所述出口流分流成第一流和产物流的装置;以及用于冷却所述第一流并且将所述第一流再循环至所述反应器容器的装置。
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