Глава 1 процессы каталитического алкилирования для получения разветвленных углеводородов

ВВЕДЕНИЕ

Обычным приемом, применяемым в нефтеперерабатывающей промышленности для получения высокооктанового моторного топлива, является алкилирование изопарафинов олефинами в присутствии катализатора, предпочтительно плавиковой кислоты или фтористого водорода (HF). Поток, выходящий из реактора алкилирования, обычно проходит через отстойник, где углеводородная фаза отделяется от кислотной фазы. Углеводородную фазу подвергают фракционированию для отделения низкокипящих углеводородов от продуктов алкилирования. Кислую фазу охлаждают и возвращают в реактор алкилирования. Однако рециркулируемую кислую фазу необходимо подвергать частичной очистке, чтобы предотвратить образование в системе кислоторастворимых масел (КРМ) и воды.

Глава 1 ПРОЦЕССЫ КАТАЛИТИЧЕСКОГО АЛКИЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАЗВЕТВЛЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ

Использование процессов каталитического алкилирования для получения разветвленных углеводородов, обладающих свойствами, которые делают их пригодными для использования в качестве компонентов бензиновых смесей, хорошо известно на данном уровне техники. Обычно алкилирование олефинов насыщенными углеводородами, такими как изопарафины, осуществляют при контактировании реагентов с кислым катализатором с образованием реакционной смеси, отстаивании указанной смеси для отделения катализатора от углеводородов и дальнейшем разделении углеводородов, например, фракционированием, чтобы извлечь продукт реакции алкилирования. Обычно продукт реакции алкилирования упоминается как "алкилат", он предпочтительно содержит углеводороды, имеющие 7-9 атомов углерода. Для того, чтобы иметь наиболее высокое качество бензиновых смесей, предпочтительно, чтобы углеводороды, образовавшиеся в процессе алкилирования, были сильно разветвлены.

Одним из наиболее желательных катализаторов алкилирования является фтористоводородная кислота, однако использование фтористоводородной кислоты в качестве катализатора алкилирования связано с определенными неудобствами. Одна из основных проблем при использовании фтористоводородной кислоты в качестве катализатора заключается в том, что она является сильно корродирующим веществом и токсична для людей. Токсичность фтористоводородной кислоты для людей, кроме того, осложняется тем фактом, что безводная фтористоводородная кислота обычно является газообразной при нормальных атмосферных условиях - давлении 1 атм и 70^oF (21^oC). Возможно создание определенных мер безопасности для давления паров фтористоводородной кислоты при стандартных атмосферных условиях, когда они присутствуют в атмосфере. Эти меры безопасности определяются легкостью, с которой фтористоводородная кислота испаряется и выделяется в атмосферу.

Несмотря на потенциальные проблемы токсичности для людей и коррозионные характеристики фтористоводородной кислоты, в прошлом промышленность определила, что выгоды от использования фтористоводородной кислоты как катализатора алкилирования превышает потенциальные проблемы. Например, фтористоводродная кислота является очень эффективным катализатором алкилирования, что позволяет проводить реакцию олефинов с изопарафинами при низких давлениях процесса и температурах. HF особенно пригодна для использования в качестве катализатора алкилирования бутиленов, а в случае алкилирования пропилена и амиленов HF была использована как эффективный катализатор, тогда как другие катализаторы алкилирования, такие как серная кислота, не были эффективными в таких процессах алкилирования. В дополнение к этому алкилат, полученный в процессах алкилирования с фтористоводородной кислотой, имеет очень высокое качество, обладая такими желательными свойствами, так как представляет собой смесь сильно разветвленных углеводородных соединений, что обеспечивают высоко октановое моторное топливо.

При разработке подходящей композиции для замены фтористоводородной кислоты в качестве катализатора алкилирования, обладающей желаемыми свойствами обеспечения высококачественного продукта реакции алкилирования и пониженным давлением паров, сталкиваются с одной проблемой - коррозионной природой таких заменяющих катализаторов. Такие заменяющие катализаторы алкилирования должны не только обладать вышеупомянутыми желаемыми физическими свойствами, они также должны быть значительно менее коррозионными для металлических компонентов, таких как, например, реакционные сосуды, трубопроводы, оборудование и другие принадлежности системы процесса алкилирования, чтобы катализатор имел коммерческую ценность. В случае использования фтористого водорода в качестве катализатора алкилирования известно, что для сведения к минимуму его корродирующего действия на компоненты из углеводородистой стали системы процесса алкилирования лучше всего использовать фтористый водород с минимальной концентрацией воды. Действительно коррозионное действие фтористого водорода на углеродистую сталь возрастает с увеличением концентрации воды. Что касается композиций, предложенных в качестве подходящих заменителей фтористого водорода как катализатора алкилирования, было обнаружено, что все они также являются сильно корродирующими углеродистую сталь.

Итак, целью изобретения является разработка нового катализатора алкилирования, обладающего желательным свойством обеспечения высококачественного продукта реакции алкилирования при использовании для алкилированиия олефинов парафинами, но имеющего более низкое давление паров, чем фтористоводородная кислота.

Галоидоводородный компонент каталитической композиции или каталитическая смесь может быть выбрана в группе соединений, состоящей из фтористого водорода (HF), хлористого водорода (HCl), бромистого водорода (HBr) и смеси двух или более из них. Однако предпочтительным галоидоводородным компонентом является фтористый водород, который может быть использован в каталитической композиции в безводной форме или в водной форме при условии, что количество воды, содержащейся в водном растворе, не будет таким, чтобы она являлась предельной концентрацией воды в катализаторе алкилирования или композиция превышала желаемые пределы, описанные здесь.

Сульфоновый компонент является важным и критическим компонентом каталитической композиции, потому что он осуществляет несколько функций и из-за неожиданных физических свойств, которые он придает каталитической композиции. Одна важная функция наличия сульфонового компонента в композиции заключается в понижении давления паров или в понижающем действии на всю каталитическую композицию. Это является существенным аспектом настоящего изобретения, чтобы сульфоновый компонент был растворим в галоидоводородном компоненте и чтобы сульфоновый компонент практически не смешивался с олефиновым углеводородом, что обеспечивает легкое отделение углеводородов от каталитической композиции. Также является существенным, что наличие сульфонового компонента оказывает минимальное ухудшающее воздействие на селективность реакции алкилирования и активность.

Обычно специалисты в области алкилирования олефинов, катализируемого фтористым водородом, знают, что для получения самого высокого качества алкилата в вышеупомянутом процессе алкилирования олефинов является существенным, чтобы фтористоводородный катализатор по возможности не содержал загрязняющих соединений. Исходя из известных воздействий загрязнений фтористоводородного катализатора на активность и селективность процесса алкилирования в отношении получения высококачественного алкилата, специалисты в этой области могли ожидать, что добавление от незначительных до больших количеств сульфонового соединения к фтористоводородному катализатору будет оказывать обычное ухудшающее действие на его каталитические характеристики. Однако было обнаружено, что наличие незначительных количеств сульфонового соединения в сочетании с фтористым водородом будет оказывать очень незначительное отрицательное воздействие на рабочие характеристики полученной в результате смеси как катализатора алкилирования, но, кроме того, неожиданно оказалось, что вместо ухудшающего влияния на каталитические характеристики небольшие концентрации в количестве менее примерно 30 мас.% сульфонового компонента в сочетании с фтористым водородом могут повысить характеристики полученной в результате композиции в качестве катализатора процесса алкилирования.

Преимущество использования катализатора алкилирования, имеющего намного меньшее давление паров, чем у фтористоводородной кислоты, заключается в том, что будет испаряться меньшее количество кислого катализатора и выходить в атмосферу в случаях, когда катализатор открыт на атмосферу. В частности, при сравнении новой каталитической композиции с фтористоводородной кислотой отмечают значительную разницу между давлением паров обоих катализаторов. Поскольку фтористоводородная кислота имеет значительное давление паров при обычных атмосферных или комнатных условиях, она часто находится в парообразном состоянии при контакте ее с атмосферой, следовательно, это давление паров делает более трудным ее контроль и содержание при экспонировании ее с атмосферой.

Новая каталитическая композиция, как здесь описана, решает многие из проблем, связанных с использованием фтористоводородной кислоты в качестве катализатора, так как она обеспечивает преимущества за счет более низкого давления паров при обычных условиях, чем у фтористоводородной кислоты. Но в дополнение к преимуществу за счет более низкого давления паров в обычных условиях новая каталитическая композиция, кроме того, может быть использована в типичных процессах алкилирования, обеспечивания практические скорости реакции при низких рабочих давлениях и низких рабочих температурах, чтобы получить высококачественный алкилатный продукт, который пригоден для использования в качестве смесового компонента для бензинового моторного топлива. Дополнительное преимущество новой каталитической композиции заключается в том, что с ней легче коммерчески манипулировать, чем с фтористоводородной кислотой.

Водный фтористый водород является более коррозионной средой, чем безводный фтористый водород, и что чем выше концентрация воды, содержащейся в водном фтористом водороде, тем более коррозионной является его природа при использовании в системе процесса алкилирования из углеродистой стали. Дополнительная проблема, традиционно вызываемая наличием воды в каталитической системе процесса алкилирования, заключается в том, что она оказывает отрицательное воздействие на конечный продукт алкилирования. Следовательно, по указанным выше причинам совершенно неожиданно наличие воды в каталитической композиции алкилирования или в системе, как рассматривается в настоящем изобретении, вызывает снижение или замедление коррозионной природы катализатора, но не оказывает значительного воздействия на конечный продукт алкилирования.

Процессы алкилирования, являются жидкофазными процессами алкилирования, в которых моноолефиновые углеводороды, такие как пропилен, бутилены, пентилены, гексилены, гептилены, октилены и т.п., алкилируют изопарафиновыми углеводородами, такими как изобутан, изопентан, изогексан, изогептан, изооктан и т.п., для получения высоокооктановых алкилатных углеводородов, кипящих в бензиновом интервале, и которые пригодны для использования в бензиновом моторном топливе. Предпочтительно изобутан выбирают в качестве изопарафинового реагента, а олефиновый реагент выбирают из пропилена, бутиленов, пентиленов и их смесей для получения алкилатного углеводородного продукта, состоящего главным образом из сильно разветвленных, высоко октановых алифатических углеводородов, имеющих по крайней мере семь атомов углерода и менее десяти атомов углерода.

Для того, чтобы улучшить селективность реакции алкилирования в сторону получения желаемых, сильно разветвленных алифатических углеводородов, имеющих семь или более атомов углерода, в реакционной зоне желателен значительный стехиометрический избыток изопарафинового углеводорода. Молярные отношения изопарафинового углеводорода к олефиновому углеводороду от примерно 2:1 до примерно 25: 1 рассматриваются в настоящем изобретении. Предпочтительно молярное отношение изопарафина к олефину будет в интервале от примерно 5 до примерно 20 и наиболее предпочтительно оно будет в интервале от 8,5 до 15.

Изопарафиновые и олефиновые реагентные углеводороды, обычно применяемые в коммерческих процессах алкилирования, происходят из процессов нефтепереработки и обычно содержат незначительные количества примесей, таких как бутан, пропан, этан и т.п. Такие примеси являются нежелательными в больших концентрациях, так как они разбавляют реагенты в реакционной зоне, следовательно, снижают емкость реактора, доступную для целевых реагентов, и мешают хорошему контакту изопарафина с олефиновыми реагентами. Кроме того, при непрерывном процессе алкилирования, когда избыток изопарафинового углеводорода выводят из реакции алкилирования выводящим потоком и рециклизуют для контакта с дополнительными олефиновыми углеводородами, такие нереакционноспособные нормальные парафиновые примеси имеют тенденцию накапливаться в системе алкилирования. Следовательно, реакционные загружаемые потоки и/или рециклируемые потоки, которые содержат значительные количества нормальных парафиновых примесей, обычно фракционируют для удаления таких примесей и поддержания их концентрации на низком уровне, предпочтительно менее 5 об.% в процессе алкилирования.

Температуры реакции алкилирования в настоящем изобретении обычно находятся в интервале от примерно 0^oF (17,8^oC) до примерно 150^oF (65,6^oC). Более низкие температуры благоприятствуют реакции алкилирования олефина изопарафином по сравнению с такими побочными реакциями олефинов, как полимеризации. Однако общие скорости реакций снижаются с понижением температуры. Температуры в заданном интервале и предпочтительно в интервале от примерно 30^oF (-1,1^oC) до примерно 130^oF (54,4^oC) обеспечивают хорошую селективность алкилирования олефина изопарафином с коммерчески приемлемыми скоростями реакций. Наиболее предпочтительно, однако, температура алкилирования должна быть в интервале от 50^oF (10^oC) до 100^oF (37,8^oC).

Давление реакции в настоящем изобретении может быть в интервале от давлений, достаточных для поддержания реагентов в жидкой фазе, до примерно 15 атм. Углеводородные реагенты обычно могут быть газообразными при температурах реакции алкилирования, следовательно, предпочтительными являются давления реакции в интервале от примерно 40 фунт/дюйм² (2,812 кг/см² до примерно 160 фунт/дюйм² (11,25 кг/см²). Когда все реагенты находятся в жидкой фазе, повышение давления не оказывает значительного влияния на реакцию алкилирования.