DE2651637C2 - Verfahren zur Herstellung von Oligomerengemischen aus α-Olefinen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Oligomerengemischen aus α-OlefinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Oligomerengemlschen, die ein gesteuertes Verhältnis
der Oligomeren, vorzugsweise Trimeren und Tetrameren, enthalten, durch kontinuierliches Oligomerisieren
eines jr-Olefins mit etwa 5 bis 14 Kohlenstoffatomen im Molekül oder eines Gemisches solcher ar-Oleflne
vorzugsweise von Decen-{1) oder eines Gemisches aus Decen-(1) und bis zu 50 Molprozent Octen-(1) und/oder
Dodecen-(1) In einem Kesselreaktor in Gegenwart einer katalytischen Menge an Bortrlfluorld und einem Cokatalysator,
der mil Bortrifluorid eine Komplexverbindung bildet, und kontinuierliches Abziehen eines teilweise
ollgomerislerten Produktstromes aus dem homogenen Reaktionsgemisch.
Die US-PS 3149 178 beschreibt die Herstellung eines synthetischen Schmiermittels durch ansatzweise
geführte Polymerisation von jr-Oleflnen einschließlich Decen-(1) In einem Reaktor unter Verwendung von
Bortrifluorld zusammen mit einem Promotor, wie einer Komplexverbindung aus Bortrlfluorld und Decanol oder
einer Komplexverbindung aus Essigsäure und Bortrlfluorld, zur Herstellung des Dimeren, Trimeren und einer
Rückstandspolymerenfraktlon.
Aus der US-PS 33 82 291 Ist die Herstellung von cr-Olefln-Ollgomerengemischen aus dem Dimeren, dem
Trimeren und einer Ruckstandsfraktion zur Verwendung als synthetisches Schmiermittel bekannt, wobei ein
Reaktor für eine ansatzweise durchgeführte Reaktion mit einem mit Bortrlfluorld gesättigten Strom des a-Ole-
5Ii fins, wie Decen-(1), und einem gesonderten Strom einer Komplexverblndung aus Bortrlfluorld und einem Promotor, wie einem Alkohol, beschickt wird. Die Patentschrift beschreibt auch ein kontinuierliches Verfahren, bei
dem ein Produktstrom mit der gleichen Geschwindigkeit aus dem Reaktor abgezogen wird, mit der die Beschlkkung
zugeführt wird.
Öle US-PS 37 63 244 und 37 80 128 beschreiben die ansatzweise geführte Oligomerisation von ar-Oleflnen, wie
Öle US-PS 37 63 244 und 37 80 128 beschreiben die ansatzweise geführte Oligomerisation von ar-Oleflnen, wie
<5 Decen-(l), In einem Reaktionsgefäß unier Verwendung von Wasser oder einem Alkohol als Cokatalysator und
Bortrlfluorld, das durch die Reaktlonsflüsslgkelt In solchen Mengen hindurchgeleitet wird, daß außer dem
Bortrlfluorld, welches mit dem Cokatalysator eine Komplexvcrbindung bildet, Bortrifluorid In molarem Überschuß
vorliegt. In diesen Patenschriften Ist ein Produktionsgemisch aus Dimeren, Trimeren, Tetrameren und
höheren Oligomeren beschrieben.
w) Ollgomcre von gewissen ar-Oleflnen, Insbesondere von Decen-(1) und Gemischen von Decen-(1) mit Octen-(1)
und/oder Dodecen-il), eignen sich sehr gut als ölbasen für die Herstellung von Schmierölen, hydraulischen
Ölen. Getriebeölen, Transformatorenölen und dergleichen, die allgemein als Arbeitsflüssigkeiten bezeichnet und
mit geeigneten Zusätzen versetzt werden. Unter Umständen können Ollgomere von Jr-Oleflnen auch ohne
elgenschaftsmodlflzierevle Zusätze als Arbeitsflüssigkeiten verwendet werden. Die ar-OIefln-Ollgomeren, die
(■5 sich entweder unmittelbar oder mit Zusätzen zur Verwendung als Arbeitsflüssigkeiten eignen, haben Im allgemeinen
bei 98.9° C bestlmmic Vlscosltäten Im Bereich von etwa 1 bis 15mm!/s. Jede dieser Arbeitsflüssigkeiten
und im allgemeinen auch die Ölbasen, aus denen sie hergestellt werden, müssen bestimmten Vlscosltätsnormcn
entsprechen.
Die Oligomerenzusammensetzung, die man bei den bisher bekannten Polymerisationsverfahren erhält, ist im
allgemeinen nicht diejenige, die erforderlich ist, um den Viscositätsnormen für ein gewünschtes Produkt zu
genügen. Um eine Fraktion mit dem gewünschten Verhältnis von Trimeren zu Tetrameren zu erhalten, ist ein
Trennverfahren erforderlich, bei dem sich allerdings auch eine Nebenproduktfraktion bildet. Es wäre von
Vorteil, wenn es möglich wäre, die Zusammensetzung des Oligomerengemisches zu variieren, um ein Oligomerenprodukt
oder in verschiedenen Arbeitsgängen verschiedene Oligomerenprodukte von der gewünschten
Zusammensetzung zu gewinnen, ohne daß dabei eine Nebenproduktfraktion anfällt.
Wenn mehrere gesonderte Arbeitsflüssigkeiten als Produkte verlangt werden, kann man diese aus dem rohe ι
OHgomerenprodukt als gesonderte Fraktionen gewinnen, wobei jede Fraktion Ihr besonderes Verhältnis von
Trimeretn zu Tetramerem aufweist und mithin die erforderliche Viscosität hat. Die relativen Mengen der
verschiedenen Fraktionen, die man bei der Trennung erhält, hängen aber von der Zusammensetzung des bei der
Oligomerisation erhaltenen Rohproduktes ab. Da die Nachfrage nach einer jeden Produktfraktion sich im Laufe
der Zelt ändert, wäre es am vorteilhaftesten, wenn es möglich wäre, die relative Etzeugungsgeschwindigkeit
dieser Produktfraktionen dadurch zu variieren, daß man die Zusammensetzung des rohen Oligomerenproduktes
variiert, um den Bedarf an jedem einzelnen Produkt durch Fraktionieren des Rohproduktes ohne Bildung eines !5
unerwünschten Nebenproduktes zu decken.
Nachstehend wird beispielsweise die Herstellung von zwei Arbeitsflüssigkeiten aus einem einzigen OHgomerenprodukt
beschrieben. Ein Decen-di-OIigomerengsmisch, aus dem das Monomere abgetrieben worden ist,
enthielt 12% Dlm^res, 55* Trimeres, 27% Tetrameres und 6% Pentameres und höhere Oligomere. Das Oligomerengemlsch
wurde hydriert und in eine Dimerfraktion, eine als Basis für ein hydraulisches Öl geeignete Fraktion
mit einer bei 98,9" C bestimmten Viscosität von 3,94 mmVs und eine Motorenölbasis mit einer bei 98,9° C
bestimmten Viscosität von 5,79 mmVs zerlegt. Die Basis für die hydraulische Flüssigkeit bestand zu 3% aus
Dlmerem, zu 79% aus Trlmerem, zu 17% aus Tetramerem und zu 1% aus Pentamerem, während die Motorenölbasis
zu 1% aus Dlmerem, zu 37* aus Trlmerem, zu 46% aus Tetramerem und zu 16% aus Pentamerem bestand.
Das sich aus diesem Trennvorgang ergebende Gewichtsverhältnis der Basis für das hydraulische Öl zu der
Motorenölbasis betrug 1,4 :1.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, derartige Verfahren so zu gestalten, daß bei der Oligomerisation
von «-Olefinen der relative Anteil der höheren Oligomeren und der niederen Oligomeren für den jeweiligen
Bedarf Innerhalb eines beträchtlichen Bereichs optimiert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das Ollgomertsatlonsverfahren mit Bottrifluorid und einem komplexbildenden
Cokatalysator als kontinuierliches mehrstufiges Verfahren durchgeführt wird, wobei in der ersten
Stufe ein Kesselreaktor und \n der zielten Stufe ein Rohrreaktor oder ein oder mehrere Kesselreaktoren verwendet
werden.
Gegenstand der Erfindung Ist somi; ein Verfahren zur Herstellung von Ollgomerengemlschen, die ein gesteuertes
Verhältnis der Oligomeren, vorzugsweise Trimeren und Tetrameren, enthalten, durch kontinuierliches ^
Ollgomerlsleren eines cr-Oiefins mit etwa 5 bis 14 Kohlenstoffatomen Im Molekül oder eines Gemisches solcher
«-Olefine vorzugsweise von Decen-(1) oder eines Gemisches aus Decent 1) und bis zu 50 Molprozent Octen-(1)
und/oder Dodecen-(1) In einem Kesselreaktor In Gegenwart einer katalytischen Menge an Bortrifluorld und
einem Cokatalysator, der mit Bortrlfluorid eine Komplexverbindung bildet, und kontinuierliches Abziehen eines
teilweise ollgomerislerten Produktstromes aus dem homogenen Reaktionsgemisch, das dadurch gekennzeichnet -w
1st, daß man den Produktstrom In einem oder mehreren zusätzlichen Reaktoren einer weiteren Ollgomerisatlonsreaktlon
unterwirft, indem man in der Reihe der Reaktoren, bei denen das Verhältnis des Volumens des ersten
Reaktors zu dem Volumen eines jeden der nachgeschalteten Reaktoren etwa 5 : 1 bis 1 : 10 beträgt, die gleiche
Temperatur oder unterschiedliche geeignete Temperaturen aufrechterhält und einen Gesamtumwandlungsgrad
von cr-Oleflnen zu Oligomeren in allen Verfahrensstufen zusammen zwischen etwa 50 und 100% erzielt, wobei -»5
dessen prozentuales Verhältnis Im ersten Reaktor zu dem im bzw. In den nachgeschalteten ReaktoKen)
zwischen etwa 90 : 10 und 15 : 85 Hegt.
Das nach dem mehrstufigen Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte ollgon.«re Produkt ist ein Gemisch
aus Dlmeren, Trimeren, Tetrameren und Pentameren und er.ihält mitunter auch geringere Mengen an höheren
Oligomeren. Das Dimere wird im allgemeinen für die gesonderte Verwendung als Arbeitsflüssigkeit, Insbeson- so
dere als Transformatorenöl, entfernt, um zu vermelden, daß die aus den höheren Oligomeren bestehenden Arbeitsflüssigkeiten
Verluste durch Verflüchtigung erleiden. Daher ist das für allgemeine Verwendung geeignete
hauptsächliche Oligomerprodukt ein Gemisch aus dem Trimeren, Tetrameren und Pentameren. Da aber die verschiedenen
Viscositätsnormen für den weiten Bereich von Produkten, für den ein Gemisch aus dem Trimeren,
dem Tetrameren und dem Pentameren verwendet werden kann. Innerhalb eines weiten Bereichs variieren. ?>
müssen auch die relativen Mengenverhältnisse von Trlmerem, Tetramerem und Pentamerem bei verschiedenen
Arbeitsflüssigkeiten erheblich variieren, um diesen Viscositätsnormen zu genügen. In Anbetracht des Umstandes,
daß das Pentamere bei der Oligomerisation Im allgemeinen In einem Anteil von weniger als etwa 15 Gewichtsprozent
anfällt und sich schwieriger quantitativ bestimmen läßt, und da die Menge an Tetramerem und
die Menge an Pentamerem bei verschiedenen, unter verschiedenen Bedingungen durchgeführten Ollgomerlsa- «·
tlonsversuchen Im allgemeinen in ähnlichem Ausmaß zunimmt bzw. abnimmt, wird hler das Verhältnis von
Trlmcrem zu Tetramerem als Anzeichen für die Tendenz einer Änderung der Produktzusammensetzung von
Versuch zu Versuch verwendet
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren steigt das Verhältnis von Trlmerem zu Tetramerem an, wenn man
den Gesamtumwandlungsgrad und/oder den Anteil der Gesamtollgomerisatlcn. der sich In dem ersten Reaktor <>>
abspielt, vermindert, und umgekehrt nimmt das Verhältnis von Trlmerem zu Tetramerem ab. wenn man den
Gesamtumwandlungsgrad und/oder den Anteil der Gesamtollgomerlsationsreaktion. der sich in dem ersten
Reaktor abspielt, erhöht. Gemäß der Erfindung wird somit das Verhältnis von Trlmerem zu Tetramerem bei
konstantem Umwandlungsgrad erhöht, indem man den Anteil der Gesamtoligomerisationsreaktion, der sich
hinter dem ersten Reaktor abspielt, erhöht.
Da die Trimeren, Tetrameren und Pentameren eine besondere Bedeutung für Schmieröle und andere Arbeitsflüssigkeiten
haben, eignet sich das Verfahren besonders für die Oligomerisation derjenigen cr-Olefine, die
s Arbeitsflüssigkeiten von besonders günstiger Zusammensetzung liefern. Deshalb eignet sich das mehrstufige
Verfahren gemäß der Erfindung besser für die Oligomerisation von Gemischen aus Decen-Ü) mit bis zu 50
Molprozent Octen-(l) oder Dodecen-(1) oder Gemischen derselben, und es eignet sieh besonders fü.r die Oligomerisation
von Decen-(1) selbst. Als Ausgangsgut eignen sich sowohl geradkettige «-Olefine als auch verzweigtkettige
Verbindungen, bei denen die Seitenkette an dem dritten, vierten oder einem höheren Kohlenstoffatom
I« sitzt.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird Bortrifluorid als Katalysator zusammen mit einer Verbindung
verwendet, die im allgemeinen als Promotor oder Cokatalysator bezeichnet wird. Der Cokatalysator ist an sich
bekannt; man kann jede Verbindung verwenden, die durch Komplexbildung mit Bortrifluorid eine für die Oligomerisationsreaktlon
katalytisch aktive Koordinationsverbindung bildet. Zu diesen Cokatalysatoren gehören aliphatische
Äther, wie Dimethyläther, Diäthyläther, aliphatische Alkohole, wie Methanol, Äthanol, n-Butanol,
Decanol, Polyole, wie Äthylenglykol, Glycerin, Wasser, aliphatische Carbonsäuren, wie Essigsäure, Propionsäure,
Buttersäure, Ester, wie Äthylacetat, Methylproprionat, Ketone, wie Aceton, Aldehyde, wäe Acetaldehyd,
Benzaldehyd, Säureanhydride, wie Essigsäureanhydrid und Bernsteinsäureanhydrid. Vorzugsweise weist der
Cokatalysator 1 bis etwa 10 Kohlenstoffatome auf; man kann jedoch als Cokatalysatoren auch Verbindungen
μ mit mehr Kohlenstoffatomen ini Molekül verwenden. Der Cokatalysator kann in katalytisch η Mengen, z. B. in
Mengen von etwa 0,01 bis 3,0, vorzugsweise von etwa 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent, bezogen ruf das st-Ofefin,
angewandt werden. Wenn die Menge des Cokatalysators gering ist, verlangsamt sich die Reaktion, und wenn sie
zu hoch ist, erzielt man dadurch keinen weiteren Vorteil.
Das in den ersten Reaktor eingeleitete Bortrifluorid bildet mit dem Cokatalysator eine Komplexverbindung.
:5 Um eine geeignete Reaktionsgeschwindigkeit der Ollgomeri&.Mon zu erhalten, enthält die Reaktionsflüssigkeit
vorzugsweise überschüssiges Bortrifluorid über dasjenige hinaus, welches von dem Cokatalysator komplex
gebunden wird. Dies läßt sich einfach dadurch bewerkstelligen, daß man den ersten Reaktor mit gasförmigem
Bortrifluorid unter Druck setzt. Bei dieser Methode geht genügend Bortrifluorid in der Reaktionsflüssigkeit in
Lösung, um nicht nur mit dem Cokatalysator eine Komplexverbindung zu bilden, sondern auch um freies
Bortrifluorid in Lösung zur Verfügung zu stellen. Der Druck des gasförmigen Bortrifluorids wird im ersten
Reaktor zweckmäßig auf etwa 1,35 bis 36 bar oder mehr, vorzugsweise auf etwa 2,4 bis 8 bar, gehalten. Man
kann aber auch das gasförmige Bortrifluorid durch die Flüssigkeit in der ersten Stufe bei Atmosphärendruck
oder höherem Druck hindurchperlen lassen und das gasförmige Bortrifluorid Im Kreislauf führen. In der Technik
sind auch andere Verfahren zum Einleiten von Bortrifluorid in die Reaktionslösung bekannt.
Die Oligomerisation erfolgt bei an sich bekannten Temperaturen im Bereich von etwa -20 bis +900C,
vorzugsweise von etwa +20 bis 70: C. Je höher die Temperatur ist, desto schneller wird der Katalysator aufgebraucht,
und desto langsamer verläuft die Reaktion; je niedriger die Temperatur Ist, desto höher sind die Kühlkosten,
während die Reaktionsgeschwindigkeit bei den niedrigeren Temperaturen zufrledenstellena ist.
Der Kesselreaktor der ersten Stufe hat mehrere wichtige Aufgaben. Zu ihnen gehören das Innige Mischen der
Der Kesselreaktor der ersten Stufe hat mehrere wichtige Aufgaben. Zu ihnen gehören das Innige Mischen der
·»» verschiedenen Bestandteile, das Auflösen des gasförmigen Bortrifluorids und die Temperatursteuerung der
Reaktionsflüssigkeit während der exothermen Oligomerisationsreaktion. Bei dem vorliegenden Verfahren werden
. ar-Olefin und Katalysatjren kontinuierlich dem Kesselreaktor der ersten Stufe zugeführt, aus dem kontinuierlich
Reaktorflüssigkeit mit solcher Geschwindigkeit abgezogen und dem zweiten Reaktor zugeführt wird, daß der
Flüssigkeitsspiegel In dem ersten Reaktor konstant bleibt. Um die Bestandteile in dem ersten Reaktor gleichmä-
■»? Big m verteiien. ist es zweckmäßig, dafür zu sorgen, daß die verschiedenen, dem ersten Reaktor zugeführten
Bestandteile sich schnell darin verteilen, um ein Im wesentlichen homegenes Reaktionsmedium zu erhalten.
Dies erfolgt zweckmäßig durch einen von außen her angetriebenen Rührer. Eine andere Methode besteht darin,
den ganzen Reaktor mit seinem Inhalt, z. B. durch Schaukeln oder Schwingenlassen, In Bewegung zu halten; für
große Reaktoren Ii-. diese Methode jedoch nicht besonders geeignet. Auch durch Einleiten von gasförmigem
ν Bortrifluorid In den Reaktor erzielt man eine gewisse Durchmischung des Inhalts.
Ah Kesselreaktor wird hler ein Reaktor bezeichnet, dessen Hauptabmessungen einander ähnlich sind, damit
sich Zusammensetzung und Temperatur der Reaktionsflüssigkeit homogen halten lassen. Vorzugswelse Ist der
Reaktor daher so gebaut, daß das Verhältnis der größten Aomessung des Reaktors zu seiner kleinsten Abmessung,
z. B. üas Verhältnis von Höhe zu Durchmesser oder umgekehrt, nicht mehr als !0: 1 beträgt. Insbesondere
Ist es Im Interesse der wirksamsten Arbeitsweise des Verfahrens gemäß der Erfindung zweckmäßig, daß
das Verhältnis der größten Abmessung zu der kleinsten Abmessung des Reaktors nicht mehr als etwa 5 : 1 und
In besonders bevorzugter Weise nicht mehr als 2,5 : 1 beträgt. Jeder Kesselreaktor arbeitet mit einem für seine
gute Funktion geeigneten FlüsslgKeltssplegel, und jeder Reaktor Ist vn^ugswelse mit einer Rührvorrichtung
versehen.
μ Die exotherme OUgomerlsatlönsreaktlon wird zweckmäßig Im ersten Reaktor durch den Verdünnungssffekt
gesteuert, den die Reaktorflüsslgkelt auf das zuströmende z-Olefln ausübt. Wenn zwecks Tamperrtui steuerung
eine stärkere Verdünnung erwünscht ist, kann man das Flüssigkeitsvolumen des Reaktors vergrößern, die
Zufuhrgeschwindigkeit vermindern oder zu dem Reaktor zusammen mit der cr-Oleflnbeschlckung ein Inertes
Verdünnungsmittel zusetzen. Die Temperatursteuerung wird auch zweckn.üßlg mit Hilfe von Wärmeaustausch-
'■5 vorrichtungen durchgeführt, die dem ersten Reaktor zugeordnet sind. Verschiedene Faktoren, die den Grad der
Oligomerisation I:: diesem Reaktor der ersten Stufe beeinflussen, sind die mittlere Verweilzelt der Reaktionsflüssigkeit
In dem Reaktor, bestimmt durch das In dem Reaktor enthaltene Flüssigkeitsvolumen, dividiert durch die
Strömungsgeschwindigkeit der dem Reaktor zugeführten und der aus dem Reaktor abgezogenen Stoffe, und die
Reaktionsgeschwindigkeit, die Ihrerseits von Faktoren, wie der Katalysalorkonzentratlon, der Konzentration an
Decen-(l) und der Temperatur, abhängt.
Ein Strom von Reaktlonsflüsslgkelt wird kontinuierlich aus dem ersten Reaktor abgezogen und In den zweiten
Reaktor eingeleitet, der entweder ein Rolureaktor oder ein zweiler Kesselreaktor sein kann. Diese Reaktlonsflusslgkelt
enthält Ollgomere, or-Olefln, Bortrlfluorld-Komplexverblndung und In Lösung befindliches Bortrlfluorid.
In dem zweiten Reaktor schreitet die Ollgomerlsatlonsreaktlon welter fort. Vorzugswelse Ist der zweite Kesselreaktor
mit einer Rührvorrichtung versehen, um die homogene Beschaffenheit des Inhalts zu gewährleisten.
Wenn keine weiteren, nachgeschalteten Kesselreaktoren verwendet werden, läßt sich der Gesamtumwandlungsgrad
erhöhen, Indem man das Verhältnis von Reaktlonsfiüsslgkell In dem zweiten Kesselreaktor zu derjenigen
In dem ersten Reaktor vergrößert. Bei dieser Reihenanordnung von Reaktoren soll das Verhältnis des Reaktor- κ
volumens In jedem nachgeschalteten Kesselreaktor zu demjenigen Im ersten Reaktor zwischen etwa 1 : 5 und
10 : 1, Insbesondere zwischen etwa 1 : 2 und 5:1, liegen. Wenn man mit drei oder einer noch größeren Anzahl,
Im allgemeinen bis maximal fünf oder sechs hlnterelnandergeschalteten Kesselreaktoren arbeitet, können diese
Reaktoren zweckmäßig Im wesentlichen die gleiche Bauart aufweisen. Wenn man nur mit zwei Reaktoren arbeitet,
kann es von Vorteil sein, wenn der zweite Kesselreaktor ein wesentlich größeres Volumen aufweist als der ι:
erste Reaktor, well man auf diese Welse einfacher erreicht, daß sich In dem zweiten Reaktor der größere Teil
der Gesamtreaktion abspielt. Die Reaktoren können bei gleicher Temperatur oder unterschiedlichen Temperaturen
arbeiten*, am praktischsten ist es jedoch, vile Reaktoren be! der gleichen Tcrripcrutür cdcr ähnlicher*
Temperaturen arbeiten zu lassen.
Vorzugswelse Ist der Rohrreaktor In bezug auf seine Länge und sein Fassungsvermögen so gebaut, daß sich 2<
das Verfahren Im Bedarfsfalle bis zu einer vollständigen Umwandlung durchführen läßt. Als Rohrreaktor wird
hler ein Reaktor bezeichnet, dessen Länge viel größer Ist als sein Querschnitt, so daß die Zusammensetzung der
strömenden, reagierenden Flüssigkeit In verschiedenen Teilen des Rohres verschieden Ist. Wenn dieser Rohrreaktor
einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, braucht seine Länge nur etwa das ISfache seines Durchmessers
zu betragen, vorausgesetzt, daß sich eine Rückvermischung In dem den Reaktor durchströmenden Inhalt vermelden
läßt; vorzugsweise beträgt die Länge jedoch mindestens etwa das lOOfache und Insbesondere mindestens
etwa das lOOOfache des Durchmessers. Die höheren Verhältnisse von Länge zu Durchmesser werden
bevorzugt, um das Ausmaß der Ruckvermischung der durch den Rohrreaktor strömenden Flüssigkeit zu
vermindern und d'n Wärmeaustausch mit der Kühlflüssigkeit zu verbessern. Unabhängig davon, ob der Rohrreaktor
eine ovale, quadratische oder anderweitige Querschnittsform aufweist, gilt das gleiche uügemelne Prinzip. -"
Die Temperatur in dem Rohrreaktor kann die gleiche sein wie In dem ersten Reaktor, sie ka;vn aber auch höher
oder niedriger sein als diejenige Im ersten Reaktor; es Ist jedoch am praktischsten, die beiden Reaktoren bei der
gleichen Temperatur oder ähnlichen Temperaturen arbeiten zu lassen.
Es wurde gefunden, daß das Verhältnis von Trimerem zu Tetramerem mit steigendem Umwandlungsgrad In
beiden Reaktoren abnimmt, daß diese Abnahme aber In dem zweiten und den gegebenenfalls weiteren nachge- 3!
schalteten Reaktoren geringer Ist als Im ersten Reaktor. Es wurde ferner gefunden, daß bei einem gegebenen
Umwandlungsgrad das Verhältnis von Trimerem zu Tetramerem In dem zweiten Reaktor und etwaigen nachgeschalteten
Reaktoren höher Ist als Im ersten Reaktor. Auf Grund dieser Feststellungen gelingt es, das Verhältnis
von Trimerem zu Tetramerem Innerhalb eines beträchtlichen Bereichs zu steuern, indem man den prozentualen
Anteil an dem Gesamtumwandlungsgrad von a-Olefin zu Oligomeren variiert, der auf die erste Stufe entfällt, -te
Bei praktisch vollständiger Gesamtumwandlung wird das Verhältnis von Trimerem zu Tetramerem erhöht,
wenn der prozentuale Umwandlungsgrad Im ersten Reaktor vermindert und der prozentuale Umwandlungsgrad
Im zweiten Reaktor und etwaigen nachgeschalteten Reaktoren vergrößert wird. Das Verhältnis von Trimerem zu
Tetramerem läßt sich bei niedrigem Umwandlungsgrad Im ersten Reaktor noch welter erhöhen, wenn das
Ausmaß der Umwandlung Im zweiten Reaktor und etwaigen nachgeschalteten Reaktoren ebenfalls herabgesetzt
wird. Dieses Verfahren einer unvollständigen Gesamtumwandlung wird jedoch weniger bevorzugt, wenn durch
wesentliche Mengen an nlchtumgesetztem or-Olefln abgetrennt und Im Kreislauf geführt werden müssen, es sei
denn, die Nachfrage nach einem sehr hohen Verhältnis von Trimerem zu Tetramerem rechtfertige diese zusätzlichen
Unkosten.
Das relative Ausmaß der Umwandlung im Reaktor der ersten Stufe läßt sich nach verschiedenen Methoden 5C
steuern, die allein oder in Kombination angewandt wenden können. Eine vorteilhafte Methode, die sich besonders
für einen verhältnismäßig großen Reaktor eignet, ist die Erhöhung oder Verminderung des Flüssigkeitsspiegels Im ersten Reaktor ohne wesentliche Änderung der GesamtdurchsatzgeschwlndJgkelt. Wenn der Spiegel
(d. h. das Volumen) der Flüssigkeit Im Reaktor bei konstanter Zuführungsgeschwindigkeit erhöht wird, steigt
der prozentuale Umwandlungsgrad Im ersten Reaktor, und wenn er vermindert wird, sinkt der prozentuale
Umwandlungsgrad. Der Umwandlungsgrad In der ersten Stufe läßt sich auch dadurch steuern, daß man die
Strömungsgeschwindigkeit durch den ersten Reaktor bei konstantem Flüssigkeitsvolumen ändert; je höher die
Strömungsgeschwindigkeit Ist, desto niedriger Ist der Umwandlungsgrad. Diese Methode hat aber den Nachteil,
daß dadurch auch die Strömungsgeschwindigkeit durch den nachgeschalteten Reaktor geändert wird, was den
Gesamtumwandlungsgrad beeinflussen kann, besonders wenn die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird. Der «J
prozentuale Umwandlungsgrad Im ersten Reaktor läßt sich auch durch Verminderung der Reaktionsgeschwindigkeit
steuern, und dies kann herbeigeführt werden, Indem man die Menge an Cokatalysator und mithin die
Menge an katalytischer Komplexverbindung unter den optimalen Wert herabsetzt. Bei dieser Methode kann
jedoch der Zusatz von Cokatalysator zur Beschickung des zweiten Reaktors erforderlich sein, wenn die Anlage
wirksam ausgenutzt werden soll.
Eine andere Methode zur Verminderung des Umwandlungsgrades Im ersten Reaktor 1st der Zusatz eines inerten
Verdünnungsmittels zu der Beschickung des ersten Reaktors. Vorzugsweise verwendet man ein Inertes
Verdünnungsmittel, das sich leicht von den Produkten und dem nichtumgesetzten a-Olefin trennen läßt.
/weckmäßig ζ. B. einen Kohlenwasserstoff, wie Pentan, Hexan und Heptan. Diese Methode des Inerten Verdünnungsmittels
wird jedoch weniger bevorzugt, well das Verdünnungsmittel abgetrennt werden muß, so daß die
Anlage weniger wirksam ausgenutzt wird. Andererseits kann der Zusatz eines Inerten Verdünnungsmittels die
Temperatursteuerung In der ersten Stufe durch seine VerdUnnungswlrkung In günstiger Welse erleichtern.
< Zweckmäßig verwendet man jedoch das Inerte Verdünnungsmittel In Mengen von nicht mehr als 80 und
vorzugsweise nicht mehr als 50 Gewichtsprozent der gesamten Reaktlonsflüsslgkelt. Es Ist gelungen, das Ver- ;
fahren in sehr wirksamer Welse ohne Inertes Verdünnungsmittel durchzuführen.
Bei rier Durchführung des Verfahrens braucht der auf den ersten Reaktor entfallende prozentuale Anteil der ;
Gesamtumwandlung nur etwa 15% zu betragen; ein Umwandlungsgrad von mindestens etwa 30% wird jedoch ■;
i" bevorzugt und ein solcher von mindestens etwa 40% wird Im Interesse der wirksamen Durchmischung und
Wärmezerstreuung In der ersten Stufe noch stärker bevorzugt. Der auf die erste Stufe entfallende prozentuale f;j
Anteil an der gesamten Umwandlung kann sogar 90% betragen; ein Maximum von etwa 80% wird für die Erzeu- β
gung eines weniger zähflüssigen Produktes bei hohem Umwandlungsgrad bevorzugt, und noch geringere |ι|
Umwandlungsgrade In der ersten Stufe wirken sich günstig auf die Erhöhung des Verhältnisses von Trlmerem ^
zu Tetramerem aus. Wenn ein hoher Umwandlungsgrad hinter dem ersten Reaktor erzielt werden soll, kann
man die zweite Stufe In zwei oder mehr Kesselreaktoren oder In einem Rohrreaktor von geeigneter Länge f,j
durchführen. Wenn ein verminderter Umwandlungsgrad In der zweiten Stufe erwünscht Ist, können die zusatz- ^
liehen Kesselreaktoren der zweiten Stufe gegebenenfalls umgangen werden. ^i
Im allgemeinen wird das Verfahren Im Interesse der wirksamsten Arbeltswelse vorzugsweise mit praktisch fj
-" vollständiger Gesamtumwandlung durchgeführt. Wenn jedoch sehr hohe Verhältnisse von Trlmerem zu Tetra- j |
merem erzielt werden sollen, kann man den Gesamtumwandlungsgrad bis auf 50% oder darunter herabsetzen ; j
und das nlchtumgesetzte «-Olefin abtrennen und Im Kreislauf führen. Wenn möglich, führt man das ■.\
gewünschte Verhältnis von Trlmerem zu Tetramerem gewöhnlich vorzugsweise dadurch herbei, daß man den M
Anteil an der Gesamtumwandlung, der auf den ersten Reaktor entfällt, bei verhältnismäßig hohem Gesamtum- ;|
wandlungsgrad gemäß der Erfindung einregelt. *i
Gewöhnlich wird das Dlmere aus dem erhaltenen Ollgomerengemisch Im wesentlichen entfernt, damir'dle
Arbeltsfl^sslgkelt bei der Verwendung keinen Verlust durch Verdampfung erleidet. Für gewisse Anwendungszwecke,
z. B. wenn das Produkt bei tiefen Temperaturen oder In einem geschlossenen System verwendet werden
soll, kann man eine wesentliche Menge an Dlmerem Im Endprodukt belassen, vorausgesetzt, daß das Produkt
der Vlscosltätsnorm genügt. Da dieses Dlmere aber die Vlscosltät des Produktes beeinflußt, muß bei dem
Gesamtverhältnis von Trlmerem zu Tetramerem, das bei dem Verfahren erzielt werden soll, die Menge an
Dlmerem In Betracht gezogen werden, die gegebenenfalls Im Endprodukt verbleibt. Die geringen Mengen von
Pentamerem und etwaigen höheren Oilgomeren, die sich bei dem Verfahren bilden, verbleiben Im allgemeinen
In dem Produkt. Obwohl der Anteil der Fraktion, die aus dem Pentameren und höheren Oilgomeren besteht, an
dem gesamten Ollgomerenprodukt Im allgemeinen weniger als 15% beträgt, hat diese Fraktion doch einen
bedeutenden Einfluß auf die Vlscosltät des Produkts. Diese Fraktion besteht überwiegend aus Pentamerem und
enthält nur eine geringe menge Hcxamcfcs und möglicherweise Heptarncrcs.
Um das ollgomere Produkt gegen oxidierenden Abbau zu schützen, wird es vor oder nach dem Entfernen des
Dlmeren hydriert. Vorzugswelse erfolgt die Hydrierung vor dem Entfernen des Dlmeren, da das hydrierte
Dlmere selbst gewerblich verwertbar Ist. Die Hydrierung erfolgt zweckmäßig mit Hilfe der üblichen Katalysatoren,
wie Palladium, Platin und Nickel bei erhöhten Temperaturen und Drücken.
Beispiele 1 bis 6 (Vergleich)
Eine Versuchsreihe wird in einem Ruhrkesselreaktor bei verschiedenen Umwandlungsgraden des zugeführten
Decens-(l) durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe werden mit denjenigen einer anderen Versuchsreihe
verglichen, die nach einem mehrstufigen Verfahren mit zwei hinterelnandergeschalteten Rührkesselreaktoren
durchgeführt wird.
In der ersten Versuchsreihe wird ein Reaktor mit einem effektiven Volumen von 580 cm verwendet, der mit
einem von außen angetriebenen Schaufelrührer, der den Reai torinhalt stark In Bewegung hält, und einer Inneren
Kühlschlange ausgestattet Is;. Die Decen-( 1 !-Beschickung enthält 2% nichtreaktionsfähige Verunreinigungen.
Durch Zuführung eines Stroms dieses Decens-(l) und eines zweiten Stroms von Decen-(1), der 0,6 Gewlchtsprozentn-Butanol
enthält, wird der Rührkesselreaktor zu etwa 60% seines effektiven Volumens gefüllt.
Der Reaktor wird mit gasförmigem Bortrlfluorid unter einem konstanten Druck von 3,4 atü gehalten. Beim Betrieb
Im stationären Zustand wird die Temperatur In dem Rührkesselreaktor auf 43" C gehalten. In jedem
Versuch wird die Reaktionsgeschwindigkeit du'ch Variieren der Zuführungsgeschwindigkeiten der beiden
Beschickungsströme bei einer praktisch konstanten Gesamtflüssigkeltszuführungsgeschwindlgkelt von etwa
1300 ± 100 cmVh variiert, indem auf diese Welse die Gesamtmenge des dem Reaktor zugeführten n-Butanols
ω variiert wird. Die Ergebnisse dieser Versuche, die Zusammensetzung der Produkte und die Umwandlungsgrade
sind In Tabelle I angegeben.
Beispiel (Vergleich) |
% Um- wandlungii- grad |
Cjo | Cj0 | C40 | C50 | Cjo ' C41} |
1 | 52,7 | 24,1 | 58,8 | 14,4 | 2.7 | 4,08 |
2 | 57,5 | 19,0 | 56,7 | 18,8 | 5,5 | 3,01 |
3 | 60,0 | 14,0 | 59,5 | 21,0 | 5,5 | 2,83 |
4 | 76,6 | 16,9 | 49,9 | 34,1 | 9,1 | 1,46 |
5 | 83,4 | 5,2 | 42,6 | 41,4 | 10,9 | 1,02 |
6 | 90,5 | 3,8 | 35,1 | 48,0 | 13,1 | 0.73 |
Beispiele 7 bis 13
Diese Versuchsreihe wird In zwei Rührkesselreaktoren durchgeführt, wobei der Produktstrom des ersten
Reaktors unmittelbar dem zweiten Reaktor zugeführt wird. Der erste Reaktor ;st ein 1-Llier-Reaktor. dessen
Inneres Volumen beim Arbeiten Im stationären Zustand zur Hälfte mit Reaktorflüssigkelt gefüllt Ist. Der zweite
Reaktor hat ein Volumen von 500 cm! und Ist beim Arbeiten im stationären Zustand voll. Über der Flüssigkeit
In dem ersten Reaktor wird mit Hilfe von gasförmigem Bortrlfluorld ein Druck von 4,4 bar aufrechterhalten,
und die Flüssigkeit In beiden Reaktoren wird auf einer Temperatur zwischen 49 und 54,5° C gehalten. Die Reaktionsgeschwindigkeit
wird ebenso, wie bei den vorhergehenden Versuchen, variiert, während die Gesamtzuführungsgeschwlndigkelt
von Decen-(I) zum ersten Reaktor bei etwa 2 l/h konstant gehalten wird, woraus sich eine
mittlere Verweilzelt von etwa 15 Minuten In jedem Reaktor ergibt. Die Umwandlungsgrade und die Zusammensetzungen
der aus dem zweiten Reaktor abgezogenen Produkte ergeben sich aus Tabelle II.
Tabelle II | % Um- uran/lliinac. |
C20 | Cx | 14,2 | C5O | 3,92 |
Beispiel | grad | 17,3 | 3,3 | |||
57,6 | 28,5 | 55,6 | 21,2 | 1,7 | 2,6 | |
7 | 70,4 | 20,6 | 56,8 | 27,7 | 5,3 | 2,0 |
8 | 78,3 | 16,9 | 56,1 | 30,7 | 5,9 | 1,8 |
9 | 83,5 | 11,5 | 54,5 | 45,2 ' | 6,3 | 0,9 |
10 | 88,2 | 9,5 | 54,1 | 51,3 | 5,7 | 0,6 |
11 | 96,0 | 5,6 | 39,4 | 9,8 | ||
12 | 98,7 | 3,6 | 31,6 | 13,5 | ||
13 | ||||||
Vergleicht man z. 8. die Ergebnisse des Beispiels 2 mit denjenigen des Beispiels 7. und die Ergebnisse des
Beispiels 5 mit denjenigen des Beispiels 10, so ergibt sich aus diesen Versuchen, daß das Verhältnis von Trtmerem
zu Tetramerem bei dem mehrstufigen Verfahren bei dem gleichen Gesamtumwandlungsgrad wesentlich
höher und der Pentamergehalt wesentlich geringer Ist; beide Umstände tiagen zu einer Verringerung der Viscosltät
des Produkts bei. Die mehrstufige Reaktorkombination gemäß der Erfindung stellt also eine sehr wertvolle
Methode dar, um die Zusammensetzung des Oligomerengemlsches und damit die Viscosltät des Produkts zu
steuern. Indem man den Anteil an der Gesamtumwandlung, der auf jede der Verfahrensstufen entfällt, und
auch den Gesamtumwandlungsgrad steuert. __
Beispiele 14 bis 19
Ein erststufiger Reaktor mit einem effektiven Volumen von 580 cm3 wird mit einem von außen angetriebenen
SchaufelrOhrer, der den Reaktorinhalt In starker Bewej: ing hält, und inneren Kühlschlangen ausgestattet.
Die Ausiaßleltung von diesem Reaktor führt unmittelbar zu einem Rohrschlagenreaktor von 6,4 mm lichter
Weite, 9,15 m Länge und 290 cm3 Volumen. Dieser Rohrreaktor taucht In ein temperaturgesteuertes Bad ein.
In dieser Versuchsreihe wird als a-Olefln gereinigtes Decen-(1) verwendet, das etwa 2% an nlchtreaktions-
fähigen Verunreinigungen enthält. Ein Strom dieses Decens-(l) und ein zweiter Strom von Decen-(l), der 0,o
Gewichtsprozent n-Butanol enthalt, wird In den Rührkesselreaktor eingeleitet, so daß dieser zu 60% seines effektiven
Volumens gefüllt wird. Dieser Reaktor wird durch gasförmiges Bortrlfluorld unter einem konstanten
Druck von 4,4 bar gehalten. Beim Beirieb Im stationären Zustand wird der Rührkesselreaktor auf 43° C gehalten,
während die Temperatur Im Rohrrcakior auf 49° C gehalten wird. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird In
jedem Versuch durch Variieren der Strömungsgeschwindigkeiten der beiden Beschickungsströme bc' einer praktisch
konstanten Gesamtflüssigkeltszuführungsgeschwindlgkelt von etwa 1300 ± 100 cm'/h abgeändert. Indem
auf diese Welse die Gesamtmenge des dem Reaktor zugeführten n-Butanols variiert wird. Die Ergebnisse dieser
Versuchsreihe finden sich In Tabelle 111.
Tabelle | III | 52,7 | C | C,o | C,„ | C3O | C40 | C50 | C30 : C10 |
Beispiel Kesselreaktor, %
(Vergleich) Um. wandlungs- grad |
57,5 | 24,1 | 58,8 | 14,4 | 55,6 | 16,8 | 2,7 | 4,08 | |
1 | 60,0 | 19,0 | 56,7 | 18,8 | 56,6 | 19,1 | 5,5 | 3,01 | |
2 | 76,6 | 14,0 | 59,5 | 21,0 | 57,3 | 22,9 | 5,5 | 2,83 | |
3 | 83,4 | 6,9 | 49,9 | 34,1 | 47,3 | 35,6 | 9,1 | 1,46 | |
4 | 90,5 | 5,2 | 42,6 | 41,4 | 39,9 | 43,0 | 10,9 | 1,02 | |
5 | III (Fortsetzung) | 3,8 | 35,1 | 48,0 | 39,5 | 44,5 | 13,1 | 0,73 | |
6 |
Rohrreaktor, %
Umwandlungsgrad Kessel Rohr |
||||||||
Tabelle | 52,7 25,3 |
Ins
gesamt |
CM | C50 |
4
C30 '. L-40 |
||||
Beispiel | 57,5 28,9 | 78,0 | 22,8 | 4,7 | 3,31 | ||||
14 | 60,0 30,2 | 86,4 | 18,5 | 5,8 | 2,96 | ||||
15 | 76,6 19,8 | 90,2 | 14,0 | 5,8 | 2,50 | ||||
16 | 83,4 14,2 | 96,4 | 7,4 | 9,8 | 1,33 | ||||
17 | 90,5 7,3 | 97,6 | 5,5 | 11,6 | 0,93 | ||||
18 | 97,8 | 3,7 | 12,3 | 0,89 | |||||
19 |
Vergleicht man die Ergebnisse des Beispiels 4 mit denjenigen des Beispiels 14 und die Ergebnisse des
Beispiels 6 mit denjenigen des Beispiels 16, so ergibt sich aus diesen Versuchen, daß bei Anwendung des mebrstufigen
Verfahrens für jeden gegebenen Gesamtumwandlungsgrad das Verhältnis von Trimerem zu Tetramerem
wesentlich höher und der Pentamergehalt wesentlich niedriger 1st, als wenn man das Verfahren bei dem
gleichen Gesamtumwandlungsgrad in einem einzigen Kesselreaktor kontinuierlich durchführt; beide Faktoren
tragen zur Verminderung der Vlscosltät des Produkts bei.
Durch diese Beispiele Ist nachgewiesen, daß die mehrstufige Reaktorkombination gemäß der Erfindung eine
wertvolle Methode zur Steuerung der prozentualen Zusammensetzung des Ollgomerengemlsches und damit der
Vlscosität des Produktes an die Hand gibt, indem einerseits der auf jede Verfahrensstufe entfallende Anteil an
der Gesamtumwandlung und andererseits der Gesamtumwandlungsgrad gesteuert werden.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von Oligomerengemlschen, die ein gesteuertes Verhältnis der Oligomeren,
vorzugsweise Trimeren und Tetrameren, enthalten, durch kontinuierliches Oligomerisieren eines cr-Olefins
mit etwa 5 bis 14 Kohlenstoffatomen Im Molekül oder eines Gemisches solcher ar-Oleftne vorzugsweise von
Decen-(1) oder eines Gemisches aus Decen-(1) und bis zu 50 Molpiozent Octen-(1) und/oder Dodecen-(1) in
einem Kesselreaktor In Gegenwart einer katalytischen Menge an Bortrlfluorld und einem Cokatalysator, der
mit Bortrifluorid eine Komplexverbindung bildet, und kontinuierliches Abziehen eines teilweise ollgomerisierten
Produktstromes aus dem homogenen Reaktionsgemisch, dadurch gekennzeichnet, daß man
den Produktstrom In einem oder mehreren zusätzlichen Reaktoren einer weiteren Ollgomerisationsrekation
unterwirft, indem man in der Reihe der Reaktoren, bei denen das Verhältnis des Volumens des ersten Reaktors
zu dem Volumen eines jeden der nachgeschalteten Reaktoren etwa 5:1 bis 1:10 beträgt, die gleiche
Temperatur oder unterschiedliche geeignete Temperaturen aufrechterhält und einen Gesamturnwandlungsgrad
von «-Olefinen zu Oligomeren in allen Verfahrensstufen zusammen zwischen etwa 50 und 100» erzielt,
wobei dessen prozentuales Verhältnis im ersten Reaktor zu dem im bzw. in den nachgeschalteten ReaktoKen)
zwischen etwa 90 : 10 und 15 : 85 liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der prozentuale Umwandlune^grad von
ar-OIeflnen zu Oligomeren im ersten Reaktor zu dem im bzw. in den nachgeschalteten Reaktoren) Im Verhältnis
zwischen etwa 80 : 20 und 30 : 70 Hegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die weitere Ollgomerisierungsaktion in
einem Kesselreiiktor bzw. in Kesselreaktoren durchführt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Volumens des ersten
Reaktors zu dem Volumen eines jeden der nachgeschalteten Reaktoren etwa 2 : 1 bis 1 : 5 beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die weitere Oligomeri&ierungsreaktion in
-5 einer Reihe aus einem oder mehreren Kesselreaktoren und einem Rohrreaktor als letztem Reaktor durchführt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Rohrreaktor mit einem Verhältnis
von Länge zu Durchmesser von mindestens etwa 100 : 1 verwendet.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man einem Rohrreaktor mit einem Verhält-
-"> nls von Länge zu Durchmesser von mindestens etwa 1000 : 1 verwendet.
Applications Claiming Priority (2)
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