DE69107197T2 - Verfahren zum umsatz von ethylen in leichte alpha-olefine. - Google Patents
Verfahren zum umsatz von ethylen in leichte alpha-olefine.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oligomerisierung von Ethylen in leichte Alpha-Olefine, hauptsächlich in 1-Buten, 1-Hexen und 1-Octen.
- Im US Patent 2 943 125 hat K. Ziegler ein Dimerisierungsverfahren von Ethylen in 1-Buten mittels eines Katalysators beschrieben, der durch Vermischung von Trialkylaluminium und einem Tetraalkoholat von Titan oder Zirkonium erhalten wurde; während der Umsetzung bildet sich auch eine bestimmte Menge Polyethylen von hohem Molekulargewicht, welches die Durchführung beträchtlich behindert. Mehrere Verbesserungen wurden vorgeschlagen, um den Prozentsatz des Polymeres zu verringern, insbesondere im US Patent 3 686 350, welches die Anwendung organischer Verbindungen von Phosphor in Verbindung mit den Katalysatorelementen vorschlägt, im US Patent 4 101 600, welches die Behandlung des Katalysators mit Wasserstoff beschreibt oder im US Patent 3 879 485, welches die Verwendung verschiedener Ether als Lösungsmittel im Reaktionsmedium beansprucht.
- Die Oligomerisierung von Ethylen zu Alpha-Olefinen mit verschiedenen Molekulargewichten ist seit den Jahren 1960-1965 bekannt. Im Zusammenhang mit Verfahren, welche eine stoechiometrische Kettenwachstumsreaktion ins Spiel bringen, bespielsweise ausgehend von einer Organo-Aluminiumverbindung, wurden verschiedene katalytische Verfahren gefunden, welche sich verschiedener Metalle bedienen, wie Titan, Zirkonium, Chrom, Nickel oder die seltenen Erden, welche am häufigsten in Rezepturen vom Ziegler-Typ verwendet werden. Alle diese Verfahren liefern Mischungen von Oligomeren mit einer Kohlenstoffzahl, die in großem Umfang variieren kann und die zwischen 4 und 30 oder sogar über 30 liegt. Diese Mischungen eignen sich für die Verwendungen gut, soweit sie in diese Oligomere übergegangen sind (Plastifizierungsmittel, insbesondere Detergentien).
- Seit einigen Jahren ist eine wachsende Nachfrage an niedrigen Oligomeren aufgetaucht, im wesentlichen 1-Buten, 1-Hexen und 1-Octen, welche ihre Verwendung als Comonomere mit Ethylen in der Herstellung von linearem Polyethylen mit niedriger Dichte finden.
- Es wurde jetzt gemäß der vorliegenden Erfindung gefunden, daß die Katalysatoren, welche durch Vermischen wenigstens einer besonderen Aluminiumverbindung mit wenigstens einer vorgefertigten Mischung wenigstens eines Ethers und wenigstens eines Alkylzirkonates erhalten werden, eine unerwartete Selektivität für die Bildung niederer Oligomere, hauptsächliche 1-Buten, 1- Hexen und 1-Octen zeigen.
- Die Erfindung betrifft auch ein verbessertes Verfahren zur Umwandlung von Ethylen in leichte Alpha-Olefine, worin Ethylen mit wenigstens einem Katalysator in Kontakt gebracht wird, der durch Umsetzung einer vorgefertigten Mischung aus Alkylzirkonat und Ether, in einem Ether-Zirkonat-Molverhältis von 0,5:1 bis 10:1, mit wenigstens einer Aluminiumverbindung der allgemeinen Formel AlRnX3-n, in welcher R einen Kohlenwasserstoffrest bedeutet, X ein Chlor- oder Bromatom und n eine Zahl zwischen 1 und 2 ist, erhalten wird.
- Die Ether werden so in einem molaren Verhältis von 0,5 bis 10, bevorzugt von 1 bis 4, insbesondere von 2 bis 3 Mol Ether pro Mol Alkylzirkonat verwendet. Ohne mit irgendeiner Theorie verbunden zu sein, kann man denken, daß sich der Ether mit dem Zirkoniumatom komplexiert, was die Hexacoordination erlaubt, welche Zirkonium anderenfalls nur durch Autoassoziierung verwirklicht.
- Die in der Erfindung verwendeten Ether können Monoether oder Polyether sein. Man verwendet bevorzugt Monoether, wie beispielsweise Diethylether, Diisoamylether, Methyl-t-butylether, Tetrahydrofuran.
- Die in der Erfindung verwendeten Alkylzirkonate entsprechen gewöhnlich der allgemeinen Formel Zr(OR')4, worin R' ein linearer oder verzweigter Alkylrest ist, der bevorzugt 2 bis 8 Kohlenstoffatome umfaßt. Man kann beispielsweise Tetraethylzirkonat, Tetra-n-propylzirkonat, Tetra-n-butylzirkonat, Tetra-2- ethylhexylzirkonat verwenden.
- Die in der Erfindung verwendeten Aluminiumverbindungen werden durch die allgemeine Formel AlRnX3-n dargestellt, worin R ein Kohlenwasserstoffrest, bevorzugt ein Alkylrest ist, der 2 bis 6 Kohlenstoffatome umfaßt, X ein Chlor- oder Bromatom ist, bevorzugt ein Chloratom und n eine Zahl ist, die zwischen 1 und 2 liegt (n kann namentlich 1 oder 2 sein). Man kann beispielhaft Chlordiethylaluminium, Dichlorethylaluminium, das Sesquichlorid von Ethylaluminium und deren Mischungen erwähnen.
- Die Bestandteile des Katalysators können in Gegenwart eines Kohlenwasserstoffes, beispielsweise einem gesättigten Kohlenwasserstoff wie Hexan oder Heptan und/oder einem oder den Unterprodukten der Oligomerisierung wie die Decene, Dodecene oder den höheren Oligomeren in Kontakt gebracht werden.
- Das Molverhältnis zwischen Aluminiumverbindung und Alkylzirkonat beträgt etwa 1:1 bis 30:1, bevorzugt etwa 5:1 bis 20:1. Die Konzentration von Zirkonium in der so hergestellten katalytischen Lösung liegt vorteilhaft zwischen 10&supmin;&sup4; und 0,5 Mol pro Liter und bevorzugt zwischen 2.10&supmin;³ und 0,1 Mol pro Liter. Die Temperatur, bei welcher die Umsetzung der vorgefertigten Mischung aus Alkylzirkonat und Ether mit der Aluminiumverbindung durchgeführt wird, liegt gewöhnlich zwischen -10 und +50ºC, bevorzugt zwischen 0 und +40ºC und ist beispielsweise gleich der Umgebungs- bzw. Raumteinperatur (15 bis 25ºC). Diese Umsetzung kann unter einer Atmosphäre von Inertgas oder Ethylen bewirkt werden.
- Die so erhaltene katalytische Lösung kann wie sie ist verwendet werden oder sie kann durch Zugabe der Reaktionsprodukte verdünnt werden.
- Gemäß einer besonderen Ausführungsform der diskontinuierlichen katalytischen Oligomerisierungsreaktion führt man ein ausgewähltes Volumen der katalytischen Lösung, die wie oben beschrieben hergestellt ist, in einen Reaktor ein, der mit gewöhnlichen Rührsystemen und Kühlung ausgestattet ist, dann setzt man durch Ethylen unter einen Druck, der gewöhnlich zwischen 0,5 und 10 MPa, bevorzugt zwischen 1 und 6 MPa liegt; man hält die Temperatur im allgemeinen zwischen 20 und 80ºC, bevorzugt zwischen 40 und 75ºC. Man speist den Oligomerisierungsreaktor durch Ethylen unter konstanten Druck, bis das Gesamtvolumen des Flüssigproduktes das 2 bis 50-fache Volumen der einfach eingeführten katalytischen Lösung darstellt. Man zerstört dann den Katalysator, beispielsweise durch Zugabe von Wasser und man läßt die Produkte der Umsetzung und das mögliche Lösungsmittel ab und trennt sie auf.
- Im Falle der kontinuierlichen Arbeitsweise ist die Durchführungsform bevorzugt die folgende: Die katalytische Lösung wird zur selben Zeit wie Ethylen in einen durch klassische mechanische Mittel oder durch eine äußere Rezirkulierung gerührten Reaktor eingespritzt. Die Temperatur wird zwischen 20 und 80ºC, bevorzugt zwischen 40 und 75ºC gehalten und der Druck kann ausreichend sein, damit sich alle Verbindungen in flüssiger Phase befinden; gemäß den Umsätzen von Katalysator und Ethylen kann dieser Druck zwischen 0,5 und 10 MPa enthalten sein. Durch ein Druckminderventil, das den Druck konstant hält, strömt ein Teil der Reaktionsmischung, in einem Massenumsatz, der dem Massenumsatz der eingeführten Flüssigkeiten entspricht. Das so entspannte Fluid wird in ein Destillierkolonnensystem eingeführt, welches die Abtrennung der Oligomere vom Ethylen einerseits, Ethylen, das in den Reaktor zugeführt werden kann, und dann andererseits der Oligomere untereinander erlaubt. Die schweren Produkte, welche den Katalysator enthalten, können verascht werden.
- Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
- In einen Autoklaven aus rostfreiem Stahl mit einem Volumen von 250 ml, der doppelwandig ausgerüstet ist, um die Temperatur durch Wasserumlauf zu regeln, führt man nacheinander unter Argonatmosphäre und bei Umgebungstemperatur ein: 0,79 mmol (d.h. 0,79.10&supmin;³ Mol) Tetra-n-butylzirkonat Zr(OBU)&sub4; und 1,58 mmol Tetrahydrofuran in 50 ml n-Heptan gelöst, dann 4,4 mmol Ethylaluminiumsesquichlorid, ebenfalls in Lösung in 50 ml n- Heptan.
- Nach einigen Minuten der Umsetzung wird die Temperatur auf 60ºC gebracht, wobei in den Autoklaven Ethylen bei einem konstanten Druck von 4 MPa eingeführt wird (der Druck wird auf diesem Wert gehalten, indem ergänzend nach und nach Ethylen, das verbraucht ist, eingeführt wird).
- Nach 60 Minuten der Umsetzung wird die Zufuhr von Ethylen beendet und der Katalysator wird durch Einspritzen unter Druck von 2 ml Wasser zerstört; man hat insgesamt 70 g Ethylen verbraucht.
- Die Zusammensetzung der erhaltenen Produkte ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Man gewinnt u.a. 0,55 Gew% festes Polymer, bezüglich verbrauchtem Ethylen.
- In der selben Vorrichtung, wie jener, die in Beispiel 1 verwendet wurde und unter den selben Bedingungen wie diesen, hat man zweimal so viel Tetrahydrofuran eingeführt, man hat 35,7 g Ethylen während der Umsetzung, die man nach 170 Minuten beendete, verbraucht.
- Die Zusammensetzung der erhaltenen Produkte ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Man hat u.a. 3,8 Gew% festes Polymer, bezogen auf verbrauchtes Ethylen, erhalten.
- In der selben Vorrichtung, wie jener, die in Beispiel 1 verwendet wurde, führt man nacheinander unter Argonatmosphäre und bei Raumtemperatur ein: 0,19 mmol Zr(OBu)&sub4; und 0,39 mmol Tetrahydrofuran in Lösung in 10 ml n-Heptan, dann 1,06 mmol Ethylaluminiumsesquichlorid in Lösung in 15 ml n-Heptan.
- Nach einigen Minuten der Umsetzung wird die Temperatur auf 70ºC gebracht, wobei man in den Autoklaven Ethylen bei konstantem Druck von 4 MPa einführt.
- Nach 80 Minuten der Umsetzung wird die Ethyleneinspeisung angehalten und der Katalysator wird durch Einspritzen unter Druck von 2 ml Wasser zerstört; man hat insgesamt 61,6 g Ethylen verbraucht.
- Die Zusammensetzung der erhaltenen Produkte ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Man hat u.a. 1,2 Gew% festes Polymer, bezogen auf verbrauchtes Ethylen, erhalten.
- In die selbe Vorrichtung, wie jene, die in Beispiel 1 verwendet wurde, führt man nacheinander unter Ethylenatmosphäre bei Umgebungstemperatur ein: 0,39 mmol Zr(OBu)&sub4; und 0,79 mmol Tetrahydrofuran in Lösung in 50 ml n-Heptan, dann 2,17 mmol Ethylaluminiumsesquichlorid, ebenfalls in Lösung in 50 ml n-Heptan.
- Nach einigen Minuten der Umsetzung wird die Temperatur auf 75ºC gebracht und der Ethylendruck wird auf 4 MPa eingestellt.
- Nach 55 Minuten der Umsetzung wird die Ethylenzufuhr beendet und der Katalysator wird durch Einspritzen unter Druck von 2 ml Wasser zerstört; man hat insgesamt 77,0 g Ethylen in 55 Minuten verbraucht.
- Die Zusammensetzung der erhaltenen Produkte ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Man gewinnt u.a. 0,69 Gew% festes Polymer, bezogen auf verbrauchtes Ethylen.
- In die selbe Vorrichtung, wie jene, die in Beispiel 4 verwendet wurde und unter den selben vorstehenden Bedingungen, führt man nicht Tetrahydrofuran ein, man hat 71,6 g Ethylen in 100 Minuten der Umsetzung verbraucht.
- Die Zusammensetzung der erhaltenen Produkte ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Man hat u.a. 4,6 Gew% festes Polymer, bezogen auf verbrauchtes Ethylen, erhalten.
- Dieses Beispiel zeigt gut, daß die bekannte Technik, die hier verwendet wurde, weniger befriedigende Ergebnisse ergibt, als jene, welche in den Beispielen gemäß der Erfindung erhalten werden und insbesondere eine ungünstige Produktverteilung für die leichten Alpha-Olefine C&sub4;, C&sub6; und C&sub8;.
- In die selbe Vorrichtung, wie jener, die in Beispiel 1 verwendet wurde, führt man nacheinander unter Argonatmosphäre und bei Umgebungstemperatur ein: 0,38 mml Zr(OBu)&sub4; und 0,76 mmol Tetrahydrofuran in Lösung in 10 ml n-Heptan, dann eine Mischung von 1,14 mmol AlEt&sub3; und 3,42 mmol AlEtCl&sub2; (diese Mischung entspricht 2,28 mmol Ethylaluminiumsesquichlorid) in Lösung in 15 ml n-Heptan.
- Nach einigen Minuten der Umsetzung, wird die Temperatur auf 60ºC gebracht, wobei man in den Autoklaven Ethylen unter konstantem Druck von 4 MPa einführt.
- Nach 270 Minuten der Umsetzung, wird die Ethylenzufuhr beendet und der Katalysator wird durch Einspritzen unter Druck von 2 ml Wasser zerstört; man hat insgesamt 106 g Ethylen verbraucht.
- Die Zusammensetzung der erhaltenen Produkte ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Man hat u.a. 1,2 Gew% feste Polymere, bezogen auf verbrauchtes Ethylen, erhalten.
- In einen Autoklaven aus rostfreiem Stahl mit einem Volumen von 1 Liter, der doppelwandig ausgerüstet ist, um die Temperatur durch Wasserumlauf zu regulieren, führt man nacheinander unter Stickstoffatmosphäre und bei Umgebungstemperatur ein: 0,78 mmol Zr(OBu)&sub4; und 1,53 mmol Tetrahydrofuran in Lösung in 100 ml n-Heptan, dann 4,68 mmol Ethylaluminiumsesquichlorid, ebenfalls in Lösung in 100 ml n-Heptan.
- Nach einigen Minuten der Umsetzung wird die Temperatur auf 50ºC gebracht, wobei man in den Autoklaven Ethylen bei einem konstanten Druck von 4 MPa einführt.
- Nach 210 Minuten der Umsetzung wird die Ethylenzufuhr beendet und der Katalysator wird durch Einspritzen unter Druck von 5 ml Wasser zerstört; man hat insgesamt 195 g Ethylen verbraucht.
- Die Zusammensetzung der erhaltenen Produkte ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Man erhält u.a. 0,31 Gew% festes Polymer, bezogen auf verbrauchtes Ethylen. Tabelle 1 Verteilung der erhaltenen Produkte (Gew%) Gehalt an erhaltenen Alpha-Olefinen (Gew%) Beispiel (wobei C&sub4; Buten, C&sub6; Hexen, C&sub8; Octen, C&spplus;&sub1;&sub0; Decen und höhere Olefine bedeutet).
Claims (10)
1. Verfahren zur Umwandlung von Ethylen in leichte
alpha-Olefine, worin Ethylen mit wenigstens einem Katalysator in
Kontakt gebracht wird, der durch Umsetzung einer
vorgefertigten Mischung aus Alkylzirkonat und Ether, in einem
Ether/Zirkonat - Molverhältnis von 0,5:1 bis 10:1, mit
wenigstens einer Aluminiumverbindung der allgemeinen Formel
AlRnX3-n,in welcher R einen Kohlenwasserstoffrest bedeutet, X
ein Chlor- oder Bromatom und n eine Zahl zwischen 1 und 2 ist,
erhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Ether/Zirkonat -
Molverhältnis zwischen 1:1 und 4:1 liegt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, worin die
Umsetzung in einem Kohlenwasserstoff bewirkt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der
Ether Diethylether, Diisoamylether, Methyl-t-butylether oder
Tetrahydrofuran ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der
Ether Tetrahydrofuran ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das
Alkylzirkonat Tetra-n-propylzirkonat oder Tetra-n-
butylzirkonat ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die
Aluminiumverbindung Ethylaluminiumsesquichlorid ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin das
Molverhältnis zwischen der Aluminiumverbindung und dem
Alkylzirkonat etwa 1:1 bis 30:1 und die Zirkoniumkonzentration
zwischen 10&supmin;&sup4; und 0,5 mol/l beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die
Umsetzung bei einer Temperatur von 0 bis +40ºC und unter einer
Atmosphäre von Inertgas oder Ethylen stattfindet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die
Umwandlung von Ethylen in leichte alpha-Olefine bei einer
Temperatur zwischen +40ºC und +75ºC und unter einem Druck
zwischen 1 und 6 MPa stattfindet.
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