способ получения смеси изоалканов c4-c16

Формула изобретения

Способ получения смеси изоалканов C₄-C₁₆ путем контактирования алифатического спирта - этанола, 2-метил-1-пропанола, 3-метил-1-бутанола в среде инертного газа при 300-420°С, давлении 30-80 атм, объемной скорости 0,2-0,8 ч^-1 с каталитической композицией, содержащей гидридную фазу железотитанового интерметаллического соединения, модифицированного металлами IV-VII групп, алюмоплатиновый катализатор и оксид непереходного металла, отличающийся тем, что в качестве оксида непереходного металла используется оксид магния в массовом соотношении 10:1:(0,8-1,2).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гетерогенно-каталитических превращений органических соединений и, более конкретно, к каталитическому превращению алифатических спиртов в смесь изоалканов C₄ -C₁₆.

Фракции алканов изостроения, как известно, являются наиболее ценными компонентами моторного топлива, обеспечивая высокое октановое число, низкую температуру застывания, а также повышенную теплотворную способность наряду с высокой стабильностью при хранении.

Помимо топлив изоалканы востребованы в качестве растворителей и разбавителей многих органических промышленных материалов.

Учитывая, что одним из основных источников загрязнения окружающей среды является транспорт, в последнее время особые требования предъявляются к составу топлив, что обусловливает повышенный спрос на изоалканы, наиболее приемлемые с экологической точки зрения.

Известен одноступенчатый способ получения углеводородов С₅ из метанола в присутствии цеолита со свойствами молекулярного фильтра [CN 1923770, класс С07С 1/20, С07С 1/00, дата 07.03.2007]. К недостаткам известного способа можно отнести невысокую концентрацию изоалканов, а также узкий фракционный состав легкой части бензиновой фракции. Кроме того, используемый в качестве сырья материал не является спиртом биологического происхождения.

В работе [RU 2220940, класс С07С 1/20, С07С 9/16, дата 10.01.2004] описан способ получения изоалканов путем контактирования алифатического спирта - изобутанола или изопентанола в среде инертного газа при 300-420°С, давлении 30-80 атм, объемной скорости 0,1-0,8 ч^-1 с каталитической композицией, содержащей гидридную фазу железотитанового интерметаллического соединения (ИМС), модифицированного металлами IV-VII групп, и алюмоплатиновый или алюмоникелевый катализатор, взятые в массовом отношении 10:1.

Недостатком данного способа является то, что он может быть использован для ограниченного количества биоспиртов, при этом в их число не входит наиболее распространенный - этанол.

Известен также способ по [RU 2220941, вариант 1, класс С07С 1/20, С07С 9/16, дата 10.01.2004], согласно которому 40-60% водный раствор этанола контактирует в среде диоксида углерода, при 350-380°С, давлении 8-12 атм и объемной скорости 0,2-0,8 ч^-1, с каталитической композицией, состоящей из ИМС, модифицированного металлами IV-VII групп, и -оксида алюминия, взятых в массовом соотношении 10:1.

Недостатком данного решения является высокий выход оксигенатов, а также малое содержание изоалканов в алкановой фракции С₄-C₁₆.

Наиболее близким решением получения смеси изоалканов является работа [RU 2220941, вариант 2, класс С07С 1/20, С07С 9/16, дата 10.01.2004]. Данный способ предусматривает контактирование 40-60% водного раствора смеси этанола, изобутанола и изопентанола, взятых в массовом соотношении 6:1:2, с каталитической композицией, состоящей из ИМС, модифицированного металлами IV-VII групп, алюмоплатинового катализатора и -оксида алюминия (оксид непереходного металла) при массовом соотношении компонентов в композиции 10:1:1, в среде инертного газа при 300-420°С, давлении 30-80 атм и объемной скорости 0,2-0,8 ч^-1.

Недостатком данного способа является малый период времени (10-12 часов) сохранения высокой активности каталитической композицией.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является сохранение высокой активности катализатора в течение продолжительного периода времени.

Данный технический результат достигается способом получения изоалканов C₄-C₁₆ путем контактирования алифатического спирта - этанола, 2-метил-1-пропанола, 3-метил-1-бутанола в среде инертного газа (азота, аргона или диоксида углерода) при 300-420°С, давлении 30-80 атм, объемной скорости 0,2-0,8 ч^-1 с каталитической композицией, содержащей ИМС, модифицированного металлами IV-VII групп, алюмоплатиновый катализатор и в качестве оксида непереходного металла используется MgO, взятые в массовом отношении 10:1:(0,8-1,2).

Превращения этанола, 2-метил-1-пропанола, 3-метил-1-бутанола в изоалканы с большим числом углеродных атомов, чем в исходном спирте, реализуются при относительно высоком давлении в результате склонности реагентов к развитию побочных реакций конденсации, которые приводят к образованию кислородсодержащих продуктов.

Предложенный способ предусматривает использование ИМС следующего состава [ТiFе _0,95Zr_0,03Мо_0,02], в качестве алюмоплатиновых катализаторов используют марки АП-56, АП-64 (О.В.Крылов. «Гетерогенный катализ», ИКЦ «Академкнига», М., 2004, с. 548-5 49], а также добавку MgO, которая улучшает структуру каталитической системы путем оптимизации его удельной поверхности и повышает механическую прочность гранул катализатора.

Каталитическую композицию готовили путем механического перемешивания ИМС с Pt/ -Al₂O₃ и оксидом магния в соотношении ИМС: Pt/ -Al₂O₃:оксид магния = 10:1:(0,8-1,2).

Методом капиллярной потоковой порометрии показано, что добавление оксида магния приводит к увеличению удельной поверхности.

Введение добавки оксида магния в соотношении 10:1:(0,8-1,2) повышает механическую прочность гранул катализатора. Заметное его измельчение при отсутствии MgO происходит через 15-20 часов непрерывной работы катализатора. При наличии данной добавки каталитическая система не обнаруживает заметных изменений после 350-400 часов непрерывной работы.

Нижеследующие примеры иллюстрируют реализацию предложенного способа.

Пример 1

50%-ный водный раствор этанола пропускают через 66 см³ катализатора, состоящего из смеси 55 см³ гидридной фазы интерметаллического соединения [TiFe_0,95 Zr_0,03Mo_0,02]H₂, 5,5 см ³ Рt/ -Al₂О₃ и 5,5 см³ MgO (объемное и массовое соотношение компонентов 10:1:1) при температуре 350°С, с объемной скоростью 0,5 ч^-1 под давлением аргона 50 атм. В полученном продукте верхний парафиновый слой отделяют от воды, сушат над СаСl₂, жидкий продукт отфильтровывают и перегоняют до температуры 250°С. Отогнанный органический субстрат анализируют методом хромато-масс-спектрометрии и ГЖХ в режиме линейного программирования, с использованием стеклянной колонки (50 м × 0,2 мм) с нанесенной фазой SE-30 и ПИД.

Результаты анализа показали, что конверсия этанола составляет 87,3%, 18,6% из которых приходится на газообразные и 81,4% на жидкие продукты. В составе органических продуктов реакции содержится 24,0% кислородсодержащих продуктов и 60% парафиновой фракции C₄-C₁₆, содержащей до 42,2% изоалканов, причем 26,2% из них приходится на диметилзамещенные, а 16,0% на монометилзамещенные изопарафины.

Данные по работе катализатора сведены в таблицу.

Пример 2

Превращение этанола проводится в присутствии каталитической смеси TiFe_0.95Zr_0.03Ni _0.02+Рt/ -Аl₂О₃+MgO при массовом соотношении 10:1:0,8 в условиях, аналогичных примеру 1.

Результаты анализа показали, что конверсия этанола составляет 85,3%, 17,8% из которых приходится на газообразные и 82,2% на жидкие продукты. В составе органических продуктов реакции содержится 23,0% кислородсодержащих продуктов и 59% парафиновой фракции C₄-C₁₆ , содержащей до 40,1% изоалканов, причем 25,0% из них приходится на диметилзамещенные, а 15,1% на монометилзамещенные изопарафины.

Данные по работе катализатора сведены в таблицу.

Пример 3

Превращение этанола проводится в присутствии каталитической смеси TiFe_0.93Mn _0.05Cr_0.02+Рt/ -Аl₂O₃+MgO при соотношении 10:1:1,2 в условиях, аналогичных примеру 1.

Результаты анализа показали, что конверсия этанола составляет 86,5%, 18,3%, из которых приходится на газообразные и 80,7% на жидкие продукты. В составе органических продуктов реакции содержится 25,0% кислородсодержащих продуктов и 60,7% парафиновой фракции C₄-C₁₆ , содержащей до 43,1% изоалканов, причем 27,1% из них приходится на диметилзамещенные, а 16,0% на монометилзамещенные изопарафины.

Данные по работе катализатора сведены в таблицу.

Пример 4

Превращение этанола проводится в присутствии каталитической смеси TiFe_0.95Zr _0.03Mo_0.02+Pt/ -Al₂O₃+MgO при массовом соотношении 10:1:2 в условиях, аналогичных примеру 1.

Результаты анализа показали, что конверсия этанола составляет 84,7%, 16,9%, из которых приходится на газообразные и 83,1% на жидкие продукты. В составе органических продуктов реакции содержится 24% кислородсодержащих продуктов и 60% парафиновой фракции C₄-C₁₆ , содержащей до 41,2% изоалканов, причем 23,2% из них приходится на диметилзамещенные, а 14,7% на монометилзамещенные изопарафины.

Данные по работе катализатора сведены в таблицу. При непрерывной работе катализатора в течение 400 часов его каталитическая активность снижается на 20-25%. Пример 5

Превращение этанола проводится в присутствии каталитической смеси TiFe _0.95Zr_0.03Mo_0.02+Рt/ -Al₂О₃+MgO при массовом соотношении 10:1:0,5 в условиях аналогичных примеру 1.

Результаты анализа показали, что конверсия этанола составляет 76,3%, 21,6% из которых приходится на газообразные и 78,4% на жидкие продукты. В составе органических продуктов реакции содержится 28,0% кислородсодержащих продуктов и 52,6% парафиновой фракции C₄-C₁₆ , содержащей до 43,6% изоалканов, причем 24,2% из них приходится на диметилзамещенные, а 19,4% на монометилзамещенные изопарафины.

Данные по работе катализатора сведены в таблицу. При непрерывной работе катализатора в течение 200 часов его каталитическая активность снижается на 20-25%, а после 400 часов - на 40%. Пример 6

Проводят превращение 50% водной смеси спиртов, состоящей из 30% этанола, 5% 2-метил-1-пропанола и 15% 3-метил-1-бутанола (массовое отношение 6:1:2) путем ее пропускания через 66 см ³ катализатора, состоящего из смеси 55 см³ гидридной фазы интерметаллического соединения [TiFe_0,95Zr _0,03Mo_0,02]H₂, 5,5 см Pt/ -Al₂O₃ и 5,5 см MgO в условиях аналогичных примеру 1.

Продукты реакции имели следующий состав: газообразные соединения -15%, жидкие - 40%, из которых 27% составляет алкановая фракция С₄-С₁₆, 13% приходится на кислородсодержащие соединения, остальное - вода. Алкановая фракция содержит 83% изоалканов.

Пример 7 (прототип)

50%-й водный раствор этанола пропускают через 66 см³ катализатора, состоящего из смеси 60 см³ гидридной фазы интерметаллического соединения [ТiFе_0,95 Zr_0,03Мо_0,02]Н₂ и 6 см³ -Al₂O₃ в условиях аналогичных примеру 1. Результаты анализа показали, что конверсия этанола составляет 70%, 5% из которых приходится на газообразные и 95% на жидкие продукты. В составе органических продуктов реакции содержится 40% диэтилового эфира и 60% парафиновой фракции C₈ -C₁₅, содержащей до 45% изоалканов, причем 30% из них приходится на диметизамещенные, а 15% на монометилзамещенные изопарафины. После 20 часов работы происходит значительное измельчение катализатора и его разрушение.

В таблице представлены результаты по исследованию ресурсоемкости (времени работы катализатора без потери активности) всех примеров.

Таблица ресурсоемкости интерметаллидной каталитической системы

Время работы катализатора, час.	Каталитическая активность (по алканам), г/лкат.ч
Пример 1	Пример 2	Пример 3	Пример 4	Пример 5	Пример 6	Прототип
1	120	120	120	120	120	120	120
5	123	126	124	125	122	121	108
10	125	123	124	125	125	124	90
15	121	120	121	121	121	121	81
20	118	122	122	118	117	120	70
30	121	120	120	115	115	118
50	120	118	116	112	112	116
100	118	118	118	108	108	119
150	118	116	116	103	98	120
200	123	114	115	100	93	118
250	125	116	113	98	85	116
300	121	113	111	95	75	119
350	117	112	111	93	72	117
400	116	112	110	90	68	117

Таким образом, из сопоставимого анализа следует, что в предложенном способе (катализатор, содержащий в качестве оксида непереходного металла MgO) время работы каталитической системы с сохранением высокой каталитической активности увеличивается до 400 часов, что выше прототипа более чем в 20 раз.