硫化物對丙烯聚合催化劑性能的影響

馬 晶，高明智，張天一，彭人琪

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

硫化物對丙烯聚合催化劑性能的影響

馬 晶，高明智，張天一，彭人琪

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

采用液相本體聚合考察了原料丙烯中的微量硫化物雜質對NG和DQ催化劑聚合性能的影響。實驗結果表明，COS，H2S，SO2對丙烯聚合催化劑的性能均有較大影響。其中，COS主要影響NG和DQ催化劑的聚合活性，在工業生產中，COS在丙烯中的含量應小于3×10-8（w）。H2S對NG和DQ催化劑的定向能力有顯著的影響，當丙烯中H2S含量為（8～10）× 10-6（w）時，聚丙烯等規度降至92.0%左右。硫化物雜質對NG催化劑聚合活性影響的大小順序為：COS＞H2S＞SO2；對DQ催化劑聚合活性影響的大小順序為：COS＞SO2＞H2S。

硫化物；NG催化劑；DQ催化劑；丙烯聚合

目前聚丙烯裝置均使用高效Ziegler-Natta催化劑，隨著聚烯烴催化劑制備技術的不斷發展，催化劑聚合活性越來越高，特別是連續法聚丙烯工藝的大量采用，對原料丙烯中雜質含量的要求也越來越嚴格，尤其是對原料中COS和H2S等硫化物含量的要求。我國原油以重質原油為主，硫化物含量較高。隨著近幾年國內對聚丙烯產品需求的擴大，我國進口原油加工量逐年增大，這其中相當大比例為高硫原油，從這些原油裂解生產的丙烯中硫化物含量也相應較高。各煉油化工廠相繼采用丙烯精制系統對丙烯中影響丙烯聚合的雜質進行脫除。

硫化物（包括有機硫和無機硫）是丙烯中極其有害的雜質［1-8］，當硫化物含量超標時不僅會毒化高效聚合催化劑、降低催化活性，而且會降低聚丙烯產品的質量指標、影響聚丙烯產品的后加工性能［9］。研究硫化物雜質的脫除及降低硫化物的影響一直是聚丙烯生產企業關注的問題。

NG和DQ催化劑［10-11］為中國石化北京化工研究院研制并已實現工業化應用的催化劑。本工作采用液相本體聚合考察了原料丙烯中微量硫化物雜質對NG和DQ催化劑催化丙烯聚合性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料及試劑

NG和DQ催化劑：中國石化催化劑有限公司北京奧達分公司；丙烯：聚合級，中國石化燕山石化公司化工一廠；三乙基鋁（TEA）：AR，德國Aldrich試劑公司。

1.2 液相本體聚合

丙烯液相本體聚合在5 L不銹鋼高壓反應釜內進行；聚合釜經丙烯充分置換后，加入2.5 mmol TEA、外給電子體、催化劑（固體組分約8～10 mg）和H2。通入液態丙烯2.3 L，升溫至70 ℃開始聚合，聚合完成后經降溫和泄壓得到聚丙烯。

1.3 雜質的選擇及加入方式

因COS，H2S，SO2為聚丙烯催化劑的毒性劑，為避免催化劑在未聚合之前失活，需將它們先加入到一部分原料中進行充分混合，然后進入聚合系統。

1.4 聚丙烯等規度的測定

采用沸騰正庚烷抽提法測定聚合物的等規度：將聚丙烯充分干燥后，使用沸騰的正庚烷抽提4 h，計算抽提前后聚丙烯的質量比，即為聚合物的等規度。

2 結果與討論

2.1 COS含量對催化劑性能的影響

COS能使催化劑瞬間失活，所以在聚丙烯生產中，對丙烯中COS含量的要求非常嚴格［12］。COS通常與助催化劑烷基鋁不起反應，僅與鈦催化劑的活性中心反應，從而使催化劑活性下降甚至失活［13］。COS含量對催化劑的聚合活性和定向能力的影響分別見圖1和圖2。從圖1可看出，COS對NG和DQ催化劑聚合活性的影響均很大，極少量的COS就可導致催化劑聚合活性迅速降低，當COS含量高于10×10-6（w）時，2種催化劑的聚合活性均降至很低。由于COS對催化劑的強毒性，工業上通常控制其含量小于3×10-8（w） 。

從圖2可看出，COS對NG和DQ催化劑的定向能力影響較小，但COS含量較低時對催化劑定向能力的影響大于COS含量較高時對催化劑定向能力的影響；COS對DQ催化劑定向能力的影響大于對NG催化劑定向能力的影響。從圖1和圖2還可看出，當COS含量較低時，隨COS含量的增大，催化劑的聚合活性與定向能力均同時快速降低；當COS含量較高時，隨COS含量的增大，催化劑的聚合活性和定向能力的下降趨勢逐漸變緩。當COS含量為10×10-6（w）時，催化劑的聚合活性衰減接近80%，但聚丙烯的最低等規度仍在96.5%以上。實驗結果表明，COS對催化劑聚合活性的影響較大，但對催化劑定向能力的影響較小。該結論與文獻［14］報道的結果一致，極微量的COS與CO就可給催化劑聚合活性帶來較大影響。

圖1 COS含量對催化劑聚合活性的影響Fig.1 Effects of COS content on activity of catalysts in propylene polymerization.Polymerization conditions：5 L reactor，70 ℃，1 h，catalyst 8-10 mg，V(H2)=1.2 L.NG catalyst；DQ catalyst NG，DQ catalysts：offered by SINOPEC Catalyst Company Bejing AUDA division.

圖2 COS含量對催化劑定向能力的影響Fig.2 Effects of COS content on stereospecificity of catalysts. Polymerization conditions referred to Fig.1.NG catalyst；DQ catalyst

2.2 H2S含量對催化劑性能的影響

H2S不僅可與鈦催化劑的活性中心反應，還可與烷基鋁發生反應［13］。H2S含量對催化劑的聚合活性和定向能力的影響分別見圖3和圖4。從圖3可看出，H2S含量對NG和DQ催化劑的聚合活性有較大影響，當H2S含量小于2.5×10-6（w）時，隨H2S含量的增大，催化劑聚合活性下降較快，當H2S含量為2.5×10-6（w）時，催化劑的聚合活性降至最大活性的70%；此后隨H2S含量的增大，催化劑聚合活性的下降趨勢變緩。從圖4可看出，H2S含量對催化劑定向能力的影響較大。當H2S含量大于（8～10）× 10-6（w）時，聚丙烯的等規度降至92.0%以下，而等規度小于92%的聚丙烯易發生黏釜現象。H2S對DQ催化劑的影響稍大于對NG催化劑的影響，說明在相同的H2S含量下，DQ催化劑的定向能力降幅更大，更易發生聚丙烯黏釜現象。

圖3 H2S含量對催化劑聚合活性的影響Fig.3 Effects of H2S content on activity of catalysts in propylene polymerization.Polymerization conditions referred to Fig.1.NG catalyst；DQ catalyst

圖4 H2S含量對催化劑定向能力的影響Fig.4 Effects of H2S content on stereospecificity of catalysts.Polymerization conditions referred to Fig.1.NG catalyst；DQ catalyst

對比圖1～4可看出，COS與H2S雖同為硫化物，但由于COS為有機硫，H2S為無機硫，二者對催化劑的性能有不同的影響。當COS含量為10-9（w）時即對催化劑的性能產生影響，而H2S含量需到10-6（w）時才對催化劑的性能產生影響，說明COS對催化劑性能的影響大于H2S對催化劑性能的影響。COS和H2S對催化劑定向能力的影響也不同，隨COS含量的增加，聚丙烯的等規度有所降低，但總體上聚丙烯的等規度不低于96.5%；而H2S含量為（8～10）×10-6（w）時，聚丙烯的等規度就降至92.0%以下。因此可推測，COS是造成催化劑聚合活性下降的主要原因，而H2S是造成聚丙烯黏釜的主要原因［14］。

2.3 SO2含量對催化劑性能的影響

SO2含量對催化劑的聚合活性和定向能力的影響分別見圖5和圖6。從圖5可看出，當SO2含量小于4.2×10-6（w）時，隨SO2含量的增大，催化劑聚合活性衰減很快；此后隨SO2含量的增大，催化劑聚合活性的衰減趨緩；NG催化劑聚合活性的衰減速率大于DQ催化劑。從圖6可看出，隨SO2含量的增大，NG催化劑的定向能力變化不大；而對于DQ催化劑，當SO2含量小于34×10-6（w）時，定向能力下降較快；當SO2含量大于34×10-6（w）時，定向能力趨于穩定。說明SO2對DQ催化劑定向能力的影響大于對NG催化劑定向能力的影響。

圖5 SO2含量對催化劑聚合活性的影響Fig.5 Effects of SO2content on activity of catalysts in propylene polymerization.Polymerization conditions referred to Fig.1.NG catalyst；DQ catalyst

圖6 SO2含量對催化劑定向能力的影響Fig.6 Effects of SO2content on stereospecificity of catalysts. Polymerization conditions referred to Fig.1.NG catalyst；DQ catalyst

對比圖3～6可看出，SO2與H2S雖同為無機硫，但對DQ和NG催化劑的影響不同。SO2對NG催化劑聚合活性的影響大于對DQ催化劑聚合活性的影響，而H2S對NG和DQ催化劑聚合活性的影響程度相當；H2S對催化劑定向能力的影響遠大于SO2對催化劑定向能力的影響，H2S的存在會導致聚丙烯等規度較低，SO2對聚丙烯等規度的影響不大。

對比圖5，6與圖1，2可看出，無機硫SO2與有機硫COS對DQ和NG催化劑的影響也不同，COS對催化劑聚合活性的影響遠大于SO2對催化劑聚合活性的影響；但均對催化劑定向能力的影響不大。

2.4 相對毒性系數的比較

相對毒性系數是指以使催化劑聚合活性衰減20%時的甲醇濃度（毒性系數定為1）為基準，其他雜質使催化劑聚合活性衰減20%時，該雜質的濃度與甲醇濃度的比值。雜質的相對毒性系數越大，說明它對催化劑聚合活性的影響越大。不同硫化物雜質的相對毒性系數見表1。從表1可看出，硫化物雜質對NG催化劑聚合活性影響的大小順序為：COS＞H2S＞SO2；對DQ催化劑聚合活性影響的大小順序為：COS＞SO2＞H2S。

表1 不同硫化物雜質的相對毒性系數Table 1 Relative toxicity coefficients of different sulfide impurities

3 結論

1）丙烯中的硫化物無論是有機硫還是無機硫均為有害雜質，對催化劑性能均產生較大影響，必須在原料丙烯進入聚合系統之前通過凈化設備脫除。

2）COS主要影響NG和DQ催化劑的聚合活性，工業生產中，丙烯中的COS含量應小于3×10-8（w）。H2S對NG和DQ催化劑定向能力的影響大于COS和SO2，少量的H2S就可迅速降低催化劑的定向能力，而COS與SO2即使含量較高，對催化劑定向能力的影響也不大。當丙烯中H2S的含量為（8～10）×10-6（w）時，聚丙烯等規度降至92.0%左右，易發生黏釜現象。

3）硫化物雜質對NG催化劑聚合活性影響的大小順序為：COS＞H2S＞SO2；對DQ催化劑聚合活性影響的大小順序為：COS＞SO2＞H2S。

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（編輯 鄧曉音）

?技術動態?

青島第派新材建設萬噸級反式異戊膠工業化裝置

青島第派新材有限公司建設的萬噸級反式異戊膠（TPI）工業化生產裝置，投產并生產出合格的反式異戊膠產品。該裝置的投產為綠色輪胎提供了新型優質原材料。

該裝置采用青島科技大學自主研發的負載型TiCl4/ MgCl2催化異戊二烯本體沉淀聚合法工藝，粉末狀產品中反式-1，4-結構的含量大于等于98%（w）。該方法催化活性高，較國外釩體系提高了30 余倍；聚合體系黏度低，有利于反應的進行；反應過程無“三廢”排放，能耗物耗低，較溶液聚合能耗降低1/2～2/3。

Effect of Sulfides on the Catalysts for Propylene Polymerization

Ma Jing，Gao Mingzhi，Zhang Tianyi，Peng Renqi
（SINOPEC Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China）

The effects of trace sulfide impurities，namely COS，H2S and SO2，in propylene on the polymerization performances of the NG and DQ catalysts were investigated via the liquid bulk polymerization of propylene. The results indicated that，all the impurities had evident effects on the catalyst performances. COS mainly affected the activities of the NG and DQ catalysts，and its content in propylene should be controlled at less than 3×10-8(w) in industrial production. Furthermore，H2S significantly affected the isotacticity of the product polypropylene，and the isotacticity decreased to 92.0% when its content in propylene was (8-10)×10-6(w). As a result，the effects of the trace sulfides on the NG catalyst activity are of COS＞H2S＞SO2，while their effects on the DQ catalyst activity are of COS＞SO2＞H2S.

sulfide；NG catalyst；DQ catalyst；propylene polymerization

1000 - 8144（2014）02 - 0155 - 04

TQ 320.4

A

2013 - 07 - 14；［修改稿日期］ 2013 - 11 - 11。

馬晶（1965—），女，黑龍江省齊齊哈爾市人，大學，高級工程師，電話 010 - 59202602，電郵 maj.bjhy@sinopec.com。