白油對乙烯三聚制1-己烯反應的影響及分析

霍宏亮，馬克存，蔣 巖，馬立莉，徐婷婷，王紫東，孫 維

中國石油大慶化工研究中心，黑龍江大慶 163714

1-己烯是含有6個碳原子且端位具有1個不飽和雙鍵的單烯烴。作為一種重要的有機化工中間體，以1-己烯為原料合成的專用樹脂具有抗拉伸、透明度高等特點，被廣泛應用于農業、食品業等行業[1]。目前世界上用于1-己烯生產的主要工藝有Chevron工藝、BP Amoco工藝、SHOP 工藝和Phillips工藝[2]。我國主要以自主研發的乙烯三聚工藝生產1-己烯，生產廠家主要有中國石油大慶石化公司、中國石油獨山子石化公司和中國石化燕山石化公司，其中大慶石化公司的裝置產能為5 000 t/年。

白油是一種無色無味的液體，其主要成分是石油裂解加氫后飽和烴的混合物，同時含有微量的鎳、釩等金屬[3-4]。大慶石化公司采用白油作為1-己烯裝置中反應釜攪拌系統的密封油，隨著反應裝置的運行，部分白油會進入反應體系中，有部分文獻顯示白油中的鎳、釩等金屬會對乙烯三聚反應產生影響[5]。為了研究白油是否會對反應體系造成影響，筆者選取了常用的2種白油添加到乙烯三聚過程中，對其催化活性進行了初步研究。

1 實驗部分[6]

1.1 試劑與儀器

2-乙基己酸鉻(Cr(EH)3)、二乙基氯化鋁(DEAC)，均為分析純，Acros公司；2,5-二甲基吡咯(DMP)，分析純，百靈威化學技術有限公司；乙苯、甲苯，均為分析純，天津科密歐化學試劑有限公司；三乙基鋁(TEAL)，分析純，南京通聯化工有限公司；庚烷，分析純，南京化學試劑有限公司；環己烷，工業級，撫順石化公司；聚合級乙烯、工業級白油、食品級白油，大慶石化公司。

根據文獻[7]合成三價催化劑鉻鹽，在減壓條件下將合成產物脫水處理。對環己烷進行分子篩浸泡處理，并加入NaH進行回流處理，以除去水分，環己烷的含水量應降至5 μg/g以下。

831KF實用型庫倫法卡氏水分測定儀，瑞士萬通公司；7890A型氣相色譜儀，安捷倫公司；GX-2000型紅外光譜儀，美國PE公司；Analyst 800型原子吸收光譜儀，美國PerkinElmer公司。

1.2 催化劑的制備

將60 μmol Cr(EH)3、300 μmol DMP和5 mL乙苯加入燒瓶中，再加入計算量白油。用注射器吸取2.2 mmol TEAL的甲苯溶液和0.84 mmol DEAC的庚烷溶液，將注射器放入微波輻射器中30 s后注射至上述燒瓶中，攪拌15 min，在40 ℃下抽真空，再加入20 mL環己烷稀釋，待用。

1.3 乙烯溶液聚合

在120 ℃下將不銹鋼反應釜進行抽真空處理至-0.099 MPa(表壓)，再充入N2進行補壓，反復進行置換操作3次。向反應釜內注入200 mL環己烷，充入N2，加熱至一定溫度。在N2保護下，將預先配置好的催化劑注入釜中，迅速通入乙烯，在指定溫度下反應30 min，反應溫度通過反應釜冷卻系統進行控制。聚合反應結束后，將反應釜內壓力泄至安全壓力，收集反應產物，并進行色譜分析。

1.4 標準樣品色譜圖和催化活性計算

標準樣品的氣相色譜圖如圖1所示。保留時間在8.942，9.393，14.06，18.821，23.533，28.439，33.220，38.252 min的依次為1-己烯、甲苯、1-辛烯、1-癸烯、1-十二烯、1-十四烯、1-十六烯和1-十八烯。

圖1 標準樣品色譜圖

催化劑的催化活性與聚合產物的質量、主催化劑用量以及反應時間有關，計算公式如下：

式中，F為催化劑的催化活性，g/(mol·h)；m為聚合產物的質量，g；n為催化劑中Cr物質的量，mol；t為反應時間，h。

2 結果與討論

2.1 白油中鎳、釩金屬含量

采用Analyst 800型原子吸收光譜儀對工業級白油和食品級白油中的金屬含量進行測定，結果見表1。工業級白油和食品級白油均含有釩金屬，不含鎳金屬，且食品級白油中的釩金屬含量多于工業級白油中的釩金屬含量。

表1白油中鎳和釩的含量

μg/g

名稱含釩量含鎳量工業級白油0.0360食品級白油0.0680

2.2 催化體系的紅外譜圖

為了探究白油對催化體系的影響，采用GX-2000型紅外光譜儀依次對未添加白油的催化體系(Cr(EH)3+DEAC)、添加了食品級白油的催化體系(Cr(EH)3+DEAC +食品級白油)和添加了工業級白油的催化體系(Cr(EH)3+DEAC+工業級白油)進行了表征，結果如圖2所示。

圖2 添加白油前后催化體系的紅外譜圖

與未添加白油的催化體系相比，添加了食品級白油和工業級白油的催化體系均在720 cm-1附近出現了rCH2的特征吸收峰，這可能來自于白油中的飽和烴成分。同時，添加了白油的催化體系均在1 377 cm-1處出現了νV-Cl的特征吸收峰[8]，表明白油中的釩金屬已被二乙基氯化鋁活化，可與配體進行配位反應。

2.3 白油對乙烯三聚過程催化活性的影響

在乙烯三聚制1-己烯實驗中，向反應體系加入不同計算量的白油，結果見表2。當添加1倍白油時，白油對乙烯三聚反應影響較小，催化活性降低不明顯；但隨著白油添加量的增加，催化活性顯著下降。這可能是由于初期體系中釩金屬的濃度較低，對反應的影響較小，隨著白油添加量的增加，體系中釩金屬的濃度逐漸增加，抑制鉻金屬活性中心的形成，使得體系的催化活性下降。當添加量相同時，添加工業級白油的催化體系比添加食品級白油的催化體系具有更高的催化活性，由表1原子吸收光譜結果可知，這是由于工業級白油中金屬釩的含量更少，對催化活性的影響更小。

表2不同白油添加量下的催化活性kg/(g·h)

名稱不添加添加1倍添加5倍添加10倍工業級白油614612455424食品級白油614609442391

2.4 白油對乙烯三聚過程的影響機理

由上述實驗結果可知，白油中的金屬釩確實會對乙烯三聚過程產生較大影響。在此基礎上，結合乙烯齊聚反應中的乙烯插入/β-H消除機理[9-11]等，筆者大膽推測了白油對乙烯三聚過程的影響機理，結果如圖3所示。

圖3 白油對乙烯三聚過程的影響機理

在乙烯三聚制1-己烯過程中，催化體系中的鉻金屬與2,5-二甲基吡咯、二乙基氯化鋁形成具有催化活性的鉻金屬配合物，繼而引發乙烯進行三聚反應得到1-己烯。當催化體系含有白油時，體系中的釩金屬與2,5-二甲基吡咯、二乙基氯化鋁形成釩金屬配合物，原催化體系的鉻金屬、2,5-二甲基吡咯、二乙基氯化鋁之間的配位平衡被打破，催化體系中同時存在鉻金屬配合物和釩金屬配合物。由于釩金屬配合物對乙烯三聚反應的催化活性較低[5]，所以整體呈現催化活性下降的趨勢。隨著白油含量的增加，釩金屬配合物數量的增多，鉻金屬配合物的數量減少，故在相同催化劑濃度的條件下，體系的催化活性大幅下降。

3 結語

以大慶石化公司己烯裝置的白油泄漏事件為背景，研究了白油對乙烯三聚制1-己烯過程催化活性的影響，同時推測了白油對乙烯三聚過程的影響機理。實驗結果表明，少量白油泄漏對反應體系影響較小，但隨著泄漏量的增加，反應體系中釩金屬的含量增加，催化活性呈現下降趨勢，因此應避免白油泄漏至反應體系中。

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