用于烷基化的系统和工艺方法

专利名称：用于烷基化的系统和工艺方法
技术领域：
本发明主要涉及垸基化作用。更具体来说，本发明涉及用于加速 含有异构垸烃和烯烃的原料的烷基化、从而增加原料的辛烷值的高剪 切力系统和工艺方法。
背景技术：
在石油精炼技术领域中，对重油馏分例如减压瓦斯油、或甚至在 某些情况下常压残油进行催化裂化，以便将其主要部分转化成广范围 的石油馏分，是广为人知的。来自加氢裂化的轻质产物中富含异丁烷。 异丁烷是发动机燃料垸基化工艺的首要原料，可以产生优良的、在环 境上优越的汽油混合成分。
早期的垸基化装置与流化催化裂化装置一起建造，以利用裂化装
置的轻质终端副产物异构烷烃和烯烃。因为被催化裂化的石油馏分 含有硫，因此催化裂化的产物也可能含有硫杂质。加氢处理被用于除 去不想要的成分，包括硫和氮。
一般来说，FCC汽油的加氢精制降低了其辛垸值。较小的分子例 如异丁垸和丙烯或丁烯，可以通过例如烷基化或不太常用的二聚化工 艺复合，以满足对燃料的特殊辛垸要求。汽油的辛垸级别也可以通过 催化重整来提高，该工艺从碳氢化合物中脱去氢，产生了芳香族化合 物，它们具有高得多的辛烷值。
5垸基化作用是将轻质烯烃与异丁烷进行反应，产生富含异辛烷的 烷基化产物的过程。在垸基化中，垸基基团被加到有机分子(通常为 芳香族化合物或烯烃)上。因此，异构烷烃可以与烯烃反应以提供具
有更高分子量的异构烷烃。在工业上，该概念是指C2到C5烯烃与异 丁烷在存在酸性催化剂的情况下反应而产生垸基化物。该垸基化物， 由于其高辛烷值以及对辛垸值强化添加剂的敏感性，是汽油制造中有
价值的混合成分。该发动机燃料烷基化物，对于生产新配方汽油来说 是理想的，由于其高辛垸值和低蒸汽压，适合用于汽油混合。
烷基化物汽油，例如通过上面讨论的工艺方法生产的，富含异构 烷烃并基本上不含硫和芳香族混合物。烷基化物汽油， 一般对辛烷值 强化添加剂表现出强烈的敏感性，是用于混合在发动机汽油中的首要 的候选物，以满足严格性日益增长的限制汽油蒸汽压和芳香族化合物 含量的环境法规的要求。但是，这些烷基化物汽油在从烷基化催化剂 的酸性成分中分离出来之前，不适合用作掺合用储料。具体来说，在 通常的工艺方法中使用的烷基化催化剂复合物的路易斯酸成分必须被 除去，然后烷基化物产物才能够混合到汽油中。
标准的烷基化工艺方法含有酸连续相。但是，美国专利No. 5,345,027描述了含有分散在碳氢化合物连续相中的粘性酸催化剂的烷 基化工艺方法。
因此，在工业中，对于用于异构烷烃的商业上重要的垸基化作用 的改进的工艺方法和系统，存在着需求。
发明简述
公开了用于增强异构烷烃的垸基化的高剪切力系统和方法。按照 某些实施方案，提供了用于对含有至少一种异构垸烃和至少一种烯烃 的碳氢化合物进行垸基化的方法，该方法包括将液体酸催化剂和碳氢
6化合物导入高剪切力反应器；形成包含在酸连续相中含有碳氢化合物
的液滴的乳浊液，其中液滴的平均直径小于大约5 /mi;将乳浊液导入
在适当的烷基化条件下运行的容器中，由此使至少一部分异构烷烃与
烯烃烷基化以形成烷基化物；以及从容器中移除含有烷基化物的产物 流。异构垸烃可以含有4到8个碳原子。烯烃可以含有2到12个碳原 子。在实施方案中，至少一种异构垸烃含有异丁垸，至少一种烯烃含 有丁烯。适合的垸基化条件可以包括温度从大约0。C到大约90。C，压 力在大约345 kPa到大约3447 kPa的范围内。催化剂可以包括选自硫 酸、氢氟酸、BF3、 SbFs和AlCl3的酸。乳浊液中的液滴可以具有小于 400nm、或不超过100 nm的平均直径。形成乳浊液可以包括对碳氢化 合物和酸进行叶尖速率为至少22.9 m/s、或至少40 m/s的高剪切力混 合。高剪切力混合可以在尖端产生至少大约1034Mpa的局部压力。形 成乳浊液可以包括对含有碳氢化合物和酸的混合物施加大于大约 20,000s—1的剪切速率。在实施方案中，形成乳浊液包括至少1000 W/m3 的能量消耗。烷基化的速度可以比其中没有对碳氢化合物和液体酸催 化剂进行高剪切力混合的类似方法的速度高至少5倍。
还公开了用于对含有至少一种异构烷烃和至少一种烯烃的碳氢化 合物进行烷基化的系统，该系统包括至少一个外部高剪切力混合装置， 它含有至少一个转子和至少一个定子，之间隔有剪切间隙，其中剪切 间隙是至少一个转子和至少一个定子之间的最小距离，其中高剪切力 混合装置能够在至少一个转子的尖端产生大于22.9 m/s (4,500 ft/min) 的叶尖速率；被构造用于将含有液体酸催化剂的加压液流投送到至少
一个高剪切力混合装置中的泵；以及被构造用于从高剪切力混合装置 接收乳浊液的容器。剪切间隙可以在大约0.02 mm到大约5 mm的范围 内。高剪切力混合装置可以被构造成产生的乳浊液含有的液滴具有小 于1微米的平均直径，其中乳浊液包括分散在含有酸催化剂的液体连 续相中的碳氢化合物液滴，或其中乳浊液包括分散在含有碳氢化合物 的液体连续相中的含有酸催化剂的液滴。至少一个高剪切力混合装置 可以被构造成以至少300L/h的流速运行，至少一个高剪切力混合装置可以被构造成提供大于1000 W/i^的能量消耗。在实施方案中，至少 一个高剪切力混合装置含有至少两个转子和至少两个定子。
工艺方法使用了外部高剪切力机械反应器来提供导致多相反应试 剂之间的化学反应加速的增强的时间、温度和压力条件。
在某些实施方案中，系统还包含了被构造用于将含有酸催化剂的 液流投送到高剪切力混合装置中的泵。在某些实施方案中，系统还包 含了被构造用于从高剪切力装置接收乳浊液的容器。系统的某些实施 方案，通过使用外部加压高剪切力反应器，潜在地使不需要大体积反 应器对原料进行烷基化成为可能。
上面描述的方法或系统的某些实施方案潜在地提供了比原本可能 的更适合的时间、温度和压力条件，这潜在地增加了液/液或液/液/固相 过程的速度。上面描述的方法或系统的某些实施方案通过在较低的温 度和/或压力下运行，潜在地提供了总体成本的降低，为消耗的每单位 催化剂提供了增加的产物，减少了反应时间，减少了使用的过量烯烃， 和/或降低了基建和/或运行成本。在下面的详细描述和图中，这些以及 其它的实施方案和潜在的优点将变得明显。


为了更详细地描述本发明的优选实施方案，现在将参考随附的图，
其中
图1是含有外部高剪切力分散系统的本公开的实施方案的烷基化 系统的工艺流程图。
图2是在本系统的实施方案中使用的多级高剪切力装置的纵向剖 面图。
表示法与命名
本文使用的术语"分散体系"是指含有至少两种不容易混合和溶解在一起的可区分的物质(或"相")的液态混合物。本文使用的"分 散体系"含有"连续"相(或"基质")，其中容纳有其它相或物质 的不连续的液滴、气泡和/或颗粒。因此，术语分散体系是指含有悬浮 在液体连续相中的气泡的泡沫，其中第一种液体的液滴分散在含有与 第一种液体不混溶的第二种液体的连续相中的乳浊液，以及其中分布 有固体颗粒的液体连续相。本文使用的术语"分散体系"涵盖了其中 分布有气泡的液体连续相、其中分布有固体颗粒(例如固体催化剂) 的液体连续相，其中分布有基本上不溶于第一种液体的连续相的第二 种液体的液滴的第一种液体的连续相，以及其中分布有固体颗粒、不 混溶液体液滴和气泡中的任何一种或其组合的液相。因此，在某些情 况下，分散体系可以作为均质混合物(例如液/液相)或作为非均质混 合物(例如气/液、固/液或气/固/液)存在，这依赖于所选的用于组合 的物质的本质。
发明详述
概述.本发明的通过异构烷烃和烯烃与酸催化剂的液相反应进 行烷基化的工艺方法和系统，包含了外部高剪切力机械装置，以提供 化学成分在也可以用作反应器的高剪切力混合装置中的受控环境中的 快速接触和混合。高剪切力装置降低了反应的质量传递限制，因此增 加了总体反应的速度。
异构烷烃(例如异丁烷)与低分子量链烯烃(例如丙烯和丁烯) 在存在催化剂(例如强酸催化剂例如硫酸或氢氟酸)的情况下的烷基 化反应是一种多相反应。在不搅拌的情况下两相自发分离。通过本公 开的方法和系统，酸相与碳氢化合物相充分混合形成了乳浊液，增加 了反应成分之间的接触表面，从而使反应加速。公开的高剪切力系统 和方法可以整合到常规的烷基化工艺方法中，从而增加烷基化的异构 烷烃的产率、减少了对催化剂的需求(从而也最小化了下游的催化剂 移除)、和/或允许在进料中使用见少量的过量异构烷烃。
9涉及液体、气体和固体的化学反应的速率依赖于接触的时间、温 度和压力。在希望将两种或以上不同相(例如固相和液相；液相和气 相；固相、液相和气相)的原料进行反应的情况下，控制反应速度的 限制因素之一涉及反应试剂的接触时间。在非均相催化反应的情况下， 存在着另一个限速因素，即将反应的产物从催化剂表面移除，以允许 催化剂催化其它的反应试剂。反应试剂和/或催化剂的接触时间通常由 为参与化学反应的两种或以上反应试剂提供接触的混合来进行控制。 通过至少在反应器中提供均匀的温度分布并最小化可能的副反应，均 相反应(例如液相-液相)也可能从本文公开的高剪切力混合中获益。 因此，在某些实施方案中，本文描述的高剪切力工艺方法促进了均相 反应。
含有本文描述的外部高剪切力装置或混合器的反应器组件使得降 低质量传递限制成为可能，从而使反应更接近方法的动力学限制。当 反应速度加快时，持留时间可以减少，从而增加了可获得的通量。作 为高剪切力系统和工艺方法的结果，可以增加产品的产率。可选地， 如果现有工艺的烷基化物产率可以接受，通过包含适当的高剪切力来 减少所需的持留时间，使得可以使用较低的温度和/或压力，增加消耗 的每单位催化剂的垸基化产物，和/或使用比常规工艺方法减少的过量烯烃。
此外，不希望受到理论的束缚，认为含有本文描述的外部高剪切 力装置或混合器的反应器组件所提供的高剪切力，可以使垸基化反应 在常规情况下预计反应不会以显著程度发生的总体操作条件下发生。 尽管关于系统和方法的讨论将参考异构烷烃的烷基化来进行，但应该 理解，公开的系统和方法也可以应用于其它的垸基化和酰化反应。
用于烷基化的系统.现在将对照图1对高剪切力垸基化系统进行 描述，图l是用于在存在强酸催化剂(例如硫酸或氢氟酸)的情况下、 通过液相反应对含有异构烷烃和低分子量链烯烃(例如丙烯和丁烷)的原料进行垸基化的高剪切力系统100的实施方案的工艺流程图。应 该指出，图l是简化的工艺图，为了简明起见，工艺设备的许多部件、 例如分离器、加热器和压縮机被省略了。代表性的系统的基本部件包
括外部高剪切力混合装置(HSD) 40、容器10和泵5。如图1所示， 高剪切力装置40位于容器/反应器10的外部。这些各部件将在下面进 一步更详细地描述。管线21与泵5相连，用于导入含有液体酸催化剂 的液流。管线13将泵5与HSD 40相连，管线18将HSD 40与容器10 相连。管线22可以与管线13相连，用于导入含有将被烷基化的异构 烷烃和链烯烃的进料流。可选地，在实施方案中，管线22可以与HSD 40的入口相连，或引入到管线21中。管线17可以与容器IO相连，用 于移除含有未反应的碳氢化合物蒸汽和任何其它反应气体的排出气 体。如果需要，在容器10和HSD40之间、或泵5或HSD40的前方， 可以引入其它的部件或工艺步骤，这在读过本文下面对高剪切力垸基 化工艺方法的描述后将是显而易见的。
例如，如果需要，管线38可以从下游位置(例如来自沉淀池30 的管线39)与管线13或管线21相连，以提供多次操作。
高剪切力混合装置.外部高剪切力混合装置(HSD) 40、有时也 被称为高剪切力装置或高剪切力混合装置，被构造成通过管线13接收 含有碳氢化合物进料和浓縮的酸催化剂的入口物流。可选地，HSD 40 可以被构造成通过独立的入口管线(未显示)接收液体催化剂和液体 碳氢化合物。尽管在图1中仅仅显示了一个高剪切力装置，但是应该 理解，系统的某些实施方案可以具有两个或多个以串联或并联流动的 方式排列的高剪切力混合装置。HSD40是利用了一个或多个含有转子 /定子组合的发动机的机械装置，每个发动机在定子与转子之间具有间 隙。每个发动机组的转子和定子之间的间隙可以是固定的，也可以是 可调节的。HSD 40被构造成能够产生在流过高剪切力装置的酸连续相 中分散有含有碳氢化合物的亚微米(即直径小于1微米)和/或微米尺 寸的颗粒的乳浊液。高剪切力装置含有机壳或机座，以便反应混合物
11的压力和温度可以被控制。
一般来说，根据它们混合流体的能力，高剪切力混合装置可以分 成三种主要类型。混合是减小流体中的颗粒或非均质物质的尺寸的过 程。混合的程度或完全性的一种度量，是混合装置产生的用于破裂流 体颗粒的每单位体积的能量密度。类型根据投送的能量密度区分开来。 三类具有足够的能量密度、能够始终如一地产生颗粒尺寸在亚微米到 50微米范围内的混合物或乳浊液的工业用混合器包括均化阀系统、胶 体磨和高速混合器。在被称为均化阔系统的第一类高能装置中，被处 理的流体在非常高的压力下被泵过狭缝阀，进入压力较低的环境中。 跨过阀的压力梯度以及产生的湍流和空化作用发挥作用，以打破流体 中的任何颗粒。这些阀系统最通常是用于牛奶均化中，可以产生亚微 米到大约l微米范围内的平均液滴(球滴)尺寸。
在能量密度谱的相反末端是被称为低能装置的第三类装置。这些 系统通常具有在被加工的流体的储液器中以高速转动的桨叶或流体转 子，它更常见的许多应用是食物制品。这些低能系统习惯上用于在被 处理的流体中可以接受大于20微米的平均颗粒大小的情况中。
根据投送到流体的混合能量密度，在低能装置和均化阀系统之间 的是胶体磨和其它高速转子-定子装置，它们被归类为中能装置。典型 的胶体磨的构造包括圆锥形或圆盘状的转子，它与互补的、液体冷却
的定子之间被紧密控制的转子-定子间隙相隔，该间隙通常在0.0254 mm到10.16 mm (0.001-0.40英寸)之间。转子通常由电动马达通过直 接驱动或皮带机械驱动。当转子以高速转动时，它将流体泵到转子的 外表面和定子的内表面之间，在间隙中产生的剪切力对流体进行加工。 许多适当调整的胶体磨能够在被加工的流体中产生0.1-25微米的平均 颗粒尺寸。这些能力使得胶体磨适合于各种不同的应用，包括胶体和 基于油/水的乳浊液的加工，例如化妆品、蛋黄酱、或硅酮/银荥齐形成 所需的乳浊液的加工，到屋面沥青的混合。叶尖速度是单位时间中转子的顶端所经过的外周距离。因此，叶 尖速度是转子直径和旋转频率的函数。叶尖速度(单位为例如米/分钟)
可以通过用转子的顶端所经过的外周距离2ttR、其中R是转子的半径 (单位为例如米)、乘以旋转的频率次数(单位为例如转/分钟，rpm) 来计算。胶体磨可以具有例如超过22.9 m/s (4500 ft/min)的叶尖速度， 并可以超过40m/s (7900 ft/min)。出于本公开的目的，术语"高剪切 力"是指叶尖速度能够超过5.1 m/s (1000 ft/min)、并需要外部机械驱 动的电力装置将能量驱动到被反应的产物的物流中的机械转子定子装 置(例如胶体磨或转子-定子分散器)。例如，在HSD40中，可以获得 超过22.9 m/s (4500 ft/min)的叶尖速度，并可以超过40 m/s (7卯0 ft/min)。在某些实施方案中，HSD 40能够以至少22.9 m/s(4500 ft/min) 的叶尖速度投送至少300 L/h。功率消耗可以是大约1.5 kW。
HSD40将高的叶尖速度与非常小的剪切间隙相组合，在被加工的 材料上产生了显著的剪切力。剪切力的量将依赖于流体的粘度。因此， 在高剪切力装置运行过程中，在转子的顶端产生了压力和温度升高的 局部区域。在某些情况下，局部升高的压力是大约1034.2 Mpa( 150,000 psi)。在某些情况下，局部升高的温度是大约500°C。在某些情况下， 这些局部的压力和温度升高可以持续数纳秒或数皮秒。
输入到流体中的大约能量(kW/L/min)可以通过测量马达能量 (kW)和流体输出(L/min)来估算。正如上面提到的，叶尖速度是与 产生了施加于反应试剂的机械力的一个或多个旋转元件的末端有关的 速度(ft/min或m/s)。在实施方案中，HSD40的能量消耗大于1000 W/m3。在实施方案中，HSD 40的能量消耗在大约3000 W/m3到大约 7500 W/m3的范围内。
剪切速率是叶尖速度除以剪切间隙宽度(转子和定子之间的最小 间隙)。在HSD40中产生的剪切速率可以大于20,000 s"。在某些实施方案中，剪切速率是至少40,000 s"。在某些实施方案中，剪切速率是 至少100，000s"。在某些实施方案中，剪切速率是至少500,000 s'1。在 某些实施方案中，剪切速率是至少l,OOO，OOOs"。在某些实施方案中， 剪切速率是至少1,600,000 s—1。在实施方案中，HSD40产生的剪切速率 在20,000 s"到100,000 s"之间。例如，在一个应用中，转子叶尖速度 是大约40 m/s (7900 ft/min)，剪切间隙宽度是0.0254 mm (0.001英 寸)，产生的剪切速率是1,600,000 s—1。在另一个应用中，转子叶尖速 度是大约22.9m/s (4500 ft/min)，剪切间隙宽度是0.0254 mm (0.001 英寸)，产生的剪切速率是大约901,600 s"。
HSD 40能够将碳氢化合物高度乳化到含有正常情况下与碳氢化 合物不互溶的酸的主要液体相中，在这种条件下至少一部分小的烯烃 与异构烷烃被转化成具有高的辛垸值的较大的异构垸烃。尽管在本文 中没有详细讨论，但应该理解，在实施方案中可以使用粘性酸相，并 且在这种情况下，HSD 40可用于形成含有分散在碳氢化合物连续相中 的粘性酸催化剂的乳浊液。因此，在实施方案中，连续相含有酸催化 剂。在可选的实施方案中，连续相含有碳氢化合物。
在实施方案中，乳浊液还含有固体颗粒催化剂。在某些实施方案 中，HSD 40包含胶体磨。适合的胶体磨由例如IKA Works, Inc. (Wilmington, NC)禾口 APV North America, Inc. (Wilmington, MA)制 造。在某些情况下，HSD 40包括IKA Works, Inc.的Dispax Reactor 。
高剪切力装置含有至少一个产生施加于反应试剂的机械力的旋转 元件。高剪切力装置含有至少一个定子和至少一个定子，它们相隔一 定间隙。例如，转子可以是圆锥形或圆盘形的，可以与形状互补的定 子相隔开。在实施方案中，转子和定子都含有多个外周相隔的齿。在 某些实施方案中，定子是可调整的，以获得每个发动机(转子/定子组) 的转子和定子之间所需的剪切间隙。转子和/或定子的齿之间的沟槽在 交替的级中可以交替定向，以增加湍流。每个发动机可以由任何被构造成能提供所需转动的适合的驱动系统驱动。
在某些实施方案中，定子和转子之间的最小间隙(剪切间隙宽度)
在大约0.0254 mm (0.001英寸)到大约3.175 mm (0.125英寸)之间。
在某些实施方案中，定子和转子之间的最小间隙(剪切间隙宽度)为 大约1.52 mm (0.060英寸)。在某些构造中，定子和转子之间的最小 间隙(剪切间隙)为至少1.78 mm (0.07英寸)。高剪切力装置产生的 剪切速率可以随着沿着流动途径的纵向位置而变化。在某些实施方案
中，转子被设定为以与转子的直径和所需的叶尖速度相称的速度旋转。 在某些实施方案中，高剪切力装置在定子和转子之间具有固定的间隙 (剪切间隙宽度)。可选地，高剪切力装置具有可调节的间隙(剪切 间隙宽度)。
在某些实施方案中，HSD 40含有单级分散室(即单一转子/定子 组合，单一发动机)。在某些实施方案中，高剪切力装置40是多级直 列式分散器，并含有多个发动机。在某些实施方案中，HSD40含有至 少两个发动机。在其它实施方案中，高剪切力装置40含有至少3个高 剪切力发动机。在某些实施方案中，高剪切力装置40是多级混合器， 剪切速率(正如上面提到的，它与叶尖速度成正比变化，与转子/定子 间隙宽度成反比变化)随着沿着流动途径的纵向位置而变化，正如在 本文下面进一步描述的。
在某些实施方案中，外部高剪切力装置的每一级具有可互换的混 合工具，提供了灵活性。例如IKA Works, Inc. Wilmington, NC和APV North America, Inc. Wilmington, MA的DR 2000/4 Dispax Reactor ,含
有三级分散模块。该模块可以包含多达三个转子/定子组合(发动机)， 可以为每一级选择细、中等、粗和超细。这允许产生具有所需液滴尺 寸(例如碳氢化合物液滴)的狭窄分布的乳浊液。在某些实施方案中， 每一级用超细发动机运行。在某些实施方案中，至少一个发动机组具 有大于大约5.08 mm (0.20英寸)的最小转子/定子间隙(剪切间隙宽
15度)。在可选的实施方案中，至少一个发动机组具有大于大约1.78mm(0.07英寸)的最小转子/定子间隙。
现在参考图2，它显示了适合的高剪切力装置200的纵向剖面图。图2的高剪切力装置200是含有三级或转子-定子组合的分散装置。高剪切力装置200是含有三级或转子-定子组合220、 230和240的分散装置。转子-定子组合可以被称为发动机220、 230、 240或级，对此没有限制。三个转子/定子组或发动机220、 230和240沿着驱动轴250串联排列。
第一个发动机220含有转子222和定子227。第二个发动机230含有转子223和定子228。第三个发动机240含有转子224和定子229。对于每个发动机来说，转子由输入250可旋转地驱动，并绕着轴260以箭头265指示的方向旋转。旋转的方向可以与箭头265显示的方向相反(例如绕着旋转轴260顺时针或逆时针)。定子227、 228和229与高剪切力装置200的壁255固定连接。
正如本文上面提到的，每个发动机具有如下的剪切间隙宽度，即它是转子和定子之间的最小距离。在图2的实施方案中，第一个发动机220具有第一个剪切间隙225;第二个发动机230具有第二个剪切间隙235;第三个发动机240具有第三个剪切间隙245。在实施方案中，剪切间隙225、 235、 245的宽度范围在大约0.025 mm到大约10.0 mm之间。可选地，方法包括使用高剪切力装置200，其中间隙225、 235、245的宽度在大约0.5mm到大约2.5mm的范围内。在某些情况下，剪切间隙宽度被维持在大约1.5 mm。可选地，剪切间隙225、 235、 245的宽度对于发动机220、 230、 240来说是不同的。在某些情况下，第一个发动机220的剪切间隙225的宽度大于第二个发动机230的剪切间隙235的宽度，后者又大于第三个发动机240的剪切间隙245的宽度。正如上面提到的，每个级的发动机是可以互换的，提供了灵活性。高剪切力装置200可以被构造成使得沿着物流260的方向剪切速率将
16纵向逐级增加。
发动机220、 230和240可以具有粗、中等、细和超细的特征。转子222、 223和224以及定子227、 228和229可以具有带齿的设计。每个发动机可以具有两组或多组转子-定子齿。在某些实施方案中，转子222、 223和224在每个转子的周缘含有10个以上周边分隔的转子齿。在实施方案中，定子227、 228和229在每个定子的周缘含有10个以上周边分隔的定子齿。在实施方案中，转子的内径是大约12cm。在实施方案中，转子的直径是大约6 cm。在实施方案中，定子的外径是大约15cm。在实施方案中，定子的直径是大约6.4cm。在某些实施方案中，转子的直径是60 mm，定子的直径是64 mm，提供了大约4 mm的间隙。在某些实施方案中，三级中的每一级使用超细发动机运行，含有在大约0.025到大约4mm之间的剪切间隙。对于其中固体颗粒通过高剪切力装置40来运送的应用来说，可以选择适合的剪切间隙宽度(转子和定子之间的最小间隙)，以适合地减小颗粒的尺寸并增加颗粒的表面积。在实施方案中，这可能有利于通过剪切和分散颗粒来增加催化剂的表面积。
高剪切力装置200被构造成在入口 205处接收来自管线13的反应试剂流。反应混合物包含酸催化剂作为可分散相，包含碳氢化合物液体作为连续相。进料流可以进一步含有颗粒状的固体催化剂成分。进入入口 205的进料流被顺序泵过发动机220、 230、然后是240，使得形成了产物乳浊液。产物乳浊液通过出口 210 (以及图1的管线18)流出高剪切力装置200。每个发动机的转子222、 223、 224以高的速度相对于固定的定子227、 228、 229旋转，产生了高剪切速率。转子的旋转将流体例如进料流泵进入口 205，向外通过剪切间隙(以及，如果存在的话，通过转子齿之间的空间和定子齿之间的空间)，产生了局部的高剪切力条件。高剪切力作用在剪切间隙225、 235和245中(以及如果存在的话，转子齿和定子齿之间的间隙中)的流体上，流体流通过它们加工流体，并产生了产物乳浊液。产物乳浊液经过高剪切力出口 210 (以及图1的管线18)流出高剪切力装置200。
在液体连续相中含有液滴的产物乳浊液在本文中可以被称为分散体系或乳浊液。产物乳浊液具有小于大约5pm的平均液滴尺寸。在实施方案中，HSD40产生了平均液滴尺寸小于大约1.5/mi的乳浊液。在实施方案中，HSD 40产生了平均液滴尺寸小于1 /mi的乳浊液；优选情况下，液滴的直径是亚微米的。在某些情况下，平均液滴尺寸从大约O.l pm到大约1.0 pm。在实施方案中，HSD 40产生了平均液滴尺寸小于400 nm的乳浊液。在实施方案中，HSD 40产生了平均液滴尺寸小于100 nm的乳浊液。高剪切力装置200产生的乳浊液包含的分散的液滴能够在大气压下保持分散至少大约IO分钟或至少大约15分钟。
在某些情况下，高剪切力装置200包括IKA Works, Inc.Wilmington, NC禾B APV North America, Inc. Wilmington, MA的DispaxReactor⑧。有几种型号可用，它们具有各种不同的入口/出口连接、马力、叶尖速度、输出rpm和流速。高剪切力装置的选择将依赖于通量要求和流出高剪切力装置200的出口 210的管线18 (图1)中乳浊液中所需液滴或球滴的尺寸。例如，IKA DR 2000/4型，含有皮带驱动、4M发动机、PTFE密封环、入口法兰25.4mm (l英寸)卫生级卡箍、出口法兰19mm(s/4英寸)卫生级卡箍、2HP功率、输出速度7900 rpm、流量容力(水)大约300-700 L/h(依赖于发动机)、叶尖速度9.4-41 m/s(1850 ft/min到8070 ft/min)。
容器.管线18中的乳浊液进入反应器10，在其中继续进行垸基化。容器或反应器10是任何类型的其中可以分布有多相烷基化反应的容器。容器10可以是任何适合的容器，例如通常情况下用于硫酸垸基化的连续搅拌釜式反应器，或例如通常情况下用于氢氟酸烷基化的提升管式反应器。容器10可以是例如连续或半连续的搅拌釜式反应器，或者可以串联或并联使用一个或多个批式反应器。在某些应用中，容
器10可以是塔式反应器，在其它应用中可以是管式反应器或多管反应器。 一个或多个管线15可以与容器IO相连，用于导入酸催化剂，或
用于注入水或其它材料(例如固体催化剂)。
当存在适合的时间、温度和压力条件时，将会发生垸基化反应。从这种意义上说，如果温度和压力条件合适，烷基化可以在图1的流程图中的任何点处发生。
容器IO可以含有一个或多个下列部件搅拌系统，温度控制能力，压力测量仪器，温度测量仪器， 一个或多个注射点，以及液位调节器(未显示)，正如在反应容器设计领域熟知的那样。例如，搅拌系统可以包括马达驱动的混合器3，如图l所示。温度控制装置可以包括例如热交换器。可选地，因为在某些实施方案中大部分烷基化反应可以在HSD40中发生，因此容器IO在某些情况下可以主要用作储存容器。尽管一般不太希望，但在某些应用中可以省略容器10，特别是如果多个高剪切力装置/反应器串联使用时，正如下面进一步描述的。
管线16与容器10相连，用于抽出或除去含有垸基化物的反应产物。在某些实施方案中，分离罐30可以通过管线16与容器IO相连，用于将碳氢化合物与酸催化剂分离，如果需要，可以将催化剂重新循环到HSD40中。管线17可以与容器10相连，用于除去排出气体。在实施方案中，容器10含有多个反应器产物管线16。
热传递装置.除了上面提到的容器10的加热/冷却能力之外，在图1中显示的实施方案的修改中还可以考虑其它外部或内部的用于加热或冷却加工物流的热传递装置。例如，如果反应是放热的，可以通过任何本技术领域的专业人员已知的方法从容器IO中提取反应热。也可以考虑使用外部加热和/或冷却热传递装置。 一个或多个这样的热传递装置的一些适合的位置是在泵5和HSD 40之间、HSD40和容器10之间，以及当系统IOO在多次输送状态运行时在容器10和泵5之间。这样的热传递装置的某些非限制性的例子是壳式、管式、板式和盘管热交换器，正如本技术领域已知的。
泵.泵5被构造成用于连续或半连续操作，可以是任何能够产生
大于202.65 kPa (2atm)压力、优选大于303.975 kPa (3 atm)压力、以允许受控的物流通过HSD40和系统100的适合的泵装置。例如，Roper泵公司(Commerce Georgia)的Roper 1型齿轮泵、Dayton Electric Co(Niles,IL)的Dayton压力倍增泵2P372E型，是适合的泵。优选情况下，泵的所有接触部分由不锈钢构成，或者当需要泵腐蚀性物质例如浓酸时，接触表面可以镀金。在系统的某些实施方案中，泵5能够产生大于大约2026.5 kPa (20 atm)的压力。除了泵5之外， 一个或多个其它的高压泵(未显示)可以包含在图1显示的系统中。例如，在HSD40和容器10之间可以包含与泵5类似的增压泵，用于升高在容器10中的压力。作为另一个例子，可以包含与泵5类似的补料泵，用于将强酸、水或其它的反应试剂或固体催化剂导入容器10。尽管在图1中没有显示，出口管线可以将容器10与管线21相连，用于通过泵5和管线13将酸催化剂导入HSD 40。
烷基化工艺方法.现在将参考图1对高剪切力垸基化系统100的运行进行讨论。在对含有异构垸烃的碳氢化合物流进行烷基化的操作中，通过管线22将可分散的碳氢化合物进料流引入系统100,在管线13中与管线21中含有酸催化剂的液流混合。
引入到管线22中的碳氢化合物进料流含有将被垸基化的至少一种烯烃和链烷烃。在实施方案中，用于本发明的烷基化工艺方法的异构烷烃反应试剂含有大约4到大约8个碳原子。这样的异构垸烃的代表性的例子包括异丁垸、异戊烷、3-甲基己垸、2-甲基己烷、2，3-二甲基丁垸和2，4-二甲基己垸。在实施方案中，异构垸烃是异丁烯。原料的烯烃成分包含至少一种具有2到12个碳原子的烯烃。这样的烯烃的代表性的例子包括例如2-丁烯、异丁烯、l-丁烯、丙烯、乙烯、己烯、辛烯和庚烯。最优选的烯烃可以是C3和C4烯烃，例如丙烯、l-丁烯、2-丁烯、异丁烯或这些烯烃中的两种或多种的混合物。在实施方案中，
管线22中的碳氢化合物进料流含有选自丙烯、丁烯、戊烯及其组合的烯烃。在实施方案中，管线22中的碳氢化合物进料流来自流化催化裂化装置。
在异构烷烃垸基化的过程中，异构垸烃与烯烃的比例通常保持较高，以防止/最小化可能降低产物的辛垸值的副反应。在实施方案中，在碳氢化合物进料中异构烷烃与烯烃的总摩尔比例在1:1到100:1的范围内，优选在大约5:1到大约20:1之间。使用本公开的高剪切力系统和方法，允许在与常规工艺相比较低的异构垸烃与烯烃的比例下进行垸基化。
在实施方案中，催化剂是液体催化剂。在实施方案中，催化剂是固体催化剂。在实施方案中，催化剂是液相和固相催化剂的组合。在实施方案中，管线21中的可分散的反应试剂含有液体酸催化剂。
在实施方案中，管线21中的可分散的催化剂含有质子酸。在实施方案中，催化剂管线21含有选自氢氟酸和硫酸的质子酸。因为氢氟酸和硫酸催化剂在连续的垸基化中都逐渐耗尽，因此可以将新鲜的酸连续地导入管线21，以维持酸的强度、反应速率以及获得的烷基化物的质量。垸基化物的质量受到酸强度的影响，可以将新鲜的酸的构成和/或再生速度与其它的工艺参数例如温度和空间速度一起进行控制，以满足所需的垸基化物质量规格。典型情况下，更浓的酸催化剂最大化了异构垸烃的产率，并抑制了不想要的烯烃寡聚化副反应。在实施方案中，催化剂管线21含有路易斯酸。路易斯酸可以包括BFs或BF3:H3P04加成物。
这些液体酸催化的烷基化过程中的酸强度，优选通过连续添加管线21中的新鲜的酸并连续抽出用过的酸维持在88%到94%重量比。在实施方案中，用过的酸通过废酸管线38从高剪切力系统100中移除，其中的一部分可以通过例如经过酸再循环管线39导入到酸管线21中
来重新循环到高剪切力装置40中。通过管线21再循环到HSD 40中的 酸在重新导入到HSD40中之前，可以经历进一步的处理。在实施方案 中，新鲜的催化剂进入高剪切力系统100中高剪切力装置40的上游。 在实施方案中，新鲜的酸催化剂通过入口管线15导入到高剪切力垸基 化系统100中。在实施方案中，用过的酸经过废酸管线37移出高剪切 力系统100。
在实施方案中，高剪切力系统100含有本技术领域中公开的适合 的固体催化剂。在实施方案中，通过高剪切力工艺100进行的垸基化 反应是涉及固体催化剂的非均质催化反应。在其中使用了固体催化剂 的实施方案中，反应器IO可以含有例如固定床或悬浮床。在实施方案 中，反应器10含有固体催化剂。例如，在实施方案中，催化剂含有一 种或多种过渡型氧化铝，它们用至少一种路易斯酸、优选为BF3处理 过。工艺方法也可以使用一定量的游离的路易斯酸，并产生高辛烷值 的烷基化物。在实施方案中，固体催化剂含有大孔径沸石ZSM-4、 ZSM-20、 ZSM-3、 ZSM-18、 iS-沸石、八面沸石、丝光沸石、沸石Y和 含有稀土金属形式的沸石Y，以及路易斯酸例如BF3、 SbFs或AlCl3。 在实施方案中，催化剂含有路易斯酸，以及含有分层硅酸盐以及将硅 酸盐的层分开的氧化物岩柱的固体成分。适合的固体催化剂可以包括 酸性沸石、氧化铝、二氧化硅-氧化铝、二氧化硅、二氧化硼、五氧化 二磷、二氧化钛、二氧化锆、氧化铬、氧化锌、氧化镁、氧化钙、二 氧化硅-氧化铝-二氧化锆、氧化铬-氧化铝、氧化铝-二氧化硼、二氧化 硅-二氧化锆、磷酸铝分子筛、硅磷酸铝分子筛、固体聚合离子交换树 脂、具有突出的酸基团的四价金属磷酸盐、硫酸化的金属氧化物(例 如氧化铝)，等等。这些催化剂可以用路易斯酸处理或与其复合。作 为碳氢化合物转化的催化剂，它们在其功能性上都是酸性的。
如果在某些实施方案中使用固体催化剂来促进烷基化反应，它应 该作为水性或非水性的料浆或物流通过管线15导入到容器10中。可选地或此外，催化剂可以在系统1中的其它地点加入。例如，催化剂 料浆可以注入管线21。在某些实施方案中，催化剂通过管线15连续添 加到容器10中。不希望受到理论的限制，认为分散在液体中的亚微米
颗粒或气泡主要通过布朗运动效应而进行运动。HSD 40产生的产物乳 浊液中的液滴在通过固体催化剂颗粒的边界层时可能具有更高的运动 性，从而通过增加反应试剂的运输促进和加速了催化反应。
液体浓酸的液流被导入管线21，通过管线13泵到HSD40中。在 管线13中，酸化合物与通过管线22导入到管线13中的液体碳氢化合 物混合。可选地，碳氢化合物可以直接进料到HSD40中，或者在泵5 的上游与酸混合，而不是在管线13中与酸混合。泵5被运行，将酸泵 过管线21，并建立起压力，为HSD 40进料，为整个高剪切力混合器 (HSD 40)和系统IOO提供了受控的液流。在某些实施方案中，泵5 将HSD入口流的压力增加到超过345 kPa(50psig)。在某些实施方案 中，泵5将液流的压力增加到超过3447kPa (500psig)。在某些实施 方案中，泵5将液流的压力增加到超过202.65 kPa (29psig)或超过大 约303.975 kPa (44 psig)。通过这种方式，高剪切力系统100可以将 高剪切力与压力组合在一起，以增强反应混合物中反应试剂的充分混
合o
通过这种方式，外部高剪切力装置40产生了来自管线22的可分 散反应试剂在通过管线21导入的连续相中的乳浊液。
与其它系统相反，本公开的高剪切力系统IOO含有封闭的外部高 剪切力混合装置40，以产生碳氢化合物在酸催化剂中(或酸催化剂在 碳氢化合物中)的乳浊液(和/或亚微米尺寸的球滴)。正如在上文中 详细讨论的，外部高剪切力装置40是利用了例如具有固定的定子和转 子之间的间隙的定子转子混合头的机械装置。可分散的催化剂和液体 碳氢化合物被分别或作为混合液流导入到HSD 40中。混合产生了微米 或亚微米液滴尺寸的可分散催化剂的乳浊液。因此，正如前文讨论的，高剪切力混合器出口管线18含有微米和/或亚微米尺寸的球滴的乳浊 液。
在某些实施方案中，碳氢化合物原料被连续进料到管线13中，形 成了HSD40的进料流。水也可以与酸一起导入，或者可以单独导入。 原材料的实际比例依赖于所需的选择性和操作温度和压力。
泵出后，碳氢化合物和酸反应试剂在HSD40中混合，用于产生碳 氢化合物在浓酸混合物中的细的分散体系或乳浊液。在HSD40中，碳 氢化合物和浓酸催化剂被高度分散，导致形成了乳浊液。乳浊液可以 是纳米乳浊液。乳浊液或纳米乳浊液有时也被称为"分散体系"。出 于本公开的目的，纳米乳浊液是不混溶的液相的乳浊液，其中在分散 相中液滴(球滴)的尺寸小于IOOO纳米(即<1微米)。例如，IKA DR 2000/4型分散器，是被构造成带有三个串联排列的、与定子组合的 转子的高剪切力三级分散装置，被用于产生碳氢化合物在含有浓酸催 化剂的液体介质中的乳浊液。转子/定子组可以按照例如图2中的显示 构造。合并的反应试剂通过管线13进入高剪切力装置，并进入具有周 围相隔的第一级剪切通道的第一个转子/定子组合。从第一级流出的粗 的乳浊液进入具有第二级剪切通道的第二级转子/定子。从第二级流出 的具有减小的液滴尺寸的乳浊液进入具有第三级剪切通道的第三级转 子/定子组合。乳浊液通过管线18流出高剪切力混合器。在某些实施方 案中，剪切速率沿着流动的方向纵向逐渐增加。例如，在某些实施方 案中，第一级转子/定子中的剪切速率大于后面级中的剪切速率。在其 它实施方案中，剪切速率沿着流动的方向是基本上恒定的，不同级间 是相同的。如果高剪切力混合器含有例如PTFE密封件，密封件可以使 用本技术领域已知的任何适合的技术来冷却。例如，流入管线13的反 应试剂流可以被用于冷却密封件，并由此在进入高剪切力混合器之前 根据需要进行预加热。
HSD40的转子被设置为以与转子的直径和所需的叶尖速度相称的
24速度旋转。正如上面描述的，高剪切力装置(例如胶体磨)在定子和
转子之间或者具有固定的间隙，或者具有可调整的间隙。HSD40用于
将碳氢化合物和浓酸充分地混合。在工艺的某些实施方案中，通过操 作高剪切力装置降低反应试剂的运输阻力，使得反应的速度增加了超
过大约5倍。在某些实施方案中，反应的速度增加了至少10倍。在某 些实施方案中，速度增加了大约IO倍到大约IOO倍。在某些实施方案 中，HSD 40以至少22.9 m/s(4500 ft/min)、可以超过40 m/s(7900 ft/min) 的额定叶尖速度投送至少300L/h，功率消耗为1.5kW。在某些实施方 案中，混合物被置于大于20,000 s"的剪切速率。
尽管测量HSD 40中的旋转的剪切部件或旋转元件的尖端的即时 温度和压力是困难的，但据估计在空化条件下，在充分混合的反应试 剂中观察到的局部温度超过500。C，压力超过500kg/cm2。高剪切力的 混合导致形成了乳浊液或纳米乳浊液，其中分散的含有碳氢化合物的 液滴/球滴是微米或亚微米尺寸的颗粒(即平均直径小于1微米)。在 某些实施方案中，得到的乳浊液具有小于大约1.5 nm的平均液滴尺寸。 在某些实施方案中，平均液滴尺寸在大约0.4 pm到大约1.5pm的范围 内。在某些实施方案中，乳浊液是纳米乳浊液，其中液滴的平均直径 尺寸小于lpm。在某些实施方案中，平均液滴尺寸小于大约400nm、 在大约200 nm到大约400 nm的范围内、或在某些情况下可以是大约 100 nm。因此，通过管线18流出HSD 40的乳浊液含有微米和/或亚微 米尺寸的液滴。在许多实施方案中，乳浊液能够在大气压下保持分散 至少15分钟。
一旦分散后，得到的乳浊液通过管线18流出HSD 40，并进料到 容器10中，如图1所示。异构垸烃的垸基化将发生在适合的时间、温 度和压力条件存在的任何时候。就此而言，如果温度和压力条件有利， 反应可以发生在图1中显示的HSD 40、容器10和泵5之间的路径中 的任何地点。作为反应试剂在进入容器IO之前充分混合的结果，显著 部分的化学反应可以发生在HSD40中。但是，为了能够增加搅拌和对大体积反应试剂进行加热和/或冷却、以及增加持留时间，如果可用的 话，使用单独的反应器通常是理想的。因此，在某些实施方案中，容 器10可能主要用于最初导入催化剂和/或分离产物。可选地或此外，容 器10可以用作主要的反应容器，在其中生产全部垸基化产物中的大部 分或某些部分。在两种情况下，化学反应包含了液-液相(或在存在固 体催化剂的情况下液/液/固相或液/固相)反应，其中反应试剂处于非常 细的乳浊液的形式。反应试剂(即碳氢化合物和酸)包含两相乳浊液 或纳米乳浊液。
在本发明的工艺方法中使用的具体的操作条件将依赖于所执行的 具体的烷基化反应。工艺条件例如温度、压力、空间速度和反应试剂 的摩尔比例将影响得到的烷基化物的特性，本技术领域的专业人员只 通过少量的反复试验和误差就可以在公开的范围内对其进行调整。
理想情况下，反应试剂的大批或总体操作温度维持在它们的闪点 以下。高剪切力系统100的温度和压力依赖于原料、使用的催化剂类 型以及在工艺中寻求的烷基化程度而变化。典型情况下，垸基化在中 等温度下进行。从历史上看，工业垸基化工艺在相对低的温度条件下 使用氢氟酸或硫酸催化剂。硫酸烷基化反应对温度特别敏感，低温有 利于最小化烯烃聚合的副反应。
本发明的烷基化工艺方法适合于在从大约-40。C到大约500°C的 温度、优选在低于大约40。C的温度下进行，以避免不想要的副反应， 最优选从大约0°C到大约20°C。在实施方案中，烷基化在从大约0。C 到大约30。C的温度下进行。在实施方案中，烷基化在从大约0。C到大 约90°C的温度下进行。较低的反应温度有利于最大化垸基化物的辛垸 值。
操作压力被控制在将反应试剂维持在液相中的压力下，适合的压 力从大约345 kPa (50psig)到大约34.5 MPa (5000psig)，优选从大约345 kPa (50psig)到大约10.3 MPa (1500 psig)，更优选从大约552 kPa (80psig)到大约1379 kPa (200psig)。每小时的重量空间速度， 基于进料到反应区域的总烯烃，是大约O.Olhr—'到大约100 hr—、最优 选情况下，每小时的重量空间速度作为反应温度和原料组成的函数在 该范围内变化。在最小的重复试验和误差内，每小时的重量空间速度 可以被容易地最适化，以获得理想的辛垸值规格。
在进入容器10之前，如果需要，乳浊液可以被进一步加工。容器 10的内含物可以被连续地或半连续地搅拌，对反应试剂的温度进行控 制(例如使用热交换器)，容器10中的流体液位使用标准技术来调节。 根据需要，烷基化物可以连续地、半连续地或分批地进行生产。产生 的任何反应气体可以通过气体管线17流出反应器10。该气流可以含有 例如挥发性产物。通过管线17移除的气体可以被进一步处理或排放， 或者如果需要，成分可以被重新循环。
含有未转化的液体碳氢化合物、垸基化物以及任何衍生物和副产 物的反应产物流通过管线16流出容器10。烷基化产物可以含有高辛烷 值的支化的链烷烃碳氢化合物的混合物。在实施方案中，垸基化物主 要含有异戊垸和异辛烷。在实施方案中，管线16中的垸基化物产物流 可能适合于作为具有抗爆和燃烧清洁的性质的优质汽油调合物。 一旦 从反应器10中移出，管线16中的产物可以通过产品升级系统进行进 一步加工，正如本技术领域的专业人员已知的。
如图1所示，在实施方案中，管线16中的产物被导入液-液分离 器30。分离器30可以是例如澄清池或沉淀池。在分离器30中，密度 较大的液体酸烷基化催化剂快速迁移到分离器的底部，而烷基化产物 和未反应的碳氢化合物漂浮在沉淀池顶部。将液体催化剂38从沉淀池 底部抽出，可以通过废酸管线37处理，和/或通过管线39导入到新鲜 催化剂管线21中，以重新导入HSD40。 一部分催化剂液体可以通过 例如废酸管线37从高剪切力系统100中连续地或间歇地抽出，用于在再生设施中进行处理，或废弃到适合的场所(未显示)。
被重新循环的催化剂在导入到管线21中之前，可以被再生。例如，
在实施方案中，管线38中的催化剂在返回高剪切力系统100之前流到 催化剂冷却器(图1中未显示)。典型情况下，烷基化反应是放热的， 因此，在返回到HSD40之前可以对催化剂进行预冷，以维持垸基化反 应的温度在优选的范围内。正如上面提到的，烷基化反应区域中的温 度控制影响了垸基化物的质量，因此是重要的工艺控制考虑。当冷却 介质从管壳式热交换器的管中流过时，适合的冷却介质从液体酸催化 剂中抽提热量，优选通过与催化剂溶液的间接接触来进行。可以使用 任何本技术领域的专业人员已知的适合的冷却介质，例如冷却水或乙 二醇水溶液。
包含在排出到分离器30中的垸基化反应器流出物中的较轻的碳 氢化合物相，在分离器30的上层部分中容易地形成了分离的碳氢化合 物相。该碳氢化合物相不仅包含烷基化产物，而且还包含未反应的碳 氢化合物以及少量的酸催化剂，通过管线35从分离器35中抽出。烷 基化物产物可以通向除酸步骤，例如碱洗涤塔，碳氢化合物产物在其 中与水性苛性碱溶液(NaOH)接触，以除去残留的酸。因为碳氢化合 物相和水性苛性碱相基本上不混溶，两种液体可以容易地分开，用过 的苛性碱和(基本上)无酸的碳氢化合物通过分开的液流从除酸容器 流出。
移除了催化剂的产物35可以进行进一步加工，管线35的一部分 可以被重新循环。例如，高剪切力系统100还可以含有丙烷馏除器(图 1中未显示)，可以从中除去丙烷用于重新销售或用作燃料，和/或异 丁垸馏除器(图1中未显示)，可以从中除去异丁垸。 一部分回收的 未转化的异丁垸可以通过例如再循环异构垸烃管线20重新循环到高剪 切力装置40。异丁烷馏除器和丙垸馏除器分离器可以含有本技术领域 的专业人员己知的任何适合的分离装置，例如，带有重沸器和顶部冷
28凝器的常规的多塔板蒸馏塔。
在实施方案中，酸催化剂含有固体酸催化剂，特别是已经用路易 斯酸处理过的沸石或氧化铝，以及表现出是低水平聚合物或寡聚物的 烷基化产物。在这样的实施方案中，溶剂提取可用于移除这些副产物。
多次传送操作.仍然参考图1，系统被构造成用于单次传送或多 次传送，其中在导入液体反应试剂并开始工艺过程后，来自容器10的 管线16的输出物被直接导向烷基化物的回收或进一步加工。在某些实 施方案中，可能希望将管线16的内含物或其液体馏分在第二次传送期 间再次通过HSD 40。在这种情况下，管线16中的至少一部分产物可 以返回到HSD40中进一步乳化和反应，中间可以插入也可以不插入加 工。附加的酸或水可以通过管线21注入到管线13中，或者如果需要， 可以直接加入到高剪切力混合器中(未显示)。
在某些实施方案中，可以将两个或多个象HSD 40那样的或构造不 同的高剪切力装置串联排列，并用于进一步增强反应。它们可以以批 式或连续状态运行。在某些需要单次传送或"一次通过"工艺的情况 下，使用串联的多个高剪切力装置也可能是有利的。在某些实施方案 中，当多个高剪切力装置串联运行时，可以省略容器10。当多个高剪 切力装置40串联运行时，附加的反应试剂可以注入到每个装置的入口 进料流中。在某些实施方案中，多个高剪切力装置40并联运行，其出 口乳浊液被导入一个或多个容器10中。
在实施方案中，使用含有通过外部高剪切力装置40混合的反应试 剂的本发明公开的系统和工艺方法，使得可以在高剪切力系统100中 使用比以前允许的更少的酸催化剂和过量的异构垸烃。在实施方案中， 外部高剪切力装置40被整合到现有的工艺中，由此使得与不使用高剪 切力装置40运行的工艺相比，生产增加了 (更大的通量)。在实施方 案中，大部分反应发生在外部高剪切力装置40中。在实施方案中，与不存在外部高剪切力装置40情况下的垸基化相比，催化剂的用量减少
了。在实施方案中，与不存在高剪切力装置40时的垸基化相比，烯烃
过量的量减少了。
在实施方案中，本公开的系统和工艺方法与不包含外部高剪切力 混合的常规垸基化系统和工艺相比，提供了从异构垸烃原料的更高的 垸基化物产率。在实施方案中，本公开的高剪切力烷基化系统和工艺
方法产生的烷基化物，与不存在高剪切力装置40的情况下烷基化反应 器中获得的垸基化物相比，具有更高的辛烷值。在实施方案中，使用 本发明的对异构烷烃进行烷基化的系统和方法，通过增加烷基化速度 等，使得使用减少量的烯烃和/或催化剂在经济上是可行的。
在某些实施方案中，增强的混合使得增加处理物流的通量成为可 能。与某些试图通过增加反应器压力来增加烷基化程度的现有方法相 反，外部高剪切力分散提供的优越的溶解和/或乳化作用，在许多情况 下允许降低总的操作压力，同时维持或甚至增加反应的速度。不希望 受到特定理论的限制，认为高剪切力混合的水平或程度足以增加质量 传递速率，也可能产生局部的非理想的条件，使得原本根据Gibbs自由 能预测预计将不会发生的反应得以发生。局部的非理想条件认为在高 剪切力装置内部发生，导致增加的温度和压力，其中最显著的增加认 为将是局部压力。高剪切力装置中压力和温度的增加是即时的和局部 的， 一旦流出高剪切力装置后，快速返回到大量或平均系统条件。在 某些情况下，高剪切力混合装置诱导了足够强度的空化作用，将一种 或多种反应试剂解离成自由基，它可以加剧化学反应，或允许反应在 比通常需要的条件严苛性更低的条件下发生。空化作用也可以通过产 生局部湍流和液体微循环(声学流动)，增加运输过程的速度。在化 学/物理加工应用中使用空化现象的概述，提供在Gogate等的《空化作 用新兴的技术》中("Cavitation: A technology on the horizon," Current Science 91 (No. 1): 35-46 (2006))。本发明的系统和方法的某些实施方 案的高剪切力混合装置在认为是空化条件的条件下运行，由此有效地将反应试剂解离成自由基，它们然后形成了垸基化物产物。
在某些实施方案中，本文描述的系统和工艺方法，允许设计出比 以前不使用外部高剪切力混合器40时可能的更小和/或资本密集度更 低的工艺方法。所公开的工艺方法的某些实施方案的潜在的优点是与 现有工艺相比降低的运行成本和增加的产量。公开的工艺方法的某些 实施方案还提供了降低新工艺设计的资金成本的优点。该用于垸基化 的系统和方法的某些实施方案的潜在益处包括但不限于更快的循环时 间、增加的通量、更高的转化、降低的运行成本和/或降低的资本消耗， 这是由于设计出较小的反应器和/或在较低温度和/或压力下操作烷基 化工艺的可能性。
尽管已经对本发明的优选实施方案进行了显示和描述，但本技术 领域的专业人员可以对其进行修改而不背离本发明的精神和教导。本 文描述的实施方案仅仅是示例性的，而不是打算进行限制。本文公开 的发明的许多变化和修改是可能的，并处于本发明的范围之内。当数 值范围或限度被明确提到时，这些表述的范围或限度应该被理解为包 含了在例如处于明确陈述的范围或限度内的量值内的重叠的范围或限
度(例如从大约1到大约10，包括2、 3、 4等；大于O.IO，包括O.ll、 0.12、 0.13，等等)。对于权利要求的任何要素来说，使用术语"可选地"， 目的是指目标要素是需要的，或者是不需要的。两种选择方案都打算 包含在权利要求的范围之内。较宽泛的术语例如包含(comprises)、 包括(includes)、具有(having)等的使用，应该被理解为为较狭窄 的术语例如由...组成(consisting of)、基本上由...组成(consisting essentially of)、基本上由...组成(comprised substantially of)等提f共 了支持。
因此，保护的范围不受上面提出的描述的限制，而是仅仅受限于 下面的权利要求书，其范围包括权利要求书的主题内容的所有等同方 式。各个和每一权利要求被整合在说明书中作为本发明的实施方案。
31因此，权利要求书是进一步的描述，是本发明的优选实施方案的补充。 所有本文引用的专利、专利申请和出版物的公开内容，在它们为本文 提出的内容提供示例性的、程序性的或其它详细情况的补充的程度上， 在此引为参考。
权利要求
1.用于对含有至少一种异构烷烃和至少一种烯烃的碳氢化合物进行烷基化的方法，该方法包括将液体酸催化剂和碳氢化合物导入高剪切力反应器；形成包含在酸连续相中含有碳氢化合物的液滴的乳浊液，其中液滴的平均直径小于大约5μm；将乳浊液导入在适当的烷基化条件下运行的容器中，由此使至少一部分异构烷烃与烯烃烷基化以形成烷基化物；以及从容器中移除含有烷基化物的产物流。
2. 权利要求1的方法，其中至少一种异构烷烃含有4到8个碳原子。
3. 权利要求1的方法，其中至少一种烯烃含有2到12个碳原子。
4. 权利要求2的方法，其中至少一种异构垸烃包括异丁垸，和至 少一种烯烃包括丁烯。
5. 权利要求1的方法，其中适合的烷基化条件包括从大约0°C到 大约90°C的温度，和在大约345 kPa到大约3447 kPa的范围内的压力。
6. 权利要求l的方法，其中催化剂包括选自硫酸、氢氟酸、BF3、 SbFs和AlCl3的酸。
7. 权利要求l的方法，其中液滴的平均直径小于400nm。
8. 权利要求1的方法，其中液滴的平均直径不超过100 nm。
9. 权利要求1的方法，其中形成乳浊液包括对碳氢化合物和酸进行叶尖速率为至少22.9 m/s的高剪切力混合。
10. 权利要求9的方法，其中叶尖速率为至少40m/s。
11. 权利要求9的方法，其中高剪切力混合在尖端产生至少大约 1034 Mpa的局部压力。
12. 权利要求1的方法，其中形成乳浊液包括对含有碳氢化合物 和酸的混合物施加大于大约20,000s—1的剪切速率。
13. 权利要求1的方法，其中形成乳浊液包括至少1000 W/i^的 能量消耗。
14. 权利要求1的方法，其中烷基化发生的速度可以比其中没有 对碳氢化合物和液体酸催化剂进行高剪切力混合的类似方法的速度高 至少5倍。
15. 用于对含有至少一种异构烷烃和至少一种烯烃的碳氢化合物 进行烷基化的系统，该系统包括-至少一个外部高剪切力混合装置，它含有至少一个转子和至少一 个定子，之间隔有剪切间隙，其中剪切间隙是至少一个转子和至少一 个定子之间的最小距离，其中高剪切力混合装置能够在至少一个转子 的尖端产生大于22.9m/s (4,500 ft/min)的叶尖速率；被构造用于将含有液体酸催化剂的加压液流投送到至少一个高 剪切力混合装置中的泵；以及被构造用于从高剪切力混合装置接收乳浊液的容器。
16. 权利要求15的系统，其中剪切间隙在大约0.02 mm到大约5 mm的范围内。
17. 权利要求15的系统，其中高剪切力混合装置被构造成产生的乳浊液含有的液滴具有小于1微米的平均直径，其中乳浊液包括分散 在含有酸催化剂的液体连续相中的碳氢化合物液滴，或其中乳浊液包 括分散在含有碳氢化合物的液体连续相中的含有酸催化剂的液滴。
18. 权利要求15的系统，其中至少一个高剪切力混合装置被构造 成以至少300 L/h的流速运行。
19. 权利要求15的系统，其中至少一个高剪切力混合装置被构造 成提供大于1000 W/m3的能量消耗。
20. 权利要求15的系统，其中至少一个高剪切力混合装置含有至 少两个转子和至少两个定子。
全文摘要
公开了用于对含有至少一种异构烷烃和至少一种烯烃的碳氢化合物进行烷基化的方法，该方法包括将液体酸催化剂和碳氢化合物导入高剪切力反应器；形成包含在酸连续相中含有碳氢化合物的液滴的乳浊液，其中液滴的平均直径小于大约5μm；将乳浊液导入在适当的烷基化条件下运行的容器中，由此使至少一部分异构烷烃与烯烃烷基化，形成了烷基化物；以及从容器中移除含有烷基化物的产物流。还公开了用于执行该方法的系统。
文档编号C07C2/58GK101679143SQ200880011181
公开日2010年3月24日 申请日期2008年6月24日 优先权日2007年6月27日
发明者易卜拉西姆·巴盖尔扎德, 格雷戈里·博尔西格, 阿巴斯·哈桑, 阿齐兹·哈桑, 雷福德·G·安东尼 申请人:Hrd有限公司