Алкилирование изобутана бутиленами: термодинамика процесса; механизм процесса; катализаторы; сырье алкилирования; факторы, влияющие на процесс: температура; концентрация изобутана; контакт между фазами; давление

Алкилированием называются процессы введения алкильных групп в молекулы органических и некоторых неорганических веществ. Процесс алкилирования изобутана алкенами применяется в нефтеперерабатывающей промышленности с целью получения высокооктанового компонента товарного бензина.

Термодинамика. Алкилирование парафинов олефинами является равновесным экзотермическим процессом, обратным крекингу углеводородов:

RH + CH₂ = CHR' - RR' - CH — CH₃ + Q.

Реакция смещается вправо при понижении температуры, при температуре 300 °К процесс можно считать необратимым.

Механизм процесса. Из парафинов к каталитическому алкилированию способны только изопарафины, имеющие третичный атом углерода. Олефины могут быть различными, но чаще используют н-бутилены, алкилирующие изобутан с образованием С₈Н₁₈, наиболее пригодным как компонент моторного топлива.

Целевой продукт алкилирования — изооктан — содержит смесь изомеров — 2,2,4-; 2,2,4-, 2,3,4-, 2,3,3-треметилпентан. Причина лежит в особенностях механизма реакции, осложненной процессами изомеризации, которая идет через промежуточные образования ионов карбония. Вторичный ион карбония менее устойчив, чем третичный, вследствие чего происходит быстрый обмен гидрид-ионом с изопарафином. Образующийся третичный карбоний-катион реагирует с исходным олефином. Получившийся ион карбония склонен к внутримолекулярным перегруппировкам, сопровождающимся миграцией водорода и метильных групп. Ионы карбония взаимодействуют с изобутаном, в результате чего получается С₈Н₁₈ и третичный бутил-катион. Состав изомеров зависит как от стабильности промежуточных карбоний-ионов, так и от обменной скорости с изобутаном. В результате побочных реакций получаются ненасыщенные полимеры, ухудшающие качество алкилата и ведущие к повышенному расходу катализатора.

Применение избытка изоалканов подавляет все побочные реакции, положительно влияет на выход и качество алкилата, повышает его октановое число, снижает расход катализатора, оптимальным является отношение изоалкан: алкен равное (4:6):1. С использованием серной кислоты в качестве катализатора температура процесса равна 5−15°С, фтороводородной кислоты — 20−30°С. Расход 250 кг и 0,7 кг на тонну алкилата.

Вследствие высокой плотности, вязкости и поверхностного натяжения серной кислоты и особенно низкой растворимости в ней изобутана требуется интенсивное перемешивание реакционной массы. Применяют цеолитсодержащие катализаторы для алкилирования изобутана олефинами (процесс «Алкилен»).

Сырьём процесса служат углеводородные газы крекинга, коксования или пиролиза — изобутан и олефины.

Понижение Т замедляет алкилирование, но увеличивает его избирательность в сторону образования первичного продукта алкилирования, в связи с чем качество получаемого алкилата улучшается. Снижение Т на 10 °C вызывает повышение ОЧ алкилата примерно на 1. Чрезмерное понижение Т ограничено из-за затвердивания кислоты-катализатора, а также увеличения вязкости катализатора. Давление 0,3 — 1,2 МПа.