煤基烯烴合成中高粘度PAO的影響因素研究*

何金學，白忠祥，張慧佳，王 伏

(國家能源集團寧夏煤業有限責任公司煤炭工業技術研究院，寧夏銀川 750411)

PAO作為一種性能優異的基礎油，具有液相范圍寬、傾點低、粘度指數高、粘溫性能好、閃點高、低溫流動性好、氧化安定性和熱安定性好及蒸發損失小等優點[1-4]。廣泛用于高粘度工業齒輪油、極寒液壓油、螺桿式壓縮機和冷凍機油等要求苛刻的環境[5-7]。

煤制油費托合成裝置中間產品中富含α-烯烴組分，以其為原料合成中高粘度PAO基礎油有很大的原料和價格優勢，不僅可提升油品的附加值，而且可以實現煤制油產品的高質化利用[8-9]。

本文利用正交試驗合成出高性能的PAO基礎油，同時考察了反應溫度、反應時間、催化劑用量和溶劑用量對PAO產品運動粘度、粘度指數等性能的影響規律，為費托α-烯烴合成性能優異的PAO產物提供數據支撐和工業化指導。

1 實驗部分

1.1 試劑儀器及原料性質

1.1.1 試劑及儀器

（1）實驗試劑本實驗所需的試劑見表1。

表1 實驗試劑Table 1 Experimental reagents

續表1

（2）實驗儀器

本實驗所需的儀器見表2。

表2 實驗儀器Table 2 Experimental apparatus

1.1.2 原料性質

中間餾分原料的理化性質見表3。

表3 中間餾分的理化性質Table 3 Physicochemical properties of middle fractions

1.2 正交實驗設計

影響PAO合成的主要因素有反應溫度、反應時間、催化劑用量、溶劑用量和攪拌速度。考察以上因素對烯烴收率的影響，設計正交實驗設計五因素四變量試驗，具體見表4，在其他條件不變的情況下，規定C9~C11組分120g，反應原料在30min滴加完畢。反應時間結束后，立即加入堿液和水猝滅反應。

表4 正交試驗數據設計Table 4 Orthogonal test data design

1.3 實驗過程

聚合反應在三口燒瓶中進行，將三口燒瓶、恒壓低液漏斗、冷凝器等清洗烘干備用。將連冷凝器、溫度傳感器和恒壓滴液漏斗等裝置搭建好后用氮氣置換三次。在手套箱內稱取定量催化劑加入三口燒瓶，加入溶劑。開始加熱到預設溫度后，開始緩慢滴加原料，控制加料速度。待達到預定反應時間后，加入NaOH溶液進行淬滅反應。將反應混合物轉移到分液漏斗中充分震蕩后靜置，待其分層后，分離掉下層液相；用去離子水充分水洗后靜置排掉下層液相，上層液相為反應產物，再經過減壓蒸餾除去溶劑和未反應的原料單體，最終得到PAO產品。

1.4 產物分析

1.4.1 PAO收率計算方法

PAO收率=（聚合產物>300℃餾分質量/反應物α-烯烴的質量）×100%。

1.4.2 產物分析方法

對產物進行運動粘度、粘度指數性能進行分析，分析儀器及方法見表5。

表5 分析儀器及方法Table 5 Analytical instruments and methods

2 結果與討論

2.1 反應條件對收率的影響

根據正交試驗與產物收率的影響規律，考察了反應溫度、反應時間、催化劑用量、溶劑用量和攪拌速度的影響強弱，用極差（R）來表示。計算正交試驗（收率）直觀分析結果見表6。

表6 正交試驗（收率）直觀分析表Table 6 Visual analysis table of orthogonal test (yield)

續表6

從表6可以看出，反應溫度、反應時間、催化劑用量、溶劑用量和攪拌速度的極差分別為4.74、4.28、12.383、3.37、2.248，影響因素大小次序為：催化劑用量>反應溫度>反應時間>溶劑用量>攪拌速度。

正交試驗結果表明：反應溫度越高，催化劑用量越大，產物收率也越大。溶劑用量和攪拌速度影響較小，說明溶劑只起到分散催化劑的作用，500r/min以上基本可以消除傳質的影響。

2.2 反應條件對運動粘度的影響

根據正交試驗與產物運動粘度的影響規律，計算正交試驗（粘度）直觀分析結果見表7。

表7 正交試驗（粘度）直觀分析表Table 7 Visual analysis table of orthogonal test (viscosity)

從表7可以看出，反應溫度、反應時間、催化劑用量、溶劑用量和攪拌速度的極差分別為108.5、38.25、50、41.5、48.25，影響因素大小次序為：反應溫度>催化劑用量>攪拌速度>溶劑用量>反應時間。

正交試驗結果表明：反應溫度是影響產物運動粘度的最主要的因素，如要得到目標粘度產物，需要對反應溫度嚴格控制，防止反應過程中飛溫造成產物結構發生改變。

2.3 反應條件對粘度指數的影響

根據正交試驗與產物粘度指數的影響規律，計算正交試驗（粘度指數）直觀分析結果見表8。

表8 正交試驗（粘度指數）直觀分析表Table 8 Visual analysis table of orthogonal test (viscosity index)

從表8可以看出，反應溫度、反應時間、催化劑用量、溶劑用量和攪拌速度的極差分別為39、11.75、12.25、11.25、15.75，影響因素大小次序為：反應溫度>攪拌速度>催化劑用量>反應時間>溶劑用量。

正交試驗結果表明：反應溫度是影響產物粘度指數的最主要的因素，這與運動粘度的主要影響因素一致，這也說明了運動粘度與粘度指數為正相關。

3 結論

以中間餾分為原料，通過設計正交實驗，從考察反應條件對PAO性能和產品的影響規律入手，得出反應條件對PAO合成影響的強弱程度，為煤制烯烴的高值化利用提供更多方案。

（1）對于產物收率，反應溫度和催化劑用量為主要影響因素，反應溫度越高，催化劑用量越大，產物收率也越大。溶劑用量和攪拌速度影響較小，說明溶劑只起到分散催化劑的作用，500r/min以上基本可以消除傳質的影響。

（2）對于運動粘度，反應溫度是影響產物運動粘度的最主要的因素，如要得到目標粘度產物，需要對反應溫度嚴格控制，防止反應過程中飛溫造成產物結構發生改變。

（3）對于粘度指數，反應溫度是影響產物粘度指數的最主要的因素，這與運動粘度的主要影響因素一致，這也說明了運動粘度與粘度指數為正相關。