Alkylierung

Bei der Alkylierung werden leichte Isoparaffine, meist Isobutan, mit C3-C4-Olefinen kombiniert, um ein Gemisch aus Isoparaffinen mit höherem Molekulargewicht (d. h. Alkylat) als Mischungskomponente mit hoher Oktanzahl für den Benzinpool zu erzeugen. Iso-Butan und C3-C4-Olefine fallen als Nebenprodukte bei der FCC und anderen katalytischen und thermischen Umwandlungsprozessen in einer Raffinerie an. Das Alkylierungsverfahren wurde in den 1930er und 1940er Jahren entwickelt, um zunächst hochoktaniges Flugbenzin herzustellen. Später wurde es für die Herstellung von Motorenbenzin wichtig, da die Ottomotoren leistungsstärker geworden sind und höhere Verdichtungsverhältnisse aufweisen, die Kraftstoff mit höheren Oktanzahlen erfordern. Angesichts der jüngsten Beschränkungen des Benzol- und des Gesamtgehalts an aromatischen Kohlenwasserstoffen in Benzin durch Umweltvorschriften hat die Alkylierung gegenüber dem katalytischen Reformieren als Oktanzahlerhöhung an Bedeutung gewonnen. Alkylate enthalten keine olefinischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffe.

Alkylierungsreaktionen werden durch starke Säuren (d.h. Schwefelsäure und Flusssäure) katalysiert und finden selektiver bei niedrigen Temperaturen von 70°F für H2SO4 und 100°F für HF statt. Bei sorgfältiger Wahl der Betriebsbedingungen kann ein hoher Anteil der Produkte in den Siedebereich von Benzin mit Motoroktanzahlen (MON) von 88-94 und ROZ von 94-99 fallen. In den ersten kommerziellen Anlagen wurde H2SO4 verwendet, aber in letzter Zeit wird in Erdölraffinerien häufiger die HF-Alkylierung eingesetzt. HF lässt sich bei der Alkylierung leichter regenerieren als H2SO4, und die HF-Alkylierung reagiert weniger empfindlich auf Temperaturschwankungen als die H2SO4-Alkylierung. Bei beiden Verfahren entspricht das Volumen der verwendeten Säure ungefähr dem Volumen des flüssigen Kohlenwasserstoffeinsatzes. Wichtige Betriebsvariablen sind die Säurestärke, die Reaktionstemperatur, das Iso-Butan/Olefin-Verhältnis und die Raumgeschwindigkeit der Olefine. Die Reaktionen werden bei ausreichend hohem Druck durchgeführt, um die Kohlenwasserstoffe und die Säure in der flüssigen Phase zu halten. Eine gute Durchmischung der Säure mit den Kohlenwasserstoffen ist für hohe Umsätze unerlässlich.

Ein paar Beispiele für gewünschte Alkylierungsreaktionen (Kombination von Isoparaffinen mit Olefinen) sind in Abbildung 8.6 dargestellt. Diese erfolgen durch Ionenkettenreaktionen (Abbildung 8.7), die durch die Spende eines Protons vom sauren Katalysator an ein Olefin eingeleitet werden, um ein Carbokation zu erzeugen, das mit Iso-Butan unter Bildung eines tert-Butyl-Kations reagiert. Anschließende Fortpflanzungsreaktionen umfassen die Reaktionen eines tert-Butyl-Kations mit Olefinen zur Bildung größerer Iso-Paraffin-Kationen, die durch Reaktionen mit Iso-Butan zur Bildung eines neuen tert-Butyl-Kations zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion zu Endprodukten führen. Die Alkylierungsreaktion ist stark exotherm; daher ist die Kühlung des Reaktorinhalts während der Alkylierung wichtig.