煤基烯烃合成中高粘度PAO的影响因素研究*

何金学，白忠祥，张慧佳，王 伏

(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤炭工业技术研究院，宁夏银川 750411)

PAO作为一种性能优异的基础油，具有液相范围宽、倾点低、粘度指数高、粘温性能好、闪点高、低温流动性好、氧化安定性和热安定性好及蒸发损失小等优点[1-4]。广泛用于高粘度工业齿轮油、极寒液压油、螺杆式压缩机和冷冻机油等要求苛刻的环境[5-7]。

煤制油费托合成装置中间产品中富含α-烯烃组分，以其为原料合成中高粘度PAO基础油有很大的原料和价格优势，不仅可提升油品的附加值，而且可以实现煤制油产品的高质化利用[8-9]。

本文利用正交试验合成出高性能的PAO基础油，同时考察了反应温度、反应时间、催化剂用量和溶剂用量对PAO产品运动粘度、粘度指数等性能的影响规律，为费托α-烯烃合成性能优异的PAO产物提供数据支撑和工业化指导。

1 实验部分

1.1 试剂仪器及原料性质

1.1.1 试剂及仪器

（1）实验试剂本实验所需的试剂见表1。

表1 实验试剂Table 1 Experimental reagents

续表1

（2）实验仪器

本实验所需的仪器见表2。

表2 实验仪器Table 2 Experimental apparatus

1.1.2 原料性质

中间馏分原料的理化性质见表3。

表3 中间馏分的理化性质Table 3 Physicochemical properties of middle fractions

1.2 正交实验设计

影响PAO合成的主要因素有反应温度、反应时间、催化剂用量、溶剂用量和搅拌速度。考察以上因素对烯烃收率的影响，设计正交实验设计五因素四变量试验，具体见表4，在其他条件不变的情况下，规定C9~C11组分120g，反应原料在30min滴加完毕。反应时间结束后，立即加入碱液和水猝灭反应。

表4 正交试验数据设计Table 4 Orthogonal test data design

1.3 实验过程

聚合反应在三口烧瓶中进行，将三口烧瓶、恒压低液漏斗、冷凝器等清洗烘干备用。将连冷凝器、温度传感器和恒压滴液漏斗等装置搭建好后用氮气置换三次。在手套箱内称取定量催化剂加入三口烧瓶，加入溶剂。开始加热到预设温度后，开始缓慢滴加原料，控制加料速度。待达到预定反应时间后，加入NaOH溶液进行淬灭反应。将反应混合物转移到分液漏斗中充分震荡后静置，待其分层后，分离掉下层液相；用去离子水充分水洗后静置排掉下层液相，上层液相为反应产物，再经过减压蒸馏除去溶剂和未反应的原料单体，最终得到PAO产品。

1.4 产物分析

1.4.1 PAO收率计算方法

PAO收率=（聚合产物>300℃馏分质量/反应物α-烯烃的质量）×100%。

1.4.2 产物分析方法

对产物进行运动粘度、粘度指数性能进行分析，分析仪器及方法见表5。

表5 分析仪器及方法Table 5 Analytical instruments and methods

2 结果与讨论

2.1 反应条件对收率的影响

根据正交试验与产物收率的影响规律，考察了反应温度、反应时间、催化剂用量、溶剂用量和搅拌速度的影响强弱，用极差（R）来表示。计算正交试验（收率）直观分析结果见表6。

表6 正交试验（收率）直观分析表Table 6 Visual analysis table of orthogonal test (yield)

续表6

从表6可以看出，反应温度、反应时间、催化剂用量、溶剂用量和搅拌速度的极差分别为4.74、4.28、12.383、3.37、2.248，影响因素大小次序为：催化剂用量>反应温度>反应时间>溶剂用量>搅拌速度。

正交试验结果表明：反应温度越高，催化剂用量越大，产物收率也越大。溶剂用量和搅拌速度影响较小，说明溶剂只起到分散催化剂的作用，500r/min以上基本可以消除传质的影响。

2.2 反应条件对运动粘度的影响

根据正交试验与产物运动粘度的影响规律，计算正交试验（粘度）直观分析结果见表7。

表7 正交试验（粘度）直观分析表Table 7 Visual analysis table of orthogonal test (viscosity)

从表7可以看出，反应温度、反应时间、催化剂用量、溶剂用量和搅拌速度的极差分别为108.5、38.25、50、41.5、48.25，影响因素大小次序为：反应温度>催化剂用量>搅拌速度>溶剂用量>反应时间。

正交试验结果表明：反应温度是影响产物运动粘度的最主要的因素，如要得到目标粘度产物，需要对反应温度严格控制，防止反应过程中飞温造成产物结构发生改变。

2.3 反应条件对粘度指数的影响

根据正交试验与产物粘度指数的影响规律，计算正交试验（粘度指数）直观分析结果见表8。

表8 正交试验（粘度指数）直观分析表Table 8 Visual analysis table of orthogonal test (viscosity index)

从表8可以看出，反应温度、反应时间、催化剂用量、溶剂用量和搅拌速度的极差分别为39、11.75、12.25、11.25、15.75，影响因素大小次序为：反应温度>搅拌速度>催化剂用量>反应时间>溶剂用量。

正交试验结果表明：反应温度是影响产物粘度指数的最主要的因素，这与运动粘度的主要影响因素一致，这也说明了运动粘度与粘度指数为正相关。

3 结论

以中间馏分为原料，通过设计正交实验，从考察反应条件对PAO性能和产品的影响规律入手，得出反应条件对PAO合成影响的强弱程度，为煤制烯烃的高值化利用提供更多方案。

（1）对于产物收率，反应温度和催化剂用量为主要影响因素，反应温度越高，催化剂用量越大，产物收率也越大。溶剂用量和搅拌速度影响较小，说明溶剂只起到分散催化剂的作用，500r/min以上基本可以消除传质的影响。

（2）对于运动粘度，反应温度是影响产物运动粘度的最主要的因素，如要得到目标粘度产物，需要对反应温度严格控制，防止反应过程中飞温造成产物结构发生改变。

（3）对于粘度指数，反应温度是影响产物粘度指数的最主要的因素，这与运动粘度的主要影响因素一致，这也说明了运动粘度与粘度指数为正相关。