Ультразвуковой синтез диэфиров для производства высокоэффективных биосмазочных материалов

Переход от смазочных материалов нефтяного происхождения к возобновляемым, биоразлагаемым и высокоэффективным смазочным материалам на основе сложных эфиров ускоряется в различных отраслях промышленности. Производители смазочных материалов испытывают растущее давление, требующее снижать воздействие на окружающую среду и одновременно соответствовать строгим эксплуатационным критериям, таким как высокий индекс вязкости, низкая летучесть, хорошие смазывающие свойства, термическая стабильность и надежные низкотемпературные характеристики. В этом контексте ультразвуковая переэтерификация представляет собой мощную стратегию интенсификации процесса синтеза сырья на основе сложных эфиров, используемого в современных рецептурах биосмазочных материалов.

Ультразвуковая переэтерификация диэфиров для биосмазочных материалов

Ультразвуковая переэтерификация растительных масел и жиров – это экологически устойчивый метод, который значительно повышает выход сложных эфиров, уменьшает технологические ограничения и делает переэтерификацию более привлекательным способом промышленного производства смазочных материалов. Ультразвуковые аппараты Hielscher зондового типа используются для эффективного синтеза сложных эфиров в поточном производстве при контролируемых условиях процесса.

Синтез биосмазочных материалов методом переэтерификации

Растительные масла являются привлекательным сырьем для биосмазочных материалов, поскольку они возобновляемы, биоразлагаемы и обладают хорошими смазывающими свойствами. Однако необработанные растительные масла часто характеризуются ограниченной окислительной стабильностью и неудовлетворительными низкотемпературными свойствами. Распространенная стратегия преодоления этих недостатков заключается в превращении метиловых эфиров, полученных из растительных масел, в сложные эфиры полиолов, например сложные эфиры пентаэритрита, путем переэтерификации.
В исследовании «RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant» Arumugam et al. рапсовое масло сначала преобразовали в метиловый эфир рапсового масла. На втором этапе этот метиловый эфир подвергли реакции с пентаэритритом в присутствии катализатора – п-толуолсульфоновой кислоты – и ксилола в качестве растворителя. Целевым продуктом был сложный эфир пентаэритрита, пригодный в качестве базового масла для биосмазочных материалов. Эта реакция имеет большое значение для производителей смазочных материалов, поскольку сложные эфиры полиолов широко используются в качестве синтетических базовых компонентов смазочных материалов для компрессорных масел, гидравлических жидкостей, холодильных масел и других применений, требующих высокоэффективных смазочных материалов.
Основная трудность традиционной переэтерификации заключается в том, что реакция часто ограничивается недостаточным массопереносом между реагентами. Метиловые эфиры, полиолы и катализаторы не всегда образуют идеальную однородную реакционную систему. Традиционное перемешивание может требовать длительного времени реакции, высокой температуры и повышенных энергозатрат, при этом выход продукта остается умеренным. Именно здесь обработка ультразвуком обеспечивает решающее преимущество.

Блок-схема процесса ультразвуковой переэтерификации с получением сложного эфира пентаэритрита
Исследование и иллюстрация: ©Arumugam et al,.2019

Как ультразвуковая переэтерификация интенсифицирует синтез сложных эфиров

При ультразвуковой переэтерификации высокоинтенсивный ультразвук используется для создания акустической кавитации в жидкой реакционной среде. Кавитация порождает микроскопические пузырьки, которые растут и резко схлопываются. Это создает интенсивные локальные сдвиговые силы, микроструи, акустические течения и микроэмульгирование.
Для синтеза сложных эфиров эти эффекты особенно ценны, поскольку они:

• уменьшают размер капель и улучшают контакт фаз
• увеличивают площадь межфазной поверхности между несмешивающимися или плохо смешивающимися реагентами
• повышают доступность катализатора
• ускоряют массоперенос
• улучшают кинетику реакции
• способствуют повышению выхода сложных эфиров в оптимизированных условиях

В исследовании объясняется, что вызванная кавитацией турбулентность и микроэмульсии позволяют преодолеть ограничения массопереноса, характерные для традиционной переэтерификации. В результате реагенты диспергируются эффективнее, а каталитическая реакция протекает быстрее и полнее.

Результаты исследования: повышение выхода сложных эфиров с помощью ультразвука

В исследовании процесс с применением ультразвука был оптимизирован с использованием методологии поверхности отклика и алгоритма поиска ворон. Исследуемыми переменными процесса были длительность ультразвукового импульса, амплитуда ультразвука, концентрация катализатора и температура реакции.
Оптимизированные условия ультразвукового процесса были следующими:
Ультразвуковая система: Ультразвуковой аппарат Hielscher UP400St зондового типа
Ультразвуковой импульс: 15 секунд
Амплитуда ультразвука: 60%
Концентрация катализатора: 1,5 масс.%
Температура реакции: 100°C

В этих оптимизированных условиях переэтерификация с применением ультразвука обеспечила выход сложного эфира пентаэритрита приблизительно 81,4%. Для сравнения, традиционная переэтерификация дала выход лишь около 47% в условиях, оцененных в исследовании. Это означает, что обработка ультразвуком увеличила выход сложного эфира более чем на 70% относительно традиционного способа.
Для производителей смазочных материалов это весьма значимый результат. Более высокий выход означает более эффективное использование сырья, сокращение побочных потоков, улучшение экономических показателей процесса и потенциальное снижение производственных затрат на килограмм базового масла на основе сложных эфиров.

Подтверждение образования сложного эфира

Исследование Arumugam et al. (2019) подтвердило образование сложного эфира пентаэритрита с помощью ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) и газовой хроматографии. Анализ FTIR выявил характерные пики карбонильной группы сложного эфира и связи C–O сложного эфира, а дополнительные пики свидетельствовали о наличии пентаэритритильной группы. Газовая хроматография дополнительно подтвердила состав продукта, включая фракции моноэфира, диэфира, триэфира и тетраэфира.
Для производства биосмазочных материалов это аналитическое подтверждение важно, поскольку эксплуатационные характеристики смазочного материала в значительной степени зависят от состава сложных эфиров. Возможность способствовать образованию желаемых структур сложных эфиров посредством контролируемой ультразвуковой переэтерификации дает производителям практический инструмент для улучшения качества базового масла и стабильности процесса.
 

Спектр FTIR сложного эфира пентаэритрита, полученного переэтерификацией с применением ультразвука
Исследование и иллюстрация: ©Arumugam et al., 2019

Преимущества ультразвуковых аппаратов Hielscher для производителей смазочных материалов

Hielscher предлагает полный ассортимент ультразвуковых аппаратов – от устройств для исследований и разработок до полностью промышленных ультразвуковых систем. Это позволяет разработать процесс в лабораторном масштабе, а затем перенести его на опытный и производственный масштабы, используя те же фундаментальные принципы ультразвуковой обработки.
Все ультразвуковые аппараты мощностью от 200 ватт оснащены цифровым управлением, программируемыми настройками, дистанционным управлением через браузер, автоматическим протоколированием данных, подключаемыми датчиками температуры и давления и многими другими функциями для высочайшего удобства использования и получения повторяемых результатов.
Для промышленного производства смазочных материалов ассортимент Hielscher включает компактные лабораторные ультразвуковые аппараты для исследований осуществимости процесса, системы опытного масштаба для оптимизации процесса и промышленные ультразвуковые процессоры, такие как UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT, а также более крупные установки из нескольких устройств для непрерывной обработки больших объемов.
Проточные реакторы позволяют контролировать время пребывания, повышать давление для более интенсивной кавитации, регулировать температуру и интегрировать оборудование непосредственно в существующие производственные линии этерификации или переэтерификации.

Ультразвуковые процессоры Hielscher обеспечивают важные преимущества при синтезе сложных эфиров и биосмазочных материалов:

• точное управление амплитудой для воспроизводимой интенсивности кавитации
• регулируемый импульсный режим для оптимизации энергозатрат и теплового режима
• высокомощная обработка ультразвуком с помощью зонда для прямой и эффективной передачи энергии в реакционную среду
• периодический и непрерывный проточный режимы работы для гибкой разработки процесса
• возможность масштабирования до промышленного уровня – от лабораторных испытаний до высокопроизводительного производства
• прочная конструкция оборудования для сложных условий химической обработки

 
 
В таблице ниже приведена ориентировочная производительность наших ультразвуковых аппаратов:

Ультразвуковой синтез диэфиров как производственная стратегия

Принцип процесса ультразвуковой переэтерификации масел и жиров непосредственно применим к ультразвуковому синтезу диэфиров и, в более широком смысле, к производству биосмазочных материалов на основе сложных эфиров. Диэфиры являются важными синтетическими базовыми компонентами смазочных материалов благодаря благоприятным вязкостно-температурным характеристикам, смазывающим свойствам и низкотемпературным свойствам. Как и другие реакции этерификации и переэтерификации, синтез диэфиров часто выигрывает от улучшенного контакта реагентов, более быстрого массопереноса и более эффективного использования катализатора.
Поэтому обработка ультразвуком служит практическим инструментом интенсификации для производителей, получающих сложные эфиры из возобновляемого сырья, метиловых эфиров жирных кислот, спиртов, полиолов или других предшественников сложных эфиров. Вместо того чтобы полагаться исключительно на нагрев и механическое перемешивание, ультразвук обеспечивает перемешивание за счет кавитации на микроскопическом уровне, где в действительности возникают многие ограничения реакции.

Для инженеров-технологов это означает, что ультразвуковые реакторы могут использоваться для улучшения следующих показателей:

• скорость реакции
• выход сложных эфиров
• эффективность катализатора
• диспергирование фаз
• стабильность характеристик от партии к партии
• компактность процесса
• энергоэффективность по сравнению с длительной традиционной обработкой

Ультразвуковая переэтерификация достигает степени превращения приблизительно 75% за первые 1,5 минуты и выходит на плато при степени превращения около 90% через 6 минут.
Традиционный метод демонстрирует гораздо более низкую скорость превращения, достигая степени превращения лишь около 40% через 8 минут.
Исследование и иллюстрация: ©Fayyazi et al., 2014

От лабораторного исследования к промышленному производству биосмазочных материалов

Переэтерификация с применением ультразвука является подходящим методом получения сложных эфиров для смазочных материалов (например, биосмазочного материала на основе сложного эфира пентаэритрита), обеспечивающим повышенный выход и менее жесткие условия реакции по сравнению с традиционным способом. Arumugam et al. (2019) сообщили об увеличении выхода с 47% до приблизительно 81,4%, что наглядно демонстрирует коммерческую значимость ультразвуковой интенсификации процесса.
Для производителей смазочных материалов практические выводы очевидны: ультразвуковая переэтерификация может помочь более эффективно преобразовывать возобновляемое сырье в ценные базовые масла на основе сложных эфиров. С ультразвуковыми аппаратами Hielscher та же технологическая платформа, которая используется при лабораторной оптимизации, может быть масштабирована до непрерывной промышленной эксплуатации. Это делает обработку ультразвуком не только исследовательским инструментом, но и жизнеспособной производственной стратегией для биосмазочных материалов нового поколения.
Интегрируя ультразвуковые реакторы Hielscher в линии синтеза сложных эфиров, производители могут интенсифицировать переэтерификацию, повышать выход и разрабатывать более экологически устойчивые базовые компоненты смазочных материалов из сырья, полученного из растительных масел. По мере роста спроса на биоразлагаемые и возобновляемые смазочные материалы ультразвуковой синтез диэфиров и сложных эфиров полиолов открывает перспективный путь к более чистому, эффективному и коммерчески конкурентоспособному производству биосмазочных материалов.

Литература / Ссылки

• Arumugam, S., Chengareddy, P., Tamilarasan, A. et al. (2019): RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant. Arabian Journal for Science and Engineering 44, 2019. 5535–5548.
• Nicolas A. Patience, Federico Galli, Marco G. Rigamonti, Dalma Schieppati, Daria C. Boffito (2019): Ultrasonic Intensification To Produce Diester Biolubricants. Industrial & Engineering Chemistry Research 58, 19; 2019. 7957–7963.
• Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences ; Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
• Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.