Ультразвуковой синтез диэфиров для производства высокоэффективных биологических смазочных материалов

Во всех отраслях промышленности ускоряется переход от смазочных материалов нефтяного происхождения к возобновляемым, биоразлагаемым и высокоэффективным смазочным материалам на эфирной основе. Производители смазочных материалов испытывают всё большее давление со стороны общества, требующего снижения воздействия на окружающую среду при одновременном соблюдении строгих эксплуатационных критериев, таких как высокий индекс вязкости, низкая летучесть, хорошая смазывающая способность, термическая стабильность и надёжные эксплуатационные характеристики при низких температурах. В этих условиях ультразвуковая переэтерификация представляет собой эффективную стратегию интенсификации процессов синтеза сырья на основе эфиров, используемого в современных рецептурах биосмазок.

Ультразвуковая переэтерификация диэфиров для производства биологических смазочных материалов

Ультразвуковая переэтерификация растительных масел и жиров представляет собой экологически безопасный метод, который позволяет значительно повысить выход эфиров, снизить технологические ограничения и сделать процесс переэтерификации более привлекательным для промышленного производства смазочных материалов. Ультразвуковые устройства Hielscher зондового типа используются для эффективного синтеза эфиров в потоковом производстве в контролируемых технологических условиях.

Синтез биологических смазочных материалов методом переэтерификации

Растительные масла являются привлекательным сырьем для производства биосмазок, поскольку они являются возобновляемыми, биоразлагаемыми и обладают хорошими смазывающими свойствами. Однако необработанные растительные масла зачастую характеризуются ограниченной окислительной стойкостью и плохими низкотемпературными свойствами. Распространённой стратегией преодоления этих недостатков является преобразование метиловых эфиров, полученных из растительных масел, в полиольные эфиры, такие как эфиры пентаэритрита, путём переэтерификации.
В исследовании “Оптимизация параметров процесса ультразвуковой переэтерификации с использованием алгоритмов RSM и Crow для синтеза биологической смазки на основе полиолэфиров” По данным Арумугама и др., рапсовое масло сначала преобразовывали в метиловый эфир рапсового масла. На втором этапе этот метиловый эфир подвергали реакции с пентаэритритолом в присутствии катализатора — п-толуолсульфоновой кислоты — и в растворителе — ксилоле. Целевым продуктом был эфир пентаэритрита, пригодный в качестве базового масла для биосмазок. Данная реакция представляет большой интерес для производителей смазочных материалов, поскольку эфиры полиолов широко используются в качестве синтетических базовых масел для компрессорных масел, гидравлических жидкостей, хладагентных масел и других высокоэффективных смазочных материалов.
Основная проблема при традиционной трансэтерификации заключается в том, что реакция зачастую ограничивается недостаточным массообменом между реагентами. Метиловые эфиры, полиолы и катализаторы не всегда образуют идеальную однородную реакционную систему. При традиционном перемешивании может потребоваться длительное время реакции, высокая температура и значительные затраты энергии, при этом выход продукта остаётся умеренным. Именно в этом заключается решающее преимущество ультразвуковой обработки.

Блок-схема процесса ультразвуковой переэтерификации эфира пентаэритрита
Исследование и иллюстрация: © Арумугам и др., 2019

Как ультразвуковая переэтерификация усиливает синтез эфиров

При ультразвуковой переэтерификации используется высокоинтенсивный ультразвук для создания акустической кавитации в жидкой реакционной среде. В результате кавитации образуются микроскопические пузырьки, которые быстро растут и резко разрушаются. Это приводит к возникновению интенсивных локальных сдвиговых сил, микроструй, акустических течений и микроэмульгирования.
Для синтеза эфиров эти эффекты имеют огромное значение, поскольку они:

• уменьшить размер капель и улучшить контакт между фазами
• увеличить площадь межфазного контакта между несмешивающимися или слабосмешивающимися реагентами
• повысить доступность катализатора
• Ускорение массопереноса
• улучшить кинетику реакции
• обеспечивают более высокий выход эфиров в оптимизированных условиях

В исследовании объясняется, что турбулентность, вызванная кавитацией, и микроэмульсии позволяют преодолеть ограничения, связанные с массопереносом при традиционной трансэстерификации. В результате реагенты диспергируются более эффективно, а каталитическая реакция протекает быстрее и полнее.

Результаты исследования: более высокий выход эфиров при использовании ультразвука

В ходе исследования был оптимизирован процесс с использованием ультразвука с помощью методологии поверхности отклика и алгоритма «поиска вороны». Исследуемыми переменными процесса были ультразвуковой импульс, амплитуда ультразвука, концентрация катализатора и температура реакции.
Оптимальные условия ультразвуковой обработки были следующими:
Система «Sonicator»: Ультразвуковой аппарат Hielscher UP400St с зондовым типом воздействия
Ультразвуковой импульс: 15 секунд
Амплитуда ультразвука: 60 %
Концентрация катализатора: полтора весовых процента
Температура реакции: 100°C

В этих оптимизированных условиях при трансэтерификации с использованием ультразвука выход эфира пентаэритрита составил примерно 81,4 %. Для сравнения: при традиционном способе переэтерификации в условиях, оцениваемых в ходе исследования, выход составил лишь около 47 %. Это означает, что ультразвуковая обработка позволила увеличить выход эфира более чем на 70 % по сравнению с традиционным способом.
Для производителей смазочных материалов этот результат имеет огромное значение. Более высокий выход означает более эффективное использование сырья, сокращение объема побочных продуктов, повышение рентабельности производства и, потенциально, снижение себестоимости производства на килограмм эфирной базовой масла.

Подтверждение образования эфиров

Исследование Арумугама и др. (2019) подтвердило образование пентаэритритольного эфира с помощью ФТИР-спектроскопии и газовой хроматографии. ФТИР-анализ выявил характерные пики карбонильной группы эфира и эфирной связи C–O, а дополнительные пики подтвердили наличие пентаэритритильной группы. Газовая хроматография дополнительно подтвердила состав продукта, включая фракции моноэфира, диэфира, триэфира и тетраэфира.
Для производства биологических смазочных материалов такое аналитическое подтверждение имеет большое значение, поскольку эксплуатационные характеристики смазочных материалов в значительной степени зависят от состава эфиров. Возможность стимулировать образование нужных эфирных структур посредством контролируемой ультразвуковой переэтерификации дает производителям практический инструмент для повышения качества базового масла и обеспечения стабильности технологического процесса.
 

FTIR-спектр эфира пентаэритрита, полученного методом ультразвуковой переэтерификации
Исследование и иллюстрация: ©Arumugam и др., 2019

Преимущества ультразвуковых аппаратов Hielscher для производителей смазочных материалов

Компания Hielscher предлагает полный ассортимент ультразвуковых аппаратов от R&От приборов серии D до полноценных промышленных ультразвуковых систем. Это позволяет разработать технологический процесс в лабораторных условиях, а затем перенести его на пилотный и производственный уровни с использованием тех же основных принципов ультразвукового воздействия.
Все ультразвуковые аппараты мощностью от 200 ватт и выше оснащены цифровым управлением, программируемыми настройками, возможностью удаленного управления через браузер, функцией автоматической записи данных, съемными датчиками температуры и давления, а также многими другими функциями, обеспечивающими максимальное удобство в эксплуатации и воспроизводимость результатов.
Для производства промышленных смазочных материалов ассортимент компании Hielscher включает компактные лабораторные ультразвуковые аппараты для технико-экономических обоснований, системы пилотного масштаба для оптимизации технологических процессов, а также промышленные ультразвуковые процессоры, такие как UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT, а также более крупные многоблочные установки для непрерывной обработки больших объемов.
Проточные реакторы позволяют регулировать время пребывания, создавать давление для более интенсивной кавитации, контролировать температуру, а также интегрировать их непосредственно в существующие производственные линии по этерификации или переэтерификации.

Ультразвуковые процессоры компании Hielscher обладают важными преимуществами при синтезе эфиров и биосмазок:

• точное регулирование амплитуды для обеспечения воспроизводимой интенсивности кавитации
• регулируемый режим импульсной работы для оптимизации потребляемой энергии и управления тепловым режимом
• ультразвуковая обработка с помощью высокомощного зонда для прямой и эффективной передачи энергии в реакционную среду
• периодический и непрерывный режимы работы для гибкой разработки технологических процессов
• промышленная масштабируемость — от лабораторных испытаний до высокопроизводительного производства
• надежная конструкция оборудования для эксплуатации в сложных условиях химической промышленности

 
 
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Синтез диэфиров с помощью ультразвука как производственная стратегия

Принцип ультразвуковой переэтерификации масел и жиров имеет непосредственное отношение к ультразвуковому синтезу диэфиров и более широкому производству биосмазочных материалов на основе эфиров. Диэфиры являются важными базовыми маслами для синтетических смазочных материалов благодаря своим благоприятным характеристикам в зависимости от температуры и вязкости, смазывающей способности и низкотемпературным свойствам. Как и в случае с другими реакциями этерификации и переэтерификации, синтез диэфиров часто выигрывает от улучшенного контакта реагентов, более быстрого массообмена и более эффективного использования катализатора.
Таким образом, ультразвуковая обработка является эффективным средством интенсификации процессов для производителей, занимающихся получением эфиров из возобновляемого сырья, метиловых эфиров жирных кислот, спиртов, полиолов или других прекурсоров эфиров. Вместо того чтобы полагаться исключительно на тепло и механическое перемешивание, ультразвук обеспечивает перемешивание за счет кавитации на микроскопическом уровне, где фактически и возникают многие ограничения реакции.

Для инженеров-технологов это означает, что ультразвуковые реакторы можно использовать для улучшения:

• Скорость реакции
• выход эфира
• эффективность катализатора
• фаза дисперсии/li>
• стабильность от партии к партии
• компактность процесса
• энергоэффективность по сравнению с длительной традиционной обработкой

При ультразвуковой переэтерификации степень превращения достигает примерно 75 % в течение первых 1,5 минут и стабилизируется на уровне около 90 % через 6 минут.
Традиционный метод показывает гораздо более низкий уровень конверсии, достигая лишь около 40 % через 8 минут.
Исследование и иллюстрация: ©Fayyazi и др., 2014

От лабораторных исследований до промышленного производства биологических смазочных материалов

Трансэтерификация с использованием ультразвука является подходящим методом получения эфиров для смазочных материалов (таких как биосмазка на основе эфиров пентаэритрита), обеспечивающим более высокий выход и меньшую интенсивность реакции по сравнению с традиционным способом. Арумугам и др. (2019) сообщили об увеличении выхода с 47 % до примерно 81,4 %, что наглядно демонстрирует коммерческую значимость интенсификации процесса с помощью ультразвука.
Для производителей смазочных материалов выводы очевидны: ультразвуковая переэтерификация может помочь более эффективно преобразовывать возобновляемое сырье в высокоценные эфирные базовые масла. С помощью ультразвуковых аппаратов Hielscher ту же технологическую платформу, которая используется для оптимизации в лабораторных условиях, можно масштабировать для непрерывного промышленного производства. Это делает ультразвуковую обработку не только исследовательским инструментом, но и жизнеспособной производственной стратегией для биосмазочных материалов нового поколения.
Благодаря интеграции ультразвуковых реакторов Hielscher в линии по синтезу эфиров производители могут ускорить процесс переэтерификации, повысить выход продукции и разработать более экологичные базовые масла для смазочных материалов на основе сырья, полученного из растительных масел. Поскольку спрос на биоразлагаемые и возобновляемые смазочные материалы продолжает расти, ультразвуковой синтез диэфиров и полиолэфиров открывает перспективный путь к более экологичному, эффективному и коммерчески конкурентоспособному производству биосмазочных материалов.

Литература / Литература