BR102013033582B1 - production process of biolubricants derived from castor oil with homogeneous tin-based catalyst - Google Patents
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Abstract
PROCESSO DE PRODUÇÃO DE BIOLUBRIFICANTES DERIVADOS DO ÓLEO DE MAMONA COM CATALISADOR HOMOGÊNEO A BASE DE ESTANHO O objeto principal da presente invenção é prover um processo de produção de biolubrificante de mamona a partir da transesterificação do ricinoleato de metila (biodiesel do óleo de mamona) com o álcool trimetilolpropano (TMP), utilizando-se como catalisador homogêneo, o dibutildilaurato de estanho (DBTDL). Como vantagens dos processos desenvolvidos na presente invenção utilizando o catalisador homogêneo DBTDL em TMP na reação de transesterificação do ricinoleato de metila, destaca-se o fato de gerar uma quantidade pequena de resíduo (metanol), utilizar condições operacionais de baixa severidade; apresentar alto rendimento na reação, simplicidade e baixo custo quando comparados a rotas convencionais na produção de biolubrificantes.PROCESS OF PRODUCTION OF BIOLUBRICANTS DERIVED FROM CASTLE OIL WITH TOMB-BASED HOMOGENEOUS CATALYST The main object of the present invention is to provide a process for the production of castor oil biolubricant from the transesterification of methyl ricinoleate (castor oil biodiesel) with trimethylolpropane alcohol (TMP), using as a homogeneous catalyst, tin dibutyldilaurate (DBTDL). As advantages of the processes developed in the present invention using the homogeneous catalyst DBTDL in TMP in the transesterification reaction of methyl ricinoleate, it stands out the fact of generating a small amount of residue (methanol), using operational conditions of low severity; present high reaction yield, simplicity and low cost when compared to conventional routes in the production of biolubricants.
Description
A presente invenção se refere a um processo de produção de biolubrificante de mamona a partir da transesterificação do ricinoleato de metila (biodiesel do óleo de mamona) com o álcool trimetilolpropano (TMP), utilizando-se como catalisador homogêneo, o dibutildilaurato de estanho (DBTDL).The present invention relates to a process for producing castor oil biolubricant from the transesterification of methyl ricinoleate (castor oil biodiesel) with trimethylolpropane alcohol (TMP), using tin dibutyldylurate (DBTDL) as a homogeneous catalyst ).
Na última década tem-se observado uma preocupação mundial quanto ao impacto ao meio ambiente, resultante do uso de derivados de petróleo. Embora apenas cerca de 1% de todo o petróleo consumido seja usado na formulação de lubrificantes, grande parte desses produtos é descartada no meio ambiente sem nenhum tratamento. Alguns destes hidrocarbonetos são carcinogênicos e resistentes à biodegradação, representando uma séria ameaça ao meio ambiente.In the last decade, there has been a worldwide concern regarding the impact on the environment, resulting from the use of petroleum products. Although only about 1% of all oil consumed is used in the formulation of lubricants, most of these products are discarded in the environment without any treatment. Some of these hydrocarbons are carcinogenic and resistant to biodegradation, representing a serious threat to the environment.
Nesse cenário, há uma preocupação por parte das empresas petrolíferas e de energia em desenvolver lubrificantes biodegradáveis.In this scenario, there is a concern on the part of the oil and energy companies to develop biodegradable lubricants.
Os lubrificantes, dependendo da aplicabilidade, devem apresentar certas propriedades fisico-químicas dentro de determinadas especificações, como, por exemplo, viscosidade, índice de acidez, corrosividade e ponto de fluidez. Em se tratando dos biolubrificantes, usualmente representados por ésteres orgânicos, as estabilidades oxidativa, térmica e hidrolítica são fundamentais, sendo a primeira uma das propriedades mais importantes no desenvolvimento de um lubrificante biodegradável.Lubricants, depending on the applicability, must have certain physicochemical properties within certain specifications, such as, for example, viscosity, acidity index, corrosivity and pour point. In the case of biolubricants, usually represented by organic esters, oxidative, thermal and hydrolytic stability are fundamental, the former being one of the most important properties in the development of a biodegradable lubricant.
Entretanto, à medida que se sintetiza uma molécula altamente resistente à oxidação, com as duplas ligações removidas ou protegidas por impedimentos estéricos, deve-se levar em consideração que a ação dos microorganismos responsáveis pela biodegradação será dificultada. Nesse contexto, o grande desafio na formulação de biolubrificantes é encontrar uma molécula que tenha alta resistência oxidativa e seja biodegradável.However, as a molecule highly resistant to oxidation is synthesized, with the double bonds removed or protected by steric impediments, it must be taken into account that the action of the microorganisms responsible for biodegradation will be hampered. In this context, the great challenge in the formulation of biolubricants is to find a molecule that has high oxidative resistance and is biodegradable.
O potencial poluidor do óleo mineral é extremamente preocupante. Estima-se que 1 litro de óleo mineral é capaz de tornar impróprio para o consumo 1 milhão de litros de água doce. No caso dos motores de dois tempos, principal aplicação atual dos biolubrificantes, o mecanismo de lubrificação resulta na liberação de óleo não queimado junto com o gás de exaustão, criando a possibilidade de poluição ambiental.The polluting potential of mineral oil is extremely worrying. It is estimated that 1 liter of mineral oil is capable of rendering 1 million liters of fresh water unfit for consumption. In the case of two-stroke engines, the main current application of biolubricants, the lubrication mechanism results in the release of unburned oil together with the exhaust gas, creating the possibility of environmental pollution.
De forma particular, quando motores náuticos são utilizados em rios, lagos ou oceanos, o óleo não queimado no gás de exaustão é liberado na água, podendo causar poluição na mesma. Além disso, tratores, máquinas agrícolas, motosserras e outros equipamentos florestais também podem poluir florestas e rios devido ao óleo parcialmente queimado, o qual é liberado.In particular, when nautical engines are used in rivers, lakes or oceans, the oil not burned in the exhaust gas is released into the water, which can cause pollution in the water. In addition, tractors, agricultural machinery, chainsaws and other forestry equipment can also pollute forests and rivers due to partially burned oil, which is released.
Sendo assim, medidas para redução do impacto ao meio ambiente devem ser adotadas. De uma forma geral, a preservação ao meio ambiente ocorre devido à intervenção das seguintes forças motrizes: catástrofes ambientais, consciência pública, diretrizes e regulamentações governamentais, globalização dos mercados e incentivos econômicos.Therefore, measures to reduce the impact on the environment must be adopted. In general, preservation of the environment occurs due to the intervention of the following driving forces: environmental catastrophes, public awareness, governmental guidelines and regulations, globalization of markets and economic incentives.
No que se trata dos lubrificantes, é possível realizar a substituição dos óleos de origem mineral por lubrificantes sintéticos biodegradáveis.When it comes to lubricants, it is possible to replace mineral oils with synthetic biodegradable lubricants.
Uma alternativa promissora para a substituição de lubrificantes de origem mineral é a utilização de ésteres de alguns ácidos graxos, derivados de óleos vegetais, os quais são biodegradáveis e podem apresentar características factíveis quando comparados aos óleos minerais, tais como: ponto de fluidez, viscosidade, índice de viscosidade e estabilidade oxidativa.A promising alternative for the replacement of mineral lubricants is the use of esters of some fatty acids, derived from vegetable oils, which are biodegradable and can present feasible characteristics when compared to mineral oils, such as: pour point, viscosity, viscosity index and oxidative stability.
Em se tratando do uso dos óleos vegetais, é sabido que na Europa predominam os óleos de girassol e de canola, os quais são ésteres de glicerina e ácidos graxos de cadeia longa (triglicerídeos). No Brasil, as oleaginosas que merecem destaque são a soja e a mamona. Os ácidos graxos encontrados nos óleos vegetais naturais diferem em tamanho de cadeia e em número de duplas ligações. Os triglicerídeos naturais são rapidamente biodegradáveis e bastante eficientes como lubrificantes, entretanto, apresentam limitação quanto às estabilidades térmica, hidrolítica e oxidativa.When it comes to the use of vegetable oils, it is known that in Europe sunflower and canola oils predominate, which are esters of glycerin and long-chain fatty acids (triglycerides). In Brazil, the oilseeds that deserve to be highlighted are soybeans and castor beans. The fatty acids found in natural vegetable oils differ in chain size and in the number of double bonds. Natural triglycerides are readily biodegradable and quite efficient as lubricants, however, they present limitations regarding thermal, hydrolytic and oxidative stability.
Nesse contexto, óleos vegetais puros são utilizados somente em aplicações com baixa exigência térmica, tais como desmoldagem e óleos de motosserras.In this context, pure vegetable oils are used only in applications with low thermal demand, such as demoulding and chainsaw oils.
As desvantagens em relação ao uso dos óleos vegetais como biolubrificantes podem ser superadas com o uso de aditivos, porém a biodegradabilidade, a toxicidade e o preço ficam comprometidos. Uma alternativa para melhorar a qualidade e ampliar a aplicabilidade do óleo vegetal como biolubrificante é a realização de modificações moleculares, por meio de síntese orgânica, utilizando catálise tanto homogênea quanto heterogênea.The disadvantages in relation to the use of vegetable oils as biolubricants can be overcome with the use of additives, but biodegradability, toxicity and price are compromised. An alternative to improve the quality and expand the applicability of vegetable oil as a biolubricant is to perform molecular modifications, through organic synthesis, using both homogeneous and heterogeneous catalysis.
A mamona (Ricinus communis) ou rícino é um arbusto de cujo fruto se extrai um óleo de excelentes propriedades, de larga aplicabilidade industrial. O óleo de mamona é conhecido desde a antiguidade por suas propriedades medicinais e como azeite para iluminação. No século XX, entretanto, deixou de ter na farmacopeia sua grande utilidade e, atualmente, os grandes consumidores são as indústrias químicas e a de lubrificantes.Castor (Ricinus communis) or castor is a shrub from whose fruit an oil of excellent properties is extracted, with wide industrial applicability. Castor oil has been known since ancient times for its medicinal properties and as lighting oil. In the twentieth century, however, pharmacopoeia has ceased to be of great use and, currently, the major consumers are the chemical and lubricant industries.
O óleo de mamona ou “Castor Oil”, como é conhecido internacionalmente, possui propriedades fisico-químicas únicas, como densidade, viscosidade, solubilidade em álcool e lubricidade, superiores a todos os óleos vegetais. O óleo de mamona pode ser utilizado em rotas de síntese para uma grande variedade de produtos. A partir deste óleo, é possível obter o biodiesel, que substitui o óleo diesel derivado do petróleo. Além disso, este óleo possui em sua composição o ácido ricinoléico (90%), o qual apresenta a peculiaridade de possuir uma hidroxila no carbono 12, além de ter uma dupla ligação estrategicamente posicionada no carbono 9 de sua cadeia de 18 carbonos.Castor oil or “Castor Oil”, as it is known internationally, has unique physico-chemical properties, such as density, viscosity, alcohol solubility and lubricity, superior to all vegetable oils. Castor oil can be used in synthetic routes for a wide variety of products. From this oil, it is possible to obtain biodiesel, which replaces diesel oil derived from petroleum. In addition, this oil has in its composition ricinoleic acid (90%), which has the peculiarity of having a hydroxyl on carbon 12, in addition to having a double bond strategically positioned on carbon 9 of its 18-carbon chain.
O ácido ricinoléico é um hidroxi-ácido, de 18 átomos de carbono, contendo uma insaturação, de configuração cis, nos carbonos 9 e 10. A utilização direta do óleo de mamona ou dos seus produtos de hidrólise como biolubrificante não é tecnicamente viável devido à baixa estabilidade oxidativa, elevada acidez e baixo índice de viscosidade. Os produtos lubrificantes devem possuir alta estabilidade oxidativa e baixo ponto de fluidez, características que geralmente não são facilmente encontradas nos produtos de base vegetal.Ricinoleic acid is a hydroxy acid, 18 carbon atoms, containing an unsaturation, cis configuration, in carbons 9 and 10. The direct use of castor oil or its hydrolysis products as a biolubricant is not technically feasible due to the low oxidative stability, high acidity and low viscosity index. Lubricating products must have high oxidative stability and low pour point, characteristics that are not usually easily found in plant-based products.
Face ao exposto, o óleo de mamona destaca-se devido ao fato de ser o mais denso e viscoso dos óleos vegetais usualmente conhecidos, podendo atingir uma viscosidade 10 vezes maior do que o óleo de girassol, apresentando uma boa aplicabilidade dentro da indústria química, já que tem poder de lubricidade 30% maior do que os demais óleos investigados.In view of the above, castor oil stands out due to the fact that it is the most dense and viscous of the vegetable oils usually known, reaching a viscosity 10 times greater than that of sunflower oil, presenting a good applicability within the chemical industry, since it has a lubricity power 30% higher than the other oils investigated.
Os produtos derivados do óleo de mamona apresentam propriedades fisico-químicas interessantes para formulação de lubrificantes. Entretanto, alguns dos processos descritos no estado da técnica que o utilizam apresentam algumas desvantagens em relação a presente invenção.Products derived from castor oil have interesting physicochemical properties for lubricant formulation. However, some of the processes described in the prior art that use it have some disadvantages in relation to the present invention.
O documento de patente norte-americano, US8410033, publicado em 01/03/2012, revela um método de preparação de composições à base de diéster para formulação de biolubrificantes, que são preparados pela reação de espécies de diol vicinais com monoéster de um ou mais ácidos graxos.The US patent document, US8410033, published on 03/01/2012, discloses a method of preparing diester-based compositions for the formulation of biolubricants, which are prepared by reacting vicinal diol species with monoester of one or more fatty acids.
Os monoésteres têm como fonte os triglicerídeos extraídos de algas. Segundo os autores, os lubrificantes à base de éster, de uma forma geral, apresentam excelentes propriedades de lubrificação, devido à polaridade das moléculas de éster de que são constituídas. Estes biolubrificantes são menos voláteis do que os lubrificantes convencionais e são excelentes solventes e dispersantes. Contudo, dependendo da rota de preparação desses ésteres, o processo poderá ser mais caro e laborioso quanto à execução experimental.Monoesters are derived from triglycerides extracted from algae. According to the authors, ester-based lubricants, in general, have excellent lubrication properties, due to the polarity of the ester molecules of which they are made up. These biolubricants are less volatile than conventional lubricants and are excellent solvents and dispersants. However, depending on the route of preparation of these esters, the process may be more expensive and laborious in terms of experimental execution.
Outra anterioridade representativa do estado da técnica é o documento de patente norte-americano US6018063, publicado em 25/01/2000, que descreve a síntese de éster de um estolídeo procedente de ácido oléico com propriedades adequadas para formulação de lubrificantes. Esse documento informa que o estolídeo formado pelo emprego da invenção nele descrita pode ser utilizado sem aditivos, os quais geralmente são utilizados para aprimorar a qualidade do lubrificante, o que consequentemente, tornaria dita invenção vantajosa em relação a outras rotas de produção de biolubrificantes.Another prior art representative of the state of the art is the US patent document US6018063, published on 01/25/2000, which describes the synthesis of an estolide ester from oleic acid with properties suitable for formulating lubricants. This document informs that the stolide formed by the use of the invention described therein can be used without additives, which are generally used to improve the quality of the lubricant, which, consequently, would make this invention advantageous in relation to other routes of production of biolubricants.
Já a anterioridade relativa ao artigo de Salimon, Jumat; Salih, Nadia e Yousef, Emad; “Synthesis and Characterization of esters Derived from Ricinoleic Acid and Evaluation of their Low Property”; Sains Malaysiana 41(10)(2012): 1239-1244; é apresentado o estudo das modificações quimicas realizadas a partir da epoxidação do ácido ricinoléico, procedente do óleo de mamona. Os autores evidenciaram que o aumento do tamanho da cadeia intermediária do éster teve uma influência positiva nas propriedades a baixas temperaturas dos diésteres, devido à criação de uma barreira estérica ao redor da molécula, inibindo a cristalização e, portanto, resultando em um baixo ponto de congelamento.The previous article on Salimon, Jumat; Salih, Nadia and Yousef, Emad; “Synthesis and Characterization of esters Derived from Ricinoleic Acid and Evaluation of their Low Property”; Malaysian Sains 41 (10) (2012): 1239-1244; the study of the chemical modifications carried out from the epoxidation of ricinoleic acid from castor oil is presented. The authors showed that the increase in the size of the intermediate ester chain had a positive influence on the low temperature properties of the diesters, due to the creation of a steric barrier around the molecule, inhibiting crystallization and, therefore, resulting in a low freezing.
Outra invenção que descreve a produção de biolubrificantes, a partir da reação de transesterificação utilizando a rota enzimática, é a patente norte-americana US6117827, publicada em 12/09/2000. Neste documento, o produto final é uma mistura de ácidos graxos mono e diinsaturados de cadeias na faixa de 15 a 16 átomos de carbono.Another invention that describes the production of biolubricants, from the transesterification reaction using the enzymatic route, is the US patent US6117827, published on 12/09/2000. In this document, the final product is a mixture of mono- and di-unsaturated fatty acids of chains in the range of 15 to 16 carbon atoms.
Os documentos supracitados não citam ou sequer sugerem o uso de um catalisador específico, tal como o DBTDL da presente invenção, na presença de TMP, no processo de obtenção de biolubrificantes a partir do óleo de mamona.The aforementioned documents do not mention or even suggest the use of a specific catalyst, such as the DBTDL of the present invention, in the presence of TMP, in the process of obtaining biolubricants from castor oil.
O uso de complexos de estanho (IV), tal como o DBTDL, como catalisador nas reações de transesterificação de óleos vegetais pode ser encontrado em algumas publicações científicas.The use of tin (IV) complexes, such as DBTDL, as a catalyst in the reactions of transesterification of vegetable oils can be found in some scientific publications.
A título exemplificativo tem-se o estudo desenvolvido por Ferreira, D. A. C., et al intitulado “Methanolysis of soybean oil in the presence of tin (IV) complexes”, em Applied Catalysis A: General 317, 58-61, 2007. No referido estudo, observou-se que na metanólise do óleo de soja, em diferentes tempos de reação, temperaturas e quantidades de catalisadores, a ordem de reatividade em termos de rendimento em ésteres metílicos de ácidos graxos, foi: DBTDL > DBTO > óxido de dibutilestanho modificado > BTA.As an example, there is the study developed by Ferreira, DAC, et al entitled “Methanolysis of soybean oil in the presence of tin (IV) complexes”, in Applied Catalysis A: General 317, 58-61, 2007. In the referred study , it was observed that in the methanolysis of soybean oil, at different reaction times, temperatures and amounts of catalysts, the order of reactivity in terms of yield in fatty acid methyl esters was: DBTDL> DBTO> modified dibutyltin oxide> BTA.
A dissertação de Mestrado de Daniel Ribeiro de Mendonça -Universidade Federal de Alagoas - sob título ‘‘Emprego de catalisadores de estanho (IV) em reações de transesterificação: obtenção de biodiesel', publicada em fevereiro de 2008, investigou o uso a base de complexos organometálicos de estanho (IV) como catalisadores na alcoólise de óleos vegetais (óleo de soja e mamona). Particularmente, foi investigada a atividade catalítica dos seguintes compostos de estanho (IV): BTA, DBTO e DBTDL na referida reação.The Master's dissertation by Daniel Ribeiro de Mendonça - Federal University of Alagoas - under the title 'Use of tin (IV) catalysts in transesterification reactions: obtaining biodiesel', published in February 2008, investigated the use of complexes organometallic tin (IV) as catalysts in the alcoholization of vegetable oils (soybean oil and castor oil). In particular, the catalytic activity of the following tin (IV) compounds was investigated: BTA, DBTO and DBTDL in said reaction.
No âmbito desse estudo foram realizadas reações de transesterificação com diferentes tempos reacionais, óleos vegetais, tipos de reatores (reator de vidro acoplado a um condensador de refluxo (RVCR) e reator de aço inox (RP)), e o efeito dos alcoóis (metanol, etanol, isopropanol, butanol e isobutanol).Within the scope of this study, transesterification reactions were carried out with different reaction times, vegetable oils, types of reactors (glass reactor coupled to a reflux condenser (RVCR) and stainless steel reactor (RP)), and the effect of alcohols (methanol , ethanol, isopropanol, butanol and isobutanol).
Para a produção do biodiesel do óleo de mamona foi verificado que a melhor opção em termos operacionais para metanólise do óleo de mamona seria o uso dos catalisadores: - o DBTO seguido pelo ácido BTA, ambas as reações operando a 120 °C e em tempos de 2 horas. Verificou-se, também, que comparativamente ao óleo de soja, o óleo de mamona apresentou atividades inferiores na transesterificação possivelmente devido ao efeito causado pelo tamanho da cadeia dos ácidos graxos do óleo de mamona, pelo grau de insaturação do óleo e pela interferência do grupo hidroxila na desativação do catalisador.For the production of biodiesel from castor oil it was found that the best option in operational terms for methanolysis of castor oil would be the use of catalysts: - DBTO followed by BTA acid, both reactions operating at 120 ° C and in times of 2 hours. It was also found that, compared to soybean oil, castor oil showed lower activities in transesterification, possibly due to the effect caused by the size of the castor oil fatty acid chain, the degree of oil unsaturation and the interference of the group hydroxyl in deactivating the catalyst.
Já na tese de Mestrado de Tatiana Maciel Serra - Universidade Federal de Alagoas, sob título: - “Desenvolvimento de catalisadores a base de estanho (I), para produção de ésteres metílicos de ácidos graxos, via transesterificação e esterificação", publicada em março de 2010, o objetivo do estudo foi investigar a atividade catalítica de quatro complexos metálicos exibindo caráter de ácido de Lewis. Tais estudos foram direcionados para: dibutildiacetato de estanho, dibutildilaurato de estanho, óxido de dibutil estanho e ácido butilestanóico nas reações de transesterificação do óleo de soja e mamona.In the Masters thesis of Tatiana Maciel Serra - Federal University of Alagoas, under the title: - "Development of catalysts based on tin (I), for the production of fatty acid methyl esters, via transesterification and esterification", published in March The objective of the study was to investigate the catalytic activity of four metal complexes exhibiting Lewis acid character in 2010. These studies were directed to: tin dibutyldiacetate, tin dibutyldilaurate, dibutyl tin oxide and butylstanoic acid in the transesterification reactions of oil soy and castor beans.
Uma das conclusões do estudo foi que para as condições reacionais estudadas, os valores de rendimento (% FAMEs) na metanólise de soja foram maiores do que os da metanólise de mamona, e que o sistema catalítico que empregava o RP foi mais eficiente. E ainda, que o grupo hidroxila, presente no C12 da cadeia do ácido ricinoléico, pode ter influenciado negativamente nos rendimentos reacionais na metanólise do óleo de mamona (% FAMEs).One of the conclusions of the study was that for the studied reaction conditions, the yield values (% FAMEs) in soybean methanolysis were higher than those of castor oil methanolysis, and that the catalytic system that employed PR was more efficient. Furthermore, the hydroxyl group, present in C12 of the ricinoleic acid chain, may have had a negative influence on the reaction yields in castor oil methanolysis (% FAMEs).
Desta forma, é possível inferir que até o presente momento não foi descrito no estado da técnica um processo para obter biolubrificantes de mamona a partir da transesterificação do ricinoleato de metila (biodiesel do óleo de mamona) utilizando-se como catalisador homogêneo, o DBTDL na presença de um álcool específico como o TMP.Thus, it is possible to infer that until now, a process for obtaining castor oil biolubricants from the transesterification of methyl ricinoleate (castor oil biodiesel) has not been described in the state of the art using the DBTDL as a homogeneous catalyst. presence of a specific alcohol such as TMP.
A presente invenção tem, como principal motivação, a valorização da biomassa como matéria prima, já que há uma tendência mundial em substituir-se gradativamente os compostos de origem fóssil pelos de origem vegetal, altamente biodegradáveis, sem agredir o meio ambiente. Sendo assim, para o mercado de lubrificantes, os biolubrificantes se tornam uma alternativa factível e que já vem sendo utilizada em muitos países da Europa, através do desenvolvimento de processos mais econômicos e simples.The present invention has, as main motivation, the valorization of biomass as raw material, since there is a worldwide trend to gradually replace compounds of fossil origin by those of vegetable origin, highly biodegradable, without harming the environment. Thus, for the lubricant market, biolubricants become a feasible alternative and have already been used in many countries in Europe, through the development of more economical and simple processes.
Claramente, são vantagens dos processos desenvolvidos utilizando o catalisador homogêneo DBTDL em TMP na reação de transesterificação do biodiesel do óleo de mamona: gerar uma quantidade pequena de resíduo (metanol), utilizar condições operacionais com baixa severidade; apresentar alto rendimento na reação e simplicidade e baixo custo quando comparada a rotas convencionais na produção de biolubrificantes.Clearly, the advantages of the processes developed using the homogeneous catalyst DBTDL in TMP in the transesterification reaction of castor oil biodiesel: generate a small amount of residue (methanol), use operating conditions with low severity; present high reaction yield and simplicity and low cost when compared to conventional routes in the production of biolubricants.
Ademais, o ricinoleato de metila, obtido a partir de uma reação de transesterificação do óleo de mamona com o metanol, é o principal constituinte do biodiesel. Sendo assim, a transesterificação deste composto com álcoois superiores, como, por exemplo, o empregado na presente invenção, o TMP, possibilitou a obtenção de ésteres de poliol, sendo estes importantes precursores de óleos básicos sintéticos.In addition, methyl ricinoleate, obtained from a transesterification reaction of castor oil with methanol, is the main constituent of biodiesel. Thus, the transesterification of this compound with higher alcohols, such as, for example, the one used in the present invention, TMP, made it possible to obtain polyol esters, which are important precursors of synthetic base oils.
A presente invenção se refere a um processo de produção de biolubrificantes, derivados do óleo de mamona, que utiliza como catalisador homogêneo, o DBTDL em meio de TMP.The present invention relates to a process for the production of biolubricants, derived from castor oil, which uses DBTDL as a homogeneous catalyst in TMP medium.
A rota de produção de biolubrificantes de mamona, utilizada na presente invenção foi a transesterificação do ricinoleato de metila (biodiesel do óleo de mamona) com o álcool trimetilolpropano (TMP), utilizando-se o catalisador homogêneo di-laurato de di-butilestanho (DBTDL). Esta rota se apresentou bastante factível e promissora devido a: gerar uma quantidade pequena de resíduo (metanol), utilizar condições operacionais com baixa severidade; apresentar alto rendimento na reação; simplicidade e baixo custo quando comparada a rotas convencionais na produção de biolubrificantes.The production route for castor oil biolubricants used in the present invention was the transesterification of methyl ricinoleate (castor oil biodiesel) with trimethylolpropane alcohol (TMP), using the homogeneous di-butyl tin diuryl laurate (DBTDL ). This route proved to be quite feasible and promising due to: generating a small amount of waste (methanol), using operating conditions with low severity; present high reaction yield; simplicity and low cost when compared to conventional routes in the production of biolubricants.
Por meio dos processos desenvolvidos na presente invenção, a partir do uso do referido catalisador homogêneo, o DBTDL em meio alcoólico de TMP, foi possível obter biolubrificantes derivados do óleo de mamona com excelentes vantagens, tais como:
- 1) Desenvolvimento de rota mais econômica e simples para produção de biolubrificantes; biolubrificante de mamona isento de aditivos em sua formulação; o biodiesel utilizado não precisa ter rigidez em sua especificação;
- 2) Na rota de produção de biolubrificante de mamona foram utilizados reagentes de baixo custo. A produtividade foi de 70% de biolubrificante de mamona puro, isento de outros componentes;
- 3) Uso de matéria-prima de origem vegetal e de reagentes com baixa toxicidade durante a reação;
- 4) Os testes comprovaram que os resultados obtidos com o biolubrificante de mamona, em termos de conversão (70%), superam aqueles obtidos pelo estado da técnica (aproximadamente 55%).
- 5) Produção de produto biodegradável; os efluentes utilizados podem ser parcialmente retornados ao processo;
- 1) Development of a more economical and simpler route for the production of biolubricants; castor oil biolubricant free of additives in its formulation; the biodiesel used does not need to be rigid in its specification;
- 2) Low-cost reagents were used in the production route for castor oil biolubricant. Productivity was 70% of pure castor oil biolubricant, free from other components;
- 3) Use of raw material of plant origin and reagents with low toxicity during the reaction;
- 4) The tests proved that the results obtained with the castor oil biolubricant, in terms of conversion (70%), surpass those obtained by the state of the art (approximately 55%).
- 5) Production of biodegradable product; the effluents used can be partially returned to the process;
O processo de produção de biolubrificantes objeto da presente invenção se aplica a cargas compreendendo ricinoleato de metila, em especial ao biodiesel de mamona.The process of production of biolubricants object of the present invention applies to fillers comprising methyl ricinoleate, in particular to castor oil biodiesel.
De um modo amplo, o processo envolve a transesterificação do ricinoleato de metila com trimetilolpropano, utilizando um catalisador homogêneo, neste caso o di-laurato de di-butilestanho (DBTDL).Broadly speaking, the process involves transesterification of methyl ricinoleate with trimethylolpropane, using a homogeneous catalyst, in this case di-butyl tin diuride (DBTDL).
Numa etapa inicial, a carga, compreendendo ricinoleato de metila, é submetida a aquecimento em um reator a temperaturas variando de 55 a 70°C, preferencialmente 60°C, sob vácuo (pressão absoluta entre 50 e 150 mmHg), e por um período de pelo menos 1 hora. Esta etapa inicial de aquecimento é necessária para a remoção de umidade residual da carga, já que a presença de água pode levar a hidrólise do ricinoleato de metila.In an initial stage, the load, comprising methyl ricinoleate, is subjected to heating in a reactor at temperatures ranging from 55 to 70 ° C, preferably 60 ° C, under vacuum (absolute pressure between 50 and 150 mmHg), and for a period at least 1 hour. This initial heating step is necessary to remove residual moisture from the load, since the presence of water can lead to the hydrolysis of methyl ricinoleate.
Após a remoção da umidade residual da carga, esta é aquecida no reator a uma temperatura até 165-175°C (preferencialmente 170°C), sob a mesma condição de pressão, sendo então adicionado o TMP e, em seguida, o catalisador DBTDL, sob agitação variando entre 800 e 1200 rpm.After removing the residual moisture from the load, it is heated in the reactor to a temperature of 165-175 ° C (preferably 170 ° C), under the same pressure condition, and then the TMP and then the DBTDL catalyst are added. , under agitation varying between 800 and 1200 rpm.
A adição do TMP e do catalisador é efetuada de forma que a razão molar entre o ricinoleato de metila e o TMP na reação de transesterificação seja de 3,2:1, e a proporção de massa do catalisador em relação a massa de ricinoleato de metila esteja na faixa de ,025% a 0,5%.The addition of TMP and catalyst is carried out so that the molar ratio between methyl ricinoleate and TMP in the transesterification reaction is 3.2: 1, and the mass ratio of the catalyst to the mass of methyl ricinoleate is in the range of, 025% to 0.5%.
O tempo de reação varia de 5 a 7 h, sendo o reator mantido sob vácuo, pressão absoluta variando de 50 a 150 mmHg, de forma a garantir que todo o metanol gerado na reação seja removido do meio reacional.The reaction time varies from 5 to 7 h, with the reactor being kept under vacuum, absolute pressure ranging from 50 to 150 mmHg, in order to ensure that all methanol generated in the reaction is removed from the reaction medium.
A quantidade de metanol formada na reação depende de sua conversão. Para uma conversão de 70%, por exemplo, há, em geral, uma produção de 6,3% de metanol em relação à massa total adicionada de ricinoleato de metila e TMP.The amount of methanol formed in the reaction depends on its conversion. For a conversion of 70%, for example, there is, in general, a production of 6.3% of methanol in relation to the total mass added of methyl ricinoleate and TMP.
Para a recuperação do produto, biolubrificante, da carga não reagida (ricinoleato de metila), e do TMP não consumido, são necessárias, ainda, duas etapas:
- - evaporação, para remoção do TMP e;
- - destilação molecular para separar o ricinoleato de metila do biolubrificante.
- - evaporation, to remove TMP and;
- - molecular distillation to separate the methyl ricinoleate from the biolubricant.
Neste caso, tanto a evaporação quanto a destilação molecular ocorrem com o uso de alto vácuo, tendo-se, com isso, temperaturas brandas, mantendo-se, assim, a integridade do biolubrificante gerado, principalmente no tocante à estabilidade oxidativa e à acidez. Além disso, é possível reaproveitar o ricinoleato de metila não reagido, retornando-o para o reator, como parte da alimentação (carga) do mesmo.In this case, both evaporation and molecular distillation occur with the use of high vacuum, with mild temperatures thus maintaining the integrity of the generated biolubricant, especially with regard to oxidative stability and acidity. In addition, it is possible to reuse unreacted methyl ricinoleate, returning it to the reactor, as part of its supply (load).
Para a remoção do TMP por evaporação, a corrente compreendendo biolubrificante, TMP e ricinoleato de metila não reagido, é encaminhada a um evaporador e submetida a temperaturas entre 120°C a 180°C e pressão absoluta na faixa de 0,1 a 0,4 mmHg.For the removal of TMP by evaporation, the stream comprising biolubricant, TMP and unreacted methyl ricinoleate, is sent to an evaporator and subjected to temperatures between 120 ° C to 180 ° C and absolute pressure in the range of 0.1 to 0, 4 mmHg.
Todo o circuito para a recuperação do TMP deve se manter aquecido, em geral a temperatura de 70°C, de forma a evitar a solidificação do álcool nas tubulações. Após a remoção do TMP, uma corrente compreendendo ricinoleato de metila e biolubrificante é encaminhada para uma coluna de destilação molecular, operando sob a faixa de temperatura entre 190°C a 240°C, pressão absoluta entre 0,001 a 0,04 mmHg, obtendo-se uma corrente contendo ricinoleato de metila e uma corrente contendo o biolubrificante.The entire circuit for the recovery of the TMP must remain warm, generally at a temperature of 70 ° C, in order to avoid the solidification of alcohol in the pipes. After TMP removal, a stream comprising methyl ricinoleate and biolubricant is sent to a molecular distillation column, operating under the temperature range between 190 ° C to 240 ° C, absolute pressure between 0.001 to 0.04 mmHg, obtaining a chain containing methyl ricinoleate and a chain containing the biolubricant.
O biolubrificante obtido de acordo com o processo da presente invenção apresenta viscosidade a 40°C de 290 a 300 cSt., e a 100°C de 24,10 cSt, um índice de viscosidade (IV) de 100 a 105, fluidez -33 a -39 °C e índice de acidez total (IAT) em (mgKOH/g) de 0,30 a 0,50.The biolubricant obtained according to the process of the present invention has a viscosity at 40 ° C of 290 to 300 cSt., And at 100 ° C of 24.10 cSt, a viscosity index (IV) of 100 to 105, fluidity -33 at -39 ° C and total acidity index (IAT) in (mgKOH / g) from 0.30 to 0.50.
A reação em escala de bancada foi realizada em um reator de vidro com capacidade de 50 mL, operado em batelada. Os reagentes utilizados foram o ricinoleato de etila, o TMP e o DBTDL, como catalisador da reação. O reator manteve-se sob agitação (800 rpm) constante durante toda a reação. As condições operacionais estabelecidas são apresentadas na Tabela 1. The bench scale reaction was performed in a glass reactor with a capacity of 50 mL, operated in batch. The reagents used were ethyl ricinoleate, TMP and DBTDL, as a reaction catalyst. The reactor remained under constant agitation (800 rpm) throughout the reaction. The operational conditions established are shown in Table 1.
Como forma de garantir que todo o etanol gerado fosse removido do meio reacional, o reator operou sob vácuo. O etanol formado foi recolhido com o auxílio de um trap com gelo seco. A conversão da reação foi de 75% (medida com o auxílio de HPLC) e as características finais do biolubrificante de mamona formado nesta reação são evidenciadas na Tabela 2. * IV: índice de Viscosidade
IAT: índice de Acidez TotalAs a way of ensuring that all the ethanol generated was removed from the reaction medium, the reactor operated under vacuum. The formed ethanol was collected with the aid of a dry ice trap. The reaction conversion was 75% (measured with the aid of HPLC) and the final characteristics of the castor oil biolubricant formed in this reaction are shown in Table 2. * IV: Viscosity index
IAT: Total Acidity Index
A reação em escala semi-industrial foi conduzida em duas etapas, a saber: secagem do biodiesel de mamona e a reação. Na etapa de secagem, a temperatura utilizada foi de 60°C durante 1h. A temperatura de reação se manteve por 170°C, durante 7h, sob vácuo de 100 mmHg (0,13 bar), de forma a garantir a remoção total do metanol gerado durante a reação. A relação estequiométrica de ricinoleato de metila e TMP foi a mesma utilizada (no exemplo 1). A proporção em massa de catalisador em relação a massa de ricinoleato de metila utilizada na reação está compreendida na faixa de 0,25 % a 0,5%.The reaction on a semi-industrial scale was carried out in two stages, namely: drying of castor oil biodiesel and the reaction. In the drying step, the temperature used was 60 ° C for 1h. The reaction temperature was maintained at 170 ° C for 7 hours, under a vacuum of 100 mmHg (0.13 bar), in order to guarantee the total removal of methanol generated during the reaction. The stoichiometric ratio of methyl ricinoleate and TMP was the same used (in example 1). The mass ratio of catalyst to the mass of methyl ricinoleate used in the reaction is between 0.25% and 0.5%.
A Tabela 3 apresenta as características fisico-químicas do biodiesel de mamona e do produto reacional formado.Table 3 presents the physicochemical characteristics of castor oil biodiesel and the reaction product formed.
Como pode ser visto na Tabela 3, as propriedades fisico-químicas foram fortemente alteradas após a etapa reacional. A conversão da reação foi de 73,85%, a qual está de acordo com o que foi obtido no exemplo 1. As divergências entre as características fisico-químicas encontradas nos exemplos 1 e 2 podem ser explicadas devido ao aumento da complexidade com a ampliação do volume produzido.As can be seen in Table 3, the physicochemical properties were strongly altered after the reaction step. The conversion of the reaction was 73.85%, which is in accordance with what was obtained in example 1. The divergences between the physicochemical characteristics found in examples 1 and 2 can be explained due to the increase in complexity with the expansion of the volume produced.
Em unidades reacionais, em que os volumes são menores, as variáveis operacionais são facilmente monitoradas e controladas, além dos problemas fluidodinâmicos ocasionados, os quais são menores do que em volumes maiores. Entretanto, comparando os resultados ilustrados nas Tabelas 2 e 3, evidencia-se que em ambos os casos, o potencial de aplicação será o mesmo.In reaction units, in which the volumes are smaller, the operational variables are easily monitored and controlled, in addition to the fluid dynamics problems caused, which are smaller than in larger volumes. However, comparing the results illustrated in Tables 2 and 3, it is evident that in both cases, the potential for application will be the same.
O biolubrificante de mamona gerado na reação, sem a etapa de purificação, já poderia ser empregado em motosserras e fluídos marítimos. Entretanto, como forma de elevar o valor agregado deste composto, efetuou-se a purificação deste componente, em uma unidade de destilação molecular. * Viscosidade - ASTM D445
IV: índice de Viscosidade - ASTM D2270
Fluidez: ASTM D97
IAT: índice de Acidez Total - ASTM D664The castor oil biolubricant generated in the reaction, without the purification step, could already be used in chainsaws and marine fluids. However, as a way to increase the added value of this compound, this component was purified in a molecular distillation unit. * Viscosity - ASTM D445
IV: Viscosity index - ASTM D2270
Fluidity: ASTM D97
IAT: Total Acidity Index - ASTM D664
O produto reacional foi matéria-prima para a unidade de destilação molecular. A etapa de evaporação foi necessária de forma a garantir a remoção total do álcool (TMP). Após essa separação, a mistura biodiesel -biolubrificante de mamona foi conduzida à coluna de destilação molecular, para a separação desses produtos. As temperaturas de separação no evaporador e no destilador molecular foram respectivamente 160°C e 240°C. O rendimento na separação do biolubrificante de mamona foi de 70% e as suas propriedades fisico-químicas estão ilustradas na Tabela 4.* Viscosidade - ASTM D445
IV: índice de Viscosidade - ASTM D2270
Fluidez: ASTM D97
IAT: índice de Acidez Total - ASTM D664The reaction product was the raw material for the molecular distillation unit. The evaporation step was necessary in order to guarantee the total removal of alcohol (TMP). After this separation, the biodiesel-biolubricant castor mixture was conducted to the molecular distillation column, for the separation of these products. The separation temperatures in the evaporator and the molecular distiller were 160 ° C and 240 ° C, respectively. The yield in the separation of the castor oil biolubricant was 70% and its physico-chemical properties are shown in Table 4. * Viscosity - ASTM D445
IV: Viscosity index - ASTM D2270
Fluidity: ASTM D97
IAT: Total Acidity Index - ASTM D664
Os dados apresentados na Tabela 4 corroboram com o fato de que a unidade de destilação molecular melhora sensivelmente as propriedades fisico-químicas do biolubrificante de mamona e, consequentemente, eleva o potencial de aplicação deste produto. Percebe-se que após a etapa de purificação o produto ficou muito melhor do que os apresentados tradicionalmente. Além disso, o rendimento de separação foi elevado, o que torna o processo bastante promissor.The data presented in Table 4 corroborate the fact that the molecular distillation unit significantly improves the physicochemical properties of castor oil biolubricant and, consequently, increases the potential for application of this product. It is noticed that after the purification stage the product was much better than those traditionally presented. In addition, the separation yield was high, which makes the process very promising.
Claims (18)
a) prover uma carga, compreendendo ricinoleato de etila, a um reator e aquecer, sob vácuo, de modo a remover a umidade residual da carga;
b) adicionar ao reator contendo a carga, álcool trimetilolpropano (TMP) e um catalisador homogêneo a base de estanho, sob agitação, vácuo e temperatura entre 168°C e 172°C, pelo tempo necessário para promover a reação de transesterificação do ricinoleato de metila, de modo a obter duas correntes, uma corrente compreendendo TMP, ricinoleato de metila não reagido e biolubrificante, e uma corrente contendo metanol;
e) encaminhar a corrente efluente do reator, compreendendo metanol, ricinoleato de metila não reagido e biolubrificante para um evaporador, operando sob vácuo e temperaturas entre 120 e 180°C de modo a remover o TMP, obtendo uma corrente contendo ricinoleato de metila não reagido e biolubrificante;
f) encaminhar a corrente efluente do evaporador, contendo ricinoleato de metila não reagido e biolubrificante, para uma coluna de destilação molecular, obtendo uma corrente de ricinoleato de metila e uma corrente de biolubrificante.PROCESS OF PRODUCTION OF BIOLUBRICANTS DERIVED FROM MAMONA OIL WITH HOMOGENEOUS CATALYST, THE TIN BASE, characterized by comprising the following steps:
a) to provide a load, comprising ethyl ricinoleate, to a reactor and heat, under vacuum, in order to remove residual moisture from the load;
b) add to the reactor containing the cargo, trimethylolpropane alcohol (TMP) and a homogeneous tin-based catalyst, under stirring, vacuum and temperature between 168 ° C and 172 ° C, for the time necessary to promote the ricinoleate transesterification reaction methyl, in order to obtain two streams, a stream comprising TMP, unreacted and biolubricating methyl ricinoleate, and a stream containing methanol;
e) direct the effluent stream from the reactor, comprising methanol, unreacted methyl ricinoleate and biolubricant to an evaporator, operating under vacuum and temperatures between 120 and 180 ° C in order to remove the TMP, obtaining a stream containing unreacted methyl ricinoleate and biolubricant;
f) direct the effluent stream from the evaporator, containing unreacted and biolubricating methyl ricinoleate, to a molecular distillation column, obtaining a methyl ricinoleate stream and a biolubricant stream.
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