背景技术
随着柴油机的广泛使用,柴油的消耗量正逐年增长。然而柴油的大量消耗也必然会导致车辆排放有害物质的进一步加剧。由于排放对生态环境、人类健康和经济发展有着严重影响,各国政府相继制定了严格的排放法规,限制柴油车辆的有害排放。随着我国柴油国Ⅴ标准的实施,柴油的硫含量将降到10ppm以下,脱硫柴油已在国内炼厂实施。目前国内采取加氢处理和加氢裂化等降硫技术,使燃油硫含量大大减少,导致柴油中极性化合物的含量过低,从而大大降低了柴油的润滑性,出现大量柴油泵的磨损损坏现象,降低了柴油泵的使用寿命。柴油润滑性问题最早出现于北欧,上世纪九十年代初,瑞典生产的第一类低硫柴油硫含量小于10ppm,芳烃小于5%,第二类硫含量小于50ppm,芳烃小于20%,加之这种柴油的馏分基本上为煤油馏分(95%馏程不大于285℃),因而降低了柴油的自然润滑性。当这种柴油在市场上销售时,开始大约有70辆轻负荷柴油车出现了喷油泵磨损问题。美国在推广使用低硫柴油时,也报道存在大量的润滑问题,尤其是冬用低浊点柴油,当硫含量低于100ppm时,由于油品润滑性差,粘度低,在这两个因素双重作用下,已出现喷油泵磨损问题。因此,改善低硫柴油的润滑性是解决低硫柴油大范围推广的关键问题之一。
向低硫柴油中添加植物油酸能够较好地解决柴油的润滑性问题,但通常,植物油酸大多含有一定量的、凝点较高的饱和脂肪酸,采用现有分离手段,如冷冻压榨法、蒸馏精制法等,均难以完全分离植物油酸的饱和脂肪酸,从而导致市场上的植物油酸凝点普遍高于-8℃,无法达到Q/SHCG 57-2014标准中规定的酸型抗磨剂凝点≯-12℃的使用标准。因此,目前国外均采用基本不含饱和脂肪酸的妥尔油脂肪酸来制备低硫柴油抗磨剂,其他植物油脂肪酸则难于推广应用。我国植物油资源丰富,但精制妥尔油脂肪酸资源比较稀少。因此,以植物油为原料,通过深加工开发高附加值的生物基化学品,不仅具有良好的经济效益,还具有显著的社会效应。
CN108085142A公开了一种不饱和脂肪酸型柴油抗磨剂的制备方法,利用填料塔以精馏方式分离去除脂肪酸中的饱和酸,具体包括以下步骤:(1)以脂肪酸为原料,首先在填料塔中进行C16以下组分和C18以上组分脂肪酸的精馏分离,使得C18脂肪酸中含C16以下组分≤0.5wt%;(2)将步骤(1)所得脂肪酸进一步精馏分离,将其中C18:0分出,得C18:0≤1.5wt%的不饱和脂肪酸,即制得总饱和脂肪酸≤2wt%的不饱和脂肪酸型柴油抗磨剂;所述填料塔的塔顶绝对压力1-800Pa;蒸发温度200-260℃;填料塔理论塔板数30-80;回流比5-12。该专利是以精馏方式分离去除脂肪酸中的饱和酸,对不饱和脂肪酸进行纯化,精馏能耗较高。
CN106350217A公开了一种低浊点脂肪酸型柴油抗磨剂的制备方法,包括如下步骤:(1)向工业级不饱和脂肪酸中加入工业级不饱和脂肪酸质量的0.1~1.0%的聚α-烯烃,(2)搅拌均匀并冷冻析出结晶,(3)过滤分离除去结晶,得到低温时不析出结晶的低浊点脂肪酸滤液;(4)向滤液中加入适量溶剂油和降凝剂,得到低浊点脂肪酸型柴油抗磨剂;其中聚α-烯烃的分子量为5~10万;溶剂油的闪点在60℃以上,溶剂油的加入量为工业级不饱和脂肪酸质量的0~5%;降凝剂为聚甲基丙烯酸酯、醋酸乙烯富马酸酯共聚物;加入量为工业级不饱和脂肪酸质量的0~1.0%。该发明需要专门添加降凝剂,没有从根本上降低抗磨剂自身的凝点。
上述专利需要通过精馏或共结晶的方法除去饱和脂肪酸,但产品中仍含有少量饱和脂肪酸,长时间低温存储时会析出晶体,并且析出的饱和脂肪酸晶体会增加柴油的粘度,增加堵塞发动机供油泵滤网的风险,甚至使柴油在低温下失去流动性。同时还存在酸值和凝点较高的问题,不适用于寒冷地区。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种低硫柴油润滑性改进剂及其合成方法。本发明在超临界条件下,以不饱和一元醇和桐油酸为原料制备润滑性改进剂,所制备改进剂润滑性好、凝点低、酸值低、用量少,调和后可使低硫柴油满足国V润滑性标准和凝点要求。
本发明提供的低硫柴油润滑性改进剂的合成方法,包括如下内容:将不饱和一元醇加入到高压反应器中,然后向高压反应器内通入二氧化碳,使二氧化碳呈超临界状态;开启搅拌,逐步加入桐油酸,加完后继续反应一段时间;反应结束后,将剩余物经减压蒸馏,得到改进剂产品。
本发明中,所述的不饱和一元醇的碳原子数不低于3,优选碳原子数为3-5的不饱和一元醇,如可以是丙烯醇、丁烯醇、戊烯醇等中的至少一种,优选2-正丁烯醇、3-正丁烯醇、2-正戊烯醇、3-正戊烯醇、4-正戊烯醇、3-甲基-3-丁烯醇、3-甲基-2-丁烯醇等中的一种或几种。控制不饱和一元醇与桐油酸的摩尔比为0.5:1-3:1,优选为0.8:1-2:1。
本发明中,向反应器内通入二氧化碳,控制反应温度为32-60℃,压力为7.5-13.5MPa。
本发明中,所述的桐油酸可以采用商品桐油酸或者自制桐油酸。制备过程具体可以为:将桐油与碱、醇、水混合后进行均相皂化脱去甘油,生成脂肪酸盐,脂肪酸盐经酸化后保温一定时间,减压蒸馏除去醇,然后萃取油相,油相经水洗后,减压蒸馏除去萃取剂及少量的水,制得桐油酸。桐油酸制备过程中,所用的碱为NaOH、KOH等无机碱中的至少一种,优选KOH。所用的醇为C1-C4的低碳醇,如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等中的至少一种,优选甲醇。其中,桐油与碱的质量比为5:1-3:1,优选4.5:1-4:1,桐油与醇的质量比为0.1:1-2:1,优选0.5:1-1:1,醇与水的质量比为2:1-1:1,优选1:1-1.5:1。所述的皂化温度为60-80℃,优选为70-75℃,皂化过程需要进行冷凝回流。所述脂肪酸盐的酸化采用硫酸、盐酸、磷酸等无机酸中的至少一种,优选硫酸;酸浓度为1-5mol/L,优选2-4mol/L。酸化至体系pH≤2后,保温0.5-5h。所述的减压蒸馏的真空度为0.05-0.15MPa,优选0.09-0.11MPa,蒸馏温度从室温逐步升温至95-105℃,至无馏出物。所述的萃取剂为石油醚、正己烷等中的至少一种,优选正己烷,使用量为桐油质量的30%-100%,优选30%-50%。
本发明中,所述逐步加入桐油酸,最好使桐油酸在1-3h内滴加完,然后在32-60℃继续反应3-5h。由于桐油酸分子量较大,也存在较大的反应位阻,导致反应速率降低,必须增加反应温度才能促进反应的进行,通常反应温度应高于200℃。本发明在超临界反应条件下,控制反应温度为32-60℃,避免了高温下发生酯化反应,导致产品发生交联,凝点不满足使用要求等问题。进一步的,加料速度最好先快后慢,优选桐油酸加入1/2的时间不超过加料总时间的1/3。由于桐油酸分子结构中存在共轭三烯键,易发生自由基聚合形成大分子交联结构,导致产品无法应用,采用加料速度先快后慢的方式不仅能够控制反应进程,同时能够防止不饱和一元醇的自身聚合。
本发明中,反应结束后,将反应体系通入膨胀分离器中,在常压下使二氧化碳气化后进行回收并重复利用。
本发明中,所述的减压蒸馏的压力为30-150Pa,优选为65-120Pa,温度为180-220℃,优选为195-205℃。
本发明所述低硫柴油润滑性改进剂是由上述本发明方法合成的。所合成的改进剂是在超临界条件下,以不饱和一元醇和桐油酸为原料制得的,收率较高,且产品酸值为80-150mgKOH/g,凝点≤-15℃。相比于现有酸型低硫柴油改进剂,本产品具有更低的酸值和凝点,且具有良好的润滑效果,避免了对柴油机的腐蚀,特别适用于低凝柴油,可以在寒冷地域使用。
本发明合成的低硫柴油润滑性改进剂用于改善低硫柴油的润滑性,当用量为150-250ppm时可使低硫柴油满足国V润滑性标准,校正磨痕直径(60℃)不大于460μm。所述的低硫柴油为硫含量小于10ppm,磨斑直径大于580μm的柴油。
与现有低硫柴油改进剂相比,本发明有益效果如下:
(1)本发明利用分子结构修饰,将具有一定链长的不饱和一元醇的极性基团引入到桐油酸分子链中,不仅能够使吸附膜形成双边缠结效应,有效提高缠结密度,使润滑膜更为致密,从而极大地提高低硫柴油的润滑性。同时脂肪环结构的引入,降低了分子间内结合作用,能够极大地降低改进剂的凝点。本发明所合成的改进剂的产品性能如凝点、闪点、金属含量、低温存储稳定性等指标均满足中石化的《柴油抗磨剂技术要求》(Q/SHCG57-2014)。
(2)本发明利用超临界二氧化碳作为反应介质,避免了高温条件下不饱和一元醇和桐油酸发生酯化反应,导致产品发生交联,凝点不满足使用要求等问题。
(3)本发明以桐油酸为主要原料,拓宽了低硫柴油改进剂的原料来源。另外,本发明的制备过程不使用有机溶剂,无三废排放,具有生产工艺简便、安全环保,易于工业化的优点。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明提供的低硫柴油润滑性的改进剂及其合成方法和应用效果。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为本领域常规方法。下述实施例中所用的实验材料,如无特殊说明,均从常规生化试剂商店购买得到。
本发明所制备产品的酸值按照GB/T 7304方法测定,凝点按照GB/T 510方法测定,润滑性按照SH/T 0765方法测定(润滑性指添加改进剂后,低硫柴油的磨斑直径),酸度按照GB/T 258-2016方法测定(国V柴油标准加剂柴油酸度不高于7 mgKOH/100mL)。
根据气相色谱法检测桐油酸中含有共轭双键的共轭十八碳三烯酸含量,先将桐油酸按照国标GB/T7376-2008进行甲脂化,后进行气相色谱分析,色谱分析条件: FID 检测器;色谱柱尺寸,100m×0.25mm×0.20μm。进样口温度260℃;进样量1μL;分流进样,分流比100:1;升温程序为140℃开始保持5 min,以4℃/min升到240℃保持4min;检测器温度260℃。经检测,共轭十八碳三烯酸含量B=70%。
桐油酸的转化率A=(m1-m2)/m1×100%。其中,m1为桐油酸投料质量;m2为反应后分离出桐油酸的质量。
桐油酸共轭双键的转化率=A/B×100%。
实施例1
将129g 3-正丁烯醇加入到高压釜中,向高压釜内通入二氧化碳,使二氧化碳呈超临界状态,控制压力为8.0MPa,温度为45℃,并开启搅拌。向反应釜中逐步加入桐油酸(安徽瑞芬得油脂深加工有限公司,型号:T160)500g,滴加速度基本均匀,使桐油酸在2h内加入完成,加完后继续反应4h,结束反应。将反应体系通入到膨胀分离器中,压力降至常压,超临界二氧化碳相态转变为普通气相二氧化碳,排出后经收集并重复利用。将剩余物在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。经计算,反应分子转化率(桐油酸碳碳共轭双键的转化率)为79.9%。经检测,产品酸值122.6mgKOH/g,凝点-23.6℃。由图1和图2可知,在流出时间12.13min时新出现了化合物特征峰,证明了改进剂的形成。
实施例2
将86g 3-正丁烯醇加入到高压釜中,向高压釜内通入二氧化碳,使二氧化碳呈超临界状态,控制压力为8.5MPa,温度为60℃,并开启搅拌。向反应釜中逐步加入桐油酸500g,滴加速度基本均匀,使桐油酸在1h内加完,并继续反应3h,结束反应。将反应体系通入到膨胀分离器中,压力降至常压,超临界二氧化碳相态转变为普通气相二氧化碳,排出后经收集并重复利用。将剩余物在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为78.4%,产品酸值123.8mgKOH/g,凝点-21.9℃。
实施例3
将259g 3-正丁烯醇加入到高压釜中,向高压釜内通入二氧化碳,使二氧化碳呈超临界状态,控制压力为7.5MPa,温度为32℃,并开启搅拌。向反应釜中逐步加入桐油酸500g,滴加速度基本均匀,使桐油酸在3h内加完,并继续反应5h,结束反应。将反应体系通入到膨胀分离器中,压力降至常压,超临界二氧化碳相态转变为普通气相二氧化碳,排出后经收集并重复利用。将剩余物在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为79.2%,产品酸值120.5mgKOH/g,凝点-23.8℃。
实施例4
将129g 3-正丁烯醇加入到高压釜中,向高压釜内通入二氧化碳,使二氧化碳呈超临界状态,控制压力为8.0MPa,温度为45℃,并开启搅拌。向反应釜中逐步加入桐油酸500g,控制桐油酸加入速度,使桐油酸加入1/2的时间为加料总时间的1/3,使桐油酸在2h内加完,加完后继续反应4h,结束反应。将反应体系通入到膨胀分离器中,压力降至常压,超临界二氧化碳相态转变为普通气相二氧化碳,排出后经收集并重复利用。将剩余物在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为81.7%,产品酸值118.3mgKOH/g,凝点-24.3℃。
实施例5
将104g 2-丙烯醇加入到高压釜中,向高压釜内通入二氧化碳,使二氧化碳呈超临界状态,控制压力为8.0MPa,温度为45℃,并开启搅拌。向反应釜中逐步加入桐油酸500g,滴加速度基本均匀,使桐油酸在2h内加入完成,加完后继续反应4h,结束反应。将反应体系通入到膨胀分离器中,压力降至常压,超临界二氧化碳相态转变为普通气相二氧化碳,排出后经收集并重复利用。将剩余物在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为81.3%,产品酸值132.6mgKOH/g,凝点-22.8℃。
实施例6
将155g 4-正戊烯醇加入到高压釜中,向高压釜内通入二氧化碳,使二氧化碳呈超临界状态,控制压力为8.0MPa,温度为45℃,并开启搅拌。向反应釜中逐步加入桐油酸500g,滴加速度基本均匀,使桐油酸在2h内加入完成,加完后继续反应4h,结束反应。将反应体系通入到膨胀分离器中,压力降至常压,超临界二氧化碳相态转变为普通气相二氧化碳,排出后经收集并重复利用。将剩余物在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为79.5%,产品酸值121.2mgKOH/g,凝点-23.8℃。
实施例7
将129g 2-正丁烯醇加入到高压釜中,向高压釜内通入二氧化碳,使二氧化碳呈超临界状态,控制压力为8.0MPa,温度为45℃,并开启搅拌。向反应釜中逐步加入桐油酸500g,滴加速度基本均匀,使桐油酸在2h内加入完成,加完后继续反应4h,结束反应。将反应体系通入到膨胀分离器中,压力降至常压,超临界二氧化碳相态转变为普通气相二氧化碳,排出后经收集并重复利用。将剩余物在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为78.3%。经检测,产品酸值122.2mgKOH/g,凝点-23.3℃。
实施例8
将155g 3-甲基-3-丁烯醇加入到高压釜中,向高压釜内通入二氧化碳,使二氧化碳呈超临界状态,控制压力为8.0MPa,温度为45℃,并开启搅拌。向反应釜中逐步加入桐油酸500g,滴加速度基本均匀,使桐油酸在2h内加入完成,加完后继续反应4h,结束反应。将反应体系通入到膨胀分离器中,压力降至常压,超临界二氧化碳相态转变为普通气相二氧化碳,排出后经收集并重复利用。将剩余物在压力65Pa,200℃下减压蒸馏2h,得到改进剂产品。反应分子转化率为76.4%,产品酸值116.1mgKOH/g,凝点-23.4℃。
实施例9
制备工艺及操作条件同实施例1,不同在于采用自制的桐油酸。桐油酸的制备方法为:在250mL三口烧瓶中加入7.8g KOH、70mL甲醇及35mL水,搅拌加热至75℃,加入34.9g桐油,回流反应1.5h,后用2mol/L的H2SO4调节反应体系pH值至2,保温0.5h后,0.08MPa减压蒸馏回收溶剂甲醇,加入17.45石油醚萃取,静止分离,然后利用热水进行多次除酸洗涤,静止分离,0.15MPa减压蒸馏脱除石油醚和少量水,得桐油酸。采用上述桐油酸制备改进剂,得到改进产品。反应分子转化率为80.5 %,产品酸值121.9mgKOH/g,凝点-23.2℃。
比较例1
制备工艺及操作条件同实施例1,不同在于将桐油酸一次性加入反应体系中,反应体系易形成大分子交联产物,导致产品产率低于60%,凝点过高为-9℃,不满足《柴油抗磨剂技术要求》(Q/SHCG57-2014)规定的凝点技术指标。
比较例2
制备工艺及操作条件同实施例1,不同在于采用其他植物油酸,如菜籽油酸、蓖麻油酸、妥尔油酸、油酸、亚油酸、大豆油酸、玉米油酸、棉籽油酸等。由于上述植物油酸分子中不含共轭双键,所以体系未发生反应,无法得到产品。
比较例3
制备工艺及操作条件同实施例1,不同在于未采用超临界二氧化碳条件,采用常规反应介质石油醚,体系未发生反应,无法得到产品。
比较例4
制备工艺及操作条件同实施例1,不同在于采用不饱和二元醇,如丁烯二醇、戊烯二醇、己烯二醇中的任意一种,得到改进剂产品。由于向桐油酸中引入两个羟基,导致产品极性过大,与柴油不相容。
测试例1
本发明测试例使用的低硫柴油为硫含量小于10ppm,磨斑直径大于580μm的加氢精制柴油,其具体性质如表1所示。
表1 两种低硫柴油的主要物性
将本发明实施例和比较例制备的改进剂产品加入到上述低硫柴油中,进行产品性能测试。测试结果如表2、3所示。
表2
从表2可以看出,直接采用桐油酸对低硫柴油的润滑有一定效果,当添加量为250ppm时,可以满足国Ⅴ柴油润滑性要求,但是调和后低硫柴油的酸度提高,而且由于桐油酸凝点为48℃,调和后不满足《柴油抗磨剂技术要求》(Q/SHCG57-2014)规定的凝点技术指标,在-20℃存在改进剂析出。经本发明方法合成的产品,对低硫柴油的润滑性有显著改善,当添加量为150ppm时,调和后的低硫柴油即可满足国V柴油润滑性(磨斑直径≯460μm)要求,并且凝点完全满足要求,在-20℃无析出。说明所制备的新型润滑性改进剂具有显著的润滑效果,且加入改进剂后,完全满足《车用柴油》(GB 19147-2016)规定的酸度技术,即柴油酸度<7mgKOH·100ml-1。
表3
由表3可知,直接采用桐油酸对低硫柴油的润滑有一定效果,当添加为250ppm时,可以满足国Ⅴ柴油润滑性要求,但是由于桐油酸凝点为48℃,调和后不满足《柴油抗磨剂技术要求》(Q/SHCG57-2014)规定的凝点技术指标,在-30℃存在改进剂析出。经本发明方法制备的产品对低硫柴油的润滑性有显著改善,当添加量为230ppm时,调和后的低硫柴油即可满足国V柴油润滑性(磨斑直径≯460μm)要求,并且凝点完全满足要求,在-30℃无析出。说明所制备的新型润滑性改进剂具有显著的润滑效果,且加入改进剂后,完全满足《车用柴油》(GB 19147-2016)规定的酸度技术,即柴油酸度<7mgKOH·100ml-1。