CN1774416B - 制备基本上不含氯化物的磺酸钙的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备基本上不含氯化物的低碱值磺酸钙的方法。该方法包括向磺酸中加入溶剂以制备磺酸溶液，任选除去溶解或夹带的SO2或SO3，将所述溶液与特定量的水和氢氧化钙混合，加热所述混合物，从该混合物中分离过量的氢氧化钙，除去所述溶剂以及回收在油中的磺酸钙产品。

Description

制备基本上不含氯化物的磺酸钙的方法
本发明涉及一种制备基本上不含氯化物的低碱值磺酸钙的方法。
低碱值磺酸钙一般通过磺酸和氢氧化钙或氧化钙反应来制备，并使用促进剂如链烷醇。它们还能通过使用氢氧化钙或氧化钙和氯化钙由磺酸钠制备。所述磺酸盐可以用作高价值的润滑油添加剂，例如客车、柴油机和船用发动机的润滑剂。它们可以被进一步处理成高碱性磺酸盐，其具有更高的碱值并且也可用作特种润滑油的添加剂。
当磺酸钙是由磺酸制得时，不需要氯化物，但最终产品的浓度受磺酸浓度限制。在天然石油磺酸的情况下，其浓度通常低于商业要求。由于磺酸具有高腐蚀性，浓缩磺酸本身是困难的。
当磺酸钙是由磺酸钠制得时，需要使用氯化物以使反应进行。这导致在最终产物中残留氯化物杂质。在转化成钙产物之前，使用溶剂萃取法将磺酸钠浓缩至要求的浓度，因为用这种方法浓缩磺酸钙是更难的。
已经公开了多种制备低碱值磺酸钙的方法。
US 5,804,094教导了一种用羧酸和高碱值磺酸钙制备分子量大于500的低碱值磺酸钙的方法。
US 5,789,615教导了利用向磺酸中分段加入氢氧化钙以制备低粘度、低浊度产品的方法，该方法不用促进剂，特别是不用氯化物。氢氧化钙被分两步或更多步加入，并且酶步之后进行热浸30-180分钟。
US 4,615,841描述了在链烷醇存在下制备磺酸钙的方法。
US 4,279,837教导了通过以烷氧化物作为促进剂中和酸而制备烷基苯磺酸的碱土金属盐，因而也制得不含氯化物的磺酸钙。
US 3,719,596描述了将反应混合物酸化然后再用链烷醇胺碱化而制备磺酸钙的方法。
US 2,779,784教导了在220-390°F(104-199℃)用氢氧化钙中和磺酸以制备磺酸钙的方法，其中针对每份氢氧化钙存在1/2至10份水。这对应于每摩尔氢氧化钙0.12-2.4摩尔水。
通过一种适用于连续反应器中的方法来制备不含残留氯且容易浓缩的低碱值磺酸钙是有利的，其还可制备低粘度的产物。
根据本发明，提供了一种制备低碱值磺酸钙的方法，包括：
a.通过向磺酸-油原料中加入1-20体积的可混溶溶剂、离心以除去痕量淤渣并通过用氮气或其它惰性气体汽提除去如果存在的溶解或夹带的SO2或SO3，以制备磺酸-油溶液；
b.按每摩尔磺酸1-5摩尔水和每摩尔磺酸1-10摩尔氢氧化钙，将所述磺酸-油溶液与水和氢氧化钙混合，以提供反应混合物；
c.加热所述反应混合物到40-200℃之间；
d.从所述已加热的反应混合物中分离过量的氢氧化钙，以制得包含溶剂、油和磺酸钙的反应产物；
e.从所述反应产物中除去溶剂，制得包含油和磺酸钙的中间产物；
f.任选通过除去至少部分所述油而浓缩所述中间产物，制得浓缩产物；和
g.回收所述中间产物和/或浓缩产物，其中的产物为基本上不含氯化物的在油中的磺酸钙。
特别地，本发明涉及一种制备磺酸钙的方法，该方法包括向磺酸-油溶液中加入1-20体积的可混溶溶剂，并且除去如果存在的溶解或夹带的SO2或SO3，以制得磺酸溶液，按每摩尔磺酸1-5摩尔水和每摩尔磺酸1-10摩尔氢氧化钙，将得到的磺酸溶液与水和氢氧化钙混合，以制得反应混合物，在搅拌下，加热所述反应混合物到40-200℃之间，并保持至多60分钟的一段时间，从该反应混合物中分离过量的氢氧化钙和无机酸的钙盐，并且回收溶剂和油，以制得基本上不含氯化物的磺酸钙产物。
已经开发制备低碱值磺酸钙的方法，该磺酸钙基本上不含残留氯且容易浓缩。该方法还能制备低粘度的产品。该方法也可以连续方式实施。
图1-该图显示了制备磺酸钙的连续方法的流程图。
图2-该图显示了通过本发明方法制备的磺酸钙溶液的强碱值(SBNC)与经过溶剂汽提后的产品的SBNC之间的关系。
图3-该图显示了产品的粘度与经过溶剂汽提后的产品的SBNC之间的关系。
在本申请的上下文中，低碱值磺酸钙的碱值为0-50。“基本上不含氯化物”是指最大氯含量为1000ppm。
在一定量水的存在下，用氢氧化钙中和油/溶剂溶液或分散体中的磺酸。如果存在过量的氢氧化物和无机盐，则接着通过合适的方式将它们从所述反应混合物中除去，如在除去溶剂之前进行离心或过滤。在一实施方案中，在除去溶剂之后，在油中的磺酸钙可通过合适的方式被浓缩，如真空闪蒸或真空蒸馏，从而制备具有0-50碱值且具有要求的最终浓度的最终产物。
所使用的在油中的磺酸可以由石油得到。该方法中所用的油可以是任何合适的精制原油馏出物。一个合适原料的例子是具有适当分子量的真空馏出物，该馏出物已经通过溶剂萃取和/或加氢处理精制以减少多核芳烃的含量。该方法中所使用的磺酸溶液是通过将精制原油馏出物与发烟硫酸(27％-33％SO3；发烟硫酸)或气态SO3反应制得的。当所述原料与发烟硫酸接触时，单芳烃被转化为单磺酸，并且剩余的多核芳烃被转化为多磺酸。所述多磺酸加上已耗尽SO3的硫酸形成淤渣。该反应混合物用1-20体积的可混溶溶剂适当地稀释以减少其粘度，并通过重力沉降澄清将淤渣分离掉，而将磺酸留在溶剂/油溶液中。如果存在溶解或夹带的SO3和/或SO2，则将它们从溶液中除去，该溶解或夹带的SO3和/或SO2是作为油与SO3之间副反应的副产物得到。一种除去的方法是用氮气或其它惰性气体汽提。在除去溶解或夹带的SO2或SO3之前，还可以将所述溶液离心以除去痕量淤渣。
合适的溶剂包括任何C3至C10的烷烃、甲苯或任何低粘度可混溶溶剂。最优选的是庚烷或可商购的庚烷异构体混合物。
向已净化的磺酸/溶剂/油溶液中加入1-5摩尔水/摩尔磺酸(优选为1-3摩尔水/摩尔磺酸)和1-10摩尔氢氧化钙/摩尔磺酸(优选为1-5摩尔氢氧化钙/摩尔磺酸)，以形成所述反应混合物。
通过混合如搅拌，将所述反应混合物加热到40-200℃的温度，优选80-140℃.所述混合物优选搅拌至多为60分钟的一段时间，更优选至多30分钟.
接着，分离所得到的混合物以除去过量的氢氧化钙及如果存在的由残留淤渣或SO2形成的盐。一种分离该混合物的方法是离心。该离地该进行足够的时间以除去过量的氢氧化钙和任何盐。该段时间可以是任何足够的时间，例如20分钟。所述溶剂的存在大大提高了分离的速度。通过任何方便的方式如溶剂汽提、蒸馏或真空闪蒸，将所述溶剂从离心上清液中回收以循环使用。通过蒸馏或真空闪蒸以除去部分或全部未反应的油可将所述产物进一步浓缩。最终的在油中的磺酸钙产物优选具有10-100cSt/100℃之间的粘度。优选从所述磺酸溶液中除去如果存在的溶解或夹带的SO2或SO3，从而得到所述粘度。
该方法可以以连续方式进行操作，如图1所示。将磺酸1加入反应器7，接着加入水3和石灰5。然后，将得到的混合物经过分离9，同时除去石灰和水。下一步是溶剂回收11，接着通过浓缩13得到在基油中的磺酸钙15。
以下实施例是对本发明的进一步说明，并不限制本发明的范围。
对比例-组I
以下实施例中使用含有石油磺酸(8wt％，平均分子量440g/mol)、商业庚烷(6owt％)和润滑油(32wt％)的混合物的磺酸溶液(75g)。在实施例中使用该混合物之前，通过离心和氮气汽提作对其进一步处理。
向75g磺酸中加入水、氢氧化钙和作为促进剂的叔丁醇(TBA)。在配有回流冷凝器的Erlenmeyer烧瓶中，在搅拌下，将得到的反应混合物加热特定的时间。对于温度高于所述混合物的沸点时，则在压力下使用不锈钢反应容器来容纳该混合物。在搅拌之后，将所述混合物转移至离心管，离心10-20分钟。表I显示对于预处理、TBA含量、水含量、石灰含量、反应时间、反应温度和离心时间的不同值得到的离心上清液的强碱值(SBNC，按照ASTM D974测量)。
可以看出，通过使TBA、水和温度的值最优化能够得到至多3.2的碱值。
对比例-组II
组II中的对比例按照对比例组I进行作，但在反应前所述磺酸未经过离心和氮气汽提处理，并且不加入TBA。这些实施例的结果列于表II中。酸性结果表示为负的SBNC值。
这些对比例显示了在本预处理磺酸的条件下所得到的结果。
对比例-组III
组III中的对比例按照对比例组I进行作，但在反应前所述磺酸未经过离心和氮气汽提处理。这些实施例的结果列于表IV中。酸性结果表示为负的SBNC值。
Figure G200480010183XD00091
这些实施例显示了在来预处理所述磺酸但向反应混合物中加入TBA的条件下得到的结果。所得到的最大SBNC值为2.5。
实施例
以下实施例中使用含有石油磺酸(8wt％，平均分子量440g/mol)、商业庚烷(60wt％)和润滑油(32wt％)的混合物的磺酸溶液(75g)。在实施例中使用该混合物之前，通过离心和氮气汽提对其进一步处理。
向75g已处理过的磺酸溶液中加入水和氢氧化钙。在配有回流冷凝器的Erlenmeyer烧瓶中，在搅拌下，在反应时间内加热得到的反应混合物。对于高于82℃的温度，在压力下，使用不锈钢反应容器来容纳该混合物。在搅拌之后，将所述混合物转移至离心管，离心10-20分钟。表IV显示对于以mol/mol磺酸测得的水含量、以mol/mol磺酸测得的石灰含量、以℃测得的反应温度、以分钟测得的反应时间和离心时间的不同值得到的离心上清液的强碱值(SBNC，按照ASTM D974测量)。图2显示了离心上清液与浓缩产品的SBNC之间的关系。
这些实施例显示，通过本发明的方法，能够得到3.6的碱值.表V和相应的图2显示了所述离心上清液的SBNC与汽提过的离心上清液(也就是除去溶剂之后的)的SBNC以及TBN之间的关系，汽提过的产品的值能够从图2外推得到.
Figure G200480010183XD00131
为了改善产品的粘度，有利的是制备更高碱值的产品，同时仍然保持该产品在低碱值产品范围内.从图2中可以看出，3.6的碱值与汽提过的离心上清液大约9.1的SBNC相关联.图3显示本发明的汽提过的产品的碱值与该产品粘度之间的关系.从表VI和图3可以看出，在100℃大约15cSt的粘度与汽提过的离心上清液大约9.1的SBNC相关联.
表VI：汽提过的产品的SBNC与汽提过的产品的粘度之间的关系
实施例               汽提过的离心上清液       汽提过的离心上清液
                     SBNC                     粘度/100℃
                     ASTM D974                ASTM D445
1                    -2.47                    22
2                    -1.17                    250
3                    0.00                     3000
4                    0.50                     191
5                    1.00                     121
6                    1.68                     82.2
7                    2.64                     47.1
8                    4.59                     25.5
9                    6.08                     15.9
10                   7.27                     15.6
11                   8.36                     14.8

Claims (10)

1.一种制备低碱值磺酸钙的方法，包括：
a.通过向磺酸-油原料中加入1-20体积的可混溶溶剂、离心以除去痕量淤渣并通过用氮气或其它惰性气体汽提除去如果存在的溶解或夹带的SO2或SO3，以制备磺酸-油溶液；
b.按每摩尔磺酸1-5摩尔水和每摩尔磺酸1-10摩尔氢氧化钙，将所述磺酸-油溶液与水和氢氧化钙混合，以制备反应混合物；
c.加热所述反应混合物到40-200℃之间；
d.从所述反应混合物中分离过量的氢氧化钙，以制得包含溶剂、油和磺酸钙的反应产物；
e.从所述反应产物中除去所述溶剂，制得包含油和磺酸钙的中间产物；
f.任选通过除去至少部分所述油而浓缩所述中间产物，制得浓缩产物；和
g.回收所述中间产物和/或浓缩产物，其中的产物即为基本上不含氯化物的在油中的磺酸钙。
2.根据权利要求1所述的方法，其中溶剂是庚烷。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中通过氮气汽提除去溶解或夹带的SO2或SO3。
4.根据权利要求1或2的方法，其中水的量是1-3mol/mol磺酸。
5.根据权利要求1或2的方法，其中氢氧化钙的量是1-5mol/mol磺酸。
6.根据权利要求1或2的方法，其中反应温度为80-140℃。
7.根据权利要求1或2的方法，其中通过离心将过量的氢氧化钙与反应混合物分离。
8.根据权利要求1或2的方法，其中步骤(e)中的溶剂的除去通过蒸馏或真空闪蒸来进行。
9.根据权利要求1或2的方法，其中该方法是连续方法。
10.根据权利要求1或2的方法，其中步骤(f)的油溶液通过蒸馏来浓缩。
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