楊 哲,葉建林,郗大來(lái),李 寧,周 軍,張洪姣
(1.西安優(yōu)耐特容器制造有限公司,陜西 西安 710201; 2.西安建筑科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,陜西 西安 710055)
降凝劑是一種油品添加劑,被廣泛應(yīng)用于原油、柴油和潤(rùn)滑油等各種油品中。它主要通過(guò)改變油品中石蠟分子在低溫析出時(shí)的結(jié)晶形態(tài),進(jìn)而改變油品的界面狀態(tài),從而增強(qiáng)油品的低溫流動(dòng)性能,同時(shí)油品的凝點(diǎn)和黏度也得到顯著降低[1-5]。目前國(guó)內(nèi)外常用的降凝劑主要有烷基萘類(lèi)、聚α-烯烴類(lèi)及聚甲基丙烯酸酯類(lèi)(PMA)[6]。其中PMA是國(guó)內(nèi)外添加劑和潤(rùn)滑油生產(chǎn)商公認(rèn)的高品質(zhì)降凝劑,不同的基礎(chǔ)油對(duì)不同PMA具有較強(qiáng)的選擇性。丙烯酸高碳酯是一種優(yōu)良的PMA單體,其可以同苯乙烯、醋酸乙烯酯、馬來(lái)酸酐等不飽和物質(zhì)反應(yīng)合成二元、三元甚至四元共聚物[7-10],還可以通過(guò)醇解、胺解等方法進(jìn)行改性,從而獲得具有不同性能的降凝劑,以滿(mǎn)足不同油品的需求[11-14]。制備丙烯酸高碳酯最常用簡(jiǎn)便的方法是直接酯化法[15],長(zhǎng)期以來(lái),傳統(tǒng)的丙烯酸高碳酯生產(chǎn)工藝多屬于常規(guī)釜式間歇反應(yīng)過(guò)程,其主要存在的問(wèn)題表現(xiàn)在:產(chǎn)量?。豢販夭粶?zhǔn)確,容易產(chǎn)生“飛溫”現(xiàn)象[16],生產(chǎn)過(guò)程不安全;設(shè)備及自控水平低,生產(chǎn)不連續(xù),生產(chǎn)操作起來(lái)相對(duì)麻煩;副反應(yīng)多,后處理困難,硫酸嚴(yán)重腐蝕設(shè)備。近年來(lái),隨著微化工技術(shù)的迅速發(fā)展,微通道反應(yīng)器受到越來(lái)越多的關(guān)注[17-19]。微通道反應(yīng)器是一類(lèi)新型的、特殊的連續(xù)流管道式反應(yīng)器,其通道的當(dāng)量直徑一般介于微米和毫米之間,遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的管道式反應(yīng)器。相比于傳統(tǒng)的間歇式攪拌釜反應(yīng)器,微通道反應(yīng)器具有比表面積高[20],傳質(zhì)和傳熱效率高[21-22],反應(yīng)溫度、原料配比以及停留時(shí)間控制精確[23],反應(yīng)操作安全可靠[24],副反應(yīng)大大減少的優(yōu)勢(shì)[25]。
丙烯酸高碳酯主要包括丙烯酸十二酯、丙烯酸十四酯、丙烯酸十六酯和丙烯酸十八酯。筆者主要以微通道反應(yīng)器中丙烯酸十四酯的合成為研究對(duì)象,分析探討微尺度效應(yīng)對(duì)反應(yīng)促進(jìn)作用機(jī)理,將微通道反應(yīng)器與常規(guī)間歇式反應(yīng)器中的酯化反應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,并結(jié)合微通道反應(yīng)器優(yōu)異傳質(zhì)、傳熱的技術(shù)優(yōu)勢(shì),通過(guò)醇/酸摩爾比、反應(yīng)溫度、進(jìn)料流量、催化劑及阻聚劑添加量等單因素實(shí)驗(yàn)來(lái)探究反應(yīng)條件對(duì)丙烯酸十四酯收率的影響。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用原料為十四醇和丙烯酸,對(duì)苯二酚作為反應(yīng)體系阻聚劑,對(duì)甲苯磺酸作為反應(yīng)體系催化劑,甲苯作為溶解固態(tài)十四醇的溶劑及穩(wěn)定劑,以上試劑均為分析純,購(gòu)于上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
自制微通道反應(yīng)器,集換熱與反應(yīng)功能于一體,其中微通道采用多級(jí)直線(xiàn)型U形結(jié)構(gòu),通道截面尺寸為0.5 mm×0.5 mm的方形腔體,通道等效總長(zhǎng)約3 m,微尺度下流體的分散尺度大幅縮小,錯(cuò)流剪切和對(duì)流碰撞兩種流體交匯方式強(qiáng)化均相流體的混合;高溫循環(huán)器,GX-2005型,由上海汗諾儀器有限公司制造,用于提供反應(yīng)體系所需熱量;溶劑輸送泵,SP0530型,由上海三為科學(xué)儀器有限公司制造,用于精確穩(wěn)定進(jìn)料。
采用微通道反應(yīng)器及常規(guī)間歇式反應(yīng)器進(jìn)行丙烯酸十四酯的合成對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究,其中微通道反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該系統(tǒng)裝置由3部分構(gòu)成:Ⅰ部分是進(jìn)料系統(tǒng),Ⅱ部分是微通道反應(yīng)模塊,Ⅲ部分是加熱系統(tǒng)。將十四醇加熱融化為液體后加入對(duì)苯二酚和對(duì)甲苯磺酸,將混合溶液置于超聲波振蕩器進(jìn)行振蕩攪拌,待固體顆粒完全溶解后加入丙烯酸和甲苯得到原料混合溶液,其中對(duì)苯二酚及對(duì)甲苯磺酸添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%~1.0%和0.4%~1.2%,十四醇與丙烯酸的摩爾比為1∶(0.8~1.6),甲苯與十四醇質(zhì)量比為0.8。設(shè)置高溫循環(huán)器溫度130~170 ℃,通過(guò)溶劑輸送泵將原料混液以0.1~0.9 mL/min進(jìn)料流量輸送至微通道反應(yīng)器中進(jìn)行常壓反應(yīng),反應(yīng)時(shí)間根據(jù)進(jìn)料流量調(diào)控。反應(yīng)得到的產(chǎn)物經(jīng)管道流入產(chǎn)物收集罐中,最后經(jīng)減壓蒸餾除去甲苯,得到的粗產(chǎn)物經(jīng)一次水洗、弱堿液中和、二次水洗至中性,再經(jīng)干燥得到丙烯酸十四酯。利用常規(guī)間歇式反應(yīng)器合成丙烯酸十四酯的實(shí)驗(yàn)裝置及步驟如文獻(xiàn)[26]所述,在與微反應(yīng)過(guò)程基本相同的工藝條件下,間歇式合成丙烯酸十四酯的反應(yīng)時(shí)間需5 h,檢測(cè)計(jì)算出丙烯酸十四酯的酯化收率為82.0%。
圖1 微通道反應(yīng)器中催化合成丙烯酸十四酯(TA)的實(shí)驗(yàn)裝置
FT-IR分析采用美國(guó)Perkin Elmer公司Nicolet460型傅里葉變換紅外光譜儀,波數(shù)范圍11000~400 cm-1,最高分辨率0.4 cm-1;采用北京歐倍爾科學(xué)儀器有限公司開(kāi)發(fā)的Pulsar型臺(tái)式高分辨率核磁共振(NMR)波譜儀對(duì)樣品進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)及性質(zhì)檢測(cè)。采用上海卓光儀器科技有限公司制造的ZG-WYA2S型數(shù)字阿貝折光儀測(cè)量產(chǎn)物的折光率,分辨率為0.0001。在DF-407型微量沸點(diǎn)測(cè)定儀(北京東方創(chuàng)立科技有限公司產(chǎn)品)上測(cè)量產(chǎn)物的沸點(diǎn),測(cè)量范圍為室溫~300 ℃,測(cè)量精度為±1 ℃。采用XJZ-6型正置式金相顯微鏡(南京聯(lián)創(chuàng)分析儀器制造有限公司產(chǎn)品)對(duì)油品分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀(guān)測(cè)分析,放大倍數(shù)40~2000。
本實(shí)驗(yàn)以酯化收率為指標(biāo)衡量催化合成反應(yīng)效率,反應(yīng)過(guò)程中保持丙烯酸過(guò)量,即認(rèn)為十四醇已全部參加反應(yīng),經(jīng)推導(dǎo)的酯化收率(Y)的計(jì)算公式如式(1)所示,酯化反應(yīng)方程式如式(2)所示。
(1)
(2)
2.1.1 FT-IR分析
合成產(chǎn)物丙烯酸十四酯的紅外光譜分析檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。由圖2看到:3300~3600 cm-1處已無(wú)明顯羥基特征吸收峰,表明純化產(chǎn)物中沒(méi)有殘余的醇或酸存在;在1722 cm-1處出現(xiàn)了α、β不飽和酯的C=O的伸縮振動(dòng)峰,1185 cm-1出現(xiàn)了 C-O-C 非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰,由兩者可以推斷酯基的存在;1634 cm-1處出現(xiàn)了C=C的特征吸收峰;985 cm-1和800 cm-1分別出現(xiàn)了-CH=及CH2=碳碳雙鍵上烯烴的面外搖擺振動(dòng)吸收峰;2900 cm-1左右為 CH2=CH-COOR 的烯烴-CH=CH2伸縮振動(dòng)吸收峰。此外,725 cm-1附近出現(xiàn)了-(CH2)n-鏈節(jié)(n≥4)的搖擺振動(dòng)吸收峰。這些特征結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[27]報(bào)道的丙烯酸十四酯的紅外譜圖基本吻合,表明丙烯酸與十四醇可能發(fā)生了酯化反應(yīng),生成了丙烯酸十四酯。
圖2 合成產(chǎn)物丙烯酸十四酯(TA)的的紅外光譜圖
2.1.2 核磁表征
丙烯酸十四酯有7類(lèi)化學(xué)環(huán)境不同的質(zhì)子,其1H-NMR質(zhì)子歸屬解析結(jié)果如式(3)所示,特征化學(xué)位移見(jiàn)圖3(a)。由圖3(a)可知:碳碳雙鍵左端的2個(gè)質(zhì)子Ha、Hb在丙烯酸十四酯中受酯基的影響不同,其化學(xué)位移分別為6.3和5.8;Hc由于受碳碳雙鍵和酯基的耦合作用,其化學(xué)位移出現(xiàn)在6.1處;Hd、He由于離酯基較近,受到的耦合作用較強(qiáng),引起化學(xué)位移向左移動(dòng),其中Hd受到的作用大,其化學(xué)位移較大,為4.13,而He的化學(xué)位移為1.67;Hf由于距離較遠(yuǎn),酯基對(duì)其影響可以忽略,其化學(xué)位移為1.23;0.87的化學(xué)位移峰歸屬于甲基上的3個(gè)Hg。這與文獻(xiàn)[27]報(bào)道的丙烯酸十四酯1H-NMR譜圖基本吻合,推斷合成產(chǎn)物可能為丙烯酸十四酯。
圖3 合成產(chǎn)物丙烯酸十四酯(TA)的核磁共振氫譜和碳譜
(3)
圖3(b)為丙烯酸十四酯的核磁共振碳譜圖。根據(jù)文獻(xiàn)[28]可知:圖3(b)中化學(xué)位移166.34處的信號(hào)歸屬于羰基碳;化學(xué)位移130.40處的信號(hào)歸屬于碳碳雙鍵上連接1個(gè)氫的碳;化學(xué)位移128.64的信號(hào)峰歸屬于雙鍵上連接2個(gè)氫的碳;化學(xué)位移76.59和64.71的信號(hào)峰歸屬于與酯基上單鍵氧原子次序相連的碳,由于與氧原子的距離不同,受氧原子核電子云密度影響表現(xiàn)出強(qiáng)弱不等的峰;化學(xué)位移29.24附近的信號(hào)峰歸屬于 -(CH2)n- 鏈的碳;化學(xué)位移14.1處的特征峰歸屬于甲基碳。由此推斷丙烯酸十四酯的生成。
2.1.3 沸點(diǎn)及折光率分析
對(duì)微通道反應(yīng)器中合成產(chǎn)物進(jìn)行沸點(diǎn)和折光率檢測(cè),測(cè)得合成產(chǎn)物丙烯酸十四酯的沸點(diǎn)、折光率分別為184 ℃、1.4469,與文獻(xiàn)[6]所報(bào)道的丙烯酸十四酯的理論值185 ℃、1.4469非常接近,說(shuō)明利用微通道反應(yīng)器合成丙烯酸十四酯產(chǎn)品的純度較高,后期分離純化容易。
(5)高校教師大數(shù)據(jù)。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下,40%的高校教師認(rèn)為其對(duì)于強(qiáng)化教師的數(shù)據(jù)意識(shí)、鍛煉教師的數(shù)據(jù)搜集和分析能力,可以有效提高高校教師的科研能力;53.3%則認(rèn)為強(qiáng)化高校教師的數(shù)據(jù)意識(shí)能力、分析等能力只對(duì)某些學(xué)科有幫助,對(duì)于大部分學(xué)科則沒(méi)有幫助。從這一方面來(lái)看,內(nèi)蒙古高校教師大數(shù)據(jù)對(duì)于數(shù)據(jù)科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)認(rèn)識(shí)欠缺,范圍僅限于與“數(shù)據(jù)科學(xué)”相關(guān)專(zhuān)業(yè)。
2.1.4 形態(tài)分析
圖4為丙烯酸十四酯與原油中蠟晶顯微形態(tài)照片。由圖4發(fā)現(xiàn),丙烯酸十四酯具有與油品中蠟晶相似的結(jié)晶形態(tài)。這種相似的結(jié)晶形態(tài)有利于二者相互融合,產(chǎn)生共晶,從而表現(xiàn)出一定的降凝效果。丙烯酸十四酯長(zhǎng)鏈可以更好地與柴油組分分子的烷基鏈相匹配,與普遍認(rèn)同的降凝劑通過(guò)蠟晶表面的吸附或與其形成共晶的作用,抑制蠟晶三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)生成,從而降低凝點(diǎn)、改善低溫流動(dòng)性的作用機(jī)理一致[29-30]。
圖4 丙烯酸十四酯(TA)與原油中蠟晶顯微形態(tài)照片
2.2.1 醇/酸摩爾比的影響
高溫循環(huán)器油浴加熱溫度為150 ℃,對(duì)甲苯磺酸與對(duì)苯二酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%和0.6%,甲苯與十四醇質(zhì)量比為0.8,進(jìn)料流量為0.3 mL/min,不同醇/酸摩爾比(n(Alcohol)/n(Acid))下丙烯酸十四酯收率如表1所示。
表1 不同醇/酸摩爾比(n(Alcohol)/n(Acid))下所得丙烯酸十四酯(TA)的收率
從表1可以看出,隨著n(Alcohol)/n(Acid)的逐漸減小,丙烯酸十四酯收率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),當(dāng)醇/酸摩爾比為1∶1.2時(shí),丙烯酸十四酯收率達(dá)到最大,為92.4%。由酯化反應(yīng)方程式(2)并結(jié)合化學(xué)平衡移動(dòng)原理可知,適當(dāng)增加反應(yīng)物含量,可以促進(jìn)平衡向產(chǎn)物方向移動(dòng),提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。隨著反應(yīng)物丙烯酸的逐漸過(guò)量加入,產(chǎn)物丙烯酸十四酯的收率開(kāi)始減小。這是由于丙烯酸過(guò)量容易發(fā)生副反應(yīng),即發(fā)生自聚或與共聚反應(yīng),同時(shí)生成的酯會(huì)有一部分溶于過(guò)量的丙烯酸中,導(dǎo)致收率下降,并給分離和提純帶來(lái)不便,所以?xún)?yōu)選n(Alcohol)/n(Acid)為1∶1.2。
2.2.2 油浴加熱溫度的影響
進(jìn)料醇/酸摩爾比為1∶1.2,對(duì)甲苯磺酸與對(duì)苯二酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%和0.6%,甲苯與十四醇質(zhì)量比為0.8,進(jìn)料流量為0.3 mL/min,不同油浴加熱溫度下所得丙烯酸十四酯收率如圖5所示。
從圖5可以看出,隨著油浴加熱溫度的逐漸升高,丙烯酸十四酯收率大致呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),當(dāng)油浴加熱溫度為150 ℃時(shí),丙烯酸十四酯收率達(dá)到最大,為92.4%。這是由于溫度的逐漸升高(低于150 ℃),使正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率,化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng),丙烯酸十四酯的收率增加;當(dāng)加熱溫度超過(guò)150 ℃時(shí),逆反應(yīng)速率大于正反應(yīng)速率,且副反應(yīng)發(fā)生幾率增大,丙烯酸十四酯的收率明顯降低。優(yōu)選的油浴加熱溫度為150 ℃。
圖5 不同油浴加熱溫度下所得丙烯酸十四酯(TA)的收率
2.2.3 進(jìn)料流量的影響
進(jìn)料醇/酸摩爾比為1∶1.2,高溫循環(huán)器油浴加熱溫度為150 ℃,對(duì)甲苯磺酸與對(duì)苯二酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%和0.6%,甲苯與十四醇質(zhì)量比為0.8,不同進(jìn)料流量下所得丙烯酸十四酯收率如圖6所示。
圖6 不同進(jìn)料流量下所得丙烯酸十四酯(TA)的收率
在微通道反應(yīng)模塊行程長(zhǎng)度確定的情況下,進(jìn)料流量的大小直接決定反應(yīng)物料在微通道中停留時(shí)間的長(zhǎng)短。從圖6中可以看出,隨著進(jìn)料流量的逐漸增大,丙烯酸十四酯收率大致呈現(xiàn)先增加后減小、而后基本不變的趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)料流量從0.1 mL/min增加到0.3 mL/min時(shí),丙烯酸十四酯收率逐漸提高并達(dá)到最大,為92.4%;隨著進(jìn)料流量進(jìn)一步加大,反應(yīng)物料沒(méi)有來(lái)得及充分反應(yīng)就被排出系統(tǒng),造成反應(yīng)產(chǎn)物收率降低;待達(dá)到反應(yīng)體系的水-油平衡狀態(tài),產(chǎn)物收率基本不變。所以從增加產(chǎn)能及縮短反應(yīng)周期的角度考慮,優(yōu)選進(jìn)料流量為0.3 mL/min。
2.2.4 催化劑添加量的影響
進(jìn)料醇/酸摩爾比為1∶1.2,高溫循環(huán)器油浴加熱溫度為150 ℃,對(duì)苯二酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%,甲苯與十四醇質(zhì)量比為0.8,進(jìn)料流量為0.3 mL/min,不同對(duì)甲苯磺酸催化劑添加量下所得丙烯酸十四酯收率如圖7所示。
圖7 對(duì)甲苯磺酸催化劑添加量對(duì)丙烯酸十四酯(TA)收率的影響
從圖7可以看出,隨著對(duì)甲苯磺酸添加量的逐漸增大,丙烯酸十四酯收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)對(duì)甲苯磺酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí),丙烯酸十四酯收率達(dá)到最大,為92.4%。由此可見(jiàn),對(duì)于酯化反應(yīng),催化劑添加量增大,催化能力加強(qiáng),反應(yīng)加快,酯化產(chǎn)率也增大;另一方面,催化劑加入過(guò)多,反應(yīng)速率不會(huì)同步提升,反而會(huì)使逆反應(yīng)加快,使生成的酯水解,從而導(dǎo)致酯化產(chǎn)率下降,而且在后處理過(guò)程中,還增加了分離純化的難度。所以?xún)?yōu)選對(duì)甲苯磺酸催化劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%。
2.2.5 阻聚劑添加量的影響
進(jìn)料醇/酸摩爾比為1∶1.2,高溫循環(huán)器油浴加熱溫度為150 ℃,對(duì)甲苯磺酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%,甲苯與十四醇質(zhì)量比為0.8,進(jìn)料流量為0.3 mL/min,不同對(duì)苯二酚阻聚劑添加量下所得丙烯酸十四酯收率如圖8所示。
圖8 對(duì)苯二酚阻聚劑添加量對(duì)丙烯酸十四酯(TA)收率的影響
從圖8可以看出,隨著對(duì)苯二酚添加量的逐漸增大,丙烯酸十四酯收率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)對(duì)苯二酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí),丙烯酸十四酯收率達(dá)到最大,為92.4%。圖8結(jié)果說(shuō)明,阻聚劑添加量對(duì)于微通道反應(yīng)器中合成丙烯酸十四酯的影響較大,與常規(guī)反應(yīng)器研究結(jié)果相差較遠(yuǎn)[26]。這是由于微通道反應(yīng)器的微通道尺寸非常小,一定量阻聚劑的加入能有效阻止丙烯酸、丙烯酸十四酯等發(fā)生相互交聯(lián)聚合,保證微通道內(nèi)料液流動(dòng)暢通無(wú)阻以及料液間的充分混合,有利于酯化反應(yīng)的充分進(jìn)行;阻聚劑過(guò)量加入,會(huì)極大壓縮反應(yīng)料液在微通道內(nèi)的存在空間,使得反應(yīng)產(chǎn)物收率較低。因此優(yōu)選對(duì)苯二酚阻聚劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%。
(1)通過(guò)對(duì)微通道反應(yīng)器中合成產(chǎn)物的紅外光譜、核磁共振及沸點(diǎn)、折光率及微觀(guān)形態(tài)的分析表征,證實(shí)了反應(yīng)產(chǎn)物為丙烯酸十四酯。丙烯酸十四酯與油品中蠟晶具有相似的結(jié)晶形態(tài),有利于二者相互融合,產(chǎn)生共晶,從而表現(xiàn)出降凝功效。
(2)微通道反應(yīng)器中催化合成丙烯酸十四酯時(shí),隨著醇/酸摩爾比的減小、油浴溫度的提高、進(jìn)料流量的增大、催化劑及阻聚劑添加量的增大,丙烯酸十四酯的收率均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。
(3)在進(jìn)料醇/酸摩爾比為1∶1.2、高溫循環(huán)器油浴溫度為150 ℃、催化劑對(duì)甲苯磺酸與阻聚劑對(duì)苯二酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%和0.6%、甲苯與十四醇質(zhì)量比為0.8、進(jìn)料流量為0.3 mL/min優(yōu)化工藝條件下,微通道反應(yīng)器中催化合成丙烯酸十四酯的收率最大,達(dá)到了92.4%。而在常規(guī)間歇式反應(yīng)器中,相似工藝條件下,丙烯酸十四酯的收率僅為82.0%,且反應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)。