Синтез и исследование функциональных свойств комплексных полифункциональных присадок

Итак, для  проведения карбонатации нам необходимо взять 11 г Са(ОН)₂, из которых в реакцию с СО₂ должно вступить 5,406 г.

2.) Расчёт количества  СО₂.

Массу СО₂, необходимую для проведения карбонатации, рассчитываем по уравнению реакции:

Из данного уравнения  следует, что 1 моль Са(ОН)₂ реагирует с 1 молем СО₂. Молярная масса СО₂ равна 44 г/моль, молярная масса Са(ОН)₂ – 74 г/моль. Значит, 74 г Са(ОН)₂ реагирует с 44 г СО₂. В нашем случае в реакцию с СО₂ вступает 5406 мг Са(ОН)₂ (см. выше). Поэтому составляем такую пропорцию:

74 г Са(ОН)₂ – 44 г СО₂;

5406 мг Са(ОН)₂ – z г СО₂.

Отсюда z = (5406 мг Са(ОН)₂*44 г СО₂)/ 74 г Са(ОН)₂ = 3214 мг СО₂ = 3,214 г СО₂.

Для проведения карбонатации с учётом потерь необходимо брать СО₂ с избытком в 5%. Поэтому в реактор следует подать 3214 мг*1,05 = 3375 мг СО₂ ≈ 3,38 г СО₂.

Итак, для  проведения карбонатации нам необходимо подать в реактор 3,38 г СО₂. 

Методика  проведения процесса карбонатации.

В четырёхгорлый реактор  с механической мешалкой, термометром и обратным холодильником (см. рис. 1) загружаем присадки Lz-6589G, НСК, C-5A, Lz-1395, а затем известь-пушонку. После этого приливаем в реактор метанол (промотор реакции), воду и бензин (растворитель).

Включаем перемешивание и нагрев, доводим температуру реакционной смеси до 40 ºС. Открываем вентиль В-1 подачи СО₂, не подсоединяя барботёр Б-2 к реактору, и таким образом продуваем реакционную систему в течение нескольких минут. Это необходимо для того, чтобы перед началом процесса СО₂ полностью вытеснил весь воздух из реактора. Установлено, что неполное вытеснение воздуха впоследствии приводит к значительному уменьшению скорости поглощения СО₂, а значит и скорости карбонатации.                          

Затем подсоединяем барботёр Б-2 к реактору, начиная тем самым наш процесс.

Баллон с СО₂ подсоединён к реактору через барботёр Б-1. Реактор соединён с атмосферой через барботёр Б-2. Пробулькивание пузырьков в барботёре Б-1 свидетельствует о поступлении СО₂ в реакционную систему, а отсутствие пробулькивания в барботёре Б-2  - о том, что весь СО₂, поступающий в реактор, поглощается реакционной массой и не уходит в атмосферу. То есть пробулькивание в барботёре Б-1 и отсутствие пузырьков в барботёре Б-2 свидетельствует о нормальном протекании процесса карбонатации.

Процесс карбонатации проводится до тех пор, пока реакционной системой не поглотится нужное количество углекислого  газа. Контроль расхода СО₂ производится по манометру с использованием тарировочного графика.  При этом следим за тем, чтобы процесс протекал нормально. По мере поглощения СО₂ реакционная смесь темнеет, что свидетельствует о протекании карбонатации.

После поглощения системой нужного количества углекислого  газа (обычно на это уходит от 15 до 30 минут) вентиль В-1 подачи СО₂ закрываем, останавливая тем самым карбонатацию.

После этого отгоняем от реакционной смеси метанол, воду и частично бензин. Делаем это либо на роторном испарителе, либо на приборе  с одногорлым реактором и прямым холодильником. Полученный отгон состоит из двух слоёв: верхний – бензин, нижний – раствор воды в метаноле. Отгонку продолжаем до тех пор, пока нижний слой не перестанет увеличиваться при добавлении в систему небольшого количества чистого бензина и последующем отгоне этого количества. То есть отгоняем до тех пор, пока не отгоним всю воду.

После завершения отгонки  реакционную смесь центрифугируем, чтобы очистить её от непрореагировавшей пушонки.

После этого отгоняем из смеси бензин, получая готовую  присадку КП-1  в виде тёмно-коричневой вязкой жидкости.

Примечания

1. Для удобства загружать  присадки в реактор следует  в порядке уменьшения их вязкости (сначала C-5A, затем Lz-1395, затем Lz-6589G, затем НСК).

2. В данной методике в качестве растворителя вместо бензина может использоваться гептан. Применять в качестве растворителя ксилол, как рекомендовалось ранее [62], нецелесообразно, потому что он образует трудноразделяемую смесь ксилол-метанол-вода.

 

 

 

Таблица 17

Хронология процесса карбонатации при получении присадки КП-1

Масса СО2 в баллоне, г	Масса поглощённого СО2, г	Температура реакционной массы, ºС	Время
19,64	0	–	–
19,2472	0,3928	40	1015
18,8544	0,3928	43	1018
18,4616	0,3928	45	1020
18,0688	0,3928	47	1023
17,676	0,3928	48	1025
17,2832	0,3928	49	1028
16,8904	0,3928	49	1031
16,4976	0,3928	50	1034
16,26	0,2376	50	1036
∑	3,38	–	–

В результате проведения карбонатации был получен образец присадки КП-1, характеристика которого приведена  в таблице 18.

Таблица 18

Характеристика  комплексной  присадки КП-1

№ п/п	Показатель	Значение
1	Кинематическая вязкость при 100 ºС, сСт	62
2	Температура вспышки, определяемая в открытом тигле, ºС	181
3	Массовая доля кальция, %	6,04
4	Массовая доля фосфора, %	0,87
5	Массовая доля цинка, %	0,916
6	Общая щелочность, мг КОН  на 1 г масла	153,3
7	Зольность сульфатная, %	20,5

Опыт 3

Приготовление масла М-10 Г₂ К на основе комплексной присадки КП-1

Для приготовления масла  М-10 Г₂ К по ГОСТ 8581-78 было взято базовое масло SAE-30, комплексная присадка КП-1 и антипенная присадка ПМС-200А. Характеристика базового масла приведена в таблице 8. Характеристика присадки КП-1 приведена в таблице 18.

Перед приготовлением масла  был проведен расчёт количеств указанных  выше компонентов, которые необходимо смешать, чтобы приготовить 500 г масла  М-10 Г₂ К, соответствующего требованиям ГОСТа 8581-78.

Расчёт  количеств исходных компонентов  для получения масла 

М-10 Г₂ К на основе  комплексной присадки КП-1

Расчёт количества комплексной  присадки КП-1 проводится по содержанию в получаемом масле того активного элемента, которого в этой присадке меньше всего. Согласно таблице 18, из трёх активных элементов, входящих в состав этой присадки, (Ca, P, Zn) меньше всего в ней содержится фосфора (0,87% масс.). Поэтому расчёт количества присадки КП-1 проводим по содержанию в получаемом масле именно этого активного элемента.

Согласно требованиям ГОСТа 8581-78 (см. таблицу 9), в моторном масле М-10 Г₂ К должно содержаться не менее 0,05 % масс. фосфора. Данный активный элемент попадает в масло только из комплексной присадки КП-1. Согласно таблице 18, в этой присадке содержится 0,87 % масс. фосфора. Значит, КП-1 следует добавить в базовое масло в количестве ((0,05 %/0,87 %)*100 %) = 5,75 % масс.

Антипенную присадку ПМС-200А добавляем в базовое  масло в количестве 0,003 % масс.

Соответственно базового масла SAE-30 будет 100% – 5,75 % масс. – 0,003 % масс. = 94,247 % масс.

Результаты данного  расчёта приведены в таблице 19.

Таблица 19

Состав масла  М-10 Г₂ К (опытный образец № 2)

№ п/п	Компонент		Содержание  в масле
			% масс.	г
1	Присадки	КП-1	5,75	28,75
2		ПМС-200А	0,003	0,015
3	Всего присадок		5,753	28,765
4	Базовое масло SAE-30		94,247	471,235
5	∑		100	500

Приготовление опытного образца № 2 моторного масла М-10 Г₂ К осуществлялось путём перемешивания в реакторе указанных в таблице 19 компонентов при температуре 80 ºС в течение 30 мин.

Характеристика данного  опытного образца приведена в  таблице 20.

Таблица 20

Характеристика  опытного образца № 2 масла М-10 Г₂ К

№ п/п	Показатель	Значе-ния	Метод испытания
1	Вязкость кинематическая при 100 ºС, мм2/с	11,93	По ГОСТ 33-82
2	Индекс вязкости	90	По ГОСТ 25371-82
3	Массовая доля механических примесей, %	0,01	По ГОСТ 6370-83 с дополнением по п. 4.2 настоящего стандарта
4	Массовая доля воды, %	Следы	По ГОСТ 2477-65
5	Температура вспышки, определяемая в открытом тигле, ºС		По ГОСТ 4333-87
6	Температура застывания, ºС	-15	По ГОСТ 20287-74
7	Щелочное число, мг КОН  на 1 г масла	8,8	По ГОСТ 11362-76
8	Зольность сульфатная, %	1,28	По ГОСТ 12417-73
9	Плотность при 20 ºС, г/см3		По ГОСТ 3900-47
10	Массовая доля активных элементов, %: кальция (±0,002%)   цинка фосфора	0,347   0,052 0,05	По ГОСТ 9436-63 или ГОСТ 13538-68 То же По ГОСТ 9827-75, с дополнением по п. 4.4 настоящего стандарта

Опыт 4

Получение комплексной  присадки КП-2

Как видно из таблицы 20, опытный образец № 2 масла М-10 Г₂ К, полученный на основе комплексной присадки КП-1, отвечает требованиям ГОСТ 8581-78 для первого сорта по всем показателям, кроме сульфатной золы, которая превышает предельное значение (не более 1,15 % масс.). При этом показатель щелочное число (мг КОН/г) имеет большой запас (более 45%), что неоправданно с точки зрения экономики.

Поэтому была проведена коррекция рецептуры комплексной присадки (пакета), обеспечивающая уменьшение показателей сульфатная зольность и щёлочное число масла М-10 Г₂ К. При этом расчётная общая щёлочность пакета оставалась такой же, как и для КП-1 (155 мг КОН/г), соотношение сульфонатной и фенатной составляющей оставалось 1:1, количество сукцинимидной присадки осталось неизменным (1,5 % масс.). Было уменьшено содержание в исходной смеси нейтрального сульфоната НСК (на 2,55 % масс.) и фената Lz-6589 G (на те же 2,55 % масс.) и соответственно увеличено содержание дитиофосфата Lz-1395 до 15 % масс. При этом изменилась и щёлочность исходной смеси (см. таблицу 21).

Таблица 21

Результаты  расчёта щёлочности исходной смеси присадок

№ п/п	Компонент	Общая щёлочность компонента, мг КОН/г	Содержание  компонента в смеси, % масс.	Щёлочность  от компонента, мг КОН/г	Общая щёлочность смеси, мг КОН/г
1	Lz-1395	94,13	15,0	14,12	74,12
2	НСК	24,5	23,66	5,8
3	Lz-6589G	127,7	34,73	44,36
4	C-5A	37,0	26,61	9,84
5	∑		100	74,12

 

Итак, в соответствии с откоррегированной рецептурой, в смеси исходных компонентов  для получения комплексной присадки КП-2 исходные присадки должны содержаться в таких количествах:

95 %-ный  Lz-1395 – 15,0 % масс.,

40 %-ный  НСК –  23,66 % масс.,