Ciągły proces otrzymywania detergentów na bazie kwasów alkiloarylosulfonowych Instrukcja do ćwiczenia nr 9 Asystent prowadzący: Dr Tomasz S. Pawłowski 1
Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z przemysłową metodą ciągłej produkcji detergentów na bazie kwasów alkiloarylosulfonowych. Opis ćwiczenia Laboratoryjna instalacja chemiczna do produkcji detergentu, będąca modelem instalacji przemysłowej, składa się z trzech głównych modułów (reaktorów): przepływowych kolumn z katalizatorem pięciotlenkiem wanadu do utleniania ditlenku siarki do tritlenku siarki, kolumnowego sulfonatora do sulfonowania alkilobenzenu tritlenkiem siarki oraz neutralizatora do zobojętniania kwasu alkilobenzenosulfonowego wodnym roztworem wodorotlenku potasu. Wymienione procesy zachodzą sekwencyjnie. Ostatni etap jest procesem otrzymywania finalnego produktu. Wszystkie reaktory są ze sobą połączone. Podczas produkcji detergentu reaktory zasilane są w sposób ciągły substratami: powietrzem, ditlenkiem siarki, alkilobenzenem i wodorotlenkiem potasu. W tym samym czasie odbierany jest detergent. Aby zapewnić ciągły proces otrzymywania detergentu należy utrzymywać stałą szybkość dozowania substratów oraz stałą temperaturę przepływowych kolumn z katalizatorem. W trakcie wykonywania ćwiczenia sprawdzana jest kwasowość mieszaniny reakcyjnej sulfonatora zawierającej kwas alkilobenzenosulfonowy. Stała kwasowość mieszaniny jest wyznacznikiem właściwego utrzymywania parametrów procesu produkcji detergentu. Wykonanie ćwiczenia Przed przystąpieniem do ćwiczenia założyć fartuchy i okulary laboratoryjne (chyba, że student nosi okulary korekcyjne) oraz zapoznać się z kartami charakterystyk substancji używanych w trakcie zajęć. Sprawdzić stan techniczny instalacji, włączyć wyciągi i listwy elektryczne. Założyć lateksowe rękawice ochronne i przystępujemy do właściwej części ćwiczenia. Numeracja aparatów instalacji chemicznej występująca w instrukcji odpowiada numeracji na schemacie zaprezentowanym poniżej: 2
Legenda: 1. Butla ze sprężonym powietrzem technicznym, 2. Butla ze sprężonym ditlenkiem siarki, 3. Rotametr do powietrza, 4. Rotametr do ditlenku siarki, 5. Manostat, 6. Nagrzewnica, 7. Konwertor I i II stopnia, 8. Rejestrator temperatury, 9. Autotransformator, 10. Zawór, 11. Sulfonator, 12. Zawór, 13. Silnik do mieszadła w sulfonatorze, 14. Zawór do pobierania próbek na LK, 15. Neutralizator, 16. Elektroda pehametryczna, 17. Pehametr, 18. Zawór, 3
19. Silnik mieszadła w neutralizatorze, 20. Pompa perystaltyczna do dozowania alkilobenzenu, 21. Pompa perystaltyczna do dozowania wodnego roztworu wodorotlenku potasu, 22. Cylinder miarowy z alkilobenzenem 23. Cylinder miarowy z wodnym roztworem wodorotlenku potasu, 24. Cylinder miarowy na detergent. 1. Wyznaczyć gęstość alkilobenzenu i wodnego roztworu wodorotlenku potasu. W tym celu zważyć cylindry o pojemnościach 1 [dm 3 ] (nr 21 i 22). Następnie napełnić je odpowiednimi roztworami do określonej objętości i ponownie zważyć. Ilorazy masy i objętości roztworów dadzą nam ich gęstości. 2. Napełnić sulfonator (nr 11) alkilobenzenem do wysokości zaznaczonej kreską. 3. Włączyć ogrzewanie nagrzewnicy (nr 6) oraz I-ego i II-ego stopnia konwertora SO2 do SO3 (nr 7) (numery suwaków na autotransformatorze odpowiadają numerom płaszczy grzejnych nagrzewnicy i konwertorów). Ustalić temperaturę nagrzewnicy na 450 o C a I - ego i II - ego stopnia konwertora po 500 o C. 4. Gdy temperatury nagrzewnicy i konwertorów osiągną wymaganą wartość odkręcić jednocześnie: reduktor butli z powietrzem (nr 1) i zawór nr 10. Ustawić przepływ powietrza na rotametrze (nr 3) zgodnie z wartością podaną przez asystenta. 5. Uruchomić silnik mieszadła (nr 13) w sulfonatorze. 6. Odkręcić reduktor butli z SO 2 (nr 2) i ustawić przepływ gazu na rotametrze nr 4 zgodnie z wartością podaną przez asystenta. W chwili odkręcenia butli z SO2 rozpoczynamy proces sulfonowania (otrzymywania kwasów alkilobenzenosulfonowych (ABS)). Zapisać godzinę rozpoczęcia dozowania SO2. UWAGA! Aby spełnić warunek ciągłości procesu należy przez cały czas jego trwania utrzymywać stałe przepływy SO2 i powietrza. 7. Postęp reakcji kontrolować przez okresowy (co 15 minut) pomiar liczby kwasowej mieszaniny reakcyjnej w sulfonatorze. Liczba kwasowa (LK) jest to liczba miligramów KOH konieczna do zobojętnienia jednego grama substancji zawierającej kwasy. V objętość 0.1 M, alkoholowego roztworu KOH w cm 3, m masa próbki w gramach. 4
LK W celu określenia LK mieszaniny w sulfonatorze należy pobrać jej niewielką ilość (ok. 2-3 kropli) przez zawór nr 14 do naczyńka wagowego (wcześniej zważonego) a następnie zważyć je z dokładnością do 1 mg. Zawartość naczyńka przenieść ilościowo do erlenmajerki, przemywając je kilkakrotnie etanolem tak aby wypłukać resztki kwasów alkilobenzenosulfonowych. Do erlenmajerki dodać kilka kropli roztworu fenoloftaleiny a następnie całość zmiareczkować 0.1 M alkoholowym roztworem KOH do zmiany barwy na malinową. Na podstawie objętości zużytego titranta i masy próbki z sulfonatora obliczyć LK (patrz wzór powyżej). 8. Zapisać godziny pobierania próbek i obliczone wartości LK. Sulfonowanie prowadzić do momentu uzyskania stałej wartości LK. 9. Umieścić w neutralizatorze (nr 15) elektrodę pehametryczną (nr 16). 9. Napełnić neutralizator wodnym roztworem KOH do podanej wysokości za pomocą pompy perystaltycznej nr 21. Po napełnieniu neutralizatora pompę wyłączyć. Uruchomić silnik (nr 19) mieszadła w neutralizatorze. Włączyć pehametr (nr 17). 10. Otworzyć zawór nr 12 i wprowadzić mieszaninę reakcyjną z kwasami sulfonowymi do rury przelewowej i dalej do neutralizatora. Mieszanina powinna przepływać bardzo wolno. Od tego momentu rozpoczyna się produkcja pierwszych porcji detergentu. Obserwujemy wskazania pehametru. Gdy ustanie przepływ mieszaniny reakcyjnej z sulfonatora a ph detergentu nie spadnie do 7 uruchomić pompę perystaltyczną nr 20 i dozować alkilobenzen z szybkością ustaloną przez asystenta. Czekać aż mieszanina z sulfonatora ponownie zacznie wpływać do neutralizatora. Obserwować zmiany ph na pehametrze. Gdy wartość ph osiągnie ~ 7 wyłączyć pompę nr 20. 11. Otworzyć zawór nr 18. Jeśli po odkręceniu zaworu detergent sam nie osiągnie poziomu przelewu to należy doprowadzić do tego dozując na przemian roztwór KOH i AB, tak aby ph detergentu nie zmieniło wartości. 12. Zważyć cylinder miarowy na detergent (nr 24). 13. Rozpoczynamy proces odbierania i otrzymywania kolejnych porcji detergentu. Produkt odbierać do cylindra miarowego nr 24. W załączonej do instrukcji tabelce (patrz, wzór tabelki poniżej) wpisywać godzinę rozpoczęcia właściwego procesu, poziomy we wszystkich cylindrach ( z alkilobenzenem, roztworem zasady i z produktem) oraz wartość LK. Włączyć pompę nr 20 i ustalić jej prędkość. Roztwór wodorotlenku potasu dozować sterując ręcznie 5
pompą perystaltyczną nr 21, tak aby stale utrzymywać wartość ph w przedziale 5 7. 14. Wartości poziomów w cylindrach miarowych oraz LK sprawdzać co 10 minut i wpisywać do tabelki. Proces prowadzić do osiągnięcia stałości przepływów: alkilobenzenu, roztworu KOH, powietrza, SO 2, produktu oraz stałości liczby kwasowej mieszaniny reakcyjnej w sulfonatorze. 15. Po zakończeniu ćwiczenia opróżnić sulfonator i neutralizator a następnie przepłukać reaktory wodą wykorzystując do tego system węży gumowych. Cylinder z produktem (nr 24) zważyć i określić gęstość produktu. 16. Umyć używany sprzęt laboratoryjny i przygotować stanowisko do kolejnych zajęć. 17. Oddać tabelkę z wynikami asystentowi do podpisania i na jej podstawie wykonać w domu sprawozdanie według załączonego wzoru. 6
Opracowanie wyników Z uzyskanych danych eksperymentalnych należy wybrać kilka ostatnich (najbardziej zbliżonych do siebie) wartości LK oraz przepływów strumieni AB, KOH i produktu. Podstawą do dalszych obliczeń będzie ich wartość średnia. Na podstawie uzyskanych wartości średnich należy policzyć: 1. Strumienie SO 2, powietrza, AB, KOH i produktu w g/h. 2. Strumień mieszaniny w sulfonatorze (ABS) w g/h trzema metodami w oparciu o następujące wielkości: a) wartość liczby kwasowej (LK) i strumień AB, b) strumień produktu i roztworu KOH, c) strumień roztworu KOH i strumień AB. 3. Strumień gazów nie wykorzystanych w procesie. Wykonać wykres Sankey'a na papierze milimetrowym przyjmując za podstawę bilansu szerokość 1 cm = xx [g/h]. Schemat ideowy wykresu Sankey a przedstawiony jest poniżej: 7
8