Zakład Chemii Organicznej i Technologii Chemicznej Ciągły proces otrzymywania detergentów na bazie kwasów alkiloarylosulfonowych Instrukcja do ćwiczenia nr 9 1
Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z przemysłową metodą ciągłej produkcji detergentów na bazie kwasów sulfonowych. 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 dwutlenku siarki do trójtlenku siarki, kolumnowego sulfonatora do sulfonowania alkilobenzenu trójtlenkiem 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, dwutlenkiem siarki, alkilobenzenem i wodorotlenkiem potasu. W tym samym czasie odbierany jest detergent. Aby zapewnić ciągły proces otrzymywania detergentu należy utrzymywać na stałym poziomie: szybkości dozowania substratów oraz 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 Na początku pracowni zakładamy fartuchy i okulary laboratoryjne (chyba, że student nosi okulary korekcyjne) oraz zapoznajemy się z kartami charakterystyk substancji używanych w trakcie zajęć. Sprawdzamy stan techniczny instalacji, włączamy wyciągi i listwy elektryczne. Zakładamy lateksowe rękawice ochronne i przystępujemy do właściwej części ćwiczenia. 2
Numeracja aparatów instalacji chemicznej występująca w instrukcji oparta jest na schemacie zaprezentowanym poniżej: Legenda: 1. Butla ze sprężonym powietrzem technicznym, 2. Butla ze sprężonym dwutlenkiem siarki, 3. Rotametr do powietrza, 4. Rotametr do dwutlenku 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, 3
16. Elektroda pehametryczna, 17. Pehametr, 18. Zawór, 19. Silnik do 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. Wyznaczamy gęstość alkilobenzenu i wodnego roztworu wodorotlenku potasu. W tym celu ważymy cylindry o pojemnościach 0,5 dm 3 (nr 21 i 22). Następnie napełniamy je odpowiednimi roztworami do określonej objętości i ponownie ważymy. Ilorazy masy i objętości roztworów dają nam ich gęstości. 2. Napełniamy sulfonator (nr 11) alkilobenzenem do wysokości zaznaczonej kreską. 3. Włączamy ogrzewanie nagrzewnicy (nr 6) oraz I-ego i II-ego stopnia konwertora SO 2 do SO 3 (nr 7) (numery suwaków na autotransformatorze odpowiadają numerom płaszczy grzejnych nagrzewnicy i konwertorów). Ustalamy 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 odkręcamy reduktor butli z powietrzem (nr 1) i odpowiednio regulując nim ustawiamy przepływ powietrza na rotametrze (nr 3) zgodnie z wartością podaną przez asystenta. Równocześnie otwieramy zawór nr 10. 5. Uruchomiamy silnik (nr 13) do mieszadła w sulfonatorze. 6. Odkręcamy reduktor butli z SO 2 (nr 2) i ustawiamy przepływ gazu na rotametrze nr 4 zgodnie z wartością podaną przez asystenta. W chwili odkręcenia butli z SO 2 rozpoczynamy proces sulfonowania (otrzymywania kwasów alkilobenzenosulfonowych (ABS)). Zapisujemy godzinę rozpoczęcia reakcji. UWAGA! Aby spełnić warunek ciągłości procesu należy przez cały czas jego trwania utrzymywać stałe przepływy SO 2 i powietrza. 4
7. Postęp reakcji kontrolujemy przez 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 [g]. LK W celu określenia LK mieszaniny w sulfonatorze należy pobrać jej niewielką próbkę (ok. 2-3 kropli) przez zawór nr 14 do naczyńka wagowego a następnie zważyć je z dokładnością do 1 [mg]. Zawartość naczyńka przenosimy ilościowo do erlenmajerki, przemywając je kilkakrotnie etanolem tak aby wypłukać resztki kwasów alkilobenzenosulfonowych. Do erlenmajerki dodajemy kilka kropli roztworu fenoloftaleiny a następnie całość miareczkujemy 0.1[M] alkoholowym roztworem KOH do zmiany barwy na malinową. Na podstawie objętości zużytego titranta i masy próbki z sulfonatora obliczamy LK (patrz wzór powyżej). 8. Zapisujemy godziny pobrania próbek i wartości LK. Sulfonowanie prowadzimy do momentu uzyskania wartości LK zbliżonej do 80. 9. Umieszczamy w neutralizatorze (nr 15) elektrodę pehametryczną (nr 16). Napełniamy neutralizator wodnym roztworem KOH do podanej wysokości za pomocą pompy perystaltycznej nr 21. Po napełnieniu neutralizatora pompę wyłączamy. Uruchomiamy silnik (nr 19) do mieszadła w neutralizatorze. Włączamy pehametr (nr 17). 10. Ważymy cylinder nr 24. Otwieramy zawór nr 12 i wprowadzamy 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 uruchamiamy pompę perystaltyczną nr 20 i dozujemy alkilobenzen z szybkością ustaloną przez asystenta. Czekamy aż mieszanina z sulfonatora ponownie zacznie wpływać do neutralizatora. Obserwujemy zmiany ph na pehametrze. Gdy wartość ph osiągnie ~ 7 wyłączamy pompę nr 20. 5
11. Otwieramy 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. Rozpoczynamy proces odbierania i otrzymywania kolejnych porcji detergentu. Produkt odbieramy do cylindra miarowego nr 24. W załączonej do instrukcji tabelce (patrz, wzór tabelki poniżej) wpisujemy godzinę rozpoczęcia właściwego procesu, poziomy we wszystkich cylindrach ( z alkilobenzenem, roztworem zasady i z produktem) oraz wartość LK. Włączamy pompę nr 20 i ustalamy jej prędkość. Roztwór wodorotlenku potasu dozujemy sterując ręcznie pompą perystaltyczną nr 21, tak aby utrzymywać wartość ph w przedziale 5 7. 14. Wartości poziomów w cylindrach miarowych oraz LK sprawdzamy w równych odstępach czasu i wpisujemy do tabelki. Proces prowadzimy tak długo, aż osiągniemy stan stacjonarny. 15. Po zakończeniu ćwiczenia opróżniamy sulfonator i neutralizator a następnie przepłukujemy reaktory wodą wykorzystując do tego system węży gumowych. Cylinder z produktem (nr 24) ważymy i określamy gęstość produktu. 16. Myjemy używany sprzęt laboratoryjny i przygotowujemy stanowisko do kolejnych zajęć. 17. Dajemy tabelkę z wynikami asystentowi do podpisania i na jej podstawie wykonujemy w domu sprawozdanie według załączonego wzoru. 6
Opracowanie wyników Z uzyskanych danych eksperymentalnych należy wybrać kilka ostatnich wartości LK oraz przepływów strumieni AB, KOH i produktu. Podstawą do obliczeń jest 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 opierając się na załączonym schemacie zachowując proporcje strumieni [g/h]. 7