Sulfonación: Proceso y Diagrama de Flujo de Planta

Sulfonación:
El Alquilbenceno lineal (LAB) es principalmente utilizado como materia prima para la
producción de ácido sulfónico (LABSA) a través de la reacción de sulfonación, el cual es
neutralizado para la producción de sulfonato sódico de alquilbenceno lineal (LAS), el
principal tensioactivo aniónico empleado en la industria.
El Ácido sulfónico lineal es un surfactante o tensioactivo aniónico, materia prima
para la fabricación de detergentes tanto en polvo como líquidos. Es el
responsable de llevar a cabo la función primordial de los detergentes, quitar la
suciedad de la ropa y mantenerla en solución para desecharla en el enjuague.
Se obtiene por sulfonación del alquilbenceno lineal, con una mezcla de anhídrido
sulfúrico(𝑆𝑂 3 -aire), en un reactor de película en forma continua.
El ácido sulfónico es un componente orgánico, biodegradable, cuya función
principal es lograr que el agua entre en el tejido de las telas para quitar la
suciedad. En sí, disminuye la tensión superficial del agua, la hace lo
suficientemente fina como para entrar en la tela.
El ácido sulfónico constituye la base no sólo para detergentes de ropa tanto
líquidos como granulados, sino también para desinfectantes, limpiadores de
superficies e incluso para todo tipo de limpiadores domésticos e industriales.
Puede ser utilizado como intermedio para la producción de emulsiones y agentes
humectantes.
Además en la planta de sulfatación se pueden sulfatar alcoholes lauricos,
alcoholes etoxilados, alfa olefinas y metil esteres de aceites.
DIAGRAMA DE FLUJO
PLANTA DE SULFONACION CON COMBUSTION DE AZUFRE
Fundición de azufre
con filtración
Secado de aire
Combustión de
azufre y conversión
𝑆𝑂2 /𝑆𝑂 3
Recuperación de
calor
Sulfonación
Absorción de 𝑆𝑂 3
Sulfatación
Maduración e
Hidrolisis
Ácido
sulfonicó.
Neutralización
Hidrolisis de Alfa
Olefinas
Producto final
Tratamiento de
gases
Fundición de azufre con filtración
El proceso más utilizado para producir ácido sulfónico es la combustión de
azufre para obtener 𝑆𝑂2 y luego convertirlo en 𝑆𝑂3 utilizando pentoxido de
vanadio como catalizador. El azufre se obtiene de minas o de la refinación del
petróleo. El azufre se funde y luego se filtra antes de ser quemado, el propósito
de la filtración es para asegurar la posibilidad de usar cualquier tipo de azufre sin
dañar los diversos equipos de la planta, el retirar las impurezas que tenga el
azufre, la mejora de la operación de las bombas dosificadoras de azufre.
TRATAMIENTO DE AZUFRE
VAPOR
A TANQUE DE
AZUFRE DIARIO
AZUFRE SOLIDO
FILTRO
TRATAMIENTO DE AIRE
Para evitar la formación de ácido sulfúrico y oleum en el sistema el aire necesario para la planta
debe ser secado antes de ser usado. El aire se seca pasándolo por filtros de silicagel o alumina y se
obtiene un aire con menos de -70°C de punto de roció. El aire obtenido de la atmosfera es filtrado
y comprimido con un compresor de baja presión. El compresor es del tipo continuo, de operación
seca, el flujo de aire debe ser continuo y a presión constante. El aire comprimido pasa por
enfriador (chiller con etilenglicol) y finalmente a través de un secador. Se tienen dos secadores y
mientras uno trabaja el otro se regenera pasándole aire caliente.
TRATAMIENTO DE AIRE
HORNO DE AZUFRE:
El azufre filtrado se lleva a un horno para ser quemado con el aire seco para obtener 𝑆𝑂 2 . El flujo
del azufre líquido es controlado por una bomba dosificadora. El aire alimentado es una mezcla de
21% de oxígeno y 79 % de oxígeno. Solo se quema una porción del oxígeno. Al salir del horno la
mezcla de 𝑆𝑂 2 y aire se debe enfriar para pasar al convertidor 𝑆𝑂 2 /𝑆𝑂3.
COMBUSTION DE AZUFRE
AIRE DE
PROCESO
AZUFRE FUNDIDO
TANQUE DE AZUFRE
HORNO DE AZUFRE
CONVERSION DE 𝑆𝑂2 A 𝑆𝑂3
El gas al salir del horno es enfriado y se convierte de 𝑆𝑂2 A 𝑆𝑂3 en un reactor de 4 etapas usando
pentoxido de vanadio como catalizador, la reacción es exotérmica por lo que se tiene que enfriar
el gas entre etapas para obtener la conversión a 𝑆𝑂3 deseada.
Reacciones:
S + 𝑂2
𝑆𝑂2
1
𝑆𝑂2 + 2 𝑂2
𝑆𝑂3
La mezcla de aire y 𝑆𝑂2 es enfriada y se alimenta al reactor de conversión, donde ocurre la
reacción de oxidación de 𝑆𝑂2 a 𝑆𝑂3 . Se usa pentoxido de vanadio como catalizador, el reactor
tiene 4 etapas y se obtiene una conversión del 98.5%, después de cada etapa el gas es enfriado
para obtener las temperaturas que dan los requerimientos cinéticos y termodinámicos de la
reacción.
A la salida del gas del reactor este tiene una alta temperatura (alrededor de 430 C) y se debe de
enfriar usando dos intercambiadores de concha y tubo. El aire caliente puede ser usado para
regenerar los secadores de aire o usado en una torre de atomización si esta está en las mismas
instalaciones.
El gas se mezcla con aire seco antes de entrar al reactor de sulfonacion.
AIRE DE PROCESO
GAS AL
REACTOR
CONVERTIDOR
SULFONACION
La reacción de sulfonación se lleva a cabo al entrar en contacto el 𝑆𝑂3 con el alcano en un
reactor de película multitubo en flujo cocorriente. El reactor consiste de varios tubos. La
alimentación del alcano (liquido) y el gas se hace en la cabeza del reactor logrando que una fina
capa de alcano caiga formando una delgada película en el tubo y que el gas reaccione con el
alcano haciendo una reacción rápida que garantiza que no haya subproductos y con un adecuado
enfriamiento se obtenga el color adecuado.
DISTRIBUCION DE LOS REACTIVOS EN EL REACTOR DE PELICULA DESCENDENTE
𝑆𝑂3
+ AIRE
Alimentacion organico
Aire ecualizador
Agua de enfriamiento
La reacción es exotérmica y requiere que el producto sea enfriado rápidamente para evitar
que el producto salga muy oscuro al quemarse.
El producto al salir del reactor se separa del gas y luego sufre una maduracion (digestor) y al
terminar el tiempo de maduracion se le agrega agua para neutralizar el 𝑆𝑂3 libre y evitar que siga
reaccionando con el alcano sin reaccionar.
TRATAMIENTO DE GASES:
Al separarse los gases del ácido sulfonico producido es necesario tratarlos ya que por su
alto contenido de 𝑆𝑂3 sin reaccionar y 𝑆𝑂2 son altamente contaminantes y producen lluvia acida
que daña el ambiente. Los gases pasan primero por un precipitador electroestático que elimina las
partículas con carga y luego por un scrubber que elimina el 𝑆𝑂2 formando sulfito de sodio.
Soda caustica
Atmosfera
Gases del
reactor
Sulfito de sodio
NEUTRALIZACION:
Después de salir del reactor el ácido sulfónico se puede almacenar en tanques o
neutralizarse en continuo usando soda caustica como neutralizador. Al sulfatar alcoholes lauricos
estos se deben neutralizar inmediatamente después de salir del reactor.
REACCIONES SULFONACION:
1. Reacción de alquilbenceno:
La principal reacción que ocurre en el reactor es la siguiente:
Las reacciones no deseadas son:
En presencia de agua se puede formar óleum:
Además en el madurador se producen otras reacciones beneficiosas:
Debido a esto, al salir del madurador se observa un incremento del ingrediente
activo y una disminución del aceite libre.
En el hidrolizador ocurren las siguientes reacciones:
El resultado es un pequeño incremento del ingrediente activo y la estabilidad del
producto.
Cuando se neutraliza se forma la sal de sodio del ácido sulfonico,
2. Sulfatación de alcoholes lauricos o alcoholes etoxilados:
Las reacciones principales que ocurren el reactor son las siguientes:
Contrario a la reacción de sulfonacion, la sulfatación es inestable y en presencia de
humedad se revierte
Es por eso que los productos sulfatados son enviados directamente hacia la neutralización.
BALANCE DE MATERIALES:
Alimentación de alcano:
Kilos de ácido sulfonico x Peso molecular alcano
Peso molecular sulfonico
+ kilos de ácido sulfonico x % de aceite libre.
Alimentacion de Azufre:
Kilos de ácido sulfonico x Peso molecular azufre
Peso molecular sulfonico
+
Aire:
Kilos de ácido sulfonico x ( % de 𝐻2 𝑆𝑂4 𝑥Peso molecular azufre)
Peso molecular 𝐻2 𝑆𝑂4
Kilos azufre x (70 + % dilución x 0.35) x  aire
% dilución
Soda para neutralización:
Moles de activo x peso molecular NaOH
+
Moles de 𝐻2 𝑆𝑂4 x peso molecular NaOH
Cantidad de agua para obtener DDBSNa al 50 %:
Kilos mezcla – agua de NaOH al 50 % - agua de la reacción – agua reacción sulfato.
Especificaciones de producto terminado: