描述:三氧化硫磺化裝置由三氧化硫發(fā)生、空氣干燥、磺化和老化、中和、尾氣處理等幾大工序組成,可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣體三氧化硫的穩(wěn)定產(chǎn)出,平穩(wěn)完成磺化反應(yīng)。
品牌 | 其他品牌 | 應(yīng)用領(lǐng)域 | 化工,石油,能源,紡織皮革,冶金 |
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產(chǎn)品名稱(chēng) | 三氧化硫磺化裝置 | 規(guī)格 | FJEE-II |
產(chǎn)量 | 3~8 kg/h | SO3轉(zhuǎn)化率 | ≥95% |
三氧化硫磺化裝置由液體SO2為起始劑,催化轉(zhuǎn)化后形成氣體SO3,用于磺化反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)生的尾氣經(jīng)兩級(jí)吸收可安全排放。裝置由三氧化硫發(fā)生、空氣干燥、磺化和老化、中和、尾氣處理等幾大工序組成,可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣體三氧化硫的穩(wěn)定產(chǎn)出,平穩(wěn)完成磺化反應(yīng)。
目前實(shí)驗(yàn)室三氧化硫磺化系列裝置經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)形成系列化,特別是經(jīng)過(guò)四次優(yōu)化升級(jí),裝置預(yù)熱更快,磺化量更小,具有快速、穩(wěn)定、安全和環(huán)保的多重優(yōu)勢(shì)。
三氧化硫(SO3)是硫酸的酸酐,能量?jī)?chǔ)量高,磺化反應(yīng)速率快,工業(yè)生產(chǎn)無(wú)廢液產(chǎn)生,是磺化/硫酸化工業(yè)向快速化、環(huán)保化轉(zhuǎn)變的良好選擇。
三氧化硫磺化裝置實(shí)驗(yàn)室科研工作是工業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大技術(shù)支撐。但是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的SO3不易保存,用發(fā)煙硫酸制取SO3穩(wěn)定性不能保證。因此高校、企事業(yè)單位和科研院所在開(kāi)展磺化/硫酸化實(shí)驗(yàn)時(shí)常使用的是液體磺化劑——濃硫酸。濃硫酸作為磺化劑使用時(shí),每反應(yīng)一分子硫酸即產(chǎn)生一分子水。產(chǎn)生的水分會(huì)將濃酸稀釋?zhuān)坏档土朔磻?yīng)速率,拖延了反應(yīng)時(shí)間,增加了分離工序,而且產(chǎn)生了大量工業(yè)廢酸,增加了生產(chǎn)成本。2005年出臺(tái)的先關(guān)條例將硫酸列為管制化學(xué)品,在高校科研和企業(yè)生產(chǎn)中,濃硫酸和發(fā)煙硫酸的采購(gòu)和儲(chǔ)存愈發(fā)困難,對(duì)磺化/硫酸化科研工作造成的很大的影響。
目前國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室使用的SO3多通過(guò)加熱發(fā)煙硫酸來(lái)制取,再由氮?dú)庀♂屝纬苫旌蠚怏w,然后用于磺化反應(yīng)。通常有簡(jiǎn)易的尾氣硫酸吸收,沒(méi)有中和、水解單元,不能稱(chēng)為連續(xù)磺化裝置,在工藝、設(shè)備、操作條件方面與實(shí)際生產(chǎn)裝置沒(méi)有可比性,尤以穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)很明顯。原因在于裝置氮?dú)饬髁坎环€(wěn)定,SO3產(chǎn)量也不穩(wěn)定,造成SO3濃度波動(dòng)。同時(shí)SO3熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都比較接近室溫,造成SO3很容易在管道凍結(jié)阻塞管道,此時(shí)波動(dòng)的氮?dú)鈿饬骱苋菀讓⒉A髅蟮倪B接口沖開(kāi),逸出的SO3會(huì)瞬間形成大量的酸霧且不能消散,酸霧會(huì)觸發(fā)室內(nèi)煙霧報(bào)警器,中斷實(shí)驗(yàn)。在操作時(shí)實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性差,人為因素更為明顯。同時(shí),發(fā)煙硫酸使用危險(xiǎn)性高,采購(gòu)困難,還存在剩余廢酸待處理的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
實(shí)驗(yàn)室三氧化硫磺化系列裝置由液體SO2為起始劑,經(jīng)加熱氣化后與干燥空氣在轉(zhuǎn)化塔內(nèi)高溫反應(yīng),產(chǎn)生氣體SO3裝置可配備多種磺化器,并可根據(jù)需求配置中和、水解等單元。同時(shí)為了更好地讓科研人員觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,裝置配備的磺化器等設(shè)備很大限度地使用了玻璃材質(zhì),并相應(yīng)增加很多其它便利措施,具有氣源安全穩(wěn)定,操作簡(jiǎn)便,參數(shù)量化,排放環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。
實(shí)驗(yàn)室三氧化硫磺化系列裝置的出現(xiàn),能夠?qū)?shí)驗(yàn)室科研工作與工業(yè)生產(chǎn)需求有效銜接。
1 實(shí)驗(yàn)室三氧化硫磺化裝置的發(fā)展
目前SO3磺化工藝已經(jīng)從傳統(tǒng)的表面活性劑生產(chǎn)領(lǐng)域擴(kuò)展到了印染、皮革、采油、食品、醫(yī)藥、農(nóng)藥和其它化工中間體等諸多方面。為了適應(yīng)科研發(fā)展需要,從2002年面世起,經(jīng)歷了四次大的優(yōu)化升級(jí)。代為儀表控制和顯示;第二代升級(jí)為PLC觸摸屏集中遠(yuǎn)傳控制;第三代采用更的渦流加熱方式,使轉(zhuǎn)化塔能夠在1 h內(nèi)達(dá)到所需溫度,預(yù)熱時(shí)間更短;第四代在第三代基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)微型裝置,將傳統(tǒng)的3~8 kg/h的產(chǎn)量降低到0.5~1 kg/h,SO3穩(wěn)定產(chǎn)氣量小到30 mL/min,真正滿足了快速化、微量化的實(shí)驗(yàn)需求。本裝置可以廣泛用于表面活性劑、染料、醫(yī)藥化工、化工中間體等領(lǐng)域的相應(yīng)磺化/硫酸化的科研實(shí)驗(yàn)、教學(xué)演示和工業(yè)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。
2 工藝簡(jiǎn)介
由空氣干燥、三氧化硫發(fā)生、磺化和老化、中和、尾氣處理等工序組成,可以根據(jù)不同原料的工藝需要增加相應(yīng)的工序(比如增加水解工序),很大限度地滿足不同原料的磺化實(shí)驗(yàn)需求。
2.1 空氣干燥
目的:本工序旨在提供經(jīng)深度干燥、具有一定壓力的工藝空氣,用于制備三氧化硫,完成磺化反應(yīng)。
過(guò)程簡(jiǎn)述:空氣經(jīng)無(wú)油空壓機(jī)壓縮,進(jìn)入過(guò)濾器、冷凍機(jī)、精密過(guò)濾器、吸附式干燥機(jī)后,經(jīng)減壓閥減至所需壓力,得到深度干燥的潔凈空氣,供后續(xù)工序使用,工藝空氣量由空氣質(zhì)量流量計(jì)控制。
圖1 空氣干燥單元工藝流程示意圖
2.2 三氧化硫發(fā)生
目的:將純凈的SO2氣體與干燥的工藝空氣引入轉(zhuǎn)化塔,經(jīng)釩觸媒(V2O5)催化轉(zhuǎn)化成三氧化硫/空氣混合氣體,再經(jīng)冷卻器冷卻,加入定量的稀釋空氣,成為一定濃度的SO3氣體,供磺化使用。
過(guò)程簡(jiǎn)述:用電加熱器控制SO2鋼瓶的溫度,使SO2氣體出口壓力保持恒定,液體充分氣化,SO2氣體和工藝空氣由質(zhì)量流量計(jì)控制,工藝空氣經(jīng)過(guò)電加熱器加熱的送至轉(zhuǎn)化塔。SO2和空氣混合氣體經(jīng)兩層催化劑的催化轉(zhuǎn)化得到SO3氣體,轉(zhuǎn)化塔層間溫度由冷激風(fēng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。SO3氣體通過(guò)冷卻器冷卻至磺化所需溫度,再經(jīng)SO3過(guò)濾器將冷凝酸濾出后進(jìn)入磺化工序。
2.3 磺化和老化(以降膜式磺化器生產(chǎn)烷基苯磺酸為例)
目的:有機(jī)原料與三氧化硫/空氣混合氣體在磺化器內(nèi)完成磺化反應(yīng)。
過(guò)程簡(jiǎn)述:有機(jī)原料經(jīng)原料罐、齒輪泵定量送至磺化器(以降膜磺化器為例)的有機(jī)物腔,沿管內(nèi)壁均勻成膜狀降落,與頂部通入的SO3氣體并流而下,完成磺化反應(yīng)。反應(yīng)熱由夾套冷卻水帶走。磺化后的氣液混合物經(jīng)氣液分離器進(jìn)行氣液分離。對(duì)于烷基苯磺化,磺化液體產(chǎn)物磺酸經(jīng)產(chǎn)品輸出泵送至磺酸老化罐,老化后進(jìn)入產(chǎn)品罐待水解。
磺化反應(yīng)為瞬時(shí)反應(yīng),有機(jī)物一經(jīng)與SO3接觸即進(jìn)行磺化反應(yīng),并放出大量的熱量,必須通過(guò)冷卻水保證恒溫反應(yīng),以控制副反應(yīng)的發(fā)生,保證產(chǎn)品質(zhì)量。
2.4 中和
目的:磺化產(chǎn)物與液堿快速均勻中和得到相應(yīng)的弱堿性的更易于穩(wěn)定保存的鹽溶液。
過(guò)程簡(jiǎn)述:磺化產(chǎn)物由磺酸出料泵送至中和系統(tǒng),與定量穩(wěn)定進(jìn)料的液堿、工藝水按照相應(yīng)比例在一定的溫度和壓力下快速攪拌,得到相應(yīng)的鹽溶液。為了將中和反應(yīng)熱迅速除去,采用環(huán)路循環(huán)中和,由循環(huán)泵、高剪切均質(zhì)泵、靜態(tài)混合器、冷卻器、計(jì)量泵及pH控制器組成。
2.5 尾氣處理
目的:磺化尾氣中含有微量未轉(zhuǎn)化的SO2、未反應(yīng)的SO3、硫酸霧和有機(jī)酸霧。為達(dá)到環(huán)保的要求,采用不銹鋼絲網(wǎng)除霧器、有機(jī)物吸收和堿吸收裝置將其除去。
過(guò)程簡(jiǎn)述:從磺化工序來(lái)的磺化尾氣進(jìn)入金屬絲網(wǎng)除霧器,將有機(jī)酸霧、硫酸霧凝聚排出,尾氣則從頂部排至有機(jī)物吸收罐進(jìn)行吸收,除去尾氣中的SO3,再?gòu)捻敳颗胖翂A吸收罐進(jìn)行堿吸收,除去尾氣中的SO2。
2.6 水解(適用于AOS)
目的:打開(kāi)磺內(nèi)酯,形成磺酸鹽。
過(guò)程簡(jiǎn)述:來(lái)自中和部分的α-烯烴磺酸鹽由物料增壓輸送泵輸送,經(jīng)預(yù)熱器、高溫高壓水解器,在高溫和一定的壓力下反應(yīng),充分打開(kāi)磺內(nèi)酯,再與多余的堿中和反應(yīng),產(chǎn)品經(jīng)冷卻器冷卻得到AOS產(chǎn)品。
3 裝置分類(lèi)
根據(jù)產(chǎn)量分以下三類(lèi)。
3.1 FJEE-I型磺化裝置(0.1kg/h)
該型磺化裝置多用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)科研開(kāi)發(fā)。產(chǎn)氣量少卻非常穩(wěn)定,多配合攪拌釜式磺化器使用。
SO3用氣量低帶來(lái)的技術(shù)難題是如何保證轉(zhuǎn)化設(shè)備達(dá)到所需的溫度且保證穩(wěn)定均衡,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、較高的轉(zhuǎn)化率。
本類(lèi)裝置的主要特點(diǎn)是設(shè)備精致,占地面積小在1~2 m2以內(nèi),可以置于通風(fēng)櫥內(nèi),配合實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用。SO3轉(zhuǎn)化率≥95%,預(yù)熱時(shí)間縮短至0.5~1 h以內(nèi),在搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)的同時(shí)即可完成轉(zhuǎn)化塔預(yù)熱,可以滿足科研即插即用的快速實(shí)驗(yàn)需求。
圖7 FJEE-I型磺化裝置
該型裝置的規(guī)模和磺化量根據(jù)客戶需求相應(yīng)訂制,例如,上圖的三氧化硫產(chǎn)量為20~100 mL/min的磺化裝置,折合磺化量?jī)H為18~90 g/h,轉(zhuǎn)化率97%。裝置通過(guò)西門(mén)子觸摸屏控制,占地面積0.7 m2,預(yù)熱時(shí)間僅為30 min。
3.2 FJEE-II型磺化裝置(0.5~2 kg/h)
該型裝置由空氣干燥、三氧化硫發(fā)生、磺化、尾氣處理等幾個(gè)單元組成??梢云ヅ涓交腔骱徒的せ腔鞯榷喾N反應(yīng)器?;腔繛?.5~2 kg/h(以烷基苯磺酸鈉計(jì))。
該裝置的主要特點(diǎn)是設(shè)備外觀精致,預(yù)熱時(shí)間短,SO2/SO3轉(zhuǎn)化率高,三氧化硫產(chǎn)量穩(wěn)定,僅需一人便可順利完成實(shí)驗(yàn)。幾種磺化器切換便捷,更加適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的小批量、快速靈活的科研需求。
圖8 FJEE-II型室磺化裝置
3.3 FJEE-III型磺化裝置(3~8 kg/h)
實(shí)驗(yàn)室磺化裝置包括空氣干燥、三氧化硫發(fā)生、磺化及老化、中和、水解、尾氣處理六個(gè)單元,可以用于科研實(shí)驗(yàn)需要,更可以模擬中試放大的磺化、水解、中和等產(chǎn)品生產(chǎn)所需的整條生產(chǎn)線開(kāi)發(fā)需求。可以匹配所有類(lèi)型的磺化反應(yīng)器,包括:釜式磺化器、降膜式磺化器、噴射反應(yīng)器和超重力反應(yīng)器?;腔繛?~8 kg/h左右(以烷基苯磺酸鈉計(jì))。
本類(lèi)裝置的主要特點(diǎn)是三氧化硫產(chǎn)量穩(wěn)定、轉(zhuǎn)化率更高,可以滿足科研所需,適應(yīng)中試放大,與多種磺化反應(yīng)器有效匹配??梢杂糜谛袠I(yè)的教學(xué)、科研,生產(chǎn)部門(mén)探索新原料、新工藝、優(yōu)化操作條件等方面,具有實(shí)驗(yàn)周期短、成本低、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。
圖9 FJEE-III型磺化裝置
4 磺化器分類(lèi)
根據(jù)客戶需要及相應(yīng)原料和產(chǎn)品適應(yīng)性上的差異,可配套的磺化器分四大類(lèi),分別為釜式磺化器、降膜式磺化器、噴射磺化器和超重力磺化器。
4.1 釜式磺化
釜式磺化是傳統(tǒng)的氣液反應(yīng)的方式——鼓泡反應(yīng)。釜式磺化操作簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),產(chǎn)品適應(yīng)范圍廣,因此在實(shí)驗(yàn)室是使用很多的反應(yīng)方式,缺點(diǎn)是傳質(zhì)和傳熱效果差,大量未反應(yīng)SO3逸出,冷卻效果有限。而且由于長(zhǎng)時(shí)間在酸性環(huán)境中反應(yīng),不利于硫酸化反應(yīng)[1]。
釜式磺化通常只有水平方向攪拌,傳質(zhì)效果一般,如何改善釜式磺化攪拌方式、實(shí)現(xiàn)氣體的均勻分布是解決釜式磺化傳質(zhì)效果差的努力方向。
4.2 降膜式磺化(以列管磺化器為例)
有機(jī)物在磺化管內(nèi)壁呈膜流下,氣體在管中間與液體有機(jī)物順流而下發(fā)生反應(yīng),管外是冷卻水。膜式磺化在表面活性劑工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,優(yōu)點(diǎn)是磺化反應(yīng)速率快,反應(yīng)率高,冷卻效果好,產(chǎn)品品質(zhì)可控,色澤淺,更有利于硫酸化這種快速反應(yīng)的需求[2]。
降膜式磺化的原料也有相應(yīng)的要求,就是有機(jī)物粘度要適中,磺化產(chǎn)物與原料粘度相差不大。粘度太小,則流動(dòng)快,易斷膜;停留時(shí)間短,反應(yīng)不充分;粘度太大,降膜流速慢易堵管;同時(shí),膜式磺化不適合揮發(fā)性較大原料的磺化反應(yīng),因?yàn)樵蠐p耗較大。
實(shí)驗(yàn)室三氧化硫磺化系列裝置的膜式磺化器為玻璃材質(zhì),便于觀察磺化效果,隨時(shí)調(diào)整磺化工藝,因此更適用于新產(chǎn)品的膜式磺化開(kāi)發(fā)。的磺化管長(zhǎng)度在2 m以內(nèi),磺化量在0.5~8 kg/h之間。
4.3 噴射磺化
噴射磺化利用文丘里原理,一般由高速流動(dòng)的氣體卷吸液體反應(yīng)。在噴射器喉管部分,高速氣體將液體擊碎至幾微米的液滴,使相對(duì)少量的液體以小液滴的形式分散于高速碰撞的氣流中,以液滴為傳質(zhì)反應(yīng)的基本單元,屬于液滴型反應(yīng)器[3]。
噴射反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)速度快,磺化率更高,反應(yīng)器體積小;缺點(diǎn)在于氣體帶壓,因此氣體設(shè)備制作標(biāo)準(zhǔn)要求較高,同時(shí)真正實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定反應(yīng)技術(shù)難度較大。
噴射磺化適用于磺化后產(chǎn)物粘度陡增,磺化產(chǎn)品純度不好,磺化后易出現(xiàn)結(jié)渣的采油行業(yè)的磺化,或者對(duì)磺化溫度非常敏感的甲苯等磺化場(chǎng)合使用。
4.4 超重力磺化
超重力磺化器是將有機(jī)物在填料轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)形成的離心力的作用下,在填料表面甩成膜,與逆向而來(lái)的SO3接觸反應(yīng)??梢詫⒊亓Ψ磻?yīng)器看成一個(gè)水平放置的膜式磺化器,不同之處在于膜式磺化器是1個(gè)重力加速度(G),超重力反應(yīng)器的離心力可達(dá)幾個(gè)甚至上百個(gè)G,因此形成的膜更薄,膜厚只有微米甚至納米級(jí),比表面積更大,加上與氣體SO3逆向運(yùn)動(dòng)而接觸,傳質(zhì)效果更好,反應(yīng)速度快,很小的反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)很大的磺化產(chǎn)量[4]。
超重力反應(yīng)由于離心力巨大,常規(guī)粘度的原料難以均勻成膜,反而高粘度的物料掛膜更均勻,更適合本裝置,因此超重力磺化用于磺化反應(yīng)緩慢、原料粘度高或者磺化后粘度陡增無(wú)法流動(dòng)的場(chǎng)合。