Sulfonierung und Sulfatierung werden zur Herstellung einer Vielzahl von Produkten eingesetzt, darunter Farbstoffe und Farbverstärker, Pigmente, Pestizide, organische
Zwischenprodukte und vor allem Tenside. In modernen Anlagen dominiert die Sulfonierung mit SO3. Das SO3/-Luft-Verfahren ist in der Lage, eine breite Palette hochwertiger Produkte herzustellen und kosteneffizient zu arbeiten. Ein Schwefelverbrennungssystem, bei dem Schwefel als SO3-Quelle verwendet wird, hat dabei aufgrund deutlicher Sicherheitsvorteile und einer breiten Verfügbarkeit von festem Schwefel auf dem Markt besondere Bedeutung erlangt. Das Prozessflussschema umfasst normalerweise die Oxidation von festem Schwefel zu SO2, die Umwandlung von SO2 zu SO3 und die Sulfonierung organischer Stoffe.
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Wie eingangs erwähnt, muss die Druckluft für den Sulfonierungsprozess sehr trocken sein. Taupunkte in solchen Anlagen liegen bei -60 °C und erreichen oft bis zu -80 °C.
Lufttrockner in Sulfonierungsanlagen
Lufttrockner-Systeme in Sulfonierungsprozessen verwenden zumeist Umgebungsluft, die zunächst auf 0,5 bis 1,2 bar verdichtet und in einem Kühler auf 5 bis 7 °C abgekühlt wird. Die Luftvorkühlung ist notwendig, um einen sehr niedrigen Feuchtigkeitsgehalt und eine Sättigung in der Druckluft bei niedrigen Drücken zu erreichen. Die
abgekühlte Luft wird in zwei parallelen
Trockenmitteladsorbern auf einen Taupunkt von -60 bis -80 °C getrocknet. Die Desorp-tion des mit Feuchtigkeit beladenen Bettes erfolgt im Gegenstrom zur Adsorption mit Heißluft aus dem SO3-Kühler oder mit
erhitzter Umgebungsluft, die durch einen Dampfwärmetauscher erwärmt wird. Ein weiterer wichtiger Aspekt des Trockenluftversorgungssystems in einer Sulfonierungsanlage ist die Notwendigkeit, Taupunktspitzen und Volumenstromschwankungen
auszuschließen. Das Pulsieren wirkt sich
unmittelbar auf das SO3-organische Molverhältnis (d. h. das SO3-Molverhältnis) aus, den wichtigsten Parameter im Produktionsprozess. Ein stabiles SO3-Molverhältnis gewährleistet die geplante Produktausbeute, eine optimale Sulfonierungseffizienz und muss bei laufender Anlage immer aufrechterhalten werden. Darum wird auch bei
Regenerationsbetten eine Kühlung mit Umgebungsluft in einem geschlossenen Kreislauf durchgeführt, um so eine Vorbeladung der regenerierenden Adsorberbetten zu verhindern. Nach der Desorption sollte die Betttemperatur auf ein niedriges Niveau
gesenkt werden, bevor der Adsorber wieder in den Adsorptionsmodus geht, um so einen Taupunkt- oder Wärme-peak zu vermeiden.
Sulfonierungsanlagen, die SO3 aus Schwefelbrennern verwenden, benötigen keine externen Wärmequellen zur Erwärmung der Luft für die Regeneration der Betten. Die Heißluft wird aus SO3-Kühlern zugeführt, in denen das im SO2-Konverter erzeugte SO3 zur weiteren Verarbeitung nahezu auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Der Überschuss an Wärmeenergie, die bei der Schwefel- und SO2-Oxidation erzeugt wird, ist ein wichtiger Vorteil des Schwefelverbrennungs-Sulfonierungsprozesses. Andere Verfahrensvarianten, bei denen aus Oleum gewonnenes oder flüssiges SO3 als Sulfonierungsmittel verwendet wird, erfordern eine externe Erwärmung, um die erforderlichen Temperaturen für die Regeneration zu erzeugen.
Wahl des Adsorptionsmittels
Adsorptionsmittel, die in Drucklufttrocknern in Sulfonierungsanlagen eingesetzt werden, spielen eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung eines kosteneffizienten und sicheren Betriebs des Lufttrockners, was sich auch auf die Effizienz des Produktionsprozesses auswirkt. Zu den herkömmlichen Adsorptionsmitteln für Drucklufttrockner gehören aktiviertes Aluminiumoxid, Silica-Gel und Molekularsiebe. Da der Lufttrockner als Teil der Sulfonierungsanlage angeboten wird, sind die Prozesslizenzgeber normalerweise für die Auswahl und Qualifizierung bestimmter Adsorptionsmitteltypen für ihre Anlagentrockner verantwortlich.
Zur Produktpalette der BASF gehören Sorbead-R- und Sorbead-WS-Adsorbentien, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften hervorragend für die anspruchsvollen Bedingungen in Sulfonierungsanlagen eignen.
Stabilität gegenüber Säuren
SO2 und SO3 (SOx) sind stark saure und hochreaktive Gase. Sogar bei ppm-Konzentrationen reagiert SOx mit einer Vielzahl anorganischer Oxide unter Bildung von Sulfaten oder Sulfiten. Aluminiumoxid ist anfällig für solche Reaktionen, die durch Feuchtigkeit, die während des Lufttrocknungsprozesses auf das Adsorptionsmittelbett geladen wird, stark gefördert werden. Die Bildung von Oberflächensulfaten/Sulfiten trägt zur Deaktivierung und Zersetzung des Adsorp-tionsmittels bei und kann zu einem häufi-geren Austausch des Adsorptionsmittels oder zu betrieblichen Problemen in einer Anlage führen. Dieser Effekt könnte auch bei Silica-Gel mit hohem Aluminiumgehalt auftreten. Während Aluminium zugesetzt wird, um die hydrothermale Stabilität bestimmter Kieselgele zu verbessern, wirken sich seine übermäßigen Mengen negativ auf die Materialbeständigkeit gegenüber sauren Komponenten aus. Sorbead ist ein säurestabiles Material, das seine Eigenschaften und seine Aktivität auch bei einem hohen Gehalt an sauren Verunreinigungen in der Luft beibehält.
Robust und stabil
Da das Adsorptionsmittel zahlreichen Adsorptions-/Regenerationszyklen unterworfen ist, altert es und hat die Tendenz, an Effizienz, aber auch an mechanischer Stabilität zu verlieren. Qualitativ minderwertige Silica-Gele weisen häufig einen höheren Abrieb und eine schlechte mechanische Integrität auf, wenn sie mehreren Adsorptions-/
Desorptionszyklen unterzogen werden. Dies kann dazu führen, dass die nachgeschalteten Filter mit Trockenmittelabrieb verstopfen, der Druckabfall über die Adsorptionsschicht höher ist und die Temperaturprofile im gesamten Bett ungleichmäßig sind. Sorbead ist für die Aufrechterhaltung einer außergewöhnlichen mechanischen Integrität unter aggressiven Betriebsbedingungen ausgelegt und hat sich als sehr widerstandsfähig gegen hydrothermische Alterung erwiesen. Sorbead WS ist ein flüssigwasserstabiles Adsorptionsmittel, das häufig als Schutzschicht für Sorbead R verwendet wird, um die höchstmögliche Effizienz des Trocknungsprozesses zu gewährleisten. Das Vorhandensein von flüssigem Wasser in Trockenmittelbetten wirkt sich negativ auf die Leistung aus, trägt aber auch wesentlich zur hydrothermischen Alterung von Adsorptionsmitteln bei. Signifikante Mengen an flüssigem Wasser oder Kondensat in einem Bett könnten zur Havarie eines Trockners führen.
Leistung und Effizienz
Trockenmittel zeichnen sich durch dynamische Feuchtigkeitsaufnahme aus. Sorbead R/WS sind hochkapazitive Trockenmittel. Die gegenüber anderen Trockenmitteln
höhere dynamische Feuchtigkeitsaufnahme ermöglicht eine effizientere Ausnutzung des Adsorptionsmittelvolumens, gewährleistet aber auch eine weniger häufige Regeneration, wodurch die Alterung und Abnutzung des Adsorptionsmittels begrenzt wird. Es ist wichtig zu betonen, dass Sorbead WS nicht nur wasserstabil ist, sondern auch eine ähnliche dynamische Wasseraufnahme wie Sorbead aufweist.
Aufgrund der hohen dynamischen Wasseraufnahme durch Adsorption und der energetisch günstigen Regenerationsbedingungen zur Erreichung niedriger Drucktaupunkte eignet sich Sorbead besonders für warmregenerierte Adsorptionstrockner mit niedrigem Energieverbrauch. Die Adsorptionsmittel benötigen eine niedrigere Regenerationstemperatur als viele herkömmlichen Adsorptionsmittel, sind aber dennoch in der Lage, unter den normalerweise in den Trocknern in Sulfonierungsanlagen herrschenden Bedingungen sehr niedrige Feuchtetaupunkte (bis zu -80 °C) zu liefern. Während bei bestimmten Anlagen von Sulfonierungsprozessen reichlich Wärmeenergie für die Regeneration von Trocknern zur Verfügung steht, wird die Effizienz der Bettkühlung meist durch die höchste Temperatur definiert, die bei der Regeneration des Adsorptionsmittels erreicht wird – die
Regenerationstemperatur entscheidet über eine wesentlich schnellere und wirtschaft-lichere Kühlung. Eine höhere dynamische Kapazität ermöglicht es dem Anwender, die Trocknungszeit des Adsorbers zu verlängern und somit die Anzahl der Regenerationszyklen zu begrenzen, die zur Aktivierung des Adsorptionsmittels beitragen.
BASF SE, Ludwigshafen
Autoren:
Artem Vityuk
Global Market Manager for Alumina, Catalyst
Intermediates and Compressed Air,
BASF
Arno Görtz
Airconsultant, Berater im Bereich
Drucklufttrocknung,
BASF
