磺化反应器研究进展_姜秀平
第五章：磺化反应
沸点/℃
磺化速度 磺化转化率 磺化热效应 磺化物粘度 副反应 产生废酸量 反应器容积
需加热 低 少 大 大
十分粘稠 多，有时很高 无 很小
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硫酸的浓度和用量
π值：用SO3质量百分数表示 “废酸”中所含 H2SO4的浓度。 计算：
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OH
OH OH H2SO4 90℃ HO3S
雪佛酸
OH H2SO4 106~120℃ HO3S
R 酸
SO3H
SO3H OH H2SO4+2%SO3 70~80℃ HO3S
G 酸
SO3H
OH
HO3S
OH H2SO4+SO3
雪佛酸
OH
35~55℃ HO3S
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磺化剂的配制
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异构化
SO3H
磺化时发现，在一定条件下， 磺基会从原来的位置转移到其 他位置，这种现象称为“磺
+ H2SO4
160℃
SO3H
酸的异构化”
（1）多数情况是磺酸基 水解再磺化的过程。
（2）无水生成或无水参 与反应时，可以认为是分 子内重排。
HO 3S
CH3
CH3
H2SO4 200℃
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4
5.1.2 磺化目的
可将-SO3H转化为其它基团: -OH, -NH2, -CN, -Cl, ……
Cl O Cl
OH
Cl
O
Cl
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异构醇烷氧基化物硫酸盐的合成及性能概述
异构醇烷氧基化物硫酸盐的合成及性能概述马永祥【摘要】介绍了异构醇烷氧基化物硫酸盐的结构、合成和应用性能,并对其进一步研究发展进行了预期.【期刊名称】《日用化学品科学》【年(卷),期】2018(041)009【总页数】4页(P35-38)【关键词】异构醇;氧乙烯基;氧丙烯基;硫酸化【作者】马永祥【作者单位】中轻日化科技有限公司,上海200540【正文语种】中文【中图分类】TQ423在脂肪醇烷氧基化物硫酸盐体系中，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐应用最广泛，在阴离子表面活性剂中用量仅次于烷基苯磺酸[1]，具有良好的泡沫、生物降解、去污、抗硬水和表面活性等，黏度易调整，刺激性低，对人体温和，被大量应用于餐洗、液洗及个人护理用品等[2]。
文献[3]指出我国约有15家企业以生产脂肪醇烷氧基化物硫酸盐为主，从年产销量达1万吨以上的公司产品目录查找发现，其市售的脂肪醇烷氧基化物硫酸盐都集中于长链脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，而对于支链型，特别是嵌入氧丙烯基的异构醇烷氧基化物硫酸盐的合成和销售涉及较少，关于其合成、性能和应用还主要集中在实验室阶段。
本文将涉及异构醇烷氧基化物硫酸盐的结构、合成及性能等方面的文献进行了归纳，并对其在日用化学品中的应用前景进行了展望。
1 异构醇烷氧基化物硫酸盐的结构对于合成的多种异构醇烷氧基化物硫酸盐，其品种主要依据疏水基和聚醚链的结构进行划分[4-7]。
1.1 疏水基结构异构醇烷氧基化物硫酸盐的疏水链主要有长支链烷基和短支链烷基，异构醇与环氧乙烷和/或环氧丙烷进行聚合反应得到非离子型表面活性剂异构醇烷氧基化物硫酸盐。
Jin等[4]通过庚醇与氢氧化钾反应得到庚醇钾，再与庚醇进行古尔伯特反应得到C14支链醇。
0.22 mol支链醇经过与0.42 mol溴化氢溴化后再与0.88 mol聚乙二醇钠反应得到异构醇醚，最后将其稀释于乙醚中按摩尔比1∶1.5与经过乙醚稀释的氯磺酸进行硫酸化和氢氧化钠中和，经提纯后得到长支链的异构醇聚氧乙烯醚硫酸盐，合成反应式如图1所示。
第三章磺化反应
氯磺酸（ClSO3H）可以看作是SO3•HCl的络合物，是一 种油状腐蚀性液体，在空气中发烟。
氯磺酸作磺化剂反应活性高，主要用于制取芳磺酰氯、醇的硫酸
化及N-磺化反应。
生成的副产物氯化氢有利于产物的分离，但氯磺酸价格较高 ，且分子量大，反应中产生的氯化氢具有强腐蚀性。
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➢其它(qítā)磺化剂
氨基磺酸（H2NSO3H）作为磺化剂主要用 于醇的硫酸化，是一种稳定的不吸湿的固体。一 般(yībān)在高温无水介质中使用。
二氧化硫加氯气或加臭氧的混合物可用作烷烃的磺 化，在紫外光下进行磺氯化或磺氧化。
亚硫酸氢盐可以用于与某些烯烃化合物发生加 成磺化。
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但是，浓硫酸作磺化剂反应温和。副反应少，易于控制，加 入的过量硫酸可降低物料的粘度并帮助传热，所以工业上的 应用(yìngyòng)仍很普遍。
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3．1 磺化反应(fǎnyìng)的基 本原理
三氧化硫作磺化剂时，不生成水，反应速度快， 反应活性高，常为瞬间完成的快速反应，而且反 应进行得完全，无废酸生成，产物含盐量很低、 设备小、投资少，优点十分突出。近年来三氧化 硫磺化法越来越受到重视，应用范围不断扩大。
②磺化还可赋予有机(yǒujī)化合物水溶性和酸性。在工业 上常用以改进染料、指示剂等的溶解度和提高酸性。如
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概述(ɡài shù)
药物(yàowù)中引入磺酸基后易被人体吸收．并可提高 水溶性．配制成针剂或口服液，其生理药理作用改变 不大，因此医药工业也常用到磺化反应。如
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概述(ɡài shù)
3．2 磺化方法(fāngfǎ)
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3．2 磺化方法(fāngfǎ)
磺化工艺技术
磺化工艺技术磺化工艺技术是一种将有机物中的氨基、羟基等活性基团与磺酸反应生成磺酯的化学反应技术。
磺化工艺广泛应用于有机合成、药物制造、染料工业等领域，具有重要意义。
磺化工艺技术的基本步骤包括反应溶液的配置、反应的选择和优化、反应条件的控制等。
首先，反应溶液的配置是磺化工艺技术的基础，要根据反应类型和反应条件选择适当的溶剂和催化剂，以提高反应效率和产率。
其次，反应的选择和优化是磺化工艺技术的关键，要根据反应物的结构和性质选择适当的反应条件和方法，如温度、反应时间、反应物的摩尔比等，以提高磺化反应的选择性和效率。
最后，反应条件的控制是确保磺化反应正常进行的关键，如加热、冷却、搅拌等条件的控制，可以有效地控制反应的速率和产物的质量。
磺化工艺技术的应用非常广泛。
在有机合成中，磺化反应可以将具有活性基团的化合物转化为磺酯，从而改变化合物的性质和用途。
例如，将含有羟基的化合物磺化后可以改善其水溶性和稳定性，提高其药物吸收速率和生物利用度，在药物制造中有广泛的应用。
在染料工业中，磺化反应可以改变染料分子的结构和电子性质，从而改变染料的色谱性能和稳定性，用于染料的合成和改性。
磺化工艺技术的发展趋势是提高反应的选择性、效率和环境友好性。
目前，一些新型的催化剂和溶剂正在被开发和应用于磺化反应中，可以有效地提高反应的选择性和效率，减少废物的产生。
此外，一些绿色合成技术，如微波辅助磺化反应、超声波辅助磺化反应等，也在磺化工艺技术中得到了广泛应用。
这些新技术可以加快反应速率，减少反应温度和催化剂使用量，对环境更加友好。
未来，随着科学技术的不断发展，磺化工艺技术将会应用于更多的领域，为化学工业的发展做出更大的贡献。
总之，磺化工艺技术是一种重要的化学反应技术，广泛应用于有机合成、药物制造、染料工业等领域。
通过合理的反应溶液配置、反应选择和优化以及反应条件的控制，可以提高磺化反应的选择性、效率和环境友好性。
未来，新型的催化剂和溶剂以及绿色合成技术将进一步推动磺化工艺技术的发展。
三氧化硫磺化装置的优化
研究与应用郭志强1李全红2耿卫东2娄君明1沈宏1（1.中轻化工股份有限公司，浙江杭州，311215；2.中国日用化学研究院有限公司，山西太原，030001）摘要：简述了三氧化硫磺化技术的发展历程，并分别从三氧化硫磺化装置的工艺空气干燥、三氧化硫发生、磺化/硫酸化、中和、尾气处理等方面系统介绍了三氧化硫磺化装置的优化配置。
关键词：三氧化硫；磺化装置；装置优化中图分类号：TQ649.5文献标识码：A文章编号：1672-2701（2021）04-71-06我国对三氧化硫磺化技术的研究开发始于二十世纪六十年代，七十年代实现工业化生产。
八十年代末，我国自行设计、制造的第一套1.0t/h多管膜式三氧化硫磺化装置在太原洗涤剂厂试车成功。
进入二十一世纪，国内机加工行业技术装备和技术水平有了很大的提高，三氧化硫磺化设备质量日渐提高。
2004年，国产3.8t/h磺化装置在中轻绍兴化工有限公司建成投产，实现了大型磺化装置的国产化。
经过近60年的发展，我国三氧化硫磺化工艺技术和装置水平取得很大进展，目前已实现了整体国产化，总体技术已达到国际先进水平。
随着市场对磺化或硫酸化产品品种要求的增多，产品质量的提高，企业节能减排和转型升级的要求，多年来，致力于三氧化硫磺化技术的科研、设计人员对三氧化硫磺化装置不断完善和优化配置，使新技术在三氧化硫磺化装置中得到合理应用。
个人与家居清洁护理711工艺空气干燥系统空气经过滤后通过罗茨风机加压输送至空气冷却器组，经水冷却和冷冻致使冷空气温度降至2~5°C ，除去大部分水分，再进入空气干燥器经硅胶吸附干燥进一步脱除空气中的水分，使空气的露点达到-60C 成为磺化系统所需的工艺空气。
1.0 t/h 以下规模的三氧化硫磺化装置工艺空气用量较少，中国日用化学工业研究院设计采用了集成式空气干燥系统，并在0.5 t/h 重烷基苯磺化 装置上使用成功。
该系统可以保证工艺空气露点达到-60°C ，能耗低、操作简便。
磺化装置工艺概述
磺化装置工艺概述1．熔硫系统熔硫槽装在地平以下便于投料，硫磺采用人工投料的方式，通过硫磺液下泵将液体硫磺引入液硫高位槽，液体硫磺的计量使用柱塞计量泵。
液体硫磺采用蒸汽伴管或套管保温，冷凝水集中回收。
熔硫槽内蒸汽伴管压力采用气动调节阀控制蒸汽压力，保证了硫磺合适的熔点温度，提高硫磺的流动性。
2．空气干燥系统反应系统的工艺空气由罗茨风机产生，该风机出口压力由气动调节阀自动调节。
工艺空气由罗茨风机加压后先经过循环水冷却系统，再经过乙二醇冷却系统，然后进入硅胶干燥系统。
干燥过的工艺空气露点达到-60℃以下。
循环水冷却器和乙二醇冷却器与乙二醇储罐设置在一起。
硅胶干燥器采用两个分体式床层切换使用，切换采用气动阀自动控制。
硅胶通过热风或蒸汽加热再生。
乙二醇的温度由制冷机系统控制。
空气干燥单元不仅要求干燥空气有较低的露点，而且要求干燥空气露点稳定从而保证SO3同烷基苯摩尔比稳定，使磺化产物有稳定的中和值及稳定的产品质量。
为此我们5T/h磺化装置的设计中提高空气冷却器的换热面积，二级冷却器的换热面积达1000m2，另外加大空气干燥罐容积，使干燥吸附工作时段内露点稳定，最为关键的是，干燥剂再生后吹冷温度要低从而保证切换后干燥剂初始工作温度低，避免干燥罐切换后由于干燥剂温度高而造成吸附能力急剧下降、露点明显升高而造成不稳定，我们在工艺上采用适当增大冷冻机组制冷量，使一部分冷冻水用于再生后的冷却，使干燥剂冷却温度显著下降。
干燥剂的选用上考虑生产成本80%用硅胶20%可采用分子筛或进口硅胶，再生温度要求达到200℃，因此SO3冷却器空气冷却部分采用串联冷却，提高再生温度，适应分子筛需要较高的再生温度。
3．SO2系统液体硫磺通过硫磺计量泵定量输送至燃硫炉内燃烧，点火采用电点火装置，点燃后自动断电避免由于人为因素造成点火器损坏。
我们在SO2/ SO3气体发生单元设计上考虑到硫磺充分燃烧，我们在燃硫炉内设置了多孔弧形分布盘，分布盘为耐高温高铝陶瓷，让液体硫磺进入燃硫炉内分布均匀，在燃硫炉进口位置由顶部改为侧面，使未充分燃烧的硫磺不会带入到SO2冷却器内燃烧。
磺化剂及磺化工艺技术研究进展
磺化剂及磺化工艺技术研究进展摘要：随着石油勘探和石油化工行业的迅速发展，在油田注水开发过程中，油井周围形成了一个高压降水层，由于其渗透能力差，且在油田生产过程中会被乳化，影响原油采收率。
目前，国内外研究开发出了许多新型高效的表面活性剂类产品。
而在表面活性剂类产品中，磺化剂是一种重要的原料。
由于磺化剂具有溶解速度快、高水溶性、无环境污染、可回收等优点，使得其在表面活性剂类产品中占有重要地位。
因此，对磺化剂及磺化工艺技术的研究及开发应用是未来表面活性剂领域的重要方向之一。
关键词：磺化剂；磺化工艺；磺酸基一、磺化工艺的相关概念（一）磺化反应机理在磺化反应中，固体硫酸与有机化合物中的氢原子发生化学结合，生成硫酸氢根离子和水，并使有机化合物中的羟基得到保护。
在这个过程中，可以发生取代反应、氧化反应、加成反应和聚合反应。
固体硫酸的饱和硫酸氢根离子与水结合生成磺酸根离子，然后在有机化合物的羟基上形成磺酸基（SO3H），该反应式如下：磺化反应的结果是在一定温度下生成了磺酸盐和水，这种产物被称为“磺化产物”。
这个过程称为磺化反应。
根据反应物与水相接触的程度不同，可以分为非离子型和离子型两种。
非离子型通常称为“非离子型磺化反应”，其特点是反应物与水不直接接触，只是在反应物中加入少量的水或醇等溶剂，所以此类反应又称为“非离子型磺化反应”[1]。
（二）磺化剂1.磺化剂的选择磺化剂对反应的影响是很大的，例如在选择磺化剂时，必须考虑到它与反应物的反应程度，以及它对反应后产物结构和性质的影响。
因此，在选择磺化剂时，应考虑到下列因素：（1）根据被合成物的结构特点选择合适的磺化剂。
例如，芳香族羧酸和羧酸酯类化合物，其磺化反应要求高选择性。
（2）磺化剂与被合成物的亲核反应能力要小。
（3）在所用的磺化剂中，不能含有有强碱性或强酸性基团。
2.反应方式根据反应类型的不同，磺化过程一般可分为两大类：一类是反应物分子与反应溶剂直接进行的非离子型磺化反应；另一类是反应物分子与溶剂进行的离子型或非离子型磺化反应。
磺化设备的更新和产品质量的提升
磺化设备的更新和产品质量的提升通过三十多年的发展，国内磺化生产设备由原始阶段到发展阶段再到目前的成熟阶段，升级换代取得了良好的局面，目前国内的生产设备从产能、单耗、产品质量指标和环保角度都符合社会发展的需要，本文主要介绍直链烷基苯磺酸的生产设备工艺变化。
标签：反应釜;多管膜式磺化器;发烟硫酸;直链烷基苯;三氧化硫一、烟酸磺化的原始阶段反应原理：用发烟硫酸作为磺化剂对烷基苯进行磺化，也称液体三氧化硫磺化法。
发烟硫酸中游离SO3含量控制在20%～40%之间。
1、反应釜烟酸磺化（上世纪60、70年代）主要设备是采用反应釜为磺化设备，反应釜型号在0.5～1.5吨，内部有陶瓷涂层。
把原料烷基苯定量加入到反应釜内，再向反应釜内缓慢注入烟酸，在加注烟酸的同时进行不断搅拌。
由于反应剧烈，产生大量的热，所以反应釜内要时刻控制好反应温度，使温度控制在55～65℃，这就需要反应釜内必须带有冷却装置，能够很快的把反应所产生的热量带走。
把一定量的烟酸加注完成后，需要向反应釜内再加一定时的水进行水解，水解有两个作用，一是分解磺酸中的酸酐，另一个是保持物料正逆反应均衡。
随后物料进行静置老化30～40分钟，时间到后再把反应釜底部废酸排空，剩余的部分就是磺酸产品，对其进行包装。
本生产工艺在国内60、70年代有工厂进行生产。
产品质量指标情况：成品质量指标：活性物含量一般在86～90%，游离油在1.0～2.5%，游离酸在1.5～3.0%，色泽在70～120Klett，从各项指标看，活性物含量不高，色泽偏深，影响下游产品的外观（本阶段下游产品主要以生产洗衣膏为主，少量部分是生产洗衣粉用）本工艺的特点：1、生产量小，间隔时间长，从投料到出成品需要4个小时;2、反应过程不容易控制，产品副反应比较多;3、产生废料（废酸）比较多，需要单独进行处理;4、烟酸储存运输不太方便，工作环境危险，存在高温、现场三氧化硫气体味比较重等情况，风险难以控制。
微反应器中甲苯液相SO3磺化工艺研究
程 工 艺研 究 。微 反应 器通 道特 征 尺度 小 ，其传 热 、传 质 效率 远大 于传 统反 应器 ，适于 强放 热化 学反应 过程 （ 如磺 化 、硝化 等 ）［ ５ － １ ０ ］ 。本 工 作 以 １ ， ２ ． 二 氯 乙烷为 溶剂 ，在 微反应 器 内主 要研 究 了 甲苯 液相 ｓ Ｏ 磺化 工 艺条 件对产 物 中磺 酸异 构 体选择 性及 对 甲苯 磺 酸收 率 的影 响。由于对 甲苯 磺酸 在 １ ， ２ ． 二 氯 乙烷 中 的溶解 度较 低 ，产 物 易于析 出，过 滤后 的母 液可 循环 利 用 ，而且 母液 中 的砜可 作 为抑制 剂 以提高 反 应选 择性 ，且磺 酸具 有 白催化 作用 ，利 用这 些特 性可 获得 具有 较 高选择 性 的微 反应器 磺化 工 艺 。
利于料液 的输送。当以 Ｓ Ｏ ． 有机溶剂为液相磺化剂时， 溶剂有利于反应热的及时、有效移 出，且溶剂
具有 强化 反应 物混 合 效果和 吸 收 反应热 的优 势 。 为进 一 步提 高磺 化剂 的利 用率 及对 甲苯磺 酸选 择性 ， 在 微 反应器 中开展 了液相 Ｓ Ｏ３ 的 甲苯磺 化 过
文章编 号：１ ０ ０ １ －７ ６ ３ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ —０ ２ ５ ３ —０ ７
微反应器 中甲苯液相 Ｓ Ｏ ３ 磺化工艺研究
陈彦全 １ ， ２ ，韩 梅 ，焦凤军 ，赵 玉潮 ，陈光文
ｆ １ ． 中国科 学院大连化 学物理研 究所，辽宁 大连 １ １ ６ ０ ２ ３ ；２ ． 中国科 学院大学，北京 １ ０ ０ ０ ４ ９ ）
关键词 ：微反应 器 磺化 甲苯 液相三氧化硫 中图分 类号：Ｔ Ｑ ｏ ２ ８ ． ４ 文献标识码 ：Ａ
对 甲苯磺 酸是 合成 对 甲苯酚 等 有机 化合 物 的重要 中间体 。目前 ，工业 上主 要采 用浓硫 酸 直接磺 化 甲苯 生产 ， 由于浓 硫 酸活 性较 低 、反 应温 和 ，且 反应 过程 中浓 硫 酸可作 为产 物 的溶剂 ，使物 料流动 性 增 强 ，这 些均 有利 于 反应选 择 性 的提 高 ，故可 获得 较 高纯 度 的对 甲苯磺 酸 ；为提 高 甲苯转 化率 ，需提 高反 应温 度 和浓硫 酸用 量 ，产 生大 量废 酸 ，增加 设 备腐 蚀强度 ，致 使磺 化 剂 的利用 率 降低 。Ｓ Ｏ 直 接 磺 化 是近 些年 来 兴起 的一种 先 进磺 化工 艺 ，具 有无 废酸 排放 、可 实现 化 学计量 反应 、产 物 后处 理简 单 等特 点 。 由于纯 Ｓ Ｏ 活 性较 高 、反应 剧 烈 、放热 量大 、易加剧 副 反应 ，为提 高 反应可 控性 和选 择性 ， 通 常 采用 稀释 Ｓ ０３ 体 系作 为磺 化剂 （ 如Ｓ Ｏ３ － Ｎ２ 、Ｓ Ｏ ３ 一 有 机溶 剂 等 ）［ １ － ３ ］ ０以 ｓ ０ ３ ＿ Ｎ２ 为气相 磺 化剂 ，通 过对 甲苯 Ｓ Ｏ 直 接磺 化过 程 的研 究发现 ，在 加入 定位 剂及 副产 物砜 抑 制剂 的条 件下 ，对 甲苯磺酸 选择
磺化聚苯乙烯反应工艺研究进展
磺化聚苯乙烯反应工艺研究进展周蕊;魏荣卿;刘晓宁;陈新营【摘要】综述了以硫酸、三氧化硫(SO3)、氯磺酸等为磺化剂制备磺化聚苯乙烯(SPS)的研究进展,并介绍了合成新型脂肪型磺酸树脂的方法.其中用氯磺酸作为磺化剂制备SPS可减少至少2/3的磺化剂用量,反应时间J由3 h最多可缩短为约30 min,且磺化度可控,后处理工艺简化,极大地减少了废酸排放,大幅降低了生产成本.【期刊名称】《中国塑料》【年(卷),期】2010(024)011【总页数】5页(P15-19)【关键词】磺化聚苯乙烯;磺化剂;氯磺酸;硫酸;三氧化硫;脂肪型磺酸树脂【作者】周蕊;魏荣卿;刘晓宁;陈新营【作者单位】南京工业大学生物与制药工程学院,江苏,南京,210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏,南京,210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏,南京,210009;南京工业大学生物与制药工程学院,江苏,南京,210009【正文语种】中文【中图分类】TQ325.2Abstract:The research progress in preparation of sulfonated polystyrene(SPS)and synthesis of a new fatty sulfonic acid resin were introduced.The common sulfonating agents included sulfuric acid,sulfur trioxide(SO3),and chlorosulfonic acid.When chlorosulfonic acid wasused,the reaction time could be shortened from 3 h to about 30 min,the sulfonation degree of PS could be controlled,the post-treatment processing was simplified,and the amount of waste acid and the cost of production could be largely reduced.Key words:sulphonated polystyrene;sulfonating agent;chlorosulfonic acid;sulfuric acid;sulfur trioxide;fatty sulfonic acid resin早在1936年,SPS的制备就被Wilhelm提及[1],并于1952年由Roth发表了制备SPS的专利[2]。
磺化反应
浓度换算关系： CH2SO4 =100+0.225CSO3
CSO3
= 4.44(CH2SO4 -100)
硫酸和发烟硫酸浓度换算
发烟硫酸CSO3换算为 CH2SO4 SO3 + H2O H2SO4
80
x 18 98 y
CH2SO4 =100-x+y =100-x+(98/80)x=100+ (18/80)x Ex,20%发烟硫酸换算为 CH2SO4
CH3
0℃ 10%H 2SO 4 ,
SO3H CH3
CH3
150℃ SO3H 200℃ CH3 SO3H
萘磺化----温度对多取代的影响
SO3H H2SO4 60℃ 80℃ 发 硫 烟 酸 SO3H SO3H HO3S H2SO4 160℃ 160℃ 170℃ SO3H SO3H
磺化反应中的异构化
磺化反应
1.概述 2.磺化剂的种类 3.磺化反应历程 4.磺化反应的影响因素 5.磺化方法 6.磺化过程的控制与产品鉴定
§1 概述
1，定义
Ar-H + H2SO4 → Ar-SO3H +H2O
有机化合物里的氢原子被硫酸分子里 的磺酸基（—SO3H）所取代的反应称为 磺化反应。但由于该反应主要在芳香化合 物中发生，故经常被特指为芳香化合物上 的磺化反应。 2，磺化方法（引入SO3H基的方法）
等分子比或稍过量的氯磺酸磺化，得到芳磺酸
过量很多的氯磺酸磺化，得到芳磺酰氯
五、亚硫酸盐磺化法
亲核置换的磺化法，用于将芳环上的卤基 或硝基置换成磺基
2,4-二硝基氯苯
§6 磺化过程的控制与产品鉴定
1，总酸度和游离硫酸的测定
异丙基苯的磺化反应动力学研究
异丙基苯的磺化反应动力学研究李会;卢俊瑞;鲍秀荣;穆江蓓;杨树勋【摘要】本论文研究了制备异丙基苯磺酸的磺化反应动力学，通过对反应中异丙苯、产物邻、间、对异丙基苯磺酸和二-4-异丙基苯砜的含量数据采集，模拟计算出了各步反应的反应速率常数k，指前因子k0及活化能E，建立了反应的动力学方程。
%In this paper, the kinetics of sulfonation reaction of isopropylbenzene sulfonate acid process were studied by the product contents of isopropylbenzene,o,m,p-isopropylbenzenesulfonate acid and dual-4-isopropyl benzene sulfone. Based on these data, the kinetic constants k were measured. Then the consecutive reaction frequency factors k0 and the activatition energy values E were determined. The kinetic equations of the sulfonation reaction were builded finally.【期刊名称】《天津理工大学学报》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】5页(P60-64)【关键词】异丙苯;磺化反应;反应动力学;活化能【作者】李会;卢俊瑞;鲍秀荣;穆江蓓;杨树勋【作者单位】天津理工大学化学化工学院，天津300384;天津理工大学化学化工学院，天津300384;天津理工大学化学化工学院，天津300384;天津理工大学化学化工学院，天津300384;天津理工大学化学化工学院，天津300384【正文语种】中文【中图分类】O643.11烷基取代苯磺酸是一类重要的精细有机化工原料，在工业上广泛用来生产硫化染料，洗涤剂，紫外光固化涂料光引发剂，以及医药中间体和农药中间体等产品的生产[1-3].在烷基取代苯磺酸的制备过程中，存在着副产物比较多，反应的选择性不佳等问题，严重影响产品收率和质量，为此开展烷基取代苯的磺化反应动力学研究具有重要意义.本文研究了以异丙苯为反应物，以氯磺酸为磺化剂，制备异丙基苯磺酸的反应[4].利用GC-MS色谱仪分别对5℃、15℃、25℃3个不同温度下磺化反应体系中的各个物质进行了动力学跟踪监测，对反应体系中主要的异丙苯，邻、间、对异丙基苯磺酸和二-4-异丙基苯砜的含量进行了定量测定，模拟计算出了各步反应动力学方程参数中的反应速率常数k，指前因子k0及活化能E，建立了动力学方程，为深入揭示该类反应内在规律以及相关产品开发提供了重要理论依据[5].1.1 仪器和试剂主要实验仪器：电动搅拌器、数控超声清洗器、电热鼓风干燥箱、电子天平、真空干燥箱、BF-3400气相色谱仪、watersGC-MS色谱仪.主要实验材料：氯磺酸、甲苯、异丙苯、原甲酸三乙酯、氯化钙、乙醇.所有试剂均为化学纯.1.2 分析方法1.2.1 气相色谱-质谱联用条件色谱柱：HP-5MS（19091S-433，5%Phenyl Methyl Silox）.柱温：在80℃保持1 min；然后以15℃·min-1的速率升至130℃并保持12 min；然后以20℃·min-1的速率升温至260℃保持5 min.气化室温度：260℃.检测器：EI电离源，温度280℃.载气：氦气，流速为1 mL·min-1.进样量：1 μL.数据处理方法：面积归一化法.1.2.2 异丙基苯磺酸的乙酯化在反应过程中每5 min取一个样品，每次取0.5 g应物料于带有温度计、回流管的25 mL三口瓶中，加入15 mL甲苯和12 mL原甲酸三乙酯，发生酯化反应，加热回流30 min，用氯化钙处理，得到异丙基苯磺酸乙酯样品，用于GC-MS的检测.其反应方程式如下：其中R=－CH（CH3）2.1.3 异丙基苯磺酸及主要副产物的反应方程式以上各个方程式中R=－CH（CH3）21.4 异丙基苯磺酸的方法在带有机械搅拌、温度计、冷凝器的250 mL四口瓶中，加入24.0 g（0.2 mol）异丙苯，用冰水浴将反应温度分别控制在（5±2）℃、（15±2）℃、（25±2）℃，开动搅拌，将26.4 g（0.23 mol）氯磺酸匀速滴加到异丙苯中进行反应，按照40 min均速滴加，在反应过程中每5 min取一个样品，样品经乙酯化，转化为异丙基苯磺酸乙酯进行GC-MS检测[6]（图1）.2.1 数据处理异丙苯在不同温度下磺化时，物系中异丙苯，邻、间、对异丙基苯磺酸及二-4-异丙基苯砜的含量，如表1～表3，回归曲线如图2～图4.2.2 反应速率常数的计算为方便对磺化反应进行动力学数据的处理，用下式表示反应过程：式中X、Y1、Y2、Y3、Z分别表示异丙苯、对异丙基苯磺酸、邻异丙基苯磺酸、间异丙基苯磺酸、二-4-异丙基苯砜.为方便计算做以下假设：1）发生的其它副反应忽略不计；2）反应按基元反应进行；3）将整个反应过程视为恒容状态；4）硫酸对反应影响较小，故不进行计算.因为氯磺酸的磺化质点为三氧化硫，根据文献[7]得到三氧化硫作为磺化剂时的表达式：其中CX、CY1、CY2、CY3、CZ分别表示异丙苯、对异丙基苯磺酸、邻异丙基苯磺酸、间异丙基苯磺酸、二-4-异丙基苯砜的浓度.将表1、表2、表3中的数据折算得出各个组分浓度数据后，根据多项式拟合可以得到回归曲线方程，求导，然后和方程组中的各个公式联立，用线性最小二乘法[8]可以求出方程组的最优解.不同温度体系下各步反应过程的速率常数如表4.从表4中数据看，生成对异丙基苯磺酸的反应速率常数k1远大于其他反应，是磺化反应的主流；生成二-4-异丙基苯砜的反应速率常数k4随反应温度变化最为敏感，在产品制备时应该重点加以消除.2.3 指前因子和活化能的计算在宏观反应动力学中，反速率常数和温度的关系常常由阿伦尼乌斯公式来表示，在已知温度和反应速率常数的情况下，可求得指前因子k0和活化能E.则求得各步的指前因子和活化能如表5.表5中1～5分别对应公式（2）～（6）代表的反应，从表中数据看，生成对异丙基苯磺酸的活化能最低，是最容易进行的反应.因为活化能越高，对温度越敏感，由活化能的计算结果和不同温度下二-4-异丙苯砜含量数值综合考察，温度升高，其含量有所增加.最终得到磺化反应的各步反应动力学方程式为：通过异丙基苯磺酸合成过程的磺化动力学研究，得出了反应过程中主反应及主要副反应动力学参数，建立了动力学方程.研究结果表明，随着温度的升高，各步反应的反应速率常数在增加，说明在一定范围内，随着温度的升高，有利于反应的进行.因为活化能越高，对温度越敏感，所以活化能高的反应随温度的变化，含量变化比较明显.参考文献：［1］毛学锋，卢小林，宋玉民.硫杂蒽酮化合物的合成研究［J］.化学试剂，2008，30（12）：932-934.［2］史英杰.四个重要颜料中间体的科研与生产新动态［J］.染料工业，1986，23（6）：17-18.［3］杜晓华，许响生，许丹倩，等.中间体5-氨基-2-氯-4-氟苯硫酚合成方法的改进［J］.农药，2003，42（9）：19-20.［4］唐培堃.精细有机合成化学与工艺学［M］.北京：化学工业出版社，2002：132-133.［5］颜范勇，汪宝和，井欣.三氧化硫磺化甲苯反应的工艺条件研究［J］.化学反应工程与工艺，2005，21（4）：370-374.［6］汪正范.色谱定性与定量［M］.北京：化学工业出版社，2000.［7］ Gilbert E，Benjamin V，Emery J.Suilonation and sulfation with sulfur trioxide［J］.Industrial and Engineering Chemistry，1953，45（9）：2065-2072.［8］周爱月.化工数学［M］.北京：化学工业出版社，1993：66-69.。
磺化技术—认识磺化反应
浓硫酸和发烟硫酸
92.5％硫酸 98％硫酸
20％发烟硫酸（105酸） 65％发烟硫酸
三氧化硫
三氧化硫在常压的沸点是44.8℃，固态三氧化硫有α、β、γ和δ 四种晶型，其熔点分别为62.3℃、32.5℃、16.8℃和95℃。
环状三聚（γ型）
链式多聚体（α型、β型和δ型）
+ SO3
SO3H
三氧化硫作磺化剂时，不生成水，反应速度快，反应活性 高，常为瞬间完成的快速反应，放热大且快。
第一步形成 σ－络合物
第二步脱去质子 （控制步骤）
十字交叉法之硫酸配制
浓硫酸和发烟硫酸
92.5％硫酸 98％硫酸
20％发烟硫酸（105酸） 65％发烟硫酸
如果需要使用其他浓度的硫酸，如何配制？
例如：实验室有98%的浓硫酸，现需要配制15%的硫酸溶液 100g，如何配制？
设m、m1和m2分别表示拟配硫酸和已有较浓硫酸和较稀硫酸(或水)的质量， w、w1，和w2：分别表示它们的含量，则配酸的计算公式如下：
氯磺酸 （SO3﹒HCl）作磺化剂反应活性较强，副产物HCl可以及时 排出，使反应易于进行得完全。主要用于制备芳基磺酰氯和 N-磺化反应
亚硫酸盐 亚硫酸钠、亚硫酸氢钠也可用来作为磺化剂，适用于以亲核 取代为主的一系列磺化反应。
磺化原理
苯环上取代磺化——亲电取代反应
磺 化 剂 浓 硫 酸 、 发 烟 硫 酸 以 及 三 氧 化 硫 中 可 能 存 在 SO3 、 H2SO4 、 H2S2O7 （焦硫酸）、HSO3+（三氧化硫合氢离子）、H3SO4+（硫酸合氢离子）等亲 电质点。
m1
=
m
w－w2 w1－w2
m2= m
w1－w w1－w2
三氧化硫在磺化反应中的应用要点
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科技与创新┃Science and Technology & Innovation
磺化反应中三氧化硫作为磺化剂主要作用是取代烷基 链上的单键，反应如图 4 所示。
4.4 溶剂回收工序 保证蒸汽压力，蒸汽压力大于等于 0.45 MPa。取样频次
要勤，循环泵出口 1 h 一次。注意循环水压力，冷却器进口 大于等于 0.3 MPa。 5 停车期间处置三氧化硫注意事项
停车期间处置三氧化硫注意事项如下：①短期停车后， 三氧化硫暖房内温度必须维持在 35～42 ℃之间，以备随时 恢复生产。②保证应急电源供应，避免造成供暖缺失。③长 期停车期间或者当温度控制不到位，处于长期监管失当情况 下的三氧化硫在放料过程中堵塞，这时三氧化硫已经发生β 形态的转变，已经不具备继续将三氧化硫充当磺化剂的使用 条件，这时应采取措施尽快置换储槽内剩余物料。④处理液 体三氧化硫储槽内残余物料时，可以使用蒸发器，如图 5 所 示。使用蒸汽加热三氧化硫储槽放料管，将残余物料排至缓 冲罐后加热，用 N2 吹扫至尾气回收装置。⑤停车期间冷却 水也要持续供应，应建立对精馏塔、精馏釜及各级冷凝器进 出口冷却水压变化的持续监视，防止酸性溶剂进行系统后对 冷却器产生腐蚀，避免水侧的泄漏从而进一步对水分指标的 控制造成影响。
介绍了利用此装置进行三氧化硫储存、输送、反应作业的流程，特别是三氧化硫对反应指标烷基化和成品硫酸钠
指标的影响，并总结了三氧化硫在磺化反应中各方面使用的注意事项和应用要点。
关键词：三氧化硫；磺化反应；储存；水分指标
三氧化硫磺化简要
三氧化硫磺化简要摘要：三氧化硫磺化具有反应速度快，产生三废少，经济上合理的特点。
而且SO3磺化得到的磺酸产品更好，现被广泛采用。
工艺主要过程分为空气干燥，三氧化硫发生，烷基苯磺化及尾气处理四个主要工序。
关键词：三氧化硫磺化设备发展现状一、内容及研究意义三氧化硫磺化具有反应速度快，产生三废少，经济上合理的特点。
而且SO3磺化得到的磺酸产品更好，现被广泛采用。
工艺主要过程分为空气干燥，三氧化硫发生，烷基苯磺化及尾气处理四个主要工序。
严格控制稳定的磺化反应条件可得到高质量的磺酸产品，因此采用质量流量计进行原料计量，计算机系统集中控制和调节温度，压力等参数，从而使工艺更加完善。
磺化操作的整个过程可以是间歇的，也可以是完全连续的。
为了获得优质产品，操作时必须严格控制下列主要因素[3]：（1）被磺化原料—烷基苯的质量；（2）磺化剂的规格；（3）配料比的选定；（4）加入磺化剂的方式和加料速度；（5）搅拌深度；；（6）反应温度；（7）反应热导出的条件；（8）磺化物料的保温搅拌条件；（9）设备材料的选择；（10）磺酸中和的工艺条件。
本设计采用多管膜式三氧化硫磺化器进行烷基苯的磺化，其工艺流程合理，设备结构简单，能耗低，产品质量好。
二、SO3磺化合成烷基苯磺酸的研究现状和发展趋势气相三氧化硫磺化法合成十二烷基苯磺酸采用燃硫法生产气体SO3，成本低，目前工业上应用最多。
目前研究的主要方向是磺化反应器的开发和工艺条件的优化[4]。
磺化反应器是SO3磺化装置中的核心设备，其综合技术质量（如结构、选材、制造和组装等）对磺化产品质量、设备使用寿命有很大影响。
SO3磺化装置的核心设备—磺化反应器有多种型式：如罐组式SO3连续磺化反应器、降膜式磺化反应器和喷射式磺化反应器等。
到目前为止，降膜式气体SO3磺化反应器使用最为普遍。
降膜式磺化反应器的形式又分为两大类，即双膜式和多管膜式磺化器。
不管是双膜式或是多管式的磺化反应器，其基本原理都是一样的，只是各自采用不同的放大途径[5]。
新型多管膜式磺化反应器的设计及生产实践
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磺化反应器研究进展姜秀平,刘有智,李 裕,袁志国,宋相丹(中北大学超重力化工工程技术研究中心,山西太原030051)摘要:磺化反应器是磺化反应的核心之一,磺化反应器的结构特点、传热、传质性能等直接影响到磺化产品的质量和选择性。
本文介绍了磺化反应器的发展历程及现状,对各种磺化反应器的性能及特点分别进行了阐述,讨论了现有磺化反应器的优点以及局限性,并指出今后磺化反应器的改进及开发研究方向。
关键词:磺化反应器;移热方式;进展中图分类号:TQ423.11文献标识码:A文章编号:0253-4320(2009)09-0033-04Advances in research of sulfonation reactorJIANG Xiu -ping,LIU You -zhi,LI Yu,YU AN Zhi -guo ,SO NG Xiang -dan(Research Center of Shanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology,North University of China,T aiyuan 030051,China)Abstract :Sulfonati on reactor is one of crucial equipment for sulfonation,the quality and selectivity of products are mostly affected by the structural characteristic,heat transfer and mass transfer characteri stics of the sulfonati on reactor.The progress and status about sulfonation reactor are introduced in this paper ,the capability and characteris tic of all kinds of sulfonation reactors are descr i bed in detail.The advantages and shortcomings of the present sulfonation reactor are discussed,and the direction of betterment and develop ment of sulfonation reactors are also poi nted out.Key w ords :sul fonation reactor;heat change;progress收稿日期:2009-05-08作者简介:姜秀平(1971-),女,博士生,jiangxiupi ngzhbuty@;刘有智(1958-),男,博士,教授,博士生导师,从事化学工程与工艺领域的研究。
磺化反应是合成多种有机化学品的重要反应类型,在精细化工合成方面占有极其重要的地位。
磺化产品种类众多,且与人民生活和国民经济发展密切相关,在医药、农药、染料、塑料、涂料、洗涤剂、石油及选矿等行业广泛应用[1-2]。
磺化反应的核心设备是磺化反应器。
现有的各种磺化反应器由于其结构特点使其在应用中存在不同的局限性,致使磺化产品不同程度上存在产率低、产品纯度低、产品选择性低、产物难分离、污染环境、腐蚀设备等缺点,所以许多研究人员都在致力于磺化反应器的开发研究,力求开发出高产率、高纯度、低成本和低污染的新型磺化反应器。
1 磺化反应器的类型磺化反应器的研究经历了间歇釜式反应器、罐组式反应器、泵式反应器、膜式反应器和喷射式反应器的发展历程。
近年来,降膜式反应器和喷射环流反应器成为国内外磺化反应器研究的主流,根据已有磺化反应器的结构特点以及磺化产品的特殊要求对磺化反应器进行改进成为科技工作者研究的热点,并且在此基础上探索开发高效节能环保的新型磺化反应器成为科技工作者追求的目标。
我国磺化工艺及装备的发展也经历了从国外成套引进、消化吸收创新、自主研发国产化以及出口的过程,磺化工艺和设备得到了较大进步。
111 间歇釜式磺化反应器间歇釜式磺化反应器是使用最早的一类磺化反应器,可用发烟硫酸等进行磺化反应。
有机物料先加入反应釜中,然后将一定量的磺化剂(如发烟硫酸等)加入釜内,并剧烈搅拌混合,釜体的夹套和内置盘管通冷却水除热,必要时部分物料还可以通过循环泵输出釜体外经由换热器进一步除去多余的热量。
该类反应器结构简单,设备投资少,但反应效率低,产品质量较差,曾用于大规模生产十二烷基苯磺酸钠(LAS),现已基本被淘汰。
#33#第29卷第9期现代化工Sep.20092009年9月Modern Chemical Industry112罐组式反应器罐组式SO3磺化工艺是由意大利Ballestra公司首先研制成功的,主要用于液相反应。
该工艺由多个磺化反应罐以阶梯形式串联排列而成,各罐之间有一定的位差,每个反应罐都配有强烈的搅拌器。
反应器的大小和反应罐的数目根据生产能力确定,串联的反应罐数目越多则物料返混越少,物料在每个反应罐中停留的时间短则副反应较少,但是所串联的反应罐数目太多会给操作带来不便,所以一般取3~5个反应罐[3]。
罐组式反应器效率比较低,体积大,物料停留时间长,原料返混现象严重,易使副反应产物增多,产品质量差,不适于热敏性物质的磺化。
现大部分已被膜式磺化装置所代替。
113泵式磺化反应器泵式磺化反应器[4],又称主浴式磺化反应器,常用于以发烟硫酸作磺化剂的磺化反应。
反应流程主要由反应泵(硅铸铁泵、玻璃泵或不锈钢泵)、冷凝器(不锈钢或石墨冷凝器)、老化器和循环管路组成。
有机物料和发烟硫酸从高位槽分别流经流量计,按一定比例和循环物料一起进入磺化反应泵内,在泵内使2种物料充分混合,基本上完成反应,反应物大部分经冷却器循环回流,部分物料经盘管老化后进一步完成磺化反应,最后成为产品。
泵式磺化反应容易产生大量废酸,产物中硫酸含量高,不适于配制液体洗涤剂。
但其传质性能较好,反应物料转化率较高,物料在反应器内的停留时间较短,副反应较少,反应器体积小,设备投资低,操作简便,容易控制。
此类反应器至今仍在使用,但由于其处理量小,工业上用的并不多。
114膜式磺化反应器膜式磺化反应器是典型的气相SO3反应器,为目前国内外应用最为广泛的磺化反应器,主要用于LAS、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)、A-烯基磺酸钠(AOS)、A-磺基脂肪酸甲酯钠盐(MES)等表面活性剂的工业化生产,膜式反应器根据设计原理及结构可分为降膜式反应器、升膜式反应器、双膜式反应器以及多管膜式反应器。
目前,国外以SO3磺化为主的几种具有代表性的膜式磺化反应器主要有意大利Ballestra、Mazzoni 公司和美国Chemithon公司的多管膜式磺化装置,其中尤以意大利Ballestra公司多管膜式磺化装置占主导。
国际上,双膜式磺化反应器开发较早、影响较大的是美国Chemithon公司的双膜式磺化反应器[5],意大利Mazzoni公司的带保护风的多管膜式磺化装置也很具有代表性。
我国的磺化装置小部分为引进意大利Ballestra公司的多管膜式装置及美国Chemithon 公司的双膜式磺化装置,然后进行消化吸收,大部分为国产装置。
11411降膜式磺化反应器[5]降膜式磺化是将被磺化的物料用分布器均匀分布于直管壁四周,物料呈膜状自上而下流动,喷入的SO3气体混合物与物料在液膜上相遇发生反应,自上而下SO3浓度越来越低,物料黏度越来越大,磺化率逐步提高,到反应管下端出口,反应基本完成。
SO3-空气的混合气体通过磺化器的速度在10~40 m/s,液体物料停留时间仅几秒钟,几乎不存在物料返混现象,过磺化及其他副反应都比罐组式反应器更少。
膜式反应器磺化反应总速度取决于SO3向液膜表面的扩散速度,因此气流速度、气液分配均匀程度、扩散距离、传热速率都对反应有重要影响。
美国Chemthon公司的磺化反应器是降膜式SO3反应器,它由2个带冷却水夹套的圆柱筒型组成,它们之间形成很窄的环隙,SO3气体和有机物的混合物由此通过,一层有机物料的薄膜沿两筒体的表面与SO3气体一起并流而下,气体和液体薄膜之间的反应在此进行。
反应的温度受进口有机物料和气体的温度、夹套冷却水温度和反应器底部的循环反应的产品急冷控制。
除传统的膜式反应器之外,随着膜式磺化反应器的进一步改进和创新,出现了反应面为波浪状的膜式磺化反应器(C WFFR),此类反应器的反应面不再为光洁的镜面,而是设计成波浪形光滑面。
Ahmed等[6]以气体SO3为磺化剂磺化烷基苯,对该类反应器与传统的降膜式磺化反应器进行了对比,结果表明此类降膜式磺化反应器所得产品的质量高于普通降膜式磺化反应器。
到目前为止,降膜式气体SO3磺化反应器的使用仍然最为普遍。
国内140余套SO3磺化装置不论是引进的还是国产的,均采用降膜式磺化反应器[7]。
11412双膜式磺化反应器双膜式磺化反应器的形式很多,如美国Allied 化学公司开发的双膜磺化反应器是由2个同心的不锈钢圆管组成,内外都有冷却水冷却,反应器的有效高度为6m,可分为头部、反应区和尾部分离器3部分。
在反应器头部,被磺化的液体物料经环形分布器的通道和缝隙均匀分配,并沿内、外反应管壁顺流而下形成均匀的内膜和外膜,SO3-空气混合气通过气室的环隙进入反应区;反应区是指2个同心圆管#34#现代化工第29卷第9期之间的环形区,在反应区,SO3与液膜接触并反应,上半段反应集中,转化率可达90%,液膜温度常超过100e,温度达峰值后随液膜下降而下降,反应热由内、外夹套冷却水带走,至出口处液膜温度仅40e。
反应器对内外管同心度和椭圆度要求甚高,反应面光洁度要求接近镜面。
最后,在内装螺旋型导向板分离器的尾部分离器内,将尾气和磺化产品分离,由不同出口排出[3]。
11413具有保护风的双膜磺化反应器由于SO3磺化是强放热快速反应,在反应器的起始部分即反应器头部,反应剧烈集中,容易发生过磺化而发生结焦现象,为了使反应器起始阶段的反应稍加缓和,日本狮子油脂公司(Lion Oil Company)开发出具有保护风的双膜磺化反应器,又称TO反应器,并于20世纪70年代开始工业化。
其主要特点是采用保护风(二次风)技术,在液膜和SO3气体之间引入干燥空气,SO3分子要经过保护风逐渐扩散到液膜表面才发生反应,从而将磺化速率减慢,消除了温度高峰,整个反应段温度分布平稳,接近等温过程。
TO反应器中气流速度增加将液膜拉薄,液体物料停留时间缩短,反应器膜隙较窄,SO3易反应完全,但膜隙小阻力大[3]。