مصنع حمض السلفونيك

يُعد مصنع حمض السلفونيك أحد اهم المصانع لأنه يزود العملاء بحمض ألكيل بنزن السلفونيك الخطي (Linear Alkyl Benzene Sulphonic Acid – LABSA) و هو أهم المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية وأكثرها استخداماً على المستوى العالمي، إذ يشكّل العمود الفقري لصناعة المنظفات المنزلية والصناعية.
في أوراكس كيم يمكننا أن نزودك بالجدوى الاقتصادي والدراسات الهندسية لهذا المشروع و بأفضل الشركات التي تقوم ببناءه من الصفر.

يهدف هذا المقال الأكاديمي إلى استعراض المبادئ الهندسيةوالتقنيات الصناعية الحديثة المتبعة في إنشاء معمل إنتاج حمض السلفونيك، لإنتاج LABSA عالي الجودة.

الأسس الكيميائية و الهندسية لبناء مصنع حمض السلفونيك

تتمثل عملية السلفنة الأساسية في تفاعل ألكيل البنزن الخطي (LAB) مع ثلاثي أكسيد الكبريت (SO₃) لتكوين حمض ألكيل بنزن السلفونيك الخطي (LABSA)، وذلك وفقاً للمعادلة الكيميائية العامة:

LAB+SO3​→LABSA

يُصنَّف هذا التفاعل ضمن التفاعلات الناشرة للحرارة (Highly Exothermic)، حيث تنطلق أثناء التفاعل كمية كبيرة من الطاقة الحرارية تُقدّر بحوالي 2200–2000 كيلوجول لكل كيلوجرام منSO₃ المتفاعل. ويُعد هذا الانبعاث الحراري أحد أبرز التحديات الهندسية، إذ يؤدي عدم التحكم الفعال بدرجة الحرارة إلى حدوث تفاعلات جانبية غير مرغوبة، مثل تكوين مواد ملونة (Color Bodies) ناتجة عن التحلل الحراري أو السلفنة المفرطة، مما يؤثر سلباً على لون وجودة المنتج النهائي.

كما تجدر الإشارة إلى أن تحويل الكبريت إلى ثلاثي أكسيد الكبريت يتم عبر مرحلتين متتاليتين ناشرتين للحرارة، هما حرق الكبريت إلى ثاني أكسيد الكبريت وأكسدة ثاني أكسيد الكبريت لاحقًا داخل المحول الحفزي. ويبلغ الانبعاث الحراري الكلي لهاتين المرحلتين مجتمعَتَين نحو 4900  كيلوجول لكل كيلوجرام منSO₃ المنتج، وهو ما يشكّل حملًا حراريًا كبيرًا يتطلب تصميمًا دقيقًا لمنظومات استرجاع وتبديد الحرارة، بما يضمن استقرار التشغيل وحماية المحفز وإمداد مفاعل السلفنة بغاز SO₃ عند شروط حرارية مضبوطة.

كما تشهد المادة المتفاعلة زيادة ملحوظة في اللزوجة أثناء تحول LAB إلى LABSA، حيث قد ترتفع اللزوجة بعشرات المرات مقارنة بالمادة الخام، تبعًا لظروف التشغيل وجودة التحكم الحراري. وتُعد هذه الزيادة في اللزوجة عاملاً معيقاً لانتقال الحرارة بكفاءة من كتلة التفاعل، الأمر الذي يستلزم تصميماً خاصاً للمفاعلات يضمن كفاءة عالية في نقل الحرارة والكتلة.

مقارنة تقنيات السلفنة الصناعية

تاريخياً، استُخدمت عدة تقنيات صناعية لإنتاج حمض السلفونيك، إلا أن عملية السلفنة باستخدام SO₃ المخفف بالهواء أصبحت المعيار الصناعي السائد لإنتاج المنظفات عالية الجودة على نطاق واسع. يوضح الجدول التالي مقارنة بين أبرز تقنيات السلفنة الصناعية:

الميزة / التقنية	السلفنة بالهواء / SO₃	السلفنة بالأوليوم (Oleum)	السلفنة بحمض الكلوروسلفونيك
التكلفة النسبية لـ SO₃	الأدنى (من حرق الكبريت)	متوسطة	الأعلى
جودة المنتج	عالية جداً (شوائب أقل)	متوسطة (قابلية أعلى لتكوّن شوائب أثناء المعادلة)	متوسطة (وجود أيونات الكلوريد)
نمط التشغيل	مستمرة (Continuous)	دفعات أو مستمرة	دفعات أو مستمرة
النفايات الثانوية	محدودة (تتطلب معالجة غازات عادمة)	كميات كبيرة من حمض الكبريتيك المستهلك	حمض الهيدروكلوريك (HCl)
الاعتبارات البيئية	الأفضل عند التحكم بالانبعاثات	ضعيفة (صعوبة التخلص من الحمض المستهلك)	تتطلب أنظمة غسيل متقدمة لـ HCl

وقد أدى التوجه العالمي نحو إنتاج مواد فعالة مركزة منخفضة المحتوى من الكبريتات غير المرغوبة، إلى جانب ارتفاع تكاليف معالجة والتخلص من الأحماض المستهلكة، إلى تعزيز الهيمنة الصناعية لتقنية السلفنة بSO₃.

التصميم الهندسي المتقدم لمعمل السلفنة بالهواء / SO₃

يتكون معمل السلفنة الحديث المعتمد على حرق الكبريت من عدة وحدات مترابطة:

1. نظام توليد غاز ثلاثي أكسيد الكبريت (SO₃ Gas Generator)

يُعد هذا النظام القلب التشغيلي للمعمل، حيث يتم فيه تحويل الكبريت الخام إلى غاز SO₃ المستخدم في عملية السلفنة. وتشمل مراحله الأساسية ما يلي:

• نظام إمداد الهواء الجاف:
  يتم ضغط الهواء وتبريده ثم تجفيفه باستخدام مجففات امتصاصية (Desiccant Dryers) لخفض نقطة الندى إلى مستويات منخفضة (عادة أقل من -50 درجة مئوية). ويُعد هذا التجفيف ضرورياً لمنع تكوين حمض الكبريتيك داخل خطوط الغاز، لما يسببه من تآكل شديد للمعدات.
• حرق الكبريت:
  يُصهر الكبريت الصلب ويُضخ بدقة عالية إلى موقد الحرق، حيث يتفاعل مع الهواء الجاف لإنتاج ثاني أكسيد الكبريت (SO₂).
• التحويل الحفزي:
  يمر غاز SO₂ عبر محول حفزي متعدد المراحل يحتوي عادةً على محفز خماسي أكسيد الفاناديوم (V₂O₅)، حيث يُحوَّل إلى SO₃ بكفاءة تحويل تتراوح بين 99.0% و99.5%. ويتم التحكم بدرجات الحرارة بين المراحل بدقة لضمان أعلى كفاءة تحويل وأطول عمر تشغيلي للمحفز.

2. مفاعل السلفنة: مفاعل الغشاء الساقط (Falling Film Reactor)

يُعد مفاعل الغشاء الساقط العنصر الأكثر حساسية وأهمية في عملية السلفنة المستمرة، وقد صُمم خصيصاً للتعامل مع التفاعل الطارد للحرارة والارتفاع الكبير في اللزوجة.

• مبدأ التشغيل:
  تُضخ المادة العضوية (LAB) لتشكّل غشاءً رقيقاً ومتجانساً يسقط على الجدران الداخلية للمفاعل، بينما يتدفق غاز SO₃ المخفف بالهواء (بتركيز نموذجي يتراوح بين 4–7%) بالتوازي مع الغشاء العضوي.
• إزالة الحرارة:
  تتم إزالة حرارة التفاعل بكفاءة عالية عبر جدران المفاعل المبردة بالماء، مما يحافظ على درجة حرارة التفاعل ضمن النطاق الأمثل، والذي يتراوح عادة بين 40 و60 درجة مئوية، ويحد من حدوث التفاعلات الجانبية غير المرغوبة.
• التحكم الدقيق في النسبة المولية:
  يُعد التحكم في النسبة المولية لـ SO₃ إلى المادة العضوية عاملاً حاسماً في جودة المنتج. ويتطلب الأمر دقة عالية لا تتجاوز ±1%، بل تصل في الوحدات الحديثة إلى ±0.5%. ويؤدي أي انحراف إلى منتج ذي لون داكن أو محتوى مرتفع من المادة غير المسلفنة (Unsulfonated Oil). ويضمن تصميم المفاعل، وخاصة المفاعلات الحلقية (Annular Reactors)، توزيعاً متجانساً للمواد المتفاعلة على سطح التفاعل، محققاً تحكماً دقيقاً على المستوى الجزئي.

بعد خروج الحمض السلفوني من المفاعل، يمر بمرحلة تسمى الهضم (Digestion):
حيث يُحتجز الحمض لفترة زمنية قصيرة في وعاء هضم لضمان اكتمال التفاعل وتفكيك أي أنهيدريدات أو نواتج وسيطة غير مرغوبة.:

الاعتبارات التشغيلية والبيئية

1. السلامة والمواد الإنشائية

تفرض طبيعة المواد المستخدمة في المعمل—مثل الكبريت المصهور، غاز SO₃ الجاف، حمض السلفونيك المركز متطلبات صارمة على اختيار المواد الإنشائية. يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ في أجزاء عديدة من المفاعل ووحدات المعادلة، في حين تتطلب الأجزاء التي تتعامل مع SO₃ الجاف استخدام سبائك خاصة أو فولاذ كربوني مُعالج. كما يجب أن يتضمن التصميم أنظمة أمان متقدمة للكشف المبكر والتعامل الفوري مع أي تسرب محتمل لغاز SO₃، نظراً لكونه غازاً ساماً ومسبباً للتآكل.

2. معالجة الغازات العادمة (Effluent Gas Treatment)

تُعد معالجة الغازات العادمة من الركائز الأساسية للامتثال البيئي. يغادر المفاعل غاز عادم يحتوي على آثار من SO₃ غير المتفاعل وSO₂. ويتكون نظام المعالجة عادةً من مرحلتين أساسيتين:

• المرسب الكهروستاتيكي (Electrostatic Precipitator – ESP):
  لإزالة الضباب الحمضي والجسيمات الدقيقة من حمض السلفونيك وحمض الكبريتيك.
• برج الغسيل (Scrubber):
  لامتصاص غاز SO₂ المتبقي باستخدام محلول قلوي مخفف، غالباً الصودا الكاوية، لضمان أن تركيز SO₂ في الغاز المنبعث إلى الغلاف الجوي يقع ضمن الحدود البيئية الصارمة، والتي قد تقل عن 5 أجزاء في المليون حجماً.

اختبارات الجودة – مؤشر اللون والشفافية

يُعد لون حمض ألكيل بنزين السلفونيك الخطي ودرجة شفافيته من المؤشرات الفيزيائية المرتبطة بشكل غير مباشر بالبنية الجزيئية للمادة الأولية، وبظروف التفاعل أثناء السلفنة، ولا سيما التحكم الحراري وزمن المكوث وكفاءة إزالة نواتج التفاعل الثانوية. فالمواد الأولية ذات المحتوى المنخفض من المركبات غير المشبعة والمركبات العطرية المتعددة تميل إلى إنتاج LABSA فاتح اللون وعالي الشفافية، وهو ما يُفضل في التطبيقات التي تتطلب منظفات شفافة أو فاتحة اللون.

مع ذلك، يجب التأكيد علمياً على أن اللون بحد ذاته ليس معياراً مباشراً للنشاط السطحي أو القدرة التنظيفية، بل يعكس في المقام الأول جودة المادة الأولية وسلامة ظروف التشغيل.
لكن اختبارات الجودة الأخرى مثل نسبة المواد الفعالة و درجة الحموضة ونسبة المواد الغير مسلفنة يحدد الجودة النهائية لهذا المركب.
في مختبارتنا يمكننا أن نساعدكم بالتعرف أكثر على هذه الاختبارات وتطبيقها عمليا لتتأكدوا من جودة موادكم الاولية.

إن تصميم وإنشاء معمل لإنتاج حمض ألكيل البنزين السلفونيك الخطي (LABSA) يمثل مشروعاً هندسياً معقداً يتجاوز مجرد تنفيذ تفاعل كيميائي. فهو يتطلب تكاملاً دقيقاً بين أنظمة توليد غاز SO₃ الجاف، والتحكم الدقيق في النسبة المولية داخل مفاعل الغشاء الساقط، وأنظمة التبريد ، إلى جانب الالتزام بالمتطلبات البيئية من خلال معالجة الغازات العادمة.

يمكنكم الاطلاع على خدماتنا من خلال زيارة صفحة خدماتنا .