Process and profit optimization of a surfactant sulfonation plant

Abstract

Bei der Herstellung von Haushaltswaschmitteln wird das Tensid 'LAS' (Lineares Alkylbenzolsulfonat) verwendet. Es ist aufgrund seines guten Preis-Leistungs-Verhältnisses das am meisten eingesetzte Tensid in Flüssig- und Pulverwaschmitteln. Tenside sind notwendig um die Oberflächenspannung herabzusetzen und damit den Schmutz von der Textiloberfläche zu lösen. Das LAS wird durch eine Reaktion von Schwefeltrioxid mit LAB (lineares Alkylbenzol) gewonnen und die derzeitige Ausbeute liegt bei circa 96% Aktivsubstanz im LAS. Der Grund, warum man derzeit keine Ausbeute von 100% erreichen kann, liegt darin, dass zum einen noch Verunreinigungen aus dem Rohmaterial vorhanden sind und zum anderen, dass durch den kontinuierlichen Prozess, das LAB nicht vollständig reagieren kann und dadurch ein Restgehalt von circa 2% an LAB im Produkt verbleibt. Dieser Restgehalt an LAB stellt vor allem in der Pulverwaschmittel-Produktion ein Problem dar, da hier, durch die starke Erhitzung, das LAB in die Umgebungsluft freigesetzt wird und dies nicht den Freisetzungsgrenzen mancher Länder entspricht. Außerdem ist das Rest-LAB der einzige Bestandteil im Produkt der noch zu LAS reagieren könnte und somit die Ausbeute erhöhen würde. Um diese 2% LAB ebenfalls umzuwandeln und somit die Ausbeute zu erhöhen wurden Maßnahmen zur Umsetzung ausgearbeitet. Derzeit erfolgt die finale Umwandlung zu LAS in einem Alterungstank, welcher kontinuierlich und mit einer Verweilzeit von circa 60 Minuten betrieben wird. Um das LAB vollständig umzuwandeln sollte jedoch die Verweilzeit verlängert und der Alterungstank, statt kontinuierlich, chargenweise betrieben werden. Aufgrund dessen ist es notwendig einen zweiten Alterungstank zu installieren, welcher dann, gemeinsam mit dem bereits existierenden, als semikontinuierlich arbeitender Alterungstank mit einer Gesamtverweilzeit von circa 120 Minuten betrieben wird. Das heißt jeder Tank wird jeweils eine Stunde kontinuierlich gefüllt und anschließend eine Stunde verschlossen und ohne neuerliche Dosierung gerührt, während dieser zweiten Stunde wird der zweite Alterungstank gefüllt. Für die vorliegende Arbeit wurde der Prozess abgebildet und für die Produktionsstandorte Wien, Raciborz, Körösladany, Düsseldorf und Krusevac das Potential für wesentliche verfahrenstechnische Optimierungsschritte ausgearbeitet. Es müssen folgende Schritte umgesetzt werden: Investition in einen weiteren Alterungstank, das zugehörige Prozessleitungs- und Steuerungssystem und eine bessere quantitative Analyse des Produktes und anschließende Implementierung in die Produktion. Im Zuge der Arbeit wurde eine betriebliche Kostenrechnung zur Bewertung der notwendigen Investitionen und den damit verbundenen Einsparungen in den Rezepturen der Waschmittel, sowie beim Transport, durchgeführt. Dabei wurde ein Einsparungspotential von bis zu 700.000 € pro Jahr, beziehungsweise bis zu 1.000.000€ pro Jahr bei zusätzlichen Aufträgen für Düsseldorf, ermittelt. Des Weiteren kann der CO2 Ausstoß durch die verminderten Transportmengen um circa 16,7 Tonnen pro Jahr verringert werden.

In the production of washing detergents the surfactant 'LAS' (linear alkyl benzene sulfonate) is used. Due to its very good price-performance characteristics it is the most applied surfactant in liquid and powder detergents. Surfactants reduce the surface tension and therefore are used to remove the dirt from the textile. LAS is produced due to a reaction of sulfur trioxide with LAB (linear alkyl benzene) and the current conversion rate is at about 96% of active matter in the LAS. The reason why it is currently not possible to reach a conversion rate of 100% is at one hand, that there remain contaminations of the raw material, and on the other hand, that due to the continuous process, the LAB cannot be fully converted to LAS and therefore a content of about 2% of LAB remains in the Product. This residual content of LAB depicts a problem in powder detergents production, because, due to the high temperatures it is facing, the LAB is released in the atmospheric air and exceeds the legal releasing limits of volatile organic compounds in some countries. Furthermore the residual LAB content is the only component, which can still be converted to LAS and therefore could increase the active matter content. In order to convert these 2% of LAB, actions to implement were prepared as follows. Currently the final conversion from LAB to LAS is performed in the aging tank which actuates continually and with an average residence time of one hour. To provide a full conversion of the LAB, the residence time should be prolonged and the process should be carried out batch wise instead of continually. Therefore it is necessary to install a second aging vessel which acts, together with the existing aging vessel, in a semi continuous way. Concretely this means, that the first tank is filled during one hour and then the filling switches to the second tank, during that time, the first tank is closed and stirred, which means it acts like a batch reactor. With this implementation the residence time would be prolonged to about 2 hours. For this work the process was depicted and the potential for essential process optimization steps in the production plants in Vienna, Raciborz, Körösladany, Krusevac and Düsseldorf was elaborated. The following steps must be realized: An investment must be taken to install an additional aging tank, the associated process control system and an appropriate quality analysis system for the final product. In the course of this work an operational cost accounting was carried out to assess the necessities of the investments and the associated savings in the formulations of detergents, as well as during transport. Here, a potential saving of 700.000€ per year, or even up to 1.000.000€ per year with additional supply to Düsseldorf, was determined. Furthermore there is a saving of CO2 emission of about 16,7 tons per year due to transport reduction.