Bereiding van isopropylbenzeen

I

, _, j

~

I

r

l

•

~~~..Q.,~ ~~.

c:·

_d·

..J\{~~. ,~~ ~~ ~ ~ .~

RLt

~O:.j .j ~~~. Q~~ "'-loJ. ~~ = ~o. ~ ~tl.L /~) ( l>'1

(f)

t!)

-tu

~ S-02, rHu.. / ~

(S'1

r

j

(oJj.

I. ISI ])0 '" 1 J ... ~ -t- -.Do :D. _l Ic J . . ] ) ( ~". ::- )(:l., x. I. os

f

:

-X2

J<

O.

824 ~

k

== ~ b. ~ B h~ / ~j

l

$'1 ~

j

(0

F /~

J

~~

---

-

= 3\.0 .

.-Yz. x I. oS \.I.Il< X2. x1.or ~Xl.)( I.or- \

+ +

-}(l.xu,82.1.j >( '1o·'l.. .!l.6.<. À'l." o,82'i "So 2,

· r - - -__ _

'B~AA--.. \.-v-(. f"h,v.... ~ ~ .va....- ~I' ~ot~ \, Wo...c...~ va...

ot.a. (J"'\rlA.oJ.Q. - ~ ~ alL ~ 'l)()...,v ~ -tM--O oL..: ~ cl ~ot ~ >

Gl 0..-' ~ ot.- ~

PI

.L1\'3.9°0 ::::: 19J1 ~ ~.

3\.0 ><1-0.0

q>Q.I\ ~ ~ ~ ~ol-" 0 .

c.r+

Lk ~ ~ VOL... at..

q..a.

Jt'

I/ ~.~

1~ X '{J. 'l..1~- • \5·~ ~ ~.

vA

01...vvv~ o.lt ~4'

J.o... ~~Q~a-t.: ~~è1 'l.U-U\6{, ~~'V u...J-~O( oto..:t

~~ ~o ~ ~~ ~ ~ ~~ ~Cl-loU..t...L- ~4/1~ ~

~d.- .

~ ~i. '\JoJVt.ol. 'V-trI.I"l ~ ~-Vlo..G..u... 8~·°C. ~

l

~

~ol~ol.J- ~ r:L. ~F\.u.. -.4" lM.A-~ ~~ '\)Q....,. U ~ 'Lui:>

2

,

1

~

..go

~~ ~ ~"""-~ ~ 00... ~.,c... (~~ ~

aL.. ~ (~o0

-

t... ~ W:k hu..~û..~ (4o

o

Cj 1Ja.... W k..t.w~J

~~~u..-..~~~~~~ C/VY'\cJ... ~

"'~ -tl:t- ~3oQ.. ~ ~~a...k t....~ ,

~ ~o...o..-. ~ ~ o.L. ~~

-t..

~

:

~ ~ ~ ~ VVV>. a..U . ~ ~~ ~ ~Q.c...t-. '\J.Jo..O-v .t.u.

~ ~ L<A-v ~~~ 'VC4-- ~'1°f

(l\.(o°<:.-J

Gt.. ~ ••• ,'-v ~

(~I)f)

( ~u w~ oL...~ ~ ~ ~~~ \Jo.--.. ~o·c ~.

M}~Q. ~ l\..v..L cÛ.L ~CJ...l ~~ C~l.) ~ alt.. ~ 'l,Vö.AA. U ~ oh ~ ~c..k (~~ llAoJ:.u.u...., ~

.s

~

'"

F.J ~~~~ ~aJ:i.-.r-

b8"'r-J,

A ~~ l....M.. oÁ..o...--v ~~ ~ ~ rvCM.I QJ... ~" Wa..~ ~"\; ~

=

,g(, -b8 .:. I~of .6. t \ = !U4 - 101.:: 180" F.

~u-v-. ~'- ~

~ ~

.t..-

~~

,

~

~

\ ) 0 . . -

~

~ ~ -w... ol~ ~ G6::t LJ-trtn.'ào.ec< .... t... ~ ~ : (lr-u-tA

-Ru

i ) wo...~

{

I

_I i 1

I

j I _, i

I

, I I I •

!

I

'

\

I

)

I

, """ I -k ~ O,~G'-\ $t-'-<./C~) l ~9{-f-J( D'1f*). --=t) -== "" x o. ü 3~-\

ft

.

G..'1)-\ j)vs ~~ "'-

tt,+1

&)W)/~). c:... -1.

J

= -1, çgg.

~)/LL)

C

t-t).

~

~o·

c)

O. D'l.'lS" ><.. 'D." I. I~-I D " . D., ~--L -~t--u,_

'

1)" ~.: 'k. ~. ho ' ..::te '"

Yt'<.

>< \,e~-

tt'

'De :::

Y

\1.

'"

<.:l.l:sl.~

r-t ;> !Uo . ~ ~ ~~

Ic

~ j

b

ft-) ( 0

y

ft) t- _1 -r-<=t<> . ~ . <j --f?", =----e, 0 :::

1::

= o. o~s ~~

J

l~J (dl

f+

J

t:/~)

r

= I.

b~Y

l

~

)/0v)

C

\+}

l~

\

&"Cl

~t~00

~

~

)

_ k

('!?

v.\ 0,3 x

(!X-j

1,).'-1.

O.O'l..1.S x . J ) ;(.

"-rJ

.

Ic. ) l.ûo,.CL...-,..,.

ll0-" / L~)

l

'" "\

&-t- )

C.:.

F

/

~-J

(l

M

j /

~)

L&-t-)

~. '~"c-)

> .,.- " , '

:::,,?"\T----'

"' .'J

, .

lt...,.

't". ' " ,j' +

---

~ k ~ """-'-

Ft

.u..:J.- eh ~ ct t.t._{l A t L -} u..L 4 t,

=

J' A ~= 4 I:' , 90 0 ~t-~ /

h-r

Lt, I

=

2t\, ~ ~4./Q:--t ) (&<>t ~)

tT)

u"t

~ .t~. 8 ~~/~)

_(Sq(r1)t8

Át_l :0. l8Do F .ó t L ~ 18 uF 3U )<,. \ ~ - .B. B )( \ go '-\l~.~oo -::. 18"t~ Á

J=1"

EL

=

!l.~~-, 'ö~ ~

~ Ç)~ aLt..v.!

""1'

a.0-~ ~ 04. JUN.t ~ ~ ~

~ç

~.

...

':f"","

_{BEREIDING VAN ISOPROPYLBENZEEN}

Inleiding.

Ofschoon het principe voor de bereiding van isopropylbenzeen

(cumeen) door alkylering van benzeen in de literatuur reeds lang

bekend was, is deze alkylering op technische schaal voo+ 1942

vrijwel niet uitgevoerd, in welk jaar men echter in de Verenigde Staten met de productie is begonnen.

De oorlogsomstandigheden hebben dit bevorderd: het cumeen

w.rd nl. in de tweede wereldoorlog gebruikt als ~lendin&~~g~n~ voor

vliegtuigbenzines, waardoor een grote kwaliteitsverbetering van

. de benzine (in het byzonder van belang voor gevechtsvliegtuigen)

kon worden bewerkstelligd.

Aanv~elijk heeft men ook het di-isopropylbenzeen voor

de-zelfde doeleinden gebruikt, doch later kwam men to~ de odrlekking

dat het mono-gealkyleerde product een nog gunstiger invloed op de eigenschappen van vliegtuigbenzines had.

Kort overzicht over enkele van de belangrijkste

bereidingsmetho-den van cumeen.

In het algemeen kan gezegd worden dat de bereiding van cumeen

practisch uitsluitend geschiedt door alkyleren van benzeen onder

invloed van een katalysator.

Deze methoden kunnen we in grote trekken onderverdeeld

den-ken in 4 groepen en wel:

1) Methoden waarbij gealkyleerd wordt met behulp van propeen (en

een katalysator).

De gebruikte katalysatoren kunnen hierbij sterk uiteenlopen.

Genoemd mogen hier word_{en H2S04 , H3 P04' H2S04} + H3P04'

BF3' HF, BF) +

HF,

A_{lC13 , AlC13} + ZnC1

_{2 ,}

FeeI).

De alkyleringen kunnen in deze gevallen zowel in de damp- als in de vloeistofphase plaats hebben.

2) Methoden waarbij wordt gealkyleerd met isopr~pylchloride als

alkyleringsmiddel onder invloed van de katalytische werking van

AICI

3) Methoden3waarbij isopropylalcohol als alkyleringsmiddel wordt

gebruikt. De katalysator is hierbijf.lC~, of FeCl~.

4) Methodes die voor de alkylering gebruik maken vafi aethers,

esters, Grignardverbindingen etc.

Wat het alkyleringsmiddel betreft, lijkt de eerste groep wel

het meest aantrekkelijk. Voor het propeen hebben we nl. in de

kraakgassen een goede sron, terwijl het tegenwoordig bovendien zd

is, dat i?opropylchloride en isopropylalcohol in hoofdzaak uit de propeenfractie van de kraakgassen worden bereid. Door van het

chloride of de alcohol uit te gaan zou men dus een omweg maken,

die slechts te motiveren i s indien de rendementen in dit geval .

aanz~enlijk beter zouden zijn, wat echter zeker niet het geval is . •

Wat de eerste groep van alkyleringsreacties betreft zijn er ~

twee methoden die in het byzonder van belang zijn.

~---- --._-

-- 2

-•

a. de alkylering van benzeen met propeen in de dampphase, waarbij een vast opgestelde katalysator op phosphorzuurbasis wordt gebruikt.

b. de alkylering van benzeen met propeen in de vloeistof phase met geconcentreerd zwavelzuur als katalysator.

De methode welke werkt met zwavelzuur als katalysator heeft verschillende voordelen:

a. de katalysator is goedkoop.

b. de reactie geschiedt volledig, terwijl het reactie product zuiYer is. Er heeft nl. practisch geen polymerisatie van het alkeen plaats.

c. de katalysater is slechts weinig gevoelig voor zwavelverbin-dingen in tege~stelling met diverse andere katalysatoren (bv. de genoemde phosphorzuurkatalysater of een AIC1

3 katalysater. Enkele nadelen zijn echter ook wel aan het gebruik van de zwavelzuurkatalysator verbonden, bv.

a. de verliezen aan katalysater zijn vrij groot

b. de kosten verbonden aan de diverse 'wassingen van de reactie-producten met loogoplossing zijn vrij groot.

Bij het tegen elkaar afwegen van de voor- en nadelen van de .

verschillende processen blijkt echte.r wel dat de alkylering in de vloeistofphase met zwavelzuur als katalysator zeker niet min-der geschikt is dan de anmin-dere methoden. Wij hebben deze methode dan ook voor het schema gekozen.

Kort overzicht van de gevolgde werkwijze.

Allereerst zal de gevolgde werkwijze in haar geheel kort worden besprok~n, terwijl dan in het volgende hoofdstuk het twee-de twee-deel van het proces aan twee-de hand van het bijgevoegtwee-de schema '

nader zal worden toegelicht.

De gassen afkomstig van de kraakinstallatie worden eerst met verdunde loog gewassen om de zwavelwaterstof eruit te verwij-deren. Deze zwavelwaterstof oefent nl. bij de hierna volgende hypersorption inrichting een zeer ongunstige werking uit (op de aotieve kool) en is overigens ook verder in het proces niet ge-wenst, al is dan ook de zwavelzuurkatalysator niet buitengewoon gevoelig voor zwavelverbindingen.

In de hypersorption inrichting worden de kraakgassen door middel van adsorptie (gevolgd door desorptie) aan aotieve kool gesplitst in H2' CH4, C2H4 + C_{2H6 en een CC3} + C₄) fraotie. ,

ling

'

{

We hebben voor deze

CC

₃ + C₄) fraotie de volgende samenstel-aangenomen:

butaan 7ifo propeen 301r! buteen

310

propaan 60%

l

Het is weliswaar mogelijk om' 00 de C en. C fractie nog te

scheiden, doch dit brengt grote kosten met3 zicb

~ee,

terwijl de C fraotie niet bepaald storend werkt. Het gevormde isobutyl- . I

b~nzeen is zelfs een nuttig bijproduot, dat voor dezelfde

doel-einden gebruikt kan worden als het cumeen.

De CC + C ) fractie wordt gedroogd met een CaCI -oplossing·

en daarna

~ecom~rimeerd

tot 170 lbs/s.q in waarbij het2gehele meng..:;el vloeibaar wordt.

l

I!..:J WATER

i

I

~

11 " "

1

IIAFVAL-LOOG i

L

ZWAVELZUUR

~~

L--t---=======

~========

-~--

I

~~=====-:==-======-~~_

-=

_

'5~~

:

O

:

IGE~L~O:OG,"O"P

h!=

O

=

SS=IN

=

G

==~

t:~==

==-===--=====~

~~~~~

~---t-

----

---II

~

----

_J'-O.

__

.

-- - - - -

I ISOBUTYLBENZEEN

"--~---.!---==

b'---- - - CUM EEN PROPAAN-BUTAAN ISOPROPY LBENZ EE N LJ.MENTING 15-2-'49

, - - - -- - - -- - -

-...

'

f"

- j

-Daarna volgt de menging met overmaat thiopheen vrije benzeen

(overmaat, want anders veel hogere alkyleringsproducten) en

over-\

\maat zwavelzuur (overmaat is hierbij noodzakelijk, vanwege de

es-Iters die het zwavelzuur met de alkenen vormt), waarna men het

, mengsel gedurende 2 x

Y2

uur (2 reactoren) laat reageren, waarbij de temperatuur op 30 - 400 _{C wordt gehouden.}

In een separator wordt vervolgens het zwavelzuur afgeschei-den waarna een wassing met 51'~-ige loog volgt (gevolgd door schei-den). Daarna wordt weer versEf, 5(/~ige loog toegevoegd en het meng-sel wordt in de*depropaniseri _' bevrijd van propaan en butaan.

De druk is hierbij

200

lbs/stin, de reboiler temperatuur

170

0

_C.

Het -~d.am~:;:Q.g.uQ.:t. van de 'tdepropaniser"wordt vervolgens in een

'separator van de loog gescheiden.

In een volgende kolom wordt daarna de overmaat benzeen

ver-!

wijderd bij een druk van 25 Ibs; sq~ in.

, , De~bottom~gaat vervolgens naar de kolom,waar door

gefracti-~neerde destillatie het cumeen wordt geproduceerd. Deze

destilla-tie geschiedt bij normale druk. de

Het bottomproduct van deze destillatie wordt invnu volgende kolom van isobutylbenzeen bevrijd en gaat vervolgens naar de re~

former, waar het verkregen residu (bestaande uit poly-gealkyleer-de verbindingen) met behulp van overmaat benzeen en zwavelzuur

wordt gedealkyleerd en, na scheiden en wassen met loog, wordt te-ruggevoerd naar de depropaniser .. " .

Wat de grootte orde van het bedrijf betreft: wij hebben een productie aan isopropylbenzeen van 2370 kg!hr aangenomen

(onge-veer 57 ton per dag). ,

Hiervoor is nodig een verbruik aan kraakgas van

8570

kg/hr indien men een 991~ige omzetting van propeen en buteen veronder-stelt (waarbij dan verder nog is aangenomen dat de omzetting voor

3%

in di-gealkyleerde producten geschiedt) en voor het ingevoerde kraakgas de volgende samenstelling aannèemt:

66,5

%

_{H2' CH4, C2H4, C2H6·}

10,0

10

C₃H₆ 20,0

%

_C3H8

1,0%

2,0

10

0,5

%

Hieruit verkr'ijgt men dan in het ideale geval (geen C₃ en C₄ verliezen) als samenstelling voor het reactie gas:

Propaan

600/0

.

Propeen 30%

Butaan

7

%

Buteen 3%

De productie van dit gasmengsel bedraagt 2800 kg/hr. In de reactor wordt hierbij per uur 5500 kg benzeen en 16500 kg H?S04 gevoegd. Het gebruikte zwavelzuur is 8B/~ig daar gebleken i~

.~

.,.

- 4

-~I

De depropaniser ' levert per uur 1885 kg' butaan1~ropaan (+

onomgezet butee~propeen), de overmaat benzeen welke door destil-latie wordt teruggewonnen bedraagt 3975 kg/hr.

. De productie aan isobutyl benzeen bedraagt 197 kg/hr, de pro-ductie aan di-gealkyleerde verbindingen welke naar de reformer gaan is 54 kg/hr.

van het tweede edeelte van het roces.

z~e sc ema)

Zoals reeds gezegd word~ het mengsel uit de time-tank eerst gescheiden, daarna gewassen met loog, weer gesche~den en vervol-gens weer met verse loog gemengd, waarna dit mengsel (tezamen met het van de reformer afkomstige produ~t) via de warmte uitwisse-laar 1 in de kolom 2 (de depropaniser) wordt gebracht. De druk in

de depropaniser is 200 lbs/sq, in, dereboiler-temperatuur bedraagt

1700 C. .

Doordat de loog mee in de depropaniser wordt gevoerd treedt hier tengevolge van de hoge temperatuur een ~drolY8e op van de sulfonzure esters (die overigens slechts inrlnge concentratie aanwezig zijn).

De uit de kolom komende dampen worden gec.ondenseerd, gaan ,

daarna naar de ontvanger 3, van waaruit de vloeistof gedeelteli~k in de kolom wordt teruggevoerd en voor de rest via koeler

25

wordt afgevoerd.

. Het bottimproduct kan zowel via de warmte-uitwisselaar 1,

alsook rechts reeks naar koeler 24 en vandaar in de separator 4 worden gevoerd.

Mocht de temperatuur in de warmte-uitwisselaar 1 nl . . te hoog

worden, dan zorgt een automatische regeling ervoor dat meer ' bot-tom product reclltstreeks naar de separator 4 gaat en omgekeerd.

De koeler 24 dient om de bottom van de depropaniser, welke nog een behoorlijk hoge temperatuur heeft, zover af tè koelen (bv. tot 70 à 800 _{C), dat een goede scheiding van loog en koolwater- .} stoffen mogelijk is.

Separator 4 is door 2 verticale schotten in 3 afdelingen ver-dee.1d: de loogoplossing wordt even boven de onderkant van het laagste schot afgetapt en (na reduceren van de druk) gebruikt voor de eerste wassing met loog (onmiddellijk na de time tanks)

en voor de loogwassing welke volgt op de reformer.

---De koolwaterstoffen worden even boven de onderkant van het hoogste schot afgetapt, gaan daarna via een tank 5, een reduceer-ventiel en een warmte-uitwisselaar 6 naar kolom 7 waar de over-maat benzeen uit het mengsel wordt verwijderd. De druk is hierbij ongeveer 25 lbs/s~ in.

De benzeendal.ilpen welke (met water) uit deze kolom komen wor-den geconwor-denseerd, waarna in de separator 8 een eerste soheiding van benzeen en water volgt.

Het benzeen gaat dan na.ar de ontvanger 9 en wordt van daar-uit gedeeltelijk in de k910m teruggevoerd en gedeeltelijk gevoerd naar een Sharpless~cent±,l~ge waar de laatste 'resten water zo goed mogelijk worden verwijderd.

Op deze wijze wordt ~er uur 3975 kg benzeen teruggewonnen en deze gaat (via tank 11) gedeeltelijk (3825 kg) terug naar de time-tank, gedeeltelijk (150 kg) naar de reformer.

,"

...

5

-Het bottomproduct van kolom

7

gaat eerst door de warmte-uit-wisselaar 6 (om de voeding voor· deze kolom voor te warmen) en wordt vervolgens zelf via de warmte'7'uitwisselaar 12 in kolom 13 gepompt, welke kolom dient voor de winni~g van het isopropylben-zeen. Deze kolom werkt bi~ normale druk, het kookpunt van isopro-pylbenzeen bedraagt 152,4 C.

Het oumeen wordt geoondenseerd, komt daarna in de ontvanger 14 en wordt vervolgens gedeeltel~jk teruggevoerd in de kolom, terwijl 2300 kg/~rvia de cumeenkoeler 23 wordt afgetapt.

Het bottomproduct van deze kolom passeert eerst de

warmte-I

Uitwisselaar-12 om de voeding voor te warmen en wordt vervolgens zelf in de warmte-uitwisselaar 15 voorgewarmd alvorens hettdn kolom 16 wordt ingevoerd waar het isobutylbenzeen (197 kg/hr) wordt afgedestilleerd bij normale druk.

Het isobutylbenzeen wordt gecondenseerd, opgevangen in ont-vanger 17, gedeeltelijk teruggevoerd en gedeeltelijk via koeler 22 afgevoerd.

Het bottomproduct (54 kg/hr) van kolom 16 warmt eerst in de warmte-uitwisselaar 15 de voeding op en komt vervolgens via de waterkoeler 18 in de reformer 19; tezamen met 150 kg benzeen en 400 kg zwavelzuur (alle hoeveelheden per uur). ,

In deze reformer worden de hoger gealkyleerde producten weer tot mono-alkylproduoten gede-alkyleerd, waarbij een roerder voor een goede menging zorgt en de temperatuur automatisch ge, re-geld wordt op 30 - 350

c.

.

De verblijf tijd in de reformer is gemiddeld

Y2

uur.

Na de reformer volgt weer een scheiding van zuur en koolwaterstof-fen in separator 20, terwijl de afgesoheiden koolwaterstofkoolwaterstof-fen samen met loog in separator 21 worden gepompt en daar weer ge-soheiden. De gealkyleerde produoten worden vervolgens van hier-uit weer naar de depropaniser teruggevoerd.

Op het schema zijn verder diverse inrichtingen voor automa-tische temperatuurregeling, meetflenzen, afsluiters etc. aange-geven welke echter bij bovenstaande beschrijving niet alle zijn vermeld.

Berekening van koeler no.23.

Voor de berekening werd koeler 23 uitgekozen, welke dient om ~et oumeen dat uit de ontvanger 14 als productie wordt afge-tapt te koelen, waarbij dan wordt veronderste14 dat de tempera-tuur van het cumeen in de pntvanger (en ook bij de inlaat van de koeler) nog 1400 _{C (= 284~ F) bedraagt.}

De veronderstelde productie aan isopropylbenzeen waarvan bij de op'zet van het schema is uitgegaan bedraagt 2370 kg/hr

=

5226 lbs7hr.

wat de koeler zelf betreft doen we de volgende

veronder-,~ stellingen .

.

,'~"l 1) de intreetemperatuur van het cumeen bedraagt 2840 _F,

~ ~? deuibtreetemperatuur 860 _{F .}

tf. 2) de intreetemperatuur van het koelwater bedraagt 680 F,

,

f

...

"

de uitltreetemperatuur 1040 _F.

~ 3) het oumeen stroomt door de pijpen, het koelwater (in tegen-stroom) dm de pijpen .

r-w~tg,.

I

r '1>'1"F

I

I

I

WIlter 6A'F , tc50_P 6

-Om de hoeveelheid warmte welke het eerst moet worden uitgewisseld te kunnen berekenen dient men de soortelijke warmte c van het cu-meen te kennen.

•

t

''''\'VI''''

Kolosovskii (11) .geeft hiervoor bij 290 C een waarde op van 47,54 cal/gmol, hetgeen overeenkomst met een soortelijke warmte

van 0,40 Btuj(lbs) (OF). Deze soortelijke warmte zal voor de

verdere berekening als onafhankelijk van de temperatuur worden beschouwd, daar over de temperatuurafhankelijkheid geen gegevens bekend zijn.

De hoeveelheid warmte welke per uur moet worden uitgewisseld bedraagt dan dus

Q = W x A t x c = 5226 x (284 - 86) x 0,40

=

413900. B.t.u/hr.

Voor de warmteoverdracht kunnen we nu als algemene formule geven

~ Q=UxAxiJt

~waarin Q = overgedrage~ warmte in B.t.u./hr.

~

U = overall.coö:t'ficient in B.t.u /(hr)(sqft)(oF)

A = oppervlak dat aan de warmte uitwisseling deelneemt in sqft.

- ). lCf"f fAt = logaritmische gemiddelde temperatuurverschil tussen

~~c?~ ~

\~/

\

m het cumeen en het koelwater in oF.

r

~ ~ ~:~

Voor het

logarit~isch

gemiddelde temperatuurverschil tussen

~~

tl~

et

cumeen en het koelwater vinden we in ons geval

IJ t = 4 284 - 104 = 216~ = 70.0° F

m 2 ,3 log .

Teneinde n~een eerste indruk te krijgen over de grootte van het benodigd koelend oppervlak moeten we beginnen met voor U een bepaalde waarde aan te nemen. We hebben hiervoor genomen U = 75 B.t.u/(hr)(sqft)(OF), welke waarde gebaseerd is op een serie waarden voor U aangegeven in een prospectus over warmte-uitwisse-laars, koelers etc. (Downington). Volgens een hier gegeven tabel varieert U (voor koeling van benzine met water, waar ons geval het beste mee overeenstemde) van 60 - 90 B.t.u/(hr)(sqft)(OF)

We krijgen dan dus iJ = U x A x A tm 413900

=

75 x A x 70.0 waaruit volgt A

=

78,8 sqft.

7

-We moeten n~ een keuze maken wat betreft de pijpdiameter en hebben hiervoor 14" pijpen gekozen.

Voor derdelijke pijpen bedraagt het uitwendig oppervlak 0,275 sqft/ft (Perry p.874)

We hebben dus hiervan nodig

0:~7~

= 285 ft 7'4" pijp.

We kiezen nu bv. onze koelerlengte eens 4 ft en zien dan dus dat we in dat geval 71 pijpen nodig zullen hebben en uit het reeds eerder genoemde prospeotus van Downington blijkt dat we in

... -dit geval zullen moeten werke~ met 4 Tube-passes .. De (72)7'4"

pij-/

pen hebben een steek van 15/16", de~draagt in dit geval 10".

Het werken met 4 tube-passes is gekozen omdat bij oriente-rende b~rekeningen is gebleken dat het sleohts in dit geval moge-lijk i s om een behoorlijk Reynoldsgetal voor de stroming in de pijpen te krijgen.

In het algeme.en moet, bij het werken met meerdere t;§lbe-passes het logaritmisoh gemiddelde temperatuur versohil geoorrigeerd

worden omdat men hierbij afwisselend met tegen- en gelijkstroom te maken krijgt. De voor A t gevonden waarde wordt hierdoor kleiner. A wordt dus groter ~n dit kan men dan weer oorrigeren door de koeler iets langer te maken.

Later zal eohter blijken dat het noodzakelijk ms ook voor het koelwater met 4 passes te werken, waardoor de genoemde cor-rectie overbodig wordt (steeds tegenstroom!)

In de eerste plaats dienen we nu na te gaan of we in de pij-pen een behoorlijk turbulente stroming hebben. Hiertoe is het noodzakelijk het Reynoldsgetal te berekenen.

Re = D.v.s

~

Eerst iets over de waarden van~en s.

Gèjst en Cannon' (12) hebben voor ~en s waarden opgegeven bij

',20 en 400 _{C en door extrajpolatie is hieruit de waarde bij 85}0

C (rekenkundig gemiddeldev~an in- en uittredend oumeen) bepaald

(zie bijgaande grafiek). 3

Voor s vinden we een waarde s

=

0.806 (g/cm )

=

50.3 lbs/cuft

~ vinden we een waarde~= 0,43 P = 1.04 lbs/(hr)(ft) D

=

y12 x 0.824 ft.

Door 18 pijpen gaat 5226 lb,s/hr =

§5:~

= 104. cuft/hr.

Het oppervlak van de pijpen bedraagt 18 x 0.00371 = 0.06678 sqft

104 /

Dus v = 0.06678 = 1557 ft hr.~

Re

=

y12 x 0,824 x 1557 x 50,3

1 • 04

Deze stroming is dus goed turbulent.

=

Thans dienen we nog de turbulentie van de stroming van het water om de pijpen na te gaan.

Voor het geval waarin we met 1 Shell-pass werken krijgen we dan het volgende:

Re

=

D.v.s .

,

..

s

-Voor D moeten we in dit geval nemen: 4 x de hydraulisohe

straal (rH)' waaronder wordt verstaan 4 x doorstroomde oppervlakte

./!J./ bevJ1cltigde omtrek

De inwendige diameter van de fij'~ pijp bedraagt y12 x 10,250 ft. De uitwendige diameter van de74" pijp bedraagt y12 x 1 .05 ft

De bevochtigde omtrek is dus

y12if(10.25 + 72 x 1.05) = 22.46 ft.

Het inwendig oppervlak van de 10" pijp is 0.5731 sqft. Het uitwendig oppervlak van de

272 f4" pijpen bedraagt 72 x Y4?r (y12 x 1.05) = 0.4327 sqlfft.

"Doorstroomd" oppervlak 0.5731 - 0.4327

=

0,1404 sqft. De hoeveelheid doorgestroomd water bedraagt

413900

(104-68) x 1

=

11497 Ibs/hr. Soortelijke' gewicht 62.43 (lbs/cuft)

11497 /

Dus doorgestroomd 62.43

=

184 cuft hr.

184 /

Dus v

=

0.1404

=

1311 ft hr

~(bij 300 C)

=

0.800 c P

=

2.42 x 0.800

=

1.94 lbs/(hr)(ft) Dus Re

=

4 x

g2~!~4

x 1311 x 62.43

=

1070

7

'

1.94

' ~ Deze waarde is te l~ Het is daarom noodzakelijk ook vier

~ Shell-passes te gebrui~n.

We krijgen dan: V = 4 x 1311

=

5244 ft/hr

cf'

=

62.43 I bs/cuft

~= 1.94 lbsj(hr)(ft) De berekening geeft in dit geval:

N

~

straal (inw.) 10" buis 5 .125 x ~12 ft

2x . . . 10,25 x y12 ft

=

0.854 ft

y4 x inw.omtrek

=

}'4 x

n

Y12 x 10,25 ft

=

0.671 ft 18 x omtrek f4" buizen

=

~r ,

i,

~rr~\,

~V

.

[ j _, 0.'117

Ir-,-~

.

Totaal bevochtigde omtrek

~ ~~V'

"Doorstroomd" oppervlak = }'4 x 0.1404

=

0.0351 sqft

WW Dus Re = 4 x 0.0351 x 5244 x 62.43

~ 6.471 = 3645

1.94

=

18 x ~x 1 .05 x y12

Thans is de stroming wel voldoende tur'bulent.

=

4.946 ft 6.471 ft

Nu vast staàt dat zowel in als om de pijp een

turbulentstro-min~ plaats vindt gaan we de filmco~fficienten aan de cumeenzijde (h_{i ),} en de waterzijde (ho) van de pijpen berekenen.

,"

•

,"

9

-Dit is noodzakelijk omdat we de overall-co~fficient U voor

de koeler zullen gaan berekenen met behulp van de formulè 1

U = _o;::-~~-D ₊ 51 D D ' waarin

1. 1 0 log !:!Q. +

...!.

Di _{h i} k Di ho

Do

=

uitwendige pijpdiameter (in ft)

D. = inwendige " (in ft)

h~ = filmcoefficient aan de cumeenzijde (in Btu/(hr)(sqft)(oF)

h~

₌

filmco!fficient aan de koelwaterzijde(in Btu/(hr)(sqft)(OF)

kO = thermische geleidbaarheid v/h pijpmateriaal

(in Btu/(hr)(sqft)(OFjft)

I Bij toepassing van deze formule moeten we twee veronderstellingen

~

1)

maken, en wel

~ 1) U is op elk punt van de pijpen constant

~, ~. 2) de soortelijke warmte is constant

/ ~f Dit zullen we dan ook verder aannemen.

Jl

. Voor de berekening van de filmco@fficient aan de cumeenzijde

van de pijpen maken we gebruik van de formule van Dittus-Boelter:

k D 0.8 (~0.3

h = 0.0225

TI

x ( . v . s) l { )

,~

In deze formule is

k

=

thermische geleidbaarheid van het cumeen in

B.t.u./(hr) (sqft)(OF/ft) D = D.v.s. ...-v' = ~

-k -c

=

diameter van de pijp in ft

Reynolds getal voor stroming in de pijp

Prandtl getal.

soortelijke warmte van het cumeen.

Alle factoren in deze formule zijn bekend met uitzondering

van de thermische geleidbaarheid van het cumeen.

Ook de literatuur geeft hiervoor geen waarde op en wij zijn

er daarom toe over gegaan om de geleidbaarheid t,e berekenen met

behulp van de formule van Smith (vgl Mc Adam p,20)

1/3 ~9

K

=

0.00266 + 1.56 ,(c - 0.45)3 + 0.3 (:) + 0.0242

~

De letters hebben de 'gebruikelijke betekenis, M is het

mole-culaire gewicht.

Het soortelijk gewicht is hier uitgedrukt in g/cm3 (voor

cumeen bij 200 _{C dus 0.862)}

~ is uitgedrukt incentipoises .

k vinden we in B.t.u./ (hr)(sqft)(OF/ft)

Bij 200 C vinden we

C

= 0.40 ~= 0.79 s = 0.862 M

=

120

~

k

=

0.085 Bij 400 C c

=

0.40 /"'" = O. 612 s ='0.845 M

=

120

~

k= 0.084

..

'r

~~-- - - -- - - ,

10 -.

Daar we'k in het ;algemeen als lineair met de temperatuur verlopend mogen beschouwen vinden we voor extrapolatie naar

850 _{C K}

₌

_0.080.

Deze waarde zullen we voor de berekening van de filmco~ff. dan ook gebruiken.

'- 0.080

n_i

=

0.0225 x y12 x 0.824 x (5170)°.8 (0.40 _0.080 x 1.04)°·3

=

_~

40~2

B.t.u./(hr)(sqft)(OF)

Voor de 'berekening van de filmco~fficient aan de koelwater zijde gebruiken we practisch dezelfde formule, alleen is hier de macht van het Prandtl getal 0.4, omdat het water in tempera-tuur stijgt, dus

h = 0.0225

t

(Re)0.8 (Pr)0.4

Voor D nemen we 4 x de hydraulische diameter 4 x 0.0351 6.471 . k

=

0.33. B.t.u./(hr)(sqft)(OF/ft)

-'

0.330 0.8 ho

=

0.0225 x 4 0.0351 x (364~) x 6.471 (1.0 x 1_0.330 ,.94)°·4 _-_ 503 -B.t.u./(hr)(sqft)(oF)

De overall.co~fficient berekenen we nu met behulp van de

gevonden _{waarden van ho en hi uit de reeds gegeven formule}

u

= 1 Do 1 .1 51

D

Do

1 =--....,.;;,.- + 0 log _ + _ Di

n

_i k Di ho Do

=

y12 x 1 .05 ft

D.

=

y12 x 0.824 ft ~ k

=

26.2 B.t.u./(hr)(sqft)(oF/ft) h, = 40.2 B.t.u./(hr)(sqft)(OF) ~ ho = 503 B.t.u./(hr)(sqft)(oF) Dus U

=

1 = 1.05 + 1.151 x 1.05 log 1 :05 1 0.824 x 40.2" 26.2 0.824 + 5(jj

Berekenen we nu met behulp van deze waarde van de overall-co@fficient het benodigd koelend oppervlak dan vinden we daarvoor

A

_.

₌

_25.9 413.900 _{x 70.0}

₌

228 _{s q .} ft

Dit is dus aanzienlijk groter dan we eerst met behulp van de voor U aangenomen waarde van 75 hebben gevonden.

De eenvoudigste manier om de koeler aan de gestelde eisen te laten voldoen äs nu vergroten van de lengte.

Per ft lengte bedraagt het oppervlak van 72 7'4" pijpen ' 72 x 0.275

=

19.8 sqft

-

,

- 11

-De lengte van de koeler moet dus ziJ'n 228

19.8 =

De koeler heeft dus 4 shell-passes 4 tube passes

72 stuks

1

4"

pijpen Steek 15/16"

Shell size 10"

Lengte 11.5 ft

..

.9

,

'

..

..

LIJST VAN

AFKORTINGEN EN

SYMBOLEN

q

=

overgedragen warmtehoeveelheid per uur

A = oppervlak

u

= overallco~fficient h

=

filmco~fficient D

=

diameter (eventueel

=

4 r_H) v

=

lineaire snelheid s = soortelijk gewicht ~ = viscositeit k = thermische geleidbaarheid r_H = hydraulische straal

c

=

soortelijke warmte cumeen

w

= gewioht

oumeen

~t = temp.daling cumeen

~tm

=

logarithmisoh gemiddeld temp.versohil

Re

= Reynolds

getal

=

D.v.s

..

LITERATUURIJIJ ST

1. V.N.lpatiev, B.B.Corson, H.Pines J,ourn.Am~ChelJl.Soe.58,919(1936)

2. U.S. Patent r- ' ,.

3. U.S. Patent . (

4. Brit.Patent

5. Brit.Patent ._ J . '

6. P.H.Groggins

7.

S.R.Mo Allister, J.Anderson

E.F.Bullard 8. Anon 9. Perry J. 10. Me Adams 11~ N.de Kolossovskii 12. J.N.Geist, M.R.Cannon • 21+05874 (1946) 2431328 (1946)

56

3142 (1944) 579 781 (1946)

Unit Proeess8s in organie

synthesis 2n Ed (1938) p. 497, 527.

Chem.Eng.Progress 43,189(1947) Petr.Proeessing 2,300 (1947)

Chemical eng.handbook 2nd ed.

Heat transmission

Compt.rend.198 1394-5 (1934)

Ind.Eng.Chem.Anal.Ed

ct (OO_c) s O.~29

]

d C2C~) = 0.862 dC!0t) .. 0.815':, d (iS~J .. 0.806.

~

40 Sl 60 'JO

'0

l

.J ____ L _