Fabrieksschema vor de fabricage van Freon 21

! 1 . .J I

I

_I ,

I

I

I:

i ' II rl I I _{\ .} , i I, I, I, I " _'I I, ~ < \'

•

...

i' ~ -

_._-

- - - - -- -- - - -- -

--...---k~

,

I

j

I . i

FABRIEKSSCHEMA VOOR DE FABRICAGE VAN FREON 21

• -.'~ \ H.TALSMA ==z======= - _ . _

-(

I

.& ,

"

..

1

Fabrieksschema voor de fabricage van freon 21.

Onder de naam freon wordt een groep fluor-chloor-alkanen verstaan die sedert 1930 een steeds belangrijker plaats innemen in de groep der koelmiddelen.

Deze verbindingen worden onderscheiden door een cijfer-code. Het

eerste~ijfer

geeft aan het aantal niet halogeen

ato-men per ~oolstofatoom inclusief dat koolstofatoom, ter~jl het laatste cijfer het totaal aantal fluor atomen aangeeft.

De belangrDkste vertegenwoordiger is het dichloor-difluor

methaan of freon 12.

Hier zal worden behandeld de fabricage van dichloor-fluo

r-methaan of freon 21.

Aan welke eisen zal het ideale koelmiddel moeten voldoen i

Ie grote verdampingswarmte gecombineerd met een klein soorte

-lijk volume; goedkoop;

y-~

grote stabiliteit, kleine reactiviteit, niet corroderend; reukloos en niet giftig;

niet brand of explosie gevaarlijk met het oog op eventuele lekken.

Nu blijkt dat de groep der fluor-chloor alkanen voor spe-ciale doeleinden~eter aan bovengenoemde eisen voldoen dan de tot dusver bekende koelmiddelen zoals ammoniak, methylchloride,

methyleenchloride, zwavel dioxyde enz.

verdampingswarmte specifiek volume van de

koelmiddel bij -1.1100 in gcal!g verz.damp bij -1.1100 in m3!kg NH 3 302.7 0.3012 S02 90.211 0.2236 i.'

o

012F2 37.14 0.0586 OH 3Cl 97.167 0.175

. Uit bovenstaande tabel blDkt dat freon 12 wat verdampin@r

•

.- - -

-2

(1/9

van die van ammoniak) maar dat dit ten dele gecompenseerd

wordt door een zeer laag specifiek volume van de verzadigde damp (1/6 van die van ammoniak) zodat de hoeveelheid verplaat

-ste damp slechts weinig groter is

(1.53

X die van ammoniak). In het geval van 802 en CH

3Cl zelfs kleiner.

Een nadeel is dat de koelmiddelen der freon groep veel

duurder z~n dan de tot dusver gebruikte. De freon groep voldoet aan de eisen

3

t/m

5.

Dit is zeker niet het geval met de overige koelmiddelen.

Het is dan ook niet te verwonderen dat freon 12 een be-langrijke plaats heeft ingenomen bij de koelmiddelen voor huis-houdkoelkasten en koelmachines aan boord van schepen en in openbare gelegenheden.

Voor de kleine koelmachines heeft freon 12 het voordeel van het grotere volume koelmiddel zodat de smooropening groter kan zijn en minder last van verstopping geeft terMjl het tevens gemakkelijker te regelen valt, zodat deze goedkoper te constru-eren zijn dan dié koelkasten die ammoniak als koelmedium ge-bruiken.

Tevens wordt freon 12 als verdeelmiddel van insecticiden gebruikt.

Freon 12 leent zich goed voor koelmachines van het normale

druk type, terMjl freon 114 en 21 zich bij uitstek lenen voor koelmachines met roterende compressoren en freon 11 gebruikt wordt in centrifugaal compressoren.

De ontwikkeling van koelmachines met de laatste 2 types van compressoren die een koelmiddel met klein specifiek volume

vereisen, zal de vraag naar freon 114, 21 en 11 zeker stimule-ren. Van deze

3

is freon 11 de belangrijkste.

Mj behoeven echter niet te verwachten dat de freon groep

een vooraanstaande plaats in de rij der koelmiddelen zal kunnen

veroveren aangezien de prijs daarvoor veel te hoog ligt.

Om

tot een bepaling van de grootte van onze freon fabriek te komen hebben we de pnoductie nagegaan.

•

3

Deze is in U.S.A. 1) 2) van 3250 ton in 1937 tot 7040 ton in 1942 gestegen.

In Duitsland 3) bedroeg de productie 280 ton freon 12 en 15 ton freon 11 per jaar.

De Kinetic Chemicals Inc., Wilmington (Del.) U.S.A. nemen een belangrijke plaats in de fabricage van freonen in.

Bereidingsmogelijkheden van fluor chloor alkanen.

In het algemeen worden deze verbindingen bereid door in-werking van fluorwaterstofzuur op een alkylchloride met behulp van een katalysator waarbij substitutie van een chlooratoom door een fluor atoom optreedt onder afsplitsing van zoutzuurgas.

CHC1

3 + HF ~ CHC12F + HCl CHC12F + HF ~ _CHCIF2 + HCl

Als katalysator wordt 5 waardig antimoon als chloride of fluoride gebruikt of antimoon trichloride met chloorgas 4)

5)

6) 7)

Een nadeel is de vluchtigheid van het 5 waardige antimoon halogenide zodat gemakkelijk leidingen verstoppen.

Daarom wordt er soms de voorkeur gegeven aan een kool ka-talysator al of niet geactiveerd 8) 9) 10).

In de patent literatuur wordt zowel de continue werbcijze als het "batch" proces vermeld. De l.G. te Hoechst 3) werkte volgens de laatste werkMjze, die ongeveer op het volgende neerkwam:

In een autoclaaf werden het fluorwaterstofzuur, het alkyl chloride en de katalysator gebracht.

Als katalysator werd antimoon trichloride en chloor ge-bruikt daar het pentachloride te onstabiel was.

In het geval van freon 12 verhitte men tot 1000 C en

hielt de druk constant op 30 at. door voortdurend aflaten. Het ontwjkende gas bestaande uit zoutzuurgas,freon en tetrachloor-methaan werd gewassen met loog, gedroogd en onder druk gefrac-tioneerd.

Na het beëindigen van de reactie (na 8-12 uur) werd de

4 Deze methode heeft tot gevolg dat meerdere producten kun-nen ontstaan nl. freon 11, freon 12, freon 13 en eventueel freon 14. CC14 + HF ~ CC1 3F + HCl freon 11 CC1 3F + HF ~ CC12F2 + HCl freon 12

Daarom heeft men een andere methode 11) uitgewerkt waarbij eerst alle aanwezige chlooratomen van het alkylchloride

ver-vangt door fluor en dit daarna gaat chloreren. CH2C12 + 2 HF ~ _CH2F2 + 2, HCl CH2F2 + 2 _C12 ---4 _CC12F2 + 2 HCl freon 12 CH 3Cl + HF ~ CH3F + HCl CH 3F + C12 ~ CH2CIF + HCl freon 31 C~CIF _{+ C12} ~ _{CHC12F+ HCl} freon 21 ---?) CC1 3F + HCl freon 11

Deze methode lijkt voor freon 12 aantrekkelijk daar men

di-rect het juiste aantal fluor atomen invoert en daarna door zwa-re chlozwa-rering alleen fzwa-reon 12 verkr~gt.

Voor de bereiding van freon 21 lijkt ons deze methode minder geschikt daar wij een mengsel van 3 freonen zullen krijgen. Verder

geeft het patent geen feitelijke gegevens.

Conclusie.

1 Productiecapaciteit.

ilij gebrek aan een marktanalyse lijkt ons, bovenstaande pro-ductiecijfers in aanmerking genomen, een capaciteit van 300 ton freonen niet onredelijk.

2 Assortiment.

Ongetw~feld zal verreweg het grootste gedeelte van de

pDO-ductie bestaan uit freon 12.

~j zullen echter al die freonen maken waarnaar vraag

be-staat; zo zullen freon 11, freon 21 en freon 114 niet ontbreken, te meer daar de productie hiervan analoog verloopt.

5

3

WerkMjze.

Een kostprijs berekening zal moeten leren of ~j in batch

of continu zullen werken.

Wel kunnen ~j enige punten aanstippen.

~j het batch proces zal de apparatuur enige tijd leegstaan.

~j

de l.G.

3)

werd dit op

25%

geschat.

De omschakeling van de productie van het ene freon op een

andere gaat bij een batch proces eenvoudig. Ook bij een continu

proces zal dit geen moeilijkheden opleveren.

Een voordeel van de continue wer~jze is dat het proces

beter in de hand te houden is en dus dat steeds de optimale reactie omstandigheden gehandhaafd blijven. Verder kan de appa-ratuur kleiner zijn,echter worden de kosten voor regelappaappa-ratuur hoger en drukken relatief zwaar omdat de productie slechts

klein is. Deze kleine productie heeft tevens tot gevolg dat de

stabiliteit van het proces moeilijker te bereiken valt.

~j hebben onze keus laten vallen op het proces uitgaande

van chloroform met fluorwaterstofzuur met als katal~sator kool.

Hieraan kleven niet de bezwaren van antimoon, terwijl het

goed-koop is in tegenstelling tot antimoon.

Het gebruik van een koolbed impliceert een continue werk-wijze, daar de dampen van de reagerende stoffen hierover geleid worden.

Ook de zuivering van het product van zoutzuur en

chloro-form geschiedt continu evenals de condensatie. Voor freon 12

hadden wj ons een continu destillatie gedacht. Deze is echter

niet mogelijk voor b.v. freon 21 daar ~j hiervan slechts kleine

hoeveelheden tegelijk maken b.v. 1 ton en dus de insteltijd voor

de continue destillatie veel te lang zou ~jn.

~j zullen dit dan ook in batch destilleren.

Als grondstoffen hebben ~j nodig fluorwaterstofzuur en

chloroform.

In een ander gedeelte van dit rapport zal de Heer M.Poons de bereiding van chloroform behandelen.

- -- - --- - -

-..

•

6

Fluorwaterstofzuur.

De freonfabriek heeft HF als grondstof nodig. Wanneer wij

ons baseren op een productie van 300 ton freon 12 per jaar, dan

hebben ~j ruim 100 ton watervr~ HF nodig.

Een grote roterende oven levert totaal 2400 ton HF per

jaar 16). De meest economische

werk~jze

is om tenminste 2

ovens ieder met een volledige condensatie en absorptie

inrich-ting in bedr~f te hebben. Dit ver~ekert een continue productie

en een grotere aanpassingsmogelijkheid, wanneer er een of ander onderdeel van de apparatuur uitvalt, hetgeen vaak voorkomt door de grote corrosiviteit van HF •

Wanneer ~j dus een freon fabriek zullen opzetten, zullen

w~ watervrD HF kopen, daar dit voordeliger zal z~n dan een te

kleine HF fabriek uitsluitend voor eigen gebruik te bouwen. Mj zullen echter van de veronderstelling uitgaan dat mj een grote HF fabriek willen bouwen, b.v_ twee ovens met een totale capaciteit van 4800 ton HF per jaar en daarbD een zeer gering gedeelte (b.v. 100 ton watervrij HF per jaar) aan onze

. freon fabriek zullen leveren.

Toepassingsmogelijkheden.

De grootste hoeveelheid HF wordt gebruikt voor bereiding van metaal-fluoriden en van synthetisch kryolith Na

3

AIF6

-Verder dient het voor:

1) het etsen van glas, het bevrQden van zand van gietstukken en het reinigen van grafiet;

2) de electrolyse van fluor;

3) het voorkomen van ongewenste gistingen bij de alcohol

fabri-cage;

4) de bereiding van organische stoffen b.v. freonen, teflon, fluorbenzeen enz.;

5)

De bereiding van waterstof peroxyde.

Proces.

Dit berust op de inwerking van geconcentreerd zwavelzuur

op calcium fluoride hlj verhoogde temperatuur, waarbij het

oncon-denseerbare deel in water geabsorbeerd wordt.

~ _{Ca F2} + 2 HF Grondstoffen.

Als grondstof neemt men geco H2S04

(98%)

en vloeispaat.

Het mineraal vloeispaat bestaat hoofdzakelijk uit CaF 2• Meestal komt het voor verontreinigd met kwarts. Hiervan wordt het gescheiden door flotatie.

Eisen waaraan vloeispaat moet voldoen voor de bereiding van ge c. HF.:

1) Het gemalen product moet zeef 170 (mesh per inch) kunnen passeren. Hoe fijner het product is, hoe gemakkelijker het H2S04 kan inwerken.

7

2) Het product moet zeer droog ~jn. Daartoe passeert de

gema-o

len vloeispaat een roterende oven die op 500 C gestookt wordt met generator gas 16). De gassen worden eerst om en daarna door de oven geleid. Tevens verbranden nu de

organi-sche stoffen (b.v. oleine) die geadsorbeerd zijn tijdens de flotatie. Olelne is n.l. een hulpstof b~ de flotatie.

In-dien dit niet gebeurt, zet de oleine zich af in de absorp-tie torens en veroorzaakt moeilijkheden, speciaal bij de be-vochtiging van de "natte wand" absorptie-torens 15).

3) Het gehalte aan CaF₂ in de gebruikte vloeispaat moet hoog zijn, b.v.

99%.

Het gehalte aan Si0₂ dient zo laag mogelijk te zijn, b.v. 0.3%, daar anders te veel SiF4- ontstaat

Si02 + 4 HF ~ _SiF4 + 2 H₂0

dat evenals HF gasvormig is, ter~jl tevens het gas natter wordt.

Carbonaten dienen afwezig te ~jn daar het gevormde CO₂ het HF verdunt.

Verontreiniging in de vorm van zwaarspaat (BaS04-) stoort niet.

Voeding.

De voeding geschiedt zodanig dat 5% boven de theoretische hoeveelheid H₂S04- genomen wordt.

- - -

--- -- -

---8

b.v. 10% H2S04 veroorzaakt een moeilijk te verwerken pasta 14) Voormenger.

In de voormenger worden de afgemeten hoeveelheden vloei-spaat en H

2S04 gemengd, voordat deze in de retort gaan. Het voordeel is dat de oven korter kan ~jn, daar de menging reeds buiten de oven is geschied.

In de practijk blijkt het een voortdurende bron van moeilijk-heden geweest te ujn 16).

Ovens.

1) Discontinu.

Deze werromjze is practisch geheel verlaten

13) 16),

daar het legen van de oven met zeer veel moeilijkheden gepaard gaat.

Tevens is het een langdurig proces, wegens de slechte warmte-overdracht. Ook kan met deze methode geen hoog geconcentreerd zuur verkregen worden.

2) Continu. Voordelen:

a) weinig arbeidskracht; b) korte reactieduur;

c) gelijkmatige gasontwikkeling;

d) korrelige toestand van de massa in de retort, dus gemakke-lijk te verwijderen;

e) besparing brandstof verbruik. A roterende ovens.

Deze worden vrij veel toegepast, maar de practijk 14) heeft geleerd dat deze de helft van de tijd moeten stilstaan voor het verrichten van reparatie?s.

B stilstaande ovens.

Hierin geschiedt de menging door een worm, terwijl deze tevens het transport van de massa door de hellende oven bewer~ stelligt. Een voordeel van de stilstaande boven de roterende oven iS,dat het gasdicht afsluiten veel eenvoudiger is.

Dit type dat zeer goed voldaan heeft 12), hebben wij dan ook gekozen.

- -- -

-9

De oven is van staal dat door het gebruik bekleed wordt met een laag calcium sulfaat. Verdere aangroeiIng wordt voorko-men door de worm die 4 omw./min. maakt.

De voeding van de oven geschiedt door een worm die de

mas-sa bestaande uit gemalen vloeispaat en geco H_{2S04 naar binnen}

perst en zo voor een gasdichte afsluiting zorgt.

Op dezelfde Mjze wordt het calcium sulfaat ver~jderd.

Dit bevat ongeveer 4% B2S04 en 2% _{OaF2 •}

Het calcium sulfaat wordt in een kogelmolen gemalen en met een dertig voudige hoeveelheid water gespuid.

Ook is het mogelijk het calcium sulfaat als gips (bouwmate-riaal) te gebruiken. Daartoe wordt aan de vloeispaat 3% alumi-nium sulfaat toegevoegd 15).

De oven wordt zodanig gestookt dat de temperatuur geleide

lijk oploopt van 1150 0 aan de vulopening tot 3200 C aan het

einde van de oven.

In het gehele systeem wordt een zo gering mogelijke onder-druk (b.v. 4-6 m.m. water) gehandhaafd door een waterinjecteur om lekken van HF naar buiten te voorkomen.

Het gas kan men zowel aan het begin als aan het einde van

de retort afnemen 18). Indien dit

b~

de vulopening geschiedt

is het gas reeds gedeeltelDk afgekoeld en zal minder stof en zwavelzuurnevel bevatten.

De samenstelling van het gas in gew.% is b.v. als volgt:

80% HF, 10% ~O, 5% ~S04 _{nevel, 1% SiF4 , 1% FS03H, terwijl de}

rest oncondenseerbare gassen ~jn zoals N₂, 02 en 002'

Verder komt er nog een hoeveelheid stof in het gas voor. Stofvanger.

Het HF verlaat de oven met een temperatuur van + 2000 C

en komt dan in een stofvanger. Dit kan &jn een soort oven

aan de reactie oven 16), een grote stalen kast 16) of een kola

16) 18) al of niet gevuld. Wij zullen hier een kooks gevulde

kolom kiezen, Hierin zet zich behalve het stof ook de

10

Het is bevreemdend dat Mj op deze plaats geen Cottrell

installatie hebben gevonden.

Soms wordt voor de droging van het gas een w~storen met geco H2S04 gebruikt. Hierdoor stijgt echter het gehalte aan FSOaH sterk 18).

Condensatie-inrichting.

Het gas dat de stofvanger verlaat wordt nu met een water-koeler gekoeld tot 250 C (kpt. van HF is 19.20 C). Deze koeler levert 80% HF verontreinigd met H2S04 en H2SiF6 •

In wa terig milieu: SiF 4 + 2 HF ~ ~SiF 6

Het gas dat de waterkoeler verlaat is nog verontreinigd

met SiF₄ en weinig water.

Hoe lager de temperatuur van de waterkoeler is hoe minder

waterdamp er in het HF aanwezig is dat de koeler verlaat.

Het HF wordt nu gecondenseerd in een pekelkoeler die op

-15

0 C gehouden wordt. Het is nu mogelijk

99-99.5%

HF te winnen, dat direct geschikt is voor de freon fabricage.

Een gedeelte van het nog aanwezige SiF

4 zal in het HF oplossen, vandaar dat een laag kwartsgehalte van de vloeispaat van het grootste belang is.

Beide condensinrichtingen kunnen van staal zijn. Absorptie-inrichting.

Het oncondenseerbare gas, dat de pekelkoeler verlaat met

_100 C wordt in tegenstroom door 2 absorptietorens geleid.

Deze worden gekoeld met water of pekel of het rondgepompte zuur wordt gekoeld.

Wij kiezen hier sproeitorens voor, daar de "natte wand" absorptietorens last kunnen hebben van olerne dat zich op de wand afzet (zie pag.

7).

Deze torens kunnen met lood of met blokken kool

13)

be-kleed zijn. Het SiF4 wordt in deze torens voor een groot ge-deelte omgezet in ~SiF6.

- - - - -

-11

Aan het einde van het systeem bevindt zich de waterinjec-tor die voor een onderdruk in het gehele systeem zorg draagt.

Het is duidelijk dat de zuiverheid van het geproduceerde

HF en ook de hoeveelheid

99%

HF sterk afhangt van het gehalte

aan CaF2 in de vloeispaat. Zo zal het bij een hoog kwartsgehalte

(b.v.

3%)

nodig z~n om het gec. HF te destilleren.

Daar SiF4 veel vluchtiger is dan HF zal deze scheiding niet moeilijk zijn.

Eventueel H

_{20, H2S04}

en

FS0

3

H blijft in de pot achter.

Schema.

De fijn gemalen en voorgedroogde vloeispaat wordt automa-tisch afgewogen en via een kaar (1) door een worm in een

ge-sloten buis (5) naar de oven (6) ~ebracht.

Het zwavelzuur wordt uit een tank (2) door een doseerpomp

(3) met verstelbare slag in de buis (5) gebracht. Een

windke-teltje (4) zorgt voor een regelmatige stroom. De buis (5) dient

• ₁₂

De massa wordt door de vaste hellende oven (6) getranspor-teerd door een worm die 4 omw./min. maakt. Tevens zorgt deze voor een goede menging. Aan het einde van de oven word~ het

calcium sulfaat verwDderd door een worm die het naar een kogel-molen (7) brengt waar het met een dertigvoudige hoeveelheid water wordt verdund, om het daarna weg te pompen (8).

De oven wordt met generatorgas gestookt. Een gas-lucht controleur

(19)

zorgt voor de juiste verhouding tussen gas en lucht. De mengkranen (20) van de branders worden gecontroleerd door thermo-elementen die zich in de oven bevinden.

Het gas dat de oven (6) verlaat wordt in een met kooks gevulde kolom (9) ontdaan van stof, zwavelzuur-nevel en fluor-sulfonzuur. Het condensaat kan weer in de oven terug vloeien.

Het gas wordt vervolgens in de regenkoeler (10) van karbBte

afgekoeld tot

25

0

c.

Het condensaat bestaande uit 80% HF en verontreinigd met H2S04 en _{H2SiF6 wordt} verzameld in een

voor-raadvat (12), vanwaar het gepompt kan worden naar het torentje

(11) dat er voor dient nevels tegen te houden.

De gassen treden nu de buizenkoeler (13) binnen die met pekel van -150 C gekoeld wordt. Hier condenseert

99%

HF dat naar de opslag gepompt wordt.

De gassen worden vervolgens in tegenstroom geleid door 2 absorptietorens (14). In de 2~ toren wordt water gespoten wat via tank (15) en koeler (16) gedeeltelijk gerecirculeerd en voor

de rest gepompt wordt naar de l~ absorptietoren.

Ook hier vindt koeling met gedeeltelijke recirculatie

plaats. Hier wordt _{40% HF geproduceerd verontreinigd met H2SiF6} De oncondenseerbare gassen worden met een water injecteur

(17) afgezogen. Het water loopt via een tank (16) naar de kogel

13

Schema van de freon fabriek.

, . . - - - - --

-Nadat in het voorgaande de productie van freon in het

al-gemeen is beschouwd, zullen wij nu overgaan tot bespreking van

het schema.

Deze fabriek zal hoofdzakelijk freon 12 produceren. Het aantrekkelijke van dit project is echter de grote flexibiliteit. Zonder enige moeite kan overgeschakeld worden op de productie van een ander lid van de freon reeks, door de grondstoffen te

~jzigen en/of de verhouding tussen die grondstoffen te

verande-ren.

Mj zullen ons echter beperken tot de fabricage van freon 21. De grondstoffen, fluorwaterstofzuur en chloroform bevinden zich resp. in voorraad tanks (2) en (4) en worden door

doseer-pompen (3) naar twee buizen gepompt die door electrische

ver-hitting zorg dragen voor de verdamping. Vandaar gaan de gassen

naar de reactor (5) die met een koolbed gevuld is. Deze wordt

door electrische verhitting op 3000 C gehouden. De gassen die

de reactor verlaten bevatten freon 21, freon 22, zoutzuurgàs

en de grondstoffen chloroform en fluorwaterstofzuur. Deze wor- I

den gevoerd naar een koeler (6) voorzien van buizen, waar het

gas aan de bovenzijde met 350 C uittreedt. Hier condenseert

ver-reweg het grootste gedeelte van de aanwezige chloroform. Dit wordt via een buffertank teruggepompt naar voorraadtank (4).

De gassen worden nu in tegenstroom gevoerd door 2

absorp-tie torens

(7).

In kuip

(17)

wordt een NaOR oplossing gemaakt

die via koeler (18) naar voorraadtank (8) wordt gepompt.

- - -- -

-/

14

rondgepompt over de 2~ toren ter~jl een gedeelte naar de l~ toren gaat. Dit wordt over die toren rondgepompt (ca 1% NaOH oplossing) ter~jl continu een gedeelte gespuid wordt. Beide voorraadtanks worden gekoeld om de neutralisatiewarmte af te voeren.

Het gas dat de 2~ absorptietoren (7) verlaat, wordt naar eén klein absorptietorentje

(9),

gevuld met vast NaOH, gevoerd.

Hier worden waterdamp en de laatste resten zoutzuur gebon-den. De aflopende vloeistof wordt via tank

(10)

naar de meng er

(17) gevoerd.

Het gas dat het absorptietorentje (9) verlaat, wordt ge-deeltelijk gecondenseerd in een pekelkoeler

(11).

Het condensaat hoofdzakelijk bestaande uit freon 21 met chloroform wordt opge-slagen in een tank (14) die eveneens met pekel wordt gekoeld.

De gassen die de koeler (11) verlaten passeren eerst een gedeelte van de kolom (12) dat met Raschig ringen gevuld is. Dit dient om de druppels die het gas meevoert, tegen te houden.

De koeling geschiedt in 2 trappen om de compressor te ont-lasten. De aldus beschermde 2 traps compressor comprimeert het gas tot 8 at. waarna het geheel gecondenseerd wordt in de pe-kelkoeler

(13).

Het condensaat dat hoofdzakelijk zal bestaan uit freon 21 en freon 22 wordt in een voorraadtank (14) opgeslagen.

Eventuele oncondenseerbare gassen zoals hoger gefluoreerde verbindingen kunnen aan de bovenujde van de koeler

13

ont~jken. Deze zullen echter in zeer kleine hoeveelheden gevormd worden.

Door de condensatie in 2 trappen is reeds een gedeeltelijke scheiding tot stand gebracht. De zuivering van de producten zal door destillatie geschieden. Wanneer ~j freon 12 fabriceren zal de destillatie continu geschieden.

In het geval van freon 21 wordt discontinu in kolom (15) gedestilleerd, daar de hoeveelheden veel kleiner ujn.

Freon 21 en freon 22 worden in voorraadvaten (16) opgesla-gen, die met pekel gekoeld worden. Voor het geval dat de koe-ling mocht uitvallen ujn deze vaten geperst op 15 at.

.---:

I

15

Berekening van een "batch" destillatie kolom.

Wanneer een batch destillatie kolom onder constante reflux

verhouding werkt dan krijgen Mj als destillaat een product van

steeds wisselende samenstelling en wel zal in het begin het

percentage van de vluchtigste component het grootst cijn en zal

dit gedurende de destillatie steeds afnemen.

Mj wensen echter een product van constante samenstelling

te verkrijgen. Dit kan bereikt worden door de refluxverhouding

R tijdens de destillatie voortdurend op te voeren tot b.v. R

=

10.

Dit zal ongeveer een economische grens betekenen, daar bij

hogere R de ~ijd nodig om een bepaalde hoeveelheid product te

verkrijgen zeer snel zal stijgen (tot 00 ) .

Daarbij stijgt de hoeveelheid gebruikte energie per

hoeveel-heid destillaat bij hogere R ook zeer snel (tot 00 ) . Het doel

dat ~j ons dan ook gesteld hebben is om de tijd uit te rekenen

die nodig is om een hoeveelheid voeding bestaande uit 3

compo-nenten door middel van een drie componenten batch destillatie

in

3

fracties te scheiden.

Bogart 19) heeft dit probleem uitgewerkt voor een binair

stelsel.

Materiaal balans van de lichtste component:

Hierbij wordt de holdup van de kolom verwaarloosd.

(1)

X ::I

s mol fractie van de lichtste component A na tijd 9

D

=

M xf - Xs (2)

f xp _{- Xs}

P is de snelheid waarmee de totale hoeveelheid destillaa~ D

wordt gedestilleerd. Na differentiëring van (2)

d D (xp - xf) d X_s P

=

dë

= -

~ (xp - X

s )2

ëlë""

Materiaal balans over de condensor:

V

₌

0 + P (4)

P

₌

V (1 -

~)

=

V

R + 1

Uit (3) en (5) V R + 1 d

e

=

-Integratie levert: et

=

~

[=

~

xf

CR

+ 1) (Xp -

~2

d Xs (6)

Nu stelt (7) de tijd voor nodig voor de destillatie. De werbrijze is nu als volgt:

16

(7)

Men bepaalt het aantal theoretische schotels dat nodig is voor deze destillatie. In het algaaeen neemt men hiervoor het minimum aantal platen dat nodig is voor de eind conditie van

de destillatie dus wanneer de graad van fractionering het grootste is.

Hiervoor is de methode van Lewis en Matheson 20) gekozen voor de continue rectificatie van een drie componenten stelsel.

~j kiezen dûs een reflux verhouding R bij het einde van de destillatie en berekenen uit de gekozen samenstelling van het bodemproduct

xw

met hoeveel theoretische platen ~j het gewenste destillaat xp verkrijgen.

Met behulp van de methode van "trial and error" trachten

~j nu het verband tussen xsen R te vinden door uitgaande van een hogere concentratie aan vluchtigste component in de ketel en daarb~ gekozen reflux verhouding de vastgestelde xp te be-reiken met het aantal gevonden theoretische schotels.

Na dit ook voor de

Xf

uitgevoerd te hebben, berekenen wij de waarde R + 1 ; zetten deze uit tegen Xs en gaan

gra-(xp - xs)2

fisch integreren tussen xf en xw'

Uit (7) kan men vervolgens V berekenen indien men Mf en et kiest. Kiest men nu nog de dampsnelheid dan is de diameter van de kolom te berekenen.

Omgekeerd kan men ook deze vaststellen en vervolgens et berekenen.

~~--_.-17

Mj zullen nu iets nader ingaan op de methode van Lewis en Matheson.

Hierbij wordt gebruik gemaakt van de wet van Raoult om de coëxisterende vloeistof en damp samenstellingen te bepalen. Deze wet is geldig voor stelsels die mj menging geen volume toe of afname vertonen en tevens geen mengwarmte hebben. Dit geldt in het algemeen voor stoffen die een grote chemische verwantschap bezitten zodat ~j die op het stelsel CHCI

3, CHCl

2F en CHCIF2 wel zullen mogen toepassen •

De T-x en P-x figuren van de 3 binaire stelsels ~jn niet bekend, dus zullen ~j van de wet van Raoult gebruik maken. Een destillatiedruk van

5.5

at. is nog niet zo hoog dat we voor

af-~jkingen hoeven te vrezen. Uit de literatuur vinden ~j de P-T krommen. Mj kiezen een temperatuur en bepalen de totaal druk uit P = x_{a Pa +} xb

Pb

+ Xc Pc·

Met behulp van de methode van "trial and errorlt vinden wij

bij een bepaalde temperatuur dat P juist gelijk is aan de gekozen destillatie druk.

De damp samenstelling y vinden ~j uit: Xc Pc Yc

=

~XP

Men neemt nu aan dat de reflux verhouding in de kolom constant is.

Dit is alleen waar indien: de kolom adiabatisch werkt,

de componenten geen mengwarmte vertonen,

er geen grote temperatuur gradiënt in de kolom is,

en de moleculaire verdampingswarmte gedeeld door het absolute koopkpunt een constante is voor de componenten.

Het verband tussen x en Y vinden we door 3 materiaal ba-lansen voor de

3

componenten. Mj geven hier alleen die voor bo-ven de voedingsplaat daar wij deze alleen gebruiken.

VYam

=

OXam+1 + Pxap VYbm = _{°Xbm+l +} Pxap VYcm

=

OXCm+l + hap

20

I. li

Berekening.

~j hebben 1013.5 kg mengsel bestaande uit:

20 mol

_%

_CHCIF2

70 mol

_%

CHCI2F ~;

10 mol % CHC1 3

Gewenst wordt CHCIF2 zuiverheid 99.5

%

CHCl2F zuiverheid 99.5

%

18

Het bodem product CHC1

3 met b.v. 8.5

%

CHC12F wordt, indien zuiver genoeg, terug gevoerd in het bedrijf, anders eerwt nog ge-destilleerd.

We zullen nagaan of aan de 4 voorwaarden ter vereenvoudi-ging van de berekening is voldaan.

1) Door isolatie is de kolom adiabatisch te maken;

2) de mengwarmten van de componenten zullen gering ~jn door hun grote chemische verwantschap;

3) Uit de volgende berekeningen blijkt dat er een aanzienlijke temperatuursgradiënt in de kolom heerst;

4) de Trouton constante is door gebrek aan gegevens niet te berekenen. P - T figuur P in at. CHCl 3

°c

CHCl2F

°c

CHCIF2

°c

0.05 -7.1 -48.8 -88.6 0.08 +0.5 -42.6 -83.4 0.13 10.4 -33.9 -76.4 0.26 25.9 -20.9 -65.8 0.53 42.7

-

6.2 -53.6 1 61.3 + 8.9 -40.8 1.34 70

---

---1.85 80

---

---2

--

28.4 -24.7 2.47 90

---

---3.20 100

---

---4.08 110

---

---5

--

59.0 + 0.3

.

5.12 120

---

---6.40 130

---

---7.83 140

---

---9.32 150

---

---10

--

87.0 24.0 11.58 160

---

---I

19 vervolg P - T figuur P in at. CHC1 3

°c

CHC12F

°c

CHCIF2

°c

20

--

121.2 52.0 30

--

144.0 70.3 40

--

162.6 85.3 50

--

177.5

---Tc 263 178.5 96.0 Pc

--

51.0 48.7

Voor de berekening van het aantal theoretische platen van een batch destillatie kolom gebruiken ~j de methode van Lewis and Matheson voor het gedeelte boven de voedingsplaat van een continue destillatie kolom.

voeding destillaat residu

mol mol

_%

mol mol

_%

mol mol

%

CHCIF2 2 20 1.579 99.5 0.421 5 CHC1 2F 7 70 0.008 0.5 6.992 83.11 CHC~3 1 10

---

---

I 11.89 10 100 1.587 100 8.413 100 CHCIF₂ balans: 2

=

0.995 D + 0.05 (10 - D) 1.5

=

0.945 D D

=

1.587

~j kiezen voor het gehalte aan CHCIF₂ in destillaat en residu 99.5

%

en 5

1h

Hieruit laat zich de samenstelling van het bodemproduct aan het einde van de destillatie berekenen.

Hiervan uitgaande kan men het minimum aantal theoretische schotels berekenen bij de maximale reflux verhouding. Hiervoor kiezen we R

=

10. Deze zal wel dicht bij de economische grens liggen. Aan het einde van deze berekening komen Mj hierop nog

terug.

_o

R

=

P

=

10 Ym V

=

0 + P

=

11 P

--

₂₀ X_s P 600 Px_{s Ys xl} P47.6° _!'xl CHCIF2 0.05 23.70 1.185 0.2136 0.1354 18.28 2.475 CHC12F 0.8311 5.11 4.247 0.7656 0.8416 3.71 3.122 CHC1 3 0.1189 0.97 0.115 0.0208 0.0229 0.64 0.015 1 5.547 1 1 5.612 Yl x2 P28.4° Px2 _Y2 x₃ Pll.2 CHCIF2 0.4409 0.3854 11.25 4.336 0.7799 0.7583 7.~0 CHC12F 0.5566 0.6117 2 1.223 0.2200 0.2415 1.11 CHC1 3 0.0026 0.0029 0.28 0.001 0.0001 0.0002 0.14 1 1 5.560 1 1 Px3 Y3 x4 P5° Px4 Y4 x5 P4° CHCIF2 5.308 0.9519 0.9475 5.80 5.496 0.9917 0.9913 5.61 CHC12F 0.268 0.0481 0.0524 0.88 0.046 0.0083 0.0086 0.84 CHC1 3

---

I 1 5.542 1 1 5.576 Px5 Y5 CHCIF2 5.561 0.9987 CHC12F 0.007 0.0013 5.568 1

Uit deze berekening volgt dat er 5 theoretische platen nodjg zijn aan het einde van een batch destillatie waarbjj 99.5

%

CHCIF 2 over gaat en 5

%

_{CHCIF2 achterblijft. Door middel van de methode}

b"

van trial en error worden nu Yandere samenstellingen van de inhoud

van de ketel de reflux verhouding gezocht zodanig dat met 5 theo-retische platen een destillaat van 99.5

%

_{CHCIF2 verkregen wordt.}

voeding destillaat residu

mol mol

%

mol mol

%

mol mol

%

CHCIF2 2 20 1.112 _99·5 0.888 10 iCHC12F 7 70 0.006 0.5 6.994 78.74 CHC1 3 1 10

-

-

1 11.26 10 100 1.118 100 8.882 100

'.

CHCIF2 CHC1₂F CHC1 3 CHCIF2 CHC12F CHC1 3 CHCIF2 CHC_12F 21 CHCIF2 balans: 2 = 0.995 D + 0.1 (10 - D) 1 = 0.895 D D = 1.117 10 - D = 8.883 R= !)

o

=5 1 1 Yml = 1.2 xm+l1 + 0.1665 Ym2

=

1.2 _xm+12 + 0.0002 1 Ym3 = 1.2 Xm+13 Xs P53° _&5 Ys xl P37.6° P.x:_{1 Y1} 0.10 20.45 2.045 0.3706 0.2449 14.42 3.532 0.6364 0.7874 4.30 3.386 0.6136 0.7362 2.73 2.010 0.3622 0.1126 0.77 0.087 0.0158 0.0190 0.42 0.008 0.0014 1 5.518 1 1 5.550 1 X2 P18° Px₂ Y2 x3 P7.6° Px₃ Y3 0.5639 8.5 4.793 0.8866 0.8641 6.29 5.435 0.9761 0.4345 1.41 0.613 0.1134 0.1360 0·98 0.133 0.0239 0.0017 0.19

---

--

--

--

-

--

-

-I 5.406 1 1 5.568 1 X4 P4.4° Px₄ Y4 x₅ P4° Px₅ Y5 0.9715 5.69 5.528 0.9955 0.9948 5.61 5.581 0.9992 0.0285 0.86 0.025 0.0045 0.0052 0.84 0.004 0.0008 1 5.553 1 1 5.585 1

voeding destillaat residu

mol mol % mol mol % mol mol % CHCIF2 2 20 0.589 99.5 1.411 15 CHC12F 7 70 0.003 0.5 6.997 74·37 CHC1 3 1 10

---

--

I 10.63 10 100 0.592 100 9.408 100 CHCIF2 balans 2

=

0.995 D + 0.15 (10 - D) 0.5 = 0.845 D D

=

0.5917 10 - D = 9.4083

o

R=])= 3 1 Ym1

=

1.3333 Xm+11 + 0.2498 Ym2 1 1

22 Xs P46.8° P.x:_{s Ys xl} P32.4° Px_{1 Yl} CHC1F2 0.15 17.98 2.697 0.4938 0.3253 12.56 4.086 0.7296 CHC12F 0.7437 3.63 2.700 0.4943 0.6588 2.29 1.509 0.2695 CHC1 3 0.1063 0.61 0.065 0.0119 0.0159 0.34 0.005 0.0010 1 5.462 1 1 5.600 1 X2 Pl5.6° P.x:_{2 Y2 x3} P6.6°

Px

_{3 Y3} CHCIF2 0.6397 7.96 5.092 0.9167 0.88'2 6.10 5.424 0.9812 CHC12F 0.3589 1.29 0.463 0.0834 0.1108 0.94 0.104 0.0189 CHC1 3 0.0013 0.16 1 1 1 1 5.528 1 X4 P4.4°

Px

₄ Y4 x₅ P4° Px₅ Y5 CHCIF2 0.9752 5.69 5.549 0.9962 0.9952 5.61 5.583 0.9993 CHC12F 0.0248 0.86 0.021 0.0038 '0.0048 0.84 0.004 0.0007 1 5.570 1 1 5.587 1

Dezelfde berekening kunnen we ook opzetten voor het begin van de destillatie. R

₌

0 _D

₌

_{2 Yml}

₌

₁1 _{.5 ;Jm+11 + 0.3330} Ym2

=

11 ._{5 Xm+1 2} + 0.0003 Yin 3 1

=

1.5 Xrn+13 P42.4°

Px

_s P28.4° Px₁ 1 Xs Ys xl Yl 1 CHCIF2 0.20 16.23 3.246 0.5878 0.3822 11.25 4.300 0.7801 CHC12F 0.70 3.18 2.226 0.4031 0.6042 2.00 1.208 0.2192 CHC1 3 0.10 0.50 0.050 0.0091 0.0136 0.28 0.004 0.0007 1 5.522 1 1 5.512 1 X₂ P14.4° P.x:_{2 Y2} x 3 P6.6°

Px

3 Y3 CHC1F₂ 0.6707 7.70 5.164 0.9269 0.8909 6.10 5.435 0.9815 CHC12F 0.3283 1.24 0.407 0.0731 0.1092 0.94 0.103 0.0185 CHC1 3 0.0010 0.16 1 5.571 1 1 5.538 1

CHC1F2 CHC12F CHCIF2 CHC12F CHC1

3

CHC1F2 CHC12F CHC1 3 CHCIF2 CHC12F

23

X 4 P4.4°

Px

4 Y4 x5 P4°

Px

5 Y5 0.9728 5.69 5.535 0.9958 0.9942 5.61 5.577 0.9991 0.0273 0.86 0.024 0.0042 0.0058 0.84 0.005 0.0009 1 5.559 1 1 5.582 1

Ook zullen wij _{nog eens nagaan om 2% CHCIF2 in het residu} te verkrijgen hoe groot de ref1ux verhouding moet zijn bij 5 theoretische platen

voeding destillaat residu

mol mol

%

mol mol

%

mol mol

%

CHC1F2 2 20 1.837 99.5 0.163 2 CHC12F 7 70 0.009 0.5 6.991 85.74 CHC1 3 I 10

---

--

I 12.26 10 100 1.846 100 8.154 100 CHCIF₂ balans: 2

=

0.995 D + (10 - D) 0.02 1.8

=

0.975 D D

=

1.846 10 - D

=

8.154 Xs P64° Px_s Ys Xl P53° P.:x: 1 Y1 0.02 25.95 0.519 0.0941 0.0760 20.45 1.553 0.2856 0.8574 5.67 4.862 0.8811 0.8987 4.30 3.864 0.7107 0.1226 1.12 0.137 0.0249 0.0254 0.77 0.020 0.0037 1 5.518 1 1 5.437 1 X2 P35.6° Px 2 Y2 x

₃

P14.4° Ft3 Y3 0.2713 13.66 3.706 0.6662 0.6595 7.70 5.078 0.9233 0.7249 2.56 1.856 0.3336 0.3403 1.24 0.422 0.0767 0.0038 0.38 0.001 0.0002 0.0002 0.16 1 5.563 1 1 5.500 1 X₄ P5.6° Px_{4 Y4} x 5 P4° Px5 Y5 0.9218 5.91 5.448 0.9873 0.9871 5.61 5.538 0.9980 0.0782 0.90 0.070 0.0127 0.0130 0.84 0.011 0.0020 1 5.518 1 1 5.549 1

I (x p I • R+1

r

- - . j .. _ _ _ J_ L_., _ I , I • I ~-+_+--,._ t_~_~_ ï - I ~..L-;..;.-+--...j.C...-i '-~ _I .. I E

+--+--~--:-~-r--i

I ..

---t -+ --. t~ -- ' ''-'~t:-- -, I " :'-. -- 'i-I r" , ! f-- . . ~ =. 1.

,6"28

~S l ..; 0.,-2Q:,

f

;

fi+1 I P . f "- )2

"x

-

X'

o

,

O~ -,. -p s . 0,10 ( 0,15 T -~ - i --:-/ ! ~__ l , I ,--'--" , I _L __ , I'-"-~ ! - ' 71 ! . I .. '. -T---;T-ï~'

.-

+---:'-i'''~'i~~'

--t---t·-

. '" . . . .t _. ---' __ . 1 • I I _t ' _{_.} 1 .• '-r--" .ol:L 0,20

24

Door bovenstaande berekeningen hebben ~j het verband

tus-sen R en

X

s

gevonden en kunnen nu de integraal m&t

verge-lijking (7) grafisch integreren.

~~j zullen dit doen voor ~

=

0.05 en ~

=

0.02

R + 1 ~ R _{(Xp - x s)2} 0.20 2 4.70 0.15 3 5.55 0.10 ₅ 7.42 0.05 10 12.21 0.02 50 53.33

Uit b~gaande grafiek volgt:

ll+l - - = - = --2 d Xs (xp - xs)

=

1.043

J

O•20 0.05

J

O•20 R+l --~~--2 d Xs

=

1.628 (xp - xs) 0.0 Mf

j

X

f R+l

et

=

V

(xp - xf) ( _ ) xp Xs ~

et

=

10 0.799 . 1.043

=

8.334 1 y V

et

= 10 0.799 • 1.628 2 V

=

13.01 V

Wij vinden dus dat de tijd om van 5% tot 2% CHCIF₂ in het

residu te komen meer dan de helft bedraagt van de tijd voor de

destillatie van 20% tot 5% CHC_{IF2 in het residu}. Dus l~kt een

reflux verhouding van R

=

10 een redel~ke economische grens.

Een andere vraag is of 5% _{CHCIF2in het CHC12F wat we nu}

gaan destilleren niet te veel is. Laten we allereerst nagaan

tot welke Xw we theoretisch kunnen komen b~ R

=

10, m.a.w. wat

is de x van het srojpunt van de evenwichtslijn met de werklijn

voor R = 10 ?

Om dit op te lossen vatten ~j het stelsel binair op wat

---

₂₅

Voor de werklijn geldt: y =mx+b

R + 1 Voor de evenwichtslijn geldt:

Y

=l+(

"'

~l)X

ti...

=

relatieve vluchtigheid. ti x m x + b

=

1 + (0( - 1) x

~

=

~

=

4.577 10 0.999 _ 4.577 x 11 x + 11 - 1 + 3.577 x 3.252 x2 - 3.343 x + 0.0908

=

0 x

=

0.028

Dus bij R

=

10 is x

=

0.03 de practische grens.

Om deze te verwezenlijken moeten wij 1 à 2 theoretische pla-ten toevoegen.

Indien we met het residu van deze destillatie geen genoe-gen kunnen nemen, en dat is waarscmjnlijk, want 5% CHCIF2 in ons destillaat van de 2~ destillatie zal de dampspanning van het CHC1₂F te sterk verhogen, staan ons verschillende wegen open om de hoeveelheid CHCIF2 te verMjderen.

1) Werken met hogere reflux verhouding ten koste van veel energie per mol destillaat en veel tijd (zoals uit voor-gaande berekening is gebleken voor Xw

=

0.02), eventueel

gecombineerd met 1 of 2 extra theoretische platen.

2) ~j de CHC1

2F destillatie een voorloop afnemen van b.v. 50% CHC1 2F en 50% CHCIF2 , dat bij een vOlgende voeding ge-voegd kan worden.

Welke we van deze methoden zullen kiezen is een kwestie van kostprijsberekening die buiten dit bestek valt.

Destillatie van CHC12F.

Mj gaan uit van 8 kg mol voeding.

Hierbij veronderstellen we dat het CHCIF2 met de voorloop practisch ver~jderd is, ter~jl de destillatiedruk gehandhaafd blijft op 5.5 at.

voeding destillaat residu mol

%

mol

%

mol

%

CHC12F 87 99.5 8.54

CHC1

3

13

0.5 91.46

CHC12F CHC1

3

CHC12F CHC1 3 CHC12F CHC1 3 CHC1₂F CHC1 3 CHC1₂F CHC1 3 26

Op dezelfde ~jze als b~ de vorige destillatie gaan we het verband tussen R en x na b~ 5 theoretische platen.

X_s P66.8° 0.87 6.11 0.13 1.24 1 , x 2 P64.8° 0.9465 5.8 0.0534 1.15 1 x4 P64° 0.9833 5.67 0.0167 1.12 1

o

R = D = 1 Xe P76° 0.6394 7.7 0.3606 1.63 1 x 2 P66.8° 0.8952 6.11 0.1048 1.24 1 1 Yml =

3

xm+l l + 0.6660 Ym2 :

~

xm+12 + 0.0007 Px_{s Ys xl} P65.6° 5.316 0.9706 0.9138 0.161 0.0294 0.0861 5.477 1 1 Px_{2 Y2} x 3 5.490 0.9890 0.9690 0.061 0.0110 0.0309 5.551 1 1 P.x: 4 Y4 x5 5.575 0.9966 0.9918 0.019 0.0034 0.0081 5.594 1 1 Yml =

t

xm+l1 + 0.4995 Ym2

=

t

Xm+1 2 + 0.0005 Px_s

_Ys

_xl 4.923 0.8933 0.7876 0.588 0.1067 0.2124 5.511 1 1 P.x: 2 Y2 x3 5.470 0.9768 0.9546 0.130 0.0232 0.0454 5.600 1 1 5.93 1.19 P64.4° 5.74 1.14 P63.2° 5.58 1.09 P700 6.62 1.37 P64.4° 5.74 1.14

Px

₁ 5.419 0.102 5.521 P.x: 3 5.562 0.035 5.597 Px₅ 5.534 0.009 5.543 Px 1 5.214 0.291 5.505 P.x: 3 5.479 0.052 5.531 Y1 0.9815 0.0185 1 Y3 0.9938 0.0063 1

Y5

0.9984 0.0016 1 Yl 0.9471 0.0529 1 Y3 0.9906 0.0094 1

27 X₄ P64°

Px

_{4 Y4} x 5 P63.2° P.x:5 Y5 CHC1₂F 0.9822 5.67 5.569 0.9964 0.9938 5.58 5.545 0.9987 CHC1 3 0.0178 1.12 0.020 0.0036 0.0062 1.09 0.007 0.0013 1 5.589 1 1 5.552 1

o

R

=

D

=

0.65

₌

_2.5381 _{5 xm+l1 + 0.60545} 1 = 2.5385 xm+1 2 + 0.0006 X s P700

Px

s Ys xl P66.8° P.x:1 Yl CHC12F 0.80 6.62 5.296 0.9508 0.8767 6.11 5.357 0.9722 CHC1 3 0.20 1.37 0.274 0.0492 0.1234 1.24 0.153 0.0278 1 5.570 1 1 5.510 1 X₂ P64.8° Px_{2 Y2} x

3

P64.4° Px3 Y3 CHC12F 0.9310 5.80 5.400 0.9856 0.9650 5.74 5.539 0.9928 CHC1 3 0.0690 1.15 0.079 0.0144 0.0350 1.14 0.040 0.0072 1 5.479 1 1 5.579 1 X₄ P64°

Px

_{4 Y4} X

s

P63.2° Pxs Ys CHC1₂F 0.9833 5.67 5.575 0.9966 0.9929 5.58 5.540 0.9986 CHC1 3 0.0168 1.12 0.019 0.0034 0.0071 1.09 0.008 0.0014 1 5.594 1 1 5.548 1

o

R = D

=

1.6 X s P84°

Px

s Ys xl

P75°

P.x:1 Y1 CHC12F 0.47 9.30 4.371 0.7994 0.6747 7.53 5.081 0.90011 CHC1 3 0.53 2.07 1.097 0.2006 0.3253 1.58 0.514 0.CB19' 1 5.468 1 1 5.595 1 X₂ P68°

Px

_{2 Y2} x₃ P64.8° P.x:_{3 Y3} CHC1₂F 0.8513 6.30 5.363 0.9658 0.9451 5.80 5.482 0.9886 CHC1 3 0.1487 1.28 Q.190 0.0342 0.0549 1.15 0.063 0.0114 1 5.553 1 1 5.545 1 ,

CHC12F CHC1 3 CHC1₂F CHC1 3 CHC12F CHC1 3 CHC12F CHC1 3 CHC1₂F CHC1 3 CHC12F CHC1 3 X₄ P64° Px 4 Y4 x₅ P63.2° 0.9822 5.67 5.569 0.9964 0.9948 5.58 0.0179 1.12 0.020 0.0036 0.0052 1.09 1 5.589 1 1

o

R = D = 3 X_s P94° ' Px _{s Ys xl} P81.2° 0.30 11.67 0.70 2.77 1 X₂ P700 0.7792 6.62 0.2207 1.37 1 X 4 P64° 0.9797 5.67 0.0202 1.12 1

o

R

=

D

=

10 X_s Pl13.2° 0.0854 17.08 0.9146 4.41 1 x2 P85.6° 0.4379 9.67 0.5621 2.18 1 3.501 0.6436 0.5251 1.939 0.3564 0.4748 5.440 1 1 Px_{2 Y2} x 3 5.158 0.9447 0.9265 0.302 0.0553 0.0734 5.460 1 1 Px_{4 Y4} x 5 5.555 0.9959 0.9948 0.023 0.0041 0.0052 5.578 1 1 Ym 1 &1:1 Xm+l1 + 0.09046 1 Ym 2

=

1.1 xm+12 + 0.00045 8.74 1.92 P64.8° 5.80 1.15 P63.2 5.58 1.09 Px_{s Ys xl P104°} 1.458 0.2655 0.1925 14.27 4.034 0.7345 0.8075 3.56 5.492 1 1 Px_{2 Y2} x 3

P72°

4.235 0.7756 0.7536 6.98 1.225 0.2244 0.2464 1.45 5.460 1 1 28 Px 5 Y5 5.551 0.9989 0.006 0.0011 5.557 1 Px_{1 Yl} 4.589 0.8342 0.912 0.1658 5.501 1 Px _{"3 Y3} 5.374 0.9846 0.084 0.0154 5.458 1 I Px

5

Y5

I

I 5.551 0.9989 ! 0.006 0.0011 I I 5.557 1 I I J Px_{1 Yl} 2.747 0.4886 2.875 0.5114 I 5.622 1 Px 3 Y3 5.260 0.9364 0.357 0.0636 5.617 1

•

1

CHC1₂F CHC1₃ 29 X 4 P64.8° P.x:4 Y4 x₅ P64° P.x:₅ Y5 0.9305 5.80 5.397 0.9854 0. 984~ 5.67 5.582 0.9969 0.0695 1.15 0.080 0.0146 0.0156 1.12 0.018 0.0031 1 5.477 1 1 5.600 1 Hieruit volgt: R R + 1 XV; (Xp - xs) 2 0.87 0.5 92.71 0.80 0.65 42.09 0.6394 1 15.52 0.47 1.6 9.29 0.30 3 8.19 0.0854 10 13.24

J

O.8

₇

R + 1 d x

=

( ) 2 s 13.76 0.085 xp - Xs 8 d Xs = V 0.129 • 13.76

=

14.20

=

_V

Nemen wj voor de totale destillatietijd 6 uur, hierb~ niet inbegrepen de t~d voor reinigen van de kolom, opwarmtijd en de tijd voor aftappen van een tussen-fractie, dan is:

8.334 + 14.20 = 6

V V

dus V

=

3.756 kgmol/uur

d 3756 22,41

ampvolume/sec.

=

3böO

5

.

5

2§.§

m

=

6.01 I/sec.

Om

de damp snelheid in een borrelschotel kolom te berekeneI hebben ~j de formule 23)

u

=

30.5

~

1~

!--l---r-r

2-r

v

r

2

toegepast, waarin

u

=

dampsnelheid in cm/sec (gebaseerd op de kolom doorsnede: dichtheid van de reflux onder de destillatie

omstandig-heden.

=

dichtheid van de damp onder de destillàtie omstandig

-berekend met de ideale gaswet. heden,

~

. I · I I _\0. 30 Plaatafstand in cm. Vloeistofslot in cm

_Kv

15 1,25 0,03 30 1,25 0,10

Daar de dichtheid van vloeistof en damp t~dens de destil-latie ~jzigen, zullen Mj het ongunstigste geval kiezen, n.l. dat ~2 maximaal is. Dit geschiedt aan het einde van de freon 21 destillatie.

mol damp y x T

. f

l

Tc

gew dicht-_heid in mol fractie OK OK lJ\'\ ~ _4Io1L CHC1 2F 103 51,5 0,3 0,2 386 1,421 ooc 451,5 CHC1 3 119,5 57,75 0,7 0.8 386 1.498 15°C 536

f

2

=

(51.5 0.3

.Oi83

·

+1g~7

•

119

,

5

+ 59,75' . 0,3 •

~Ó~

:

5:~

·

~

119.5)

~§g

.

0,08988 • 5,5 ;: 20,1 gil dienen we te brengen op de kolom temperatuur.

Daartoe gebruike~ w.i.j de formule 22):

f

T2

=

{'

W

Tl _T

1

W is een empyrische expan-siefactor. 1,421 (0,1745 - 0,0838

4~~~5)

0,1745 - 0,0838 4§i?5 0,2 • 103 1,498 (0,1745 - 0,0838

~)

+

288

0,1745 - 0.0838 536 plaatafstand 15 cm UI

=

30,5 0.03

~

12~6~iO

.

l =c:i~~c

d 2 1

=

6010 • 4 3,1416 • 7,28 dl = 32,4 cm 0,8 . 119.5 0,2 • 103 + 0,8 . 119,5

TT

2 dampvo1ume/sec

=

Lr

d u plaatafstand 30 cm

=

1,295 glml u 2

=

30. 5 0,1

V

12~6~io

,

1

= _cm/sec 24,3 d 2 za 2 6010 . 4 3,1416 . 24,3 d₂ = 17,8 cm

I

~

I

•

31

Kirschbaum 21) geeft de plaat-efficiency als functie van de damp snelheid bij verschillende schotel afstanden en bij ver-schillende drukken voor het mengsel aetbylalcohol-water.

Hieruit volgt dat, wil men onder ~jfmaal hogere druk wer-ken en een zelfde plaat-efficiency (b.v. 0.83), men de damp-snelheid drie maal zo klein moet kiezen.

plaatafstand U plaat-efficiency

15 22 0.95

30 73 0.86

Dit zou een aanMjzing kunnen zijn, dat de kolom met

plaat-afstand van 15 cm. de voorkeur zou hebben boven die van 30 cm. Conclusie.

Met behulp van de methode van Bogart is een

3

componenten

batch destillatie uitgerekend.

1000 kg mengsel bestaande uit 2 mol freon 22,

7

mol freon

21 en 1 mol chloroform wordt in 6 uur gedestilleerd, zodanig dat 1.6 mol freon 22 (99.8%) en 6.8 mol freon 22 (99.7%) als

product ontstaan, terMjl als residu achterblijft 1 mol

chloro-form met 0.1 mol freon 21 en de rest als tussenfractie gedes-tilleerd wordt, wat weer b~ een volgende destillatie gevoegd wordt.

Hiervoor is nodig een destillatie kolom met

5

theoreti-sche platen waarb~ aangenomen wordt dat de ketel 1

theoreti-sche plaat vertegenwoordigt en de condensor geen rectificatie

uitoefent.

\

Deze kolom heeft een plaatafstand van 15 cm. en een dia-meter van 33 cm. terMjl de destillatie druk 5.5 at. bedraagt.

Dit heeft tot gevolg dat b~ de destillatie van freon 22

de condensor met pekel van -150 C gekoeld dient te worden.

Wil men met water koelen dan zal de destillatie druk

20 à 25 at. dienen te zijn. Dit brengt een duurdere kolom met zich mee, ter~jl de bovenstaande reken~jze niet meer toegepast

mag worden met het oog op de afMjkingen van de wet van Raoult b~ hogere drukken.

.1

•

32

Verklaring v~~ de gebruikte letters.

0

.

.

kg mol reflux per uur • P kg mol destillaat per uur. R

₌

_p 0 reflux verhouding.

M:r

kg mol voeding.

D kg mol destillaat na tijd

e.

e

tijd in uren.

V kg mol damp per uur.

P destillatie druk in at.

Pa, Pb, Pc : dr~ van de verzadigde damp van de componenten

A, B en C. m = b

₌

R R+I xp R+l helling evenwichtslijn.

gedeelte van de y as wat door de evenwichtslijn wordt afgesneden.

~ relatieve vluchtigheid. u dampsnelheid in cm/sec.

r

I dichtheid van de reflux onder de destillatie omstandig-' heden.

r

2 dichtheid van de damp onder de destillatie omstandig-heden. w d

.

.

constante . expansie factor.

diameter van de kolom in cm.

mol fractie van de lichtste component in de destillatie ketel tijdens de destillatie.

mol fractie van de lichtste component in de voeding. mol fractie van de lichtste component in het destillaa mol fractie van de lichtste component in het residu.

mol fractie van de component A, B en C in de vloeistoffase.

mol fractie van de component A, B en C in de dampfase.

Literatuur. Freon. 1. Refr.Eng. 12149 (1942) 2. Chem.Eng. Juni 101 (1944)

3.

B.I.O.S. 112 4. Ned.Octr. 30.007 5. U.S.P. 1.990.692 6. U.S.P. 2.005.705 7. U.S.P. 2.005.713 8. U.S.P. 2.005.706 9. U.S.P. 2.005.707 10. U.S.P. 2.407.129 11. U.S.P. 2.007.208 Fluorwaterstofzuur. 12. B.I.O.S. 261 13. B.I.O.S. 764 14. B.I.O.S. 852 15. B.I.O.S. 1480 16. B.I.O.S. 1595 17. C.I.O.S. XXIX - 14 18. U.S.P. 2.047.210 Batch Destillatie. 19. M.J.E.Bogart 20. C.S.Robinson en E.R.Gilliland 21. E.Kirschbaum 22. Gamson en Watson 23. J.H.Perry

33

Trans.Am.lnst.Chem.Engrs.

22

139 (1937)

The elements of fractional

distillation 1939 p~37

Destillier und

rektifizier-technik 1940 p 167 e.v. Nat.Petroleum News Tech.Sec.

3

Mei 1944

Chemica1 engineers' Handbook 3~ druk 1950 p 597