Ontwerp van een fabriek voor methacrylzuur

/

•

.J)l.t,L

IJ

E'.

L

sG

A

-L

3

3

.

ONTWERP VAN EEN FABRIEK VOOR METHACRYLZUUR

Inleiding

Acrylzuur en methacrylzuur Z1Jn de belangrijkste vertegenwoordigers van de reeks der acrylzuren (RCH = CRCOOH, R = H of C H

2 1) .

n n + De chemische reacties van acryl zuur (CH

2 = CH - COOH) en methacrylzuur (CH

3

-

C

=

CH2) zijn karakteristiek voor verbindingen I

COOH

met twee functionele groepen, nl. de dubbele binding~~ en de carb onyl -groep. Door de eindstandige dubbele binding kunnen de zuren gemakkelijk gepolymeriseerd worden.

Fig. 1 geeft een aantal fysische en chemische eigenschappen van methacrylzuur. Eigenschap Smpt. Kpt. bij 30 mm d 20 4 20 n D Oplosbaarheid Me t h c r y l zu u r 15-16°C 160,5

oe

81

°c

1,015 1,4314

In water, alcohol, aether

Methacrylzuur heeft een karakteristieke doordringende geur. Het is een sterk zuur (sterker dan azijnzuur) en daardoor bij aan -wezigheid van een polair oplosmiddel, bijv. water, zeer corrosief. De gepolymeriseerde esters van acryl- en methacrylzuur vormen de groep van de acrylaatharsen, welke van groot commercieel belang zijn.

De belangrijkste algemene toepassingen van methacry~~~als polymeer zuur of zout) zijn als water oplosbare verdikkingsmiddelen, bestanddelen van vernissen en lakken, hulpstoffen voor het bedrukken en verven van

: I

I

2

-textielmaterialen en als verdikkingsmiddelen voor pasta's . Bovendien wordt het veel toegepast in de vorm van copolymeren met verscheidene andere

polymeriserende stoffen , o.a . voor de fabricage van een synthetische rubber . Over de marktvraag naar methacrylzuur is in de lit e ra tuur weinig te vinden.

In Amerika werd in 1958 ca. 57 000 ton methacrylaatharsen geprodu -ceerd (lit. 2) . Verreweg het grootste deel hiervan zal in de vorm zijn

van de gepolymeriseerde esters van methacrylzuur, bijv. polymethylmethacrylaat dat onder de namen 1ucite en Plexiglas in de handel wordt gebracht.

Informaties in Nederland (Firma 1.J . Volkers te Amsterdam) leverde ons het gegev en dat momenteel in Nederland zeker niet meer dan

4

0

ton.per jaar van het methacrylzuur voor de verwerking op verdikkingsmiddel wordt verkocht , ter wi j l de totale afzet in Nederland de 150 ton per jaar zeker niet te boven zal gaan. De extra 110 ton wordt voornamelijk verwerkt als copolyme er .

Het Centraal Bureau voor statistiek kon ons geen inlichtingen verstrekken .

In Duitsland werkte gedur ende de oorlog een fabriek welke 180 0 ton acetoncyaanhydrine (lit. 8) per jaar leverde. Het acetoncyaanhydrine is een tussenprodukt van de door ons gekozen procesgang voor de fabricage van methacrylzuur . Het plezierige is dat het acetoncyaanhydrine ook een tussen -produkt is voor de bereiding van de esters van methacrylzuur, welke een veel groter afzetgebied hebben en welke in dezelfde apparatuur als het methacrylzuur kunnen worden vervaardigd.

Wij denken ons dan ook een fabriek te ontwerpen die 1800 ton acetoncyaanhydrine per jaar produceert. Slechts een gedeelte hiervan

(bijv. 300 ton per jaar) wordt verwerkt op methacryl zuur, de rest op de esters van methacrylzuur. Bovendien wordt het bedrijf hierdoor minder conjunduurgevoelig.

Wij denken ons deze fabriek te plaatsen in Nederland, liefst in het Botlek-gebied in verband met goede af- en aanvoer-mogelijkheden naar alle delen van Europa en de rest van de wereld. Wij denken ons de

Nederlandse markt te voorzien en een gedeelte van de buitenlandse markt (behalve de landen achter het ijzeren gordijn en Amerika, waar niet in -gevoerd mag worden) .

I I

3

-Bovendien bevinden zich in het Botlek-gebied de producenten van

één van de grondstoffen van het door ons te kiezen proces, nl. aceton. 'I,L~ \ v.J.• De andere grondstof, het cyaanwaterstofzuur, moet worden ingevgerd.

'j""

,.:\

\.L" .

Keuze van het proces

Hoewel in de loop der tijd ve r s c h i l l en d e andere processen zijn voorgesteld wordt al het methacrylzuur en het methylmethacrylaat gefabriceerd via het acetoncyaanhydrine-proces (lit. 2, 6 , 1 8 , 19 ) .

Van de voorgestelde processen noemen wij:

1. Oxidatie van methacroleïne tot methacrylzuur (lit.

6).

De reactie moet worden uitgevoerd met behulp van zuivere zuur-stof in autoclaven. Het is een vloeizuur-stoffase proces. Er wordt gewerkt onder een druk van ca. 13,8 atm. bij een temperatuur van ca. 30 oe.

Het methacroleïne wordt gebruikt in de vorm van een oplossing (63,5 gewichtsprocent methacroleine) in tolueen. Als katalysator wordt een mengsel van koper en nikkelacetaat gebruikt (73

%

koperacetaat en 27

%

nikkelacetaat) in een hoeveelheid van ca. 2,3 gewichtsprocent betrokken op het methacroleine. De reactietijd is ongeveer

5

uur. Het methacroleine wo r d t voor ca. 60

%

omgezet, de omzettingsprodukten bestaan voor ca. 99

%

uit methacrylzuur.

Voor de bereiding van de methylester wordt het zuur met een overmaat methanol en bij aanwezigheid van fosforpentoxide gedurende ca. 4 uur onder terugvloeiing gekookt in een speciale kolom. Er

~

wordt een opbrengst van ca. 98

%

verkregen. Bij het acetoncyaanhydrine proces kan voor de bereiding van de methylester de tussentrap van het zuur worden overgeslagen.

Het methacroleine kan worden gemaakt door

a) de oxidatie van isobuteen of methalylalcohol (lit. 6)

b) door de condensatie van formaldehyde en propionaldehyde (lit.9) .

CII.

=

C -

eli.-/-

0, ---7

1 I :3 ""

C~

is«.

s«

i.

EEN

Het is een dampf as e pr o ce s, uitgevoe rd bij ca.

34

0

°

c

met

tH

L

=-

e -

C~

J ,.0

C -:.

H

I'i

E

t /' R

ceo

L

e

i

!IE.

f

11_

C~~

)

fo

/{IfIlLlJE

;;'

!J

»

E

e

lt3

-

C

H,- -

C:~

/,llofL.ON

IL

J)é;'~.J)E

kop e r als ka talysa to r . De molair e verho u ding zu u rs tof / al co ho l moet 0,6 à 0,7 ge nomen word e n. Omze tt ing 71

%

,

omz e t ti ngs produ k t bestaat voor ca. 95

%

uit methacro leïne.

f

o 0

He t is een dampfase proces. Te mp e r a t u u r 305 -310 C met als katalysat or silicagel met 10 gewichtspr ocent Na

2Si20₅ geïmpregneerd.

Op b r e n g s t aan methacroleïne Omz e t t i ng: HCHO 98, 4

%

CH 3-CH2-CHO 94,7

%

betro k ken op: BCHO 82,5% CH -CH -CBO 3 2 87,5

%

Er wor d e n no gal veel bijprodukten gevo r md zoa l s methanol,

mierenzuur, methylf ormiaat, crot ona l dehyde en een gas dat CO, CO 2 en C B

2 bevat.

n n

2. Voor de Chi n es e regerin g i s een pr o ce s on tw i k k e l d (lit. 10) dat uit drie trappen bestaat:

a. sy n t h e s e van dimethylhexinedi o l uit acetyleen , acetyle

en-derivaten en ace ton .

b. een door oz on gekatalyseerde oxi d a t i e v e sp l i ts i n g van het diol tot a-hydroxy-isob oterzuur .

c. Dehy dratatie van a-hyd r o x y- i s o b oterzuur tot methacrylzuur m.b.v. fo sf orpent oxi de.

Oplosmi d d el (xy l e e n en ch lo roform) .

eH

:

eH

/(0/1

~~

~~

I/

~Et.'jLEe

N

r

H1.0

Ho-C - C

=

C -

t::.

-

O

lf

I I

C J.t.J - TI -

e

H!, C-~ C~

'I OJ 1Ji HEtÁctf

fl

EX

iNE:bioL

I7CE

es»

J

A

0".

-Gegevens over opbrengsten worden niet verstrekt. Het geheel ziet er

uit als een bijzonder ingewikkeld~ en duur proces.

3. Dehydratatie van0( -hydroxy-isoboterzuur m, bvv , fosforpentoxide

(lit.

6).

Dit proces heeft het nadeel dat het fosforpentoxide een

duur chemicalie is.

~r zijn verschillende bereidingswijzen van het~-hydroxy­

isoboterzuur voorgesteld, doch deze zijn meer van academisch belang als technisch uitvoerbaar.

De voorgestelde proceesen (1,2 en 3) zijn ingewikkeld, sluiten een

veelheid van handelingen en reacties in zich waardoor bijzonder dure fabrieken ontworpen zouden moeten worden. Bovendien worden dure grond-stoffen gebruikt of worden lage opbrengsten van het produkt verkregen, waardoor deze processen technisch niet ekonomisch verantwoord kunnen

worden uitgevoerd. Deze bezwaren heeft het acetoncyaanhydrine-proces

niet en wij zullen dan ook deze procesgang kiezen in de door ons te ontwerpen fabriek.

Het acetoncyaanhydrine-proces (lit. 1, 2, 8, 11, 14, 15, 18, 19).

Patenten (1-38).

Het acetoncyaanhydrine wordt gefabriceerd door de condensatie van

katalysator:

-

- --. OH

I-I~A!

;=.

cyaanwaterstofzuur met aceton in de vloeistoffase met behulp van een

~

-

;;

alkalische

~

~=O

4-I C~ flcetoN

Het acetoncyaanhydrine reageert met geconcentreerd zwavelzuur tot

~ -carbamylisopropylbisulfaat, dat bij verhitting splitst in meth~èryl­

amide en zwavelzuur:

iO"

I-f

.

C

{e

H.3

h..'

CO

.

N

Ji

veR.

h

i

UëN.,

(X0_.C.I1R.81U1:JL{.·SojJIlOfJ L

-8

LS " LFl1lJ c

C

l!;.

=

f-

CI-1

I

~

S0'i

C~ o

" Hit.

met water te koken wordt het gehydrolyseerd

Door het methacrylamide tot methacrylzuur:

CIl3,. ::

7

-

t lf3 f 1I.ts0'f f liJ.0

~

c ~o

" /Vii)..

Fabricage van de eenvoudige esters zoals bijvoorbeeld methylmethacrylaat vindt plaats door het methacrylamide met de alkohol en water te

ver-armen bij 100 oe.

' Hl : C-(;;O

fl{.,~

C

+

t li. oH

h'1.~

I 111-1. " " 1 ...

C~ .t

Het water dient om het verlies van alkohol door verestering met zwavel-zuur tegen te gaan. Wij zullen de drie trappen van dit proces afzonderlijk bezien: Het a. Het acetoncyaanhydrine

e

N

Off-~hC.:O

f

fl

e lJ!

~ CN," ~

is een exotherme, omkeerbare reactie, ge ka t a l y s e e r d door basen.

+8

Het reactie-mechanisme van deze basische katalyse ziet er als volgt uit: (lit. 13, 16, 17)

e:»

HeN~

81-1

feN

C

,

'

v

f

e

li.

J+ .I-

c s:

CAI

:S

"c

·

:.:..

··

0

~ ~'" ,c..

es."

~

Cl-/.

,C

'~

Ó

I 0 3 j _ Cf~

e v

-

'

''''

.,..

_""

"

- e

Cl-; 0 I :J

De additie van het cyaanion aan het aceton is snelheidsbepalend. De ligging van het evenwicht (r) is afhankelijk van de temperatuur en wel zodanig dat bij lagere temperatuur het evenwicht naar rechts gaat

cl. -

C

Af(l$/iIfJ

i

ir0l'lêtJfJyL

8i..·s",L.F~l1i

.

(principe van le ehatelier). Wij zullen dan ook moeten zorgen dat de

temperatuur van het reactiemengsel zo laag mogelijk is ( bijvoorbeeld 20 0 ~ 25 oe) waarbij ca. 88

%

acetoncyaanhydrine in het evenwichts

-mengsel aanwezig is. Wij zouden dan bijvoorbeeld de reactie bij

hogere temp eratuur , bijv. bij de kooktemperatuur van aceton uit kunnen

voeren en daarna het evenwichtsmengsel afkoelen. Er worden dan echter

veel ongewenste bijprodukten gevormd. De moeilijkheid is dat bij deze

lage temperatuur de reactie helheid niet groot genoeg is, er is een

zekere inkubatietijd nodig alvorens de reactie begint (lit. 19). Dit

kan tot opeenhoping van aanzienlijke hoeveelheden cyaanwaterstof leiden,

die dan, op een gegeven ogenblik spontaan beginnen te reageren. De

hiermee ge pa a r d gaande snelle temperatuurstijging zou tot opbrengst

-verliezen aanleiding kunnen geven door het optreden van ongewenste

reacties en bovendien bestaat het gevaar van ontbranding.

Deze moeilijkheid kan ondervangen worden door een deel van het ruwe

produkt terug te voeren ( patent 8 ). Hierdoor begint de reactie

meteen, waardoor een rustig en gelijkmatig reactieverloop plaats he eft .

~a verlo op der reactie (ca.

2t

uur) wordt het reactiepr odukt geneu

-traliseerd met een kleine overmaat H

2S0₄•

b. riet methacrylamide (patenten 16-28).

De onder a) bereide op l os s i n g wordt toegevoegd aan geconcentreerd

zwavelzuur, waardoor onmiddellijk een reactie optreedt, waaruijeen

grote hoeveelheid warmte vrijkomt (voelbare reactie-warmte bij 100 oe

ongeveer 60 kcal per mol omgezet acetoncyaanhydrine).

Het cyaanhydrine wordt geheel omgezet indien een equimoleculaire

of iets grotere hmeveelheid zwavelzuur wordt gebruikt.

Waarschijnlijk wordt het zwavelzuur eerst aan het nitril-radicaal

ge a d d e e r d, waarna een nftrrangschikking van het primaire additie-produkt

plaat s vindt en het~-carbamylisopropylbisulfaatwordt gevormd:

eH_J C

f-I

C-H.J

I j

Hf!

I o

lio

.

c : eN

+

f.l1. J O

v

~

#0-

~

_

C

~

-7/fS~-

c -

C~#1i

I I ....

S0'tf!

J

:z

- - -- - -

- -

- - - .

Het reactie-produkt is een viskeuze vloeistof. De temperatuur van

het reactie-mengsel moet op ca. 80 oe gehouden worden tijdens het bijeenvoegen van het acetoncyaanhydrine en het zwavelzuur, want bij lagere temperatuur is de ontstane massa zeer viskeus en bij hogere temperatuur vindt plotselinge ontleding plaats.

Door de temperatuur van het reactiemengsel te verhogen splitst

het ~ -carbomylisopropylbisulfaat in methacrylamide en zwavelzuur:

e

H.!

cs;

I __0 "

I-t

SOIt -

7-

e.:

IV

~ ~ ~

-

c :

0

f

HL

~

o

'I .

e

H..

ol. I

tV~

3 c.~

HêiAf1C~!JL 11ItiJ)é,

Ve netto-warmte ontwik keling van deze reactie is klein (-2,5 kcal

per mol bij 130 Oe). Zeer waarschijnlijk vindt bij deze reactie nog

een exotherme additie plaats, van het zwavelzuur aan het amide, maar

ondanks dit wordt een zeer g rote omzetting tot metnacrylamide

ver-kregen.

De omzettingssnelHeid van het ~ -carbamylisopropylbisulfaat in

methacrylamide en zwavelzuur is sterk afhankelijk van de temperatuur. Bij hogere temperatuur is de omzettingssnelheid groter, terwijl bij zeer hoge temperatuur (boven 150 oe) en lange reactietijden een opbrengstverlaging door ongewenste nevenreacties en destructieve

oxidatie door het zwavelzuur optreedt.

Onderstaande tabel geeft ee n overzicht van de verschillende

mogelijk-heden (lit. 1, pat.22):

Temperatuur Reactieti jd

in sec.

177

91

130 153

279

%

Opbrengst aan

methacryl-amide betrokken op aceton-cyaanhydrine

87,1

89,7

98,4

91,7

86,4

180 oe

16

₃₆

51

.

-

. \~:.~ ::

'

.

·~.4·~-4

'.

.'- :

..

~ ~ 9 5':;11..

91

,2

94,5

91 ,6

85,7

-:... ."':..~. ...,.: '.;..:.'.~

IJ,

- ..n . Ó: ,:,.•

.,

'\"-:r> ',y:,:, ';-'::;:'\,:~.~..'.\',":/:::.:\.7;'

Als aequimoleculaire hoev e elhed en van acetonhydrine en

zwavel-r zuur worden gebruikt is de ontstane ma s s a zo viskeus dat roeren

praktisch onmogelijk is ge wo r de n . Door de grote hoeveelheid

~ I warmte die bij deze reactie vrij ko mt is het echter noodzakelijk

-,:'~

~~ dat goed geroerd wordt om verregaande ontleding te voorkomen

\~ op plaatsen waar het acetoncyaanhydrine en het zwavelzuur met

~. elkaar in contact komen. Daarom wordt'gewerkt bij een molaire

verhouding van 100

%

zwavelzuur tot acetoncyaanhydrine van 1,5:1 ,

waarbij maximale opbrengsten worden verkregen.

Het methacrylamide polymeriseert gemakkelijk en daarom wordt een

slechte opbrengst van het amide verkregen indien ge e n polymerisatie

-inhibitor tijdens de ontleding van het bisulfaat aanwez-ig ä

s

.

,

Koper, in de vorm van fijnverdeeld metaal of van kopersulfaat, is een

uitstekende inhibitor wanneer het in concentraties van ca. 0,03

%

aanwezig is.

c) Het methacrylzuur (pat. 29-38).

De aldus bereide oplossing van methacrylamide is geschikt voor

de~bereiding van methacrylzuur of derivaten daarvan. Door water

toe te voegen en te koken wordt het amide tot methacrylzuur gehydro

-lyseerdT Optimale resultaten worden verkregen indien per mol.

ac eto ncy aarihydz-dme

4

1 _{mgl. water wordt toegevoegd (het ontstane}

mengsel kookt bij 130 C) en gedurende twee uur wordt gekookt

onder terugvloeiing: C/l_t

~

_

C

~O

+

H2.S0L.

f

/i

L O

~

I '4'~ 7

eH.

Á :3

Het gevormde methacrylzuur is weinig oplosbaar in het

reactie-mengsel (1,4 gram per 100 gr a m reactiemengsel) en scheidt zich

af -als een bovenste laag die voor ca. 91

%

uit zuur bestaat, met

en opbrengst van 70-75

%

betrokken op het gebruikte aceton. De

bove~s;te laag wordt afgescheiden waarna het ruwe zuur door

deg;till'atie onder' verminderde druk bij aanwezigheid van een

J 1 ·.l .'. " J . . . '.::J . <1':>:' :.! .' , '.[ :" :J...:. ' L._, I 11. ~., 'J,. ':0" .:.. . ~1'J:( 1 " .. ._'... r..:,l.' ,;~ :.l' .. "... ,~ :.-".[ .r I' ,,. .1. ...~ .. + ,. ...... -':)' j "8 r. .j

.

.

V ~' ·1 -, ". ,"-, ... ~.C . .-'; I r 'S ',l' .L , v . -,~- '-, ..1:"I.of'

TECHNISCHE UITVOERING

Het nadeel van het acetoncyaanhydrine-proces~ 1dat er in deze procesgang gebruik wordt gemaakt van het zeer giftige en brand

-bare HCN, terwijl voorts het geb r u i k t e zwavelzuur na verdunning met water en het methacrylzuur zelf zeer agressief zijn (metha

-crylzuur is een sterk zuur) . .

In verband met laatstgenoemde moeilijkheid zal dus daar waar

het~nodig is de apparatuur vervaardigd moeten zijn van resistente materiaalsoorten (bijv. loden bekledingen, mo n e l etc.) . Wegens' de hoge kostprijs van deze mate ri al e n zal de bo u~ d er fa b r i e k een grote investering eisen.

Opdat op een veilige manier met het cyaanwaterstofzuur gewerk t

kan worden moeten bepaalde voorzorgsmaatregelen genomen worden (lit.

20

,

21).

Bovendien is het me t h a c r y l z u u r zelf ook giftig.

Voorzorgsmaatregelen:

1. Apparatuur~ inclusief afsluiters en pijpleidingen, moeten

veelvuldig op bepaalde tijdstip~en worden gecon t roleerd .

Noodzakelijke reparaties moeten onmiddel]ijk worden verricht.

2. Iedere employé moet goed doordrongen zijn van het potentiële gevaar.

3.

Geen slaapplaatsen in de buurt van de apparatuur.

4. De fabriek zal op een zeer doelmatige manier moeten zijn gebouwd, terwijl voorts alle ruimten zeer goed moeten

wo r d e n geventileerd.

5

.

Alle s~romen waar geen gi f t i g e stoffen mogen worden verwacht

moeten regelmatig op aanwezig heid hiervan worden gecontro

-leerd m.b.v. één of andere testreactie (lit. 22).

6. Op de fabriek moeten gasmaskers en medische hulpmiddelen voor een eventueel vergiftigi n gsgeval op een gemakkelijk bereikbare plaats aanwezig zijn.

Wij zullen de door ons gedachte fabriek bespreken aan de hand van het gegeven schema (dit is in grote trekken een verkleinde weergave van de op schaal' 1:20 vervaardigde detailtekening) .

We willen de capaciteit van de fabriek berekenen op een produkt i e

van

1800

t o n acetoncyaanhydrine per jaar, dus

150

to n per maand.

Rekenen we

25

werRdagen per maand dan wordt de dagproduktie 6 ton. De fabriek valt in drie g~d e e l t e n uiteen.

L FabriRage-van net ace~ncyaanhydrine, netgeen een batch-proces is.

11 •. Fabrikage van het methacrylamide dat via een continu proces wordt uitgevoerd.

111. Verzeping van het amide tot methacrylzuur, hetgeen weer een batch-proces is.

Omdat de verschillende reacties aan zeer bepaalde tijdsnormen zijn gebonden denken we ons dat de fabrie k dag en nacht draait en het

',--~.~.

.

; -" r. -,~, " - -:'"",', II •~J• ,'f ',' ...._'\.. .; . " _I. ~ j"

.

\... -- -. "l _.- _.--- - ---_I. ., , _'-' 1't_I.r , '

.

"

.

~ .1. I .'~. " " ",1:I ~'l ~J_~_f J ic-:~:-r \ :J:.I j's~.( ,) '.[ " V .\ 1._',r', ,I f --, , ' J

kmo l HCN

van het pr o ce s kan ook in batch worden uitgevoerd,

uitvoering is een betere co n t r o l e op de bedrijfs

-daardoor hogere op b r e ng s t e n mogelijk. Omdat toch mo e t word e n gew€rk t wordt de contin ue procesgang l)e tweede stap

maar bij continue omstandigheden en in continu-dienst gekozen.

HCN-voorraadtank

Het HCN (kp

t

,

25,7 oe) is' in 97 %- ig e

~o

s slng

)

in de handel verkrijgbaar. De oplossin~ bevat nog ca.

3

%

water In 0,05 % H_2S0Lt1als stabilisator tegen po lyme r i s a t i e en ontleding.

W

é

denken ons een voorraad vloeib a ar HCN aanwezig die in één maand opgewerkt kan worden (25 werkdagen

á

24 uur). Er moet per maand l~ ton van het hydrine worden vervaardigd

=

150.10

3

85,1

kmol hydrine (M-a c e t o n c y a a n h y d r i n e

=

85,1) . Opb r e n g s t aan hydrine 94 %

Dus er zijn nodig: 150.10 3 100 85,1 94 1. •

~~O

• 27 kg HCN _(MHCN

=

27 )

=

150.10

3

::: 85, 1 156. 1 0 3 • 100 85,1 94 10097·

n;7

27 1 HCN (dHCN ~ 0, 7 kg/ 1 •)

3

Inhoud der tank wordt : 9/8.

l~~:îO

.

§~O. 6

~79

1 (Maceton = 58, d aceton ~ 0, 7 9 ).

Voor een staande cy l i n d r i s c h e tank me t h~ogte 6 m wordt de diameter 5,74 m.

Het volume van de aluminium_tank (lit.20) waarin het HCN-wordt

opgeslagen mo e t 9/8 maalZ6--gr o o t zijn. Nemen we een liggende cylindrische tank me t diameter 3 m, dan vinden we voor de lengte

der.'tank 1~,52 m.

~

Wegens het lage kookpunt denken we ons he t HCN opgeslagen

o ~

van__een~ine , bijv. stikstof.

...

_

. .

2. Aceton vo o r r a a d t a n k

I. Ac etoncyaanhydrine

3

.

Ee r s t e reac t o r Rl.

Om het volume van de eerste r~actor te berekenen moet de tijd welke nodig is vo o r één batc h bekend zijn. Stellen we het volgende :

,, :) .r,

.

.

, ( f 1 , I ( J j J 1 .v

'

\'

<:

_,

:1" -r - r I , ..

J

.O-!

r I~<. ,j ::>:.-~.t'i~; ;.:: .'..:) (_rJ -~I!" ", j .v ",'l .) : . J I ( .~ , , , ~). s'.: "1 r>.L, ~ u 'I~ 'I

.

'-- 12

-o

Afkoeleg tot -20 C: Op -20 C

Inpompen acetbn 15 minuten

Uitpompen produkt 15 minuten

Bediening etc. : 30 minuten

Ie stap proces (inleiden HCN bij 20 150 minuten

30)mi n u t e n 120 minuten

totaal: 360 minuten

=

6 uur per batch. Dus 4 batches per etmaal. Dus met een produktie van 6 ton per 24 uur, dus 1,5 ton acetoncyaanhydrine per batch. Uiteindelijke temperatuur -20 °C , dan 94

%

omzettting in acetoncyaanhydrine.

1500 kg acetoncyaanhydrine

=

l~~~l

• 17,62 kmol.

Hiervoor zijn nodig:

1~~.17

,62

= 18,75 kmol HCN en 18,75 kmol aceton.

Dit is 18,75 x 58 = 1087,5 kg aceton

(=

l37T 1) en

18,75 x 27'= 506 kg HCN =

506

.l~~

=

522 kg HCN-oplossing' (747 1). Aan deze batch moet nog toegevoegd worden 10 1

acetoncyaan-hydrine verkregen uit een vorige batch en 12 1 5

%

Na-OH oplossing. Het aceton wordt met de toevoegselen in een kwartier in de

reactor gepompt m.b.v . pomp PIl. We nemen hiervoor de Begemann L 1,5 ,

met pomphuisdiameter 250 mw. .

. Het HCN moet over een periode van 2t uur in de reactor worden gepompt. Dit geschiedt m.b.v . een speciale tandradpomp, de Viking FH54F met pomphuisdiameter 80 mw.

De do ae r Lng van het HCN geschiedt d.m.v. een mee-tflen s welke via een regelkast een reduceerklep in de persleiding van de pomp bedient.

De som der volumina aceton en HCN die in de reactor gaan is '

ca 2100 1. Wanneer reactie is opgetreden is het volume ca 17361 . We nemen een cy l i n d e r v o r mi g e reactor met een hoogte 3,5 m en een

volume 2100 1. De diameter wordt dan 0,88 m. I .v .m . de vrij grote hoeveelheid vrijkomende warmte (10,3.103 kcal/kmol) bij de reactie

tussen aceton en HCN en het feit dat de temperatuur van het reactie -mengsel ca . 20 °c moet blijven wordt de inhoud der reactor m.b.v. circulatiepomp (P

I I I) door de warmtewisselaar WI gecirculeerd.

In het begin is ca 1400 1 vloeistof in de reactor aanwezig, d.w.z. zij is gevul~ tot een hoogte van 2,30 m. We nemen de eerste aftap

voo~ de circulatie op 4/5 van deze hoogte

=

1,84 • Aan het eind der reactie (volume reactieprodukt ca 1730 1) staat er tot een hoogte van 2,89 m vloeistof in de reactor. In totaal nemen we drie aftappen en wel om de 6,45 m. I ,i ' '.\'i \." ,i le aftap op 1,84 m 2e aftap op 2,29 m 3e aftap op 2,74 m

De inhoud der reactor moet in ca 3 minuten gecirculeerd kunnen worden (dit i .v.m . goede warmte uitwisseling in W_I) m.b.v. P_{I I I} . Hiervoor nemen we de centrifugaalpomp Begemann L 3 met pomphuis-diameter 320 mm. De circulatiestroom en het HCN komen via een straalpijpmenger de reactor binnen•.

. ,J r t · • t '-' .' ,i ;.. .1,) ~ ''!' -i t .'. ~ ~. ~, ",T e: \ \' r

,

=

.' ~8 J J ", -' .'. o J -I-~');.' - ).~J_.

.

~ f -j . -O· 1 v ~-~8 0. ' _.",~ :) J. .-'-

.

"

r- 1

4. Warmte~,wisselaar W I •

A.

Reactie bij 20°C.

Er wordt 17,62 kmo l ac

3tonc

yaanhydrine ge v o r md in ca 2 uur,

waarbij 17,62 x 10,3 x 10 kcal vrijk o mt. Dit betekent dat in W₁ 1500 kcal Jmin moeten worden afgevoerd (= 90 000 kcal/hr).

De ci rc u l a t i e pomp

F

_{I I I} pompt ca 600 l/min

=

532 kg/min.

De soortelijke warmte vam de meeste pölaire organische vloe

istof-fen is ca 0,6 kcal/kg °C. Nu moet gelden:

C x 532 x 60 X A T = 90 000 (Cp = 0,6 kcal/kg °C)

•

P

°

• • A T =5 C.

bijW:e~e~~~kaîsa~

~l~~~~~~s~~:~~r~~u

~~tV:~nh~~o~;~~~~~~~~~roë:o

°c Uitgang s~P. van het produkt: 17 C.

temperatuur fr e o n : -30°C•

.ó Ti = 520C] A Tm = 49 ,4 °c (ATm is- logarithmisch gemiddelde van

IJ Tu

=

47°C IJTien A Tu) ·

U

=

600'kcal/hr.m2.oC . (U

=

warmteoverdrachtscoMfficiänt)

~w = A.U. A Tm. (A

=

ui twisselingsoppervlak) •

• 90 000 2

• • A =600.49 ,4

=

3,03 m •

B.

Afkoelen van

+

2BoC

tot _2 0 ° C in 30 minuten.

Aanwez~g ca 1600 kg mengsel.

~:lus afvoer en : 1600. C •A T kcal/ 30 min.

---~.p. .---'~..

CV~

0,6) kcaI z'kg,

°C

.~~~

_~~~

_~·

Afvoeren: 21, 4 kcal/se c = 77 000 kcal/hr.

i Het verschil tussEn in- en uitgangstemperatuur van het produk t

I

in de warmtewisselaar b-!:~~ ft ca 5 o~C . dus :

Ingangstempe ratuur : _1 8 ° C Uitgangstemperatuur: - 2 3 °C Ä Ti = 12 °cl A _{Tm = 9},32 °c A Tu = 7

o~

U

=

600 kcal/hr.m2.oC .

ci

_w

=

A.U . ~ Tm· 77 000 2 A = 9,32. 600 = 13,8 m •

Op dit uitwis selingsoppervlak moet dus de warmtew i sSB laar berekend

word en .

We nemen buiz en _{met een inwendige diameter d i}

=

25 mm en willen

- - - ---~-- ----~---- - -- . r ~. ., '.1. 'J. =-•f ..,!. , -1 , -J.

,

-,-'\ , ~ ,1 :J' " , -. ;. 'r~

,..

v \' =-\ '! -, . -'1

warmteoverdracht) dat er 800 l/hr vloeistof door een buis gaat

I

~~~~ooo\.

600x60

t

~

Het aantal buizen wordt dan: 80 0

=

45

Wandoppervlak der buizen: 0,0785 m2/m.

De lengte der buizen zou dan dus:

L ₌ 13_45xO,8_{,0785 =} 4 ' ._m'zlJn. 0_m d_{e warm eWlsse aar naas}t ewi 1 t d_e

reactor te kunnen zetten maken we haar niet hoger dan 2 m.

We voeren de warmtewisselaar dan zo uit dat we drie rondgangen

van 2 m krijgen.

Totale lengte dan dus 6 m. Dit is 3/2 maal zo groot als de be

-nodigde lengte (4m) bij 45 buizen. We nemen dan dus 2/3x4~= 30

buizen per ro n d g a n g . Totaal dUff 90 buizen, waarbij stee~s 30 bui~en

in een sect o r van 120

°c

(de warmtewisselaar is cylindervormig) zijn

ondergebracht.

Uit een tabel vi n d e n ve dat do ui twendige diameter der koeler

450 mm wordt, terwijl de lengte dus 2000 mm (=2 m) is.

De temperatuurregeling geschiedt m.b. v .

Ie. de regelaar T welke een signaal ontvangt uitgegeven door een

thermokoppel in de uitgang van de koeler en een klep aan de gaskant

van het fréon bedient en

2e. een niveauregelaar (N) welke een klep in de toevoerleiding

van vloeibaar fréon bedient.

5. De luchtstripper (pat. 10)

')

Het reactiemengsel uit de eerste reactor (17,62 kmol hydrine =

1500 kg ~ 1600 1 + 1,14 kmol aceton = 66 kg = 84 1 + 1,14 kmo l HCN =

31 kg = 44 1) wordt gezuiyerd door het bij verhoogde t e mp erat u ur

te stripven met lucht (60 °C) . 0 0

We willen het mengsel in 2 uur opwarmen van - 20 C to t 60 C.

Hiervoor moet toe g evo e r d worden: 40 495 kcal /hr .

Voor de berekening stellen we dat we zDwel het vrije HeN als het

aceton uit het mengsel willen verwijderen.

Verdampingswarmte HCN = 6,67 kcal/mol.

Verdampingswarmte aceton = 7,22 kcal/mol.

Verdampingswarmte van het te verwijderen mengsel: ca. 7 kcal /mol .

Voor het strippen is ca. 2 uur beschikbaar. We nemen aan dat de

strippende lucht ca. 10 mol.% van het mengsel meeneemt .

Er moet dan dus: 10.2 ,28 = ca. 23 kmol lucht/2 uur doorgeb orreld

worden. 3 3

Moleculairvolume lucht ca. 25 1. Dus 23xlO x25= ca. 600. 10 1/2 uur =

300.10) 1 lucht/uur. De lucht moet een vloeistofhoogte van ca.

-) :J _" v " J' ; _j

.

,- . -" ') _e J \' -

.

.\;" ,j-"lil 1:) rT - -1-.v . .1.. """,, " -' ',::V r-_{, ,}' + ~.. ,J :J ,.r" -,' J ' \ ..~,:.

.

'

.,", ..,i ' ....~', 1'\:

6

.

We nemen de compressor (Cl): Roots, si ze no. 76

(

D=450

mm,

1~550

mm) , welke dus 300.10 3 1 l uc ht/u ur mo e t comprimeren tot ca.

1,5 bara. Voor het verdampen van het HCN en aceton en het opwarmen der lucht is een warmtestro o m nodig van ca. 12 000 kc a l / h r , we lk e dus kleiner is, dan die nodig voor het op\.j;~r-'I<=!n CV) 1\.05 l:c;-,l / r r) .

Op dez~ laatste warmtestroom moe t dus de capaciteit van het verwarmingselement berekend wo r d en. .

De z e denken we ons als een verwarmingsspiraal (WIl) welke in de vorm van halve buizen (d. = 25 mm) aan de buitenkant van de kolom

is gelast. Op de gehele fabriek ge b ru ik e n we voor verwarmingsdoel

-einden stoom van 8 ata., temperatuur 170 oC.

We berekenen dat de spiraal uit 14 windingen moet bestaan. Na het bereiken van 60 oC wordt door ee n t e mperatuurre gelaar de temperatuur op 60 °c gehouden~

In een fréon-koeler

(

W

_{LI I )} wo rd en he t aceton en HCN gecondenseerd

uit he t l uc ht men gsel en afg e ko e l d tot 0 °c (af te voeren wa r mt e: 21344' kcal/hr), waarn a ze naar een voorraadvat ga a n. De lucht ga a t via een c}.cl..? ? n na a r een loog-t or en (1_{1 1}), waar de l a atste ho e v e e l -hedèn HCN worden ~pg evang e n.

Ko e l e r WI l IA .

M.b . v . pomp FIV willen we het gezuiv e r de ace ton cy aanhy d r i ne in

één uur door warmt ewi s s e l aa r

WrrrA

naar op sl a g pompen , waarbij het

produk t wor dt afg ekoe l d tot 30 °C.

FIV mo e t 160 0 l/hr kunnen pompen. We nemen een Bege ma n n me t

pomphuisdia meter 130 mmo Froduk ts troom : 150 0 kg/h r . (s. w. 0,6

k

cal/kg O~

Af te voeren warmte: 1500.0,6 .30 = 27 000 kc a l 1 h r . Ingangstemperatuur koe lwate r : 15 °c Uitgangstemperatuur koe l wa te r ;2 0 °c A T_{K• W}

. =

5

°C. Hoe v e e l h e i d ko e lwa te r : 27 000 = 5400 kg/h r .

5

(j~ = 27 00 0 koaLz'hr,

~

T. = 40

OC~

Á T = 25,5 °C. l o m 2 0 A ~= 15 C U = 50 0 kcal/h r .m • C. r/' l2f • 27

oaa

2 'PW~ A.u..,. o:Tm • • • A ~ 2 5, 5•500 = 2,12 m • Bu i z e n met inwendige d~ameter: di

=

50 mmo

Wandoppervlak: 0,1 57 m

Im.

1 ₌ 2₀,12_,157

₌

13 5

_,

_m.

-' \ ..( -\

.

, J.., '_' - r

.\

'l , ,

.

\

11. Methylcrylamide. Continuptroces.

Deze procesgang bestaat uit drie ge d e e l t e n. Het acetoncyaanhydrine en H

2SO d 100 % reageren met el k a a r in reactor R2 tot ~ -carbamylisopro-pylblsulfaat bij 80 0C.

Deze produktstroom gaat naar reactor R3 waar bij een doorvoertijd 130 sec de temperatuur op 150 °c wordt gebracht, waardoor het bisulfaat splitst in methacrylamide en zwavelzuur. In koeler WVI wordt dez~

produktstroom gekoeld tot \ 50 °C.

7. Reactor R_2•

In de eerste trap van het proces wordt 17 62 kmol aceton

cyaan-hydrine in 6 uur vervaardigd (= 2,94 kmol/hr). Deze stroom willen we verwerken op methacrylamide.

Dus invoer: 2,94 kmol/hr acetoncyaanhydrine.

Molaire verhouding H2S04: hydrine

=

1,5 :1 .

dus: 4,41 kmol/hr H2S04 100 %.

In de H2S0~ leiding _{wordt CuS}04 opgelost in gec on c e n t r e e r d H 2S0 4 toegevoegd (0,06 gew.%

=

264 g_{nam CuS0 4/}hr) als polymerisatie

-inhibitor.

Het acetoncyaanhydrine wordt m.b .v . pomp P

_v

(2, 9 4 kmol/hr

=

4,33 I/min, Viking F54F, D

=

75 mm), _{tesamen met het H2SOd} m.b .v.

pomp P_VT (4,41 kmol/hr

=

4,0 I /min , Viking F54F, D

=

75 mrn) en de

ci r c u l a t i e v l o e i s t o f m.b .v . circulatiepomp P_{VI 1 I} (2 m3/min, Begemann L 5, D

=

440 mm) via een straalpijpmenger in oe buisreactor R2 ge

-pompt.

Bij de vorming van het bisulfaat komt een grote hoeveelheid warmte

vrij (60 kcal per mol~acetoncyaanhydrine). De temperatuur in de reactor moet op 80 °c gehouden worden. De reactie is momentaan en

volledig .

Vrijkomende warmte: 2,94.103.60

=

176 400 kcal/hr . De temperatuur van het inkomende H2S04 en acetoncyaanhydrine is ca. 20 °C . Van de ontwikkelde warmte wordt dus een ge d e e l t e opgenomen door het gevormde bisulfaat en overblijvende H2S04 (1,47 km~/hr) voor de opwarming

tot 80 °C .

Geabsorbeerde warmte: 2,94x60x60 + 1,47x33x60

=

13 495 kcal/hr

(s.w. bisulfaat 60 kcal/kmol , s .w . H2 S04 33 kcal/kmol) .

Af te voeren warmte: 176 400-13 495 = 162 905 kcal/hr

=

2715 kcal/min.

q H~t ont~ane react~evolume is ca. 421 l/hr

=

7 I/min. Om behoorlijk

controleerbarebedrTjfsomstandighe d en te krijgen nemen we een ver

-blijf tijd van 5 minuten in de reactor R3.

5x7

=

35 1.

=

Volume reactor_{Doorgevoerd volume/min}

.

.

Volume reactor

=

o

We&ens het momentaan ZlJn dt r~ reactie willen we de inhoud der

.'.( " t -(',OT .J .j ':) .' .' -' ;;;~).., ,~. ., .r. '. l . . _

Dus circulatiestroom: 60x35

=

ca 2000 I/min

.

We dimensioneren de

reactor dan zo dat bij deze

h

og e circulatieverhouding de lineaire snel

-heid in de reactor toch ni

et

te

g

r oo t wDrdt. We memen de buisreactor

1420

mm

hoog met een diameter van I

SO

mm (vo~ume

35 1)

.

Oppervlak doorsnede buisre

actor

=

2

,55

dm

•

Lineaire snelheid v

=

~g~~

,55

1

3

d

m/sec

=

1

,3

m/sec

.

Hoeveelheid koelwater:

162 905

₁

_x

₁₅

.4

T.

₁

₌

53

oe

j

A. .d

_Tu

₌

61 oe

A

₌

çiw

U~Tm =

162

9

0 5

5

00x56

c1

_w

C p,. 4 T =

= 5

,

Sl m

2

•

= 10 SOO kg

/hr .

=

1

0 SOO I/hr

.

Hoeveelheid circulatievloeist

of

:

60x2000

=

120 000 l/hr

)

10 800 l/hr

'.

We sturen dus het koelwater door de

p

i j pen en de circulatievl

oei

-stof om de pijpen.

Buizen met d

'

=

25

mmo

Per buis

:

son

l/hr (hoge Reyn

olds

)

10SOO

Aan

tal

buizen per rondgang

:

n

=

soo =

14.

A

_{an a}

t 1

_{me ers r}

t

_on

d

_gan

_g

· 5

_.

_14xO

,Sl

_,07S5

₌

5 3

_,

1S

.

c

a

6

m

.

We nemen dus 6 rondgangen van 1 m. Totaal aantal buizen

:

6x14= S4

bui

zen .

Ui

t t

a b e l: D

~

450

mmo

Hoogte dus

:

1 m

=

1000

mmo

Omdat hier gedeeltelijk

g

el i j ks t r oom en

g

e de el t e l i j k tegenstroom van

de twee stromen optreedt moeten we nagaan of er een

co

r r e c t i e f a cto r

voor

T gebruik moet worden (lit

.

24

,

465).

.~. .\ t . - j ~ =-.~.

.

\ '../ ' '..j:~(:'". :( \

t "

X

I: 2 - ~, .:. 0,:lt

ti

u »

I -

1:-,

Uit

g

raf i ek : (1 s

hell

pa s~,

6

t

ube pa

s s e s ) ,

ij

=

0

,

98

A

Tm

=

0

,98.56 .

Dus de bere

ke n i ng kan

onveranderd blijven

.

9

.

Reactor R

3•

De bisulfaat-oplossing (421 l/

hr)

(

2

,94

km

ol / hr bisulfaat + 1

,47

kmoLz'h r

_H2S0

₄•

1

00

%)

wordt i

n

130 s

ec d

oo r

e

en reactor gevoerd

'

,

wa

arbij

de te

mperat uur

o

p

15

0

oe

w

ordt

g

eb r a ch t

.

.

s.w. bisulfaat

:

6

0

k

ca l /kmo l

.

s.w. H2S0 4

.100

%

:

3

3 k

cal /kmol .

reactiewarmte: - 2

,

5 k

cal/mol .

Volume der reactor:

vol

ume

reactor

t

hr

=

in

gevoerd

vol

ume/ h r

130

Vol

ume

3600

=

421

••

• Vo

l ume

is ca 16

1

.

We voeren deze reactor

u

i t in

waarbij we stoo

m

van 170 oe

e

n

8

Er moet toe

gevoerd

worden:

(2

,94

'

x 60x70

+

1

,47x33x70

+

~6~~

3600

3

600

de

vo

r m

va

n

e

e

n

warmte' 1 \~issB~aar ,

a

t

g

eb

r

u i k

en .

AT =

150

-

80

-

70 oe

.

xl

o

3

x2

,5)kcal

=

6

,39

kcal/se

c .

sec

•

.

Op deze wijze wordt

~en

o

mzetting

van

98,4~

%

ver

kregen

.

Er wordt

dus 2

,9

0

kmb17hr amide

g

evo r md

.

d

=

6

,39

kcal/sec

•

.

WJ 2 0

U

=

350 kca'l.Zhr

s

rn

•

C

~

0)

'

0

.

A T ._:1.=

90

~ T

_m

=

46

,

5

lÓ T_u=

20

0

A

=

ct

w' =

6

,3

9. 36 00

=

1

, 42

'

.

m2•

U.~Tm

3

50x 46 , 5

Hoeveel

heid

stoo

m

:

~è§

9

=

0

,01

3

kg

/ s e c

.

Volume der stoom

:

0

,

01 3 : 242

=

3

,

1 5 d

m

3

/sec.

We nemen buizen

m

e t d

3

=

25 mm

.

Volume 1 buis::

:

0

,5

'

dm /m

To

taal

volume

m

o e t 16 dm3

z

i j n .

D

us

32 buizen

.

+ '" --. -v- - .-.' , ..l i / \ ~... •8 " .e .

--.

.

( .. .l . •8. ", ':' .\ \

..

.L . ~. r \ , !. J J - .:'-~.-:: '";-.... Ir r . l " -- -I

Uitwisselingsoppervlak:

32xO

,0785

=

2

,5

m

2

(

1,

42 m

2

) .

O

p

de~e

wi

jz e

is de capaciteit

der war

mtewissel aar

in ied

er g

ev a l v

ol do ende

.

Diamter: D

=

25

0

mm en

1

=

1

000 mm

o

10

.

Het ontstane mengsel besta

at

uit:

2

,94

kmol/hr methacryla

mide

+

4

, 41 k

mol/hr

_{H2S0 4}

•

1

00

%

.

Temperatuur 150 oe

.

Om polymerisatie te voor

ko men m

o e t

h

e t

p

r o duk t

s

n e l af

gekoeld

worden tot 50

°C

.

Hiertoe st

ure n

we h

et p

r o duk t door de koeler W

VI

naar opslag.

s

.w.

ami

de:

5

1

k

c

al/kmol.

H

S

O

1

00

l!t

3

3

k

1/

1 _{1 A T -_} 1~ 0

0

_

r::')0 0=

1

0

0

0

s

.w .

2

4

.

,0: ,-ca ,

_

-.

:mo

..l..

.

~

./

-E

r

moe

t

d

u s afgevoerd worden:

2,94x51xlOO

+

4

,41x33xlOO

=

29 54

Wkcal/hr

.

We voeren deZE koeler op dezelMe wijze uit als WIlIA. We krijgen 4

rondgangen van 3 mm

o

111

.

Het methacrylzuur.

11.

Kookketel R

4•

Gewoonlijk wordt de apparatuur voor de verwer

king

op

ester gebruikt

(bijv

.

de

m

e t hy l e s t e r )

.

De veresterin

gstijd

is lan

g

(12-14 uur) en we

rekenen dat we in totaal 1

8 u

u r no

di g h

ebb en o

m

een batch ester af

te leveren

.

Produktstroom per 1

8

uur:

18x2

,94

kmol amide + 18x4

,41

k

mo l

H

2S

0

4

=

c

a 9

300 1

.

Daar komt voor de ver

est ering bi

j :

18x2x2

,94

_{kmol H20}

+

1

8x2x2

,94

km

ol

me

t ha nol

=

6

100 1

.

Totaal volume: 9300L

+

6

1001

=

15

4

00 1.

We nemen het volume der kook

ketel

ca 4/3

m

a a l zo groot

=

ca 20

m3

•

Deze zelfde kookketel wordt oo

k g

eb r u i k t voor de verwer

king

van het

methacrylamide op methacrylz

uur. W

e willen per jaar 300 ton van het

amide op zuur verwerken

,

hetgeen we kunnen doen in 60 batches

,

(dus 5 ton per batch

=

5

8

,

8

km

ol)

.

Totale voeding

:

5

8

,

8

k

mol

amide

+

1

,5x58 ,

8 k

mol

H

_{2S0 4}

+

4

x 58

,8

k

mol

_H20

=

14 620 1

.

(molaire verhouding H

₂₀

: a

mide

=

4 : 1)

.

We denken ons dat de

k

e t e l in één uur wordt

g

evul d (pomp FIX)

'

Begemann L 2

,

D

=

280

mm

)

.

We stellen dat t

.g .v.

de me

n gwarmte

van H?S04 en

H

_{20 de temperatuur}

van het mengsel ca 30

°c

wordt.

W

e willen het méngsel in één uur

opwarmen tot 130 oe

(kooktemperatuur). Daarvoor moet worden

toege-voerd: 900 000 kcal/hr. Het is essentieel dat het reactiemBn

gsel

." _ . . ..1 , , . ,-, , .r. ,I •f-, . J. -, -; -+ '! .. J, ,

-We nemen aan dat aan deze voorwaarde is voldaan indien gedurende de 2 uur 10,

%

van het aanwezige water is verdampt (en na con d e ns a t i e in W

_rx

)

weer is teruggevoerd, totale terugvloeiing) .

Toe te voeren warmte: - l x 235,2 x 18 x 520 kcal/2 hr = 112 320 10

kcal/hr

<

900 000 kcal/hr.

Dus de cap~citeit van het verwarmingselement (WVII) in de kookketel berekenen op de warmtestroom voor het opwarmen in 1 uur.

We gebruiken stoom van

170

°C en

8

ata . Het element bestaat uit

buizen met di= 25 mm welke na 3 m rondbuigen en terug~lopen naar de be neden k a nt van de pijpenplaat.

In totaal zijn 67 buizen nodig (L=3000

mm

,

D=550

mm

)

.

Bovenop de kookketel staat een gepakte toren, waarin de ontwikkelde dampen opstijgen , waarna zij in

W

_rx

'

worden ge c on d e n s e e r d en teruggevoerd. Bij de aangenomen hoeveelheId verdampend water en eentorendiamete r

van 0,3 m vinden we dat we tegen het loading point aanzitten bij een pakking van t"-Ras ch ig ringen.

In W

1x

moet ca 1872 k~al/min worden afgevoerd. Koeling geschiedt

met koe water . We nemen 3 rondgangen met elk 11 buizen van 1 m. Totaal aantal buizen 33 (D= 2 7 5 m.m., 1=1000 mm). Roodkoper werkt al s polymeri

-satie-inhibitor voor de polymerisatie van methacrylzuur en derivaten (alle metalen uit de Cr-groep in het periodiek systeem doen dit).

We denken ons daarom de kookketel en de toren verkoperd, terwijl de ketel gevuld is met koperkrullen en stukken kopergaas, welke van de bovenkant der ketel naar beneden hangen. Op een zelfde wijze i s de later t e behandelen destillatie-toren ingericht . Voor het pakking -mater iaal de~ to r e n nemen we ook roodkoper.

12. De kookkete l wordt in 1 uur m.b.v. F

_rx

leeggepompt . De inhou d der ketel gaat via koeler WVI waar gek~eld wordt tot 30 oe (dit i.v.m. polyme r i sa t i e ) naar een

af

~ cheider.

Af te voer en warm te: 900000 kc a l /h r .

De warmte wiss el a a r best a at uit 8 rondgangen van 3 m, i eder e

ro n dg a n g beva t 22 buizen. To taal dus 176 buizen (D.650 m.m., 1=3000 m.m.). Koeling ge s ch ied t m.b.v. koelwater.

De warmtewisse laar en de leidingen tot aan de koe ler zijn we e r verk o p er d.

= 1250 1.

Vo l u me afsche i d e r

5

De afscheide r. (Ar)

Het gevormde methaQrylzuur is weinig oplosbaar in het re a ct iemengs e l

en sche idt zich af als een bovenste laag, welke 91 mol

%

zu~r bevat .

(d methacrylzuur= 1,01 ~; d reactiemengsel ca 1,5 kg / dm . dm

Wegens het grote versch i l in dichtheid der twee' lagen mogen we

aannemen dat een verblijft i j d van 5 minuten in de afs cheid e r zeker een goede sch ei di n g zal bewerkstelligen.

t

.

= Volu me afsche ide r

mln in g evo erd vol u me/mi n

vOl umevtfsc hei d er

= 15

0

00

1,

0

. \

.

, j

.

'

.

'

r • •..1 0 -- y--""\, -. , .L J. U

We ne

men

een lig

gende

cyli

ndrisc he

tan

k,

vo

o rzien

van peilglas etc

.

met een len

gte

van 2

m

(2

0

₀₀

_{rnm) en}

_ee

_{n diameter van}

_900mm

_.

Bovenuit de afsch

eider

stroo

mt h

et

m

e tha c r y l zuu r na

ar

de

destill~tie­

kolo

m

,

de stroom onderuit de t

ank g

aa t

n

aar opsla

g

of eventueel naar

het riool.

De destillatie

-kolo

m

(D

_{r )}

De voedin

g

der destillatie

ketel

b

estaat

uit een

m

engs el

dat

91

mol

%

zuur en

9 mI.

%

water bevat

.

Over het binaire systeemmet

hacrylzuur

-water

zijn

g

e en

g

e

g

ev en s in

de literatuur te vinden.

W

e l

is be

k end

(lit. 9) dat het metha

crylal-dehyde (

-

me t hy l - a c r ol e ï n e ) (

kEt

6

9

Oe)

met water een a

zetropisch

kokend mengsel vormt (kpt 6

3

,5

C

,

7

,7

%

H

₂₀₎

.

Het methylmethacrylaat

(kpt

99

,5

OC) doet dit

o

ok (li

t

.

23 )

,

ter

wl

j l e

e n binair stelsel van

methanol en

m

e t h a c r y l zuu r zic

h

pra

k ti sc h

als e

en

ideaa

l

stelsel ge

-dra

agt

(lit

.

23).

H

e t is

n

i e t

m

oge l i jk uit d

eze g

egeve n s te co

nclu

deren

of het

m

e t ha c r y l zuu r

'

en water een a

z

eotro

pisch k

ok en d

m

en g s el zullen vormen.

Wij zullen voor de bere

kening da

a r om aa

n m

o e t e n

nem

en d

at h

e t stelsel

zich als ee

n

ideaal binair m

engs el ge

draag t

.

Van het metha

crylzuur

zijn

d

e volg

ende

dampspa

nningsgegevens

bekend

:

P methacrylzuur

1

0 rnm

20 rnm

30

mm

40

rnm

60

mm

O

m d

e verdampin

gswarmte

va

n me

tha c r y l zuu r en

g

eg ev en s over de damp

-spanning bij lagere temperatuur te v

ergaren

passen we de geïntegreerde

vergelijkin

g

van Cla

peyron

(dit is ei

genlij k

niet juist voor dit

soort polaire organische stof

fen,

de uitkomst heiligt echter het middel)

~

.p...~ ,~~ \\9\~" ~

P

= -

~$

+

C

- 4 ' "

p.:: -

2fj,S

+~,

0.3.

en

ia

H

=

12

,15

kcal/mol (di t

k

l op t zee

r

beh

oo rlij k

met de verdampings

-warmten van soort

gelijke

stof

fen}

.

.~} ,- ,. •-- I -I· u I ~

.

"

o

.

-.:. .'. o· ,. r .'.

..

,

Uiteindelijk komen we tot de volgende ge g ev e n s: t in oe Pmethacrylzuur in mm P

H20in

PH

2

0

mm

_{0( = P zu u r}

10

0₀

0

,42

9

,

21

2

2

,

1

20

0

6,

88

17

,53

20

,1

30

0

1

,75

'

3

1

,8

2

18

,3

40

₀

3

,35

55~ 3 2

16

,7

60

10

150

15

72

0

20

255

12

,8

81

0

30

3

70

12

,3

86

0

40

455

11

,4

93

0

60

600

10

de kolom

15

.

• . X 1J = ':"'1+-7:-.~-_""'='l~)-x kolo m

1

8

,

beneden in

. .

15x

1J

=

-=-1

"""+'='"1-:-4x

-11:

1+17x

•

ij I :

We willem rectificeren bij een druk van

30

mm

in de top va n de

kolom. Bij dezB lage drukken mog e n we de drukval over de kolom niet

verwaarlozen en nemen daarom aan dat beneden in de kolom de druk

60

mm

is.

Formule der evenwichtslijn:

We nemen voor ~ bo v e n in de

18x

x

:

ij :

x

:

ij :

0

,1

0

,667

0

,01

0

,

1. 32

0

,2

0

,818

0

,02

0

,2

34

0

,3

0

,885

0

,04

0

,

385

0

,4

0

,923

0

,06

0

,4

89

0

,5

0

,

947

0

,08

0

,

566

0

,6

0

,

964

0

,1

0

,

625

0

,7

0

,977

0

,2

0

,7

90

0

,8

0

,986

0

,3

0

,

8 65

0

,9

0

,994

0

,

4

0

,909

0

,92

0

,

99 5

0

,5

0

,938

0

,94

0

,997

0

,6

0

,9

57

0

, 96

0

,999

0

,7

0

,972

0

,98

1

,

0

0

,

99

1

,0

1

,0

1

,0

De beide evenwichtslijnen zl Jn getrokk en (fig.B). De lijn 11 ge l d t

voor het on d e r s t e ged e e l t e de r ko lom, de lijn I voor het bovenste

gedeelte. In de figuren A en e zijn het onderste resp. bovenste

deel der kolo m op gro t e re schaal weerge gev en.

Bi j het be gin der rectificati e bevat het ketelp r oduk t

9

mo l .% H

20 .

-- -- ---~ -

-., ...

,:-:-: , -, ~-;-_:.---' I

--

.---_._~ I ----~ -- - -,__ --ll • 1- ' - '

+

_,

--,--=--.,. ---i - ---i -r-r- - --=-=-, I - - - -'- -~

_

L~

' - j

/ -,--

-_

---:----l---~

_.

_;:J

J

I :1

f)

~ .~-.- - ~-

---_

_

-=+_

LJ

--- --oW

---~_--=--7-cJ

/

1,0(/ 0_"I -: I ---c1- - - --- ---:--:..; - ~ -. _t_ I 0,

s

()/l.(

-- - -- -.--~--. -~

i

I .

l=~-

:-=-

---t--

...._,.-.

i ' ! c. , ~---

t-'-·

I :. I

r-:--

:-

t ._1 ~__-ï ... ~..- l " -~---- - - "1 ... _,---j-, ' -- - _..._~-.- --- ---- - -- ,- .. I ~~

.-.

·--l~~~-:~_·~~I I " ] : ' '1 ..~ - -- --_.------ - ----;-.- - . .' .~. ~.f'. ~

6

._~.

J

X=trot:-;e'Kïiël.J.

Ê-'

Ji;:o

"~~

'

~-~'~

:

-

i~ .l

.. -iN IIlcû;stoF : : ;.H-::': . - - - . . . _- ' . - - -- - - . ---.... I ··~. _. 1

.

'--'i ~f]

__

~_.

_

l-@

' i d

· - - -- - ·1--=-:: ·:'-"1 ...i_.!_--.:1 .1 '1 ----.:J ~"~f:'~~ _: -' ~ :_.,. ,

"

~

I -

'

~

--

-I

-.

1

I

I

" VI'A_

I

t

.1 , i .--+ . - i -i I -.'-;-. ----t--~- !-0, y I,O,

0,6

:fÎ

A4 210x291mm

~-~~ -_. _---, . I , _ _ _ _.L-_ _~ _ + _ ~- -_ .< I I ' r--+-,.;-;+.:..,-:..r+----c+ :--:-r- -r---:--t- - -- +--- ---. : 1 t - +-+.:..:....j----+---t-..,...--+--r l- ·-:----I-- f- --+- -'---+----T---t----r- -j- -- --. I---+---+--~---- -I---+---+---+---~---..-- ~-- --- - - -:, ,-, - -.--+1---;... . I ;-. I:

I

J.. , - '--I - -_, -I ..- - - ; -,- ·----1 I , . - -- -- -- -- -- ---,-- ---.- -~ "1 ----_._--- -- -- -. , __ ---l ; __I - l ,.Î I . ' .1 , , ------- --._--- -- ~ ---:----~-~_, - - - --- _ . -- - -- -- - - - -- - - - - -- - - - ! . . . .. .1 1- ; 1 -'- - - 1 - .- j A4 210x291mm

- 2

3

-niet

m

e e r dan 1

m

o l .% H

20

bevat

.

De bij dit k

etelprodukt

bove

n u

i t de

k

ol om ontwijkende damp moet voor

99

,5

%

uit H

₂₀

bestaan

.

O

m

de

m

i n ima l e terugvloeiverhouding (R

_m

_{i n)}

te vinden trek

ken

we een rec

ht e doo

r

h

e t snij

pun

t

van de verticaal

x

=O

,Ol

met de evenwichtslijn

(11)

en het punt op de ij=x lijn

m~t

ab

cis

:x:O

,995 .

Het stuk dat v

an

de ij-as wordt af

g esneden

(ij:

d

)

geef

t

_{Rmi n = 7}

.

Rmin

+l

We werken bij de

t

e r ugv l o e i verho

uding

R

=lO

(helling der we

tklijn :

R

1

0

R

+l

=

11 )

.

Uitgaande van de dampsame

nstelling

vinden we

d

oo r een trapsgewi

jze

co n s t ruc~ i e

5 H.E

.T .P 's .

In de figuren B en C

,

~itgaande

van de

ketelproduktsamenstelling x=0

,09

(bi

j h

e t

begin~~tevens

aan

gege

ven

we

lke

damp bij R=lO en bij 5 H.

E. T.P

's

on

twijkt

l,

bove

n

uit de

k

ol om

.

Deze damp be

staat

praktisch uit zuiver water

.

De gemiddelde samens

tel-ling van het topprodukt zal ca 99

,

8

%

H

20

zijn

•

.

We hebben aan

genomen

dat de drukval over de

k

ol om

c

a 30 mm

i

s.

Beneden in de kol

om :

P

-=

to taal druk

:

60 mm

,

Boven in de kolom

P= 30 mm

.

Beneden

i

n de kolom

:

beg

in :

S

t eeds

'm

o et

gelden

:

P=X

.P

_{A + (l}

-x )P

_B

A = H

_{20 ,}

B = zuur

. 0

X = 0

,09 .

Proberen

:

t =

8

0

C,

dan PB = 30 mm en PA = 355 mm

.

Temperatuur iets te hoog

g

ek oz en

.

W

i j nemen aan dat bij 60 mm to

taal-druk het mengsel kookt bi

j

75 0C

.

Ein

d :

P

=

60 mm

'

X

=

0

,01

- -

60

=

6,

01

.

_PA

+

0

,99

PB

.

Klop

t

bi

j

93 °

C.

Dus aan het eind der re

ctific

atie k

ook

t

het mengsel bij 93

°

c

ond

er

een druk van 60 mm

e

In de top

de~

kolom

:

We nemen aa

n

dat ij

=

0

,99

8

P

=

30 mm.

30

=

0

,998

PA + 0

,002

PB.

D

i t

klopt bij

c

a 30 °C

.

Dus terugvloeiing k

oelen

o

p

30 °C.

De bat

ch

bestaat uit 44 kmol z

uur

en 4

,3

kmol H

₂₀

=

4

,3x18xl

=

77, 4~

1

.

Om het mengsel

t

ot 75

0 à

8

0 oe op te warmen is

1

17 770 kcal nodig

.

We wi

llen

het water er in 1

u

u r uit hebben

.

Verdamping

swarmte

H

°

b

ij

75

°c

:

555 k

cal /kg

.

"

~

bij 9

3

°c

:

542 k

cal/kg .

G

=

L + D

R~~

=

10

.

L = 1

0

D.

.' ~ .

,

.'. + -

1-,

+ r: -. .t, .t, .'. u .~.:.

I

I

·

1