Furfuralbereiding

(1)

: - - -

-[~J

J.P. van Roon

FURFURALBEREIDING.

INLEIDING.

'

1

De basisreactie, waarop elke in de literatuur beschreven, teohnische, bereiding van furfural berust is de omzetting van een pentose in furfUral door afsplitsen van 3 molen _H20 onder invloed van mineraalzuur. Hiervoor worden meestal gebruikt H2B04 of HCl. OHO 1 CHOH I CHOH I CHOH I CH200 HC - CH \\ 11 , 0 HC C - C,

+

3 _H20

'

ol'

H

De pentose wordt verkregen door hydrolyse van pentosaaen, een polymeer bestaande uit C5 eenheden, zoals cellulose uit C6 eenheden bestaat. Pentosamen komen naast cellulose in vele plantaardige

ma-terialen voor.

GRONDSTOFFEN.

De bruikbaarheid van een materiaal als grondstof voor

furà1bereidin~ wordt bepaald door de volgende factoren: 1) het gehalte aan pentosallen 7

2) het omzettingsrendement aan furfural _Î 3) prijs en beschikbare hoeveelheid.

~ volgende ~rondstoffen zijn in gebruik: a) haverdoppen met 32-35

%

pentosamen}

b) maisko1ven met 36-38

%

"

in Amerika c) verscheidene zaadhuIzen bv. van katoenzaad

(27)

, " d) zonnebloempitt~n in Rusland (28)

"

'_À

,//'

e) stro met 22-25

%

pentosanen

de

fur-'J'?'~f) hout; dit heeft echter een gering omzettingspercentage

r

~ furfura1 slechts bijproduct is naast de glucose van de

suikering. g) en tenslotte kapok (16~ zodat houtver-I

j?'

RESIDUVERWERKING.

Wat betreft de eventuele verdere verwerking van het residu na '

7~ de pentose extractie, hierover wordt in de literatuur niet veel

1-~ 1-~eegedeeld. Het kan dienen als brandstof (bv. in Amerika); er ia een proces dat het tot een meststof verwerkt (8); soms kan het

re-~

) sidu in de papierindustrie verwerkt worden, als de vezel zich

daar-~

' toe l~ent en tenslotte kan het op glucose verwerkt worden

(17).

Of een dergelijke verwerking van het residu lonend is hangt

g~hee1 af van de pr1jzen van grondstof en producten.

l"L))

ÉEN TRAPS PROCESSEN.

~~~~~ ,W~j zullen nu eerst een overzicht geven van de verschillende

~r procede's voor de furfuralbereiding.

De eerste, in Amerika toegepaste methode (1) bestaat hierin, dat men een autoclaaf (thans meestal bolvormig) vult met haverdop-pen die juist bevochtigd zijn met verdund zwavelzuur. Vervolgens gaat men stoom blazen in de roterende autoclaaf en na zekere tijd, als de druk 4-5 atm. is, wordt continu. een hoeveelheid stoom afgela-ten. De gevormde furfural gaat met de stoom mee en de scheiding vindt p1~ats door het dampmengsel meteen in een destillatie kolom te voeren. De reactietemp. is ca. 1450_{C met een hydrolyseduur van} 6-8 uur.

Een belangrijk nadeel is dat het'furfuralgehalte van de kolom-voeding steeds daalt. Om hieraan tegemoet te komen heeft men de vol-gende maatregelen genomen:

(2)

..

,.'.( . ." .)

.

'

J. ~ ,.

.

. "'

lPf

'

,.

Jl:'

~I " . . . / • ' .

c

t~~7

, ; i ~. : I l • ·1 . ' I ; ~ • " " ... J. ~ ;. ,'" ; I '

(3)

•

I

L

1) Een serie autoclaven in serie geschakeld ongeveer zoals bij een diffusiebatterij (3)

2) Een continue toe- en afvoer van het materiaal in één autoclaaf

2

en 'wel door middel van een sChroefvormig lichaam die het materiaal tegen de autoclaafdruk in naar binnen brengt, enigszins te vergelij-ken met een oliewringer. Dit systeem is echter verlaten 4ecr sterke

slijta~e en corrosie (20) ~ 41-... .tA I-;--'-r

/?-"l-3) Een buisvormige autoclaaf, waarin het materiaal door schoepen in één richting wordt voortbewogen. Aan-en afvoer vinden plaats aan begin en einde door middel van een sluis.

OONS.TR.MAT.

Het constructiemateriaal speelt een belangrijke rol voor het verkrijgen van een optimum rendement. Zo is bv. gerapporteerd:

in ijzeren autoclaaf 6

%

opbrengst en in koperen autoclaaf 9

%

(19)

Behalve de nadelige invloed van ijzer is ook van belang dat de ge-vormde furfural zo snel mogelijk uit het zure milieu wordt afgevoerd. Zuur geeft nl. aanleiding tot allerlei nevenreacties

(30)

.

KATALYSATOR.

De katalysator bij deze processen is meestal H2B04 en soms HOl, waarvan de hoeveelheden afhangen van de gebruiltte druk. Een afWijken-de katalysator wordt beschreven in (8). Hierwordt-nr. een grote hoe-veelheid phosphaat gebruikt bv. superphosphaat. Na de gebruikelijke hydrolyse met stoom wordt het residu gedroogd en met NH3 behandeld: aldus verkrijgt men een stikstof-en phosphor-kunstmest.

Andere kat. worden nog genoemd in (7) bv. NaHS04,AlC13,ZnC12,FeC13 •

In (6) wordt geheel zonder katal. gewerkt~ Voor houthydrolyse ge-bruikt men wel HCI + S02 (4)

TWEE TRAPS PROCESSEN.

In de bovengenoemde processen wordt de hydrolyse van pentosanen~

pentose en de omzetting pentose~furfural in één trap uitgevoerd bij ca. 140-1500C.

Het is echter ook mogelijk .deze 2 reacties na elkaar te laten verlopen. Dit wordt vooral van belang als men de cellulose uit het ui tgangsmateriaal wil versuikeren. 1len kan dan eerst een hydrolyse der pentosanen bewerkstelligen met verdund zuur en bv. bij 1100_{0 en}

daarna het residu met sterker zuur en lof bij hoger temperatuur ver-der versuikeren. ~~en verkrijgt aldus door partiële hydrolyse een pen-tose en een glucose-oplossing}die men verder kan verwerken in versohil-lende richting bv. pentoseopl. op xylose of furfura1 ; de glucose-opl. al of niet vergisten. Dit proces is uitvoerig beschreven in (17).

Verder zijn het vooral de Duitse patenten, die de furfuralberei-ding uitvoeren in 2 trappen. Zo wordt in (9) een proces beschreven, volgens hetwelk de hydrolyse der pentosanen wordt uitgevoerd in een diffusiebatterij (VOlgens (10) ) bij ca. 1000 met

i

%-ig zwavelzuur. De vloeistof wordt daarna oververhit tot 170-1800C waarbij de pento-se uit de oplossing overgaat in furfural. Direct hierna volgt de des-tillatie. Ook in (12) staan gegevens over dit proces. In plaats van te verhitten kan men ook oververhitte stoom in de pentoseopl. blazen (13). Een Ned. octrooi beschrijft ook de partiële hydrolyse van stro,. waarbij de pentose op furfural verwerkt kan worden (14). Ten slotte maken we nog melding van enkele Nederl. octro01aanvragen (16) waarin

stro onderin een lange verticale buis wordt gebracht en waarbij de 2 hydrolysen na elkaar op verschillende hoogte plaats vinden. Boven-aan de buis wordt het residu afgevoerd en op verschillende hoogten kan men een pentose en een glucose-oplossing aftappen. Het is echter een apparatuur op laboratoriumschaal.

KEUZE V.D. GRONDSTOF.

Na dit overzicht van de belangrijkste procédéè willen wij eerst nagaan welk materiaal we als grondstof kunnen kiezen voor een Nederlands be-drijf. Aan een artikel in "Plasticatt _{(25) ontlenen wij hierover de}

volgende gegevens. Ter beschikking in Nederland zijn: Zemelen f 130 per ton

Haverdoppen f 100 per ton

Stro f 30 per ton De prijzen zijn van 1947. Vlasscheven f 30 per ton

(4)

I ...

3

Zemelen en haverdoppen zijn te duur, doordat ze veel gebruikt worden

als veevoeder. Er blijven dus over vlasscheven waarvan de productie

vrij beperkt is nl. 25000 ton per jaar, vergeleken bij stro:

1.300.000 ton per jaar. Het te verwachten rendement wordt opgegeven

als

6,6

%

op stro en

8 %

op vlasscheven (Vrij laag op.~egeven)

Bovendien moeten we nog rekening houden met andere industrieen die

deze grondstoffen ook al verwerken nl. strocarton en bouwplaten.

Voor ons schema hebben we als grondstof stro gekozen. Hiervan is

de productie groot en als we voor ons schema een verbruik van 7000

I

.

V

ton per jaar rekenen is dit dus slechts een zeer klein deel van de

vr

totale productie. Bij vlasscheven is dit kwantum al ca.

i

van de

be-.~._~ schikbare hoeveelheid zodat hier meer kans bestaat, dat het materiaal

~~J7 niet gemakkelijk te verkrijgen is door andere verbruikers. Overigens

.

V~ ~ kunnen vlasscheven in ons schema zonder speciale voorzieningen naast

\ ~1I1. stro worden verwerkt.

~V

KEUZE V.H. PROCES.

. ~

Bij de keuze van ons proces zullen wij in de eerste plaats in het oo~ houden dat het residu verder verwerkt wordt op glucose. In

hoofdzaak kunnen we kiezen uit 2 mogelijkheden.

1) Pentosanen ineens in furfural omzetten volgens (2) en

(3)

'

2) Eerst pentosanen hydrolyse ren tot pentose en daarna omzetten in

furfural volgens (9), (10), (12) of (13).

De voordelen van deze laatste methode zijn:

a) Yen kan een volkomen partië~le hydrolyse verkrijgen dus de

pento-seopl. bevat bijna geen ~lucose terwijl toch de pentosanen goed

uit-geloogd worden (22), (30).

b) Men kan een hoger ren<'tement aan furfural krijgen, doordat we voor

iedere trap de meest geschikte condities kunnen kiezen. Dit zal

dui-delijk worden uit het volgende.

Bij eenzelfde temperatuur is de omzetting pentosaan~pentose vrij

snel en pentose-.furfural langzamer. Werken we bij een temp. van bv.

1500 _{dan zal er dus een pentoseconcentratie optreden. Dit geeft}

gele-genheid tot diverse nevenreacties die dan kunnen optreden zoals di-merisatie en verharsing van pentose en zure afbraak van furfural (30)

waardoor het rendement ongunstig wordt beinvloed. Daarom is het beter

eerst bij lage temperatuur, ca 1050_{C de pentose te extraheren, dan}

treden de nevenreacties nog niet zo sterk op. Door daarna snel te

verhitten tot 1800_{C kunnen we een}_hoger_{rendement verwachten.} _Ieder

van de twee trappen hebben we nu }ster onder controle.

KEUZE V.D. REACTIEOMST.

Bij het vaststellen der reactie-omstandigheden laten we enige

numeri. eKe gegevens volgen uit de literatuur •

Stroanalyses:

Vermande (21) geeft voor roggestro

cellulose 42

%

hexosaan 11,7 _

, entosaan 22,4

%

lignine 20.9 %

Proefstat. voor stroverw. (22) geeft voor stro

pentosaan 24-30 % hexosaan 43-~ %

i

lignine 18 % berekend op absoluut droog stro.

,

~l

A1S

we 22!

%

aanhouden zijn we dus zeker niet te hoot';.

j~1(- Hoeveelheid en conc. van het Zuur.

I

~\: Hierover vinden we in (18) 5

%

zuur berekend op grondstof. (23)~geeftop

.\L~ 6 % H2S04 als 100. %-ig op droog stro berekend. verh.vloeistof: stro

~.

. .

'0

~ ~

1.2P .. ' . .•

(12) geeft\:700 kg stro+7,3 m3

t

%-ig zwavelzuur. Het proefst. voor

stroverw. (22) toonde aan dat de beste zuur conc. voor partië~le

hy-drolyse

i

%-ig H2S04 is. Zij werkten met een 8lotverh. 1:12. Bij 1250

is de optimum extractietij"d 40 min. Er 1s geen he)(.o~e. in het extract.

Het uitloBingspercentage is 90

%

.

Op grond van deze gegevens nemen

we aan op-Il dl. stro 10 dl.

i

%-ig zwavelzuur. Extractietijd 3 hr bij

lOO-llOoC. Uitloging 90 %. .

Nu de omzetting pentose ~ furfural. Hiervoor gebruiken we de methode

(5)

4

Men werkt hier zodani~ dat men een 1 %-ige furfuralopl. krijgt. In

(11) wordt nog verdunder gewerkt nl.

i %

pentoseopl. Het rendement

van de omzetting is volgens (12) 73.5

%.

In (26) vindt men voor 60

%

ige xyloseopl. 37 % en voor 4 %-ige opl. 70

%

rendement. Blijkbaar wordt het rendement beter baarmate de opl. meer verdund is. We ne-men voor ons proces 75 % aan.

Voor ons schema volgen we dus de bewerkingen van (9) nl. eerst ex-tractie van pentose in een diffusiebatterij volgens (10). Dan over-verhitten tot 18Go, en destilleren volgens (3). Bij deze aztotropi-sche destillatie zijn beschreven een kolom met een inwendige sep. ra-tor,( 3) en (18»)en een met uitwendige separator (19) (24). We heb-ben de eerste gekozen.

CAPACITEIT RENDEMENT.

Op grond van de aangenomen rendementen komen we tot de volgende hoe-veelheden. Per uur 850 kg stro (17 pakken) ca 20 ton per 24 uur. Luchtdroog stro bevat ca 10 ~ water.

Dus als abs. droog stro 765 kg met pentoèaangeh. 22i %. Extractie rendement 90

%.

Dit geeft als pentose in opl. 155 kg (18,25

%

op de grondstof).

Extractievloeistof 7.5 m3

t

%-ig zwavelzuur. Dit geeft dus een ruim 2 %-ige pentoseopl. 96

155 kg pentose corresp. met 155 x 150 99 kg furf. Omzettingsrendem. 75

%

~ 74 kg furf./ hr.

Op de grondstof berekend 8.7

%.

Productie per 24 uur

11

ton. OPSLAG EINDPROD.

Het bewaren van furfural vereist nog enkele voorzieningen. Door aan-wezigheid van zuurstof en ijzer treedt gemakkelijk auto-oxydatie op. waarbij de zuurgraad oploopt en de kleur donkerder wordt

(30).

Om dit te voorkomen honden 'Ne boven j;r& de vloeistof in de opslagtanks

een N2 atmosfeer en voegen we in de tank

i

%

hydrochinon als i\'\hibi ~Ol"

toe.

ECONOM.OPM.

Tot slot nog enkele economische opmerkingen.

De marktprijs van furfural is in Amerika thans

$

0,095 / 1b of ca. f 0,80 per kg. Er worden thans 280.000 ton grondstof per jaar ver-werkt (20). Haverdoppen\het oorspronkelijke materiaal, is thans niet meer toereikend. Ook malskolven en katoenzaadhuIzen worden nu ver-werkt. Deze materialen zijn daar zeer goedkoop en de enige moeiliJk-heid is eigenlijk het transport van grote volumina van de boerderij

naar de fabriek.

In Nederland zijn de agrarische afvalstoffen tot nu, toe steeds voor velerlei andere doeleinden gebruikt (vooral strocarton en veevoeder), waardoor de prijzen hier aanzienlijk hoger liggen. Het zal dan ook

zeer moeilijk zijn voor een Nederlands bedrijf om furfural te

prodU-ceren tegen een kostprijs die gelijk is aan die in Amerika of deze'

niet al te veel overschrijdt.

AANVULLIN G~

-In een zeer recent artikel (31) worden nog enkele getallen

ge-noemd, die enigszins a1wijken van de hierboven genoemde.

Stroproductie 1.900.000 ton per jaar.

Verbruik in landbouw en veeteelt 1.400.000 ton.

Het pentosaan-gehalte varieert bij verschillende strosoorten van

(6)

LITERATUUR. 1 U.S.P. 2 U.S.P. 3 U.S.P. 4 U.S.P. 5 U.S.P.

6

U.S.P. 7 U.S.P. 8 U.S.P. 9 D.R.P. 10 D.R.P. 11 D.R.P. 12. D.R.P. 13 D.R.P. 1.735.084 1.919.878 1.919.877 2.008 006 2.°59.435 2.096.353 2.140.572 2.362.390 566.153 583.324 604.018 719.704 740.602 14 Ned.Ootr. 33.668 15 N.Ootr.aanvr. J. Pluim 131970, 132001, 132037 16 B.P. 129.025 •

17 Ind.Eng.Chem.

11

24 (1945) J.W. Dunning E.C. Lathrop

18 id. 19 id. 20 id. 21 Diss.Vermande 18 1217 (1926) D.H. Kil1effer 18 823 (1926) La Forge G.H. Mains 40 201 (1948) H.J. Browntee

c.s.

Miner (1945) Delft

22 Publ. 10 Proefstation voor stroverwerking, Ritman 23 Chem.Zentr. 1941 I 2320

s.o.

Skworzow I.M. Ssorin 24Chem.Met.Eng. ?tJ7 (1924) G.H. Maine

25 P1aetioa~ 89 (1949) W.J. Taat

.26 J .Phye.ohem. 40 133 (1936) E.T. Fu1mer e.a.

27 Chem.abetr. ~ 526~

28 id. 26 46031

29 Chem.Met.Eng 26 779 (1922) G.H. Maine 30 Ind.Eng.Chem. 40, 204 (1948) Dunlop.

31 Natuur en techniek 18 G33 (1950) F.M. Muller

(7)

-• I

I

L

- --" - -- - ' ,

-Beschrijving van het schema.

De stropakken komen aan over een rollenbaan, waar de staaldra -den die het pak te zamen hou-den wor-den doorgeknipt. De magneet 1, een pulley, waarin een stilstaande magnetische sector, houdt het staaldraad tegen, terwijl het uit elkaar vallende stro in de molen 2 ~lijdt. Hier wordt het eerst door messen uit elkaar geslagen en daarna in een hamermolen tot stukjes van ca. 6 mme gebracht. Het af-gewerkte materiaal wordt door de zeefbodem heen gezogen en een ex-hauster blaast het naar boven in een cycloon 3. Hieruit valt het in de weegtank

4

waarin elke charge van 850 kg wordt afgewogen. De weeg -tank kan langs rails boven elk der diffuseurs 5-8 worden gereden. De cycloon is van zodanige afmeting dat deze dan tijdelijk als bun-ker dienst kan doen.

De dtffusiebatterij werkt aldus: We nemen aan dat 6 ~~ist afge-werkt is en uit de circulatie wordt genomen. 7 is net gevuld. Zuur

,uit tank 10 wordt onderin 5 gepompt en wel 7.5 m3 in

t

uur, het door-loopt achtereenvolgens 5, 8 en 7 van onder naar boven. 7 wordt nu dus opgedrukt. (ontluChtingsventiel op het deksel) Na

t

uur wordt vers zuur uit tank 9,(7, 5 m3 in

i

uurJdoor 5,8 en 7 gepompt en dus afgetapt. Intussen is 6 leeggedrukt met perslucht in tank 10: het

zgn. "drukwater" dat echter weer gebruikt wordt tijdens de opdruk-periode.

6

wordt gelost en gevuld met vers stro. In totaal is hier voor 1 ~ur beschikbaar. Hierna wordt dus 5 uit de circulatie genomen en wordt~"eerst weer tuur drukwater uit 10 gepompt in 8. 6 wordt dan opgedrukt enz. De extractietijd per ketel is dus 3 uur. Iedere ketel is voorzien van een stoomverwarmer met circulatiepomp. Extracttetemp. is ca. 1000_0. _{Het afgewerkte materiaal valt in een trog en wordt door}

een transportschroet afgevoerd.

Omdat de diffusiebatterij slechts gedurende de helft van de tijd vloeistof levert en'de rest van de apparatuur continu. werkt, moeten we een buffertank 11 inschakelen.

Hieruit wordt de vIst. met een snelheid van 7.5 m3/uur gepompt door een oververhitter 12 waarin de vIst. in ca. 2 min. op 18000

wordt gebracht

(4

path) . Het verwarmingsmiddel is een zoutbad (2 path) (zie bv. Dodge Chem.Eng.Thermod. pag. 363) . De toevoer van het zout wordt geregeld door een thermometer in de uitlaat.

Nevenreacties geven harsvormige producten die vóór de destilla -tiekolom 'worden afgefiltreerd in een Niagarafilter l3.Van de 2 gete-kende filters iB er één afWisselend in bedrijf. Na expansie, waarbij een deel der vIst. verdampt wordt de furfural afgedestilleerd in 14. Bij 97.90_{C en een dampsamenstelling van 35}

%

_{furfural scheiden zich}

2 lagen af in het condensaat. De zwaarste laag bevat 84,1

%

fUrfural. Bovenin de kolom bevindt zich een separator bestaande uit een gewone bubble cap-plaat, alleen zonder klokken. Hier wordt de furfurallaag continu.,l: afgetapt en gekoeld in 18 tot ca. 200_C_. _{Er scheidt zich in}

de seperator weer een waterlaag af die naar de kolom terug gaat. De furfural bevat thans nog 5

%

water. Om ook dit nog te verwijderen wordt in 20 een flash destillatie uitgevoerd. Het is een cyl1ndri -sche doos, op de bodem waarvan zich een stoomspiraal bevindt (ca. 8 atm). De ruwe furfural komt in het midden van de bodem in het ap-paraat en stroomt dan door een spiraalvormige goot langs de stoom-pijp naar de omtrek. Daar is de temp. dan ca. l600

c

.

_{Het aanwezige}

water en wat furfural zijn dan verdampt. De dampen worden geconden -seerd in 21 en weer naar de separator terug gevoerd. De hete, water-vrije furfural wordt gekoeld en naar de opslagtanks gevoerd.

De furfuraldamp bevat nog verscheidene lager kokende verontrei-nigingen. Daarom is boven de separator nog een extra plaat aangebracht. De vloeistof uit de reflwc. condensor 15 wordt nu eerst zoveel moge-lijk van deze verontreinigingen bevrijd voor het op de seper ator-plaat komt,

Onderin de reflu~condensor 15 worden de dampen, die dUB vooral de verontreinigingen en wat furfural en water bevatten, afgescheiden van de vloeistof en door een extra condensor 16 gevoerd. De nog aan-weZige furfural scheidt zich in hoofdzaak af in de separator 17 waar-uit net periodiek kan worden afgetapt en teruggevoerd naar de kolom.

(8)

~--- - - - - "

--

... I I

l

2

De bovenstaande laag, in hoofdzaak methylalcohol/aceton en waterJ loont niet de moeite om op te werken en gaat naar het riool.

Onder uit de kolom wordt per uur weer de

7,5

m

3 t

%-ig zuur af-getapt. Via de zuurtanks 25 wordt dit weer teruggevoerd naar tank 9 Eventuele suppletie van water en / of zuur kan in 25 plaats vinden. De praktijk zal moeten uitmaken hoe lang men het zuur we~r kan terug voeren en opnieuw gebruiken.

Diftusèur$ oververhitter kolom en tanks moeten goed geisoleerd worden.

Het constructiemat. moet bestand zijn tegen

t

% zwavelzuur en vanaf de oververhitter ook tegen furfural. Het beste is te nemen voor de diffuseurs gietijzer met hoog Si-gehalte. Voor de oververhitter kolom en leidingen enz. gebruiken we Al-brons van de firma

Am.Braes.Comp. te Waterbury CO"~. Samenst. 82-95

%

Cu

5-9

,

5

% Al 1 Fe . Mn , Ni , Sn. Verkrijgbaar in platen buizen enz.

(9)

..

nl. P S 95,0

%

furf'!22 0₀ 8,4

%

furf.J D : 84,2,1 9(,9

%

00 • furf. 4

Een mat. balans voor furf.en water en furf. alleen geeft dus D.: 84 ... S 0,841 D "0,841 x 84 + 0.841 S 0. 841 D

=

0.95 x 84 ... 0.084 S 0.109 x

84 =

0.757 s . S ::512,1 D :: 96,1 D 96,1 kg 15,3 kg H₂₀ 0.851 80,8 kg furfura1 0.841

Xn

=

0,499 D ':11 S 12.1 kg 11.1 kg H₂0 1.0 kg furf. X_a

=

0.0166 F 7574,7 kg 7500 kg H 0 (Z+furf. in K) 74,7 kg furf.' X F

=

0,00187

K We nemen een verlies van 1

%

dus 7500 kg H₂₀

0,75 kg furf

~ ::. 0.000019

U 35

%

furf. dus

Yu'=' 0.0917

Bepaling der g 1i,lnen.

0,617 0.0104 s = 416 0,778 F ; aan' K 416 0.0077 1.693 416,778 416,007

De betekenis van q is in woorden: de warmte, nodig om 1 mol. voeding overte voeren in ~amp van kookternp, gedeeld door de mo1ec.verdampings-warmte.

Voor'''' 5 : t r 22°0. Eerst moet dus tot kooktemp worden opgewarmd.

s.W. van furfura1 is 0,416. Daarna nog een~verdampen;mo1ec.ver~w.

voor furfural :; 10.321 voor water 9700. q1 - (I-Xe) \(100-22) x 18+ 9700} t xe \ (100-22) x 96" 0,416 + I0321} - (I-Xe' 9700 ... xe 10.321 = 0.984 (1.404 +9.700). O,0166(3l20 foo 10.321) == 9550+ 177

De ql lijn vormt de m.p. der snijpunten van is dus te vinden uit (6) en (13)

Y (Vl+ D - R) : _{Vl x} -tD:xn - R ~ Y (V₁+SQl + Z) :: (VI'" Sql)x t' Z X

_z

Y (D-R-sQl- Z) : - SQl x +_{D :xn - R ~ - Z} ttu geldt: D:: R + S ... Z of D - ft - Z lI. S dus

Y.S(I-Ql) = - Ql S x+ S xe l een X

_z

1,146 e 2 werklijn. De vgl.

(10)

•

5

De vgl. der ql lijn is dus

Vullen we de gevonden waarde in dan. komt er

y 1,146 0,0166

~ 0,146 - 0,146 Y;:: 7,850 x - 0,114

q2 lijn.

De voeding F van 1800 _{wordt geexpandeerd en koelt af tot 100}0

door-dat een deel verdampt. Per kg komt 80 cal. vrij. Voor volledig

ver-dampen is nodig 540 cal. dus 14,8

%

van F wordt damp. q2 wordt dan

q 0,852(1-~)9700 .. 0,852 x_F - 10321

2

=

(l-Xp) 9700 + x_F 10.321 = 0,852_

De vgl. der q2 lijn is te vinden uit (13) en(19)

(V 1 + S q 1 l' z) y ::. (V 1 ~ Sq 1) x '" z X_z Nu 1s Z+ K ~ F dus Ingevuld: 0.8~§ y ::. -

°

1 + 0,00192 0,148 y

=

-

5,76 x +0,0127

,

De vgl. der evenwichtslijn kunnen we niet opstellen. In het noemde artikel van Mains zijn echter de coordinaten van vele gegeven. Deze hebben we omgerekend op mol. fracties.

gew.% 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2,0 3,0 4,0 6,0 8,0 10,0 13.0 16,0 18,4 oplossing destillaat

turf. x gew.% furf

0,000375 1,5 '0,000754 3,0 0,00113 4,4 0,00151 5,8 0,00189 7,0 0,00285 10,0 0,00381 12,7 0,00577 17,1 0,00775 20,7 0,0118 25,8 0,0161 29,2 0,0~204 31,7 0,0272 33,9 0,0345 34,8 0,0406 35,0 y 0,00285 0,00577 0,00855 -0,0~143 0,0®139 0,0204 0,0265 0,0373 0,0467 0,0612 0,0718 °,0800 0,0879 0,0910 °,0917 boven ge-punten

(11)

•

6 Nu zullen we de minimum reflux gaan bepalen. Bij deze reflux hoeveel-heid ie schoeveel-heiding dus net mogelijk echter met oneindig veel p~.

Het snijpunt van werklijn en q lijn ligt dan juist op de evenwichts-lijn zodat we er niet voorbij komen. In ons geval moeten we dus de

q2 lijn snijden met de evenwichtslijn.

Zo wel grafisch alsdoor interpoleren vinden we voor het snijpunt

x

=

0,00096 y

=

0,0074 _

Dit is dus een punt van de 2 werklijn

x

invullen, slechts VI is onbekend.

0,0074 :: V 1

+

0,718

V 1+

°

,

718+ 0,770 •

0,00096

(VI + 1,49) 7,4 ::. (VI + O,7l8) 0,96+ 770

VI

=

121

Hierin kunnen we alle waarden

+ ~70.1,0

vIT 0,718 .. 0,770

We moeten dus in elk geval een grotere waarde kiezen. We nemen aan

V 1 a:: 180

We kunnen nu de verg. der werklijnen berekenen

1e werkl. _y_,_v₁₊_D-R 180 y : 180 l' 1.693-0,293 y: 0,992 x .. 0,00435 2e werkl. 180 .. 0,718 y

=

180 ot 0, 718 + 0, 770 y . O,996 X1' 0,00424 x

_...

+ l,693.0.49

g -

0,293.0,206 180 + 1, 93 - 0,293

°

_1~0

77 ... 0,718 + 0,77 x K x iC. 3e werkl. _Y _:: Vl~ _VI₊_FQ2FQ2 _'"'" SQ1 SQ1-K y _ x (180 ... 416, 78 .0.8~2 + 0~7l8~ - 416.007.0,000019 - 180 l' 16, 7 .0, 52 + 0,718 - 416,007 y :: 4,47 x - 0,000065

(12)

De vgl. der 5 belangriJke lijnen zijn dus y = 0,992 x +0,00435 y :: 0,996 x " 0 , 00424 y. 4,47 x -0,000065 y =- 7,850 x -0,114 y= -5,76 x + 0,0127 e 1 werklijn 2t _werklijn 3Qwerklijn ql lijn q2 lijn 7

Ter controle gaan we nu na of de l~en 2~werklijn met de ql lijn door één punt gaan.

l~werklijn met ql lijn snijden:

7,85 x - 0,114

=

0,992 x ... 0,00435 ---+ (0,0173, 0,0215)

"

Dit invullen in vgl. der 2 werklijn

0,0215= 0,0173 x 0,996+ 0,00424 = 0,02147.

Q ..

Nu evenzo met 2 en 3 werklijn en q2 lijn.

2· werklijn met q2 lijn snijden

0,996 xi- O,004242 -5,76 x +0,0~127 ~ (0,00125,0,00548)

Dit invullen in vgl. der 3~werklijn

0,00548 =4,47.0,00125 - 0,000065~ 0,00552

De samenstelling van het ketelproduct moet op de 3~werk1ijn liggen

x : 0,000019 invullen in 3ewerklijn.

y ... 0,000019.4,47 - 0,000065~ 0,000020.

~ 1ewerklijn snijdt de lijn x~ y niet in het diagram. De

opstijgen-de damp heeft nl. bovenin opstijgen-de kolom een samenstelling van 35

%

furfu-ral of y =0,0917. De samenstellinp'; van de vloeistof V die uit de

separator komt bevat ect-ter minder furfural, doordat

n -

R veel meer

furf. bevat dan 35

%

.

wë

kunnen de samenstelling van VI berekenen uit

de mat. balans van de geparator: U ~ V.,.. D - R

U ~ 180 :t 1.693 - 0,293 :: 181,40.

- R x... _li..

181,4.0,0917= _180.xv+ 1,693.0,4~~ - 0,293.0,206.

16,62:. 180 Xv ~ 0,85 - 0,06 ~::. 0,088.

Het punt (0,088, 0,0917) moet dus op de rwerklijn liggen:

0,0917.:. 0,992.0,088~ 0,00435 :-0,0916 5 •

Alle lijnen van het Me Cabe-Thiele diagram zijn nu dus bekend. In de

bijgaande figuur zijn al deze lijnen terug te vinden. Het deel van

de 3 de werklijn is apart weergegeven op sterk vergrote schaal. Het

blijkt dat de 1 en 2e werklijn practisch samen vallen, omdat de

voe-ding S zeer onbetekenend is vergeleken met F.

Te beginnen bij het punt (0,0880, 0,0917) kunnen we nu de trapfiguur

gaan tekenen.

De redenering hierbij is aldus: Op de eerste plaat komt vloeistof

met x:o,0880. De opstijgende damp heeft een samenstelling van 0,0917.

(35

%

,

azeotrop. samenst.)

Het snijpunt met de evenwiehtslijn, puny 2, geeft de x van de

v1oei-stof~ die in evenwicht met die damp is, en dus van plaat 1 komt.

De-'ze vloeistof komt op plaat 2. Snijden met de lewerklijn geeft de

damp-samenstelling na de 2eplaat. Hiermee in evenwicht is de vloeistof

die van de 2e_plaat_komt_, _dus _{te vinden door snijden met de evenw.lijn}

enz.

(13)

I

8 volgende tabel. Het snijpunt met de evenw. 'lijn is steeds door

inter-poleren gevonden. x y x y 1) 0,0880 0,0917 11) 0,000431 0,00186 2) 0,0406 0,0917 12) 0,000245 0,00186 3) 0,0406 0,0446 13) 0,000245 0,00103 4) 0,00731 0,0446 14) 0,000136 0,00103 5) 0,00731 0,0115 15) 0,000136 0,000543 6) 0,00152 0,0115 16) 0,000071 0,000543 7) 0,00152 0,00575 17) 0,000071 0,000252 8) 0,000751 0,00575 18) 0,000033 0,000252 9) 0,000751 0,00329 19) 0,000033 0,000082 10 0,000431 0,00329 20) 0,000011 0,000082 21) 0,000011 0,000011

Na de ~p1aat komt de voeding S in de kolom. Na de 3ep1aat de voeding F. Totaal 10 platen. Dit zijn echter theoretische platen. We nemen aan een "p1ate efficiency" van 50

%

.

Dan komen Vle dus op 20 platen. S tussen 2een 3e_p1aat.

F tussen 6e_{en 7}e_plaat.

Daarboven komt dan nog de separator. De extra plaat boven de separa-tor, ws,arvan de betekenis al eerder naar voren werd gebracht is niet in deze theoretische beschouwing opgenomen. Dit ls louter een practijk-kwestie, door de verontreinigingen veroorzaakt.

(14)

"

Diameter van de kolom. Voor het stuk beneden F geldt V+ Fq2 + SQl ~ G+ K.

G

= V

+ _F42-t Sql - K -180+ 354 - 416 + 0,7 = 188,7 mol / hr

Het volume der damp die per sec. passeert is dus

JJJh1

x

3000

373 273 x

Van het deel boven F geldt:

G::.V -I-Sql-t Z = 180 ~ 0,72 T 0,77 :.181,5 mol/ uur.

Dampvol:

~~665

x

~

Perry geeft de form.

u :: dampsnelh. Kv::.const.

SI :: dichth.vlst. S2 Co dichth.damp

x

onderin de ko~om bestaat de damp uit zuivere stoom. S2 • 0,56 kg/m

!tv •

42. Bovenin de kolom bestaat de damp voor 35

%

uit furfural. 96 kg furfural heeft een vol. van 22,4 x

212 =

30,5 m3 De dichtheid is· dus 3,14 kg /m3

Het dampmengsel heeft dus een dichth. 3 5

2 : 0,65 x 0,56.,. 0,35 x 3,14: 1,48 kg/m u ::Kv

1I~:~)148

:

Kv. 26.

273

Als dampsmelheid nemen we aan voor het bovendeel 1,5 f

t

/

sec. voor het onderstuk beneden F:2 ft/sec.

Dit geeft voor K resp. 0,058 en 0,048. Uit de tabel (Berry) 1450 blijkt dat we da~ een plaatafstand van 1 ft nodig hebben met een vloeistofslot van 2 t i . diameter beneden F: opp x 0,65 :: 1.

°

1 diam 1.40 m. Diameter bove~ F: opp : 3,13 m

opp x snelh

=

~amphoeveelh.

opp .:1.55 m

opp x 0,49 :; 1.54 .qiam. 2,00 m.

Kolomhoogte: totaal 22 platen met 1 ft afstand dat i8 21 ft. Hierbij 1 ft extra bij~oeding F,

onder-en bovenstuk geeft totaal ca. 26 voet.

(15)

..

Nomenclatuur.

x= mol. fractie van de vluchtigste comp. in de vloeistof

Y=.

"

" t l " 11 11 11 damp.

n. aantal platen van boven tot S

m: 11 11 11

S tot F

Lc 11 11 11 _{F tot onderaan}

G

n .. 1, molen gas van de n +- 1 e plaat Vn

=

molen vloeistof van de n~ plaat F.S.K.U.D.R. enz. molen pe~ uur. W :. warmteinhoud per moldamp.