Fabrieksschema voor de reiniging van ruw tricresylphosphaat tot een chemisch zuiver product

' - ,

I

1

1

,----,I , \,

'i.:iviI<

~ .. ' f. . . 'F FABRIEKSSCllEMA VOOR DE REINIGING VAN R~N TRICRESYLPHOSPHAAT TOT EEN CHEMISCH

ZUIVER PRODUCT.

liiliiiiiÎiiiiiiiiiiillJ

Inleiding.

/"'!\ î

Het verkregen ruwe tricresylphosphaat moet gezuiverd worden om HCL,H 3P0

4J

vrije phenolen en andere verontreinigingen te verwijderen. ue zuiveringsmethode hangt af van het gebruik van het product, er zijn n.l. twee soorten in de handel, technisch en chemisch zuiver tricresylphosphaat.

Het eerste wordt verkregen, door het ruwe product na vacuumdestillatie, te wassen met warme verdunde 3% ig NaOH-oplossing en daarna met water. Het wordt gebruikt in smeermiddele~(en als toevoeging aan vette oli~n.

Echter voor de plasti,industrie, welke verpakkingsmiddelen voor voedings-stoffen en g~sachtige verbindingen maakt, moeten de laatste resten cresol verwij -derd worden met actieve kool,f.{alium-permanganaat of zink met zuur.

Het weergegeven schema geeft een overzicht over de vervaardiging van chemisch zuiver tricresylphosphaat.

Literatuuroverzicht.

~~

In de op de zuivering betrekking hebbende literatuur, hoofdzakelijk

~

-vinden we een grote overeenstemming. Men gaat meestal te werk, zoals boven

be-schreven:

D.R.P. 396,784 (1) geeft aan, dat de zuivering van cresol-houdende triaryl-phoaphaten met verdunde loog, het beste geschiedt, door intensief roeren en wel

~~

bij een,_ te~ratuur, dat zowel de viscositeit van de te reinigen stof verlaagd

wordt, opdat een goede dispersie bij het ~roeren mogelijk is, terwijl aan de andere kant een verzeping niet, of zonder noemenswaardige snelheid optreedt.

D.R.P. 401.872 (2) geeft een aanvulling op 396784 door na behandeling met verdunde loog, het product volkomen vrij te maken van uitgangsstoffen, die meestal in technische cresolen aanwezig zijn, zoals naftaleen, pyridine door te roeren met actieve kool bij verhoogde temperatuur.

E.P. 322.057 wil de zuivering van onveranderde phenolische lichamen met betrekkelijk kleine hoeveelheden oleum, welke ongeveer 20 5g vrij S03 bevat

, 0

gedurende enige uren bij temperatuur van ongeveer 100 C.

Deze laatste methode lijkt ons slechter dan behandeling met actieve kool, daar allereerst een juiste materiaalkeuze nodig is i.v.m. het oleum en ten tweede is de verwijdering van actieve kool m.b.v. een filterpers makkelijker dan het volkomen zuurvrij maken van het tricresylphosphaat.

..

c

...

S.P. 459.2l76pil ook de zuivering met verdunde loog gevolgd door behandeling ~

metV\vater oplosbare p2rmanganaten, terwijl

E.P. 486. 76cY~e laatste zuivering met waterstof in statu n8.sce.ndi wil uitvoeren

door 1 tot 3

%

Zn-poeder ( gebaseerd op het phosphaatgewicht) en een kleine hh.

mineraal zuur aan het phosphaat toe te voegen bij een temp. in de buurt van het

kookpunt van water.

Ook hier is het volkomen zuurvrij maken van het tricresylphosphaat een bezwaar.

De in ons schema gevolgde methode is gebaseerd op zuivering met verdunde 3

%

natronloog, verwijdering van aanwezig water en vervolgens een behandeling met

actieve kool. (-:f")

1 ~ Destillatie van de ruwe ester.

I

15 destilleerketels zlJn besT~ikbaar, waarvan er normaal slechts 10 gebruikt

worden. Deze hebben een inhoud van 10

~.T

3

, de andere

5

ketels zijn

5

IJ3 in inhoud.

Alle, bAh_l i8 h u , zija: ,in siltijmer se Uftll-'rllu ril , :h ClI';'ANltj ;eu;;, sij.

( t:)-J V>->

ya8 eitl";a'hulJ.. Verwarming gesbhiedt 'd~or .stenen gasovens.

Elke ketel is voorzien van een koelspiraal en 4 ontvangers.

~;r lad~_~. tricresylphosphaat wordt door zuigen in de ketel gebracht en

0,4 ~/kalk ·~a (OE)2) wordt toegevoegd, ter neutralisatie van aanwezige

phosphor-I

zuur.

De temperatuur wordt opgevoerd tot 150' Ç en bij een druk van 600-700 mm Eg

wordt de cresolfractie opgevangen. Na

~WOrdt

deze grondsto! opnieuw

gebruikt. De middelste fractie, met

ee~

kooktraject van

200-280~~~~~rdÎ

gedes-tilleerd bij 10-15 mm Eg ( Nash vacuumpomp ). Dit is een mengsel van

tricresyl-phosphaat en cresol. Het wordt opnieuw gedestilleerd met een

VOlgend~r-

_

charge. Bij 280-320·C, de$tilleert de voornaamste ester over en wordt verder

ver-werkt tot zuiver.

De laatste 10

%

van deze fractie wordt apart opgevangen. Het bevat thermische ontledingsproducten en geeft, indien met de hoofdfractie gemengd, moeilijke

emulsies bij het

gedestilleerd en

wasproces. Deze hoeveelheden worden verzameld, opnieuw

,

td.

-3-,

~

.. .

r;;(

ue vacuumdestillatie van één partij, neemt ongeveer

40

ure!. H adat

3

partijen gedestilleerd zijn, wordt de ketel gedurende

24

uren verwarmd tot ongeveer

o

380

C om het residu zo volledig mogelijk af te breken. Na koeling, wordt het residu gebroken en de ketel zorgvuldig schoongemaakt.

2) Wassen en drogen van het destillaat.

De gedestilleerde ester bevat ongeveer 1

%

HCL, cresol en kleine hoeveelheden

zuurJ10riden van de phosphaat ester.

Deze verontreinigingen worden door wassen met een

3

%

ig. NaOR oplossing

verwijderd.

Zes met ~Jzer beklede ketels z~Jn beschikbaar voor het wasproces. Zij hebben een inhoud van 15 M3 , elk uitgerust met een roerder en stoomverwarmingsspiraal.

Acht horizontale drukvaten van 8 y3 inhoud, worden gebruikt voor het opslaan van het product,tus~entijds het proces.

7

ton destillaat wordt toegevoegd aan

5

1[3

3

%

NaOR bij

55

°

C

en een half uur geroerd. Na afzetten wordt de onderlaag (ester) afgelaten in een drukketel.

De waterlaag gaat naar een bezinkbak, voordat het af gelaten wordt.

Eventueel zich afscheidende ester wordt teruggevoerd naar de wasketel.

Het wassen met 3

%

loog oplossing wordt herhaald, door 15 min. roeren ,totdat een gefiltreerd proefje van het waswater slechts lichte troebeling geeft, bij toevoeging van geconcentreerd zoutzuur. Dan zijn de zuurchloriden verzeept en slechts een kleine hh. vrij ere sol blijft achter.

De ester wordt dan gewassen met water ( 7 1.13 bij

55

C ) op een zelfde wijze, totdat

50

mI gefiltreerd waswater

0,9

mI

t

N

R

2

S04

voor neutralisatie nodig heeft. Bij dit proces moet,het roeren niet te lang gedaan worden, met het oog op

~)1v ..

d,.

4---J

het gevaar van ~~rvqrmjn~. Voldoende tijd moet blijven, om een scherpe afscheiding te verkrijgen, tussen de ester en de waterphase.

De benodigde tijd voor de scheiding, hangt af van de zuiverheid van de grond-stoffen en van de aan-of afwezigheid van thermisohe ontledingsproducten.

De ester bevat ongeveer

9

%

water na uitvoering van het wassen. Het wordt

in een vacuumdichte ketel van 15 r,r3 inhoud geperst,

~dezelfde wijze uitgerust als de wasketel. De ketel wordt met stoom ve~varmd tot

•

8

5-90

C en het water wordt afgedestilleerd bij een druk van

60-120

mm Eg.

De waterhoeveelheid wordt tot 0,1- 0,2

%

verminderd in

5-6

uur.

Indien het wasproces achter niet ~d gecontr8leerd is, kan 20 uur drogen noodzakelijk zijn.

3) Beha.ndeling met 'a.ctieve kool.

De ester bevat ongeveer 0,1

%

cresol en verontreinigingen. Behandeling wordt uitgevoerd in roerketels, waarvan er 4 beschikbaar zijn. Deze hebben een inhoud van 6-8

lè

en zijn voorzien van stoomspiralen. Een charge wordt geroerd bij 80· C gedurende een iuur met ongeveer 2

%

actieve kool.

net

materiaal wordt door een filterpers gepompt en gecontr61eerd. Indien nodig,wordt een verdere

koolstof-behandeling gegeven. Het product wordt

herh~aelijk

rond gepompt door de

filter-pers, totdat het filtraat optisch helder is. Na kleuring ( Zapon pure blue O~~Q~

%

).

voorgeschreven i.v.m. de giftigheid van het product, wordt het product afgelaten

in voorraadtanks.

De fil terhoek uit de pers bevat ongeveer 66 ~b ester en deze wordt teruggewoanen door de filterkoek te roeren met C

2H

₅

0H of solventnaphta.( 1 deel filterkoek

met 2 delen oplosmiddel ) in een roertank.

De oplossing passe~rt een roterend filter en de oplossing wordt afgedampt

van de ester.

"""---~'-"

~~~

)

en

verbruik

va~

gro,ndstoffen.

1. .!-lantcapacitei t

"""

ll.i1A.-,1(

400 ton / maand.

2. OpbrengSt 1 ton ester

=

1,030 ton cresol.

3. Verbruik per ton product Cresol POCL 3 1,1gCL 2 1030-1100 kg. 550 kg. 50 kg. NatóH ~outskool Solvent naphta koel-en waswater stoom 200 kg.

)

(

Lr

t

!tnt

35

kg. ", electriciteit gas ( 220 kcal / ~.13 ) 60 kg. -3 130 ... . 4 ton 550 KwU. 150 M3 •

Tricresylphosphaat wordt meestal vp.rkregen als een mengsel van isomeren

afhankelijk van de zuiverheid van het gebruikte aresol. " h--~,...,..o..L""~

In het ~ngseI)(6, 7 ) bevindt zich 0-, m- en p- tricresylphosphaat,

'''-.-J

, _ /

b-/.-,' (Otu-'~" •

v--.uZ

l...rr>

/

.<.-;

Het ~ mengsel -is vloeibaar, waarbij bij -35 C nog geen kristallisatie optrad.

Verdere eigenschappen van het tricresy1phosphaat zijn :

soort. gewicht 1,162 bij 20·C brekingsindex kookpunt verdampingswarmte viscositeit oplosbaarheid 1,556 bij 25·C 235GC bij 4 mm 295·C bij 13 mm 420·C bij 760 mm 21120 Call / mol •

3

C 1100 c P 10

Ge

460 20 ." v 160 50

·c

24 0,002

J,

bij 85·C in water.

-5-Tenslotte nog enig~ productiecijfers en prijzen van de Verenigde Staten (8) • ~

Productie mill. pounds 1944 20 1945 14 1946 10 1947 12 1948 15 1949

Prijs Sper pound tricresylph. 0,25 0,25 0,33 0,33 0,33 0,42 Prijs $ per POCL 3 0,15 0,14 0,11 0,11 0,115 0,12 Literatuur., 1. D.R.P. 396.784 ~ / " 2.

3.

4.

5.

6.

401.872 E.P. 459.217 E.P. 486.760

B.

r.

o.

S. Fina1 Report ~~o. 696 ttem No. 22

Lasungsmitte1 und.1{eichhÎltun~~mit:e1 19;3 :pag. 162.

T.H. Durrans •

lM1

q(./~,., 1,1"" .< . . . . J ;.1 ,// . 0 ' ) ldA.~

,

p. Prijs $ per gallon creso1 0,72 0,72 0,72 0,90 1,20 1,30

7.

Losungsmittel und WeichmaI ( chungsmitte(

I

1 1950 pag. 407 : IT. Gnamm.

Berekening van koeler en oondensor voor destllatie van solvent naphta.

In de destilleerketel bevindt zioh 2200 kg solvent naphta, kooktrajeot

f1

200-247 F, en een hoeveelheid trioresylphosphaat. Het geheel is homogeen en de solvent naphta willen we in 8 uur afdestilleren. Warmte hiervoor wordt geleverd, door een in de ketel aangebraohte stoomkast.

Voorlopige oondensor berekening I

2200 kg solvent naphta in 8 uur, of per 275 kg

=

605 lb. Verdampingswarmte solvent naphta 145 Btu / lb,

du~te CO~~

8~

per uur 605

X

145

=

87725 Btu.

In de oondensor wordt water door de pijpen geleid en de te oondenseren damp

o 0

er om heen. Water temperatuur stijgt, van 70 tot Ilo F en de damp van 247 F

•

wordt ~oondenseerd tot vloeistof van 247

F.

Gemiddelde temperatuur verschil in oondensor

Nemen we met behulp van tabel in Perry pag. 1000, als overall oo~ffioient

u

=

100, dan berekenen we het voorlopig oppervlak van de oondensor

8

7.2~-::.

7.

=

6:

6:j-___

~/z'

/ 0 0 ... /~ó

,. Nemen we pijpen van een

t

n_{, welke per ft een oppervlak hebben van 0,143sqft}

~: ó~- ..

en een pijplengte van 3 ft, dan hebben we nodig, = / 3 . .2. pJ.Jpen.

3 Je 0 .. /""".3

Stel 13 pijpen.

Benodigde hoeveelheid koelwater : 87725 Btu / hr

=

21931 koal / hr of 21931

=

21931

=

997 kg / hr of 2193 1b / hr. o

temp.verschil in

ex

s.w. 22

X

1

Capaoiteit van een

t

n _{pJ.JP bij een snelheid van 1 ft / seo. is 30OJt / hr ;} 13 pijpen dus 13 X 300

=

3900 1b / hr, en de snelheid in de pijpen zal dus zijn,

2193

=

0,57 ft / seo. 3900

Met behulp van het Reyno1dsgetal :

~=~v/

zien we, dat we in de waterpijpen

~~ 0

een turbulente stroming hebben n.l., ~ gemiddelde watertemperatuur 89 F, hierbij is de diohthei~

=

62,11 en de visoositei~= 1,85 lb / ft / hr.

~ %~.2

...

~ ~7X 4 6 0 0 x 6..?,// 6

-/~= _.3 0 0 .

Koeler berekening.

0

8

•

De vloeistof van 247 F, moet b~koeld worden tot 0 F. De temperatuur van

o

het koelwater in de pijpen, stijgt van 70 tot 110 F.

Af te voeren hoeveelheid warmte is dus :

..

hoeveelheid vloeistof X temp. in C X s.w. of

275 X ( 119,5 - 26,7 ) X 0,46

=

11740 kcal / hr of 46960 lb / hr.

o

Gemiddeld logarithmisch temp. verschil ~ T

=

50 F.

Uit Per~, pag. 1000, vinden we de gemiddelde overall co~fficient U

=

100.

Berekenen we nu het oppervlak van de koeler

A

=

50 X 100

Nemen we weer

in

pijpen, nu 4 ft lang, dan zijn er nodig

_ _ ..-;..9"""....:.4 ___ = 16,4 pijpen. We nemen 16 pijpen.

4.X 0,143

De benodigde hoeveelheid koelwater wordt dan :

11740

=

hh koelwater X temp. verschil in·C X s.w. of

=

9,4 sqft.

hoeveelheid koelwater

=

_1;;;;..1;;;;..7.:-4~0 __ = 520 kg / uur of 1140 lb / uur.

22 X 1

Bij een snelheid van 1 ft / sec. verwerkt een

til

buis 300 lb water per uur,

dus 16 pijpen een hoeveelheid van 16 X 300

=

4800 lb / uur. De snelheid in de

1140 /

pijpen wordt dan

=

0,24 ft sec.

4800

_..

Log. gemiddelde watertemperatuur 89 F, hierbij is de dichtheid~

=

62,11

en de viscositei~

=

1,85 lb / ft / hr.

Het Reynoldsgetal voor de stroming in de pijpen wordt :

Dus een laminaire stroming. We willen nu

b.v.

met Re

=

4100, dan zijn er dus nodig

dan wordt de pijplangte ---"-~-9,4 =

9

ft.

7 X 0,143

een turbulente stroming hebben

1810

X 16

=

7

pijpen

4100

-7-x i

Controle berekening voor condensor.

- - -- _{- - - -} --z?(--- - - -

-0 '

-7o ...

~-/ ~-/ 0

,,-Als vuistregel mogen we aannemen, dat de weerstand van de waterfilm aan de binnenzijde ongeveer 4 X _{de weerstand van de solvent naphta film aan de buiten}

-kant is. _{De pijpwand temperatuur zal dan ongeveer gelijk zijn}

aan de solvent naphta temperatuur, vermindert met _{1/5 van het totale temperatuur verschil.}

t s

=

247 - (

~

X 156 ) = 2160 F o á t

=

t verz.damp t

₌

_{247 - 216 = 31 F} pijpopp. o t film = t _{247 - 24 223 F} verz.damp -/ De inwendige fi1mco~fficient: hi

=

0,00134 ( t '+ 100 ) VO,8 DO,2

Gemiddelde temperatuur van het water in de pijpen

o

247 - 156

=

91

F

.

~e gemiddelde temperatuur van de binnenfilm, _{welke het gemiddelde is van de} plaatselijke _{wandtemperatuur en de temperatuur van het}

water _{in de pijpen is} I 216 + 91 o = 153,5 F 2 V = 0,57 X 3600

=

2050 ft / hr. D. J. h. J.

is voor een

i"

_{pJ.JP : 0,546" of 0,0455 ft}

=

0,00134 ( 153,5 + 100) 2050°,8 _-

=

279 Btu / (hr)(sqft) 0,0455°,2

De uitwendige co~fficient _{h voor hor. pijpen is}

, ,---. hierin is : k f

=

0,078 Btu

K

sqft / hr

I-F

ft ~f

=

45,9

lb

I

cuft Do = 0,840

1

₁₂ ft r

1

4

5

Btu / 1b u

_f

= 0,0605 1b / ft / hr g

4,17

X 10

8

ft / hr ~ 247 - 216

=

31°F

n

= 5

(aantal pijpen boven elkaar. )

WaarJen voor hf, f en uf uit " De,ta Book on Hydrocarbons 11 van Maxwell.

Ingevuld geeft voor he : 602 Btu / hr/ (sqft) deg F

Met deze waarden voor h en hi berekenen Vie nu de overall co~fficient Ui

o

waarbij we ook h 1 voor water 500 moe$ten invullen. sca e u. = 1 ~ 1 Di Do 1 - + 1,151 l o g - - + Di + -h. K Di D h h ~ o 0 sc

Voor de k vinden we 33 Btu / (hr) (sqft) (OF per ft )

.

1

U.

~

=

---~~---1 1,151 11/12 + log 5/8/12 ~/l2 1;/12 1 +-~-+

279

33

500

Deze waarde ingevuld geeft U.

~

114

Btu / (hr) (sqft)

(F)

en we hadden

aan-genomen U.

=

100

~

Berekenen we nu opnieuw de oppervlakte van de condensor, dan vinden we

A

=

87725

₌

_4,26

sqft 114.156

en inp1aats van 13 pijpen van 3 ft, hebben we nu slechts

____

4~,2~6~

__

=

10 pijpen nodig.

3

X

0,143

Aangezien een dergelijke kleine condensor niet in de handel gebracht wordt,