De fabricage van maleinezuuranhydride uit benzeen, II

p • ..

.

,

.: '.i:

.

-l

.:' . . -IJ " . _, I -f / • r. t' , . f' \ ~ .' r VERSLAG FA:F3RIEKSSCHEMA

De fabricage van MALEINEZUURANHYDRIDS uit benzeen.

11.

Tan Yae Yang

-'

De fabricage van maleïnezuuranhydride uit benzeen.

Dit verslag vormt een aanslui ting

0'

dat van

X!:.

Geelen. Hierin zal voornamelijk de "[inning van het maleïnezl1uranhydride uit het productgas worden behandeld.

De fabricage van het maleï~~zllu~anhyd~ide.

Het maleïnezuuranhydride (en het maleïnezuur) wordt verkregen door de katalytische oxydatie in de dampphase met lucht van een groot aantal verbindingen - alifatische en cyclische - die 4 of meer koolstofatomen bevatten.

1. ~oxydatie van benzeen.

De klassieke methode ter fabricering van het maleïnezuuranhydride (hier verder afgekort tot MZA) is de k~talytische oxydatie van van benzeen in de dampphase, welke ontwikkeld en gepatenteerd . '" werd door J .M.vle-iss en C.R.Downs in 1920 (1). Het reactieproces

kan vereenvoudigd door de onderstaande vergelijking worden weer-geven:

2 C6H6 + 9 O₂ 2 Ç,H -_{CH - CO'} CO,O' 4 H 0 _{+ 2 +} 4 CO ₂

Als katalysatoren kunnen dienen oxyden van metalen uit de 5de en 6de groep van het periodiek systeem (2). Meestal wordt het ,vanadiumpentoxyde, V

205, al of niet gemengd met andere oxyden, gebruikt op een inerte base als drager, b.v. alumina

(J),

si-lica (4), sisi-lica + pyrexglas (5), corundum (6), d~atomeeënaarde

(7) of op metaalgaas (8). Alkalimetalen dienen soms als promo-toren (9).

Afhankelijk van de gebruikte katalysator, varieert de contact-temperatuur van 400 - 600 °C. De opbrengst bedraagt ca. 50

%.

2. de oxydatie van crotonaldehyde.

In de katalytische oxydatie van crotonaldehyde, CH~.CH:CH.CHO,

tot maleïnezuur en MZA, wordt stoom gebruikt als vérdunnings-middel om de oxydatie tot CO

2 te verminderen.

600 delen lucht worden gemengd met 12 delen crotonaldehyde, voor-verwarmd tot 90 °C, gemengd met stoom (36 delen) en geleid over de katalysator bij 350 °C.

De katalysator bevat V20~, MoO) en P20~ op aluminiu~.

Het rendement aan maleïnézuur en MZA bedraagt rond 85

%

.(10,11). Deze methode heeft in Duitsland veel toepassing gevonden (12)als gevolg van de goedkope bereiding van het aldehyde uit acetyleen via het aceetaldehyde en het aceetaldol.

3. de oxydatie van furaan en zijn derivaten.

De eerste octrooien voor de bereiding van MZA en maleïnezuur ui t furaan, furfural, fu:furol en pyroslijmzuur dateren van 1927 af (13, 14). De opgegeven rendementen zijn echter laag (30

%).

Van belang is echter pas de menhode van F. Zumstein (15), waar-bij uit fural een opbrengst aan MZA van 90

%

.werd verkregen. In de V.S. is deze methode verder onderzocht door E.R.Nielsen (16, 17). Het bereikte re~dement bedroeg meer dan 75

%.

.

De katalysator bestaat uit een mengsel van V- en Mo- oxyden, P en Fe-molybdaat. De oxydatie geschiedt in een reactor van

"

2.

nikkel bij een temperatuur van 270 °C.

De fabricering van MZA uit fural is van belang voor die landen, waar dit in grote hoeveelheden wordt bereid uit afval van land-bouwproducten. In de V.S. wordt fural als bijproduct (tot 10

%)

verkregen uit haverkaf bij de fabricage van Quaker Oats.

Maleïnezuur wordt met een goede opbrengst verkregen bij de oxy-datie van een mengsel van di- en tetrahydrofuraan. De ka~alysator bevat V en Mo oxyden. De beste contacttem~eratuur is 250 - 450 °c

(18).

4. de oxydatie van olefinen.

In de V. S. zijn pogingen gedaan op commerciele schaal maleïne-zuur te fab*iceren door oxydatie van olefinen en diolefinen met 4 C-atomen (19,20), welke echter nog niet tot een succes hebben geleid (21).

Men kan ook uitgaan van fractiès, verkregen bij de kraking van benzine, welke rijk zijn aan diolefinen met 6 C-atomen

(kooktra-ject 80 - 100 °C). Als katalysator is aanbevolen een mengsel van tinvanadaat, Mo0

3 en ~i02. De contacttempera~uur bedraagt 500 - 600 °C. (22).

De fractie met minstens 75

%

aan cis-2-buteen uit de C -fractie, verkregen bij de kraking van benzine kan eveneens gebruikt word-en voor de fabricering van maleïnezuur. Het mword-engsel van lucht en het buteen (cone. 0,2 ~ 20 mol

%)

wordt geleid over de kata-lysator, bestaande uit V20~ en Mo0

3 met Na2SOd als promotor op corundum, in een stalen reáctor bij een temperàtuur van 300

-500 °c (23). '

5. andere ox~daties.

MZA kan ook in verschillende hoeveelheden worden verkregen bij de oxydatie in de dampphase met lucht van:

andere aromatische koolwaterstoffen (24), zoals tolueen (25, 26) en biphenyl (27) .

verzadigde koolwaterstoffen (28, 29)

cycloparaffinen (30, 31), zoals cyclohexaan (32)

gechloreerde koolwaterstoffen (33), zoals n. butyl chloride, 1,4-dichlooráethaan, amylchloriden, etc.

vetzuren (34), zoals valeriaanzuur en oliezuur (35)

plantaardige en dierlijke oliën: sojabonenolie (35),

sardine-olie (35), terpentijnsardine-olie (36) ,

terpenen en'terpenoiden (37), zoals pineen (38), cineool en kamferolie (39)

naphtenen (uit ~etroleum) (40, 41)

S-hetrocyclische verbindingen (uit petroleum) (42) primo en sec. butylalcoholen (43)

butyleenglycol (44) butyrolacton (45)

barnsteenzuur en' -anhydride ,(46)

Bij de fabricering van phtaalzuuranhydride door katalytische oxydatie met lucht in de dampphase van naftaleen wordt MZA

dikwijlS als bijproduct gewonnen (rendement 8 mol

%,

PZA 76 mol%) (47, 48).

, ,

'-:.

.

,"

.~

~'

3,.

De winning van MZA uit het productgas.

1. De oudste methode om MZA uit het productgas (d.i. het gasmeng-sel uit de reactor, bestaande uit

02'

N

₂

, CO?'

waterdamp en MZA) te winnen bestaat in het uitwassen van net MZA met water

in een wasser. Het gevormde maleïnezuur wordt vervolgens in een dehydrator weer in MZA overgevoerd. Voorb. zie

(49).

2. de condesatie-methode.

q

Het prod~ctgas, waarin de ,molaire verhouding van waterdamp en

MZA-damp minste~y gel~k is aan 1 : 1 en niet groter dan 5 : 1, wordt in een continue stroom'~orken aan een temperatuu~ binnen het gebied van

60 - 80

C en een daarmee samenhangende druk, varierend tussen

70

en

250

mmo Hierbij condenseert het

MZA zonder dat het waterdamp in belangrijke mate medecondenseert. Het gecondenseerde MZA wordt continu verwijderd bij een tempera-tuur boven de

60

°C.

(50)

3.

de adsorptie-methode.

Deze methode bestaat in het adsorberen van het MZA uit het gasmengsel op een adsorbens bij een bepaalde temperatuur (be-neden de

130

°C), waarbij het betreffende adsorbens een max. van 2 gew.

%

H

20 adsorbeer.t, en het verwijderen van het anhy-dride b~ verhoogde temperatuur.

Vb: een gasmengsel, bestaande uit

0,5

MZA,

2,5

H

₂₀

en

97,0

mol

%

lucht, werd geleid door een

30

cm dikke laag geactiveerde koolstof bij een adsorptie-temperatuur van

100

°c

gedurende

30

minuten. Het MZA werd daarna gedesorbeerd door verhitting van de koolstof-laag b~

250

°c

gedurende

30

min. onder 1 mm druk. Het verkregen product was zuiver. Het rendement bedroeg

97,8

%.

(5'1) .

4. de absorptie-methode.

Hieronder wordt verstaan de absorptie van het MZA uit het pro-ductgas'met behulp van oplosmiddelen, zoals benzeen

(52),

~­

chloornaftaleen

(53)

en esters, zoals dibutylphtalaat.

(54).

Uit de oplossing wordt het MZA teruggewonnen door kristalli-satie of destillatie.

Bepaling van de keuze

A. voor de fabricage van MZA.

Voor de keuze komen slechts de 4 grondstoffen: benzeen, cro-tonaldehyde, furfural en kraakfracties van benzine, in aanmerk-ing i.v.m. hun productie in grote hoeveelheden in verschillende landen. ..

In Nederland wordt het crotonaldehyde echter in het geheel niet, het furfural alleen in kleine hoeveelheden (fabrieken te Rot-terdam en Uitgeest (55) ) gefabriceerd.' De prijzen dezer stoffen zijn bovendien hoger dan de benzeen-pr~s.

De fabricering van MZA uit de kraakfracties van benzine is reeds in de V.S. op commerciele schaal beproefd, echter tot nog toe zonder goede resultaten

(21).

Door verbetringen is deze methode echter met de reeds bestaande oliebedrijven in Pernis in de toe-komst in Nederland te verwezenlijken. '

I)

4.

klassieke methode van de benzeen-oxydatie, die vrijwel overal

is aangewend~door de grote prod~ctie van benzeen in diverse

landen. (In Nederland vnl. bij de staatsmijnen en Ymuiden).

In de V.S. wordt

ao

% van het MZA volgens dit p~oces geprodu~ ceerd.

B. voor de winning van het MZA.

Het MZA verkregen volgens de eerste methode door het uitwassen met water en daaropvolgende dehydratatie heeft het hadeel, dat het steeds verontreinigd is met mal.eïnezuur en fumaarzuur, zo-dat het product meestal ter zuivering nog aan destillatie moet worden onderworpen.

De adsorptie-methode is ondanks de grote zuiverheid van het ver-kregen MZA niet erg aantrekkelijk doordat het intermitterend is. De temperatuur en de druk moeten telkens om een bepaalde tijd worden veranderd voor de adsorptie en de desorptie van rJIZA. De condensatie-methode komt door haar grot~eenvoud in aanmer-king, heeft echter hetzelfde nadeel als de eerste methode. Het rendement is bovendien minder dan:

De vierde methode, in welk geval het dibutylphtalaat

(54)

het beste rendement van

95

% geeft. Door zijn bijzondere eigenschap-pen verdient het dibutylphtalaat (afgekort tot DBP) de voorkeur boven andere ~plosmiddelen:

a. ·het is niet duur

b. het is onder de werkomstandighede~ niet met zuurstof reactief, zodat er geen explosiegevaar bestaat

c. het is thermisch stabiel in tegenwoordigheid van metalen,

zelfs bij 250

°c

.

d. het heeft een zeer lage dampspanning, zodat de verliezen bij het strippen van MZA minimaal zijn

e. het is een selectieve absorbens voor MZA .en phtaalzuuranhydride (afgökort PZA): het PZA is bij l\amertemp. onoplosbaar; bij 60-125 C geeft het 10 - 20 %-oplossingen. Het MZA is bij lagere temperaturen beter oplosbaar ( 10 - 50

°c ).

De voordelen van de absorptie-methode met DBP zijn: a. het is een economische en veilige methode

b. het verkregen MZAis commercieel' voldoende zuiver c. het is een eenvoudige en continue methode

d. het r.TZA en het DBP zijn door stri '9pen eenvoudig terug te winnen.

e. het proces kan zowel voor de winning van MZA als PZA worden gebruikt of voor de scheiding van de twee genoemde stoffen. In het laatste geval wordt eerst het PZA bij ca. 100

°c

ge-absorbeerd en in een tweede absorptiekolom het MZA bij ca.

40 °C.

Productie-capaciteit van het~ontwe~p.

In Nederland wordt nog geen maleïnezuuranhydride geproduceerd, evennlin het maleïnezuur. De begoefte hj.eraan is niet groot, daar het verbruik per jaar slechts enkele tientallen tonnen bedraagt. Het Centraal Bureau voor de Statist jek in Den Haag geeft voor het verbruik van MZA door de kunststoffenindustrie in Nederland

in

1951: 73

ton; in

1952: 49

ton. Het verbruik van maleïnezuur in die 2 jaren bedragen resp. 79 en 26 ton.

Het totale verbruik in Nederland in 1951 en 1952 bedraagt van maleïnezuur en -anhydride 152 ton 75 ton.

Van de invoer van MZA en MZ (maleïnezuur) zijn van de Vakgroep Chemische Producten te Den Haag de voleende cijfers ve rkregen

(afg~rond) :

J )

MZA: 1949 45 ton totale w8.8.:rd e: ::E _{102.000,- =} :f _2,24/kg

" ... 1950 137 ton

_"

:f _331.000,-

_f

_2,42/kg " 1951 101 ton

_"

oe _336.000,-

_f

_3,32/kg " 1952 8 ton

_"

::E _22.000,-

_f

_2,78/kg

.-MZ: 1949 1 ton totale

waarde~-

) :f _{2.700,- =}

_f

_2,60/kg

"

1950 43 ton

_"

:f _113.000,0

_f

_2,60/kg

.J

1951 122 ton

_"

:f _360.000.,-

_f

_2,96/kg v

1952 21 ton

_"

::E _40.5QO,- f _1,92/kg

v

1) totale waarde aan de grens (invoerrechten en winsten impor-teur .dus niet inbegrepen).

De totale invoer in Nederland bedraar"';t in:

1949 1950 1951 1952 .

van J).1ZA + MZ: 46 ton 180 ton 223 ton 29 ton De invoer van MZA geschiedt uit de landen : V.S., België, iAJ"-Dui ts-land en Engets-land; de invoer van IvIZ voornFimelijk uit 1:1. Duitsts-land eh FrankrDk. .

Baserende op de bovengenoemde cijfers van verbruik en invoer van MZA en Mz is de productie-capaciteit van het ontwerp 2Q~i~~-P~~E

.2aar maleïnezuuranhydride, dit ook met het oog op de toenemende vraag naar dit product met de snelle ontwikkeling van de kunst-stoffenindustrie, die de grootste afnemer er van is.

Het dibuty.lphtktalaat wordt niet in Nederland geproduceerd, zodat het ingevoerd moet worden (uit i'J. Dui tsland of de V.

s. ) .

Beschr~ving van het proces.

De beschrijving van de omzetting van benzeen in MZA is gegeven in het verslag van Ir H. Geelen.

De winning van het MZA uit het productgas is als volgt:

dus:

Het productgas, afkomstig van de reactor wordt na voorkoeling op 95 oe gevoerd in de absorptiekolom, welke gevuld is met 1 " Raschig-. ringenRaschig-. De voeding van 824 kg gas per uur (27,109 kmol) bestaat uit:

MZA 5,1 gew.

%

=

0,428 kmol/uur

=

42 kg/uur CO 2 1 8 , 3 " = 3,427 "

H20 4 , 6 " = 2 , 1

°

5 "

N₂ : 7 1 , 5 "

=

21,020 " 02 0 , 5 " = 0,129 " 100,0

_"

=

27,109

_"

In de abso.rptiekolom wordt het MZA geabsorbeerd door 226 kg dibu-tylphtalaat per uur, waardoor een 15 %-ige oplossing van MZA in DBP wordt verkregen in de hoeveelheid van 266 kg per uur. Het in-gevoerde DBP moet een temperatuur bezitten van ca. 42

°c

(de beste absorptie-temperatuur). Het verlies aan MZA bIj de absorptie

be-6.

draagt ca. 5

%

= 2 kg/uur, 'welke hoeveelheid met de restgassen wordt afgevoerd via de schoorsteen.

Van de absorptietoren wordt de oplossing van MZA in DBP verpompt naar een continue destillatiekolom, nadat de oplossing in een warmtewisselaar met de DBP, afkomstig van de destillatiekolom, op ca. 190 °c is gebracht. De kolom staat onder een vaCCUD~ van 10 mmHG, onderhouden doori2 stoomejectoren, dit om de scheiding van MZA en DBP mogelijk te maken. Het MZA kookt bij deze druk reeds bij 82 oc, het DBP pas bij 195

°C.-Uit de destillatiekolom ga13-t aan de top' 60 kg MZA-damp per uur over, welk in Ben spiraalcondensor wordt gecondenseerd en ge-koeld tot ca. 75 0C met, water. Via een refluxtank wordt hiervan 20 kg MZA per uur naar de destillatiekolom teruggepompt (reflux-verhouding

=

0,5) en 40 kg per uur afgevoerd naar een koelwals, gekoeld met water.

Met behulp van een verdamper (reboiler), welke verhit wordt met dowtherm, afkomstig van de reactoren, wordt de vloeistof op de bodem van de destillatiekolom op kooktemperatuur gehouden

(210-220 0C). '

Uit de bodem van de destillatiekolom wordt 226 kg DBP per uur teruggepompt naar de absorptietoren'via 2 warmtewisselaars,

waarb~ de warmte van het DBP gebruikt wordt voor het op 190 0 brengen van de MZA-oplossing, een koeler, een tank (dit dient om fluctuaties in het systeem op te vangen en vers DBP aan te voeren) en een stoomverhitter om het DBP op de vereiste tempera-, tuur van 42 0 te brengen.

Berekening van de continue destillatiekolom ter scheiding van

~aleïnezuuranhydride.en dibutylphtalaat.

Theoretisch ge~elte.

Onder destillatie wordt verstaan het overvoeren van een vloei-stof in de dampvorm, het afvoeren van deze dampen en het con-denseren ervan .

Voor de scheiding van de verschillende componenten van een meng-sel d.m.v. destillatie wordt gebruik gemaakt van de eigenschap, dat de evenwichtssamenstelling van de damp verschilt van die van de yloeistof, die'hi'ermede in evenwicht is.

Ter berekening van de destillatiekolom is het begrip theoretische schotel ingevoerd. Een theoretische schotel voldoet aan de eis, dat de opst~gende' damp van deze schotel in evenwicht is met de vloeistof,die van deze schotel naar beneden stroomt.

Voor de berekening van het benodigde aantal theoretische schotels bestaan verschillende methoden, :waarvan de bekendste z~n:

de methode van Mc Cabe en Thiele

de method€ van Ponchon en Savary m.b.v het enthalpie-samenstelling diagram.

De laatste methode is exacter, doch ingewikkelder.

In de hiervolgende be~ekeningen wordt van de methode van Mc Cabe en Thiele gebruik gema~~t.

.!

7.

De grafische methode van Mc Cabe en Thiele is gebaseerd op de methode van Sorel.

Hierb~ worden de volgende onderstellingen gemaakt:

1. de kolom werkt adiabatisch

2. er is geen drukverval in de gehele kolom

3.

de temperatuur is in alle delen van de kolom constant

4.

de moleculaire verdampingswarmte gedeeld door de absolute temp. van het kook~unt is gel~k voor de componenten van het mengsel

(regel van Trouton).

A. Rectificerend gedeelte (boven de voedingsschotel). De materiaalbalans voor" de nde schotel is:

G 1 + L 1 = G + L . . • • . . • • • • • ( vg • 1 )

n+ n- n n

en voor de vluchtigste component

A:

Gn+l Yn+l + Ln_l xn_l = GnYn + Lnxn . . . • . . (vg.2) Hierin is: L = aantal molen vloeistof

G = aantal molen damp

x = molfractie component A in de vloeistof .,Y = molfractie component A in de damp

De mat. balans van, het rectif. ged. boven de n-le schotel + de condensor is:

G =L 1+D ., . . . .

n n - "

Idem boven de n-de schotel: Gn+l = Ln + D • '" .

waarin D = aantal molen destillaat.

De energie-balans van de n~de schotel is:

(vg.3)

. .

.

(vg.4) Gn+lW + Ln_lw = GnW + Lnw . . o' • • • • • • • • (vg.5)

Hierin is W = enthalpie van de damp

w

=

enthalpie van de vloeistof

.

.

, Substitutie van de vg.

(3)

en

(4)

in

(5)

geeft:

(L _n + D)W + L lW = (L 1 + D)W + L w

I n- n- n

(L ) (W - w)

=

(L 1)

(vv

-w) • • . • . • ';.' • • • ( vg .6 )

, n

n-Nu is W - w = molec. verdampingswarmte,en aangezien aangeno-men" is dat de regel van Trouton geldt, is \'1 '- w

=

constant. Uit vg.6 volgt dan: _{~ ,} L _n

=

L _n-1

=

L ~ , •

G';'. G::;G =G

n+l n

De materiaalbalans voor het rectificerend gedeelte is dus: G

=

L + D

en: _{G Yn+l = L xn +} D x

_n

Uit deze 2 laatste vergel~kingen volgt:

-L. '1 -D

Yn+l

=

i-+-n-xn +

L

+-n-xD ' : , . . . • . . • (vg.7) Dit is de vergelÜking van de eerste werklijn in het x-Y diagram.

I

B. Strippend gedeelte (benemden de voedingsschotel) De materiaalbalans voor dit gedeelte is:

G' = L' + K

en G'y

=

L' x - K x

m+l m K ,

8.

Uit deze twee vergelDkingen volgt:

L' K

Y

mTl

= ---

_{L' - K m} x - ---_{L' _ K} x _K

. .

. .

.

.

. . . (vg. 8) Het verband tussen

L

en

L'

wordt gegeven door:

L'

=

L + q F • • • . . • . • . . • • . . . • • • (vg,. 9 )

Hierin is q

=

de totale warmte nodig om 1 mol voeding om te zet-ten ,in verzadigde damp gedeeld door de mORlec. verdampingswarmte.

F

=

aantal molen voeding

q kan ook worden gedefinieerd als het aantal molen verzadigde vloeistof, die op de voedingsschotel gevormd wordt bD het 'in-brengen van 1 mol voeding (56).

Substitutie van vg.9 in vg.8 geeft:

Y_m+_l

=

--~-±-~-~----Xm

-

---~---XK

. . . (vg.10)

L + qF - K L + qF - K

Dit is de vergelDking van de tweede werklDn in het x-Y diagram.

c.

Snij:Qunt der werklijnen.

'Uit vg. '7 en vg. 10 volgt door eliminatie van L: D(X

D - y) = qF

(x -

y) + K (y - XK)

.

• (vg .11)

De materiaalbalans voor de hele kolom is:

K = F - D . . . .

K x_K ~ F x_F - D x_D

. .. . . ( vg .12 ) . . . . (vg .13) , Eliminatie van K in vg.ll door substitutie van vg.12 en vg.13 geeft:

D(x_D - y)

=

q F (x - y) - F x_{F + D xD} + F Y - D y waaruit volgt:

Y

= __

9.___

x -

.

..

. .

. . .

.

. .

.

.

_(vg.14)

q-l·, q - 1

Dit iS,de vergelijking van de zogenaamde q-l~n en 'is de meetkun-dige plaats van de snDPunten van de werklDnen van het rectifi-cerende en het strippende deel van de kolom.

De helling van deze lDn is q/q~l.

D. De refluxverhouding.

Dit wordt gedefinieerd als R

=

LID.

Delen wD het rechterdeel van vg.7 de teller en noemer door D, dan krijgen wij: '

R

Yn+l = -R-~~ï-- xn

X_{D '}

+

---R + 1 . . (vg.15)

Hebben wD dus de gegevens x

D ' xK , xF , q en het x-y diagram, dan kunnen wD het benodigde aantal theoretische schotels als volgt bepalen:

E. De grafische bepaling. .

Vanui t het punt" a (x_{n )} ot? de 45 0_ l~~n in het x-y diagram wordt

.. 1

De q~lijn wordt getrokken vanuit het punt (coördinaten xF.Y

F) en

met een helling gelijk aan q/q-l. Het snijpunt van deze l~n met

de evenwichtskromme (snijpunt d) bepaalt met punt a de minimum

ruflux-verhouding, R. . Verder heeft men het snijpunt b van

. de q-lijn en de eerstW1ierklijn. De lijn door dit snijpunt en het

punt c op de 450_{-lijn (X}

K) is dan de tweede werklijn.

De samenstelling van he~ condensaat ~s gelijk aan x

D; dit is

gelijk aan de samenstelling van het condenserende gas Y_l , dus

Y_l

=

x

D ' welk aangegeven wordt door het punt a. Aangezien op

iedere schotel de verlatende vloeistof en damp in evenwicht met elkaar zijn, is de samenstelling van Ll = xl; van de daarmee in in evenwicht zijnde damp Y₁• Dit is dus een punt op de

evenwichts-lijn, welk-gevonden wordt noor uit a een horizontale lijn te

trekken tot het de evenwichtslijn snijdt in al (xl,Y₁ )· Y

2 wordt

bepaald door de eerste werklijn (vg.7). Uit al word~dus een

verticale lijn getrokken tot dit de eerste werklijn in a

2 snijdt.

Bij de Y

2 behoort een x2 op de evenwichtslijn, etc. Wij ~aan zo

lang door, voorbij het punt xF'Y

F van de tweede werklijn gebruik

makende, tot punt c is bereiKt. Op deze wijze krijgen wij een aan-tal driehoekjes, welkR gelijk is aan het aanaan-tal benodigde

theo-retische schotels. _{. .} ~

F. Bepaling van de afmetingen van de kolom. "

Hiertoe is nodig te weten hoe groot de snelheid van de opstij-.gende damp is. De snelheid mag niet zodanig zijn, dat de

vloei-stof meegevoerd wordt.

Beschouwen wij nu een vloeistofdruppel in de opstijgende damp: De vloeistofdrunuel ondervindt een neerwaartse kracht

1TD3-K =

-6-

(P_{L -} fG)· g (vg.16)

. Bij het naar beneden gaan ondervindt de druppel een wrijVing

1TD2 PTV2

R

=

f. ---. -~-- . . . .

4 2 . .. (vg .17)

Hierin is: D

=

diameter druppel (bolvormig)

v

=

snelheid van·de bewegende druppel of damp·

P

_L

=

dichtheid van de vloeistofdruppel

pG=

dichtheid van de damp

f

=

wrijving~co~fficient

g

=

versnelling van de zwaartekracht

Voor een zwevende druppel, waarbij de dampsnelheid maximaal is,

BeIdt K = R. Door gelijkstelling van vg .16 en vg.l 7 krjjgen wij:

2 4 g.D. (PL-

POr

v

= - .

---3 f. fl~

In de literatuur wordt de term ;

gi~

samengevat als k 2 . De vergelijking wordt dan:

v =

k.

f

_!:L~~!G_~

...

. (ve; .181 ,

De constante k is afhankelijk van de afstand tussen de schotels

onderling en de hoogte van het vloeistofslot. Experimentele

~ ~

.~

~

~

~ ~

r. ~ rl II ., ~Ir !

t

~t,

, !i

.ti

~i IJ

~

I\) .... ~ ~ _{.0 I; I}

:i,

.., , [1 ~': 3 ~ '-l ,~ ~

I

~

~Lr:r·,

lTITLH , lf ~F

~

De diameter van de kolom is nu·te berekenen: voor het rectificerend gedeelte:

Indien v (snelh. O,"9stijgende damp) = m/sec., dan is de doorstroomvolume:

1/4. ~d2.(3600 v) m3/uur (d

=

kOlomdiameter) De hoeveelheid· damp, wëlke wordt afgevoerd is:,

G

=

L + D = D (R + 1) kmolen damp/uur of D (R + 1).22,4 m3 damp/uur Dus: {-Tt" d2 . (360P v)

=

D

CR

+ 1). 22,4. T 273 waaruit volgt:

d2

=

D (R

+

1). T

273 voor het strip~~9:._g§..cl§..eli§.!..

I§Q

P

Hier is de hoeveelheid afgevoerde damp:

I§Q

P

G'

=

L' - K

=

L

+

qF - K

=

RD

+

qF - K

kmolen damp/u.

De diameter voor dit gedeelte is dan: (d' ) 2

Eerekeniggen~

=

(Rn+ qF - K) • _î_

273

I§Q

P

.

...

.

.

.

.

(vg.20) Van het systeem maleïnezuuranhydride - dibutylphtalaat is in de literatuur niets bekend. Voor de berekening wordt aangenomen, dat het mengsel zich als een ideaal systeem gedraagt, d.w.z. dat menging van de componenten in iedere verhouding noch volume-verandering noch warmte-ontwikkeling optreedt. Uit de aanname volgt,dat het systeem de'wet van Raoult volgt.

De partiele druk van MZA is P

MZA = PMZA. x

van DEP' _{PDEP = PDEp . (1 - x)} Hierin is P

MZA = dampspanning van zuiver I>IZA P

DBP = dampspanning van zuiver DBP

x

=

mol fractie van MZA in het mengsel

~ In de kolom heerst een druk van 10 mm Hg. Het mengsel kookt b~

deze druk, indien P_MZA. x + P_DEp. (1 - x)= 10

X -- _1Q_=_~nBE__ • • • • • • (v~ C) • 21) PMZA- PDBP

Hieruit is x te berekenen bij verschillende temperaturen, waarb~

het mengsel moet koken.

De samenstelling van de hiermee in evenwicht z~nde damp is: pMZA PMZA.x

y

= ---

=

---PJ.'.1ZA +PDBP 10 . . (vg. 22) De verschillende gegevens van de dampspanningen van MZA

(58, 59,

60) en van DEP (61, 62, 63) b~ verschillende temperaturen z~n in grafiek 1 (dampspanningskrommen) uitgezet. Met behulp hiervan en de vergn. 21 en 22 zijn x en y bij verschillende temperaturen

be-~ ~ ~,

~

~

.\) f ~ ~, ~

~

<:I ~

Z

~

I

~ ~,

I

, ~ ~

j

I :'

j

~.

_~

,

? ~ ~ : ~ ... \

L

~ <:;) ... ~- ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ _~ ... ~ ~ -....; ~ '." .f .. ;.

t.

..

.

~I{

rek end en getabelleerd in tabel 1. Tabel 1 Temperatuur ' P MZA :P",' DBP _I x y oe _{mm Hg mm} Hg 82 10 0,01 1,000 1,000 90 14 0,05 0,713 0,998 100 22 0,09 0,452 0,994 110 32 0, 12~ 0,310 0,992 120 46 0,2 0,214 0,984 130 66 0,4 0,146 0;964 140 91 0,7

_-

0,103 0,937 150 126 1,2 0,071 0,895 160 170 2,0 0,047 0,799 170 240 =) 3,3 0,028 0,672 180 370 =) 5,2 0,013 0,481 190 546 =) .J 8,1 0,004 0,218 195 636 =) 10,0 0,000 O,~OO

=) door extrapolatie verkregen

Met behulp van deze resulataten z~n de grafieken 2 (T - x en

T - Y diagrammen) en 3 ( x - y Ç.iagram) getekend. Grafiek 3 "

wordt verder gebruikt voor de bepaling van het aantal

theore-ti13che scho'tels.

De samenstelling van de voeding is:

40 gk MZA/uur = 0,408 kmol lYIZA/lilJr

226 kg DEP/uur = 0,796 kmol DBP/uur

Totaal

°

408 x - _.1.____ -F - 1,204 -1,204 kmol/uur 0,338

Het mengsel van deze samenstelling is volgens grafiek,2 eBn

verzadigd dampmengsel b~ een temperatuur van 186 oe. De

mole-culaire verdampingsvrarmte voor MZA bij deze temperatüurbedraagt

10.500 gcal/gmol, voor DBP: 7,625 + 5020/459 = 18.660 gcal/gmol

(voor de waarden van de moleculaire, verdanip.îngsvTarmten, zie pag . 12) .

De temperatuur van de voeding is 190 oe.

De warmte, die onttrokken moet worden aan het mengsel om 1 gmol

ervan in verzadigde damp over te brengen is dus:

1

186 j186 , 0,338 . S.w. MZA dt + i . 0,662 . S.w. DBP dt + 0,338. L MZA + : 190 190 ... '+ 0,662 . L DEP :;: / , 186 1186 0,338 : 38,8 dt + 0,662. 284 (0,3706 + 0,00094 t) dt + 190 190 + 0,338 • 10.500 + 0,662 • 18.660 = I .

_

... ...

~

..

: ~

..

r

'J' .'-lr

.

"

~'~~

t

,J't ~, · ~1

rt

I . _fl\1' 'J " l- J _. . ~ _r1 ,I ~Il _! ':1:1 tt:-.;. _Il.

rm

§'#.-t ~n+

.,i~lf

'

~~. iFfi _{'! '}

'hi

ti.

E- :

, •. +-1, tiH

,,[ ft

H{

ff

,~'~U .~ -~- · f H . 1 ·fr"

f~

1

;I~#U ~

r!

fi lt. ' I:m _{. ,r. .~.} g~ Hffii: _{l:r. i -f tl.,} , _{~ "} j , l

1*

I.W·' ':i, I '

+}Hff,_~~~~

ilt!

W

rdlJ

~

: .. ';

-

I I 1 t. t:)j ; . ~ ; f TI '±f:

M:

til I~

dl

' !' X~!· I ·

····Iti~~

f ~ t i · ; + -t 1+ , _{W . . .T} ' j . iJ :-y , ; t .t+: .' ,{it

rn

, l~j~\! T ~,,~i~ ,m

;·~~t ~'

.lj ~~t } îlt ~ , 1 ":- '1 _.·:i+~rl ~1: ~ 11 J . t . " U "'-,I " • f+t . !t-- " l

ti

'.t ' ' -i · :11,: . ±,. 'H ~ ,'1_,', ~ .:~' f.I:t' I ~':!!lrt! .• :tf

mf

~I ~ ~: _i

_tfI'

_lf .• , • • ,0 f""- 'lJ -'<::I, Ç)lc. r"' _{. t~} \.-l- L I-< j . t It~J!ff!,o; I ~~f:pr . 1 ;f~,j: 1 _,

..

" · i I ~t ' t i ~tt rt:t t "",1 'U 'j _:·ft ~ " ' , ,l+ ~ - ti _, '; 'H l,;!

'f'

. _{. , i '0}

.

,j ff _~t

~t ~,

;~ . :J:i1

r-tt :I. (;-J ~,' , . ,'«

j

fl,t] _{,1,-1 ,} r) t _{I .. ,}

'h,

_{" r ! ' . ~}

'Wit

: t l

~, fl "\ :.

:, tlf:

tI ~ )-~ .l( .: T '., I '. +'-i f t r h F ,. _H·· '~!It: ! ,. _{- $.} :t ~ . '1 1 H:' r. :i ,. .~ :. r _{t.t~~ ~} ·11 l" ' I! It . / t ~~ !I: ' r 't} ~1 t_ f:I+~' · .. II! IF .

...

, "

ft

.11

!

'm,-

t!

ii

.1: L '1 Is: , . t·l' _{:/i '} 1-t _1tt~ ,.

~~

I cr ., Je '-.. ' i "~' .. ·t ,., .. IJ t '+- ,tt "':) ~ H -I -I r _r· ·t ·.ft '\\' ], lH; f.t f

I ..

.. r r·r I -lii1 ~- fi~~i .; ~ , .~ U, - _{.~ ..} ~.I-: t -lHil_7:f· ,~ _{. J;1}

l

~ r J . t E .. i ." ~~i-n _ltS 'i1: .. ,

.

~~

tt

I p . . !_ t-t • • H i\ i r ft: ,;:>1 ~" .. J - • l 1~

..

:m-

r, ' ....

Ir,

+:ri ,

_{ft d~} +1 ~ I+,r '[

. . . . Cl' L.+~ (I ' : p. - _:t i"· iN L.~., ::j" , .11 ,+ f' 4 )(

tin-::n [

ti + _{:+1 " ft "'}

~-ft

0 lP;' .. i [4 ... " .. .-= -J' IHt _{~I·~ t .}

L1

_~- . • N I ~ , ,t 1 r - _ ! _t 1 v ...

.. HH

~ , " I ' ~, T _" l ~f " Ct . I- W cv: 1-•. 'j-

!n::

lt:,j tl. t! .;.' j .

ttîJW, ,"

i ..

i ' l! -, ~ r 1 j l- ., ~ ti J ₊ ft t

t, ,

j " ' . "', -'c. ., .. :& -- { ç _rJ:j' -g' ... ··tt

ffl1

~~1[ ~, f.' -f

:fr

f ~H4: _-'.~ ."J~ ~

.

m~ !fffi:.HîH~ i oI-~)ç4( ... 0c:I ~ Iri ... ~ ~ _~ N.... '-a _=:t- "t) C\l _{~, ~'} ~ ~, ~, ~

...

~ ~, ~, . ~, _~' ~ ... <::I' " ~

>-,1!--•

= - 52,5 - 277,0 + 3550 + 12.350 = 15.570 gcal.

(voor de waarden van de soortel~ke warmten, zie pag. 13). De moleculaire verdampingswarmte van de damp is:

0,338 • L_MZA + 0,662 • L

DBP =. 15.900 gcal.

Hieruit volgt voor q 15.570 - - - = 0,98

15.900

De helling van de q-l~n is dus:

--g-q -1

= 0,98 = _ 49,0

:5~52

Hieruit volgt de hellingshoek van de q - l~n = 91 0 10' W~ willen hebben een destillaat met een samenstelling x

D = 0,998 en een ketelproduct met .de. samenstelling x

K' = 0,00::[. xD'

Uit de grafiek (no. 3) v,inden w~: --- = 0,990 Rmin+l

Hieruit volgt voor R. : 0,008. mJ.n

Voor de refluxverhouding nemen w~ R = 0,5, waaruit volgt, dat

--:::;Q--- = 0,665.

R+l

M.b.v. deze gegevens wordt het aantal benodigde theoretische schotels in grafiek 3 bepaald. Hiervan bl~kt er 7 van nodig

te z~n, terw~l de voeding toegevoerd moet worden op de 2-de

schotel, gerekend vanaf de top van de kolom.

Noot over de gegevens van de moleculaire verdampingswarmten en de soortelijke warmten van NZA en DBP.

1. De molec. verdamingswarmte

a. van MZ4.: In· de li te ratuur wijn slechts de volgende gegevens. gevonden:

13.100 gcal/gmol (52,8 - 77 OC) (64) 10.500 gcal/gmol (160 - 200 OC) (65)

De waarde tussen 60 en 160 oc wordt gevonden m.b.v. de formule van Clapeyron: _1 dP L

P

dT - RT

2

.

. . .

.

• (vg.23) Hierin· is P = dampspanning

T = absolute temneratuur

R = gasconstante~= 1,987 gcal/gmol/ °c.

L = molec. verdampingswarmte (constant veronder-steld in beschouwde temp. gebied)

Voor de dampspanning is de volgende formule gegeven (58): log P = 7,825 - 2420/T mm Hg . . . {vg.24) (verdampingswarmte is constant verondersteld)

" " I~ •• 13. In P

=

18,025 5575/T 5575 d In P

= ----

dT T2

Substi tutiè hiervan in vg. 23 geeft voor L = 11.080. vTij nemen dus deze waarde:

11.080 gcal/gmol (60 - 160 0c, aangezien vg.24 voor 'dit temp.gebied is geg.) b. van DBP: In de literatuur zijn de volgende waarden be~end:

21.400 gcal/gmol (50 - 100 0C) (66) 21.910 gcal/ gmol (

<.

100 0c ) (67)

M.b.v. de formule van Clapeyron (vg.23) en de dampspan- " ningsformule voor DBP (61): log P

=

7,065 - -~§§§;;.

21II

2

2Q'- . . .

(vg.25) T T kan Uit

een formule voor de molec. verd.warmte worden opgesteld: vg.25 volgt: In P

=

16,275 -d In P

= (

~i~~

Substitutie in vg.23 geeft: 5020 LDBP

=

7,625 +

-T--

kcal/gmol . Controle van deze formule voor 2 temp. waarden:

50 0C : 23.170 gaal/gmol

. . (vg. 26)

100 oc : 21.100 gcal/gmol

Gemiddelde waarde tussen" 50 - 100 0c : 22.130 gcal/gmol. Dit komt ongeveer overeen met de waarden uit de literatuur, zodat vg.26 gebruikt wordt voor de waarden voor de molec. verd. wazrmten van DBP.

2. De moleculaire soortelijke wazrmte

a. van MZA: In de literatuur is slechts één waarde bekend, nl. 0,396 gcal/g (68)

=

38,8 gcal/gmol.

De mol. s. w. van:r~1ZA is derhalve constant genomen. van DBP: Hiervan zijn twee vTaa:î?den bekend (69):

bij 80 0c : 0,446 gcal/g bij 1500C : 0,536 gcal/g

Aannemende dat de s.w. van DBP lineair met de temperatuur toeneemt, krijgen wij de volgende formule voor demolec. s.w. van DBP:

(mol.s.w')DBP = 284(0,3706 + 0,00094 t) . . (vg.27) gcal/gmol.

Be'rekeningen van de afmetingen van de kolom:

M.b.v. vg.18 (pag. 9) kunnen wD de maximale dampsnelheid in de kolom berekenen.

Nemen WD een schotelafstand van 12"(30 cm) en een vloeistofslot van ~, dan is de constante k = 0,07 (70).

De gemiddelde temperatuur in de kolom wordt als volgt verkregen: de vereiste dampsamenstelling aan de top = x

D = 0,998. De hierbD behorende temp. is volgens tabel 1 (pag. 11) 90°C. De temp. aan de bodem is 2100C, zodat de gem. temp. bedraagt: l50 0C.=302 oF. De gemiddelde dampsamenstelling is dus bij deze temp. 0,895. Het gemiddelde moleculair gewicht van de damp is:

0,895 x 98 + 0,105 x 284 = 87,7 + 29,8 = 117,5. De gemiddelde dichtheid van de damp is dan:

PG

= gem.mol.gew.x 492x 10 117,5 x 10 x 117,5 359 x 760 x (460+302) = 359

i

760 x 762 = 0,0028 lbjcu.ft.

De vloeistofsamenstelling bij 150°C is 0,071.

De dichtheid van de vloeistof wordt als volgt gevonden: 0,071 kmol MZA = 6,96 kg MzA

0,929 kmol DBP = 264,00 kg DBP Totaal

P

_MZA

= 0,9~4 (b~ 20 oe)

PDBP

= 1,050 (ldem ) 6,96 264 + ---270,96 kg (71) (72)

~-

= 0,934 1,050

P

---L 270,96 =

~2êLê~

270,96

.

Hieruit volgt

P

L ' = 1,047. De uitzettingscoefficient is gem. 0,0010, zodat de dichtheid van, de vloeistof bij 1500C is:

1,047 Il + 0,0010 (20 - 150) } = 0,911 =

~î

56:87 lb/cu.ft.

Be dampsnelheid is dua: 0,07

IJ2~Lêl_=_QLQQ~ê

= 9,98 ft/sec. =

y

0,0028 = 3 m/sec. In het rectificerende deel van de kol.om is de hoeveelheid damp D(R + 1) kmolen/uur = 0,401 (0,5 + 1) = 0,602.

D wordt verkregen uit de 2 vergelDkingen: 0,998 D + 0,001 K = 0,408

0,002 D + 0,999 K = 0,796 Toepassing van vg.19 geeft:

2 423 760 22,4 x 4

d = 0,602 x

273

x

-Iö

x 3~I4-t3-x-3bÖÖ} = 0,1872

d = 0,43 m.

In het strippend gedeelte van de kolom is de hoeveelheid damp: RD + qF - K = 0,5

x

0,401 + 0,98 x 1,204 - 0,796 =

= 0,585 kmolen/uur.

K wordt verkregen uit de 2 vergeRlijkingen, waaruit D is verkregen.

Toepas~ing van vg.20 geeft:

d

= 0,585 x etc. = 0,1819 dl = 0,425 m.

')

15.

Aangezien d en dl welnlg van elkaar verschillen, is ·in de fabrieks-schema een kolomdiameter genomen v~~ 43 cm.

Aannemende, dat de effectiviteit van een echte schotel 0,6 van die van een theoretische schotel bedraagt, is dus 7/0,6 = 12 echte schotels nodig.

De hoogte van de kolom is dus: 12 x 30 = 360 cm

2 x 30 = 60 cm (bodem en top~ 420 cm = 4,2 m.

Berekeningen .andere apparaten.

I.

Absorptiekolom.

a. Diameter van de kolom:

Deze moet zodanig gekozen worden, dat met de gegeven gassnel-heid geen flooding optreedt. Voor de controle is hiervoor ge-raadpleegd de grafiek in (73), waarin ~

y

~ i tegen

2 ,V

«

v (a ) fv

°

2 . "IJ

gc 5(3

PL-f'

is uitgezet.

Hierin is: L = hoeveelheid vloestofstroom V = hoeveelheid gasstroom

v = gassnelheid

f

= viscositeit' van de vloeistof g = 32,2 (omzettingsfactor)

·a7X3= karakteristiek van de pakking.

Door de kolom stroomt 824 kg gas/uur ~ 27,11 kmol/uur. Het volume van het gas b~ 95 oe bedraagt:

~IL~~_~_~~L1_~_~~§ = 819 m3/uur.

273

Nemen wij een kolomdiameter van 0,6 m, dan is

v = __ ~~2

____

= ____ ~~2

______

=

0,80 m/sec. = 2,6 ft/sec. t d2.3600 0,2826 x 3600

a/X3 = 185 ( voor 1" 3.aschig-ringen) (73) = 1,00 kg/m3 = 0,062 lb/cu.ft. (uit 824/819)

~ = 0,971 kg/l = 971 kg/m3 = 60 lb.

V = 824/t d2 = 824/0,2826 = 2920 kg/m2 hr = 600 lb/sg.ft. hr L = 238/0,2826 = 840 kgf m2 _{hr = 173 lb/sq.ft. hr}

)L

= 1 cp.

Hieruit volgt, dat:

0,0091

Dit ligt nog beneden de flooding-lijn, zodat de keuze van de kolomdiameter van 0,6 m verantwoord is.

b. hoofJte van de kolom:

"'>:.: ~ _....

'

.. ~---:---:--:---r "I ," ,,. r __ ~-;-; __ ~::--:_"",!,, ___ ~_--:-____

J

{ .. , .~5r t;[~ ["

16. het systeem rv1ZA-'DBP bekend zijn.

Het aantal transfer units (TU) vlOrdt bepaald m. b. v. de grafische methode .. (zie grafiek 4). .

Aangenomen wordt dat de op~osbaarheid van het MZA in het DBP on-eindig groot is, zodat de evenwich~lDn langs de abscis valt.

Indien onder y 'wordt verstaan: het aantal kg MZA~damp/kg inert gas en x : ke MZA/kg DBP, dan is:

Yl = 42/782 = 0,054 Y2 = 2/782 = 0,0026 xl = 40/226 = 0,177

x₂ = 0 (te verwaarlozen)

H. b. v. dez~ waarden. is de w§.rkY.m Uit de grafiek 4 zien w~, dat het

te trekken.

aantal TU = 3 bedraagt. -Om de hoogte van een TU (HTU) te verkrijgen, vergelijken wij de absorptie van het MZA in het DBP met de ammoniakabsorptie. Hier-toe is beschouwd grafiek 23 op "Dag. 688 van Perry (74). Voor een vloeistofstroom L = 500 lb/(hr) (sq.ft. ) oen een gasstroom G= 600 lb/sq.ft.(hr.) wordt een HTU van 2 ft. gegeven. Deze hoogte is hier genomen.,

Is de waseffectivit~it~BO%, dan is:

de hoogte v/h gepakte gedeelte: 3x60/0,80 = 225 cm ruimte boven en OJder gep. ged .. :' 2x 60 = 120 cm

Hoogie kolom: 345 cm = 3,45 m. 11. ~larmtewisselaar MZA-22..l.JDBP.

De MZA-opl. in DBP moet van ca. 80 oe op 190 oe worden verwarmd. Is de benodigde warmtehoeveelheid

cp

w' dan is

cp

w = ..à T. )bm' (s. w. ) .

Á T = temp.verschil = 110 0

s.w.= gem. 0,5 gcal/g = 2100.J/kg.

sDm = massastroom =' 266 kg MZA-opl. luur .

Dus:

;Dw

~ !!Q_!;~~~_!_~!QQ ~

17.000 J/sec.

~

17 kJ/sec. De inlaattemp. van DBP = x210 oe.~

rp 17

De temp.verandering van DBP = ____ 1rl ___ = --- 36.00 = 129 oe.

~m'(sw) 226x 2,1

Uitlaattemp. van DBP = 210 - 129 = 81 oe.

Voor de berekening van het verwarmingsoppervlak in de warmte-wisselaar, maken vTij gebruik van' de formule:

rjJ

= A. U.

-~~Q--=-T~~l

• . • . . • . • (vg .. 28 ) w lnl _{_~_Q_}

ATl

waarin: A = oppervlak

U = overall - warmteoverdrachtscoëfficient (filmcoëff.) 4To en ~~l = temp.verschillen in- en uitlaat der

vloei-stoffen.

17.000

=

A • 500 . -~Q-=_.!_-­

2,3 log 20

Hieruit volgt voor A : 5,4 m2.= 58 sq.ft.

Wij willan

~emen·.Ï?jj:t;en:-::v-é3.n

t"/

~".'

Om .te zien of de stroming turbulent 1S, beschouwen. WIJ he'\:; getal van Reynolds:

Re

=

f_y'_9;

JA- , waarin _{v = stroomsnelheid van de vIst.} f = dichtheid van de vloeistof

d = diameter van de pijp

f

= viscositeit

p

= 0,927 g/cm3 d· =

t"

= 0,0125

f

= 0, Ol cp. = 927 kg/m3 Em _{= 1,25 cm} de volumestroom is _{--- = 0,798 x 10-}266 4 _m3/sec. 927

x

3600 65,4 cm/sec. Re =

Q~2~7_~_§2~~_~_!~~2

= 7578. Stroming is turbulent. 0,01 .

Gem. opp. van de pijp is 0,163 ft2/ft.

Indien wij 42 pijpen nemen, dan is het opp.: 0,163 x 42 = 6,846 ft2/ft. De lengte van 1 pijp is dus 58/6,846 = 8,5 ft = 2,55 m.

Indien ''Tij de stroming verdelen over 2 x 21 pijpen, dan is. Re= 3734, m.a.w. de stroming is nog turbulent.

Wij nemen 2 warmtewi~selaars, elk met 10 pijpen, elk met een lengte van 2 x 2,55 = ~~. De vloeistof wordt door elke w.w. 5 x heen en weer gevoerd = 5-pass warmtewmsselaar. De diameter van

de warmtewisselaar is ~25 m. .

Opmerki~&l De warmtewisselaars zijn in de fabrieksschema te klein

getekend door een fout in de berekening (A = 3 m2). 111. Koeler.

Hierin wordt het

DBP

met water van $0 op ca. 40 °c gekoeld. ~ T

=

40 0

rP

m = 226 kg/uur

s.w. = ong. 0,4 gcal/g = 1680 J/kg

DUS:, =

~Q-~-~~§_~_!§êQ

= 4220 J/sec. = 4,22 kJ/sec.

w 3600

Nemen wij koelwater van 20 °C, welk een uitlaattemp. verkrijgt van 33 °C, dan is de hoeveelheid, die nodig is 288 kg water/uur.

(Aanvankelijk was genome~: ~ T = 25 0, 144 kg watèr luur, maar

Re bleek te klein).

•

,y 18. ' 4220

=

A. 800. _~7_=_~Q

__

Hieruit volgt A

=

1/6 m2

=

1,79 ft2. 2,3 log ~Z 20

Diameter voor de binnenpijp:

t,,/

~".

Opp. van de pijp: 0,163 ft2/ft.

L _{eng e van e} t d p~p: ·· 1,79

5;ïb3

=

10 ft ~ ~. 3 d

=

1,25 cm

=

0,0125 m

f

=

ca. 1 g/cm3

=

1000 kg/m3.

J<..=

0,01 cp. 226 volumestroom: ---

=

0,63 x 10-4 m3/sec. 1000 x 3600 0,63 x 10-4

v

=

t~D~3i4(O~Oi25)2

=

0,52 m/sec

=

52 cm/sec .

Re

=

_!_!_2~_!_!L~2

=

6500.

0,01

Diameter voor de buitenpijp (binnen-diameter)

=

1". h d y rau lSC e 1 · h d· lame er t m

= --- =

1 - 5/8 3/24"

= ,

0 3 cm. 4 D

=

4m

=

1,2 cm ~e

=

ca. 1 g/cm3

=

1000 kg/m3 ( , = 0, Ol cp. 288 4 volumestroom: ---

=

0,8 x 10- m3/sec. 1000

x

3600 0,8 x 10-4 v - - - 26 cm/sec. -

-*T(O~025)2-=-*n(o~oi56)2-

-Re

₌

1 x 1,2 x 26

---5;5ï---

=

3120. IV. Condensor.

MZA-damp in de condensor: 60 kg/uur, afkoeling van 90 0 tot op ca. 75

°c .

De hoeveelheid warmte, die afgevoerd moet worden bedraagt: 15 x 60 x 0,4

=

360 kaal/uur

condensatiewarmte: 60 x 120

=

7200 kcal/uur

Totaal: 7560 kcal/uur

=

8820 J/sec

=

8,82 kJ/sec. Baserende op 111, nemen wij voor de hoeveelheid koelwater: 600 kg/uur. Hieruit volgt voor temp.verschil van het koelwater aan de in- en uitlaat~ 13 o.

Voor U nemen wij: 1000 J/m2

°c

sec.

8820

=

A. 1000.

_27_=_22 ____

T Hieruit volgt voor A: 0,176 m2

2,310g57/55 =, 1,89 ft2.

0,275 ft2/ft., zodat de lengte van de p~p is: 1,89/0,275 = 2

=

6,87 ft = 2,06 rn. V. Verdamper.

De warmte, welke toegevoerd moet worden bedraagt (RD + qF - K) x x de molec. verdampingswarmte = 0,585 x 10.500 =,6000 kcal/uur. De maximum flUX = 250 BTU/hr/ft2/0_F

= 1250 kcal/m2/ oC/uur.

Het verwarmingsopperVlak"is dan: 6000/1250 =

Wij nemen p~pen van

t" /

2

diameter en lengte van 2 ft = ,610 mmo 4.8 m2 = 51,6 ft2.

8

De opp. per eenh. van p~plengte is 2 x 0,163 = 0,326 ft2/ft. E _r z~n .. d us no 19: d" 5~326 51,6 = 158" p~pen.

~ 0

De verdamper heeft een lengte van 0,7 m en een diameter van O,~ m. VI. Refluxtank.

Het volume van deze tank is willekeurig genomen als ca. 2 de hoeveelheid MZA-damp, welke per uur wordt gecondenseerd = ca. 120 liter.

De lengte van de tank is 1,00 m, de diameter 37,5 cm. Hieruit is de volume 110 I.

Opm:l.ln schema getekend op schaal 1 : 25.

2.De tank dient van een verwarmingsinstallatie te worden voorzien om de temp. op minstens 600

c

_{te houden. Het'}

MZA stolt nl. reeds b~ 55 °C. VII. Niveautank.

Het volume van de tank is gebaseerd op de hoeveelheid DBP, dat per uur gecirculeerd wordt (226 kg/uur).

Lengte van de tank: 125 cm Diameter" " 50 cm. Volume: 245 liter.

Q:Q...~ In schema getekend op schaal 1: 25: VIII. Koelwals.

Per uur moet gestolt worden: 40 kg MZA = 42.800 cm3 ( = 0,934). Nemen w~ de diameter van de koelwals 0,5 m en de omwentelings-snelheid 2 omw./min.= 120 o~w./uur, het bedekte opp. = 3/4 van het totale opp. en de dikte van de MZA-laag 0,2 cm, dan is de breedte van de w~ls: _______ 1~~~QQ

________

= 15 cm.

3/4 x 120 x 157 x 0,2 ,(=3,14 x 50)

----0000----•

t;. ~' \ 20. ('

.

Literatuur:

1. U.S.P. 1 318 653 (14 - 10 - 1919),Barrett Co. 2. U.S.P. 1 636 857 (26-7-1927), A.E. Craver.

3. U.S.P. 2 510 803 (6-6-1950), Pittsburgh Coke & Chemical Co. 4. U.S.P. 2 229 361 (21-1-1941), Monsanto Chemical Co.

5. U.S.P. 2 625 554 (1953)

6. ·Ttal. P. 379.953 (16-12-1939) ,A.C.N.A.

U.S.P. 2 209 908 (30-7;1940), Calorider Co.

7. Eirk & Othmer, Encyclopedia of Chemical Tehhnology (1952), band 8, p.680 - 696. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. U.S.P. 2 485 342 (18-10-1949)

U.S.P. 2 206 377 (2 -7 -1940), Calorider Co.

U.S.P. 2 462 938 (1 -3 -1949), Celanese Corp. of America E.P. 613 775 (2 -12-1948), British Celanese

Index to Bibliography of Scientific and Industrial Reports, P.B .. 52877 (L.W. Wood)

E.P. 285 426 (16-2 -1927~, A.Boehringer E.P. 297 667 (24-9 -1927), A.Boehringer

D.P. 478 726 (7 -2 -1927), Boehringer & Soehne D.P. 498 726 (8 -7 -1929), Boehringer & Soehne U.S.P. 1 956 482 (24-4-1934), Boehringer & Soehne Ind. Eng. Chem. 41, (1949) 365-368, E.R. Nielsen U.S.P. 2 421 428-r3 -6 -1947), Quaker Oats Co. U.S.P. 2 464 825 (22-3-1949 ), Quaker Oats Co.

U.S.P. 2 215 095 (17-9-1940 ), Gen. An. & Chem. Qo. D.P. 713 965 (23-10-1941), l.G. Farbenindustrie F.P. 857 643 (21-9 -1940), Standard Oil Dev. Co.

U.S.P. 2 503 034 (11 -4- 1950), Standard Oil Dev. Co. Chem. Eng. News, 26, (1948) 3684

U.S.P. 2 ~04 034 (11-4-1950), Standard Oil Dev. Co. U.S.P. 2 537 568 (9 -1-1951), Standard Oil Dev. Co.

U~S.P. 2 443 832 (22-6-1948), Standard Oil Dev. Co. U.S.P. 2 485 342 (18-10-1949),Standard Oil Dev. Co. U.S.P. 2 489 346 (29-11-1949),Standard Oil Dev. Co. U.S.P. 2 489 347 (29-11-1949),Stnadard Oil Dev. Co. U.S.P. 2 491 500 (20-12-1949),Standard Oil Dev. Co.

Ellis: Chemistry of Petr?leum Derivatives, Chem. Catalog Co. U.S.P. 1 377 534 (10-5 -1921), J.M.Weiss & C.R.Downs

Can.P. 235 972 (27-11-1923), idem

Ind.Eng.Chem. 33, (1941) 891, W.K.Parker & R.W.Yula U.S.P. 2 114 798 (19-4-1938), Nat. An.& Chem. Co.

Indian Chem. Soc. 14 (1937), 633, J.K.Chowdkury & M.A.Saboor Ind. Eng.Chem. 44 (1952), 594, R.H.Bretton c.s. ' U.S.P. 2 118 567 (24-5 -1938), Research Co.

J.Am.Chem.Soc. 61 (1939),633, N.A.Milas & iv.L.i"lalsh

J.Indian Chem.Soc. 14 (~37), 638, J.K.Chowdkury & M.A.Saboor (C.A. 32 (1938), 2524) U.S.P. 2 474 334 (28-6-1949), Standard Oil-nev. Co.

U.S.P. 2 365 631 (19-12-1944), Sharples Chemicals Inc. Ind. Eng.Ohem.

2!

(1945), 438, W.L.Faith

-

'---.-34. 35. 36. 37.

Ind. Eng.Chem. 36 (1944), 91, W.L.Faith & R.J.Rollins

W.L.Faith c.s.:-Uefiner Natural Gasoline Mfr. 18 (1939), 3936 U.S.P. 2 030 802 (11-2-1936), D.Hydrierwerke A.G.

Ind.Eng.Chem. 33, (1941),1174, C.K.Clark & J.Erskine

-.~

38. = 37

39. Bull.Inst.Phys.Chem.Res.Tokyo

2

(1930), 172 40. U.S.P. 2 136 144 (8-11-1938), Research Co. 41. J.Am.Chem.Soc. 62,(1940) 2312, M.M.Marisie 42. Ned.P. 70 105 (1952)

(C.A. 24,' (1930), 3221)

43. Fr.P. 803 443 (30-9-1936), Carbide

&

Carbon Chem. Corp. 44. D.P. 646 704 (23-6-~937), l.G. Farbenindustrie

45. U.S.P. 2 385 518 (25-9-1945), Dancinger Oil

&

Refineries 46. U.S.P. 2 268 136 (30-12-1941), I.G.Farbenindustrie

D.P. 724 758 (23-7-1942), I.G.Farbenindustrie

47. U.S.P. 2 443 832 (22 -6-1948), Standard Oil Dev. Co.

48. U.S.P. 2 098 047 (2-11-1937), American Cyanamide

&

Chem. Corp~

U.S.P. 2 220 044 (29-10-1940), idem. 49. Chem. Eng. Dec.19~, 114

50. U.S.P. ~ 140 140 (13-1~-1938), Nat. Aniline

&

Chem.Oo. U.S.P. 2 211 160 (13-8-1940), idem.

51. U.S.P. 2 518 312 (8-8-1950), du Pont de Nemours

&

Co. 52. U.S.P. 2 415 531 (11-2-1947), Solvay Process Co.

53. E.P. 415 748 (27-8-1934), Nat.Aniline & Chem. Co. 54. U.S.P. 2 574 644 (13-11-1951), ChemDatents Inc.

55. Val;tgroep Chem. Proo_ucten: Ned.Chem. Industrie (1951) 56. G.G.Brown, c.s.: Unit Operations (1950), p.368

57. J.E.Perry: Chem. Eng. Handbook (1950)"p.598

58. T.E.Jordan: Vapor Pressure of Org.Liquids (1954), p. 122 59. Landolt-Börnstein, Phys.tabellen 11, p.1308

60. Ind. Eng.Chem. 41 (1949), 2584 .

61. T.E.Jo~dan: Vapor Pressure of Org.Liquids (1954),p.152

62. Ind. Eng~ Chem. 29, (1937), 179

63. J.Soc.Chem.Ind. 1946, 360, G.Burrows 64. = 60 --.-65. = 7 66. Ind.Eng.Chem.anal.Ed.

2

(1937), 264 67. Proc.Roy.Soc.London Ah98, (1949) 226 68.

=

7 . 69. Ind.Eng.Chem.

!Q

(1948), 1319 70.

=

57

71. Handbook of Chem.& Physics

72. Bei1stien, 11, 9 (syst.no. 972) 73. Brovm: Unit Operations (1950), 367 74. Perry: Chem.Eng.Handbook (1950), 688.