Processchema acrylonitrile uit acetyleen en blauwzuur

I

i

15 DI ._---r -I I I - - ----.-I I

Cêr

·

:.-;::'

.

l

i

l

-I I I "-.

-(

~

~

l

\ . 111 '--)

..

_

--j

~

_

_

-:J-~

5=

l

l

_

'

!

r

I

I ~--- - - -

-•

L •

PRO CES S C HEM A

ACRYLONITRIJr

UIT

ACETYLEEN EN

BLAffi

V

ZUUR

.10<,

M. Ras,

Mathenesserdijk 40,

..

-~ I

-

.

• I I

I

I

_I

-

I

-L

r

..

.

-1.

INL~IDING. ~it. 1.2.3.

Acr:vlonitril!. acrylnitril!of vinylcyanide ( voortaan ACN )

is bij normale temperatuur en druk een kleurloze vloeistof

met stekende reuk, die met praktisch alle organische

oplos-middelen mengbaar is. De belangrijkste fysische eigenschappen

zijn: i Smelpunt. - 82 0₀ Kookpunt bij 760 mm Hg 78

°c

;:;0 Brekingsindex n

D

1,3910 Spec. warmte ~0 0 50 Dlchtheid ti ~ 0:8060 glcm? ~ielektrische constante 38

1

I

Verbrandingswarmte 420,5 Kcal/grool 7,925~cal/~

Verdampingswarmte 0,1361 l\cal/g

Dipoolmoment

=

3,88 • 1018

l"'olymerisatiev'.'armte 17,3 Kcal/gmol

Een belangrijke faktor is de giftigheid. Deze bedraagt volgens

verschillende literatuurbronnen _ van die van cyaanwaterstof

( RCN ). 1 mg per liter lucht .8?~eroorzaakt na 1 tot 2 uren

inademen de dood.

De bovengrens voor lucht, vaarin geruime tijd verbleven moet

';orden, wordt opgegeven als 20 ppm, volgens recentere

onder-zoekingen echter 200 ppm.

De explosiegrenzen met lucht bedragen 3 en 17 vol. ~.

De onderstaande grafieken geven de dampdruk versus de

tempera-tuur en een gedeelte van een T-x doorsnede van het systeem

h20 - ACN bij p= 760 mm tig •

o lO

---\

_I

r

I

.

I

.

I

I

.

I I

Chemische eigenschappen en toepassingen. ~it. 1.2.3.4.

loals alle vinylverbindingen heeft ACN een sterke neiging tot polymerisatie; in zuivere toestand is het dan ook slechts kort houdbaar, daar het snel, soms explosief, polymeriseert, waarom het dan ook gestabiliseerd wordt door inhibitoren, die gemakkelijk door destillatie weer afgescheiden kunnen worden; bijv. hydrbchinon, cuprioleaat en methyleenblauw.

riet polyacrylnitrile kan door blok- of emulsie.polymerisatie verkregen worden of in oplossing door verwarming of onder

invloed van radikaalvormende katalysatoren. 'l'en gevolge van de door de sterk polaire ni trilegroep opgev·ekte Van der VY aals-krachten is het hoewel vrijwel lineair toch moeilijk smelt-baar en in bijna alle oploRmiddelen onóplosbaar. Door

copolymerisatie met butadieen kan de bekende tegen koolwater-stoffen bestendige synthetische rubber Buna-~ \ ~erbunan )

bereid v.orden.

Ook met allerlei andere verbindingen kan ACN waardevolle

copolymeren leveren.

luiver polyAC~ vindt toepassing in de textielindustrie voor

impregneren van ~eefsels en in de laatste jaren ook vooral als hoogvaardige textielvezel; handelsmerken bijv: urlon en Dralon •

.6en kv·.antatief ook zeer belangrijke toepassing is de bereiding van E..dj..pine-zuur, een grondstof voor de nylon fabrikage, met butadieen Hf-::' Co"'- C. t( CI-1 ~'\",C!N e ". Co I I eh. e ... ... I' Co fot.4,.

Een toepassing van de giftigheid is het gebruik als be-strijdingsmiddel voor sommige insektensoorten.

Ln de organische synthese is AC~ op het ogenblik de grond-stof voor de fabrikage van andere acrylmonomeren, acrylamide, acryl zuur en acrylesters.

Daa~ AC~ een zeer grote reactiviteit vertoont, heeft het

een groot aantal toepassingen gevonden bij de bereiding

van oplosmiddelen, weekmakers, kleurstoffen en pharmaceutisch verkzame verbindingen.

~ ~-- - -

-4

," .

.

I

I •

I

.

I

I

l

~ereidingswijzen. ~it. 1.2.3.4.6.

1. uit ethyleen via ethyleenchloorhydrine, ethyleenoxyde en

ethyleencyaanhydrine 1,,1\ Helo

_...,

_{c.. - c..} I c..l -UaJ) --?~ ~:. ~ - c. C'f Co - c: .... Ol C-C::-Ç.,N

0,.,

~

De lagtste trap kan zov,el katalytisch geschieden. . . . f in vloei~.als in gasfase 2. uit aceetaldehyde C. - C- :. 0 H c:.!j ? Co.... (,. - c::. N OlM

Dit aceetaldehydecyaanh~drine, melkzuurnitrile of lac-tonitrile heeft echter sterk de neiging bij verhitting uiteen te vallen in de samenstellende faktoren.

~a acetylering van de hydroxylgroep met azijnzuuranhydride

kan echter AC~ in goede opbrengst door afsplitsing van

azijnzuur verkregen worden

3.

De katalytische dehydrogenering van propionnitrile levert slechts geringe opbrengsten en een zeer zuiver produkt. 4 • Uit allylamine kan A(jl~ bereid worden door de grondstof

vermengd met lucht en stoom bij 5000_{C over} zilverkata-lysatoren te leiden. De opbrengst zou 90~ bedragen.

C. '::. C. - C. - N fit.

5. uit propionaldehydroxim door leiden over bauxiet-chroomoxyde katalysatoren bij 400-500°(j .

c:. - (.. - (. :. ti OH

6. tiet verhitten op hoge temperaturen van cyaam<;aterstof met koolwaterstoffen met minstens twee koolstofatomen en dito halogeenverbindingen gedurende korte tijd. Deze reakties

leveren steeds een zeer sterk verontreinigd produkt en niet zeer hoge conversies.

1.·..;-/./ .

7.

Direkte synthese ~ acetyleen en blauwzuur;

a) in gasfase door de grondstoffen vermengd met waterstof of stoom bij 400-4500_{0 over basische katalysatoren zoals} bariumoxyde of bariumcyaaide te leiden.

b) ~n vloeistoffase onder katalytische invloed van een waterige oplossing van cuprochloride, ammoniumchloride en zoutzuur bij 70-900_{C. De opbrengst bedraagt bij dit procede ongeveer}

8510.

Als nevenprodukten ontstaan in geringe hoeveelheden o.a. aceetaldehyde en het bijbehorend cyaanhydrine, mono- en divinylacetyleen, chloropreen, cyanobutadieen en harsen.

I

• I

(

I

.

4.

net moeilijkst te scheiden van ACN is het divinylacetyleen,

daar de kookpunten slechts V':einig verschillen.

8. ~en zeer recente publikatie gewa8gt van een bereiding uit

aceetaldehyde en cyaanwaterstof via melkzuurnitrile, waarbij

dit laatste door zeer kort verhitten met fosforzuur op 6000 _C

voor circa 2/3 deel in ACN en v.ater, voor de r est in de

oor-spronkelijke komponenten vordt gesplitst. voor rècirkulatie

-

71

kan een opbrengst van ongeveer

9

0%

aan

ACN

verkregen worden.

. net volgens deze procedure verkregen ACN zou een groter

zuiverheid hebben dan het volgens de methode

7

b bereide

produkt.

~et verbruikte fosforzuur wordt voor het grootste gedeelte

als verdunde waterige oplossing teruggewonnen en kan

geregene-reerd worden tot de vereiste koncentratie •

.t..euze van werkwij ze ~

l

L

I t 4)

Op technische schaa.l v·.ordt ACN op het ogenblik slechts bereid

uit ethyleen en acetyleen; in de verenigde ötaten in een

ver-houding van 1 ö 4.

\

De bereiding uit ethyleen via ethyleenoxyde is slechts rendabel,

indien over grote hoeveelheden goedkoop ethyleenoxyde beschikt

'" ?Jkan ~9Fden en dit is ip de verenigde_St~ten_ slechts het geval

)-IJ~ ' ! bij een grote ma.atschappij, di8het zelf in enorme hoeveelheden

//' maakt.

~ De bereidingswijze via melkzuurnitrile komt bij de huidige

economische verhoudingen niet in aanmerking, althans niet in

\, l~ederlandi hier te lande wordt aceetaldehyde namelljKuit

-acetyLeen bereid, zodat het belangrijkste door de uitvinders

genoemde voordeel van hun methode, namelijk de geringere

kost-prijs van 20 + 2H in aceetaldehyde dan in acetyleen hier niet

van toepassing is. Dit nadeel is m.i. niet opgewassen tegen de

voordelen van een iets hoger rendement bij ongeveer gelijke

1 investeringskosten. ~Jin ,

)

' De bereiding van

ACN

uit C~ en HC~ gasfase blijk~ duurder te zijn

dan die in vloeibare fase

me~

koperkatalysator, zodat deze laatste

- - - -

-'

1

I • I

i •

•

-5.

Marktsituatie. ~it. 1.2.4.9.

Aüi.~ heeft slechts ongeveer een twintigtal jaren geleden technische betekenis gekregen, toen de ontwikkeling van ACN bevattende mengpolymeren als "Perbunan" begon.

Tot het einde der tweede wereldoorlog bedroeg de produktie

in Duitsland nog slechts enkele duizenden tonnen per jaar en in de verenigde Staten tussen tien- en twintigduizend. De tijdens en na de oorlog ontdekte bijzondere eigenschappen

~~~~~r~~~~~~~~~~~~~~Q~~~Q!~aakten in de verenigde

ens, welke enige

~evenstaande grafiek geeft de produktie van ACN in de laatste jaren

en de verwachte

ontwik-keling in de komende jaren,

waarbij de waarden voor

1965 en 1958 geschat zijn.

Van de huidige l~ederlandse marktsituatie is vrijwel geen beeld

te verkrijgen, daar de prijzen en verbruikscijfers door het

Centraal nureau voor de ötatistiek op verzoek van verschillende

producenten en gebruikers van ACN en grondstoffen str.kt geheim

gehouden vorden.

net verbruik van poly-ACN in de vorm van garens bedraagt enige

honderden tonnen per jaar, t erwijl het verbruik in de vorm van

mengpolymeren van de orde van grootte van 1000 ton per jaar is.

net verbruik voor chemische synthesen in ~ederland is geheel

niet na te gaan, maar zal kwantitatief aanmerkelijk minder zijn

dan voor bovengenoemde doeleinden.

ve grootte-orde van de fabriek zal zodanig zijn, dat een

pro-duktie van enige duizenden tonnen .ti CL" per jaar mogelijk is, dit

gebaseerd op de verschillende hierboven genoemde cijfers;

overeenkomende met de Duitse produktie aan het eind van de oorlog

,

---

----..

6.

Grondstoffen. Lit.

17.

Acety leen zal niet als zodanig ingekocht worden, maar ter plaatse

worden bereid uit calciumcarbide en water •

...

Hierbij zal een kleine hoeveelheid nevenprodukten ontstaan,

meestal niet meer dan 0,5%. n.l. fosfine

(PH,),

ammoniak( NH 3),

zvavelwaterstof (H2S) en sporen van andere verbindingen.

Het acetyleen v,ordt gewassen met een zeer verdunde oplossing

van chlQor in water _{ter oxydatie van H2S en} PH3 en oplossen van

de hierdoor ontstane produkten en het in het acetyleen aanwezige

NH_{3 •} Hierna \Nordt nog l2;ewassen met natronloog en een basische

oplossing-van natrium hyposulfaat ter verwijdering van sporen

chloor en zure verontreinigingen.

Blauwzuurgas vordt bereid uit natriumcyanide en zwavelzuur in een met

lood beklede kolom, vaarbij HCN in dampvorm ontwijkt; door

afkoelen met vater en vervolgens met pekel tot OOC ""kan het in

vloeibare toestand gebracht ~orden. ( kpt. bij ~60 mm

=

260_C)

Vestiging van de fabriek.

Een belangrijke eis voor de lokatie van een ACN fabriek is de

beschikking over veel en goedkoop water.

Voor de aan- en afvoer is de mogelijkheid tot goedkope aanvoer

van de grondstoffen het belan~rijkst, daar voor 1 ton ACN

ongeveer 1.2 ton NaCN en 1.6. ton CaC2 nodig zijn.

Het vervoer van het prOdukt is vrij eenvoudig en relatief

goed-koop.

St alen vaten of st alen tankwagens zijn hiervoor geschikt.

De giftigheid van blauwzuur en in mindere mate die van ACN

maakt het v.enselijk de fabriek op enige afstand van bebouwde

kommen te plaatsen. Ook dient rekening gehouden te worden

met de gezondheid van de v.'erkers in de fabriek, dus zeer goed

gesloten apparatuur, de gehele fabriek in de buitenlucht,

uitg~zonderd bedieningsruimten,of een zeer goede ventilatie.

Het is zeer v"el mogelijk ACN bereiding te doen samengaan met de

't'

::1

~ ~ ·17, l~ =+T rf1+i r++i ~ [~':}+ h~· ~f~ ' ~~f!fft

ri.;,

itf: '" ff:, i::

..

ëF

f· . ' .• [~ S' L~{ I~{ [ :, rIf ~.n r~L l 'i.lH~ fiL" H' [ :r

t

~.:-. 'h" . '.e< ':i

Er::,

.

. . ~

E\,?

rTI 'T' +;

: Sf,

..

Jk~ ~I !':'~..;: f:1 it titt'1~ ~;i1 I Ji; I t; .!-t [ti

t'

,

/

~> l ; ~ii C" '[ ~Iit !{ij.. ',-:, ft i:ji~ '" ,f-.l [ Sc I" f~ f:j.'

;l::

[h:! , i ; ';; ,i.:;1~ i'ei @E+ ti 1+1 f HH cr' ;p-. "'. ; .", ~fU.'

uAIË

:~. tJ~1 "1 ;:-. >, .. p~ ~tj: " U ~ f.~ P'Hj fffLi -i': . ' ie.; .>-C.

11

i" .+ ~i" f ~,+i:f .. i: ,; :.,:; :c.;. EP. ~,", It!:± tf!; I '"..J;:!:C L,' ·"h:: :",--.,,~, ~t"l1i:: Hf ~; ~;~ --,t:t!~, !~-h ' -L ~t., I :, irLrt 5[::

•

".

7·

Overzicht van het proces.

Alvorens de verschillende apparaten te beschrijven zal een

over-zicht worden gegeven van de fabriek.

In de reaktor 1, gevuld met katalysatoroplossing 'worden tezamen

g_{ebracht HCN, C2H2 ,} gesuppleerd en gerecirkuleerd, het laatste

gemengd met monovlnylacetyleen ( CH= C -- CH2).

De ontstane gasvormige produkten worden gewassen met water in de

absorptiekolom 11, ~aarin ACN en het overgrote deel van de

neven-produkten oplossen.

Het niet op~eloste /2;as wordt via de kompressor 111 naar de reaktor

teruggevoerd.

De ontstane 2% - ifJ;e ACN oplossin~ v:ordt gedestilleerd ter

ver-wijdering van het ~rootste gedeelte van het water in de

rektificeer-kolom IV, ~aarbij als topprodukt een aZ~9tropi~~~ mengsel van. ACN y

en V' ater ( 12% ) en vrijwel alle ~~Jm'_oq.~_kte.n verKr-egen wordt. (\

!fet bodemprodukt water wora:r'gËibr\;uk~- voor de verdampers van de 11.,.\ ~

kolommen V en VI en na koelen\tot l8u_{Q)opnieuw gebruikt, zij het 1~}

dat van tijd tot tijd een ~ede~ het systeem verwijderd

dient te worden en~1); vers water vervangen. Het azeotropisch

mengs~l wordt bij 80C n~:ne~gd ,tot t vye e 1 agen in de afscheider VII

met clrka 3 en 88% er. ,.tq, .. ':i."\"."\'

De v aterlaap; wordt gevoegd bij de voeding van de stripper IV, de

ACN - laaI?) wordt in kolom V gerektificeerd, waarbij de lichte

ver-ontreini~ingen als topprodukt afgescheiden worden en de laatste

resten water als azeotropisch mengsel als "sidestream" afp;evoerd

V'orden, dit laatste gaat naar de afscheider VII.

Het bodemprodukt bevat nop; de hoogkokende verontreinigingen met

het door d~stillatie vrijwel niet te verwijderen divinyla.cetyleen.

Dit kan geelimineerd worden door selektieve chlorering beneden

300_C.

Na mengen met overmaaD chloor door middel van een ejekteur,

ver-blijft de vloeistof enige tijd in een tank, ~aarbij alle chloor

wordt opgenomen. Hierbij worden ook sporen zoutzuur gevormd door

substitutie van chloor aan ACN. .

In de kolom VI, die bij een druk van 120 mm Hg werkt, wordt ACN

verontreinigd met HCl als tOPProdukt verkregen. Het vacuum

vordt onderhouden met een stoomejekteur.

De eliminatie van het zoutzuur vindt plaats door middel van een

anionenvisselaar, waarna het ACN voor verkoop geschikt is.

l ..

,

.

8.

I. De reaktor. Lit. 4.6.10.13.12.14.15.16.17.

De reaktor is een inwendig met rubber bekleed stalen vat, voor 2/3 deel gevuld met katalysator-oplossin~.

De katalysator is een zeer geconcentreerde waterige oplossing van cuprochloride, alkalichloriden en zoutzuur. De alkali-chloriden dienen ter vergroting van de oplosbaarheid van CU2C12' het eigenlijke agens.

De pH dient kleiner te zijn dan

3.

Samenstelling van de te gebruiken katalysatoroplossing: CU2Cl2 _{72 gew. dln.}

H2 0 62

_"

n

NH4Cl

39

_"

n

37%-ig ~ ... Cl 2

_"

_"

In plaats van NH4Cl kunnen ook NaCl en K,,(CI of mengsels van deze zouten toegepast worden.

Per m3 katalysator kan per uur 15 - 20 kg ACN gevormd worden. Er zal niet meer grondstof dan voor 17.5 kg/m?/hr ingevoerd

worden, om te voorkomen, dat de blauvvzuurverlie zen te groot

worden. Dit is n.l. verreweg de duurste grondstof

Gevormd wordt ongeveer 420 kg ACN/ hr, zodat 24

m~

katalysator-oplossing nodig is.

Daar schuimvorming optreedt en ter voorkoming van meeslepen van vloeistofspatten is nog een extra ruimte van ongeveer 20 m3 boven dit volume nodig.

De afmetingen zijn: doorsnede 2000 mm, hoogte 8 m. Een verwijding met doorsnede 3000 mm en een hoogte van 3 m levert de benodigde vrije ruimte. Een buis met een doorsnede van 500 mm van de kop naar de bodem veroorzaakt een cirkulatie van de vloeistof. "Airliftprincipe". De vloeistofhoogte bedraagt 7.6 m, de hydrostatische druk op de bodem cirka 1.2 atm.

Het recirkuleren van monovinylacetyleen dient ter beperking van de vorming van dit laatste.

Mechanisch roeren is overbodi~, daar de vloeistof door de

stijgende gasbellen in sterk turbulente beVieging wordt gehouden. Invoer C2H2 en recirkulatiegassen door de bodem, invoer HCN en watersuppletie in de cirkulatiebuis.

Chemie van het proces:

Volgens de vergelijking:C?H? + _{HCN = CH2=CH-CN lijkt het proces}

bijzonder eenvoudig. Hiernaast treden echter nog, een vrij groot

aantal nevenreakties op . '.;

-Over het reaktiemechanisme is nog niet zeer veel :bekend. Het staat vast, dat cyaanwaterstof en acetyleen komplexen vormen met het in de katalysatoroplossing aanwezige cuprochloride. Men neemt aan, dat beide komplexen reageren tot ACN, hetv,elk waarschijnlijk

ook een komplex vormt, dat echter bij verwarmen ontleedt. De optredènde nevenreakties zijn:

primair: 2 HC=CH HC;C-CH=CH,", c. 3-outeen l-yn monovinylacetyleen

=

CH3-CHO ace et aldehyde ethanal.

l

secundair: CH=C-CH=CH2 + C~CH _{= CH2=CH-C=C-CH=CH2} 1.5_ hexadieen, ?_yn divinylacetyleen CH,-CHO + HCN

₌

CH=C-CH=CH2 + HCl CH=C-CH=CH2 + HCN CH,-CHOH-CN etfianalcyaanhydrine lactonitrile melkzuurnitrile

=

CH

₂

=CCl-CH=CH

t

2 chloor 1.3 utadieen chloropreen. = _CH2~-CH=CH2 2 cyano 1.3 butadieen cy anobut adieen.

Het is gebleken, dat blauwzuur acetyleen uit het cuprochloridekomplex

verdringt. Er moet dus een grote Overmaat cuprochloride aanY.,e zig

zijn, waarin slechts een beperkte hoeveelheid acetyleen oplost. Verder moet de koncentratie van het blauwzuur veel kleiner zijn dan die vah het acetyleen.

Men \'erkt dus het beste met grote overmaat acetyleen, terwijl zoveel

blau~zuur toegevoerd wordt, als met de gevormde hoeveelheid ACN overeenkomt.

Zoals eerder vermeld polymeriseert ACN zeer gemakkelijk, een

eigen-schap, die enkele van de nevenprodukten ook bezitten, tijdens de

zuivering van het produkt zal in ~eringe mate polymerisatie optreden.

De hierdoor ontstane stoffen zullen veelal niet zeer hoog molekulair

zijn en in het ACN oplossen. '~

Re~eneratie verbruikte katalysator.

8000

L,

bevattende ongeveer3~00 kg koper als CU2C12 wordt verdund

met water; hierbij wordt in een periOde van 16 uur 1650 kp: zinkstof

gevoegd~ Door toevoegen van water wordt de temperatuur oP-600C - 800C

gehouden, y,aarbij een totaal volume van 16000 L verkregen wordt. Na filtreren en uitwassen kan door chloreren in aanwezigheid van

ammoniumchloride direkt Cu 2C12 bereid worden.

Materiaalbalans •

Hierbij zullen de recirkulatiegassen steeds als één geheel beschouwd

v_{orden; dit is 60 kgm01 C2H2} per uur en 14.25 kgm01 C414 ,..~ _ ..

Cmonoviny1acety1een) per uur.

Het mengsel van reaktienrodukten met het onveranderd HCN en door de

absorptiekolom meegevoerde C2H2 wordt ter vereenvoudiging van de

L

I t ,) -t-/'tt\

q.

• p . .,JII._ -~_r __ • • I - I . ~ i

~--- ---I • I . Gevormd CH 3CHO CH_3CHOHCH2CN Aantal _ kgmol/hr .. , 0.3 I 0.02 0.6 0.15 l-Cyanobutadieeni 0.3 chloropreen 0.05 acrylnitrile 8.0 HCN 0.2 0.1 Totaal In: Recyclegassen J .05 kmol/hr. HCl 10.21 kmol/hr. C2H2 8.65 kmo I/hr. HCN 10.

Verbruik in kgmolen/hr. Gevormd

. C2H2

I

HCN _H20

I

HCl ~ ___ _ k~g/ ... h...-.r..;;..._

,

I

0.6 I

!

I

0.6

!

0.06 0.6

0.15

,

0.15

0

.15

1

0.6

_I

0.1 !0.05 8.0 8.0

i

. : 0.2

I

15.6 1.6 26.4 10.6 23.7 4.4 424.5 5.4 2.6

._

O~ ~

___

.~

.. ____ . j'

l-~-, ' I

l

10.2

1

8.6? 0.75 l?~? ___ ._ ._~l~_:_~._ 2 kg/hr. 265 kg/hr 234 kg/hr. 0.75 kmol/hr. H20 damp in recy cle 14 kg/hr. 4.14 kmOl/hr. H20 Uit: Recyclegassen 4.42 kmol H20 514.8 kg" ACN " suppletie 80 kg/Mi 515 kg I ~ 595 kg

i

M

standaard reaktiewarmte bij 18°0.

80 k~/hr. 595 kg/hr. 1. 02H2(g) + HCN(g) + 2} 02

2.

C

3

H

3

N

+ 2i 02

=

_{lt CO2} + _{t N2 lt H20} + 471.7 kcal

=

_{lt CO 2} +

t

N2 lt H20 + 420.5 kcal 3. HCN( 1) = HCN(g) 6.7 kcal 1 - 2 + 3

₌

+ 44,5 kcal / gmol~ - - - --

---

---1

_-

_I

lJJ

.Lx

~

~

.

.t..

~/~;û.. ~

a.--h ~;.,,~~ ~o!IA-fr~ _vó'c"-C ~.04.. ~ /~

./~F~~

.

~.~

.

~

~ /~~;H. ~Yk-<

___

~t.

'~/f/};L;-~~,~~~

/

~

vk

~~~r'

.fItr" v.

~~dh

-4.

~L~-(~, ~

d

.

~~ ~ ~.-Vkr-

~

~

~

~~

.

~ ~

lAl

,,4i

4./1'

~~ '~r v~--.t.t... ~

.

~ ~.

fi

4c

tY

tt-/,:

. .:3 tv =

a..~.

-'1/

/~;vI- t--19·)A~·'

~1..

1-

~L

.

~

~

tT -

.J.

h

§)(

- - -

-I

.

I

_..

~ergie-balans ( basis-temperatuur 180_0.)

Ingevoerde warmte + ontstane 1,\ armte = afgevoerde warmte.

In: 4.42 kgmol _{H20( 18°C)} AW

₌

10.21 kgmol _C2H2(g)180_{C) AW}

₌

8.65 k~mol HCN(1)(180C) ó.W

₌

0.75 ke;mol H20(g) ( 1800)) 6W ₌ 8 ... 000 kcal per uur <2'

Recycle( 18°C) c:;W

₌

Totaal óW

₌

8.000 kcal per uur

De ontstane ~armte kan geschat worden als die vrijkomende bij vorming van 8.5 kmol ACN per uur.

dus: 8.5 x 44.5 x 103 = 378.000 kcal per uur Uit:

AW ACN

~w H20

~W recycle

Afgevoerd naar omgeving

= 76.000 ~cal per uur

=

52.000 kcal per uur

=

60.000 kcal per uur =198.000 kCB.l per uur 386.000 kcal per uur Voor afvoer van warmte is een opgelaste koelspiraal op de reactor aan~ebracht. Deze heeft een uitwisselend oppervlak van cirka 10 m2 en kan bij een warmteoverdrachtcoëfficient van 400 kcal/~/nr. en een gemiddelde temperatuurverschil van

35°C 140.000 kcal per uur afvoeren.

Dit is ruimschoots voldoende, daar altijd warmteverlies aan de lucht optreedt. De isolatie kan zodanig gemaakt worden dat bij de laagst voorkomende temperaturen het

warmtever-lies nog juist niet groter is dan de hoeveelheid af te

voeren v:armte, hetgeen een aanmerkelijke koelwaterbesparing geeft, terwij 1 tevens met een goedkoper isolatie kan worden

volstaan.

11.

1

)

-I

• I

• 1

I·

Voor de bepaling van de afmetingen van de absorptie-kolom en de

destilleerkolornmen werd gebruik gemaakt van gegevens uit

B.I.O.S-en F.I.A.T. rapporten. In deze rapporten werden enkele kleine

fabrieken en proeffabrjeken beschreven.

Met behulp van deze gegevens konden de hoogten, doorsneden en

eventuele terugvloeiverhoudingen \\orden bepaald.

Uit materiaal-balansen en terugvloeiverhouding veerden de

energie-balansen berekend, terwijl tevens de vereiste kapaciteiten van de

kondensors en verdampers berekend konden worden.

Bij het opstellen van de materiaal- en energiebalans bleek een

exakte berekening veelal niet magelijk door het niet voorhanden zijn

van voldoende gegevens voor het berekenen van het ingewikkelde systeem,

zoals oplosba~rheden van verontreinig_{ingen in ACN - H20 mengsels,}

kookpunten enz.

Tengevolge hiervan moest op verschillende punten overgegaan worden

tot schattingen. Absorptie-kolom.

Dit is een stalen kolom, gevuld met 2" Raschig-ringen (keramisch).

De hoogte bedraagt 16 meter en de diameter van 1600 mm.

~r vordt geabsorbeerd tot een concentratie van 2%. ACN in water,

hoe': el de oplosbaarheid bij de bodemtemperatuur van cirka 250₀

ongeveer 8% bedraagt. Een hogere concentratie zou de oplosbaarheid

van monovinyl-acetyleen en acetyleen doen toenemen en zou het

~endement a~nmerkelijk verlagen.

Materiaalbalans: In: ACN

Uit: Energiebalans: In: 4.42 kgmol H20 v,ater top 'Hater top 1.5 ACN ','later bodem kgmol

óW gassen uit reaktor

~w water top ( 180_{0 )} Totaal 515 kg 80 kg 25077 kg 25672 kgl 27 kg 515 kg 2:21:20 kg 25672 kg uur 188.000 kcal/ 188.000 kcal/

Uit: Bodemnrodukt (24.80_{0) ~w 172.000 kcal/}

AW 1. 5-kmol H20-damp top 16.000 kcall

188.000 kcall per uur per uur per uur ,Eer uur per uur

• I

!?,:I

Jr

~?'~ ~c-e

'"

,,

~'-'-i

...4-

~

fl-C/If ~~ ~.,t. ./III~I'I.-t&l.."'-1 f, ~ ~

I - Concentreerkolom.

Dit is een met 2" Raschig-ringen gevulde toren met een doorsnede van 1600 mm en een hoogte van 10 meter. De terugvloeiverhouding

bedraagt 8.

De gekombineerde voeding uit afscheider en absorptiekolom bestaat

uit een cirka 2%-ige oplossing van ACN in v\ater; als top produkt

y.,ordt een azeotropisch mengseJ ACN - H20 (88 ,. - 12'~ verkregen, ')

terwijl het bodemprodukt~ is. I ( \ C ( \ ,

j,l-Temperaturen: voeding 950C, top 710C en bodem 1000C. ~~ ,- ~

Materiaalbalans: In: VV\I( 1-,- "

,(\'.,1-van scrubber: ACN' 515 kg " r_ 'l

Eneri2;iebalans:

Afscheider.

PH20 25130 kg -,,(~ -/' .. ,,': ; (;;( ,

van afscheider: .ACN- 5 kg H2 0 71 kg 25721 kgf per uur. Uit: Top 520 kg 71 kg 88%

12%

Uit: In: Bodem 25l?0 kg 25721 kgf per uur. 4W H_{20-bodem 25130 x(100-18) = 3060.000 kcal/hI} top tl W 8 x 520 kg

.,AcN"

(damp)= 1024.000 kcal/hl 3084.000 kcal/hl Voeding A W 5?0 kg"ACN"+2520l

• H?O

Top 520 kg .ACN (vloeistof) JI 1 . Verdamper kg= 1962.000 123.000 ·999.000 ?084.000 kc al/ln

De vloeistof-vloeistof afscheider bestaat uit een verticaal cylindrisch stalen vat, dat tevens ,zij het in geringe mate ,als buffervat kan

dienst doen. . --- -

---De temperatuur is' l80 C

J

v.aarbij de lagen van het "ACN" water systeem 93% en :s% "ACN" bèv-att-en. Aangezien de invloed van de verontreini-gingen op de verschillende oplosbaarheden niet konden worden nage-gaan werd bij de berekening aangenomen, dat het mengsel reageerde

als zuiver ACN.

Warmte.effecten tengevolge van ontmenging zijn buiten beschouwing ~elaten, zodat een energie-balans ontbreekt.

\ • tI.. \(' "

,

.

-l

.

I

.

I

.

I

. , • I

I •

14.

Materi aalbalans :

In: -ACN: van le kolom 520 kg per uur

van 2e kolom 150 kg per uur

670 kg per uur

H2O: van le kolom 71 kg per uur

van 2e kolom

_-2.!

kg per uur

92 kg ~er uur

Totaal 762 kg per uur

Uit: "ACN: naar 2e kolom 665 kg per uur

naar Ie kolom

_---L

kg per uur

670 kp; per uur

H

2O: naar 2e kolom _{naar Ie kolom} 21 kg per uur

71 kg per uur

92 ki2: ~er uur

Totaal 762 kg per uur

2e Rektificeerkolom.

In deze 10 m hoge kolom met een doorsnede van 600 mm, die ~evuld is met 1" Raschig-ringen \'eorden de lichte ne"enprodukten afgeschèiden als topnrodukt en wel: - monovinylacetyleen: aceet aldehyde .. chloropreen: acetyleen: blauwzuur: ,.{( r) 15.6 kg 26.4 kg 4.4 ki2: 2.6 kg 5.4 kg 54.4 kg per per per per per uur uur uur uur uur per uur Als"sidestream" wordt een ACN- water azeotroop afgevoerd,

het laatste water aa~ h~_t _§.J_~te_~~ .. Y>'o~dt ~ .

De terugvloeiverfiöuding bedraagt 11. -De temperaturen zijn: waarmee -lt./L--(t~IVÁ "'" </ ( ( l , / .. ~Ir-Materi aalbalans : Top.' Azeotroop Voeding Bodem

In: van afscheider: "ACN" H20 'l'otaal uit: naar afscheider: "ACN"

h20 . . ' '- /I.;f. ., I) ~'l...-~ 667 kg per uur 21 kg per uur 686 kg per uur 150 kg per uur :>1 'k:q; per uur

'l'opprodukt lichte bijprodukten 54.5 kg Ier uur

Bodemprodukt ACN + zware bijprodukten460.5 kg per uur

·

1

• I

15.

Energiebalans:

In: Voeding 665 kg "ACN" + 21 kg water

<. vloeibaar) 75°C 4. IA)

TOp 10::x:54.4 kg lichte produkten

<. vloeibaar) 32°C A IA) Verdamper 20.130 kcal/hr 4.370 kcal/hr 69.960 kcal/hr 'l'otaal 94.460 kcal/hr

Uit: "sidestream" 171 kg azeotroop

lvloeistof) 71°0 6w: 5.160 kcal/hr

Bodem 460.5 kg "ACN"

(vloeistof) 78°C Aw: 13.800 kcalthr 'l'op 11:x:54.4 kg lichte produkten

gasvormig 320C AW~ 75.500 kcal/hr

Totaal 94.460 kc all hr

Chlorering. L \ t. ij.

Deze vindt plaats bij 25°C. Chloor wordt geïntroduceerd en gemengd

door middel van een ejekteur, waarna het mengsel enige tijd ver-blijft in een cylindervormig verticaal vat met horizontale schotten

/~ ter voorkoming van "kortslui ting".

/ l1et deze v~erkv.:ij ze beschrijvende oktrooischrift geeft een

reaktie-() \) tijd van 5 minuten; om zeker te Z!]!!.L..Jlp~ sporen chloor in de 3e

( rektificeerkolom zouden komen- Ts- de verblijf tijd op ongeveer

.

!

20 minuten bepaald •

.' Re aktie vergeli jking:

C=C.;..C=v-C=C+C12

=

C=C

_ët

=8r

c=c

+ ca 40 kcal/gmol

~

Gewerkt wordt met ongeveer 5-voudige overmaat chloor, welke

gedeeltelijk de dubbele bindingen van 3,4 dichloor hexatrieen 1,3,5,

zal reageren, gedeeltelijk ook met ACN. tiet thermisch effekt van de chlorering van de dubbele bindingen zal cirka 15 kèal/gmol

bedragen.

\

~aast verzadiging van meervoudige bindingen zal ook in geringe

mate substitutie optreden, waarbij sporen zoutzuur vrij zullen

komen. De mate, \'t'aarin dit gebeurt, werd in genoemd oktrooi-schrift ui. et verme ld.

lVl ateri aalb alans:

.J!.inergie bal ans:

in: "ACN" met 0.02 kmol divinylacetyleen

0.12 kmol C12 per uur

Tot aal

uit: "ACl'~"

.Ln: A

w

chloor 18°C vloeibaar

A.W "ACN" 460.5 kg/uur vloeibaar 25 0()

untwikkelde v',armte voor verzadiging

0.02 kmol= + 0.10 kmol= 'l'otaal u i t: AW 469 kg "ACN" 35 G\; vloeibaar 460.5 kgJhr 8.5.kg/hr 469.0 kg/hr 469.0 kg/hr 1620 kcal/ hr 2300 kcal/ hr 3920 kcal/ hr 3920 kcal/ hr

·

1

.

I

-

I

.

I

- - - -

-

- - - -

-

- - - -

----

---.

.

16.

3e Rektificeerkolom.

Deze heeft een lengte van 10 meter en een doorsnede van 800 mm, terwijl de pakking uit 1" Raschig-ringen bestaat.

Deze kolom verkt bij een druk van 120 mm kwik, aangezien het

in het "ACN" aanv.ezii2;e lactonitrile bij de bij atmosferische druk vereiste bodemtemperatuur ontleedt volgens de vergelijking:

Temper aturen: top 270C voedtng 35°C bodem 58°C De terugvloei verhouding is 4. Materiaalbalans • In:

=

469 kg/ uur

Uit: top ACN 420 kg/ uur

bodem Z\H.are nevenprodukten_ 49 kgf uur

Totaal 469kg/ uur

Energiebalans.

In:AWvoeding 469 kg.ACN"vloeibaar A W top 3x420 kg ACN vloei baar

VI Verdamper

Totaal Ui t :4Wbodem 49 kg zware produkt~:m

vloeibaar AW top 4x420 k~ ACN damp

Totaal 3920 kcal/uur 5670 kcal/uur 227470 kcal/uur 237060 kcal/uur 1020 kcal/uur 236040 kcal/uur 237.060 kcal/uur

17.

De opname snelheid van een zuur is afhankelij~ van de diffusie in

de vloeistof en vooral van die in de wisselaar-deeltjes en een

funktie van de concentratie van het zuur in de vloeistof en de verzadigingsgraad, capaciteit, solvatatie en de deeltjes grootte van de wisselaar.

De opnamesnelheid wordt gegeven door de volgende formule:

t*l

HCl = k.c (

Y~-Yt)

y,aarin, Y:a HCl-concentratie in de hars

Y~= opnamecapaciteit bij de heersende concentratie

C = HCl.concentratie in vloeistof

L

I·i- 18.

·

1

-

I

• I

-)

/ ~ t ( i

l- ,C 18.

Uit de hiernaast gegeven, experimenteel bepaalde, I2;rafieken is K te bepalen voor HOI in ~ater. ~

Daar de k-waarden bij verschillende temperaturen, deeltjesgrootten enz. voor het medium AON niet voorhanden zijn kan geen exakte

berekening plaats vinden, slechts een bepaling van de orde van

grootte, aannemende dat de snelheden in andere media niet zeer veel verschillen met die in water. Bovendien is het diskontinue systeem met de vele variabelen wiskundig zeer moeilijk v,eer te geven.

Eenvoudig te berekenen is de verzadigingsgraad in de bovenste

laag ( 0 = konstant), terwijl verder enige snelheden en bij bepaalde concentraties en verzadigingsgraden bepaald ~erden.

Voorbeeld.

0= 10-3 k= 0,35

Verzadigingsgraad 2 mgaeq/g

Maximale verzadigingsgraad bij 0= 10-3

=

4,2 mgaeq/g

~

= 0.35xlO-3x 22

=

0.77x 10-3

De tijd, waarin de helft van het zuur uit 1 ml oplossing opgenomen

wordt door 1 p;ram hars is hier korter dan één minuut.

Wanneer gestreefd wordt naar een installatie die 24 uren kontinu kan verken zal deze bij een gemiddelde verzadiging van 4 gaeq/kg 24

4

10 = 60 kg droge

anionen-

v\

i~sela8r

per vat moeten

bev~tten.

Het volume van de hars zal na zwelling omstreeks 150 L bedragen,

de verblijf tijd is dan cirka 20 minuten. 4

Gestreefd vordt naar een HOI-concentratie kleiner dan 10- (0,0005 ge~

In dit geval wordt gewerkt met een tweetal parallel p;eschakelde

~)

vdsselaarvaten, waarvan één wordt gebruikt, terwij 1 de andere

geregenereerd ~ordt.

Regeneratie kan plaats vinden met een oplossing van NaOH bijvoorbeeld een 5%-ige.

De vraag of deze methode goedkoper is dan scheiding door destillatie is moeilijk te beantwoorden zonder een uitgebreid

laboratorium-onderzoek.

De kosten zijn ongeveer evenredig met de concentratie van de te verv ijderen elektrolyt, tervüj 1 bij destillatie de ze van weinig

invloed is op de kosten.

In de praktijk vlorden ionenwisselaars toegepast tot hogere

concentraties dan de hier voorkomende HOl-concentratie, waarbij dan veelal nog met een tweetal bedden n.l. een ionen- en een

kationenvisselaarbed wordt gewerkt.

De deeltj esgrootte van de visselaarkralen zal liggen tussen

0.4 - 0.6 millimeter, fraktie vallend tussen 20-en 50-mesh zeven. Het drukverlies bij de hier toe te passen belasting zal niet meer bedragen dan circa 0.2 ft. water per ft. beddiepte.

Voor de hars Amberlite 1 R 4 B wordt opgegeven een verlies in

uit-wisselingscapaciteit van 30% na doorleiden van 5.0000.000 gallon; cu ft, Bij 120 gallon per uur per cu ft. en afwisselend gebruik van de twee bedden kan gerekend worden op een levensduur van tenminste 5 - 6 jare~.

-I

·

1

- 1 • I - 1 - 1 1 I - I 1 - I

I

,

-

I

I

I

- - - -- - -

-I •

I ~

..

"

19.

warmtewisselaars, verdampers en kondensors.

Verwarming in v:armtewisselaars en verdampers geschiedt met stoom van

8 atm. en

170°0

behalve in de verdampers van de 2e en 3e

rektificeer-kolom, \r.;aarvoor het hete bodemprodukt ( water) van de Ie kolom

gebruikt wordt.

Koelen vindt plaats met koelwater van 15°0.

,..voorbeeld berekening Vi.armtewisselaar:

,

(

..

'Het water afkomstig van de Ie kolom ( 251,0 kg/uur ) verte~enwoordigt

een energiestroom van 2.060.000 kcal/uur.

Aan de verdampers van de Ie en 2e kolom wordt afgestaan resp. 69190

kcal/uur en 227.470 kcal/uur. Daar gekoeld moet worden tot 18°0, is

dus af te voeren 1.763.000 kcal/uur, terwijl de temperatuur van het

vater 88°0 bedraagt.

: Het koelwater komt binnen met een temperatuur van 15°0 en wordt

<_Yerwarmd tot 40°0.

De temperatuurverschillen zijn dusi. 88.,2..- 40= 4800 en 18 - 15- 3°0.

Wanneer we de warmteoverdrachts-coefficient U konstant veronderstellen

wordt het gemiddeld temperatuurverschil 2i

Ir ::

Tl T2

" " '-''-, .. /'-..-. ~1-n-=T~1..,7=T· 2

~= 48 - 3 _ 45:: 16

_{- - ---}

_{,2 O.}

°

In 48/3 2,77

De tot ale warmteoverdracht scoëfficient bij water-water lNarmtewisselaars

kan ~orden geschat op 1500 kcal/m2hOO. Het benodi~d oppervlak is dus:

1.763.000 _{:: 72.4 m2 d.i.}

1500x 16.2 _{10,75x72,4 = 780 sq f}

Bij gebruik van 1" buizen, v,.aardoor cirka 600 liter water per uur

moet stromen wordt het aantal buizen bij 70.000 liter koelwater per

uur 117.

Het koelend oppervlak van de buizen per ft. buis is 0,2754 sq ft.

Lengte der buizen wordt dus: 780

₌

_{?4 ft. = 7,2 meter.}

0,2754 x 117 '

Daar een dergelijke lengte economisch ongunstig is wordt een

warmtewisselaar gekozen met een lengte van 2 meter, met 4 passes en

4 x 108= 432 buizen. De diameter van een dergelijke vvarmtewisselaar

bedraagt 800 mmo

Voorbeeld berekening verdamper ( 2e kolom ):

Benodigde v· armte

Temperatuur

Hoeveelheid ~,'ater van Ie kolom

Begin temp. water

Eind temp. water ATl

AT2

AT U

Oppervlak

Lengte bij 40 buizen De afmetingen zullen bedragen:

len~te 1 meter. doorsnede 10".:: l..S·Ofl'1M . aantal buizen 38. 69.190 kcal/uur 78°0. 25.1,0 kcal/uur 100°0.

97.2°0.

22°0. 19,8°0. 20 ,8°0 500 kcal/m2hoO. 6,8 m2= 72,5 sq ft. 72,5

=

6,54 ft. :: 1,96 m. 40xO,2754

.r

/..'.

•

• I

I

-20. Diversen.

Tussen de absorptie kolom en de koncentreerkolom is een buffer-vat geplaatst met een lengt~van 4 meter en een doorsnede van 1200 mm, inhoud dus

3.75

m ter verbetering van de regelbaarheid. De gasomlooppomp, die de recirculatiegassen samenperst, wordt gekoeld met ~ater ter voorkoming van explosies in het aan

acetyleen zeer rijke gas .De vloeistofpompen zijntandradpompen, daar de debieten niet groot zijn en veelal k~vloeistoffen

verpompt moeten worden. -,-- (I'

'(lilt'

Speciale materialen anders dan constructiestaal moeten worden toegepast bij:

a) Chlorèringsefekteur en - tank, welke chloorbestendig dienen te zijn. Hiervoor zijn toe te passen legeringen als Worthite en Durichlor, legerinf2;en van ij zer met ee,n hoog nikkel-, chroom-, silicium- en molybde~ngehalte en enig mangaan. b) De delen van de laatste kolom, welke in aanraking komen met

het v,arme zij het zeer verdunde zoutzuur kunnen gemaakt worden uit een ijzerlegering met 23% - ?6% chroom

10% - 12% nikkel ,

2,5%- 3,5%

molybdeen en een zeer laag koolstofgehalte •.

D~ k~U7e van inhibitoren vOl'dt bep8ald door de voorkeur van de afnemers.

I

~

I

-w_{armtewisselaars, verdampers en kondensors.}

Ver~arming _{in warmtewisselaars en verdampers geschiedt met stoom van}

8 atm. en 1700

e

_{behalve in de verdampers van de 2e en 3e}

rektificeer-kolom, waa_{rvoor het hete bodemprodukt lwater) van de Ie kolom gebruikt}

wordt.

Koelen vindt plaats met koelw_{ater van 150(,;.}

Berekening _{\h'armtewisselaar voor koeling Lroceswater.}

liet w_{ater afkomstig van de Ie koloml25130 kg/uur) vertegenwoordigt}

een energiestroom van 2.060.000 kcal/uur.

Aan de verdampers van de Ie en 2e kolom iiI._{ordt afgestaan resp. 69190}

kcal/uur en 227.470 _{kcal/ uur. Daar gekoeld moet worden tot 180}

_e,

is

dus af te voeren 1.763.000 kcal/uur, terw_{ijl de temperatuur van het}

water 88 0

e

bedraagt.

liet koel", ater k_{omt binnen met een temperatuur van 150() en wordt}

verv. armd tot 40 0

e.

De warmteoverdracht _{van een medium binnen een P1JP}

naar een medium

erbuiten kan beschreven _{worden met de volgende formule:}

'11 - '1' 1 2 2

rr

l

t

Hu + t Hi) L=

ex

u 211" Ru l '1'2 - 'l'u) .L

=

_/ -1-" .

.

T..

T ... 0<. i '

2

1T

.

~i ( '1'i,- '1'1 ) L ,

Bij een uitvl'_{endige diameter van 1"= 25,4 mm en een v'anddikte van 2}

mm wordt dit: Qw= - - - (

A

'1'1- '1'2 j 2

rr

0,0117 L= _{O(u. 2 Î I • 0,0127 l '1'2- 'l'u)} L

=

0.002 0<.. i 2

rr .

0,0107 (. '1'i - '1'1) L .

'russen de ver~chillende _{temperaturen en v..armte overdrachts-en}

warmte-geleidings _{coefficienten bestaat dus de relatie:}

1

e.

_{002. 1 : 1 1}

I.

21.4 À _23.4 tXu' _25,4

Daar de warmte _{overdrachtscoefficienten slechts berekend kunnen worden,}

- _{indien de temperaturen bekend zijn en omgekeerd, zal uitgegaan}

worden

_ van aannamen, w_{aaruit door benadering de verschillende waarden van}

bovengenoemde grootheden bepaald worden.

De v\'_{armteoverdrachtscoefficient binnen de buizen w}

ordt berekend uit de formule

.Nu

=

0.027

hierin is: l,",U

₌

He

₌

.Pr

₌

lHe)0.80, _l.l:'r) 1/3 _.

•

kengetal _{van lljussel t}

kengetal _{van Reynolds}

kengetal van .Pranal

₌

=

=

!J.

0,14 l - )

1w

I o<D -~-~. V.D ~ '1. cp À

I

-I

..

De faktor

l

is een korrectiefaktor , \' .. 'aarbij de index w betrekking heeft op de v,~dtemperatuur.

De andere grootheden zijn alle die bij de gemiddelde vloeistof tempera-tuur, die bekend is n.l. 53,100.

Up de korrectiefaktor na is ~,dus te berekenen. CXi..21,7.10- 3 0,64 3 0,80 1/3

=

0,027.l 986.0,506.2134.10- ) .(5,4.10-4.4190) 0,54. 10- 0,64 ex t.

=

2685

J

/

h'\ t. ~ L S <1.4_ •

De sne lhei d van h et v, at er in de bui zen werd al s vo 19t bep aald: Uit globale berekeningen met warmteoverdrachtscoefficienten uit

de literatuur v' erd gevonden, dat cirka 600 liter water per buis per

uur een gunstige warmteoverdrachtscoefficient zou geven en dat de

varmtevisselaar 4 passes zou moeten hebben om bij gunstige lengte tot een voldoende koeling te komen •

.l:!.:en omhulsel van 20" diameter kan bij 4 passes 156 pijpen bevatten. Dus: 25~§0_ 643,3 kg per uur per pijp.

Dichtheid bij 53,10c

f>

=

986 kg/m3 ~0,182.10-3 m3/sec. per pijp

Doorsnede buis

=

TT Ri 2

=

1T .(1,07.10-2 )2

=

3,59.10-4 m2

Snelheid 0,182.10- 3_

3,59.10-4

0,492 m/sec.

Hieruit volgt een ~eynolds-getal van 19815 aan de eis voor de

warmteoverdrachtsformule He> 2100 wordt dus voldaan.

Voor de berekening van de warmteoverdrachtscoefficient buiten de buizen kan de volgende formule gebruikt <,orden:

Nu

= 0,18 (Re)0,6. (pr)1/3. (~)0,14

tw

(j.... Du

=

0, 18 ( V 0 , DuP) 0 ,6 ~ '1. • ~ 1. Cp)1/3. /\

De snelheid is hi~r betrokken op de

De formule geldt voor pijpenbundels

langs de schotten is erin berekend.

De gemiddelde lege doorsnede van het cylinder k~adrant is:

inhoud

~

R2D 1 hoogte H

= 4'

HD~

waarin D

=

afstand der schotten

H = 10" = 0,254 m dus:

gemiddelde doorsnede

=

0, 196 D~Il1" ..

gemiddelde lege doorsnede. in ~armtewisselaars en lekken

I

,

I

,

'-

--

,

.

/

1

I

I

-I

.

I

-De hoeveelheid koelwater is 70,530

~en afstand tussen de schotten van De overige grootheden zijn die bij

30°0. Wij krijgen dus: 0\.... 25 ,4~10-

~

= 0,18 0,61 rv 1 -2 ~~. 4, 5.10 = 0,18 ()l.~ = 0,18.410,2.176,4 4,15.10- 2

m3per uur dus: 0,0196 m3; sec.

0,14 m geeft vo= 0,714 m/sec.

de gemiddelde wate,-"rtemperatuur,

cx~

=

3140

J

/

,,,,.

':'C S ~\.

Voor de vandtemperaturen kan nu een benaderde waarde gevonden worden door invullen van de gevonden waarden in I.

À

1- )9,7 .h."...;. i ,," J. "( = 3 .. r, t. 1 I ",-u (

~.

-staa 1 1 1 (Ti - '1'1) :

(T1~

_{'1'2) : (T 2- Tu) =2685.21,4} =t9350.23,4 =

---=3::"'1'1"r.".4Ö~.-=2~5,4

Ti - 'l'i = 12,7°0. '1'1- '1'2= 1,60lj. ---' -8,80C. '1'2- Tu= '1'1 = 53,1-12,6=40,4 ° C T2= 30,0+ 8,8=38,8°0

De korrectiefaktoren kunnen dus berekend worden.

( '1.

_1.

_{40 ,4} 53,1)0,14 = ( 5,4.10-4 ) 0,14= 0 970 _{6 , 7 • 10-4 , .}

( 1w

0)0,14=

1. u.a

( 8,0.10-4 )°,14 _6,8.10-4 = 1,028 .

We vinden voor de getorrigeerde ~ - ~aarden

eXt = 2685.

°

,970= 2615 J / ~L C -\-<.e

0<1(. = 3140.1,028= 3228 J I "" •. ..:.9~

Voor de "andtemperaturen v,ordt nu gevonden uit:

. 1 1 1

('1'i- '1'1) : (T1-'_{l'2) : (T2-'ltu )= ~i.21,4} . : -~.--".

19350.23,4 ~u~25,4

'1'

=

40,1°0

1

-

.

,.

I

-I

-Bij substitut i e van deze ~andtemperaturen ~ordt gevonden voor de -vaarden: !x. = 2608 S/M~C ><e= 2250 A. ... ...t..1 "",ol.

.tue

1

_ ~I 3232 -( 2780

k..L-t ( ....

< . l. "e ,

oo..u ~ ..>/ ,.,.'.e. )Oe.=

Het verschil met de vorige benadering is zo gering,dat het geen zin heeft de ber ekening voort te zetten;de meximale fout in

bijvoorbeeld bedraagt 1);0.

De vvarmteoverdracht kan nu m,;t behulp van de f ormule

~w = u . 2 Hu ( '.l: 2 -

'

r

u) L = i 2 1:{ i ( Ti - Tl) L

berekend worden .

.t'er met er buis vinden v. e :

. -3

~

=

2780.3,14.25,4.10 .8,6

=

190~ kcal/m.h.

v

~r moet in totaal ~orden uitge~isseld 1.763.000 kcal/h,zodat

door elk van de 156 p~pen 11.300 kcal/h dient t e worden overgedragen.

De lengte van de buizen moet dan zijn 11. 3JO: 1907

=

5,87 m.

vaar pijpen VOor ~arrnte~isselaars m veelal geleverd worden in lengten,die

~IEXY~EiY~MMxIERx~mxÈEMxEgRE

nx6m of

~rn

bedragen, zal de visselaar uitgerust vlorden met pijpen van 6m lengte.

ve gegevens VOor de yarrntevisselaar zt n dus: bui tendoorsfl-'e der bui zen 1"

lengt e der buizen Sm aantal buizen l5S aantal passes 4

doorsnee:!shell" 20".

Betekenis der gebruikte symbolen.

Q =warmtestroom. w A =warmtegeleidingsvermogen. T =temperatuur. R =straal. L =lengte. ~ =warmteoverdrachtscoëfficient.

\ =d~namische viscositeit.

P =dichtheid. D =doorsnede. V =snelheid.

D =afstand schotten.

-.

•

21.

Literatuur •

1. R. E. Kirk, D. F. Othmer: Encycl"opedia of Chemical Technologie.

New York ( 1947 ) Vol. 1 115, 184.

2. Wilhelm Foerst; Ullmanns ERcyklopädie der technischen Chemie.

3. Auf1. Munchen-Ber1in ( 1953 )

3.

Band 81.

3. O. Bayer: Ang. Chem. 61 241. (1949).

~ 4. K. Sennewald: K.H. Steil Chem. Ing. Techn. 30 440. ( 1956 ).

-"':4 6. D.R.P. 559.734 7. D.R.F. 728.767 8. U.S.P.2382.383 , I ~ Î '\ I- \ ~ ,/v ,I! 1'_ I \ \ fl" -I "

9

.

w.L. Faith, D.B. Keyes: 2 nd Ed. New York ( 1957) 42.

10. Brit. P. 703.587

11. P. Kurz: Lieb. !nn. 572 23 ( 1951 ).

12. Schw. P. 231.178

13. B.I.O.S. Final Report no. 92.

14. B.I.O.S. Final Report no. 759.

15. F.I.A.T. Final Report no. 836.

16. F.I.A.T. Final Report no. 1025.

17. F.I.A.T. Final Report no. 1125.

18. R. Kunin: Ion exchange resins New York ( ₁₉₅₈

)

.

New

Yor~

1956 ).

19. F. C. Nachod, J. Schubert: Ion exchange Technologie

,-t

t

·

t

,

.