De bereiding van sorbitol

t,-t/

/J

J.

··-

Inleiding

)ê~. Zetmeel uit aardappelen \ Glucose 1 aq. uit zetmeel

l~

i

Glucose 0 aq. uit glucose 1 aq.

o

!~

.

Sorbitol uit glucose 0 aq.

Berekeningen

---,

.

,0

I

I

/..?3H

_/,z.j~

Î

_{. ,}

.

- .... ~IiII' 1 . 1.

5.

12.

17.

23.

I:JLEIDIHG.

De bereiding van sorbitol uit aardappelen geschiedt in drie phasen, welke in het hierna volgende uiteengezet zullen worden.

I

Sorbitol wordt technisch O.d. volgens een kathodische reduetie van geconcentreerde glucose-oplossing~ vervaardigd. Volgens W.B. Newkirk (1) wordt bij productie van polyalcoholen, waaronder sorbitol, uitsluitend uitgegaan van anhydridische glucose. Dit laatste product wordt ol? technis'che schaal bewonnen

{;r-triï~se­

hydraat (1 aq.) - Hiertoe bereidt men van het glucosehydraat een

:

/~~kfittnierzidi~e

oplossing, waaruit men bij hogere temperatuur / het anhydridische glucose kan laten uitkristalliseren.

Als grondstof voor de glucosehydraat (1 aq)-fabricage dient aardappelmeel, dat op normale wijze uit aardappèlen wordt gewonnen. De omzetting van zetmeel in glucose is in de techniek een hydrolyse

onder katalytische beïnvloeding van HO-ionen.

Bij vaststellen van de productie-hoeveelheden wordt uitgegaan van de veronderstelling, dat de jaarlijkse behoefte van de Neder-landse markt aan sorbitol van de orde van grootte van 450 ton/jaar zal z~n, hetgeen overeenkomt met een dagproductie van 1500 kg. Gebaseerd op dit cijfer komt men op een hoeveelheid aardappelen

van ca. 18 ton, zoals in het volgende nader uiteengezet zal worden. Een dergelijke hoeveelheid is, wat de fabricage van zetmeel betreft, economisch niet geheel verantwoord. Daarom werd in de~e phase van het proces een vijfvoudige hoeveelheid verwerkt. Begrijpe-lijk is nu, dat naast sorbitol een ander eindproduct verkregen wordt, waarvoor dus in aanmerking komen: zetmeel, glucose 1 aq. en

glucose 0 aq. Daar de productie van glucose 1 aq. in kleinere hoeveelheden economisch minder gunstig is en er naar dit product

een redelijke vraag bestaat, werd besloten om naast sorbitol, ook glucosehydraat te produceren.

Hoofdstuk I.

Zetmeel uit aardappelen.

Deze phase van het proces is niet zo zeer van chemisch, karak-ter dan wel van mechanische aard. De bedoeling is slechts het in de aardappel aanwezig zetmeel, als zodanig te isoleren. Men kent hiervoor in mechanisch-technisch opzicht vele methoden, welke in

I

L

1.

wezen slechts in details (a.a. volgorde van bewerking) verschillen. Een recente publicatie van H.E. Reichenberg (2) vormt de basis van het gekozen procédé.

De aardappelen worden in zwemgoten gestort, waar reeds een eerste op~ervlakkige reiniging plaats vindt. Uit deze goot worden de aardappelen opgevoerd met behulp van een transportschroef. Tijdens dit transport worden de aarda~pelen met water besproeid, zodat een eerste wassing plaats vindt. Het verontreinigde water stroomt weg door openingen van 1,0 inch in de bodem van het huis van de transportschroef. De aardappelen ondergaan hierna een inten-sieve wassing in een aardappelwasmachine (tegenstroom principe).

Het verpulpen van de aardappel, hetgeen nu volgt, geschiedt in slagkruismolens, welke een grotere capaciteit hebben en ste-viger zijn dan de zaagraspen. De pulp verlaat de slagkruis-molen door een zeefbodem met gaten van 1/8 inch. Het in de molen toege-voegde water is afkomstig van de pul~-zeeftafels. De verkregen brij van fijne pulp met water wordt verplaatst met een plunj erpomp naar een borstelextractor. Dit is een cylindrische zeef, waarbirulen houten platen en borstels roteren. Onder voortdurende toevoer van verdunde zetmeelmelk (3 0

hé) wordt hier het zetmeel losgemaakt en de brij gescheiuen in vezels, die hier op de zeef achterblijven en in zetmeel, dat met wclter door middel van borstels door de zeef wordt gesperst. De zeefopeningen zijn 35 mesh (320-428~) het gaas is ~ van P-brons. De pulp, die uit de borstelextractor komt, gaat naar

een tweede slagkruismolen, waarvan de zeefbodem openingen van 1/16 inch heeft.

De brij hieruit vloeit door middel van de zwaartekracht in een tweede borstelextractor. De hier achter gebleven pulp wordt tenslotte zo goed mogelDk ontd~an van achtergebleven zetmeel op de pulpzeeftafeIs. Het waswater wordt, zoals reeds vermeld, naar de 1 e slagkruismolen gepompt. De zetmeelmelk afkomstig van de tweede borstelextractor wordt gebruikt als wasvlaeistof voor de eerste.

De zetmeelmelk van borstelextractor No. 1, wordt over zeef-tafels geleid, die bestaan uit P-brons gaas met gaten van 100 mesh (152

f' ).

De hierop achterblijvende pulp gaat naar de

-/

J

zeef tafels. De van de zeef tafels komen)rmeelmelk (cone. 53

gil,

30Bé) voert men nu naar een Reineveld-centrifuge, waar het eiwit-houdende water van het zetmeel wordt verwijderd. De aldus verkregen meelmelk wordt na verdunnen tot 100Bé (186

gil)

nogmaals gezeefd over een P-bronzen gaas (120 mesh, 125~). De pulp van deze bewerking wordt gevoegd bij de reeds verkreGen hoeveelheden pulp uit de vorige phasen.

De zetmeelmelk wordt nu Gepompt naar bezinkvaten, waar S02 wordt gedoseerd tot een PH 3-5. (cone.

=

0,05

gil).

Dit S02 dient om oxydatie door oxydi:1sen (tyrosinase) tegen te gaan en om reeds geoxydeerde producten te reduceren. De oxydasen geven t~dens het

~~. proces ongewenste kleurontwikkelingen. In dit verband zij nog ver-meld, dat tyrosine met Fe eveneens ongewenste kleuringen geeft. Daarom dient al het gebruikte water ijzervrij te zijn.

Na het bezinken wordt de vloeistof, waarin nog wat zetmeel gesuspendeerd is, afgevoerd met een centrifugaalpomp. Dit zetmeel laat men zich afzetten in cementen slempgoten.

Het in de vaten bezonken zetmeel wordt met water opgeroerd. Tezamen met het in de boten afgezette zetmeel voert men dit naar een opslagtank en de concentratie van het zetmeel in het water wordt hierin op 130_180 Bé gebracht. Tenslotte wint men uit deze suspensie het zetmeel door filtreren over een continue filter.

Daar slechts de helft van de totale hoeveelheid zetmeel voor directe verdere verwerking in aarunerking komt, kan volstaan worden het voor opslag bestemde deel (50%) te drogen. Dit wordt uitge-voerd in een banddroger. De gevormde pulp wordt verzameld in een pulpbak, en verder door filtreren over een roterend filter van overtollig water ontdaan. Men verwerkt slechts 50% direct door op glucose, daar een aardappelmeelfabriek normaal niet meer dan 6 maanden. per jaar kan werken. I~en slaat dus de andere helft gedroogd op om de glucose-fabricage gedurende het gehele jaar te kunnen laten plaats vinden.

- - -- - - --

-r

I.

\...-Rendement.

In de inleiding is vermeld een dagverbruik aan aardappelen van 90 ton. Om het gehele jaar door gluoose te kunnen produoeren moet dus 2 x 90 ton aardappelen ~er uag verwerkt worden.

Dit

gesohiedt in twee eenheden, die ieder 90 ton verwerken. Eén een-heid levert het zetmeel direct aan de glucosefabriek, de andere bezit een droger, die zetmeel voor de opslag levert. Op deze wijze is bij stat;;natie in één van de eenheden de aanvoer van zetmeel naar de gluoosefabriek verzekerd.

Aanvoer per eenheid :

90 ton aaràa~pelen (1475 H.L.) ~er dag.

De opbrengst aan zetmeel is sterk afhankel~k van het zetmeel gehalte van de verwerkte aardappelen. Voor Nederland wordt opge-geven (8) een rendement van 11,5

%

(suBra). Dit levert:

10,3 ton zetmeel (droog) per dag,

wat overeenkomt met een hoeveelheid nat zetmeel (40

%

H₂0) van 14,4 ton zetmeel (nat) per dag.

Liter'atuur: 1 • 2. 3. 4. 5. 6.

7.

8.

(i.B. Newkirk, Ind. Eng. Chem.

21,

153 (1939) H.E. Reiohenberg, Chem. Zng., June 1949, 120 C.A. Brautleoht, Ind. Eng. Chem. 32, 893 (1940)

W.W. Howerton

&

TI.H. Treadway, Ind. Eng. Chem. 40, 1402 (1948) E. Parow: "Lehrbuoh der Stärkefdbrikation" (I), Berlin 1908. E. Preu'Sz : "Die Fabrikation des Stärkezuokers", Leipzig 1925 R.W. Kerr: "Chemistry and Industry of Jtaroh" , New York 1944

Hoofdstuk Ir.

De bereiding ~ Glucose

.!

~.~ Aaraappelzetmeel.

De reactie: Zetmeel + _R20 ----~ glucose.

De omzetting van zetmeel in glucose berust op een hydrolyse reactie. Bij deze hydrolyse wordt als voornaamste product glucose gevormd, maar afhankelijk van de reactie omstandigheden, verkrijgt men bijproducten zoals b.v. gentdlobiose, furfural derivaten en laevulinezuur. H.Berlin (1) en medewerkers toonden aan, aat de vorming van gent~obiose verklaard kan worden door aan te nemen, dat twee glucosemoleculen een dissacnaride molecuul vormen met een

1-6~ glucosidische binding. Tevens kan de glucose met net zuur als katalysator bij hoge temperaturen verder ontleden,AI deze mogelijke nevenreacties doen de opbrengst aan glucose afnemen. Bij uitkris-tallisatie van de glucose blijft een moederloog achter, welke men betitelt met ce naam" Hydrol". Deze moederloog heeft een onaang ~d,

name smaak en door allerlei ongewenste bijproducten is zij minder gescnikt, tijdens het proces verder verwerkt te worden om glucose voor de Sorbitol bereiding te leveren.

De reactie voor gentiobiose kan men als volgt voorstellen; 2 C6Hl206 ---~ Cl2H220ll + _H20

Wanneer de concentratie van de glucose in de vloeistof stijgt, wordt bovenstaande reactie naar rechts gedrongen.

Een tweede reactie is de vorming van hydroxymethylfurfural uit de glucose. Veze stof kan o,a, weer laevulinezuur en

mieren-zuur geven (2). Sommerende krijgen we dus;

Zetmeel ---~ Glucose '~~~=~~ Gentiobiose

~

Hydroxymethylfurfural~ Polymerisatie

Laevulinezuur mogelijk.

+

Mierenzuur /"

Onder de reactie omstandigheden in de praktijk ( zie later), vinden de in verticale zin gescnreven omzettingen maar voor 1% plaats. Daar de omzetting van 6lucose in gentiobiose naar re~f1.ts '.Cl(

verloopt bij grotere concentratie van de glucose, houdt men in de praktijk deze concentratie laag door in verdunde zetmeelsuspensies te werken.

Moelwijn-Hughes (3) vond dat met toenemende temperatuur ue reactie ook naar rechts gaat , hetgeen dus betekent, dat men de react:Le -temperatuur niet te hoog moet laten oplopen.

De Katalysator.

De hydrolyse wordt in de praktijk uitgevoera onder katalytische beinvloeding van H- ionen, welke men in de praktijk verkrijgt door toevoegen van zoutzuur of zwavelzuur. In de Europese lanuen wordt hoofdzakelijk met zwavelzuur gewerkt. In de Verenigde Staten geeft men daarentegen aan zoutzuur de voorkeur, wegens net optreden van gekleurde producten bij net gebruik _{van 82}8°4' terwijl de reactie met HOI ook sneller verloopt. Bovendien geven bij de inuamping de

~ S04t1 ionen moeilijkheden door korstafzettingen (caS0₄) op de ver-warmingsbuizen.

Enige tijd geleden (4) en (5) is in de Verenigde staten een continu werkende installatie ontwoppen. waarbij men continu conver-teert, onder gebruik van ionenuitwisselaars voor de neutralisatie en sapzuivering. Deze continue methode is slechts rendabel bij noge productie ( 150 toni per dag of meer) (5).

Uit (6) blijkt overigens ook, dat ook moäerne installaties voor glucose bereiding uit zetmeel in de Ver.staten heden ten da.ge nog werken met discontinue conversie en daar opvolgende neutralisatit Hiervoor gebruikt men dus HOI.

Het Gevolgde Procédé.

De gebruikte katalysator is HOI. Daar we slechts circa 10 ton glucose per ?ag verwerken is de continue conversie economisch nie~

verantwoord. De nadelen van H2S04 zijn in het voorgaande al genoemd. Het zetmeel in dit proces wordt in een,houtetengtank (a) met water gesuspendeerd en hierna gevoerd naar een kop ren convertor (b),waar zoutzuur wordt toegevoegd. De concentratie van de zetmeelsuspensie is van groot belang en bedraagt 10-120 Bé.(Zie materiaalbalans).

Voor dat de zetmeel -suspensie uit (a) in (b) wordt gepompt, heeft men in (b) reeds 28,6% van de totale hoeveelheid water gebracht en hieraan zoutzuur toegevoegd tot een noeveelneid, welke 0,2% is van het zetmeel gewiCht. De PH der vloeistof in de convertor is nu 1,5',':' .

De reactie, welke bij een temperatuur van 13~-137°C verloopt, is na

5-7

minuten ten einde. De verwarming tot deze temperatuur voert men uit met "open stoom""Dit gescniedt zodanig, dat het reeds

. 0

in de convertor aanwezige water tot de temperatuur van

132

C wordt verwarmd en tijdens net toevoegen der suspensie op deze temperatuur wordt gehouden.De aruk in het reactievat is 2,6-3,1 kg/cm2• Na het

~ /' beëindigen der react·ie wordt de vloeistof naar een .(~outen ~eutra""

I

1

. /

/

fJIY"

/

lisatietank Cc) gepompt, waar men met benulp van natrmum carbonaat

-neutraliseert tot een PH van 4,8.

i

H.S.Paine en M.S.Badollet (7) namen waar, dat net uitvlokken

\\ van cololden na de hydrolyse beinvloed 'Hordt door de PH' tot welke de vloeistof geneutraliseerd wordt. Volgens hen neeft men nier te maken _,. met een iso-electrisCh punt der proteïnen en

kan

men door

PH

controle dus zorgen een maximale hoeveelheià hiervan neer te slaan. Gaat men te ver met de neutralisatie àan vertoont, vooral bij verhoogde tem-peratuur, de glucose een sterke kleuring.(8)

C.R.Fellars, J.Millar en T.Onsdorff

(9)

vonden dat een minimum kleuring optrad bij PH tussen 2,3 en 3,0. De kleuring geeft extra werk aan de actieve koolfilters en moet dus zoveel mogelijk verm4en worden.

Een nadeel van het neutraliseren is cie vorming van NaCl, dat '.'

straks bij het kristalliseren ongunstig werkt op net rendement Aier-van.Dit is één van de redenen waavom men overgegaan is op de inscna-keling van ionenuitwisselaars in de grote fabriek inde Verenigde· \...,' Staten.

Na filtreren (d), (~men .. kan fil ternulpmiddel toevoegen) wordt (l

vloeistof opgeroerd met actieve kool Ce) en wederom gefiltreerd (f) en gepompt naar een wachtbak (f'). Van hieruit pompt men de vloeistof door een voorwarmer (g) naar een triple-effect verdamper (n), waar de concentratie van de glucose tot 300

Bé

wordt opgevoerd. De voor-warmer verhoogd de temperatuur van de oplossing van

15

0 _{op 74,~oC.}

De verdamptemperaturen in de triple-effect verdamper zijn resp. Ie: 8000 IIe: 64°0 IIIe : 50°0.

De geconcentreerde oplossing wordt weer opgeroerd met actievel

kool (i) en gefiltreerd (j), waarna in een enkelvoudige verdamper I

(k) geconcentreera worut tot 420Bé. We nemen twee tanks (i), de één loopt vol, terwijl in deze tijd in de andere met actieve kool wordt behandeld. De uit deze verdamper Komende stroop voert men nu in een kristallisator (1), waarin men onder langzaam roeren een temperatuur van 3800 handhaafd. Van deze kristallisatoren zijn 8 stuks aanwezig. De kristallisatie, welke ~ 100 uur duurt, wordt ingeleid door toevoegea van entkristallen ,verkregen uit een vorige kristallisatie. De kristalbrij wordt hierna

gecentrifu-geerd (m) en nadat het grootste deel der moederloog verwijdera is, met water gewassen om de laatste resten moeáerloog af te voeren. Tenslotte wordt de uit de centrifuge komende massa gedroogd (n) in een rotere~de droger, waarna men dus zuiver glucose hydraat ( 1 aq) heeft_".verkregen. N.B.

De moederloog, de reeds besproken "Hydrol", kan men aan'ee.u

/

volkomen analoge hernieuwde conversie onderwerpen. De zuiverheid van de hieruit bereidde glucose 1 aq. is evenwel niet zo groot en iedere hernieuwde conversie, men gaat wel tot 4 maal toe, geeft een product van geringere zuiverheid. Deze verminderde zuiverheid: en ook de volkomen analogie van de bewerking zijn de argumenten, waarop besloten is, deze hernieuwde conversie der "Hydrol" niet nader te behandelen. De "Hydrol" wordt als zodanig verkOCht.

N.B.

Niet de gehele massa wordt gedroogd. Alleen het deel wat niet verder verwerkt wordt, maar als eindproduct worat verkOCht. Er wordt met 1/5 van de hoeveelheid verder gewerkt.

- - - _ . _ - -

-a)

Materiaal Balans.

Zetmeel --- Glucose 1 aq.

Het rendement werd gebaseerd op gegevens vermeldt op blz.

273

van Chemistry and Industry of Starch (R.W.Kerr)

~ RENDEMENT b) HET PROCES Aanvangsconcentratie zetmeel in water 13,9% a: 10

o

B'- '-(Gew.%) Glucose gehalte (droge stof) Bij evenwicht

93,8

%

Het rendement der omzetting bij deze temperatuur is dus

93,8

%

.

Deze waarde werd aangehouden,

maar

is een minimum waarde, daar de reactie-temperatuur 1320 C bedraagt.

De 6,2% bijproduct van de conversie belemmeren bij de kris-tallisatie van glucose 1 aq. het neerslaan van 2x deze hoeveel-neid product.

Het verlies, dat hierdoor ontstaat is dus: 6,2 + 2 • 6,2 = 18,6%

Dit verlaat het proces onder de naam" Hydrol ". zetmeel ---~ glucose laq. - 100 - 18,6 - 81,4%.

+ H₂0 C6Hlo0

₅

---~ _C6H1206 Theoretisch: PraktiSCh: Dus 10,3 ton 162 gr 162 gr ---> 81 4% ___ .l. ___ ~ ---~ 180 gr 146,5 gr 10,3 a: 9,32 ton. 162

We verkrijgen dus: 9320 kg glucose, dat uitkristalliseert als glucose laq. Dus 9320 + 932

=

10252 kg.

De conversie wordt uitgevoerd in een zetmeel suspensie van 10° B~, netgeen overeenkomt met een zetmeel concentratie van 13,9%.

We hebben 10300 kg zetmeel. lossing,dan is:

13

6

9 • x ~= 10300

10

Stel we krijgen ~kg op-waaruit volgt x= '14100.

De noeveelneid water wordt dus: ?~100 - 10300

=

63800 kg. Werken we eChter met deze hoeveelheid dan condenseert in de conver-tor nog de "open" stoom, met het gevolg dat de concentratie van de suspensie te laag wordt. Stel we voegen daarom maar -l-kg water toe. We verwarmen met x kg stoOm. ,welke een temperatuur heeft van 14000 en een druk van 3,6848 kg/cm2 •

De temperatuur van het suspensie water is 15°0.

,

Nu is y • (132 - 15) _• 1,0

₌

x • 513 ( 1) en

x + y = 63800 (2)

(y'= y + 10300)

Deze twee vergelijkingen oplossende vindt men: x

=

13760 Y = 50040. Van deze 50040 kg water gaat nu 2,5 x zoveel in de mengt ank , als

~ in de convertor.

. ~

Water in mengtank dus: 35743 kg. Water in convertor dus: 14297 kg.

De hoeveelheid HOI , welke 0,2% van net zetmeel gewiCht bedraagt, is 20,6 kg. Voegen we dit toe als een 5-% oplossing dan hebben we hier-van 412 liter nodig. Dit bedrag wordt dus nog van het wate~ dat we aan de convertor toevoegen. afgetrokken.

Voor de neutralisatie is nodig 555 liter verz. soda oplossing. Verwaarlozen we net water nodig bij net afzoeten der filters, dan komt bij de Triple- Effect verdamper een oplossing aan welke 64415 kg water bevat. Deze oplossing bevat ook nog glucose en bij de berekening van de hoeveelneid hiervan moeten we een rendement van 93,8% aanhouden.

Dus: -1Q~QQ

__ •

_22~_

•

180 z 10730 kg glucose • 162 100

Gewicht sap : 64415 + 10730 = 75145 kg •

Nu wordt ingedampt tot 300Bé of wel een 56,Ofo -ige oplossing • Hoeveelheid sap na de verdamper noemen we -Z-kg ,de hoeveelheid

glu-cose hierin is 10730 kg.

We nebben : 56 • y

₌

10730 waarui t volgt

-rou

y

₌

19160 Hoeveelheid water dus: 19160

1073()

8430 kg. Verdampt •

.

_{64415 - 8430}

=

5598

2

Dit laatste getal is ook in~ Alle waarden gelden per 24 uur.

I---~-

-,

/1

De conversie wordt per charge van 2 uur uitgevoerd.De eigen-lijke reactie neemt slechts 20 min. , doch de nabewerking met de actieve kool vergt meer tijd, zodat men iedere 2 uur ~e wachtbak voor de verdamper met een nieuwe cnarge bijvult.

De 19160 kg oplossing van 30oB~ komt aan bij de verdamper, waar net sap wordt ingedampt tot een,42oBé of wel 79,2% ige oplos-sing.

We krijgen uit deze verdamper nu~kg oplossing •

.22.1.g.

z

=

10?30 100 Hoeveelheid water : VerdampD dus : z

=

13550 13550 10730 = 2820 kg. 8430 - 2820

=

5610 kg.

Na de centrifuge's verkrijgt men 10250 kg glucose 1 aq.

~! 4/5 deel hiervan wordt gedroogd en als zodanig in de handel gebracht, de rest dus 1/5 gaat direct door naar de glucose 0 aq. fabriek.

11.

De";'Bereiding ~ GLUCOSE

°

aq. uit GLUCOSEl aq.

Dit proces berust op een omkristallisatie van oe aanwezige glucose laq. kristallen in glucose kristallen zonder hydraat water.

De nog natte glucose lag. kristallen worden opgelost pot een

28-30oBé oplossing. Als oplosmiddel gebruikt men het condensaat van de vacuüm verdamppan, welke later behandeld zal worden. Aan dit

condensaat~:ti- dan nog een additionele hoeveelneid vers zuiver water teegevoegd om de juiste concentratie te bewerkstelligen.

De oplossing wordt met 0,8% actieve kool (berekend op net glucose gewicht) benandeld.

Hier dient opgemerkt te worden, dat het bij dit fabricage proces absoluut noodzakelijk is in een stofvrije ruimte te werken. Waarom dit zo is zal uit het nog te benandelen kristallisatie pro-ces volgen.

In (10) wordt de actieve kool, welke men toevoegt, in een apar:

te ruimte afgewogen in vaten met een deksel. Deze worden aan het deksel van de mengtank (p) bevestigd. Na het sluiten van deze tank worden de vaten met kool omgekeerd, waarna men drie minuten wacht

om de actieve kool gelegenheid te geven te bezinken. Op deze wijze voorkomt men het neerslaan van actieve kool-stof door de gehele fabrieksruimte.

Dan wordt de massa in een tank (q) gepompt, waar men verwarmt

op 1600F C710C) en gedurende 30 minuten krachtig roert.

De zo behandelde vloeistof worat gepompt naar een Sweetland

pers (r) en zonder filter-hulpmiddel gefiltreerd. Het, in het

be-gin,nog enigszins troebel aoorlopende filtraat worut naar de

meng-tank teruggevoerd.Na ongeveer 20 min. loopt eenVheldere vloeistof

door,die nogmaals gefiltreerd wordt over een "Niagara" filter (5)

welke de laatste sporen verontrein~gingen verwijderen. Nu volgt

een wachtbak (t), waarin het filtraat verzameld wordt voor de

ver-damping tot een 82r~ige oplossing.

De verdamper (,u) wordt door W.B. Newkirk (10) beschreven als ·

een kookpan van een suikerfabriek. De hier gebruikte berust op een

patent van Stork N.V. Octrooi 30619. Er zijn twee van deze

pan-nen aanwezig.

In deze pan wordt nu zoveel oplossing ingetrokken,dat wanneer

-volume der lading der pan aanwezig is. De oplossing bevat bij het begin der grein vorming ongeveer 90% droge stof.

Heeft men nu dus grein gekregen, dan wordt eventuele

over-verzadiging opgeheven door tamelijk grote hoeveelheden 300Bé op-lossing in te trekken.

Na verdampen van de vereiste hoeveelheid water, wordt de achterblijvende stroop naar centrifuge's (v) geleiû en,gecentri-fugeerd. De kristallen worden nu met warm water in de centrifuge gewassen. De moederloog wordt aan de Hydrol van de Glucose laq. fabriek toegevoegd.

Het gebruii van warm water bi~ het uitwassen is essentieël, daar bij gebruik van koud water uit de,om de glucose Oaq zitten~~

moederloog, glucose laq zou uitkristalliseren. Dit wordt door onderstaande grafiek verklaard.

Î

Te'f\'\~. \ ·C. I 'lo ---. -10 .. Q. I.. ~. 2,_ -'10 O~-À...l~1

&t~~:1

:

- . . . - -- - - j- - - -~"-t-~-tr--i -ol. \;oJ~ I.{c:> ~C> '1.0"1.0 0 > \... 1 0 .g. " ~o \ 0 0

De temperatuur van de moederloog is 500C (Punt A). Daalt de temperatuur door koud waswater, dan komen we in het gebied van glucose laq. kristallen + verz oplossing van glucose laq.(Punt B).

Tevens kan men uit deze grafiek begrijpen, waarom eventueel stof van 1 aq. kristallen of van kool, zo storend kan werKen.

In punt C (metastabiel glucose 0 a~.) kan door een I a~. krif

tal, plotseling de stabiele toestand I aq. gaan o~treden. Bij afwezigheid van stof treedt dit niet op. Dit is naast de economi-scne ractor van nat glucose laq.,ook.een reden om niet te drogen, daar dan stofvorming van laq, kristallen niet plaatsvindt.

,--",'

Tenslotte gaan de afgecentrifugeerde kristallen door eenaroger

(w)

waarna ze geschikt zijn, als zeer zuivere glucose 0 aq. kristallen, voor de Sorbitol bereiding.

Daar de totale productie aan glucose Q aq. slecnts klein is, wordt in dagbedrijf (8 uur) gewerkt.

Materiaal Balans.

Glucose 1 aq ---~ Glucose Q aq.

a) HET RENLEMENT

Over het rendement van deze stap in de fabricage zijn in

de litteratuur geen gegevens opgenomen.

~ _PR __ O-.;C;,;;;E~S.

De beschouwingen over net rendement van «e reactie Zetmeel ---~ Glucose 1 aq.

Zl.Jn nier niet onveranderd. van toepassing. Immers anorganisen materiaal is afwezig en kan bij de kristallisatie dus niet storen. Ook producten als gentiobiose, welke in de vorige phase nadelig op het rendement werkten zijn hier niet aanwezig. Gebase~rd op deze beschouwing lijkt het verantwoord, het_rendement noger aan te nemen en wel op 93,0

%.

Glucose laq. ---~ Glucose 0 aq. Theoretiscn: 198 gr ---~ 180 gr

Praktiscn 198 gr ---~ 16'7,4 gr

Dus : 2050 (.1/5 van 10250) kg ----~ 1733 kg

Voor verwerking op Sorbitol krijgen we dus 1730 kg glucose Oaq. b) We krijgen Glucose laq. kristallen aan, waarvan we het

vochtgehalte op 20% stellen.

Dit betekent: ~ ~ x

=

10250 waarin x net totale 100

gewicnt van de natte glucose laq. voorstelt in kg. x

=

12813

1/5e wordt sleChts verder verwerkt, wat betekent dat met de

2050 kg glucose laq. 1/5 (12813 - 10250) = 513 kg water meekomt.

In de mengtank wordt een 55%-ige oplossing bereiu: Totaal gewiCht oplossing :' _z_ kg. Hieruit volgt:

-22- •

z

=

2050

100

of z

=

3720 kg.

Hoeveelneid condensaat toe te voegen: 3720 - 2050

=

1670 kg. DOCh dit moet verminderd worden met de 205 kg kristalwater van de 1 aq. en de 513 kg water die met de kristallen meekomt uit de centrifuge. Condensaat hoeveelneid dus: 16'70 - 718 .. 952 kg.

/i

De vereiste hoeveelheid actieve kool i s : 0,8 • 2050

=

16,4 kg. 100

Kookpan: Gewicht oplossing voor de pan: 3720 kg. Verdampen tot oplossing 82% uroge stof bevat:

Gewicht oplossing na de pan: p kg.

Nu is : 82 I P :: 2050

100

waaruit volgt: p - 2500

Verdampt dus 3720 - 2500

=

1220 kg water. We zien dus dat net meestentijds niet nodig zal zijn vers water biij de mengtank te suppleren.

- -- - -

-Hoofdstuk 111.

Glucose Sorbi tol.

De omzetting van glucose in sorbitol berust op een reductie.

2H

Er zijn verschillende methoden om deze reductie tot stand te brengen.

Emil Fischer bereidde reeds sorbitol door suikers gedurende langere tijd met Na-amalgaan in wa.ter te sohudden. Het hierbij ontstane NaOH neutraliseerde hij van tijd tot tijd met H2S04 . Tech-nisch is deze methode niet te gebruiken daar zeer grote hoeveel-heden amalgaam vereist zijn (60 x gewicht der suikers). Immers

Na-amalgaam met 1,25% Na is reeds vast en dus niet te gebruiken.

Verder is de reactiesnelheid zeer laag en ontstaan door de perio-dieke neutralisatie grote hoeveelheden Na 2S04• Al deze factoren

maken de kosten van een op technische schaal werkend proces veel

te hoog.

/1

Bij semi-technische onderzoekingen op het laboratorium voor

Chemische Technologie van de Technische Hogeschool werkt men

vol-gens hetzelfde principe , doch de hoeveelheid amalgaam is

aanmerke-lijk verminderd door gebruik te maken van de schroefreactor, welke

het mogelijk maakt een recirculatie van het amalgaam toe te passen.

Men is evenwel nog niet ver genoeg met deze onderzoekingen

gevor-derd om een toepassing op technische schaal te kunnen verantwoorden. Een technische methode welke toegepast wordt, berust op een

electrolytische reductie van glucose (1,2,3 en 11). De benodigde

waterstof voor het proces wordt verkregen door electrolyse van

het water, waarvan de geleidbaarheid verhoogd wordt door het

toe-voegen van een zout. _{Hiervoor neemt men in de regel Na2S04 ,}

al-hoewel een U.SP. (4) aangeeft, dat voor sorbitol bereiding ZnS0

4

geschikt is. Zoals uit het onderstaande zal volgen is hier de

voor-keur gegeven aan Na2S04' daar de grotere oplosbaarheid van ZnS04 in alcohol een nadeel kan zijn voor het opwerken van sorbitol.

Creighton (S) geeft aan dat in zwak alkalisch, neutraal of

zwak zuur milieu gewerkt dient te worden. Bij hogere alkaliteit

glucose ~ fructose ~,. mannose

zodat dan naast de vorming van sorbitol uit glucose tevens mannitol uit mannose gevormd wordt.

De laatste jaren ia in de Veretnigde staten van Amerika door de Atlas Powder Co., die het electrolytisch proces ontwikkeld heeft en toei&past, een nieuw proces uitgevoerd, dat berust op de katalytische reductie van glucose.

De met waterstof uitgevoerde katalytische reductie v~ glucose

, tot sorbitol is het onderwerp van vele, ook Japanse en Russische,

i ,octrooien (o.a. 6, 7, 8).doch tot dusverr'e schijnt alleen de Atlas

'-..

-

.

JI""

Powder Co. erin geslaagd te zijn, sorbi tol op deze wijze technisch

I

,

V-

\

te bereiden.

J:\~ll"'"

Behalve de beide octrooien, die sinds 194L en 1943 op naam van de

\~jl Atlas Powder Co. staan (7, e) en die nog geen betrekking hebben op ~ het technisch procédé, is over dit proces tot dusverre één

publica-L

tie geschreven (9), wa,J.rin slechts een o~pervlakkig overzicht van dit bedr~f wordt gegeven. De glucose-oplossing waaraan de kataly-sator, die bestaat uit Ni (gereduceerd NiO) op een drager, is toe-gevoegd wordt bij een druk van 125 atm. in een reactor gepompt. De waterstof wordt onder een druk vün 175 atm. in de reactor gebracht en borrelt daarin met de vloeistof door verticale buizen omhoog. De reactie temperatuur is vermoedelijk 140-160oC.

Het van de katalysator bevrijde reactieproduct wordt gezuiverd in een ionenuitwisselaar en daarna met actieve kool. In een vacuum-verdamper wordt tenslotte de concentratie aan sorbitol tot ca. 70%

opgevoerd. Dit ~roces is ongetwijfeld te verkiezen boven het elec-trolytische, ddar de reactietijd van vele uren teruggebracht wordt tot enkele minuten en bovendien het aindproduct zuiverder is. Of voor de door ons aangenomen te produceren hoeveelheid sorbitol een dergelijke, uiteraard kostbare, installatie rendabel te maken is, valt te betwijfelen.

In verband hiermee en mede ook door het feit, dat over het proces geen verdere publicaties dan de hiervoor genoemde gevonden zijn, hebben wij besloten aan de electrolytische bereiding de voor-keur te geven.

Uit een Nederlands octrooi (10) blijkt, ddt ook hier te lande

belangstelling bestaat voor de katalytische hydrogenering van

glu-cose. In dit octrooi wordt behandeld de reductie van een mengsel

van glucose, maltose en dextrinen, da.t bij een druk van 100 atm.

en een oplopende temperatuur van 1400

e

-

200 Ö

c

gehydrogeneerd

wordt tot een 50-procentige sorbitol-oplossing. De katalysator (1%)

is één deel Ná op vier delen diatomeëenaarde. Ook dit proces,

zoals behandeld in het betreffende octrooi, is nog ver van het

technisch stadium; de doorgevoerde hoeveelheid glucose-o~lossing

is slechts 150 g ~er uur.

Het electrolytische proces wordt nu als volgt uitgevoerd

In een mengvat wordt anhydridische glucose opgelost in

gedes-tilleerd water tot een conc. v~n 325 gil. Tevens voe6t men Na2S04.

00l

toe (75 gil). Van het mengvat uit vloeit de oplossing nu naar

de eleotrolyse oellen. De anoden zijn van zuiver lood, de kathoden

van Pb-amalgaan. De anoden zijn omgeven door een diaphragma van

ongeglazuurd porcelein.

een

Experimenteel is gevonden

economisohe bedrijfsvoering Stroomdiohtheid

(5, 11), dat optimale condities voor zijn

Katholiet temperatuur

Opp. kathode/Volume katholiet

2 1 - 6 amp/dm

22 -.i3

oe.

0,8 - 2,5 dm2/1

Onder katholiet wordt verstaan de vloeistof in de kathode ruimte,

hetgeen dus de o~lossing van _Na2S04 en glucose is.

De anoliet is verdund _H2S04.

Om het krachtverbruik van de cel laag te houden, worden de

kathoden zo dioht mogel~k b~ de diaphragma's geplaatst, in verband

met de electrische weerstand van de katholiet. Hierdoor heeft de

cel dus een gering volume voor de katholiet beschikbaar. Een tank

doet dienst om de gewenste verhouding opp. kathode/volume katholiet

te verkrij6en en verder zorg te dragen voor uitzetting van de kat

ho-liet gedurende het proces.

Deze uitzetting is het gevolg van de reactie warmte (110 Btu/lb)

en verder van de warmte, die toegevoerd wordt door de in de cel

verbruikte electrisohe energie. Er is dus een koeler nodig voor

temperatuur-regeling van de katholiet. Koeling geschiedt door de

vloeistof uit de laatstgenoemde tank door de koeler naar de cel

terug te voeren. We koeler bestaat uit Pyrex-buizen omgeven door

,

elkaar geplaatste horizontale pijpen z~n verbonden door rubberslangen. Het water wordt nu bijna geheel uit het redctiemengsel verdampt in een vacuumketel, die voorzien is van den stoommantel.

Door het invoeren van warme aethylalcohol wordt de sorbitol uit het residu o~6elost.

Het niet in alcohol oplosbare N_{a 2S04 wordt over een} vacuum filter afgefiltreer~. Dit N_{a 2}S04 kan wenerom in het proces gebruikt worden. De oplossing wordt gevoerd in een ketel, met stooffiffidntel, door middel waarvan de alcohol afgedestilleerd wordt.

"--,

De alcoholdam~ wordt 6econden-s eerd en in een voorraadvat opge-slagen. Om dit vat bevindt zich een stoomm~ntel, welke er voor zorg~ dat de alcohol weer warm in het proces teruggevoerd kal! worden.

De sorbitol ln de ketel wordt opgelost in

w.alter

tot een con-centratie van 85% aan droge stof, met actieve kool (0,4

%

van het gewicht aan sorbitol)\ ontkleurd en gezuiverd en tenslotte aan flitratie onderworpen.

Dit zo gezuiverde product wordt als zodanig op de markt gebracht. Rendement en materiaalbalans.

De rendementen, die in de literatuur (3, 5, 11) vermeld worden betreffen proefopstellingen en hebben uitsluitend betrekking op de omzetting van glucose

°

aq. in sorbitol. Daar het opwerken van het product in de fabriek het rendement iets omlaag zal halen is hier

~, een rendement aangenomen, dat iets lager l~gt dan de waarden, die de literatuur hiervoor geeft.

Nemen we het rendement op 86%, dan volgt hieruit:

1 grnol glucose

°

aq. (180 g) ~ 0,86 gmol sorbitol (0,86 x

182 g).

182

1730 kg glucose 0 aq. pel dag ~ 0,86 . 11m x 1730 kg =

=

1500 kg sorbitol per dag. Er z~n vier cellen in bedr~f, die ieder een charge per 120 uur verwer-ken. Iedere 30 uur wordt dus verwerkt

~ x 1730

=

2162,5 kg glucose

°

aq. (Dit komt overeen met 1875 kg sorbi tol. ) Concentratie glucose ~162,5 Volume : -0,325

=

325 gil • = 6650 1.

I

---I '-. ( '-.1/

Concent~atie _Na2S04.0 aq

=

75 gil .

Gewicht Nä₂S0₄.O aq. = 6650 x 0,075

=

49~ kg.

Nemen we soortel~k gewicht van de o~lossing van glucose en natrium-sulfaat op 1,18 kgjl , - hiero~ zal later nog teruggekomen worden-,

dan is het gewicht Vctn één charge: 6650 x 1,18

=

7850 kg.

Het gewicht v~n de glucose èn het natriumsulfaat* 2861,5 kg. In het mengvat wordt dus t066evoegd : 5188,5 kg, dus 5185

1.

water.

Van deze hoeveelheid water wordt in de vacuumverdamiJer een

groot t;;edeel te verdampt. We houden hier over- ean 85~Hge sorbi tol-oplossing, (85% droc;e stof) die een hoeveelheid water bevat, groot:

1875 15

=

330 1.

85

Er wordt dus verdampt: 5185 - 330

=

Het r'esterende volwne is: 1875 xi, 33 =

Oplossen in alcohol (ca. 95 %-ig)

=

4855 1

2500 1. 4000 1.

De alcohol slaat het Na_{i S04 quantitatief a}ls

°

aq neer.

Affil treren Na₂S0₄•

°

aq 4\!;-99 kg, die in het bedrijf teruggevoerd

wordt.

De alcohol wordt nu weer verdampt (4000 1). Dat dit in een ketel

geschiedt, zonder d~t alcohol achterblijft~ moet toegeschreven worden

aan de sterk waterbindende eigenschap van sorbitol. Er blijft over

een 85 %-ige sorbitol-oplossing (85 ~ droge stof).

De benodigde hoeveelheid actieve kool is : 0,4 x 18,75 =

De kool wordt afgefiltreerd door een "Niagara"-filter.

7,5 kg per charge Literél.tuur : 1 • 2. 3.

4

.

5. 6.

7.

8. 9.

R

.

L

.

Taylor, Chem. Eng. 44 , 588 (1~37)

D.R. Killeffer, Ind. Eng. Chem. News Ed. 15 , 489 (1937)

H.J . Creighton, 1'rans. Electrochem. '::>oc. 75, 289 (1939)

R

.

A

.

Hales,

U

.

S

.

P

.

L,303, 210 (1 942)

H.J. Creighton and R.A. Hél.les , U.S.P. 2, 458, 895 (1 949)

fG.

Natta & E. Bedti: C~iilli~a & Industriél.,

tL

.A

.

Flexser, U.S.r . 2, 421, 416 (1947)

J .T. Power, U.S.},. 2, L80, 975 (1942)

R.S. Rose Jr., U.S.P. 2, 292, 293 (1943)

R.W. Porter, Chem. Eng. , Nov. 1~47, 114

lt

10.

J. Lolkema, J.C. Vlugter en

H

.

A

.

van Westen (voor

N.l.

Scholten's Chemische fabrieken)

Ned. Octrooi 60.6e5 (1~48)

11. 111.1'. Sanders and R.A. Hales, J. Electrochern. Soc. 96, 241 (1949)

1i. "Atlas Sorbitollt

, .t!ros~ectus van de Atlas Powder Compéilly.

lLB.

C

J~

~~~

In de apparatuur zijn alliages niet bruikbaar:

poly-alcoholen lossen metaaloxyden op en suikers geven snel kleuring, wat cng~arom wordt de ~gebele

apparatuur van glazen-of rubbervoering voorzien.

L

I

L.v" '

~-

-,

q;?""

Hoofdstuk IV.

v

\

Berekening Voorwarmer ~ Triple - Effect Verdamper.

De in te da~en glucose oplossing wordt opgewarmd van

59

0 _{F tot 166}0 _{F alvorens het Ie liehaam van de} Triple-Effect verdamper binnen te gaan. Deze voorwarming gesehiedt door middel van een deel van de damp , welke uit het Ie lieb-aam komt.

Ad a)

De berekening wordt gesplitst in twee delen:

a) Een benaderingsberekening voor de drie ver-dampers , werkende met een voorwarmer van de glucose oplossing , tussen bet Ie en IIe liehaam.

b) Een gehele berekening van de voorwarmer.

Bij bet Ie liehaam komt aan 75145 kg oplossing per 24 uur, dus per uur is dit:

• 3131 kg/hr

=

6888

lb/hr •

e

Het verwarmingsmiddel in het I liehaam is stoom van , lb ate welke een temperatuur beeft van 2370 _{F. (Perry blz 2437).}

De warmte welke deze stoom meebrengt is:

j;?;

?

\1.0

t.':t1

.

J

.

2300 x 951+ " 2194200 Btu.

~

~~

oor

opwarmen van de oplossing tot het kookpunt van

,

1760 F is

6888 x (176 - 166»)( 1,0

=

68880 Btu nodig.

( De oplossing heeft na de voorwarmer een temperatuur van 1660 F,

stel de s.w. onlossing 1,0).

Voor de verdamping is dus nog over : 2194200

68880

,----I

L

'1.1

Er verdampt in het Ie lichaam:

215320

_ _ _ •

2143

lb vater.

992

( Latente warmte damp van

176

0

F

=

992

Btu/lb.

Naar het IIe lichaam gaat dus

6888

~

4745 -

_{lb opl.}

De damp van I wordt in het verwarmings-systeem van 11 geleid, doeh alvorens dit te doen gaat een gedeelte naar de voorwarmer en wel:

Over dus:

2125320 - 736816

=

1388504

Btu en, hier komt de warmte van de oplossing uit de Ie verdamper nog bij:

4745

x

(176 -

149)~ 0,9

=

115394-(Temperatuur IIe liehaam

149

0

r,

s.w.

0,9

Zie Lyle Sugar Refinery Works blz.j8/) Totale warmte dus nu:

1388504

~1i~04 +

1

03

oe

Btu.

Latente warmte damp van

149

0 _{F •}

₁₀₀₇

_Btu/lb.

In het IIe lichaam verdampt dus:

1503808

•

1493

lb water •

1007

Naar het IIIe lichaam gaat nu:

4745 - 1493

=

3252

lb oplossing.

e e

Van 11 in 111 lichaam:

1503808

Btu der damp en,

3252

x

(149 - 122)x 0,8

=

70243

Btu der oplossing

e 0

( De temperatuur 111 liehaam:

122

F s.w.

0,8)

Totale warmte dus nu:

1503808

7024

3

+

1574ö51

Btu. Latente warmte damp van

122

0

_F

₌

₁₀₂₈

_Btu/lb.

- - - -

--e

In het 111 liehaam verdampt dus

_ _ _ z

1531

lb water.

1028

Totaal verdampt :

2143

+

1493

+

1531

=

5167

lb water. Over

6888 - 5167

=

1721

lb oplossing.

6

Er was te verdampen:

55985/24

2,2

=

5133

lb/hr.

Uit deze berekening volgt nu de grootte der drie lichamen. Zoals op de tekening tot uitdrukking komt zijn alle drie de liehamen even groot uitgevoerd, daar dit in de praktijk meestal het geval is.

De

laatste twee eenheden verrichten volgens het bovenstaande toch ongeveer evenveel, doch hebben een slechtere warmtegeleiding dan het eerste lichaam, daar hier de oplossing veel verdunder is.

(Ad b.) Berekening ~ ~ voorvarmer.

Z0als in het voorgaande is beschreven wordt in de voorwarmer de

oplossing van een tot een temperatuur van

166°F

verwarmd.

~

~

OT

I

'---4-1_

--r---_II-

,bbOT

f

1':T

Het temperatuur verschil tussen begin en einde van de warmtewisse-laar is groot.We werken daarom bij de berekening niet met het log. gemiddelde van het temperatuur verschil, doch beschouwen beide uit-einden van de warmtewisselaar afzonderlijk.

Hoeveelheid oplossing :

6888

lb/hr.

We krijgen dan een Getal van Reynold, dat gelijk is aan: 6888 D •

v •

r

JA-

=

0,~3,/12 • v • 67,0, 1,197· 2,1t-2 v

= ---

3600

=

107253 ft/hr (Zie Perry : blz. 897) 231,2

=

67,0, lb/euft. ( Zie

=

1,753 eentipoises. (

G.L.Speneer,G.P.Meade: Cane Sugar Handbook 1~,

Zie Perry: blz797) blz. 719.

We vinden

Rl

=

90000.

Aantal buizen : 90000

_ _ = 22,5'0 dus ~

1t-ooo

Berekening Filmeoêffieient buitenkant <=ho) voor de ~ temperatuur

zijde der buis.

3

2

1

17

6

...

,9

tv = 176 - ~(---2----) t _fo

=

176 -

\~(

_.,. 176 - 150) 1,0

+

,9

--- =

2 o 10, F. k

.p

.g.r 0,25 ho

=

0,72, ( ._--- )

n.!.9

êirea 1'O~.

k

=

warmte geleidingscoëffieient bij temp. 156,50F

=

0,389 Btujhr.sqft.

oF

per ft

p

=

dichtheid bij 156,~

=

61,07 lb/enft.

8 2

g = versnelling zwaartekracht

=

1t-,18 10 ft/hr.

°

r = latentewarmte bij 176 F

=

992

Btu/lb.

D

=

buitendiameter van ~'n buis

=

,/8/12 ft.

o

~

=

viscositeit bij 156,5 F

=

0,9945 lb/fthr.

o

h

=

103,7- ( o 1

3

2 (0,383~ • (61,07) • 992 • 96 0,2,

-~---~---~---~--- )

5 • 0,9945 •

26 log h

=

2,01;8 + ---(1,7496 - 3 + 3,;716 + 2,9965 + 1,9823 2,1139 -o

4

log hO

=

2,01,8 + 1,2971

h

=

20;6 Btu/hr.sqft.oF temp. verschil.

o

0,9916 + 1 )

De filmcoëffieient voor de binnenzijde der buis (. hi)

- -

- _ .

(Voor dè lage temperatuur zijde der buis.)

k 0,8 0,333

hi

=

0,023 --- (Re) (Pr) ( Volgens Colburn )

.

D

.---k

=

warmte geleidingseoëftieient bij 10,oF

=

0,363 Btu!hr.sqft.oF per ft) D

=

binnèndiameter der buis

=

0,43'/12 ft.

Re

=

Getal van Reynold. Pr

=

Getal van

pran~

0,363 h

=

0,023 - --- . i 0,435/12 loghi

=

0,3617 - 2 + 1,0792 + 0",99 - 1 + 1 - 0,6385 + 2,8817 +

O,30ol+ )

log hi= 2,;440 h i

=

3,0,0 Btujhr.sqft.oF verschil.

De Over-all eoëfricient voor de warate overdracht

Q

wordt gegeven door :

1

u

=

---~-

₁

+

---ho

k

=

warmte overdraehts coëffieient ~ bij 1,00,

=

,7 Btujhr,sqft.o, per ft.

vy,

/~c/

1

u

=

---~---~---~-~---~---_-

________ _

0,62,

1,1'1 • 0,62,

1

Ö:435--35Ö:Ö

+

-57---:--12--

log

é1~

+

;Ö56--1 1

u

=

---~--

_0,00361

₊

_0,00011

₊

_0,00049

.

---

_0,00421

u •

237,5 Btu/hr sq~t oF.

Een analoge berekening wordt nu gemaakt voor het andere uiteinde der buls. t _v

=.

173'.

tfo·

176 - 3/4 • 3 • 1740,.

h _o

=

103,7.(

t

=

173 + 166 fi 2

3

2

rO,387) .(60,69) • 992 • 96

0,25

---~---

_5.

_0,87.

₃

) 1 log h

=

2,0158 + ---(1,7631 - 3 + 3,5662 + 2,9965 + 1,9823 - 0,6990 o 4 10k h

=

2,0158 + 1,5481 • o o ho

=

3664

Btu/hr.sqft. F versehil.

De binnenzijde eo~~flclent wordt :

-0,939, - 0,4771 )

0,435 •

6888

2 h •

0,023 .

~!~~~--

. (

~:

____

~_~_~tï~~~_~_:~

i 0,435/12 1,542

0,8

0,33

1,0 .1,542

.3

)

.

(---)

0,386

log h i

=

0,3617 -

2 +

0,,866 - 1

+

1,0792

+

1 - 0,6385

+

3,0296

+

0,2003)

log h i 11: 2,6189 o

h

=

415,8

Btujbr.sqft. F verschil. i

'-We krijgen nu voor U: 1 U

=

---

-§g~---435 .415,8 + 1 -1~121-~-Q~§g~-1og

-§g~-59

•

12

455

1 +

---3664 1 U

= ---

= -0,003037 + 0,0001029 + 0,0002729 0,003413

u

=

293,0 Btu/nr sqft OF.

We krijgen op bovenstaande manier dus twee waarden voor U.

Eén waarde voor de lage temperatuur- en één waarde voor ae hoge temperatuur zijde der buis.

Het hierdoor verlangde oppervlak voor verwarming wordt gegeven door: q

=

A • ---In ~ J __

ll ___

·

t _{o2 • UI} 736816 = A _• _11Z_~_g22_:_1Q_~_g2Z~2

____

2

,

3 . log 11'7

.

2.93/ d.375 736816 ::: A _• 31906 2,6664 A = 61,56 sqft.

Een 5/8" buis heeft per ft. een oppervlakte van 0,1636 sqft.

Er zijn 23 buizen, waarvan Opp. dus 23. 0,1636 ::: l,lb28 sqft. Lengte, dus _§!.l.2§ __

1,7628

=

35 ft.

LITTERATUUR

LIJST •

( benorende bij äe delen: Zetmeel ---~ Glucose laq.

en

1) H.Berlin

2) R.H.Kerr

Glucose laq. ---~ Glucose 0 aq. )

J. Amer. Chem. Soc. 48 110'1,2627 (1926)

Acid Hydrolysis of Starcn: Citaat van W.W.Moyer

Paper presenteà by Amer. Chem. Soc. 1942.

3)

4)

E.A.Moe1wijn-Hughes Trans. Far. Soc. 25 86 (1929) (1949)

R.R.Rogge Ind. Eng. enema 41 20;0

5) J.V.Hightower Chem. Eng. June 1949 92.

6) B.Starr Cnem. Eng. Aug. 1949

7 )

H.S.Paine , M.S.Badol1et Ind. Eng. enema

12

1245 (1~21)

o.

Sjostrom Ind. Eng. Cnem. 14

8)

9)

C.R.Fe~lars , J.Mi11ar t T.Onsàorff

10) W.B.Newkirk Ind. Eng. Dnem. 16

28

2.!

Verschillende physische constanten uit

941 (1922)

Ind. Eng. Chem.

29

946 (193'1).

11'1:3 (1924)

'160 (1936)

18 (1939)

J.H.Perry Chemical Engineers' Handbook 1941.

G.L.Spencer en G.P.Meade

O. Lyle

Cane Sugar Handbook 1945. Technology for Sugar Refinery

1--1

GLOBALE BEREKENING van de KOOKPAN voor de GLUCOSE 0 aq.

Inh. Afgeknotte kegel 0,3 ~

+ -2~!1_ H'(l + 0,1 + 0,01)

12

~~1~ H + 2~~§2~-H' = 0,3

STEL: H

=

0,3 m •

4 12

Rierui t volgt dan voor de waarde van H':

Oppervlak kegelwand.: -rrx

voor d.e waarde van x

-2

2

x

Oppervlak kegelwand is dus

Oppervlakte cylinder wand:

Of

19,5

sqft. H'= 0,22 m • (L + ct)

=

3,14 • 1,1 2 • x (0,22)2 + (0,45)2 0,5008 waaruit vo16t 3,14 2 1,1 • 0,5008 :: 0,e9J:.5 m • t:!. 2 D.H

=

3,14 • 1,0 • 0,3 = 0,942 m - - - + Totale oppervlakte:

Dit bedrag geeft dus de oppervlakte aan van de bodem der pan, zoals deze is uitgevoerd. Conisch beginnend met stoomwand en dan overgaanàe in een cylinder ook met stoomwand.De hoogte van. de cylinder stoomwanë is 0,3m.

KOOKPan i- Te verdampen 1220 kg water. Dit wordt uitgevoera ia

3 uur.

1220 kg

=

2684 lb Dus 895 lb/br te verdampen.

Temperatuur in kookpan: 1220F (

50

0

e).

Temperatuur verwarmingsmiddel: Water van

1'76

o

F

A

=

_ê2~_~_!Qg~

__ _

Nemen we U= 100Btu/

=

170 sqft. hr sqft oF.

100 . 054

Nemen we twee pannen dan dus A'

= 85

sqft.

~ *De U voor de bodem is maar de helft van die van een

verwarmings-'-..,' , ,' "---,,, _ ... _-~

--_

...

_---~ o.~/" spiraal,dus van de J.9.r,.5 sqft van deze bodem is als het ware maar

V'

9,8 sqft effectief.

De oppervlakte

85

van de verwarmmngsspiraal moet dus zijn:

9,8

=

75,2 sqft.

Stel men neemt voor de spiraal een

1,5"

buis.Opp/ft

=

0,392,:>

sqft/

ft.

De lengte van deze spiraal moet dus zijn: ---,~---= '7 c. 2. 192 - ft.

0,3925

Nemen we spiralen stelsel zoals in de figuur wordt aangegeven,dan zien we hieruit : &- - ---- ~ 3-+'L _. ..- ca o 0 o 0 0 0 cr- _o - - _~.. J~ s-+\:- - -0 Cl o o Omtrek: "TTD

₌

9,42

'7,85

o o o , 1'1 0 o 0 ~ - -t ~-'t~ - -0 0 0 0 0 o 0 6₂28 + 2.3,55 ft

Dus voor één laag van de geschetste spiraal is,de lengte

23,55

ft

We hebben dus nodig: Stel afstand lagen

buisdikte

192/23,55

=

8 lagen.

6 cm.

3,8 cm. +

9,8 cm per laag. Totale hoogte: /8,4 cm.

Dit geeft voor de hoogte van de pan tot nu toe :

78,4 + 30

=

108,4 dOCh leggen wij de eerste spiraal onder de rand van de cylinder met dubbele wanfl, dan wordt de noo6te

Inhoud pan tot nu toe: Afgeknotte kegel 3,4854 • 0,22 + Cylinder= + 3,14 • 0,986

=

12 4 0,064 + 0, '7'14

=

0,84

~

Totaal Gewicht O~plossing 3720 kg voor de Kookpan. S.G. 1,26 Volume dus 2950 liter.

Over twee pannen verneeld 14'75 liter. Eerst 300 liter intrekken en daarna verder.

c

re tot nu toe berekende hoogte is alleen die voor het verwar-mingsoppervlak benodigd. We moeten zeker een dampruimte van 100% hebben, dus pan nog lm hoger.

Afmetingen: Diameter: 1,0 meter.

(.

J/

/

'

1. «,11 .t/'

De koeler voor de kathodevloeistof.

pY

I. Berekening van de hoeveelheid warmte, die afgevoerd moet worden.

Indien men warmtewisseling met de omgeving buiten beschouwing

laat, dan heeft men te maken met drie bronnen voor warmteontwikke-ling in een electrolyse-cel:

a. react.i.e..warmte

_

.,

-'---;::» <§..:--neut ralisa ~iew.Çl..~

~. door de stroom ontwikkelde warmte.

~. Voor de reactiewarmte wordt opgegeven (zie pag. 15 ) 110 B.T.U.

~ per lb. omgezette glucose. Per cel wordt verwerkt 2l6?,5 kg

glucose 0 aq. De tijdsduur van de reactie is 120 hr. Per uur

komt dus vrij: 2l62i~oX 2,2.110

=

4361,5 B.T.U./hr.

,

~. D tengevolge van de electrolyse vrijkomende H·- en OH -ionen

neutraliseren elkaar. Om de hierbij vrijkomende neutralisatie-warmte te kennen, moet men eerst de condities waaronder de cel werkt vastleggen. De cel, een rechthoekige stalen tank, is lang 3,96 m, breed 1,83 m en hoog 0,61 m. Er zijn 36 kathoden van geamalgameerd lood, en 35 loden anoden. Iedere anode is omgeven door een diaphragma van ongeglazuurd porcelein. Een vijftal, niet

- + + - _kathode

~-r--~iaphragma

"katholiettt

~~-Itanoliet"

geheel doorlopende,

dwarsschot-ten in de cel zorgen er voor,

dat de kathodevloeistof langs de verschillende electrodegroepen heen en weer stroomt.

Voor de condities waaronder

de ce~l werkt zijn geko~en:

stroomdichtheid 2 amp/dm2

voltage 6,25

v.

temperatuur katholiet 24 oe.

verhouding oppervlak kathode/volume katholiet: l,al dm2fl,

reactietijd 120 uur,

aanvankelijke glucoseconcentratie 325 gil,

concentratie natriumsulfaat 75 gil.

Het beschikbare kathode-oppervlak is (dubbelZijdig):

Daars1Ver in Faraday's: 2 x 8000 x 3600 Ffhr. 96.500

va"

De ne~ralisatiewarm~H2o is 13,7 Kcal = 13,7 x 3,968 De ontwikkelde warmte is dus:

2

x

8000

x

3600

x

13,7

x

3,968 = 96,500

~. De door de stroom ontwikkelde warmte is:

V.i.t. Juules/sec_ of: 6,25 x 2 x 8000 x 3600 x 0,0009486 =

De totaal ontwikkelde warmte is: 4361,5 + 32.600 -+ 341.500 =

II.

De koeler.

=

34

1.500 B.T.U./bf.

378.460

B.T.U.Ihr_

p

De hoeveelheid vloeistof, die gekoeld moet worden is 6650 1 (pagto), of 1757

U.B.G

~

j

driemaal circularen per uur wordt dit: 5271 U.S.G./hr.= 87,9 U.S.G./min.

Uit een verzamelleiding wordt de vloeistof geleid door vijf paral-lel opgestelde eenheden van ieder acht buizen boven elkaar. Iedere eenheid moet dus verwerken:

1050 U.B.G./hr.=

!Zi2

U.S.G./min., en afvoeren Q= 75,692 B.T.U./hr. De koeler bestaat uit pyrex buizen, omgeven door stalen pijpen, waar het koelwater in tegenstroom door heen gevoerd wordt.

B' _J.Dnen:p i . _Jp: V _{oor llS"YSJlS} o"ole.... t _aan. d _e uitv _{oer g -n.n en we, a} in ' d d t d _{e capac -}i

- -- - - -- 11 .•.

-, l)I,.Jr 1,90

teit van de binnenpijp bij een snel-heid van 1 ft/sec.= 9,8 U.S.G./min. is (Ferry, 874).

De snelheid is dUS:vl:

17

,6 = 1,8 ft/see,

9,8

Daar slechts de temperatuur tot welke gekoeld moet worden bekend is, nl. 2400 = 75,2oF, moet de temperatuur, waarbij de vloeistof de cel verlaat

,~

U

JJ

binnenkomt, berekend worden.

Q = 0l x vI x

f

x cl x Il Tl x 3600.

Q = 75.692 B.T.U./hr.

o

= 0,0218 sq.ft.

v l

=

1,8 ft./sec.

Voor de dichtheid ( f ) en de soortelijke warmte (c) zijn geen

waar-den in de literatuur vermeld. Zij moeten gelden voor een waterige oplossing van _Na2S0₄ en glucose, dia bovendien nog gedurende het proces omgezet wordt in sorbitol. De volgende gegevens werden nog gevonden:

dichtheid.

glucose-oplossing (cone. 325 gil), 24°0: 1,1349 g/cm3 , -Ohemisch Jaarboekje

II, 281

-natriumsulfaat-oplossing (conc. 75

gil),

2500: 1,0655 g/cm

3,

- Int. Orit. Tables lIl, 81

-25,6 %-ige sorbitol-oplossing, 25°0.: 1,07 g/~3 - brochure Atlas Powder COT

Op grond van deze gegevens werd de gemiddelde dichtheid van de oplossing, gemiddeld zowel over de gehele pijplengte als

over de duur van bet proces, op 1,14 g/cm3=1,14 x 62,43 lb/eu.ft genomen.

N.B.

Op pag. tI is voor de dichtheid van de oplossing in het mengvat een hogere waarde gekozen, nl. 1,18, welke waarde geen gemiddelde is en geldt voor de oplossing bij ca. 15°0.

~. soortelijke warmte.

Van de hand van enkele gegevens voor glucose-oplossingen (20°0) en Na₂

so

₄- oplossingen (18°0) werd deze grootheid geschat op:

0,8 B.T.U./lb.oF Int. Orit. Tables V, 124, 125

-We vinden nu:

75.692 _o

AT

=

=

9,6 F.

1

0,0218

x

1,8

x

1,14

x

62,43

x

0,8

x

3600

De intree-temperatuur is: 75,2 +

9,6

=

84,8oF.

Voor de te koelen oplossing kan het getal van Reynolds berekend worden indien verder de viscositeit nog bekend is.

Slechts voor sorbitol-oplossingen bij 25°0 werd hiervoor een

waarde gevonden:

viscositeit 25,6%-ige sorbitol-oplossing (25°0): 2,4 c.P.brochure Atlas Powder Co

-I

I

I

/

o

o

Bij het begin van de reactie heeft men bijna nog geen sorbitol en de glucose concentratie is

dan

hoger dan de sorbitol concentra-tie aan het eind van het proces. Op deze grond wordt voor viscosi~

teit: ~ = 3cP.= 3 x 0,000672 lb/ft.sec. Int. Crit. Tablee V, 53 -Het gemiddelde getal van Reynolds voor de binnenpijp is:

Rel

=

Dvlft = 2 x 1,8 x 1,14 x 62,43

=

10.570.

1,

12 x 3 x 0,000672 De stroming is dus turbulent.

Buitenpijp. Gekoeld wordt men

z.g.

"Norton-water" van 10°0 (50°F).

We bepalen hier ~ T_{2 ,} het temperatuurverschil waarove~ ~koelwa­ ter opgewarmd wordt, eveneens m.b.v. de formule, - waarin nu ook v2 onbekend is - : Q

=

O₂ x v 2 x

ft.

x c 2 x A T 2 x ;600 02= 0,04587 - 0,02463 = 0,02114 sq.ft.

=

62,41 lb./cu.ft. 1 B.T.U./lb.

°

F.

v₂ó T₂

=

75.692 = 16 ftOF/sec. 0,02114

x

3600

x

62,41

Nemen we...é...î2 = 7oF. aan, dan volgt hieruit, dat ~= 2,3 ft./eec. De uittree-temperatuur van het koelwater is: (50+7)oF: 57°F (24°0) Voor het Reynoldsgetal, dat we zullen onderscheiden in Re,." welk

getal voor het instromende en in

Ret

wat voor het uitstromende

koelwater geldt, vindt men de volgende viscositeiten: Re

t

:

10:C:

1"fJ,,=:

1,31 c.P: = 1.3lxO,000672 1b/ft.sec. _perry 1_797.

Re 2:14 0:

1;=

1.17 e.P.

=

1,17%0,000672 1b/ft.sec.

De aequivalent diamter De

=

4x hydraulische straal=4.

i1fD; - i

7TD/ t

=

1rD, + 1T D,t , , H 1/

=

Dt -

~

=

2,90 - 2,12 = 0,78. Re₂= De Y,& PI

=

0~78 x 2

f

3 x

6hl

l

'71.

12

:x:

1,

3

:x:

0,000672

= 10.600.

,

Re

=

De.

v,

e,,'

"l~ De stroming is turbulent.

...

V

De warmteoverdracht.

Daar de wand~van de binnenpijp, door welke de warmte

overge-dragen moet worden, van glas

is,

mogen we hier niet veronde~stel­

len,

dat deze wand aan de binnenzijde dezelfde temperatuur heeft

als aan de buitensijde. Daar dan tw en t~ , uit nevenstaande

fi-guur, niet berekend kunnen worden, is hèt niet mogelijk een

waar-de voor waar-de film te~peraturen tf en

te vinden. De physische constanten uit de formule, die geldt voor de

t'

_f

[~_.

t

warmteoverdracht bij gedwongen

stro-t1/t/.

-t ming (overlangs):

_

\~

.-1

i ,~ I '1 L...-_____ --~I T&Wt/t& rQ.'t..w .. v«. .. 100"'. Nu

=

C (lte)0,8(Pr)p ,of:

~

=

C

(Tt·8(~1.

zullen we dus moeten betrekken op de gemiddelde

vloeistoftemperatu-ren'·H

20 ~~ ~OP1.

In de gegeven formule zijn voor C en p de waarden gekozen, die

F.W. Dittus en ~.M.K. Boelter bepaald hebben - Mc Adams,

167

-voo~oelen: C =

0,02'5

p

=

0,3

voor verwarmen:C

=

0,0243

p

=

0,4

Weliswaar wordt in W.H. Mc Adams: "Heat Transmission" op pag. 168

in een voetnoot aanbevolen om bij Repnolds-geta1len groter dan

10.000 de door A.E. Oolburn

of

de door

E.N.

Bieder en G.E. Tate

gevonden waarden voor E en p te gebruiken, doch gebruik hiervan impliceert het bekend zijn van de filmtemperaturen. Om de hiervóór

gegeven reden geven wij de voorkeur aan de constanten door

F.W. Dittus en

L.M.K.

Boelter bepaald.

De warmteoverdrachts coëfficient voor de binnenzijde van de pijpt~/.

D&ari zoals hiervoor werd betoogd, de afhankelijkheid aan de