....
•
" \~ I I , - _ . - _ . - - - - ._-~ Tnle 1d i ngDe rf'pks opr d.crylzurpn waarVd.n acrylzuur (eH : C-6eGH)
C,H} 2
en tnptacrylzuur ( CH::C-COOH) de voornaamste vertpgem,oordigers zi jn,wordt beschouv'd als XR:t een tot het vinyl type {CH:=C '::::" )
2-behorende groep producten. De vinyl type monomeren kunrLen gemakkelijk g-epolymer1seerd worden en vinden heden ten dage zeer verspreide
toepassingen. In Amerika is b.v. 60
/0
Vd.n a.e gEhele productie v~n pI as t ic s en harsen ~fkoms tig vä.n de ZE' v iny1 typ€' illOnOmE' ren.Alle acryl verbindingen wordFn gekar~kteriseerd door hEr feit dat ze 2 reactievE' groppen bezittFn t.w. de cClrboxyl eindgroep en de dub -bele binding tussen de ~f-rstp Catomen. HPacties met de eindgroep worden u; tg~voerd teneindp m",t hog!"re alkoholen gesubstituperde
verbindingen tp maken. De dubbele binding betpkent ppn gemakkplijke pOlymerisatie. Qndprstaand zijn pen clantál fysische en chemische
eigenschappen van illetacrylzuur weergegeven. Eigenschap Smeltpunt Kookpunt Kpnt bij 30 mm 0 Dichtheid 20 C nj,{ Oplosbaarheid o 15-16 oC l6C ,5 C o
en c
1, Cl.5 1,4341 NEtter,alkohol . aether.He t me tacrylzuu r homopolymeer is in tegensteil ing UlE t a.e es tf'r
pOlymeren in water oplosbaar,bros en thermohdrcena.het wordt niet
voor toepassingen buitenshuis gebruikt. De €sterpolymeren da~rent€gen
bv. polymethylm€'tacr~'lai;at zijn bestand tegen licht en v>t.l.ter} en hebeec.t.
toepé;l.s-A.
slng &ls windschermen,lenzen enz. De polyesters ~orden vervaardigd
I
.
als gietstukken,perspoeders,effiulsies( papler- lee'r- en textielveredeling,ber~5ding van vArven en boenwaesen) pn oplossingen ( lijmbereiding).
1
*,
Het mètacrylzuur polymeer ( homopolymAfr of copolymeer) wordt niet gebru1kt in dl" vorm van perspoeder of giethars m~ar vindt voornamelijk toepas l: ing al s emul gat or ., natmaker en d i SpI" re i Pal i ddel. Hf t word t ook nog voor vplp andere dOAleindcn gebruikt bv. de bereiding van harsen
( cation exchänge
0
,de bereiding van appr~tperbad~n voor textielvezplethet fatriceren Vd.n vprbeterdf rubbere door copolymerieatie men buta-dieen en styreen en als chroomcomplex voor de bereidjng van een meer vochtafsto~ende papiersoort.
Over de marktvraag naar metacrylzuur is zeer weinig in ae litteratuur bekend. De produktif varl lUf-'tacrylat€'n in de V. S. in 19..5è) is wel nauw
-keurig bekend en bedraagt 37uOO ton.(litt a) nierVän is j2UOO ton
- bestemd voor het gebruik als giethars en perspoed~r ,?uOO ton voor olietoevoegingen( teneinde het viscosit€'iteverloop als functie van de
temp""ratuuv te vprbeteren) en 16000 ton VOOIT emulsie en oplossing
berei-ding. tu is naar schatting bij de l~atstgpnofmde toepassing 5~
meta-crylzl:ur nodig,tprwijl gpmiddeld
110
van de perspoeders bE'stacaat uit een me,tacrylzu-ur product' (dwarsverbitld 1ngen) Totaal ls dus ongeveerlOOO ton nodig. W~ stell~n tpvens dät 2000 ton metacrylzuur als copoly-meer bij de rubber- en harsbereiding gebruikt wordt. HE't rd'ultaat is dus dat naar schatting in Amerika b~hopfte b~staat ~an 3000 ton meta-crylzuur per j~ar. In 1edç rlan d is deze behoefte uitera~rd veel
ge-ringer,nl 130 ton per jaar, hetgeen uit inlichtingen van het C.B.S, gf"bleken 1s. Daar de vraag naar metacrylzuur niet groot is en bogen-dien Dupont de ~emours en Rohm wetacrylzuur n~ar Euro'p~ exporteren,
is het economisch niet verantwoord ~en fabriek waarin alleen má~r wetacrylzuur bereid wordt te exploiteren. De fabriek dient zodanig
welke een veel grotere aftrek vinden,bereid kunnen worden. Deze
mogelijk-I
.
heid is zeer zekerbanw~zig
wanneer het procee gekozen wordt waarbij--acetoncyaanhydrine en metacrylamide als tussenprodukten gefabriceerd
worden. Het uit het acetoncyaanhydrine bereide metacrylamide ie nl. zowel een tussenprodukt voor de bereiding van de esters als het zuur.
Wij ~tellen ons voor een fabriek te ontwerpen welke 3000 ton
aceton-cyaanhydrine ppr jaar produceert,w8arvan 600 ton tot metacrylzuur
ver-werkt werdtJln een fabriek in Duitsland werd in lC45 18UO ton
aceton-cyaanhydr1ne vervbard igd. (1 i tt tl) Ten geVOlgE van des tijgende beho
ef-te aan metacrylaef-ten en tevens dool' de jntegratie van de Europese'markt bezit de ontworpen fabriek eFn grotere capaciteit. De fabriek wordt in het Botlek gebied geplaatst daar hier een gemakkelijke aan- en afvoer
resp. Vän grondstoffen en producten naar andere delen van Europa en de
-
,~ereld mogelijk is en tevens omdat in dit gebied een v~n de grondstof-fen voor de bereiding van metacrylzuur geproduceerd wordt. (aceton)
Mogelijke processen alsmede het gpkozeE-E!~ce~.
Het metacrylzuur wordt tegenwoordig uitsluitend bereid volgens het acetoncyaanhydrineprocps. Er zij~ echter in het verledpn vple andere procesBe~ voorgesteld. Wjj noemen hiervan:
I )Oxidat 1 e van me tacrol e ine tot mE' tac rylzuur.{ Lil!
~
---~ eH -C~H
3 1~o .... ,,/f 2
De reactie welke in de vloeistoffaee bij een druk van l3 ,
e
atm. en eeno
temperatuur vsn 30
c
wordt uitgevoerd met behulp van zuivere 0 heeft2
als katalysator een oplossing van koper en n1kkelacet~at( 70~ Cu en
2710
n1kkelacetaat). De hoeveelheid t1'kat 11 bedraagt 2,3 gew1chts10
be-grepen op de hoeveelheid metacroleine. Het metacroleine wordt aan de autoclaaf toeg~voegd ale 63 ~ oplossing in tolueen en wordt vervolgens
I '
bi~ ~en reaotietijd van
5
uren voor6U ~ omgezet. Het omzettings product bestaat voor 9gfo uit metacrylzuur. De bereiding van de ester geschiedt door het metacrWuur in een kolJm gedurende 4 uren met CH OH bij aan-_ . . ._ _, we zighe id van P 0 te koken onder terugvloe iing. He t me tJcrole ine kan•
.
-op 2 manieren id worden •
f
1) oxidatie van isobuteen of methylalkoholi 2) condensatie van formaldehyde en propionald~hyde.
ad 1) De reactie wordt in oe dampfase bij 340 Ü uitgevoerd en
gekata-lyseerd door Cu. C,Hj cr~»
Reactievergelijking; CH2
=-
C-CH3 ~ 02
---7
CH2,=-C-CH3 -+H2
Bij een molaire verhouding zuurstof-alkohol van
0.7
wordt een omzet-tingsgraad van 707~ bere ikt. He t OInze ttingsprod uct be staa t voor 95%uit metacroleine. c~o
~o 1'11
ad 2) CH3-CH1-C~~ ~ H-C-f-I ----~ CH2-C-CH
3 + ~O
Dit is eveneens een dampfaseproces dat uitgevoerd word~ bij een temper-atuur van 36000 onder de invloed van een katalysator bestaande uit
9C% silicagel en lV7~ I~a2Si2~5 .De Oillze ttingsgraad be draagt 98,4%
betrokken op rl-O~~ en 9~,7 ,~ betrokken op CH~-CH?-C~~ • De omzettings-producten bestaan uit a2,~Q metacroleine (betrokRen op H-C~~ ) of
87,5
%
metacroleine (betrokken op CH -CH -C~~ ) en velerleibij-l producten zoals methanol,mierenzuur,drotSnaldehyde en een gas bevattende ',GO en 0°2 "
2) Dehydratatie van van hYdroxyiso'boferzuur--m .. e t :
e
.û5• (LH-
~
. ,
Deze bereiding wordt technisch nooit uitgevoerd,aangeziën p~Os zeer duur is en bovendien hydroxyisoboterzuur zeer moeilijk te bereiuenis.
3) Een uit 3stappen bestaand proces dat voornamelijk in China toegepast
E
r
Lilt erste sap: berel lng van '-I) t . .. . d . d . lme ny neXlne lO t· l ' . d' 1 Ul . t ace on ace y een en t . t 1 derivaten van acetyleen. H uc,
~ c,"J K~~3~~ Hü-C-C~C-C-OH '.J , '-'f> Gf/j CH:CH t CH3-~-CH3 oTweede stap: Splitsing invloe d van 0 zon. 0lf
van het diol tot hydroxyisoboterzuur onder I
diol + 03 ~ CH
3-C-CH(..'-;::0 3
_rHI
Dehydratatie van hydroxrisoboterzuur
''i
,-0 Mt Derde stap: door P205' "J11 Ch-:C-CH 3'~o (...-011 3 ----~ CH1~C-CH3' tot metacrylzuur is.Het moge duidelijk zijn dat dit proces duur en bizonder ingewikkeld is zo dat het tecnnisch en economisch vrijwel niet uitvoerbaar is.
Alle genoemde processen zijn in vergelijking met het acetonc~aanhydrine proces dat hieronder besproken wordt ingewikkeld, duur en verlangen een veelheid van handelingen. De duurte van een proces ligt voornamelijk besloten in de dure apparatuur ,de dure grondstoffen ,het lage rendement en de arbeidsintensiviteit. De besproken processen op technische
I
.
-"
Het acetonc,yaanh,ydrineproces. ( l i t t 1.2.3'8.11.14.15.18 ~ .19. Pat 1-35 )
Met behulp van een alkalische katalysator wordt acetoncyaanhydrine
bereid door HON en aceton inde vloeibare fase te laten reageren.
Of) '\ CM, ___ . / () 11
) CH C D HC~
i
__
~ CH -O-Cl~a 3-::' '''' oH' 3
Vervolgens laat men het verkregen acetoncyaanhydrine met zwavelzuur
reageren tot carbamylisopropylbisulfaat waarna dit reactieproduct gesplit wordt door verhitting in metacrylamide en zwavelzuur.
'H~,
".H
b) CH3-C-CN + H2S04 ---~ S04·H•C (CH3)2 CO.NH2 S04·H.C.(OH3)aCO.1H2 ----~ CH2
=
1
:
:
H3 + H2S04•c.
~ tJllz.In een volgende stap wordt het verkregen ruwe reactieproduct met water gl
gekookt waarbij hydrolyse van het metacrylamine tot metacrylzuur ver
-wezenlijkt wordt. C ""," I-oH CH2
=
1?~-:'~J(H3 t-H2SO 4+ H20 Bij de esterbereiding bv. ----~ CH2=C-OH 3 ... NH4HS04methylmetacrylaat wordt met water en methanol
gekookt. riet water dient 0.11 reactie van methanol met zwavalzuur te onder
drukken.
tadere toelichting van de diverse reacties.
lil, OH- -'H
ad a) CH
3
J:::
O =0 ..nC:l~ ~ > v ~.ti' -3 3 =O-Cl' 1.>11 ~ + 10,3 Äcal / molDeze omkeerbare reactie is exotherm en wordt gekatalyseerd door basen.
De werking van de base i s : BCh' -J.- vlij ~ H
2ÛT- Ch'
Het negatieve ion kan nu het positief geladen C-atoom in aceton naderen
en zodoende tot de vo16ende reactie leiden:
I c ",.,cl" cf- G '7~ ' - / ' III IS:>
Oh
+
CHi-v = 0 ' ~ OH3-0~Ch.CH -C-Cl~ +- H~ ~ CH3-C-Gl'~.
3 ... ~"',e ... 01/
De additie van het cyaanion aan het aceton bepaalt de reactiesnelheid.
De ligging van het evenwicht wordt bepaald door de temperatuur. Een
lage temperatuur doet het evenwicnt naar rechts verschuiven. Vroeger ~
werd de reactie bij het kookpunt van aceton uitgevoerd. Tegenwoordig
kiest men een lagere temperatuur (2ü~C ) zodat een gunstiger evenwicht
verkregen wordt. De moeilijkheid bij deze lagere temperatuur ligt in
het feit dat de reactiesnelheid niet groot is. Er is een zekere incuba_
tietijd alvorens reactie optreedt. Dij het niet continu uitgevoerde
proces geeft bij inleiding van nCh in net aceton deze incubatietijd
aanleiding tot opeenhoping van HOb. bij het spontaan reageren van dit
.
-HC~ loopt de temperatuur sterk op zodat er kans op ontbranding en het
optreden van diverse andere reacties bestaat. De moeilijkheid wordt
op-gelostd~&ads
gevormd hydrine aan de reagentia toe te voegen .Bij decontinue bereiding is steeds acetoncyaanhydrine aanwezig in de
reactie-ketek zodat de genoemde moeilijkheid hier niet voorkomt.
1\a de reactie tot hydrine wordt de base geneutraliseerd. üpbrngst
bij 200e : 88% acetoncyaanhydrine.
ad B) In een tweede reactor wordt aan het boven vermelde reactieproduct
geconcemtreerd zwavelzuur toegevoegd.Er treedt ogenblikkelijk een
zeer sterk exotherme reactie op.(reactiewarmte 60 Kcal per mol hydrine
Met een geringe overmaat H2S04 wordt het acetoncyaanhydrine geheel om ge
zet. Bij toevoeging vam het zwavelzuur treedt in een eerst~ stadium
een additle van het zwavelzuur aan het nitril radicaal op • Ln een
tweede stadium vindt een herrangschikking tot het
carbamylisopropyl-bisulfaat plaats. lJe optredende reacties kunnen avo wordem weergegeven:
"'~ cll~ ~tI ",..CHj 0
HO -é-eN
+
H2S04~
Hu-6-e~-S04H --~
HS04-e-e
~
H2
•... cl1~ .
""'J
.
.
":"''!JHet gevoemde reactleproduct lS zeer vlskeus .De temperatuur wordt op
800e gehouden teneinde de viscositeit wat te verminderen.( EEn hogere
temperatuur geeft ontleding.)Le viscositeit is dan echter nog zodanig
dat niet voldoende menging van de reagentia optreedt zodat plaatselijk
hoge temperaturen optreden, hetgeen tot verregsande ontleding aanleiding
geeft.(Le menging geschiedt àoor rO~~.R.9mpen via een warmtewisselaar)
Het reactieproduct wordt àan ook met overmaat zwavelzuur verdund •
Er worden maximale resultaten verkregen wanneer 1,5 maal de theoretisch
benodigde hoeveelheid 100% zwavelzuur toegevoegd wordt.
Het gevormde bisulfeat splitst zich in metacrylamide en zwavelzuur
warmee~ de~emp~~a~uur v~n he~,}{!~~tiemenge;,~t verhoogd wordt.
ReactlevergellJLtlng: rlS0
4-e-tf-hH2 .... (:~ ._ ---- C-e-hH'(J~J ~o 2 + H2S04 •
De reactie is zwak endotnerm (-2,~cal /mol bij 1300e ).De
emzet-tingssnelheid is sterk afhankelijk van de temperatuur .Bij hogere
tem-peraturen is de omzettingssnelheid groter echter bij zeer hoge
temper-atuur treedt een duidelijke opbrengstverlaging op tgv. nevenreacties
en destructieve oxidatie door het zwavelzuur. 1n de volgende tabel is
een overzicht gegeven van oe opbrengst aan amide bij verschillende
I • -" Temperatuur 140°0 15u00 Reactietijd 177 97 130 153 279 38 191 202 16 36 57 rfo op brenst 87.1 89.7 98.4 97.7 86.4 94.4 95.1 91.2 94.5 91.6 85.7
Daar het amide gemakkelijk polymeriseert moet bij de omzetting van
bisu1faat tot amide een polymerisatie inhibitor toegevoegd worden.
Fijnverdeeld koper of kopersulfaat is in de concentratie van
0.03 gew
%
een uitstekende inhibitor.ad C) Het volgens a en b bereide reactiemengsel is geschikt voor de be
reiding van metacrylzuur ( eventueel de esters van het zuur)
Hiertoe wordt heD mengsel met water gekookt en zodoende tot
meta-crylzuur gehydroliseerd. C,P2 /0
. ""c.II.. . _ H 0 ~
reactievgl. : ë-C~I~H2 + H
2SU4-+ ~ ) C-C-OH +NH4HS04•
. \~H) ~ 0 lelj]
}~ De beste resultaten worden verkregen wanneer per mol amide vier
~~~ 0
~ r:" \ molen water toegevoegd worden. Het mengsel dat een kookpunt van 130 C
j ... .. ' . \ -~.
\\\\ hee ft, wordt gedurende 2 uren ondlt" terugvloriing gekookt.
Opbrengst is
70-77
~ betrokken op het gebruikte aceton.Ten gevolge van de geringe oplosbaarheid van het metacrylzuur in het
reactiemengsel scheidt het zich als een bovenste laag af ( deze
laag bevat 9ü
%
zuur en ~o ~ water) . De metacrylzuurlaag wordtverwijderd en vervolgens door destillatie onder verminderde druk
en in aanwezigheid van een polymerisatie inhibitor gezuiverd.
Technische uitvoering vam het pruces.
Ter bereiding van metacrylzuur Wurdt ola.u~tgegaan van vloeibaar HC1 dat een zeer giftige en brandbare stof is.vok net metacrylzuur is giftig. Lientengevulge dienen strenge veiligheidsmaatregelingen
genomen en gehuuden te worden. De vulgende vourzieningen zijn hiertoe getroffen.
1) Het personeel moet zeer goed in6Elicht zijn over net potentiele gevó.ar.
a
2) De a.tJvaratuur wordt reç;elmatig en frequent onderzocht op eventuele lekkage. Geen gift~ge stoffen dEiar WEiar deze niet verwacht worden. 3) Le technische dienst à~ent te~allen tijde beschikbaar te zijn om
met cie op ~ Eianwezige ;:;erEedsCha}ipen herstellingswerkzaam-heden uit te voeren,waarbij de bouw van de fabriek zodanig is dat de herstellingswerkzaamneden gemaakKelijk uitgevoerd kunnen worden. 4) Up de fabriek en de naburige plants moeten gasmaskers (met 02
cilinders) in voldoende mate aanwezig zijn.
5) Een alarminstallatie om naburige fabrieken te waarschuwen voor eventueel met cie wind m~egevoerd HG1 gas.
6) De verblijven en toiletten der arbeidçrs moeten op een veilige
afsté.nd VE.l1 OE f2.brj_E~{' <..>Eb.)l_iX:O WJJ~,_l-l.'. Ell G0EC: L,r--VEljtilEfrcl W,Jrc>:n.
7) De giftige etoffen ;noeten~ e1Jentueel vernietigd kunnen wurden ( neutralisatie door in loog te spuien.)
Daar zuwel iSeconcentreerd als verduild zwavelzuur alsmede het tamelijk sterke metacrylzuur aggressieve stoften zi~jn ,moet daar waar dit nudig is de avpó.ratuur vervaardigd zijn van resistente illEiterialen,
bv. loden beKledingen en warmtewisselEiars van monel. Deze materialen zijn duur en betekenen een 6rote Lwestering bij de bouw van de fabriek.
Zoals reeds gezegd is,isde cEipaciteit van de fabriek berekend op 3uuO ton acetoncyaannydrine per jaar ,wé..arvab 600 ton verwerkt wordt tot metacrylzuur.
Het hydrine wordt in een continu systeem gefabriceerd. We rekenen 30u
w~kdagen per jaar zodat ue dagproductie lv ton bedraagt; per uut
10/24 ton acetoncyaannydrine.
De bereiding van het metacrylamicie uit net nydrine verloopt eveneens continu, terwijl de bereiding van Llet zuur een batch pruces is.
q.
~e fabriek is aus in 2 secties in te d~len
1) Continue bereiding van metacrylamine
2) hydrolyse van .aet amine tot zuur uitgevoerd in een batch proces. Daar een continu proces beter reöelbaar is,bovendien veel economischer
daar met minder arbeidskracnten volstaan ~an worden en veelal OJk een materiaalbes.l?aring bev"\<ekstelligd worat,kiest men bij
-
-
--
-
---
voorkeur een...
_~-dergelij~_J2_:roces. De bereiding van .aet zuur wordt discontinu uitgevoerd
_.~-_ ... -~.~~-~.'----
--in tegenstelling met bv. de ~ sterbereiaing omdat:
1) ~u dezelfde kookketel 6ebruikt kan worden voor zuur-en esterbereiding 2) De veiligheid beter gewaarborgd wordt.
7
---._.---~---_ ... -._.~-.. '.-.~ .... -.-.'~,.-..
"
3) :Ue hoeveelheid te bereiden zuur is vrij gering en niet net hoofdproduct
v~n de gehele fabriek.
Voorraadtanks voor opslag der grondstoffe~~
l)HCh voorraadtank
De hoeveelbeid opgeslagen HCN is voldoende om de fabriek
1 maand in bedrijf te houden. Het rlU1 worat geleverd als een
9n;
oplossingwelke ongeveer 31~ waDer en 0,U57;
n
2SU4 bevat. áet zwavelzuur verhit1ert
polymerisatie en ontleding.
De fabrieK fabriceert en verwerkt 250 ton acetoncyaanhydrine per maand
d · l t lS · 25U000 85,1 J:i;mo 1 . ,nyarlne . ( liL .ayarll1e .
=
85,
1)Daar de omzetting tot .aydrine 8850 bedraagt, is ter bereiding van 250 ton
hydrine nodig: \l5uvuU. lvG.
n
.~~ liter .. HCN. ( lvi HCh =27, s.g. =~ 8::> , 1 88
u.
7
t)t ---. (\'---...
-,-Het HeN is verkrijgbà&i-in--e-e-iJ. -91~~---O'plossing.~r blijkt nodig te zijn:
129000 liter. '---
-~---Om sterke
HCN onder
wordt 9/8
verdamping van HC~ in de voorraadtank tegen te gaan wordt het
druk van een inert gas (E2) gebouden. De inhoud van de tank maal het door de vloeistof ingenomen volume.
De afmetingen van de tank worden dan: uiameter 5 ffi. Lengte
7,4
m. 2) Aceton voorraadt@.nkEveneens wordt een hoeveelheid aceton opgeslagen
.elke overeenkomt met 1 maand productie. De hoeveelheid aceton bedraagt:
g5U000 lUO 58,79
1.
(
lJl ace ton é 58 s. g.=
iJ. 79)\-B~, 1
88"tr.'
'--- '--- '--- '--- '--- '--- '--- '--- '--- '---
-I
.
Lit is 24500Ü Le-
---
tankinhoud wederom 9/8 maal zo gruvt lit~. . ~e afmetingen van de tantworaen dan: Diameter 8m. .J..Jengte 5,4<3 al.
Bereiding van acetoncyaannydrine.
De fabriek produceert 5/12 ton nydrine ~er uur . ~it is 4, 9 Kmol / uur .
Benodigd HC~ ~ 100 4,9
=
5,57 ~m01 /uur. Aceton: 5,57 in dere~ctor
(~~)
moet dus per uur ingevoerd worden:: 5uOO
12 .85,1 Kmol/uur.
10
=
5,57 1:1
=
216 liter HOl:~. Geleverd in 97~~ oplossing: 222 1 HON opliJ,7 uur
Zoals later zal blijken wordt 26 1 HCh/uur uit een destillatiekolom naar de reactor teruggevoerd. Aan verse
He
N
is dan nodig:100/97 ( 216-26 )
=
196 1 l-iOh opl. / uur.De hoeveelheid ingevoerd aceton per uur bedraagt: 5. 57 . 5~
=
408 liter. 0,79Uit de destillatiekolom wordt 48 i/uur teruggevoerd. Verse aceton: 362:u/hr Zowel het aceton als het HC1I wordt d~v. een tandradpomp (elk met een
pomphuisdiameter van 80 mmo ) via een mengkamer de reactor ingevoerQ~ _ Het teruggevoerde aceton en HOL, loo,flt eveneens via de mengkamer de reactor
in. De pompen van het verse aceton en HOl, worden geregeld op de hoeveel
-heid teru~aevoerd aceton en HC~. Aan de inhoud van de reactor wordt _---.-. __ ._.--=0:::.:0=--_ _
-per uur vok nog toegevoegd ~ 3,5 liter 57~ l',aUH opi.ossing. De volwnestroom uan de inkoménde reagentia bedraagt:630 l/uur. De volumestroom na reactie bçdraagt:
hydriDe : 5ÛUu 1
=
444~uur12
u-;
932overgebleven HCh : 2,15. 12 overgebleven aceton: 4, 08 • 12 l/uur
water + HaUH 6+3,5= 9,5 l/uur
Totaal 529 i/uur.
De reactietijd in de reactor bedraagt 112 uur. Het volume is berekend
op de invoer: 630. 1,5 4/3 = 1250 dm 3 . ( volume reactor 4/3 msal het volume van dE reagentia in de reactor.)
Le afmetingen van de reactor woroen dan: diameter 730 mmo hoogte 3000mm. De optredende reactie is exotner~ en wordt bij 20°0 uitgevoerd.
Om de ze tempera tuur te nendha ven wordt he t reactiemengse 1 door een
11·
Warmtewisselaar W1
~r wordt t:;;evorrrrd; 4,9 ~":illol .hydrine/uur. Vrijkomende
warmte: 4,9 . 1,03 . 10 3 = 50400 1\.c81 luur. l,jezE warmte moet in de
warmtewisselaar af~evoerd woroen. Le reactorin.houd wordt in 4 minuten
\
door de warmtewisselaar ç;el)Ompt, .,:ler minuut : 250 1 ( = 234 .<t6. ) door
de w.w. Le di~meter van de buizen waardoor de vloeistof van en nEar
de reactor gepompt wordt ms: 72,7 mmo De circulatiepomp heeft een
pomphuisäiameter van 30omm.
Het koelmiddel is freon§ Freon heeft bij een d~ uk van 1,86 atru. een
kooktemperatuur van -15°0. Aannemende dat de s.w. van het hydrine 0,6 is,
( sJortgelijke polaire organische verbindinóen hebben een s.w. van
0,6 gemiddeld.) kan het temperatuurverschil van de in en uit de W.w.
komende vloeistof berekend woràen:
ÓT • 0,6 • 234 = 504~00 .ó T = 6 oe.
De ingangstemperatuáP van het mengsel in àe w.w. is 23 oe, de
uitgangs-temperatuur 17 oe. Temper&tuur van het freon: -15 0e.
,T~ = 38 oe AT = 34,8
oe.
(AT is het logarithrnisch gemiddelde4T2.L = 320e. m vanm .1 T1 en il T 2)
De warmte overdracntscoe fficient : V = 500 K:cal / hr m2 oe. 2
Het warmte - uitwisselimgsopp. moet dan zijn : A= 50400 = 2,9 m .
34,8 • 500
l.Je koe 1 buizen in de w. w. he bben een inwend ige diame ter van 12 rnrn, he t
b ,2/
specifieke oppervlak edraagt dan: 0,0377 lli m.
Er is dan nodig: 2, 9 = 77 ill. buis.
0,0377
Teneinde de afmetingen van de w.w. eem redelijke onderlinge verhouding
te geven wordt de w.w. in 77 buizen van 1 m. uitgevoerd. De inwendige
diameter vam d~ W.w. is dan ,volgens een tabel: 226 mmo
2
net totale doorstroom oppervlak van àe w.w. is : 77 . 0,0113= 0,87 dm.
Doorstroomsnelheid van de vloeistof: 250 = 4,8 dm / sec.
Het Re getal bedraagt dan 16000, de
g
t
~60m
îg
dus turbulent.~e hoeveelheid freon die nodi~ i s : 50400 kg/
nr
.
(
r= 38,5 Kcal/kg. )1;:1 38,5
3/
.ue hoeveelheid damp worat dan: 50400 = 0,0336 m sec.
38,5. 10,8. 3600
~ij een uitlaatsnelneid van 12m/sec wordt net opp. van de
freon-afvoerbuis :
F=~
= 0,28 dm2• Le diameter bedraagt dan: 60 mmo120
Een klep in de toevoerleiding van het freon wordt dmv. een niveau regelaar
r,---zodanig ingesteld dat een bepaald niveau van het freon in de w.w.
gehamdhaafd blijft. Een juiste temperatuur woràt ingesteld door een
temperatuur regelaar welke een electriscn signaal ontvanót van een
thermo-1 I
I'-tt-+ 'Ilr It
i!11
I+r ~ , , . . . O·f ~·I--'---::-' f-!-;- 1 , ~ '1 -~;r
11t . ~1 ~~IE~.
t---. -.;, .. it ~T ~ r~"' ~ ~ t+ .----..
... .-.. _-,.lh
:lfl-:I,i' I -; '~·I::~I~~:~:;::·· ==~:<~:~=::: _::::
:>I-=-=:-~I~:rl ~~L. H+-i)' ,j"4<~~:,~~~:~;~:ü :~:~:;:-i-' ;~--t--+d± :~ .. _ ~!"i. .:~~ ;~~; ~:ti~
.
i-:~"::= c;$ -;':;1:S~:~~I:!= ~ ~~ ;::~dïH !~!:' ~1-r4 :;:;.~~ .::. :~I;-;- .~r---'--- :r IHf ~··H Ti: :r'- ·~-=-tl-;.t;::rl' ~, ft I J . ~~ ~~ -~~~
-:-::::-
"~_..
~c-i
f:;"; _~: r+---o :~::-:.;.:: .::;:!~: ,-" ' . . "-+----:::--:~ .:-:::it;-;:;T-t j • . ,I-. 4··- .• - -,-,. _._'. ..,0-1 t-rt-r C7' -.. , '.- ..•... -_ j . _::::~. •• I,.. ::··t _,..î:. ;1 ~ _ -: -:2'- --. c...., -1-+' , -. _ . _L_ . . . _... • _c=ftt:: 'c .. ," _ . --t--. . .... ::: ..•. ·-I:::-jt ,.:::; .• ---~~ . :::-1-: .; H .... j... ~ -.,..., '-MT/1..-.
koppel in de reactor h1 en nieraoor een kle~ in de afvoerleiding van het
gasvormige freon bedient •
.riet reactiemengsel wordt vervulóeils ne-c zW8.velzulU'-mengvst ingevoerd.
~e volumestrooill uit àe reactur ~1 wordt gere6elà op de vOlumestroom van de reagentia naar deze reactor zodat hierin een bepaald niveau en dus een bepaalde reactietijd genandhaáfd worat.
Ln net
u
2SU4 mengvat wordt het reactiemengsel geneutraliseerd. De
hoeveelheid zwavelzuur wordt 6eregeld door een Klep in de toevoerleiding en bedraagt ongeveer
4,3
1 ~~H2Sû4
/uur. De klep ontvangt een signaal van een pd meter in net mengvat. Het volume van de vloeistof in het mengvatbij~en ~~;'ti3P
.
.Y§n~JIl~telL.is:
')~.v
)f,.-(
~
; 'v>'"'/t~
v ... ·,V
=
5 .5
3 2 • Cl. -=
44,
6 l· ~ t er. w-t( ·i · 'I -, ( J.I"""60
Het volume van het vat:
4/3 . 44,6
=
59,5
liter.De afmetingen van het vat worden dan: L=300mrn.
r..
=
840 mm.De volume stroom uit het mengvat wordt ook hier weer geregeld door een klep welke ee.n signaal ontvangt van een flowmeter in de toevoerleiding
van he t vat.
Het reactiemengsel wordt nu een destilLatie~o~om binnengevoerd dmv. een centrifugaalpomp met een pompnuisdiameter va.n 150 mm( 530 L/uur.) Destillatiekolom.
Ln de destil.latiekoL.Jln woröt een scheiding teweeggebracht tussen aceton en H61 enerzijds( over de top) en water met
aceton-cyaanhydrine anàerzijds ( bodemafloop) .Aange zien he t HCh vanwege het
lage kookpunt (25,7°G) zeker over de to~ gaat en het hydrine met een kookpunt van 8300 bij 23 ~~dg zeker als bodemproduct afloopt ,wordt
het scheidend vermogen van de destillatie opzet bepaald op een scheiding van aceton en water. Tengevolge van het ll1 de kOlom nsar boven
ont-wijkende HCh is de druk van de water en acetondamp kleiner dan 1 atm.
( de destillatie wordt bij 1 atm. uitgevoerd.) Deneden in de kOLom
evenwel heeft tgv. de afwezigheid van HCh en de zeer geringe partiaaldruk van het hydine het water en de aceton een dampspanning van ongeveer latm. Laar echter bij de verschilLende aestilLatiedrUKken de uit de T-x figuren
afgeleide lj-X diagra~nen nauwelijks verschi.llen , is voor de bepaling van het aantal theoretische schotels in de kolom gebruik gemaakt van
de ij-x figuur van water-aceton welke uit de 'r-x figuur bij J~n atm. afgel; leid is.
~
J.
fi:!:t .
I':': I::;. :: j "1 ~. :.tl+±-= ; 1 1-, i ,.-1-T T+-4-rt
,1:1 E· I ;.:j::;: fr~ --;-;-I-r:-:- +ll~ t-, • .+ 1-:--- -h .,t
t'±: I:;: r • :tAl t+ j r-ti""I+-1' L4 -, 1 . I[ I ::;- .; i1 !f ~ -tt \.
-
, • \..1 ~ 1 v . TI -rr+t -, 1-';, -h '~ 'c .• ;ftll ~ ,+ '-rE r rt ~: :+ ~= . f ~ -1+ --,.;.,- +H-____ u u , _ )j
t
" f ~ -)
---~eze ij-x figuur is grafisch wçergegeven.
Aan de àestillaatsamenstelling w0rdt Ge eis gesteld aat slechts 1 mol%
water aanwêzig is,; Xl; = 0,99.
We rekenen nu eerst de richting van de q-lijn,de meetkundige plaats van de
snijpunten van de beide werklijnen uit. J.;e richtingscoefficient van deze
hulplijn is q/ q-1 , waar in q = d!..ü'l ü::'H'.
Het water-aceton mengsel bestaat uit 45,6 mol~~ aceton en dus 54,4 mol% H2u
Invoer aceton: 668 m0l/uur. -Lnvoer water 3uo mOl/uur.
hu wordt ;H~rl~ F 45.6( H aceton -ri aceFon 200U) +54.4(H water-rl water 20°0)
lvu = 45,6(r acetmn + 29,6.3~,3) + 54,4 ( r water + 18.8g~ lv0 = 9810
..
H:H'
= , .r 4 5 6 ace on + t 2 . 4 4 , • r wa er = 8525 t lUULe waarde van q is nu : 9dlo/8525 = 1,15. De r.c. van de q-lijn = 7,7.
De minimale terugvlueiverhouding
a
door het snijpunt van de q-lijn en
de 4501ijn en de vertikaal x=0,99.
wordt bepaald door de r.c. van de lijn
de evenwichtslijn en het snijpunt van
r.c. = 0,509 - . R/R+l = 0,509. R=1,119
We nemen een terugvloeivernoudin~ R=2.
Stellen we de eis d&t ~'let ketelproduct een samenstelling heeft van 2mol%
aceton en dus 98mul~~ water,dan kan de tweede werklijn getrokken worden
en het aantal theoretiscne schotels vastgesteld worden. Dit aantal = 12
We komen dan tot een ketelproductsamenetelling van 4 mol
%
aceton.De hoeveelheid destillaat en ketel~roduct welke per uur afloopt kan nu
bepaald worden: .b'x
f= ~x:L +Kxi\.. .E!::: l.,+~. waarbij F:l, 463 Kmol~
xD=0,99 xK= 0,04.
Uitwerking van deze 2 vergelijkingen met 2 onbekenden resulteert in:
D= 0,641 Kmol/uur (aceton) i,;
=
0,827 A:mol/uur ( water + weinig aceton)berekening van de voor de aestillatie benodigde warmte stroom.
t~2+ HD +
nA
=
Hf+~ ( ~2 is de in àe condensor vrijkomende warmte.)Q=-Hf + ~-+HK+"2'
-Hf;.f\ voor HCh: 668.6,11+663.27.17.0,32
voor aceton: 634,6.29,6 .17 =
=4628, 2 i.cal/~
320 ï.{cal'~
(De temperatuur in de cundensor bi j een water-acetondruk van 370mm. Hg=370C)
(Destillaatafloop: 668 mol HC~ +634,6 mol aceton + 6,4 mol water.)
voor aydrine: 4890 .85,1 .0,6.57
voor water 793,9.1.18.57
= 14230 J.\.caljJ.v
815 1.cal);"'"
_ u \ , '- J \-oJ ) ) .\ • I , I ..L \. )
"
.
. \ - \ , v ) \.
)H -H
f A voor aceton: 33,1 .27,6 ,57
I~
=
56 Acal.( De a floo.p van he t ke te lproduc t bi. j e en temperatuur van 77 00 ,
(bierin is een klEine correctie tç;v. 20,nm. hydrinedruk inbegrepen» bestaat uit 4890 mol hydrine +793,9 illol water + 33,1 mol aceton. De in de condensor
G
=3D
vrijkomende warmte wordt a. v. berekend. :
G
==
668 mol HC~ + 3 • 634,6 mol aceton + 3 • 6,4 mol water.bij condensatie /va~eze àamp( uitgezJnderd net HC1~ ) bij een 7
temperatuur van~) komt vrij : 14445 1\.ca1./ uur. k -(tLfC'lt. De hoeveelhemd warmte welke toegevoerd moet worden wordt dus:
ç= 14230 +815 + 56 + 4628,2 + 320 + 14445
=
34494 Kcal/hr.berekening van de afmeting van de destillatiekolom.
De hoeveelheid damp welke uit de top van de kolom komt is :
G = 128,9 kg/hr. (2,591 Amol )
Le dampvolumestroom bedraagt :2,591 . 310/273. 22, 4 /3,6 =18,3 m3/sec Het s. g van de damp : 128,9/1d,3. 3,6 =1 ,96 Kg;' m3 We gebruiken een gepakte kolom. :Ue hoeveelneid damp is dan 128,9 .2,2
= 284 lb/ hr. He t s. ç; = 0 , 122 1 b/ c ft.
ÎFJ
-
I{
P,
=,
1o:1i2
= 1,281./
IJ = 2/3 - - : L = 0,855.r
0,075V
ë),07'5cr-Gebruiken we voor de pakking Raschig rimgen van 1/2 11 dan zitten
we tegen het loadingpunt aan bij G/.l = 500. :'~/~;~" , . ...
G is dan 500 . 1,28 = 640 lb/hr ft2. F = 284/640 = 0,444 ft 2
- ._~ ...
-
'--~--- ---~De diameter van de kolom bedraagt dan : 250 mmo
Voor pakking met ringen van 1/2 11 is de HETE= 225 mmo Lengte van de pakking: 12 .225 ~ 2700 mmo
Om de 225 mm wordt een herverdeler van de naar beneden stromende vloeistof aangebracht; ook de uit de condensor naar de destil1atie
-kolom aflopende vloeistof wordt via een straalbuis over het opp.
van de pakKing verdeeld.
berekeningen tav. de condensor (C 1)
lJampaansluiting: Stel v=15m/sec. Lan is i= 18,3/150 dm2- - lJ=39,4mm.
In de condensor wordt afgevoerd: 14445 Kcal/hr. Gekoeld wordt met koelwater van 20°0 .
Temperatuur van !let inkomende koelwater:200C
11 " " uitstromend " 2700
:remperàtuur vànde' inkomende damp en -de uitgaande vloáistof: 37 00
, 0 0 0C
~
'r
1 = 17 0 .1T 2 = loG --- la f = 1 3 , 2 .I . I '. /'~ U
= 50ó
/
~cal/hr
m2 °C. A=I~
=
14445=
2,2 m2 LJ • A T 13,2.500 mhemen we buizen met een inwendige diameter van 12mm dan is het
oppervlak per meter: 0,0377 lYi2/1vl ier buis ·=6n koelwaterstroom
van 200 k~hr. Aangezieü de hoeveelheid koelwater per uur:
-
----1A!,!2
=
2060 kg bedraagt, moeten dus 2060=
lu buizen gebruikt wor~en. De lengte van een buis is :2,2 200=
6m.10.0,0377
I r
De conqensor wordt zodanig geconstrueerd de.t de lengte 1000 mm is; we krijgen nu 6 tube passes met in totaal 60 buizen. De die.meter van
een dergelijke condensor wortd 225 mmo
Het HCI~ ontwijkt door een leiàinó welke bovem op de condensor aange~
"
afvoer"
4
T
= l'6QOT
= 10 0 C. 1 5 0 4 mA
T
2=
A -- 300 4630 . 10=
1,55 m 2 ~We.. nemen een buis met een inwendige diameter VEln 25mm,opp
=
0,o785m/mh22
De lengte van de buis is 0,0785
=
20 m.Le koeler wordt uitgevoerd in 10 wendingen van 2 meter.
. . r . I I ? , . ( 1\./ -ft k-l-l 1,. (kt-tr~t .... J '
Van het in de condensor gecondenseerde aceton wordt 66 mol%
terug-gevoerd in de destil1e.tieko1om.det resterebde deel wordt gekoeld tot
20°0 en de reactorR1 ingevoerd. ~eze aflopende hoeveelheid wordt
geregeld door Een k1e~. De klep ontvElngt een signaal van een
flow-die d t . . .. . t d
meter ll1 de naar e reac or ~o~ence lelalng,gemon eer is.
De hoeveelneid Koelwater worot geregeld d0ûr een klep welke een
sig-naal ontvangt van een in ce ~roductafvoerleiding geplaatst
thermokop-pel.
AcetonkoeJ..er.
635 f i J i é.cetûn wordt 6eltJEld van 37°0 tot 20°C.
I
=
32 ° .r:>.ca1;.ar. ~ Wd~ = 9,80C .r:>.o61water van 15 -20°0
I
.
LJ = 500 l\.cal/ nr m2oe.
a =Jebruikt wordt een buis filet een
2
32,]
=
0,65 m1
&
5Jû
i l1W. diaaleter Veil 12mm,O.Jf =0,o377m2/m
I - De lengte van oe buis wordt 2m.
La hoeveelûeiá koelwater (641) worot gereóeld door een klep.
Signaal v~n een tnermo.lw'y,:-\el in oe i'roductafvoerleiding.
Reboiler
t
= 34500 !l..cal/ar. riet verwarmingselement heeft de vorm wvan een spiraal en wordt verwarmd met s~-:xan 110°0. lJe temperatuur van het reactiemengsel om de spiraal iSi 77°0)
?
4 T
=
3 3°
0 . LJ=
8 ooK c a l/.ar ra 2°
0 .- ..m
A = 34500 = 1,31 m2. 800 • 33
De inwendige diame ter van oe buis =38mm, opp. = 0, 12 m2/ m.
De lengte van de spiraal ~ ~ m. Stel de diameter op 200 mm
Het aantal windin6en
bedraa~t1i
n= ____~1~.3~1
______ _0, 12 • 0, 29 .
11'
De hoogte van de spiraal wordt dan 7oomm.
= 13.
De stoomtoevoer wordt geregeld door een klep .Signaal van een
thermokoppel in de destillatiekolom.
U i t de re boile r loopt af: nydr ine: 444 1/1m.
aceton 2,4 ~/nr
wa te r 14, 3 1/ hr ,
Totaal 460 l/hr.
Het aflopende product wordt opgevangen in een tankje. De
verblijf-tiÓd in de tank is ongeveer _5 minute~. De afmetingen zijn dan: ~ ?
1.)
=
300mm. 1.;=
405 llliil. .Ln de afvoerleiding bevindt zich eenklep welke dmv. een niveaure6elaar een bepaald vloeistofniveau
even boven de warmtewisselaar handhaaft. Uit het tankje wordt het acetoncyaanhydrine de volgende reactor ingepompt. De pomphuis-diameter van de centrifugaalpomp heeft een diameter van 120 mmo
Een klep in de afvoerleiding van net tankje handhaaft hierin
een bepaald niveaudoordat de klep geregeld wordt door een zich in de
)
toevoerleiding bevindende flowmeter.
Reactor (h
2)
in deze reactor wordt het hydrine met behulp van 100% zwavelzuur omgezet in carbarnylisopropylbisulfaat.
- - -
---
-t
1,5 • 4,89 = 7,33 Krnol Iacf;~ D
2SO 4 = 384 I/hr.
'revens wordt nog 0, 15 ?~ CuSv
4, be;;repen op het nydrine óewicnt
toeç;evoebu, 0.1. 625?cuSv4/ [!F . üet Cusv
4,vJ!ge10st in zwaveJJzuur,
wordt via de zwavelzuurle~àing Oe reóctof' ingEvoerd.
Le reactie gescniedt sneL bLj een tEm~Eratuur van 800C.~er mol
omgezet h,ydrine K0ult 60 L' .. ca1 vriJ.
I
= 4,89 . 103 . 60 = 292800 ÁCB1/uur.w
Loar het reactiemenbse1 geabsorbeerde warmte
I Ácal/ nr. H 2SV4 : 7,32 .33 .60. = 14460 Hydrine : 416,6 .0,6.3 = 750 ti
(
J
Totaal; 15253 f..C al Water: 1 4 , 3 . 3 = 43 nr.Afgevoerd moet ~orden • 277J50 ACB1/nr.
ie volumestroom van net ontEtane reactiemengsEl is ongeveer 121/min.
Bij een ~~_~ van 10 milluteLl [floet net volume van het
reac-tiemengselLl de reactor 10 . 12 = 120 1 zijn. Le reactorinhoud
wordt
4/3
mBé:l zJ~roJt óem8ekt. :Ue 8fmetinóeIl Vé:.n dE reactorziljn. l.J=800 mmo L
=
500 mmoLaar de reactie snel verloopt worot oe in~oud van de reactor in
\lI4 seconcien door oe warmtewisselaar V\'2 gepomi?t. Le circulatiestroom
--
is nu: 120 • 15 = 180J l/mimwt. :Ue circulé:.tiepomp neeft een inwenoióe yOll1.i.-;nuisdiói1leter van 450 .iu'11; :Ue n2Br en van de w,w.lopende leidingen I1ebben eE::ll o12"leter van 19? alm.
Laar het sg. van I1et reactiellien~2eL = 1,6 , ~ordt fer illinuut
1300 • 1,6 = 2880 Lg reactiewen6sEL becirculeerd.
WarmtewisEe12sr ~2
Het tem.;.-!er&tuurverscnil vall net lllengsel voor en na de w.w. wordt a.v. bereLend.
i
m• cp' A'l'=
t
w Lnlaatternp. w.w. U.l..tIaattemp. 11 A'.i: = 277250 60. 2880.0, 34 ')2°, '; u v .l..n12at temp. koelwater
77°C.
11 Uitléettemp. 57 oe. ~r =47oe
.
m=
277'-)50 47. 500 = 11,0 1 rn 2Duizen met Een inw. diemeter van 25 rum worden gebruikt.Opp=o,o735.m.2 m
~r is nodig:
- - -
-11,61 = 152 m buis.
0,0705
IJ
~e construereb oe w.w. zooa~l~ dat de lengte 100J ill~ is. Er zijn dus
152 buizen nooig . :"'e diameter V8il de w.w. w0rdt : 550 nUil.
De hoeveelheid koelwater moet Zi .. ;11 : 217550 = 13880 l/hr. 20
Liameter van dE koelwaterleidinoEn ; 70 11lf11.
Le koelwaterstrooill worGt gere~eld d00r een in oe afvoErleidin~
gemonteerd~ ~lep,welke een si~na8~ ~rijgt van eEn thermokop}el dat
geplaatst is in de productafvoer1eiding val. oe w.w. Le H2SV
4 stroom
wordt eveneens gere~e1d door Een ~le~ . Le klep wordt bediend
door een flowmeter in de nydrineleiding . .Leneinde een bepaald niveau in de reactor te l1andnaven wordt een kle.;) ë':emonteerd in de circulatdle-leiding even voor de w.w. ~e klep wordt gereGeld op de volumestroom VEn het 8.cetoncyaanhyorine. Hiermede is dus de hoeveelheid circulatie-vloeistof en tevens de hoeveclneid Ult de reacto~ ~evoerd product geregeld.
metacrMlamide bereiding
Le gevormde bisu1faato~lossing ( 4,89 Kmol
bisulfaat +2,44 ~ol H2Sv4 ) moet in een reactor gedurende 130 sec. verhit worden op 1500G,teneinde een gunstige omzetting tot meta
-crylamide te verwezenlijken. net eerste gedeelte van deze reactor wordt
uitgevoerd als een warmtewisse18ar,waarin het mengsel van 800
e
tot 150c opgewarmd wordt.~w= 10,6 AC81/sec.
~nvoertemp prOduct
Aflooptemp .
"
Ter opwarming wordt stoom van 1800
e
gebruikt.8o~\; ~ ~ 1 =30°0
o :'1 _ 0 ,
: 150 ~ ~.J.:2 =100 LJ.
U = 500 Kcal/hr m2 0G. A=
~~;~ :3~~g
= 1,31 m2•Vve nemen een buis met diameter = 25 mm. , aVp = 0, 0785 m2/m.
Le lenoJt~ van d-e bUl's m'et z Cn . 1,31 1-- 7 n
v ~J • • 0,0785
=
r .De warmtewisse1acr worot uitgev0ero in 6 wenaingen van elk 3m.
lJe V'olwnestr00m van het bisu1fa8t = 7151./nr. fiet volume van de w.w.
= 180 . 0,05 =
9
liter .~e verblijftljd in de W.w. is dan 45 sec~nden.Ln de stoumleiding ie een klep geill~ntcerd . De ~lep wordt geregeld door een thermokopf6l in de afloopleiding van de w.w.
ha de w.w. 100i-'t àe O,ylossinc; een iLlet een stûoiüillantel voorziene reactor in. ~e stuomtoevoer wordt weer geregeld door een klep welke eveneens een signaé.l ontvanç;t van een tIlermoKo.Pl-'el ,zodanig dat de
--
- -
-
-
-
-tempera tuur vón ne t uit de re sc t ûr l~omendE wengse 1 op 15 ° oe;: 6e {lOuden
wordt. Le verbli~ftijd in de rEsctür wordt ~inder dan 130 sec
genomen daar gevonden. Le Le inhoud van in de w.w. afmetingen de reactor reeds ven de is nu
Qilizettinc; tot metacrylamide heeft plaats
reactor zijn : :U=400mm. 1=30wmrn.
2îliter. Le verbliJ'ftiJ'd 21.3600 15
=
105 sLe opbrengst aan amide is 93,4 mol~'v'.áet wordt snel afgekoeld tot 30°C
om polymerisatie te vowrkomen. Het amide wordt dan ook door een koeler
naar de opslagtank getransporteerd. Koe ler
Afc;evoerd moet worden; 4, ~ . 51 . 12w
7,33
.
33
•
120 1830 ( s. w. a;nide = 51 l~cal/l(mol.) Vowr .Lnl. Afl. ( 11 H 2S04=
33
11 + ---( aceton en water) 6 08 3 0 oL'-cal / Dr •koeling wordt koelwater van 20wG gebruikt.
temp. ~oelwater 20 wC .Lnl. te.np. reactiemeubse1 150wC
" " jo oe A f l . " " 3 0 oe A î = 39,10G. u = 500 i:...cal/hr.m2 °C. m J:..
=
6 w3 3°
=
3, 1 m 2 . 39,1 . 5JO 3 1=
40 m.We nemen een buis met d.L-=25 mmo .LJengte van de buis ; ..::U....!
0,0785 Le koeler wordt uitgevoerd in 10 wenain6en van 4 meter.
Me tacr.ylzuurbere iding
~n de inleiding is gesteld dat van de 3000 ton acetonc.faanhydrine,6oo con verwerkt zal woraen tot metacrylzuur. Le esterbereiding is een continu proces; de bereiding van het zuur
wordt discontinu uitgevoerd.
Bij de bereiding vsn esters worüt per uur a8n reagEntia in de
kookketel gevoerd:
4,8 Kmol amirle(5571) 7,33 Affiol ~2S04(396 1) 9,6~m01 H20 (173 1) en
9,6 ~mol CH
3UH (384 1) lJtaól 1510 liter/ hr.
Le veresteringstijd bedrab~t ongeveer 10 uren.
,I ; ' ( , i j ). 1 , I i 1,1 \ { 3
~-iet volwne van de kookketel wordt 4/3 maal zo groot genomen: 20 m Le afmetingen vél.n de kookketel zijn: L=2500mm J..,=4-ooo mmo
We gebruiken dezelfde ketel voor de verwerking van het amide tot metacrylzuur. Er moet 600 ton aCtttoncya8nhydrine verwerkt worden. We verwezenlijken dit in 100 batches.~er batch wordt dus een
hoeveElheid amide weLte overeenkomt met 6 ton acetonc;:.rae.nhydrine verwerkt.
6000 kg {~tirine =
70,5
hillal. ~e noeveelaeid amide hiermee overeenks mend =..9Q...d. 70,5 = 69,3 Alî101.100
.Ln 1 uur wordt de kookketel met ré:e.gentia gevuld. Toegevoegd 6,93 Allol amide(650o 1)4 1
,7 .70,5
~mol. ri2
SU
4(62oo 1)+ 4-.69,3 Totaal 17700 i/Dr. wordt; Kmol H 20 (5000 1)Het amide wordt in oe kookketel bij eèn temperatuur van 130°C ( het kookpunt van het mengsel) genydroliseerd.
Verwarmingselement.
o
Het mengsel wordt in 1 tlUr tot 130 C opgewarmd. Het verwarmingselement moet leveren voor het opwarmen.
6 9, 3 • 51 + 1, 5 • 7 0 • 3 3 + 4- • 6 9, 3 . 18 = 12 05 000 A c a 1/ hF •
La het opwarmen moet het mengsel 2 uur blijven koken. We steftlen dat gedurende het koken 127~ van de hoeveelheid water verdampt en in de op de ketel gemonteerde condensor weer gecondenseerd wordt. Voorts
wordt gesteld dat 10;; van get gevormde zuur tijdens het koken verdampt en weer gecondenseerd wordt. Voor net koken zlJn nodig: 15 . 10-2.4- .69,3 .18 .520 +0,1 .50,8 .12150 =462000 KcaL;
Warmtestroom gedurende het koken: 462000 = 231000 Acal/hr.
Dear het opwarmen veel hogere eisen
~al1
net element stelt wordt deze hie rop berekend.Het element dT
=
800e
.
iJl .dij gebruik w o~.d t __ y.~, ~VZ§1r.nd ~~/~~ca.Lvan bllizen met
=
640 in.met stoom van 18~oC.
/ nr
rn2°c
.
A = 1205000 = , " . . ,?4oo~ a ==~5~TI ~opp=0,o7d5 m /m,) .l.. wordt 1 = 50 0,0785:Ue lengte van net verwarmingselement is 3 meter, nodig zijn dan; 6jO= 214 bllizen • 1e diameter van een dergelijke bundel = 700 mm.
l.Je stûomtoevoer worot 6ereç;;21à oU.Jr t;:;çl1 klev.Sign&al van een
I .
/
.
-J./
Condensor
Ln de condensor moet afgevoerd worden: 231000 Kcal/hr Het koelmiddel is water. Lnl. temp. water =200C ~~1 = 110°C
Afluup 11 11 = 50 0
e
~T2 = 80°C6Tm =94 °c. U = 10uoKcal/hr m200~ A-=~ = 2,46 mZ• 94
De hoeveelheid koelwater moet zijn: 231000= 7700 Ag/hr
30
We nemen buizen met d.= 12mm. ~er buis 200 ~ water per uur.
l
Nodig zijn: 77/2 = 38 bUizen/pass. L :::I 2.46 .- = 1,74 m.
38 • 0,0)77
We nemen nu 3 tube passes . ~e lemgte van oe condensor = 1740/ 3
=
600 mmo Le diameter wordt 300 mm .Ln de koelwaterleiding bevinot zien een klep welke geregeld wordt
door de temperatuur van oe ontlucnting in de condensor.
Le opbrengst aan metacrylzuur bedraegt 73,5'/" betrokLen op het
gebruikte aceton. ulet het toeóevoegde 69,3 i .. mol amide komt
= 80,2 Kmol acet0Ü.
overeen : ~6~9w,~3~~ ______________ _
Ilbis ul fS8 t 1111j-dr ine
Er ontst8at dus in de kookketel 30,2 • 73,5 = 58,8 Kmol zuur.
'l~ene inde p olymer iea tie van lJ.= t zuur te voorko.11en wordt de kookke te 1
gevuld met Cu krullen,terwi~l tevens de kete17 de condensor en
de leidingen tot de koeler verkoperd zijn. Le inhoud van de
kook-ketel wordt in 1 ~ur verpompt duur een koeler en een a' scheider
naar een destillatiekolom.
Koeler
Het metacrylzuur wordt in 1 uur tot 30°0 afgekoeld teneinde
polymerisatie te v00rkoiuen. U~t de kookketel wordt 6epompt:
58,8 . 1,02 = 5100 1 zuur/nr.-+
206,53 • 18 +6200 =1.:)017 1. 1~.l-i4HS04 +d 2v +
u
2SÛ4 per uur.
+
930
L overgebleven amide per uur.Tot8al 16000 l/hr.
Diameter van de leiding =75,3mm ; diameter ven het pomphuis =330mm.
Ln de koe ler wor dt afge voerd 12..:.6000 r .. cal/ür .
..Lng . temü.LCoelwater 15°C Lnvüertewp. mengsel 130 ~C
A fL 11'" It 2 5
°
C J", f 10 O.J:' temp 11 3 0 C •AT = 1 a5 °c fj T = 45
°
0 •-
-
.
_ - -
-
- - - -
-I.
Z
~aar we hier te maken heoben zJwel met dwars sangestroomde pijpen
als met gedeeltelijke gelijk-en te~enstro0m moet nagegaan worden of ëSeen
r .
correctie in I
T aangebracnt moet worden. t I " t u= ~ 130 t it!' =15 t 2,
=
r,' 30 t 2 = 25 t2
- t 1 x= t , 1= 0,0435 = 10 t 1- t 1Uit een grafiek blijkt dat ij= 1 3r behoeft geEn correctie aangebracht te worden.
en AT =450C
rn is A= 1205000 = 26,8 rn 2 450001t
We neiIlen buizEn met d.;
=
25rnm, vl'p.=
0,0785m
2/m
.J..
ier buiE stroomt 6001/hr. INe ltrije;en dus; 16000 600 = 26 buizen per pass; We kie zen
7
.
13.2. 14 Afscne ider 26,3 .iJ=
-=-='-'- ~---26 • 0, J7t357
tube passes vaD= 13,2 in
2 in. "ie t ssn tal buizen 1:>e draagt : 26
175 buizen • ~e àiameter van de koeler is
650rnm.
Daar het met8cry1zuur slecat olJlost in het reactiemengsel
scheidt net zicd hiervan af als een in water.
ilet soortelijl\.. gewieht van de metacrJ'lzuurlaag
=
1 , terwijlhet S.6. van de zware laag 1,65 is • aet verscail in s.g. is
vold oende grJ ot om bij een ve rbli j ft ij d V&...YJ. 4- minuten e en
vol-ledige scneiding in 2 laven te bewerkstelligen. Het volume van de afecheider i s :
v=
4- 16000= 1100 liter. De afmetinç;en van de afsche ide r zijn = 60 17v0 ,llfll L=
900 . .lm.Le lichte lsag bevat 58,3 Kmvl zuur en 6,5 ~mol water. Dit is samen 5200 liter. :U2 zware laa6 met een volume van 10800 liter bevat zwavelzuur, l_}i L-iSÛ +H U en onomgezet amide . Het zware
4- 4- 2
product wordt naar det riool gevoerd of eventueel ter terugwinning
i
~g be-1_aa1_~ s!2ff~ ~ar de opslaó· :Ue lJlaats van het scheidendeoi.-'pervlak van de 2 lagen in de afecneider kan inc:esteld worden
met een in de
u
2SU4- afvoerleidin6 gemonteerde klep. Deze klep
- - . -~---=~::.-. ---=--=-====...,
---~---i
j
Destillatie van de metacr.'llzuurlBS;
Gegevens over het binaire syeteem metacrylzuur-water zij n niet
uit de litteratuur be~enà. det is wel bekend dat een binair stelsel
LiJll"
van metacrylaldenyàe en water azeotropiscn is. Het azeotropisch
kookpunt ligt bij 63,5
°c ;
het waterpercentage is 7,7%.Het is evenEens bekend àat een mengsel van methylmetacrylaat en
water een azeotropisch mengsel is ,terwijl een menósel van methanml
LLft ".
en metacrylzuur zich vrijwel iöesal gedraaót. Uit deze gegevens
zijn evenwel geen conclusies t.a.v. het stelsel metacrylzuur en
water te halen. We nemen aan dat net stelsel ideaal is.
Van het metacrylzuur zijn de volgendE damps}anninggegevens bekend:
Temperatuur.: in
°iJ.
lJruk im mm Hg60
10
72 20
81 30
86 40
93 60
~eneinde naàere gegevene te krijgen ,vooral bij lagere temperaturen
wordt de ge1ntegreeroe vergelijking van 01apeyrJn toegepast.
~e
vergelijking van Glapeyron luidt: ln p= -~~
+ C.Uit de bekenoe gegevens wordt met benulp vón de vergelijking eerst
Art
de AH bereKend; 1n 10 = 1,9d7 . 333
1n 20
=
1,9d7 . 34?AH
=
12,486 Lcalmol
~E vergelijking van Clapeyron wordt nu omgewerkt tot
2701:3
log P = - T + 9,20. illet deze vgl. zijn de volgend~ gegevens
berekend. oe metacr,L1zuur in dg 0( = p ti 0 Temp. in p iJ rt2v rnm z~ur in aliIl dg P 23,1 10 0,40 9,21 20 0,85 17,54 20,3 30 1,74 31,8 18,3 40 3,39 55,3 16,3 50 6,31 92,5 14,7 60 10 149,4 14,9 72 20 254,6 12,7 81 30 369,7 12,3 86 40 451 11 , 3 93 60 588 9,8
Alla, ' .. 1 _'. ' ; . ', ,., --1- ---1--r -- , - - , ,.-! -; l ' j ... ~--
IJ/I-,)
-
j
û,r
t
c)/I- - - -- -- - - --
---
----
-
- -
---We rectificern bij een druk van 25 lrun Hg boven in de kolom.
Ten ge v01ge vab oe drukval in de .i:\.OLJffi ste 11en we dat dE druk
onder in de kûL)m 50 mm zal ziijn. 1.;e evenwichtslijn wordt berekend
t ' n l " _~~x~~ __
me oe Iormu e : lJ =1+(0(-1) x .
~e waarde van ~boven in oe k01ûm = 20 ; dewaarde van ~ onder in de
ko1ûlil = 17. ij= 20 x ( 1+19x -iie berekenen nLl : boven L : oe ~ui.UlÜ) waaroe V8D x bi.jbenorende ij û,1 0,69 0,2 0,033 0,3 0,096 0,4 0,93J 0,5 û,952 0,6 0,9ó7 0,7 0,979 0,8 0,993 0,9 0,994 0,92 0,90~ 0,94 0,997 0,96 0,998 0,93 0,999 1,0 1,0
De beide evenwichtslijnen (boven
nevenstaande ~rafiek getekend.
-~ 17x
l ;- r
() 1+1ox (beDeosn in de kolom)
0,01 0,015 0,03 0,04 0,06 0,08 0,1 0,2 0,3 0,4 i,j-w8aràe 0,154 0,215 0,268 0,428 0,564 0,610 0,666 0,818 0,885 0,923
en onder in de kolom) zi~n in
in de destillatieketel bevindt zicn 58,8 Kmol zuur en 6,5 Kmol
water. Gedacht wordt om de scheiding in luur te bewerkstelligen • ~e destillacie vindt plaats in een gepakte kolom. Ter bepaling van
SchDteLs
de minimale terugvloeivernouding en net aantal ~-~ , stellen we
dat :U=6, 5 h.mûl en r:. =58,8 .é~mJl. :Uit is niet geheel juist,
echter de fout is niet zodanig dat de genoemde bepalingen
onmogelijk zi~n. We stellen tevens aan het ketelproduct de eis dat het slechts 1 mol~.; water bevat. -vle berekenen nu:
ix f
=
1Jx,. .u + K xü_ _ ( 1'= 6,53 ~mol)I )
Urn de minimale terugvlueivernoudfung te bepal en trekken we een
lijn duor net snijpunt van de vertlkaa1 x=o, 914 en de lijn y=x
I
•
~- ~-- -
-
-De minimale teru~vloelvErnoudinb volgt uit de r .c. van deze lijn~
rt ~ 5 . uitgaande van oe Ketelproductsamenctelling x~0,o1 blijkt
dat 3 theoretiscne 8cnotels nooi 6 Z.i~d om het tOf)product x~o, 914
te verwezenl~jKen. ~e werKen bij een terugvloeivernuudin~ h~lo
De ricntin~ van oe werklijn ~ 10/11. Uitgaande va~ de samenstelling
van de voedin6 (x~ 0,1) en zodanig scnuivend met de werklijn
( r.c. ~ 10/11) dat tussen ~ . en xf~ precies 3 schotels passen,
..i..Il
komen we tut oe slotsom dat x~ , ~ J,999.( Xi,' is de samenstelling
.ul ...,l
van de eerste destillaatafloo~) Leze~fde werkwijze passen we nogmaalc
toe, nu uitgGanoe van de ketel~roductsaffienstelling x~0,01. ~e komen
~ot de conclusie dat de samenstelling van het to'pproduct aan het einc.
van de destillatie is ; x~o,96.
We nemen nu een ~emiaaelae waarae van het tupproduct aan; stel
XD gemiddeld
van dK
=
dx~ 0,98. ne t iSrafiscn ui trel~enen van x gem. me t behulp
o
-~ - 1 ' : - gaat erg moeill~K tgv. het feit dat de helling van
t... Xd+X,
.L\..
de werKlijn weinió verschilt met de nelling van de 450lijn.
De hoeveelheio oestillaat wordt nu av, uitgerekend:
6 , 5 3 ~ 1.--. u , 98 + (6, 5 3 - l.J) J ,ol . ----~) :iJ ~ 6, 1 ~~mo 1/ hr .
Le waaroe van A ~ :Et-u ~ 59,2 l.~mJl/n.r.
nerekenin~ van ae oiverse koo~2unten
Al tij d moe t ge lden : .J= t i A' + (l-x) .2.d waarin p~ totaaldruk,
")
1 A ~ waterdarnpspanning bij x~l
r
D ~ :net. zuurspanning bij x~oÁookpunt bij het begin van de destillatie i:cl oe ketel:
p ~ 5 0 ;nm. 5 ° ~ 0 , 1 .i A + 0, 9..:' iJ • dit is j u is t bij e ~ n t e mp • van 7 5 00
Gemiddeld kuokpW1t in de tJ~ van oe Kolom:
p~25 ,'i l i l . 25 ~ 0,98 ~A+ 0,02 r
D• Dit klopt bij 25°0.
Kookpunt van het uiteindeli~Ke Ketelproduct:
p ~5o [ruil. 50 ~o, ol rA + 0,99 ~D 1.--it Klopt bij een temp. van 88
°c.
ner8Kenin6 van de toe te voeren W&r~te8trOJm
C
=
cl +Q ,-H ~ +('2... K a I "'"
de invoerteill~eratuur ~
~. is oe in de condensor vrijkomende war~te ,
c:.. "
20 oe;.
Le aflooJ vah de ketel bestaé.t Ult 53,6 .I.,,-,nol zuur 1!lan 88
°c
en=-:I, -~-if voor her zuur; 58,6 . 36. 0,6 .60 = 205600 1:>..cal!,"-( ~nol.bew=86, L'... ü.('...-n f voor weter: ,J,ó • 10. L 68 = 734 .... Cé,l./Jv,., ( S • W •
=
0 , 6 A.c a 1 ~"-iL= K I 206334 .L~C8.l./IJ J.;v uit de to~ 1J0~t ri - il~= 0,1 .B6 .l.J .La i ; 6 k',l01. 'i'ibter en 0,1. Aiü,Jl zuur; te:llperatuur
0,0 . j =2) i.'...Cé..l./lw( voor 11et ZUlJ,r) d
à- ~If = 6 .1d. 1 . 5 = 4:2 0 11 \ v.) or 11e t wat e rl
n..iJ
-·-if = 475 Il
DereKeninó Vb.;." oe in oe C0nOe.ucor vr.i~koillende w&rmte:
l.n de condensor is geeonaell1seera ; 11.. 6 =66 ~m01 waterJ.,+ 11.. 0,1=
J,lLmol zuur./Jw Vrijkomende w&rmte ~ 2-- 66
.
1,1 1d.
58,).
eH. 144 '"'21e toe te voeren warmte bedrae.gt dus;
= =
=
701620 + 475+ 206334~ 908429 LC51/~r.
Afmeting van de destillatieKetel.
688000 13620 701620
Het volume van het ~e àestilleren mengsel is:
58,8 . 36 + 6,5 • 18. 1 = 5200 liter. 1,01
Aca1
I
"
ft
:aet volume li8L1 de ketel beciré,Ec;t 4/3 . 5200 = 7000 1.
Le afmetingen zljn : l.,=2000mm
iJere.kerÜn,!L,en a&ng5é..nde net ver.w&rm.l.uç;se1ewent.
.ar
.
"
Il
~w= 908429 .L~c81/l1r • .2r 'liorcit verwarmd filEt stoom van 110°0.
4T= 220G. u= 2500
~ea1/hr
rn2 oe.~= ~~~4~~oo
= 16,5 m2•Vle nemen buizen met d.; =25111m, ü~.:) = 0,0785 m2/ al •
.J..
~e lengte van d~ buis = 16.5 = 210 ffi •
.),0785
Het verwarmingselement Ileeft Een lengte van 2000 mm; dit betekent
dat 105 buizen van 2000 mm noói~ zijn. Vo16ens een tabel is de
diameter : 300 ffilll.
~erekening aengaande de gepekte kolom.
:Ue dempstrooill G= 06. 18 + 1,1 • c36 = 1282 r..g/hr = 2820 1b/hr.
:"'e volume stroom van de damp bedrac.gt:
298
ill·
n.J
noven in de reactor: 67,1. 273 . 25 3600 ="~----.. ~.~. ~----_.- ---
---_.-353 760 22.4 ~ 2/
0nder in de reactor: 67,1 . 273 . 50 • 3600 = ó , 18 lil sec.
He t s. g. van de damp ;:: 1282
~ólm3=
1282. 0,0624= 0,0016 1 b3600 ~ 1 3, 9 3600 . 13, 9 ëft
=
\
Ç~16
V
~7
5
=
0,147 ~ 'J = 10/11. 0,147= 0, 134Als pakKingmater iasl zijn Raschic;; ringen van 1" genome n. 111e t de ze
pakking zitten we tegen het loaäing point aan wanneer G/~ = 1000
G= 1000 • 0, 147 = 147 lb/hr ft2• :b= 2820= 1.9,2 ft2
147
Lan is de diameter van de kolom = 5 ft = 1500 mmo
Le HET:.? bij de genJemde pakking
=
20" = 700 mmoDe 1.ellgte van de pakKinç; = 3.100 = 2100 mmo Um de 700mm wordt een
--herverdeling van de naar beneden stromende vl oeistof bewerkstelligd.
Ook de uit de condensor nasr de kolom stromende vloeistof wordt over
het oppervlak van de pak~ing verdeeld.( sproeier)
Condensor
De in de condensor vrijkomende w~rmte bedraagt ( zie het
voorgaande ) "2= 701620 1\:cal jhr.
De temperatuur van het destillaat is 25°0. Er wordt met water gekoeld.
1nvoer temp. van het koelwater: 15°0 AT
1=10 oe .ti T = 5,8
°c
.
Uitlaat" t i " " 22°1,;. A':r -2- 3 '\ ; . - m
~= 701620 _
1500. ) ,5 - 80,6 IJl 2 •
De hoeveelheid koelwater =
We nemen buizen waarvan di
waterstroom per buis op 500
200 buizen per pass.
701620= 100 000
Kg/hr
.
=7 25mm.
~r
zijn nodig, wanneer_ / 100000
Ky hr ",:esteld wordt, =
'-' 500
de
i.J
1= 80,6
=
5,14 rn.We
voeren de condensor in 3 passes van200. 0,0785
2 meter uit. liet aantal buizen bedraagt dan:3(~. 200) = 516
.i-e a frae tingen van de condens or zijn: 6
L= 2000 mm
:u
= 550 mmoLe dampaansluiting van oe condensor neeft een doorsnede ,bij een