De technische bereiding van acrylonitril

N. van KLaveren

, .

.

liiiiii1

I ~ .

I

·

=

_J

~

.

I!

~~ -

--

1

-t

I _, I

i'

I

r--..:.

-

-

-I ;

--,. 4 # __ .J :: - -

---.

,-

- - -

---\

D E ~ ~ C ti ~ 1 5 C L E van ACh Y L U ~ ~ ~ rt 1 L N. van Klaveren lJuyve lsgat 26 Delft

Bijla6e 1 Eni_{0 e} ei(i;enschn,JJ8n vaIl de a",n de reaktie deelnemende st offe~ 11: Materiaalbalansen

111: harmtebalansen

•

,.

Fabrieksschema :

DE TECHNISChE

BEhEIDI~u

VA1 ACHYLONIThIL

Toepassingen Acrylonitril, een zeer reaktieve stof , is voor vele

or6anische syntheses het uitgangsprodukt .

Produktie

De belangrijkste toepassin~~n liggen in het gebied van

de synthetische rubbers ; een van de belangrijkste is

de BuNa-rubter, een mengpolymeer met butadiëen •

Poly-acrylonitril en mengpolymeren worden ook toegepast in de textielinaustrie als synthetische vezels.

De ) olymeren en men~polymeren van acrylonitril zijn vooral belan2:ri jk door hun bestendigheid t egen olie,

In ollaerstaaneie tabel zijn weergegeven de produktiecijfers

zoals uie zijn in de Verenigde staten van Amerika.

jaar

1>54

l~j)

195b

lSi5?

195tl

produktie in de V.S . tonnen! jaar

c9

·

CJCu

54

.

Ul;u

b4

.

LJ\..;(j

7G

.

Gl;G

7

7

·

GlJCJ

Eigenschappen Acrylonitril is een kl~urloze vloeistof, welke in zuivere

toestand niet houdbaar is (polymerisatie) . Bij opslag

worat dan ook een inhibitor toegevoegd b.v. hydrochinon.

Met ~at~ormt acrylonitril een azeotropisch mengsel,

aat ~water bevat en kookt bij

71

°C.

A Zie voor andere eigenschappen bijlage I.

Bereiding ,1) Uit aetheencyanohyàrine

( eH = <:\-\ ---7 . LH, - ' - H l ~ L~ll - c. ... I ~ ~, ) C I-l, - '- ... e. .. , I~ ~ eH, = ~';:

, Zo CQ. Ot-! ' - 0 / 0 ' ;

De wator8fsplit~ing gaat het beste katalytisch.

In gasfase wordt Oe aamp over een katalysator ( aktieve kool of aluminiumoxyae ) .geleid, en vervolgens worden oe reaktiebassen aoor een koeler gevoerd waarbij het

1

niet-omtSezet hyorine ( kookpunt c.é::7°C ) condenseert en teru6gevOerei woro t t ërwi j 1 ei. e gevormde acryloni tril

QOOr6elaten wordt.

Ook in vloeitare fase kar. gedehydrateerd worden. Dan wordt het aetheencyanohyarine met katalysator ( tin, silicagel,

zouten van orbanische zuren + tinzouten, natriumformiaat,

calciumoxyde of maiSnesiumoxyde ) gemengd en daarna gekookt,

waarbij oe azeotroop acrylonitriljwater overQestillee~. ·

Het destillaat scheiat Zi~ twee lagen, waarvan de

~bovenste laag l bevat ca.~?)acrylonitril ) door destil

-~atie

~e~~i

_

v

erd

_

W?~~~

_

.

-

f i

-::-

- .

I •.

- ;2

-~) Uit acetyleen

1

CH=CH + HeN

In gasfase wor·oen zowel acetyleen als blauwzuur in gasvorm

over een katalysator geleid ( bariumcyanide op aktieve kool) bij een temperatuur van ca.

45U

oe.

het renaement van oeze bereiding is matig. Betere resul

-taten ZoUQen verkregen worden door de xlKE.kti61l: reaktanten

te veré1ûllnê:i:l met anGere gassen of stoom.

De bereidin8 van acrylonitril uit acetyleen en blauwzuur in de vloeistoffase is de methode die momenteel het best voldoet en aan ook meestal toegepast wprdt.

Deze bereiding worat verder in ait verslag uitvoerig

besproken.

~I>~'~'

~

Andere methoden welke niet bereiaing van acrylonitril

belangrijk zijn voor de technische

zijn onaer anderen: ~ c..rI ... = C"', -

<..'-,

Bij verwarming ontleedt laktonitril niet in aClylonitril en water, maar in aceetaldehyd en blauwzuur.

Door oe OH-broep eerst te veresteren met een vluchtig

l bij Ge pyrolyse-temperatuur) organisch zuur, en daarna

te verhitten verkrijgt men acrylonitril met een zeer hoog renoement.

4)

Uit allylamine

C!-1l.==c..M -c..t-\~- Nf-I"l. + 0"1. ~

De reaktanten worden, zeer verduna met een inert gas,

bij ca. )G0 oe over een zilverkatalysator geleid.

De hoeveelheaen worGen zo ~ekozen dat er een kleine overmaat zuurstof is.

- 3

-~;=~;~~~~~~;=~;;;~~;~g=~~~=~~;~~~~~~;~~=~~~=~~;~~~;~~=;~=~;~~~~~~;

in vloeibare fase =========~=======

lnleioing

het proces om in vloeibare fase uit acetyleen en blauwzuur acrylo-nitril te bereiden geeft volgens oe litteratuur de beste resultaten.

Vanaaar ook dat dit proces hier wero gekozen.

Aan tie hano van oe proouktiecijfers in oe V.S. werd

*aN

geschat hoeveel een fabriek in Neoerland zou kunnen prooucpren, aangenomen dat er reeds enlge fabrieken zijn.

~\'e kwamen tot een prOduktie VEln ca. 10GO ton per jaar.

Het proces ( overzicht )

De bereiding verloopt volgens de reaktie :

C.

H

=-

c..t-1 + H c. IV ~ c.. Hl.

=

c.1-\ - C. '"

1)e beide reaktanten wordon , in een mol. verhouding CH~ :

HCN =

_

10 :

l'\ ,

geleiä. in een katalysator-oplossing van ca. dl;

°C

.

D~ kntalysat"ör-""bestaat uit een waterige zure cuprochlorideoplossing, welke als oplosmiddel voor het kO.t-lerzout ook nog ammoniumchloride bevat.

tHet uit de reaktor ontwijkende gas worot met veel water gewassen, waarbij

" ~~ t-l;D' het bevormde acrylonl tril eg a~ bUprodut.te!!- oplossen. Het uit de wast oren

r\

~

.Jt'

..

o~twi

jkende

~

as

t a. c

ety~een)

woro t

ter~ggevoero n~ar.

de reaktor.

~~lUlt

oe waterlge

O~losslng,

welke ca.

~

fo aClylonltrll bevat wordt vervol -')i\i~" gens oe azeotroop overgeoestilleerd. het o.estillaat scheidt zich", bij

y afkoeling in twee lagen.

De olielaag, welke behalve aCI';yloni t r i l t t)l;Jó) nog bi jprodukten bevat, wordt door orie achtereenvolgende destillaties gezuiverd.

Eén en ander is schematisch hieronder aangegeven.

y

-I

1\EAtnor:\

\1\/

AS ï 0 'R E '"

5,

Rl P PER AFSC.I-IE.IDER

( Flb •• vl. ... ) opl~s,.i"~ dll,til- l .... .-t

80°C

•

T

lV""t~ .. ...,. ke.t .. L

Ip,.d ..

l.""

+

\<0(&

Lt.I"

Je\l;l L ... t _{Ac.L~VlOr IT~''- )}

(<),\,9 "I.

L '" A <I 1<<>KEOIDoi

"ö ~

.

+"Il"a ... TI;

lJ

'""'

U.'4t\OI<ENOi! _{~ .. ])UTllLATIE- \<e. t.!Lr·...I ..} L<

'1

0 _{1)e ..} "tILL.1HIE- ""e.\.tL\" •

-

.I~I.' _\ ~, 1) _{E~"IL.I.IHI!-} Illi<ll .... ~

""b~ (>(\.o .. ~

kOL.OM \,.:>1..01'\ ~.,L.,....,

\>:\So ...

r. \

'5'0.,,_ _p.

7

60 ...

'

..

-

4

-Opzet en berekeningen voor materiaelbalansen zie bijlage 11, voor

warmtebalansen bijlage 111 )

1. De heaktor

Invoer. Uitgegaan wordt van een produktie van 1000 ton per jaar,

a.i. 110 kg per uur.

Het totale renaement van het proces is t .o.v. RCN 85

%

t . 0 . v. QH~ 75 jO

De mol.verhouóing qH~/ hCi\l is 10/l.

Uit aeze gegeveüs ls de invoer te berekenen; we vinden blauwzuur 61,7 kg/hl'

acetyleen b~j,c kg/hl'

katalysator o~lossing.

Deze helcft de volgende samenstelling

cuprochloride

40

gew. 7~ d.i . 26 Jo koper )

ammoniumcllloride 22 gew. 1'0

water

₃₈

éjew. jo

aangezuura met zoutzuur tot een pH

₌

1 De kat. oplossing is

4 -

b weken bruikbaar.

De omzetting is ~l? -ï:~-i'am-züiver- acrylonitril/uur/liter kat .

t minimaal) .

Voor een proauktie van 110 kg acryloni tril/hl' is dus

ongeveer 7500 liter kat . oplossing nodig.

afmetingen De reaktor i s voor

'c/3

gevuló met kat. oplossing. Hieruit

vol~t 300r de totaal inhouQ van de reaktor een volume van 11,5 m , d.w.z •.

lrv)diameter reaktor 1, 50 m

~ _ _ 7 ~ lhoogte 7,00 m

materiaalbalans. De samenstelling van de olielaag van het uit de

stripper verkregen aestillaat lS in de litteratuur te vinden .

Uit dit g8geven is de samenstelling van het reaktieprodukt geschat. ""ie v8rd"~r bijlage 11.

reaktiewarmte. Uit de verbranainiSswarmten van de reaktanten en

acrylo-nitril is de r eaktiewarmt e te bErekenen:

c~ H~ -+ 'fO ~ 7.(o .. ~ ril." - 31'2. k~""'I-.. L

H c. IV ... ~ 'I, 0 __ c. 0 l. ~ 1\. >1, I,) ~ IVU, - I "

,---'C'-,-H-, ... -~"""'I -c ...,-+-'q;:-;""-'V:-~---'3:-:7(C>:-'l-~-'I;;-'I,-;-,....,:-. -O~-IV..,." l---'~/--;6~7--r2(-< ... ~/ .... --:. t-+

G:CH\=~'1-'"V~"JII,o~ 3 C.o\. .... /1/,1-/'1..0 ... IVO, _ ~ I b 1<, .... / .... .,..(

Pel' mol. gevorma acrylonitril komt dus 51 kcal vrij, d.w.z.

9bt:: kcal./kg.

In onze reaktor, waar lCd, 7 kg/hr' gevormd wordt zal dus

t • g. v. oe ze vorming vri jkom6n 105.000 kcal./hr.

Echter ook de vorming van de bijprodukten gaat gepaard met warmteontwikkeling.

Vie namen acn dat de totale, in de reaktor vrijkomende

.

'

'7

-

J

-Een gedeelte van Cleze ener'gie worcit gebruikt voor het opwarmen en

verdampen van de aan oe reaktie Cieelnemenoe stoffen .

Het overblljvende deel moet worden afgevoerd. Dit gebeurt door de

kat. oplossing door een warmtewisselaar rond te pompen.

berekening warmtewisselaar

Af te voeren warmte : dc.c~8 kcal/hr (

De temlJeratL;.ur van het koeJw8te~jst

kat. oplossing daalt va~ - bG~~

zie warmtebalans, bijlage 111

vam 15 - 40

°c,

die van de

ó.

t

=

4é:.

°c

.

u = 5UlJ kcal/hr.m':::.

°c

stel

Hieruit vinden we voor het koelend oppervlak

A =

82.0c~42x50C=

3

,

9

m .

Wanneer we een warmtewisselaar met tl buizen met een diameter van 1"

gebruiken, wordt de lengte 5,tlO meter.

~ve nemen nu voor oe afmetingen van oe warmtewisselaar

"G'

Ct..,

)lenodigde hoeveelheid koelwater :

3

.

3CJO

kg/hr

Hoeveelheid ronci te }lompen kat.oplossing : 4.100 kg/hr

diameter lengt e 150 mrn

6500

mrn ._---_.- _.~. -"'.- _ ..

-

--..

--"'-'--2. De Absorber

Per uurü~ordt uit de r~aktor, in de absorber geleid

704

,

6

kg damp

va~.71 ~ , d. i . b90 m).

De reaktieproä.ukten worden af,gekoeld en opgelost, terwijl niet omgezet

acetyleen weer naar de reaktor wordt teruggevoerd ( 550,6 kg, 20 C,

d • i .

5

1 lJ

m.?

)

.

Er wordt in~- absorber zoveel water versproeid dat de verkregen 00

-lossing ca. 2 ~ acrylonitril bevat. Aangenomen wordt dat alle

reaktie-prooukt en ~~ ee oplossen. Geheel juist is dit natuurlijk niet, er . \,,,,).r 1'" zal zeker edl zekbre hoev6E;lheid monovinylacetyleen in het recyclegas

11"'''''''' lIL!.' komen. ECHter' zal op de d.uur een evenwicht.9.t_Qesta nd ontstaan waarbi j

• ~I"i''''''''''( ~ t~I~" een even t;rote hoeveelheiä. in de aosorber oplost als in de reaktor

L~( d

..

,l,V~" I gevormd wor t .

)fi N'"

Het gas ä.at de absorber verlaat is verzadigd met waterdamp

(2CJ

o

C

J.

Het ingevoerde water heeft een temperatuur van 1)

°c

,

de uitvoer

een tem;Jeratuur V2,n cO oe.

afmetingen

GemiCld.· lci stroomt Ooor oe absorber bGl, m)/hr ,'::;as, d.i . U,17 m

3

/sec.

diameter '(JU mm

bUoè~te

4cGC

mm (effectieve hoogte

3

meter)

- b

-3. De stripper

De oJlossing verkregen uit de absorber wordt hier gedestilleerd,

wa8rbij tie azeotroop acrylonitril/water en ae bijproC1ukten overkomen.

Het aestllla~t wordt naar ae afscheider ~evoerd, waar het zich in

t wee lagen scheidt ; de waterlaD~ wordt teruggsv~ erd naar de stripper,

de olie laag wordt verasr verwerkt. 0

Het destillaat wordt gekoela tot 1 C, teneinde de monovinylacetyleen

in de olielaag t e ooen oplossen

het ketelprodukt (water) wordt in een koeltoren gekoeld tot 13 oe en

daarna in de absorber versproeid.

De to;,.>tE::mperatuur is 71 oe, de bod('mtemperatuur lGG oe.

refluxvernoualn~ en aantal scnotcls

relatieve vluchtigheid azeotroop/water

mol. fraktie azeotroop in voeding

mol. fraktie azeotroop in a st i l laat

=

ca.

=

3

0,1

0,

9

, I I' ' C f ?

_

,tJJ~v~

..

/.,

:...,;)+l- L-~ h'/ , " '

Uit deze C;8tSGVenS wera dé minllXmum refluxverhoualng benaderd

We werken mbt een refluxvernouding RRmi n:_ US" ,

3

Noaig zijn dan ca. 10 praktische schotels

afmE::tingen

Dampstroom ca. 10GO m.J/hr, d .i . u,~(j m?/sec. ()pr"-~\.~I..~ ...

BiJ een dampsnelheia van G, J ro/sec komt ciit neer 0.8 een diameter van

c. li, Jb m •

We nemen de volgende afmetinge~ aRn

diameter tl5U mm

hoogt e )uLl mm t 10 platen )

condGnsor

De damp wordt geconcicnseerd en Gekoeld

tot~

.

Koelmiddel i s ammoniak ,

Af te ~oeren : ~~J . liGli .kcal /hr ( Zi~..h~ lage 111 )

Koelmiddel : v~o.' ,e ammoniak van ~, __ 0.Q) . ?

~

=

1 ( oe l'--- --- ,_ \j(")~ ~"tt"

Ic... '

U

=

cal/hr • me: • oe

De totale warmt~overarachtsco~ffici~nt is zo laag doordat niet alles

condc,nseert en er dus alti,jd 1~;as asnwezig is.

Uit deze gegevens vinden we het koelend oppervlak : A

=

132 m2•

UiteindeliJK vindEn we .~

diameter 70C mm (

9

2

5

i

n

ti) u i zen...;)

l engt e )GCG mm

'---~---Benodisde hoeveelheid ammoniak : ca. S0u kg/hr (verpompen) .

xabGixMx verdamper

'l'oe t e voeren warmte 714-. 01oG kcal./hr

Ver"warmen met stoom van 150 oe, d .w. z. At

=

5U Oe 1 ,

. r

-

7

-Kontakto~~ervlak A

=

14,3 m~ diameter l en,l';t e 4GL mrn

(

3

1

4

~~ buizen) lGLL mm

IA~

~

ei~

vo

or

het ketelprodukt

i

f

_

_

I \ het ketelpr'ooukt van oe stripper (water) worot in de koeltoren

,71 I \jgekoela van lL0

°c

tot 1) °C!.

\ ( ~ Het koelmiddel 1S ammoniak van Cl üC

4

•

:..

--._---Hoeveelheid t e koelen water: S26) kg4hr~ hieruit volgt

de hoeveelheio al' te voeren warmte : 4S8.UGU kcal / hr

Opdat turbulentie optreedt ( nodig voor goede warmteoverdracht )

kunnen we maximaal 22 buizen gebruiken van een diameter van ~" • .1 t

=

~_7°e

u = bOL kcal / hr .mL.oe

Hieruit volgt : A

=

10,2 m2

We nemen 0 x ~2 buizen van 2 meter len~te, dus

diameter

l erHte

4Gu

mrn C:ULL mrn

Benodigde hoeveelheid amrnoniak

pen en compr1meren )

d.i . dus de hoeveelheid rond t e p

om-1400 kg/hr

4. De afscheider

De t08voer~troom is ca. lö, 11ter/hr. Een verbl i j f tijd van

15

minuten

is volooende, d.w. z. de inhoud van de afscheider is CR.

50

liter.

S. Eerste Destillat ie-kolom

Q1ameter 4GG mrn lengte 6uL rrnn

Geoestilleera wordt de oliela&~ uit de afscheider plus het destillaat

van de oeroe kolom.

Als topprooukt en worden verkr'e::;en: monovinylacetyl een, aceetaldehyde,

blauwzuur , chloropreen en acetyleen.

In het midden van de kolom worot de azeotr'oop acryloni tril/water

Sewonnen. Na condensatie wordt dit i n een afscheider gebracht, waarna

de waterlaa~ al'gevoerd wordt en de olielaae teruggevoerd wordt naar

de kolom.

---

-

--- è5

-afmetingen

~e rel~tleve V "Uchtl~neiQ v~or het ~ystee~ chloropreen / acry

lonitril-waterc!lzeotr'üop ( ni8r sleutelcoil1ponEmten ) , is Ca 1,8.

Rierv~n Ul tg~dld.e is weer de refluxverhoudin~; en het aflntal schote Is

te schatten.

llevondon werd refluxverhouain(j h lU,

aantal prakt. schotelsx n

=

15, a .w.z. lengte van de

gepakte kolom is 2 meter.

De dampstroom in de kole,m is ongevee r )U m)/hr, waë. rui t volGt

diameter kolom

u

,

é::

meter.

ko~ler tussenaftap

Hlerin woro t de v 10e1s t;of3 troem ( ref lux ) uit de kolom, ca. HA kg/hr,

bekoela vun 70 tot

55

oe . hiervo(;r i s het nocH ~ cia t 8)0 k. cal/hr

afgevoerd worden. Dit gebeurt de(;r middel van koelwater van

15

oe .

De eind temperatuur v&n het koolwE'.ter is é:.U oe .

D t

=

45

oe ,

u

=

)

0 l; kc b

1/

hl' • me. oe

Dlerult volgt voor het koelend o~pervlak A

=

0, O~_ me::.

"e ~ebruiken een s~ira~lkocler, wBbrin eûn ~fl buis is verwerkt van

1 m6ter lengte.

Benouigae hoeveelhelu koelwater : l 'lG kdhr.

afsCheider tuss8naftap

De gekoelde vloeistof vormt ia de afscheider twee l&gen , de waterlaag

wordt af_ó8tapt ( water), de 01ie188-i: t eruggevoerd na"r de kolom.

De vloeistof stroom is ca. du liter p€r uur. Vie nemen aan een verb

lijf-tijd van 1) minuten, en VlnQGn dan voor de afmetingen van de afscheider

cond6nsor

Ctiameter

lcnf:;te

0,é:. meter

0

,

4

meter

De oamp van de top dAr kolom wordt gekoeld tot 20 oe. liet condensaat,

bt; S ta8.ncie uit ac e L. t aldehyde, blauwzuur en chloropreen wordt gedee 1 te li jk

t fJruggevoero naicT de kolom, en ctOCi801telljk afgetapt (laB,,',kokende

bij-proQukten) . Het uit de condensor ontwijkende gas wordt naar de gask

oe-ler geleid.

Af

te voeren warmte : l~.~l;L kcal / hr

llekoela worat met koelwater v~n l~ oe, WLarvan

to t )L oe .

At

=

1; , ::> oe

u

=

,)

G L kc al / hr. m é: • oe

de temperatuur stijgt

slechte overdracht door

-

9

-Hieruit vinden we Voer het ko('leno oppervlak : A

= 4

,

9

we nemen 4 x 6 -t" buizen Van e0n len_':te van ;2 meter.

diruneter lengt e lee mm (2L bUizen) 2ul;C nun '=: m •

Hoeveelr~eld benodl3;Q koelwater : 1<;.9lJü/ 15

=

l.jjG k[Vhr. verdamper

loe.

~te voeren warmte 2Ö. GLL kcal/hl'

De verwarming c'escllieot o.m.v. stoom van llC oe, d.w.z.

Hieruit volst

At

=

jG oe

u

=

llJvl; 1< c"l/'h~. \",'-. 0<:

2

A

=

u

,

Si

m

Vle nemen 10 2''' buizen Van 1 meter lengte diameter

le n,·~t6

l'=:~ mIn

lLl,L mm Benodi6de noeve~lheid stoom E§:skoeler

De in de conuensor niet-gecondenseerde gassen ( 2U oe ) worden door de gaskoeler geleid, en da1:!rin gekoeló tot

-

70

oe teneinde de mono-vinylacetyleen in handen te krijgen.

De economische kant van deze koeling is niet bekeken; het valt te betwijfelen of deze bewerking, economisch gezien, verantwoord is .

Af

te voeren warmte

.a-fkoe len en condenseren van

) ,':} kg monovinylacetyleen per uur

afkoelen van u,

7

kg/hr acetyleen totaal

~b7 kca l/hr

25

kcal/hr 612 kca l/hr

De koeler bestaat uit twee concentrische buizen van 10 en 20

mm

dia-meter; in de binnenste stroomt het koelmiddel , trifluorchloormethaan,

oneie reen dI'uk van 1, l~ a tm, ingangs tempera tuur - (jO oe.

Nemen we aan een stroomsnelheia van G, )'rr.Vsec ( oan turbulentie, dus

1"1 óoede warmteoverciraeht), aan gaat door de koe ler l4u kg/hr.

per kg koelmidciel atJte voeren L~,4· kcaIt, hetc;eün neerkomt op een verwar

-m~ng van -du tot -bu oe . __

Hierult volgt ca.

Si

meter.

.:1 t

=

_./;';,

,,;,

7

oe ,

2 u

=

~u kcal/hr • me. • oe

A

=

u, 3b m , hetgeen oV6reenkomt met een lengte van

- 10

-o. Tweede Destillatiekolom

Dit is de z.g. proóuktie-kolom. Het destillect besta8t Ult acrylonitril

(

9Si

,

Si

LO _zui ver ) .

De a stillatie worut ult~ev08ra bij verlaagde druk , 150 mm Hg.

TOjJtempe ra tuur

>2

oe .

Bodemtemperatuur

7v

oe

Relatieve vlucht igheid acrylonitril/cyaanbut~dieen

=

ca. 2

Aan de hanG hiervan worGt óe rerluxverhóuolng en het aantal schote Is

gescnat :

refluxverhouding R

=

4

aantalschotels n

=

15

Hieruit volgt voor de lent;te Van de 0;epakte kolom : b meter.

De 6asstroorn is ca. )vL m.?/hr, w8.&ruit de diameter van de kolom

geschat 1JVorat~

Giameter

Ju0

mm

condensor

Af te voeren 74. Gl;U kcal/hr ; Git u.m.v.

van de temperatuur stijgt tot 2) oe :

Hieruit volgt

A

=

l

d

,

)

mc. .

o

k~lw8,teb "van

15

e , wa&r

-a t :±,. (j

e

'

u

=

sec

I<c...t/~~ ... '. °Co

Î Ive gebrulken ij x 3) blnzen ( ;à 11 ) van

1

,

5(;

meter lengte .

~".../'-diameter i..i.) U mm ( 2du bUl.zen )

len.jte 1)(;(; mm

BenoGL .. de hoeve,. l:neici koelwater :

7

.L~uG kc/hr.

Toe t e voer e n () .cuv kcal/hr

At

=

4

v

oe

u

=

1 U v L 'K c...A / hv .... '. oe .

Hieruit volgt : A

=

l,~~ m2

dit d.m.v. stoom van 110 oe

~e gebruiken

43

i

"

buizen van

v

,

7

m lenst e.

diameter 2LG mm

l engte '(vu mm

- 11

-'(. Derde Destillatiekolom

ook hL::rin worot. onder verlsc.t;de druk ( 15C mm Hg ) gefraktioneerd.

Het topprooukt is acrylonitril verontreinigd met dlvinylacetyleen,

hetc:;een teru".)gevoerd wordt naLI' de e\::r~te kolom.

Topt emperatuur j~ oe . I \ .

Bodemtempera tuur 7~ oe .

\,,)J.I\. ...

,J.l.dvIM.

, \

afmetingE:n.

Uit de relatieve vluchtigheid

van

(~

sleutelcomponenten, en de eis

dat het ketelpr06ukt geen acrylonitril meel' ma~ bevatten zijn de

r efluxvernouding en het a8ntal schotels weer te schatten.

We vinoen aan :

R

=

4

n

=

~G

De dampstro.om iJl .. de kolom

aiamete l' \-J_~, lJ m:) ')

is 2.') m':::/hr, . waarui t ge schat werd de kolom

-~L

-

~~{h~

lt'

... \

diameter condensor

Af te vOeren oGGG kcal/hr; dit door koelwater Van l~ oe, waarvan de

temperatuur stijgt tot ~C oe.

Hieruit volgt verdamper oiameter lengte A t

=

lLf.

oe . u

=

)lG kcal/br.mc.Oe lGL mm 2GLC mrn 2 x

5

buizen ~"

Toe te voeren b~UC kC81/hr, d.m.v. stoom van lIG oe .

A t

=

))

oe . c:.

°

U

=

l(JGG kcal/br.m • e Hieruit volgt A

=

u,17 m~. ciiameter lengte luG mm ( b DCL. rrJn, 1i<:. " bu i zen )

Benooi,soe hoeveelheid stoom : i e kg/hl'

Per UUI' wordt verbruikt '.pa b'(, u kG acetyleen ( ~,

Sd

kmol ) en

01,7 kg blauwzuur (~,~~ kmol ) , ter~ijl UIteindelijk verkregen

wordt luo,1 kg acrylonitril per uur

(c

,

uj

kmol ) .

Hit;ruit vol~t voor de rendementen

t .o.v. acetyleen 77 ~

- - - ---

- - - -

-\

- lc::

-uera~Qpleegde litteratuur

Ullmanns Encyklopädie des technischen Chemie, 111 -

tn

\

1953) h.E. Kirk anC!. D.E. Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology,

.L -

l

ö

4

(1

947)

Lietigs Ann. Chem.

lli

,

é:) ell ~J (1~51)

\ ' Ino. Chem. Eng.

fl

,

llLr

~

V

Petrol. Refiner, nov.

1~~7

, pg 2L9

- olJü

-J

"

11 I 1 d

J

J 6 Ij I 4 ) ,"

uJ

V1

'I

-.J

:::->

(-i

U" i -.J . • I \ -ç ,

,

f 0 -.J

,..

) \J f'"'ï':" I

-i

C'

~ -~ . r-I ~ l

N..l.

0"

;

~ !". ~ .

c:)

'.

1 ! ,eo "~~ _ ''''' __ ~'' •• ''.OO~''''''A '' ~. ' ,,_. __ C"-I : ! ! . ~

i

I ! { , j '" 1 0":) \

co

l

, J

.L

i I I 1 Co o 0' ; -i

,

t 11 fJ ,/ '"1 4

"1j

.-D 1 4 J r' V

-Ï' " 0' "'-~.,_ , __ ._ , o ___ ) .. , ~ 0 0' , , ~ -r 0 ~ ;

...

-0 ~ ~" : ,-.i,. ,.('

"'"

Go:) W

"

.J r'

1

J d -'

r

S ' J ) ,/

ij

--

'

_.,.

::f

!

--..:,.,

:

~ ,

C:>

-.)... 0 0'

Q'

i

() ,,'-(J' ...0 , ~ N , .-,

•

Ol

~

...,

;

--

~ f

r-~

'""

0 '1 ~-, ,

-,

-1

-.j,. ev , ~ ,

--l I : ,; .;

,

, ~

!

î

,

-,~""p,-,-;""" ''''''.,..-P._-P--; î I , I ) "' i ...

'-:

C' l

I

; .

.

. 0,.-'.;>".7 e o ~"~ ' ''io--'~'~~~' ' ~-' -'---f-'~''~~ ~_ ... ..,~--, ~ t'\ ~ , ~ ~ '-0

0'

: , ·-i··,,., ..

~

fó::V ~ , 0. " ~,." •. ). / 1 j ,J

1

1

j

I

4

I

.-J !

f'

l

1 .

1

:

J

~

~ d ; .J ~

-s

I 1-;

po.

'

·f

~ :

'1'

13 :1 J LAG E 11 hlateriaalbalansen

In de tabellen zijn alle hoeveélheden aangegeven in kg / hr. reaktor acetyleen Toegevoerd wordt 023, 2 kg totaal.

Hiervan is

550

,

5

kg/hr afkomstig van de absorber, terwijl ~,7 kg/hr terugkomt van de stripper. Vers toegevoerQ wordt dus 07, 0 kg/hr.

water Uit de reaktor verdampt 16,2 kg/hr (acrylonibril

gaat over alsjizeotroop ) .

De recyclegas sen welke de reaktor inge leid worden bevatten samen

9

,

4

kg/hr· waterdamp, zodat..per m,+l' in de reaktor

6ebracüt moet worden b,d kf/hr water.

~o""-~ _~t ~"''1 '1,'" L.. ... /I... ...., .. t.~- 4 .... _ G

""'J.. ....

~

...

~.~._

...

:'-CA. __ ~\.,. .... ~~_ ...

_---~--4 Q ~ , 0.. "-'A.-t. ... d....k"14«-.

stripper De vo~ding bestaat uit de uit de absor'ber verkregen oplos -sing en de waterlaag uit de afscheider.

Aangenomen is dat alle monovinylacetyleen oplost in het condensaat.

acetyleen De uitvoer ( b,~_ k&/hr ) ontwijkt voor een deel als gas (

5

,

7

kg/hr- ) en lost voor een deel op in het condensaat (

0

,

7

kg/hr ).

u-d.

. Eerste Destillatiekolom13ehalvev de olielaag uit de afscheider bestaFt de}voedlng ~ok uit het topprodukt van de derde destillatiekolom.

k

~

I

I

I

! • t i I

I

C

I

~

j1

I 1 I \

I

!

r , i ; I ~ ~ ... · ... --..4.,.. ... ----.---", .... ~,,... ...• ~.~ .... , ... _~ __ ~~_'n."., ... .",;;.. .... ,._ .•• _-\. ;. I 0' 1

I c,. _•... -.. -.. "~ ... .

3

p

r

r-

f

\ !

,

.

C". _G ,,'

-

I ('I -<

,

p

s

<r

~

p ~ _r f&t p 1 ... _- -~'--~ G S o C

..

1 _-t. ,.-

,.

,.

~

-:-

10

,.

1

r

t---H---'-t-~--~'''~''' ''' ,-- =-''~W'~'--f''-"" . .,. ~ . ., '-~._.~_ . "--.. ~., .. ~ .. ~. __ .,_ ...

f-'

:"

''''''

~-_.I-.• -... -··--4---·--+---t-t--,,--:-~-1 1

~

I

~

::

Z'

I

~

ti

'-L __ • __ -"--___ ._.. L. .•.. _ ..,... _,

,

'-4..J ... I ··-~"-

._--, I -~t u' "1

..

~ (

T{

t

j

I

B I J LAG E 111 \v'armtebalansen

, Alle

warmteinhoude

~

ijn

berekend t.o.v. die bij 0 oe.

reaktor + katalysatorkoeler Invoer : (l.c. ... ~'{Le ... -b21 kg/hr van 2u oe 5,7 k§lhr acetyleen, 1 oe 02 kg/hr blauwzuur, 2G oe

9'l+

kg/hr waterdamp, 2(., oe

b, d k

€I

hl' wat er, 15 oe

4968 kcal/hr

2

74 5LJ66

lUL

Totale warmteinhoud van

de invoer 10297 kcaljhr 'Uitvoer: temperatuur 71°C J[ 0 jJZ> 1 OE il KIV hl lGd,o k€/hr acrylonitril

3

,9

monovlnylacetyleen 5,7 aceetaldehyde 1,) chloropreen

),7

l-cyaanbutadiëen u,2 divinylacetyleen 2,b melkzuurnitril

55b,9

acetyleen ),4 blauwzuur 10,2 - wa terdamp ltlb25 kca l/hr

469

93 2 12

7

635 25 82b 15d16 0-8öd Sd76

totale warmteinhoud V8n de uitvoer 48275 kcal/hr Balans warmteinhouQ invoer reaktiewarmte 1l;2~;7 kc al/ hl' 12GG(.,u

--15

G2'-;7 kc a 1/ hl' warmteinhoud uitvoer

afvoer door kat.koeler

4d275 kc all hr 82G22 absorber Invoeren Uitvoer 1)0277 kcaÏ/hr

damp uit reaktor, warmtelnhoud

5256

,

b kg/hr water van 13 oe

totale warmte inhoud invoer

temperatuur cu üe

48275 kcal/hr

68.536

llid,O

3,9

'),(

1,3

'),7

0,2

c

,b

5~o,)!

)

,

4

)!,~ ')20),5 kg/hr - 2 -acrylonitril monovinylacetyleen aceetaldehyde chloropreen l-cyaanbutadiëen divinylacetyleen melkzuur'ni tril acetyleen blauwzuur wa te rciamp water

totale warmteinhoud uitvoer

1000 4b

₅

ol

13

57

2 26

LjL(

-

55

41

84

1052'(0 kcal/hr

116573

kca l/hr

D{warmteinhoud van in- en uitvoer zljn dus nagenoeg gelijk.

stripper + condensor + verda~er

lnvoer : 200

e

10)',7

₄

_,u

b,0 l,j

)

,

?

0,2 2,7 0,4 ) ,0 kg/hr acrylonitril monovinylacetyleen aceetaldehyde chloropreen l-cym nbutadëen - Q.<.e~ylll'" divinyleutaaoen melkzuur'ni tril acetyleen blauwzuur 1097 kca l/hr

4

1'q;

ou

1)

)7

2.

27

.~l Lj_b )279 W &.ter llJ'>5bu

totale warmte inhoud invoer lCJ7Lj_10 kc al/hr

KetelproQukt • _• )20c,8 k~/hr water van lG0 oe

5

2 02hO

Destillaat lL9,7 kg/hr acrylonitril

₅₅

kcal/hr

1 oe

4

,

0

ktl/hr monovinylacetyleen 2

b,G aceetaldehyde

₃

1,) chloropr'e(~ n 1

')

,

7

l -cyannbutaQiëen

₃

u,c divinylacetyleen

2,7 me lkzuurni tril 2.

b I,

,4- acetyleen )

:;,ö blauwzuur 2.

10,2 wa ter 16

totale warmt E' inhoud d.estill. 1:57 kcal/hr

-

3

-condensor : hierin wordt gekoelà. en gecondenseerd tot 1 oe

Balans

'7Ó?

,

j kg/hr )6,u

SL,

,

(j 11,7 )1, ) 1,ö é:.4, ) 0,1.; -3L~,

2

14),b acrylonitril lbb750 kcal/br monovinylacetyleen 4ul~o aceetaldehyde u004 chloropreen llu5 l-cyu[nbutadi~en 5697 aivlnylacetyleen )L5 melkzuurnitril DG)l acetyleen 179 blauwzuur

d

dj

8

water bö8GU

totaGl af te voeren 294979 kc al/hr

warmteinhoud destillaat

ia. ketelprodukt

af te voeren in conaensor

warmte inhoud invoer

warmtetoevoer veraamper

87 kcal/hr )262bCJ 2'74777 82134b kcal/hr 1074lCj kcal/hr 71393 6 eerste à.estillatiekolom 1 L-:. oe

voeding: s te tempe ra tuur .J

de stillaa t 200

e

117,2 kdhr

3

,

9

acrylonitril 293 kcal/hr monovinylacetyleen 10 5,7 aceetalà.ehyde 14 1,3

)

,

7

chloropreen 3 l-cyaanbutadi~en 14 U,5 divinylacetyleen L _ 2,6 melkzuurnitril 7 U,7 acetyleen 1

3,4

blauwzuur lU u,7 water 4

totale warmte inhoud voeding 357 kcal/hr

5,7 kg/hr 1,3

)

,

4

:;

,

'7

0,7 aceetaldehyde chloropreen blauwzuur

monovin.ac.\damp)

cetyleen tgas) totale warmteinhoua 57 kcal/hr 13

4_1

~57 6

5

'

(4

kcal/hr

- - - ' /

)

.

-

4

-

-middenaftap 71 oe 0, 6 kg/ hl' wa ter

42

kcal/hl' ketelproCiukt 713

Oe

117,2 kg/hr 5,7 acrylonitril l-cyab nbutadiëen Qivinylacetyleen me lkzuurni tril water 4570 kca l/hr 22

G

,

S

20 2, 0 102 G,l 4

totale warmte inhoud

4718

kcal/hr

condensor ~ top) hierin wordt gekoelQ en geconQenseerd tot 20 oe

balans

)

,

9

k8;/hr

U

,

7

monovinylacetyleen acetyleen ~ damp) ( gas j

bè:

,

7

14, )

37

,

4

aceetaldehyde chloropree n blauwzuur

tota81 af te voeren warmte

Warmteinhoud destillaat

i6. miuQenaftap

iu. ketelprotiukt

Afvoer top-condensor

iei. miudenconaensor

zie verslag pg. 13 )

~v armte inhouQ voeding

harmtetoevoer verciamper obd c:olo) 377 é'J'(blJ 2blho) kcal/hr kcal/hr kcal/hl' 18,kcal/hr

7

9)71 12

45

9

272 1991) kcal/hr Tweede destillatiekolom voeaing JO oe aestillaat

32

oe 117,.2 kb/hr 5,7 O, J 2, b G, l acrylonitril l-cyaGnbutadi~en divinylacetylsün melkzUllrni tril water

totale warmte inhoud

117,2 kt/hr aCI'yloni tril 0,1 divinylacetyleen totale warmteinhoud 293G kcal/hr H,-3

13

b5

5

)15b kcal/hr l j77 kc al/hr 2 - -l or ) kcal/hr

-

J

-kete lor odukt

70 oe ~ _{ij , b kg/ lî...r} ~,7 acrylonltril l-cyaanbutadi~en aivinylacetyleen me lkzuurni tril 3Gl kcal/hr condensor balans 200

0,4

14-é.,b 91 G,l vVb. te r L

r-totale warmteinhoua blO kcal/hr

hisrin worat gecond.enseerd bij 32 oe

~4j kb/hr acrylonitril

0,) - aivinylacetyleen

r(3uOO kcal/hl'

4)

totat,l ai' te voeren warmte 7)04) kcal/hl'

warmteinhoua aestillaat

ia. ketelprodukt

afgevoerd door condensor

ld7'7 kcal/hl' blO

'( )dL~5

7

b3 ji i kca l/hr

warmte inhoua voeding 3150 kcal/hl' warmtetoevoer docl' vera8mper '()lTj

(' bj)4 kca l/hr derde destillatiekolom voeaing

5CJ

oe aestillaat

32

oe b,b

5,

'

"(

O, L,-2,b

v,l

acrylon:Ltril l-cyabnbutadi~en Clivlnylacetyleen melk zuur ni tri 1 wate r totale warmteinhoua C5,b G,j 0,1 kg/br acrylonl tril aivinylacetyleen water

totale warmte inhoud

21) kcal/hr 14-3 10 6~ 3 ~)u kcal/hr 13d kcal/hr

5

2

145

kcal/hr

- b -ketelproaukt '(5

Oe

5

,

7

kg/hr l-cyaanbutadiëen 214 kcal/hr

4

-condensor balans U,l aivinylacetyleen

9

tJ r) 2, b mslkzuurni t r i l totale warmteinhouo

43

kg/hr acrylonitril 1,) - aivinylacetyleen

310

kcal/hr

5d5G

kcal/hr

135

totabl af te voeren warmte

5905

kca l/hr

warmteinhoua aestillaat

ia. kete lproaukt

warmte afvoer door conaensol'

warmte inhoud voeoing

warmtetoevoer öoor verdamlJer

145

kcal/hr jlo

5)05

b41~6 kca l/hr 4jo kcal/hl'

bUIO

04.40

kcal/hl'

?

B I J L A J- E

IV

Berekeninê) condensor 20 oestillatiekolom 'hr'~

.. ~. _J.

(.(JI..lJ , .. ' 11'" ,~.or

In Ge eOIlUensor condensG(;rt acrylonitril en

hoeveelheio aivinylacetyleen.

De hOévesll1eid af te voeren war;ilte beorruo ~t

Gekoelu worut met 1fwter, aat oour öe buizen

stroomt; temperatuur invoer 15 oe, ui tvoer

AanGe IW;llen woru t 02 t we te JrJftken hebben met

Symbolen en gegevens

inwendi~e olametor aer buizen

ui twenuigo Ciiame ter

-wanooikte van oe buizen

af te voeren wauntestroom

af te voeren warmtestrocill per mC

volumestroülfl koelwater l m)/sec

n aantal bUl.zen per pass

V_w

=

snelheiCl koelwaterstrüom ~ m/sec

rw

=

aichthe ia water (

cu

oe )

17

w

=

v i s cos i t e i t wat e r l

c u

oe ) Lv

=

temperatuur bUlswanö f"". =

t..-T {

W' ' ef,n te verwaarlozen ,

'74 •

0 G () kc a 1/ hr •

van Oe warmtewisselaar

25

0_e; --, _• een filmconoensatie .

=

lj

,

3>

mm 15,ö'( mm

=

1, cLj. mm

'7

L+ • Ü G 0 kc a 1/ hr

35

10) kg/m?

=

1, Ul.lL-~ Hsec/m2 ~Wt

=

tI te.: bi nnenzt .ide bUltenzijde

gu:liooelde hoelwater temperatuur = 20 oe

:;(' 0 U-0(, = cf...1. À

=

rv

=

~(

=

~l ~

=

"1<

LÜ

=

hl

tempera tuur om oe bUlzen =.,Jc e

totale warmteoverurachtsco~ffici~nt J/mc.oe .sec

vvarmt eOV8 ruractü sc o~ff ie ient wa te r-bul. swand

'cu.!. swano-c onGe nsru llnte

de piJ)WanCl

45

J/Jtl

.

Oe . sec

J

,

'7

•

1 0:7 J / kg

warmtegeleloinbsvermo~en van ve:cuamiJinc,swarmtc C onu(:;n:::Wt t

uicntheio conoensaat

warmtebsleioin6svermo~en conusnsast

ve1'snellin" ooor oe ZWBè.:ctek1'b.cht

visc~slteit condensa~t

t2 - tw

_c

=

()'(

ke/m)

L,2 J / Ja. oe • sec

l aangenom~n waDrde

=

;:,01 m/sec':::

=

4.10-

4

Nsec/m':::

t a~ ngenomen waarde

log. bemiooelo verscnil van os temperatuur om de buizen en de

koelwater temJJeratuu.r

proceoure

a) Teneinde na te ,-,:a",n of ue stromin,c; in de buizen turbulent is,

DetgsGll eeD vereiste is vour eGn ~oeoe wa~mteoveroracht, wordt he-c heynolds-i~etal VGC1' oe 1<oelwaterstroom borekend.

b) berekening 0...

-D,l. 0.9 ( ) - 0,

4"-LJLL. X tDi) x Vvv X ~i",

~"a·

l r> l' ei'. 1. r h . Kram ers : e 0 11 • d i c t a.s t _{P hy s • VI' er kw • 1 )}

Vour berekenin:::o van oe 18;.t~te term is bekenuheic.. met ue wanotempe

t

- 2.

-Voor

ct,

en U ,,,eroen WB,.' rden a, n .enomen en hieruit ($2 berekend

, I

(d ...

i)

0(1, Ü - , . I 01.,

l\~et behul}l van deze ge{;8VenS wer'u tw berekenCl~ ~w" = 0( .. (it,- t ... ) -.: 0<, Ctw- t.)

Gebaset;ro 0.) oeze tw weru , nlE::t (i), 01., berekeno.

C) berekening dl

(11)

l frof . ~r. h . Kramers, Coll.dlctaat

2hys.l,ierkw. 1)

u) Correktie tw aè:n de Il&nQ van de berekenue d,end q Ult

cp",,":

eXl. {tt.-t""J -zol., (i...,,-.f:.J _(11J.)

enzovoCJrt

11_{enslotte is Oe correktie ve}

Hl a,· rloc,sba r klein, en wordt uit de aldus

verkre6en jJarti'èele warmteoverurachtscoëfficiënten oe U berekend, en

daar'uit net koeleno o).fJervlak V8n oe conoensor.

Uitvoerinb berekening

a) hoeve l:ueiu koelwater : '(LIJJL., ki.jhr

stroomsnelheiu kOelwater ~ u,4l7 m/sec

he

=

fw. v""])~

=

uJSG, 0 .i . turbulente stroming, dus

warmteoveror&cht.

goede

b) Ui t Donalu. \.i .Iiel'n lIprocl'ss L.eat ;l'ransfer" fJg ,;) ) werd gevonden

0(,

=

)7

2 B .. l'.I,J .jhr .s\".n~ .oF

é:.llj Jj iil~.

oe

.

2ec

l\j emen we aan U

=

5vL., Jjl!1é:.

oe

.

sec, U.an vinucn we uit

~~:

-h - (

~ ~~)

0(\ =

_ou7

_Jjm2_•

oe

.

_sec D,~w

.b ereke ninb tw ~

À r - -______

~:

=

o/ .. (!~_t",J _ d (tWL-t, .. ,,) =:0(, (t...,,--t,>

ul el'ui t we re.. bF rekE;DQ .1 tw

=

C, 2

oe

uit (I~l) VUlCtu mE:n nu: t _w

_=

2.~ ,o

oe

..

stel U =- 5LG J/ml::.oe .sE:;c

uit ~ lJ .. L) tv; =- 22,9 oe

GebasoEcr'd 0,,) deze tw i~ uit ~l.1.) a\ te berekenen - - 7

d) eorrektie tw m.b.v. ~LLl.) tw ::: _25,1 e) berek8ning ft ' s f) Correktie tw g) b erekelllnt.:'; 0(. I S h,

e

orrektie tw .B,inuresu1taê. t : ( 1. ) (11.) ---4 d, _{- 2c:.1G} dt ::: ₁₎₀₇ ( olol 1. J ---t tw ::: 2:..;

,

9

0(, ::: ₂₁₀₀ al ::: ₁₄₉₉ tw ::: _2l,9 I LI

=

1,lijLt-. 1G -) U ::: 00( J/mé:. üe .sec

=-=~=J~~=~~~~~~;~~;~

(L, • lilA) kcal/hr =- (LrJ kcal/hr.mL • oe =- b oe

hieruit volst A::: 12, 5 m2

oe

J/m2• oe . sec

Oe

J/mc..oe .sec

oe

0:)pel·v1ak .t:.!er meter buis :

lG . l)eI' meter- bU1.zenbunue1

u,O~6

m

2

_/m

)') buizen ) 1,bl Vie hebben nouig 12, 5/1, bl:::?, -rb m ~,)ij:obunoel.

Een warmt8wis~ela::::r met ern pijplengte van 2 meter en

4

passes

.

'. ; , . î...y" " . . \ 1', .• \;<' " . .. , ... ' A!. ) .. -.1,\ _,

....

• ....