Verslag behorende bij het processchema over de bereiding van phtaalzuuranhydride

· Verslag behorende ,bij het processchema

van

- .~ '1 , \ ;

, \.

~ " l~ ' .. ~~ ~.

'\

;\\.

. ,.;

TEe H NIS C H E H 0 GES C H 0 0 L

Laboratorium voor Chemische,Technologie .

\. ,

Verslag behorende bij het processchema over de bereiding van phtaalzuuranhydride.

. l t . , ~ . . . .

J.A. van der ~arel,

," 4 "" ... Burg. Kampschoërstraat 6, ,'Mons t

er.

.

,.

januari'1964 .. r. " , ':,' \' ; , ,.

..

•

A. . Inleiding.

Hoewel de productie van phtaalzuuranhydride ( in het vervolg aangeduid met P.Z.A.) pas na de eerste wereldoorlog een grote

vlucht genomen heeft, was de b~~eiding op laboratoriumschaal

reeds veel eerder beKend. In 1836 publiceerde Laurent (1) ,zijn artikel: "Uber Naphtalinsäure und ihre Verbindungen". Hierin

be-scprijft hij de oxydatie van 1,2,3,4- tetrach~onaftal~en tot

phtaalzuur (door hem naftaleenzuur genoemd) o.i.v. salpeterzuur.

Toen in de laatste helft van'de 1ge eeuw P.Z.A; economisch be-,

langrijk werd, heeft men 'verschillende processen ontwikkeld. Zoals: De Vlóeistoffase oxydatie van naflaleen m.b.v. zwavel-trioxyde en kwikzouten als katalysator ( 1896, Badische Anilin und Sodafabrik). Dit proces is tot de eerste wereldoorlog in g@-bruik gebleven.

In 1917 werd door Gibbs en Conover (2) (U.S. Department of Agricut-, tureJ. een dampfase -'proces ontwikkeld. Hierbij werden

molyb-deen- en vanadiumoxyde als katalysator gebruikt.

o.nafhankëlijk hiervan ontwikkelde Wohl (3) (~.G. Farbenindustrie)

een dergelijk proces.Alle thans in gebruik zijnde processen

be-rusten nog steeds op dezè ontwi~keling, ,zij het, dat sinds 1947

~-:

;,'

..-,

. ook o~xyleen als grond~tof gebruikt wordt (4). ~

Tot 1945 werd het' proces alleen in vast-bed react~ren uitgevoerd,'

terwijl nu een'fluid-bed reactor hoe langer poe llieer in-gebruik

komt' •

I

rIet· belang van de PTZ.Ä.- productie ligt in de ontwikkeling van diverse kunststoffen. Tot ,1920. was de toepassing beperkt t9t de bereiding van enkele organische kleurstoffen, terwijl thans grote

'hoeveelhedeh gebruikt worden bij de bereiding van alkydharsen, I

weekmakers" polyesterharsen en kleurstoffen.

Figuur 1 en tabel 1 geven een peeld van de productie en het ver~

bruik van F.Z.A. (.5,6)

Tabel 1. Ver.bruik van P.Z.A.

---, ..

1954 1957

-Alkydhars en •. , 56.40.0 ton 57,2 % 72~60o. ton 50.,0.

%

Weekmakers .• ·36.30.0. ton 36,8. % 52.20.0. ton 35,9 %

Polye~terharsen~ 5.90.0. ton 6,0. % 20..40.0. 'ton '14,1

%

kleurstoffen.

Totaal 98.600. ton 145.20.0. ton'

De grondstoffen voor de P.Z.A. bereiding zijn:

\ . a.· Koolteernaftaleen.

b~' PetroleumnaftaJ,.een.

c. 0. ·xyleen.· . ""

, j .. .. ;1 -,

..

. ' , 'T ~_ ," ; " ' ' ' . _ . • ::;:;:C: 1-8 ... _ •. _ '" ) v ... '1'='., ' • • ~ ,. _. _ ... v 2.

Koolteernaftaleen is een bijproduct van de- cokesfabriek.

Petroleumnaftaleen is een belangrijk bijproduct van de aardolie-'industrie, evenals o-xyleen. De oxydatie van o-xyleen is een der

laatste ontwikkelingen. Zo w6rdt in Italiä en Japan reeds 70 - 80

%

van de F.Z.A. - productie bereid uit o-xyleen. '

De research is er nu'op gericht een katalysator te ontwikkelen,

waarmee zowel naftaleen a~s o-xyleen in een fluid-bed reactor

geoxydeerd kan worden ~ot F.Z.A.

Dat de fluïd-bed :r-eactor'Lterreiri wint t.o.v. de vast-bed reactor blijkt wel uit tabel 2. Hieruit volgt dat in 1962 een

jaar-productie van 180.000 ton P.Z.A, bereikt werd via het fluïd-bed

proces (7). Dit is 20 á25

%

van de wereldproductie.

,

Capaci tei t

~

start-up Onderneming " "

1945 Sherwin-Williams no. ;1 • _.. 4.

, ,

1952 United Coke & Chemical-,,

_.

.

, 2,5 .

1952 American Cyanamid. '

'.

25.

1953 Imperial Chemical Ind. 20.

" " 1960 Reichhold Chemical. ' " 15 •

.

1960 ACNA ( _{Italy) • 11.}

1961 Union Chimique BeIge. ; 5,5 •

1961 .

-

Hatco Cb.emical Co. J

15. .' ... , ~"'. 1962 Dominion Tar.

.

' 11 • " 1962 , IvIonsanto. .- - 25 • 1962 Union Carbide. 25. , 1962 Synres, ( _{Holland) •} , _5. 1962 - Sherwin

-

Williams no 2.

6.

1962 BASF (Germany) 10. Totaal. 180.

Tabel 2,In gebruik ~itinde fluïd-bed reactoren.

*Jaarlijks in duizenden tonnen.

De belangrijkste Nederlandse producenten zijn:, De Staatsmijnen

Cindu ( Uithoorn)

Synres ( Hoek' van-Holland)

" -6000 5000 5000 ton/jaar Fixed-bed ton/jaar Fixed-beà ton/jaar Fluïd-bed

.

-' , -' - ' , , proces -proces proces •

7

, '1. :Î ~} , :~

.

.

.

.

..

3.

B. De keuze van het proces.

1. De grondstofkeuze is beperkt tot naftaleen en o-xyleen van de

aardolieindustrie en koolteernaftaleen van de co~esindustrie.

Voor de P.Z.A.-productie wgrdt naftaleen g~~KK~* vereist met

een smeltpunt VBn 76 á 79

c.

(8). ~e naftaleenogewonnen uit aardT

olieproducten heeft eÖn smeltpunt van 79,6 - 80 C 'en naftaleen

ui t koolteer 76' - 78 C (7). ' , '

Aangezien o-xyleen een geringere opbrengst, geeft en tevens moeilijkheden bij de zuivering (8), is de Keus gevallen op naftaleen uit de aardolieindustrie • ' ' ,

2. De reactor-keus ligt mo'eilijker. Aan beide typen reactoren zijn

VOOT- en nadelen verbonden. Deze zijn ('4,7,9,10,11,12,13,14,15):

fluïd-bed.

_.I.

vast-bed.

Voordelen. _{-_._'"*"_ .... ,_ ...}

tt!

1 • Uniforme temperatuur. 1. iláeerdere gr~ndstoffen

ge-2. Lage lucht/naftaleen ver- bruiken.

houding. 2. Eenvoudiger bouw van de

3~' Minimaal explosiegevaar. 'reactor.

4. Eenvoudiger winnir~ oer 3. Iets hoger rendement.

producten, vanwege hogere 4. Weinig onderhoud en

slij-concentraties. tage. ,

5. Opwekking 'van Hogedrukstoom.

6 .• 'Lagere investering. ~ , ,

-Nadelen. ---_.-=-.

---

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

__

-..._.

,-I.

Gro,tere verblijftijdspreiding. 1. Moeilijke

temperatuurs-2. Slijtage aan katalysator, beheersing.

dus stofvanger nodig. 2. Grotere drukval over

3. Erosie-effect van de kat a- katalysator-bed.

lys'ator. 3. Werken in explosiegebied.

4. Hogere onderhoudskostèn. ~-

_-fitl.7t?

Wanneer men deze factoren in overweging'neemt 'valt de keus op

de fluId-bed reactor. De ~oornaamste redenen zijn:

a. De veiligheid.'

I

,

I

I

,Een mengsel van lucht,ea'naftaleen is bij een tempër~tuur' van

500 ~C en een naftaleen-concentratie groter dan 3,5

%

explosief

( 7,16). Om nu explosiefvrij te kunnen werken moet een 30-voudige overmaat lucht genomen worden. Dit is econOmisch onvoordelig,

·want een meer dan 10-voudige lucht overmaat geeft geen

rendements-, verhoging meer. Tevens wordt de a~scheiding van de reactieproduc~

': ~ ~, 'J ... , " ". ;' " ~ 1:1 I'': ,< c. " " ~:. A _,

4.

~.~

.

,.

~v1 ~v .... -· .,;". ). ).J ",".J 't ",,\ L~ ,~'-

-'.,. ,

.,t, ~ Ji~J.·"'w,

De fluïd-bed reactor wekrt bij een

tempèra~ur'van

350 - 380 oe

en een lucht-naftaleen verhouding van 10Y~ 1. '

Door de snel bewegende katalysatordeeltjes wordt een explosie-golf direct afgebroken, terwijl de temperatuur.,l!1niformer is.

Dit zijn zeer' grote voordelen t.o.v. de vast-bed reactor~

b. De investering.

De kosten van een fluîd~bed reactor z,ijn,,:veel lager dan van· een

vast-bed reactor, watt natuurlijk groot'gewicht in de schaal legt. _{, ,}

c. Plaats en grootte der fabriek.

Nu de keu'ze gevallen is· op petroleumnaftaleen als grondstof is de beste plaats naast een aardolieraffinaderij. Via een geïsoleerde pijpleiding kan dan naftaleen in vloeibare vorm aangevoerd worden. '

Di~ geeft een grote'besparing aan vervoerskosten. Een tweede eis

is dan, dat er in de naaste omgeving een PTZ. A. vervlerkende indu-" strie is, of dat de producent zelf ,het P.Z.A. weer verwerkt,

zoals b. v. de Synres te IIo~k van I-Iolland doet.

Een goede vestiging zal b. v. het Bot'lekgebied zijn, omdat daar een behoorlijke aardolîe-industrie verrezen is. De grootie van de fabriek is afhankelijk van de vraag naar P.Z.A. De opzet van dit schema zal voor een middelgrote febriek zijn. Dit is een productie

van 5000 torJjaar. (7). Een kleinere eenheid is niet aan te raden,

omdat men met te ·kleine eenheden te duur produceert. De investering

daalt n.l. ni et evenre'dig met de productie (17). 'IJ 'A • ..,A.? ' .

-

~ ',. ,/.'.' , '. . .-~ , .. .,~ i ,': , .

,-_ , • _ ._ k, _ !C ... , ; C~ • , . ~. . . . ; - ... i · " . .... , . _

5.

D. De rBactiekin~tiek~

Bij de katalytische oxydatie van naftaleen tot P.Z.A. met overmaat

lucht, treden de volgende reacties op ( 18,19,20). a. hoofdreactie:

oo

·~·

.

I

~

naftaleen (N), pht~alzuuranhydrid~ (P.Z.A.)

b. nevenreacties: , , ''" H20 -}- 98 ~cal.·',

.

., o ~aftochinon ( Q)

( In het vervolg zullen de tussen haakje~ staande afkortingen

gebrui~t worden)~

Om nu een reactor te vervaardigen, moet het reactiemechanisme

bekend zijn. Voor de oxydatie v'an N tot :P.Z.A. zijn verschillende

,mechanismen voórgesteld.Het meest.algemeen is:

~')P.Z.A.~ _

N~ ' . ~M.Z.~-=-. ----~>G

, .

~

~Q.

---

,

-( -1:;)

G zijn de producten na volledige verbranding.

Ook zijn er vereenvoudigede mechanismenvoo;gesteld:

a. D.tAlessan~ro en Farkas (21);. ' '," .' .:. : " ~~Pi Z. A.--~2'---~M. Z. A. N~:; ,··r--~,----~6---.~

.~Q

. , ~. . . ' I . " , C',

.

~ ., i ( . i ' , I. L ' (' , I ~ ,

..

, ,.or '"e; ." '.' 'I " 6. b. Joffe en Sherman (22)":' -2---~lvi.

z.

A •

Dool;' Pe;terson (23) is op dit gebied veel werk verricht 0" Als

reactie-me.chanisme neemt hi jeep combinatie van a~ en b. n.l.:"

' .

. In reactie 6 ( N --...G) heeft hij allerlei nevenreacties-opgenomen,

zoals de vorming van kleine hoeveelheden benzoë~zuur. Voor deze

reacties heeft hij de frequentiefactor en de activeringsenergie uit de for@uleovan Arrhenius berekend voor een temperatuur-traject

van 260 - 400 C. Uit de betrekkir~ van Arrhenius kunnen nu dus

de reactiesnelheidsconstanten berekend worden:

K

₌

Ae- E/RT

A Frequentiefactor. '

E - Activeringsenergie.

Hij geeft de volgende waarden:

A.

--~_. ~,..." .. _'" .. ~ .... ~ .. '"'."'.~ 1

.

N ~ F.Z.A. 5,6 -.. . x. 166 14,

'.

2 P.Z.A.~M.Z.A. 1,2 x _1°5 3 N ;;;. Q 1,4 x _1°4 4 Q > G _{1,6 x 10,}

5 . :

Q ~ _{P. Z.A •. 4" x 1°5} 6 ! N ;> _G x 10

_.

E (kcal/mol)

17

43 13 . 12 8

17

I - - - - -_ _ _ _ _ _ _ -I,_....:...!. _ _ _ _ _ _

7,8

~-_---..:_,--~----_.-Om nu een beeld te krijgen van het verloop der concentraties met

de tijd, worden de volgende concentratie-tijd vergelïjkingen

op-gesteld. Hierbij zijn· de volgende notaties gebruikt:

N - concentratie van naftaleen in Kg/m

3

No •.. concentratie van nai'taleen in Kg/m) op t

=

0"

P = concentratie van F.Z.A. in Kg/m 3

-Ni = concentratie van ril.Z.A. in Kg/m'

Q

=

concentratie van Q. in

Kg/m~

G concentratie van G. in Kg/m)

K = reactiesnelheidsconstante~:

t

=

tijd in sec •.

" ,'''l i '-".'.

7.

Wij krijgen-dan: a.Naftaleen: -dN dt dus: -- dN '

=

aN - dt

De' oplossing luidt:

N - at N'

=

e := Y. o -b. Naf'tochinon: c.

...

gg

dt I ' stel 'dQ - K3N:-, bQ (ft ~Q

=

b N

₌

N - at

oe_ , (zi

e

a ), dus

at

-dQ a K3Noe- bQ dt De oplossing luidt~ - ' ( -at ~bt --. Q -

=

K3 ~ No J e -,e _. _ e . , ) ' -stel Q -'N o

b=-ä

-bt e '

=

x dan is:: K3 b-a - )( (C~y - x ) Phtaalzuuranhydride: dP = dt dP,= dt _ Kl~ +-K 5Q -K2P .' I ," K

N -

at 1 oe

+

~

b-a '-,-

.

\ " . , .... ,,-... I ~ .~. "

" .; :1; 'I, \

-., '1 l i " I ~~' ,.,.

-

.

j ~ I: ' . !K1' 2K3K5' .' "

J-, J-,-( K2-a

t

C.b-,a).(p~2-~)

, . . . . i ~'. -kJ.

i

e, 8. -bt e

c

=

dus P N '=. ,Ay- Bx - Cz o ' d.' Maleinezuuranhydride:, De oplossing luidt: r~:;: K_{2 Ae-a~} K 2Be- bt Ce-~t No

=

_a x

-r

_b +

+

.; stel' K2 A K2,

_-

_{- -}

B

_-

C

₌

D a b Dus: Iv!

Ir=

K l1 .. r K B X

+

Cz + D 2 ~

+

2" ,0

a

_'i)

e. Gasvormige bijproducten: De 'oplossing luidt~·' K 2 A

-a,

~

_ _{K6 ",}

K~K4

' ( ' K6 '

K~K4

.. ' ) , N _ _

+-L--

- + . /

o

a

'

'a b " a a ( b-a) -at K:K4 e ,

+

:!. b( b-a) . . . -G .J.. No - ' K2.B _ C

b-:-'-bt e '. X ' I •

.< I ~. , .' I ,~i , ' j .J;0 " . , . .: ; -.i'" . , ... : 1 1:' , ' t··· ... . r .• - _ ... . __ ... _ ..

-9.

Nu kan.dus m.b.v. de te berekenen waarden zoor de

seactiesnelheids-constanten bij elke temperatuur tussen 260 en 400 C, de

concen-tratie als functie yan de tijd berekend worden.

Bij deze beschouwingen is geen rekening gehouden met het'feit, dat de zuurstofconcentratie bij toenemende reactietijd afneemt. Berekeningen uitgevoerd door een werkgroep van prof van den Berg hebben echter aangetoond, dat vanwege de grote overmaat lucht deze invloed verwaarloosd kan worden.

Wanneer nu uit deze gegevens een reactor berekend zal worden, dient men zich wel te realiseren, dat de te gebruiken katalysator

dezelde zal moeten zijn als die waarmee Peterson zijn proeven

uitgevoerd heeft. Hij heeft n.l. aan de hand van resultaten met een bepaalde katalysatàr de frequentiefactor en de activerings-energie van de diverse reacties berekend. '

"

,

:·0

.' ,

I'

, , " " i-, 9 " ; ,

.

, Ir I r _ _ "~_."" ~ • • ~ . . . .• J ' . . . 1> . . . . , • J - ... - - . ... .... 10. _, ' '

E. De 'optimalisering van de reactor.

De werkgroep van prof. van den Berg heeft voor een

tempe:ratuur-traject' van 'l.bo.- :,80

°c

de optimale werktemperatuur b~rekend.

Hier~oor'heeft men voor verschillende temperaturen uitgereken:

a. het rendement van de reactor. '

b. de bijbehorende'kostprijs ven het product.

D~' kostprijs is berekend door o.a. de volgende factoren,'in ~eke-q

ning ~e brengen. ' ' l ' 'r)\. ',..

1.

2-3.

4.

Investering ~ande apparatuur.

Onderhoudskosten. Aftchrijvings-en verzekeringskosten. ' Loonkosten. , I ' \\~ .. tJ ~til ~\ \ . ~ut.l\N ... IJ' \ ,"" I } .. , I \,~

lo\p

~.

(\

,v ~VV'\

I

1-('N ~ 1:;;. ~ ~ut-,'Vl- 1 ,f t,;V" '\" \.]-1\ t;V' • \,1.''' t, IV' I ','

(J \

~. -i

\ft-,

~,

f

De werkgroep kwam tot het volgende resultaat: ' ~

Werktemperatuur in

_°c

260 ,300 350

_Î

360 380

Kostprijs per ton. in $ 325,8 245,9 236,2

I

236,4 263,2

l-Iieruit blijkt dat de optimale t~peratuur tussen 3500 Ön 365 0C

ligt. Voor ,de optimalisering is(eéry tem

l

:

eratuur v~n, 360, C

aange-nomen. ~ , ( j , ' ? ,

L '

.'

\.,.~ , ' .. ~ }\"""c,. '~!'i.;)

'::.-Allereerst worden nu de reactiesnelhe~constanten berekend uit

de wet van Arrhenius:

K _ Ae-E/ RT

R --gasconstante"

=

T ; werkt~mperatuur 1,9§7 _{in K "" 633. K} Cal/grgad,mol

De waarden voor A en

Hierui t volgt~ , E ~ijn vermeld oppag' 6.

Kl

=

7,48 _ ' , K2 = 0,16 4,51 1,14 , , 7,38 1,04

Deze waarden worden nu'ingevuld in de concentratie~tijd vergelij~

kingen. Di t .geef~: . N ~. I •• No

=

Y

~

0 , - - ( Y.

~

x)

_{. .} ,. p - 0, o~Y 0,883

+

0,893 No

=

-

x z Tv1 0,00012

y'+

0,0168 0,893 T·0;876 N'

=

x-

z 0 _,. G .'

+

0,0076 Y - 0,134 -r 0~.126 No

=

x . . . -'." .\ . . • , ~ ... : ... -•. -"!~~.'.',..,....-= ~., ~ ... ..,~ .. ~ • ..,.' . ... ···r .. . ~, ",-,~ ,'.. .'';'. '._ ,.

I, - • 1 '

j

I. Hierin is: y

=

X,'

=

z'

=

11. e-8 ,52t e -13,03t e-O, 16t' , . ... ..

--

.:~. -

.'-

. ,--'" ",- -~.' -" """'~.'

..

- .

_.--Bij verschillende' verblijf tijden kan ,nu de concentratie berekend worden.

Tabel 4. -Berekèning der concentraties.

t(sec.) x: y z N/l~o I'

_I

Q/N ' PIN

I

lvi/N G/N

0 ' , 0 0 0 0,1 , J 0,43 0,27 0,98 0,27 0,16 0,497 0,003 0,07 0,2

' °

,

18 0,074, 0,97 0,074 0,106 b,71 0,009 0,10 " 0,3 0,08 0,020 0,95 0,020 0,06 b,774 0,028 0,12 0,4 0,03 ,0,006 0,94 0,006 '0,024 p,82 0,037 0,12 0,5 0,014 0.,002 0,92 '0,002 0,012 b,81 0,056 0,,12 0,6 0,006 0,0004 0,91 O,OOo~

_°POS55

b,80 0,066, 0,128 0,7 0,003 0.90 0,003 b,80 '0,076 0,121 0,8 0,001 0,88 0,001 P,79 0,086 0,123 0,9 0,.00~7 0,87

p',

78' 0,096 0,123 1, ~'" . " ' ' 0,76 0,116 ,0,124 0,85 , ' 3

-

,0,62 0,55 0,326 0,124

.5

0,45

..

0,40 0,476 0,124 I, 10 0,20 b,18 0,696 0,124 , I ~ !

0II;l nu dè . .optimale cohtacttijd te kunnen bepalen, wordt de ver- ' l~'

houding C (waarin C

=

N'. Q enz) in fig. 2 'uitgezet tegen de con-cV"" ,

\ ;.

. No

~..,t ~-:t. \l~~",~\\<Pt-"~

/

·

tacttijd. De contactt,ijd wordt 'nu zodanig gekozen;, dat er zo min ' mogelijk ,bijproducten ontstaan. In dit geval geeft een coptact-tijd van 0,6 sec. de gunstigste resultaten. In het gasmengsel, dat de reactor verlaat, bevindt zich:

80 '

%

phtaalzuuranhydride

6,6% maleïnezuuranhydride ,12,8% gasvormige bijproducten

0,56% na:ftochinon, '

, 9,04% naftaleen. I '

. Deze p'ercentages zijn berekend' op de toegevoerde hoeveelheid . naftaleen.

'? " :~ i~ •

.'

~ , .~ "'.' _ .. :.: " ~.r ", . -~. " ./ ."

.

·" -... -~~ .- -12.

F. De dimensionering van de reactor.

Bij de berekening van de afmeting van de reactor moet rekening' gehouden worden met:

a.

Channeling. Zo noemt men het optreden van gasbánen dmor de

kata-lysatormassa. Of' dit gebeurt, is afhankelijk van het deelt jes-spectrum en de deeltjesgrootte.

b. Slugging. Hiervan spreekt men wanneer er gasbellen door de

katalysatormassa omhoogstijgen. Dit is een gevolg van een onjuiste

LID - verhouding van het katalysatorbed. Deze verhouding moet

2/1 á lil zijn. Bij de berekenir~ wordt LID

=

2/1 genomen.

De optimale verblijf tijd is 0,6 sec. (zie E) en er wordt een jaarlijkse productie vereist van 5000 ton. Bij een omz,etting tot

F.Z.A. van 80

%

wil dit zeggen, det er 5400 ton naftaleen per

jaar ingevoerd moet worden. Er wordt aangenomen, dat de fabriek 8000 uren per jaar werkt. De resterende tijd is bestemd voor

on-derhoud. De voedingssnelheid va~ de naf'taleen bedraagt dan

0,~88 kg naftaleen/sec.

~

'

" De verhóuding lucht/naftal'een is

q-'3,-0J.

Dus totaal

~v'Ordt

er 2,72 kg

\ ~ reactiemengsel ,per sec.

toegevoerd':-De volume stroom i s : , , 2,72

m31

sec.'= 2,72 P360 Nu geldt ook:

"t7:=

,0,6

f:.

= 0,7; LID

-

2, dus L

"j-C

₌

0,6

₌

=

Reactorvolume Vo,lumestroom ' 2D. 2 rr..D • 2D. 0₂7 4. 4,95 0;549 Dit geef't: D =1,39' m en L _ 2,78 m.

=

4,95 4 ,ip~

,

In de reactor moeten echter koellichamen geplaatst wo~den, om de

sterk exotherme reactie in de hand te kunnen houden. Hierdoor

wordt dit volume kleiner en moet er dus een'correcti~ aange- '

bracht worden. Eerst worden nu de koellichamen berekend. De af

te voerenwarm~e2bedraagt 291i7 kW e het hiervoor benodigde koelend

oppervlak 34,E m • Er worden nu ronde oelichamen in de-reactor

geplaatst waarvan de afmetingen z' -1:

~~f~ :~r1;l::~ ~t.

"'"'(

ktG(ML~",\

9

h

~0,5~

,

-Het' Oppè~k va~ dit koellichaam is dus:

i 1- • i , ' . .,.'._ ,re ~ !I .. R ! ( ;2< • • i <. _- • . . • . -.. _, . . . ,,. ... ·., ... ; .. _ . _ ... · ... ' ... 1· ... ' .• - " , •• , - . ." .,J _. J __ ... ~~.,..,.,-.. _ 13 '.

Om dit, koe!llïchaam wordt e.en. tweede ge,plaatst, met de afmeting~

Di

=

1,

°

m .. . Dà .. ;: 1,2 m •.

ti

=-

0,5

m •.

Het. oppervlak van di.t koe llichaam is,:

O

2 -- 1[."D ~ !.Ii +7CD u t h :. 3, 4.6m~

HET totaal koe.le.nd oppervlak is dus::

0,

+-

02= 5, 35m2•

Wanneer nu het wandoppervlak van de reactor ook gekoeld ·wordt.

(b. v. door een 'koelspiraa 1 op de reactoI'\'1and. te c2nstrueren),

dan geeft. dït een koelend oppervlak van c.a .. 12 lfl- • '

. Erw.as nodig 34,

S

m2,.dus, de koe.llichamen moeten ·ca. 22 m2 voo'r

hun re.ke,ning nemen.Er moeten dus 4stel koallichamen inge.bouwd

worden. Hierdoor veranderen de afmetingen van de reac:t;or.

De. koallichame.n hebbe:n een volume van:.

. 2 2,. " 3 . V 1:::6 (D~ -DÏ:)h.

=

0, ,1.1 m .' . 2· 2) J V2:::~Du -D{ t

n.

o d), 173 m3 •.. 4 Dus.:.:

Het 'Volume: ·van, de' reac.tor was:.

. 2 . 2 . V r =1rD L ;7l: 1,39.2,78- 4,.21 4 4 3 m •

Het ni.euwa reactorvo]mme. wordt nu:: , ." ~

V~

=.(4.;21; ...

4~0~283)m3

=:5,:34

n2.

3

=7CD _r ,=:5,34

-y-m •.

Di.t zi.j:n dus de. afme.tingen.. van. het. gedeelte van.. de reactor,

waarin zich de. katalysatormassa in. gefl.uïdi.seerd.e toestand

bev.ind.t.. . ' . , ' .

Hetybe.schikbare koelend oppervlak is nu:::

2

o

=71:DrLr :: 14, 15m •

~I

0

1

+0

2 ) :-/ 2.1,. 40m?-..

He.t, .. to

₂

ale,

b~sèhikbare oppervla~

is dus 35',.55 m2, terwijl er

34"S

m . nodig is.. . . ..,:- ;',

. " ~' ....

'.

,

,',

,

.

, . ~ .; ,', ,f .. " '~ :} .,~ , è " ," " .' ~ , . ' I .~ ~..:i...

.

.. rJ , .:~ , " " , :S G. - ' - - " ' ,14 De katalysator.

Als,katal[sator voor de oxyd~tie van naftaleen wordt

vanadiumpent-oxyde op een silicagel-drager gebruikt. Deze katalysator wordt

sinds de tweede wereldoorlog gebruikt. Laurent (1) gebruikte

salpeterzuur, terwijl bij het B.A.S.F.-proxes zwaveltrioxyde

enkwikzouten als katalysator gebr~ikt worden. In 1917 gebruiken

Gibbs en Conover (2) molybdeen- en vanadiumoxyden als ,katalys~tor,

,evenals ,Wohl (3) in D~itsland. Sindsdien heeft men zi~h toegelegd

op de ontwikkelil:g van goede vanadiumkatalysatoren voor o.a. de

P.Z.A. - bereiding ( 19, 20,24',25). lviars (IS)' heeft een uitvoerige

st~d~h~erover gemaa~t.

Door de Scientific Design Co. te New York wordt gewerkt aan de

ontwikkeling van een katalysato:r.~ ,~yaBrmee zowel naftaleen' als

o-xyleen geoxydeerd kan vJOrdeH!"'''De eisen die', aan de katalysator gesteld worden, zijn:

a. grote activiteit

b. blijvende activiteit

c. pehoorlijke selectiviteit

d. Grote mechanische sterkte.

Voor het beschreven proces wordt een vanadiumkatalysator gebruikt

van de volgende samenstelling: ~

vi

' 10' % vanadiumpentoxyde .

!~~

~~ (.L~~'

,).

20 % kaliumsulfaat ( moderator).

,'-î

~JA~:.

70

%

silicagel (drager) •

De dichtheid van dit mengsel bedraagt: 2723 kg/m3 • In analogie met de literatuur(29) is een poriënvolume var 30% van het volume

van een deeltje aangenomen) Dus de di~bej d van het mengsel.

wordt dan: 0,7 x 2723 kg/m = 1906 kg/m • Nu is dus dé drukval

over het katalysator-bed'te bereken~n. Op het moment, dat juist

Fluidisati~ zal optreden waarbij E =,0;4 , geldt (30):

Dus:

II P =

.4 P

A P g H ( 1 - E. ) (f>' -

p}' ),

g = versnelling van de zwaarte,kracht

h hoogte van het bed.

l.. - porositeit.

~, ='dichtheid ,van de katalysator.

Pi

=

dichtheid van het gas.

3,36 x 104 0, 336 atm •

. '

' ...

Tegelijkertijq geldt de formule:

AP - 150 H ~ g x V ( 1 -

E. )

2'

';:' "

-:~ ;. ,{! o' ,. , . , 'f· .: E. .1(,- c •• " • c. . , . -- •• ~-. , ... ".~"""~. __ .' ... ~ ... ,." ••••• -':'''''' I .... • '~ ... " .-. ". , • J ' J .. , J_. ,_ ... ~..,., ,]5

J1

=

dyn'amische viscösi tei t van het fluïdum

'~=

snelijeid betrokken op de lege

b~is.

'd

= deeltjes,diameter.

~ieruit is~~eeltjeSdiameter'te

berekenen:

Deze

wordt~,

d =, 2,3 x 10-

3,m~

, "

De hoeveelheid katalysator, die zich in de :reactor bevindt is:

_,

~t. .. (lF~'

v.:

x [ .

f.s'=

4,.21

Xv

1906 Kg

=

5,61 x 103 kgT

Om de hoeveelheid katalysator in de reactor 'op peil te houden,

moet per ton voeding 1 k~ katalysator gesuppleerd worden (7). .

Per jaar wordt 5400 ton naftaleen werwerkt, dus wordt er 5,4 ton

katalysator per jàargesuppleerd.· ,

',,-.v.:v':tr ! ~ I J \ \. v~''i ~~ rtl' ilv"V r~'u

~

JÇ-JJ". Îfir' ~ !.." !. v' . . / L ,IJ . / ,"I

Verloop'van het proces.

.'

Van de' nabijgelegen raffinaderij'wordt vloeibaar naftaleen met

een temperatuur van go C aangevoerd. Dit gebeurd via een leiding,'

bekleed met een stoommantel, om te voorkomen, dat het naftaleea

stolt. I~~vat N wordt een hoezeelh~id voor 36 uur

productie opgeslagen en opgewarmd tot 160 C. Dlt gesch$èdt

Q.m.v. een bUls,waarin stoo~a:n'190

°c

en 12,8 ata condenseert.

Het naftaleen wordt nu m.b.v eeh tandradpomp (vanwege de smerende. werking van het naftaleen) naar de reactoy R verpompt. Om een gelijkmatige verdelir.g te'krijgen, wordt, ze op verschillende

. '7

plaatsen, juist boven het luchtverdelingsrooster, geïnjecteerd.

~,De ben?digde luc~t wordt m.b.v. een Roots' Blower P₁ onderin de

~.

de reactor geblazen. ,De lucht wordt eerst door een aantal pijpen

bovenin ge reactor geleid. Hierdoor wordt de lucht opgewarmd, tpt 195 ' C, terwijl de reactiegassen gekoeld worden tot 200 °C. Dit koelen is noodzakelijk, omdat het meegevoerde kata1ysatorstof

sterk kataljrtisch weEkt op de overoxydatie (7). Uit gr.afiek no 6'

zien we dat bij 200 C K zeer klein geworden is. Wanneer de reactor

gestart wordt, wordt de fucht voorgewarmd in een oven. Meestal

zal. dit op de raffinaderij kunnengebeur~en. Door de, grote

warmte-productie, zal de gewenste temperatuur snel bereikt worden, wanneer de reactie begint te verlopen.

Om het katalysatorstof te verwijdenen, 'worden de reactiegassen

door een electrische stofafscheide~ F gevoerd. Deze heeft een ~

. (~,.r~.'dïamete~ van~. Dus het oppe:il!vlak van de doorsnede iS3; 14 m •

\t \

\.\llli'\De8llerlielClln. de afscheider, wordt n11 ca. 1,15 m/sec.' ,

o\~. Bij, een af te leggen weg van 3,5 m, is de verblijf tijd 3 sec.

, ~'\ Hierna worden de gassen haar één van' de twee parallel staande

,sublimatoren S 1 en 82 gevoerd. Deze bestaan~ uit twee k~uislings

geplaatste pijpenbundels van elk 48 pijpen. De lengte der pijpen is 6 m. en de· diameter is 8,1 m. Om de Buizen stroomt koelwater ' dat opgöwarmd wordt van 20 C td: 70 °C. De gassen worden niet lager &an 40 C gekoeld, want dan zou er te' veel waterdamp kunnen

kondenseren. Ui~ het p-T- diagram ~fig 7) blijkt, dat de sublimatie

. begint, bij 129· C. Uit deze figuur is ook de sublimatiewarmte

bepaald. Door de P.Z.A.-afzetting in de bui~en wordt de

,-

.

I

~ • • $ _ • • '~, . . . --':_~:;:_""_"''''_'' _ _ ' ' ' . ' . : r ' ... ' _ •. ''-'',:J.' "'-. .•. ,. ... - J .. ·.·'· ... r _ _ •·· ..

16.

Wanneer de ~itlaattemperatuur 90 oe 'is, wordt overgeschakeld op

een andere sublimator. Er is aangenomen, dat dit na

3

uur zo is.

De uitlaatgassen worden naa'r eenschoorsteeI4 geleid. De gassen

worden eerst verbrand om luchtverontreiniging tegen te gaan. .

Om nu het gesublimeerde P.Z.A. uit de subli~ator te smelten, wordt

het koelwater vervangen door stoom van 180 e en 10,2 ata. !

Aangenomen is, dat in een uur een sublimator weer leeg is. Het

vloeibare P.Z.A. is corrosief, daarom worden alle apparaten~ pijpen

enz. die hiermee in aanraking komen van roestvrijstaal gemaakt, terwijl de. leidingen voorzien zijn van een stoommantel.

Het vloeibare P.Z.A. word~ opgevangen in de verzameltank 0,. Deze

kan

4

charges ~evatten. Hierin wordt, d.m.v. een: spiraal waarin .

s toom van 170 C en 8 atm. condenseerd, het ruwe P. Z •. A. opgewarmd'

tot 140

°c.

Hiervbób is een uur opwarmtijd uitgetrokken. Om het

brandgevaar te verminderen wordt boven de vloeistof een inert gas gebracht, b.v. stikstof. Dit wordt gedaan bij alle.tanks

waarin zich vloeiba'ar P.Z.A. bevindt. I·ju v,rordt via èen geïsoleerde leiding m. b. v •. · de cEfntrifugaalpomp' P

3 in OI1.geveer 35 minuten in

de' verouderingstank V gepompt. Op de tank is een kolom van 2 m.

geplaatst. He~ onderst.e ,deel K is een pijpenbundel, van 1 m.

waarin de'opstijgende dampen

g~koeld

worden. Hierop staat een

gepakt kolommetjev~ m., overeenkomende met twee schotelà. Ook is

, er een condensor bij de'ze kolom. In de tank bèvlndt zich een roerder.

en om de onde:st~ helft van. de tank is een verwarmil1§smantel

ge-construeerd. 1'lÎet· condenserende dowthermdamp van 300 C wordt de ,

inhoud in een uur op kooktèmperatuur gebracht, waarna 6 uur 'lang verouderd wordt met totale reflux. Hierbij is aangenomen, dat 1/3

deel verdampt en weer gecondenseerd wordt.' . _,

Hierdoor wordt dé verontreiniging (nafto~~inon, benzoëzuur en donker:

.. gekleurde stoffen) omgezet in minderevluiX'tige produkten. Na de" '.

veroudering wordt door·de refluxverhouding te variëren hetwate:r .

afgedestilleerd (31). Hiertoe wordt, een eis gesteld aan het,

des-tillaat. Wanneer Xc buiten de gestelde grenzen komt, wordt de

refluxverhouding gewijzigd. Dit gebeurd,totdat practisch al het water verwijderd is. Het iS duidelijk, dat dit een

praktijk-ervaring is.·ln figuur 8.zijn verschillende werklijnen weergegeven.

Aangenomen is, dat er zich ·ca. 70 kg water in he.t ruwe P.:6.A. ~'

bevindt. Met de figuur uit

f

32)1 pag 683 is . berekend, dat er 236 kg ;:

damp per uur uit de kolom komt. i·Ja de veroudering en de verwijdering:

van het water wordtm. b. 'b. centrifugaalpomp P 4. de inhoud. over- .;.

gebrgcht naar tgnk 02. In deze tar~ wordt· 2 uUr gekoeld vae

284

0 C,tot 176 C. Dlt gebeurt door koe.lwater, dat van 20 C tot

70 C wordt opgewarmd, door een koelbuis te, laten stromen.

Nu wordt m.b.v. centrifugaalpompP

5 de destnlatiekolom D, gevoed.

Deze destillatie wordt uigevoerd bij een druk van 100 mmo H. In

deze kolom wordt MTZ.A. en water als topp~oduct afgevoerd en

,-P.Z.A. en teer ~ls bodemproduct •

. De toptemperatu\Îr' is 133 GC, waarbij geldt: partiaalspamling

P.Z.A.

=

10 mm Hg en partiaalspanning M.Z.A. - 90 mm Hg. Er

wordt nu aangenomen, dat de totaaldruk bi.j de bodem 120 mm Hg is.

Dan is de bodemtemperatuur 207 oC. Hieruit wordt ~ berekend.

,Dit geeft ëX - ' 7,58. ~het literatuur (33) wordt nu de

evenwichts-lijn bepaald. F en

Xf

zijn bekend. Door 1/2

%

verlies aan P.Z.A.

I ,

l- .

L , ' ,

- .

" . '.' .. . . , . • I _,~:;: _çr~"~"'.'"; ... " .. , :;~ ••• .. _ ~ .. • ". •• 17.

aan te nemen en een verontreiniging van 0,2 á'0,4

%

in het bodem

product ' zijn D,

K,

X

d en Xk te berekenen. In grafiek 3 en 3a is

aangege~en hoe'de werKlijnen bepaald zijn. Hieruit worden

7

theo-retischeschotels gevonden. Bij aanname van een schotelrendement

van 55 á 65

%

wordthey aantal practische schotels dus 12. De

H.E.T.P. is

0,5

ID. (34), terwijl de diameter, berekaad met (32)

°

32 m. bedraagt. Het is een gepakte kolom met r~hig ringen

v~n 0,5 inch. De reboiler ('een spiraal onderin de kolom) wordt

verwarmd door condenserendé dowthermdamp van 2600C en 1,15 ata.

Het topproduct ( MTZ~A. en water) wordt opgeslagen in

voorraad-vat 0", terwijl het bodemproduct ( P.Z .. ~. en teerachtige produ!Z:ten)

opgevangen wordt in ,tank 03'

In'tank 0'3' wordt het ruwe P.Z.A. in een 1/2 uur opgewarmd van

270 oe tot 24loC. Dit gebeurt door dowthermdamp van 240

°c

en

0,71 ata in een buis te laten condènseren. ~et centrifugaalpomp

,P₆ wordt nu destillatiekolom D:;> g'evoed. Ook dezè~~<kolom heeft een

werkdruk van 100 mm Hg. Op analoge manier als bij de voorgaande destillatie zijn de verdere cendities·bepaald.

Hiertoe is ,in figuur 4 ee~ lijn getrokken vogr de teerachtige

pro-ducten

_o

Dit geeft: de toptemperatuur is 200 C, de bodemtemperatuur

is 298 C en ~ 'is 4.

Bij ~anname van. 1

%

verlies aan P.Z.A. 'en een zuiverheid van 99,7%

van het·P.Z.A. zijn weer D, K, _{Xd en Xk te berekenën. Uit grafiek}

5 en 5a worden, 8 theoré±tsche schotels gevonden. Ook hier zijn 12

practische schotels aangenomen. De H.E.T.P. is

0,5

m. (34),

terwijl de diameter (32) 0,62 m bedraagt. Het is een gepakte kolom. met :baschig ringen van I inch. Deoreboi<ler. wordt verwarmd

met condenserende, dowthermdamp van 350 C en 4,18 ata. Het

bodem-product ( teerachtige stoffen) wordt opgeslagen in voorraadvat 06'

terwijl het topproduct ( zuiver P.A.Z.) opgevangen wordt in tar~

°

4, " ,

De aanslui ting op de vacuuminst'alatie, is aangebracht op de koelers ,

K en k • Hierin wordt gekoeld tot ,enkele graden boven het stolpunt ,

v~n

de

~oors~mende

vloeistof. De koelers K

1 en K2 bestaan uit

een spiraal'owaar koe~water dgorheen sËroomt, aat öpgewarmd wordt

van resp. 20 C tot 50 8 en 20 C tpt 70 C. Ook de tanks 03' '04' .

. 0" en 06 zijn op de vacuuminstallatie aangesloten om grote druk-v'êrschiIlen tegen te gaan. Vanuit tank 0 wordt het P.Z.A. met

centrifugaalpomp P₇ naar de flaker

over~ebrachtT,Dit

zijn twee

walsen. Het vloeibarê P.Z.A. wordt op een der walsen gesproeid

en overgenomen op de tweede> 0-~~_~E?_lfQ.s;_Ei~!?:..i~..ing~;r~-i t><

Deze t~eede wal~ wordt rnei'Y water gekoeld, dat opgewarmd wordt

van 20 C 'tot, 70 C, zodat ~et P .. Z.A. stolt. Een mes schraapi: het

gestolde P.Z.A. van de wals. Hierna wordt het va'ste ·P.Z.A. in zakken verpakten naar de afnemers verzonden. Het is ook' mogelijk

om het P. Z. A. ~>vloei baar af te leveren, zodat de verbruiker het

niet opnieuw behoeft te smelten. Vanwege de giftigheid wordt

de'P.Z.A.damp boven de walsen afgezogen met een ventilator.

"

~.

i;

~

.

:~ ~~. " .'

.

"j: 'I' . ;

-

.

~ ,

I.

.

18

De stofstromen in het proces.

Het aanta~l werkuren is: 8000 per jaar.

Er wo+dt per jaar 4775 ton

F.Z.A.

geproduceert. Hiervoor is

, n6dig 54,15 ton naftaleen, terwijl er 271 ton ~.Z.A. en 269 ton

teer als, afvalproducten ontstaan.

De gewichtsverhouding naftaleen: lucht... 1 : 13 1/2

, '

De ontstane gassen zoals CO en waterdamp zijn bij de lucht

ge-rekend, vanwege de grote

ov~rmaat luch~.

In tabel

5

zijn de

stof-stromen 6pgenomen in kg/sec. De nummers corresponderen met die ui t de flow-sheet. '

tabel 5. Stofstromen in kg/sec.

Lucht. ' NaftaleeIil.. F.Z.A. lil. Z. A. • I Teer

Nr~ \, · Nafto. eta 1. 2,532

-2,. 6,188 _• , 3. 2,536 ' 0,174 0,0095 spoor 4. .' 0,524 0,0285 spoor 5. , ' 3,71 0,202 spoor

6. Na het: verouderen,wordt ca.' 70 kg water afgevoerd.

7. : 3,51 0,202 0,168 8. . . 0,166 0,0095.- 0,0075 , --9. , ' 0,0008 0,0091 10. 0,1655 0,0004 ' ' 0,0075 - I " " Ilo ," . I . ~ . . . " _"." 0,167 0,008 .. ! " : 12. •••• > • 0,165 0,00058 , ., 13. ' . 0,OÓ167 ' _-, 0,0074

.

I

14. 0,178 0,00062 15. 0,178,

_-

_{0, q0062}

J

--.J_~ _ _ ,

.

J~ De warmtestromen in het proces.

Voor de berekening van een warmtestroom worden de volgende

formules gebruikt~ a. opwarmen. mw~ ~m x .C_{p x (} T - T_{o ) kcal/sec.} b. smelten. c., verdampen • ~w a x _, 'AH _v kcal/sec.

I· .

" "

,

' I~ .~ , " , ~

.

.

-

.

d.

=

=

= =

=

=

=

= IV~.G. ₌

19

reactiewarmte •. :!l2

w - Y!m x l/M. G. x. Ll Hr kcall sec.

warmtestroom in kW. massastroom in kg/sec.

soortelijke warmte in kcal/kg oe

eindteperatuur in

°C.

begintemperatuur in

°C.

smeltwarmte in kcal/kg

verdampingswarmte in kcal/kg

reactie war~te in kcal/mol.

moleculairgewicht in Kg/mol. Bij stilstaande vloeistoffen

is~M de hoeveelheid stof in kg

Het benodig~e oppervlak wordt

wordt m.m vervangen de M

en t.beschikbare tijd

~oo~

berekend met de ~ormule:

Y!w

=

UALIT U ₌ totale warmteoverdraéhtscoëfficient in W/m2 A

₌

benodigd oppervlak in

m~.

Hierin verwarmen.

°C.

.t)T = logarithmisch gemiddelde der temperatuuEverschillen aan

de uiteinden van de warmtewisselaar in

C.

!

Voor de reactor en reboiler r zal nu een berekening gegeven worden,

terwijl tabel 6 d~.resultatenlvoor alle apparaten weergeeft.

, a •. · De reactor.

Er' is een omzetting van naftaleeh ih:

. P. Z. A •.. ' 80%

M.Z.A.. : .6,6

%

Gassen. : 12,8

%

Bijproducten. 0,4 ~

De voeding is 0,188 kg naftaleen/sec. 1;.47

De ontwikkelde reactie_warmte bedraagt dan:

F .. Z.A. :. 0,8 X 1,47', x 450 kcal/sec' _ M. Z."A. 0,066 x 1,47 ' x 899 kcal/sec _ Gassen. : 0,128xl,47 x 1230 kcal/sec, _ Totaal , .. ; / mol naftaleen/sec. 2220 kW 365 kW 965 kW 3550 kW

-' ~ ,': ..

"

,\ ~ .. ~ , " ~

.

:.

-

.

Er wordt aan warmte verbruikt: opwarmen naftaleen:

r

vloeistof : , 0,188 x 0,45 x 58 'kcal/sec

-

20,5 kVI

damp 0,188 x 0,557 x 142 kcal/sec = 80,0 kW verdampen naftaleen:. 0,188 x _0,128 1 x 12,91 kcal/sec

-

56,,6 kW opwarmen lucht: .. 2,532 x 0,25 x 165 kcal/sec :z 436,0 kW Totaal' ,593,0 kW

De af te voeren warmtestroom bedraagt dus 2957 kW. Als koelmedium

'wordt water onder druk gebruikt. De inlaattem~eratuur is 200

0c

, , ,

en het water wordt opgewamrd tot 250 0C. De, rea,ct,iegassen

hebben een temperatuur van 360 °C. De temperatu~verschilleri

zijn nu 110 0C en 160 0C.

360 oe --~---7» 360 oe

250 oe

<

200 oe

Dan is '~T'~, 137 OC. Voor U:is 625

benodigde oppervlak wórdt dan: _. 2957000

625 x 137

reactiegassen •.

koe~water.

Het'

Om de wand van' het fluïd-bed wo:rdt n~een koélijlantel gebouwd.

Hiermee wordt een koelend oppe~vlak vanttD~Lr

=

'14,15 m2

verkregen ... , :' , " "

-, .' ,(

-,

I· ...

.-

.

-

.

..

.~', .• , . : : • _ .. _ .S 5, < e

20

In de reactor worden nu 4 koellicha2en geplaatst. Deze hebbèn een

totaal koe~end oppervlak van 21,4 m • Totaal beschikbaar is er'

nu 35,55 ~ , ter.wijl er 34,5 m2 nodig is. Voor de berekening,van

koellichamen zie onder F.

Bovenin de reactor bevindt zich een warmtewisselaar, waarin de ' benodigde lucht opgewarmd wordt van 20 oe tot 195 oe. De. reactie-gassenworden hierbij afgekoeld tot 200 oe.

Dewarmtestromen zijn dan:

a. Reactiegassen 2,72 x 0,253 x 160 kcal/sec ~ 461 kW

b. Lucht ,: 2,532 x 0,25 x 175 kcal/sec _ 463

kW

360 oe ~ 200 oe reactiegassen.

195 oe ~ - 20 oe lucht

Hieruit volgt:

4

T

=

172 oe

Voor U is 30 'INlm2 oe .genomen.

Het benodigde oppervlak is dan:

A

=

463000

30 x 172 =

2

89,8 m .

De volume-stroom in de,pijpen is 2,58 m3; sec; Wanneer

een·gass~el­

heid van 15 m/sec aangenomen wordt, is de doortocht dus 0,172 m •

Bij gebruik van p~jpen met een rnwendige diameter van'O,05 m,en

met een doorsnede van 0,00192 m2 zijn er dus 88 pijpen per ·"pass" nodig. De pijp heeft een beschikbaar oppervlak van

0,157 m2/m lengte •. Bij gebruik ,van pijpen VBn 1,5 m lang.zijn er dus 381 pijp,en nodig. Dit geeft 381, "passes". Dus 5 p'asses'

, .. . 88 'i

De reactor is boyenaan vierkant geconstrueerd me't afmetingen van

'1,5 m bij 1,5 ID. Bij de gebruikte buizen bedraagt de steek 0,08

ID-Dus kunnen er 18 buizen op een rij. Elke· "pass" bestaat uit 5

rijen buizen: 3 x 18 en 2 x 17 buizen. Voor elke "pass" is een

hoogt~ nodig van

( 5'x 0,08

+

Ö,91) m

=

0,41 m.

De hele warmtewisselaar heeft dus een"hoogte van 2,05 m.

b. De reboiler 1

r, ..

De warmtestroom is berekend met de formule ;(35):

mw

R D q F K L\H ~w ( RO

+

qF - K) Ll H - refluxverhouding.

hoeveelheid destillaat in mal/sec.·

= quotient van de hoeveelheid toegevoe~de warmte-en de

=

= =

=

verdampingswarmte.

Hoeveelheid voeding in mol/sec.

hoeve,~lheid ketelproduct in mol/sec.

verdampingswarmte in kcal/mol.

e

4 x 0,0989

+

1,272 1,1731)"12,91 kcal/sec

==

26,7 kW

I

Code N. J:R.

w.w.

S 1,2' V. :C.

°

1 • 02~ , °3' C '" C2' C3 "

K, "

K2· ' K3' r, • , r2· ,

.

:, .. lilt

.

I

.' -~.-_tt''''····'· "C" è'X) .... ··~····.,·-c ~~., .. ~ .... , .. , ... or: •. ,: - J ... :! .... .,--"iIIR. • • • _

.Er' wor'dt vèrwarmd een spiraal in de 21 • met condenserende kolom. ( f I ' 260 oC ~---260 °c dowtherdamp. 207 0c ~207 qc ketelproduct. Hierui t' volgt'A T -Dus

A.

26700 53 x 600 53 °C. Voor U is 600 W/m2 =- 0,84 m2 van 260 °c in °c aangenomen.

'Bij gebruik van een buis met een inwendige diameter van

0,Q25

m

is een lengte van 10,7 m nodig. Een spiraal met diameter 0,25 m

heeft per. winding een lengte van 0,785 ill. Dus zijn er 10,7

, " , ' , " ,0,785 =

'13,65 , dus 14 windingen nOdig. Tussen de winding~n wordt #,<?,025 m

ruimte gelaten om de spiraal indien nodig te kunnen reinigen. De hoogte van de reboiler wordt dan:

(14 x 0,032

+

13 x 0,025) m 0,77 m. Tabel 6. Wanmtestromen. ~.;; mw U L\.T A D _{L1 L2} N P 185,6 200 45 20,6 50 130,1 131 1 1 2957 625 137

_.

34,5 ( _{4 koellichamen} T mantel)

_,

463 30 172 89,8 50 571,

1~50

I

88 5 469,6 30 87 180 100 573 96 _{" 1} I 343 400 : . 78 11,3 ( mantel om de tanld , 47,3 -200 29 8,15 1350 1; 92, 1,92 »

--

--29,2 200 ' ' 35 4,17 50 26,6 27 I, 1 142 200- 149 4,76, 50 " 30,3 , _, 1 31 I " 1 I, " 13,8 200 ,23. ' 3,0 50 91,1 20 ' _~ \1 \ 21,7 600 92 " _{0, 393' 6 20,8 '1 10 2} 96,7 600 154 " 1,05 25 13,9 14 2 ₇ 157,4 600 ' 80 " 3,28 25 4,17' 1 '5 '9 • 1,125 500 61 0,369 6 ~9,6 20 Spiraal:D=0,28 mi

-11,2' 500 122 ' 0,184 ·12' 4,88 5 Sp~raal:DcoO,2m

.1

65 ,7 600 142 0,77 25 10 1 _. . , 1

I '

1 " I 26,7 600 53 0,84 25 10,7 11

I

sp~;aar=~'

25 1 m, 196, 7 600 32 5,04 25 '64,2 1

D

...

inwendige diameter van de'buis in mmo

L,.

benodigde buis lengte ïn m.

" L2= Gebruikte buislengte in m.

N JCI ' aantal buizen per ," pass" •

K.

" . I • , . 22. Fysische gegevens~ , , ,---'_._-~_ .. _----~_ ..

__

.:---~._-_._-Smeltpunt

_°C.

Kookpunt

°C.

s.w- (vast) . Kcal/kg

_°c

s. w. (vloeibaar). Kcal/kg oe s. w. (gas) . Kcal/kg oe smeltwarmte kcal/mol. -'y~rdampingswarmte Kcal/mol. s~b1imatiewarmte Kca1(mol. dichtheid " .... ' ',' kg/m3 , . , " ,20

_°c

160

_°C

·200 oe 360

_°c

• ' . # , ,. ~ Lucht Naftaleen , ... "' •. _-~-.-, - - - ; ._._,_ .... _____ • .1.._ 80,2 217,9 0,375 0,25 0,566 4,54 11,31 . 1,205 1169 0,815 865 ' 0,745 0,549 . ' ... .. .~. ~ .... " • s ... F.Z.A. I " ... '" """,.#<-.. --130,s' 284,6 0,30' 0,28 0,26 5,48 , 12,,91. 15,84 1527, ' 1;131 ~ ..

r .

M:Z-.

A. ;

-

_ ..

_----_.-

- ' 58,0 L . / 202,

°

0,285 0,396 2,75 10,5 934 " > . , f. ~" j'. ;. ~ . i ~ . ,.

• L. Literatuur. .(1) A. Laurent. (2) H.D. Gibbs. C. Conover • (3) A. Wohl. (4) P.W. Sherwood. (5) J.J.R.Callaham~ (6) Anon.' (7) J.J. Graham P.F.Way. (8) P.W. Sherwood. (9) H.L. Riley. (101 A.W.J. Mayer. (11) J. Gordon. (12)

H;L.

Riley. (13) F. Demaria J.E. Longfield. G. Butler. , ( 14) P.W. Sherwood. (15) P.W. Sherwood. 23.

Ann.

U.S.Patent U.S. Patent Pe,trol Refiner

Chem.

&

Met. Eng.

Chem. Week.

Chem. Eng. Progr.,

.J

Brennstoff-Chemie. Brit., Chem. Eng. De Ingenieur. Petrol Refiner.

Trans.lnst.Chem.Eng.

Ind, Eng. Chem ..

Erdoehl und Kohle. Ind. Chemis"t. (16) F. Sjollema. . (17) Anon. Dissertatie Amsterdam~ 'Plastica. (18-) P. Mars. . (19) R. Landau. H. Harper. Dissertatie Delft • Chem. and Ind.

(20) Anon. Petrol Refiner.

(21) A.F.D'Alessandro.J. of Col1oid Sci~

A. Farkas.

, -, '.

(22) F.I. Joffe.

Y. G. Sherman.'_ ,J.Phys.Chem.U.S.S.R. '

'ti

(23) T.I. Peterson., Chem.Eng. Sci.

(24) R. F. Ruthruff' •. ,· Petrol Refiner.

. (25)· B. E. Thomas Ind. Chemist.

G.D. lVlolinasi.

(26) Anon. Chem. 'Eng.

(27) Änon. _{Chem. Eng.}

r '.

(28) . Anon. _{Chem. Eng .•}

(29) P. R. Pinchbeck. Chem. Eng. Sci.

(30) G.G • . Brown. _{' Unit Operations .'}

( / , ' 19 (1836) 38. ' \< 1.285.117 (19-11-!18: '1.787.416-417 ,( 30 -12 -'30) 32no4 (!53) ,113-117 '53no8'('46) 116. 87no24 ('60) 86~ 58 (' 62) 96 - 100., 42no9 (' 61) 283-286. :-~ (' 5 7) 8 - 11. " .. 2.§. (' 62) A-36. 40no2 ('61) 139-145. 37 (. , 59 ) 305- 313 • '53no4 ('59) 259-266. 12 ('59) 890-894. '-25 ('59) 447-450. 492-494. ( '46) 15no8 (' 62) 400. ( '58) 29 juli '61 1143-1150. ~ (tlOv'59)2-85-287. 11 ('56) 653 - 670. 29 ('55) 692. 17 ('62) 203 - 219. 32 ( okt'53) 113-114. l < • , .

. 21. ('

5 9 ) 305- 31). , , 67 (11 juli'60) 74. 68 (29 mei'61) 48. 68 (10 jUli'61) 62. 6 ('57) 105 - 111. New York 1951.

) :1 I' !; ~ I' .~; " '" .. ~ "

.

'';' " " ~ I ; " •

(31)

(32 )

• (33) , (34 )

(35 )

. \ .. " •

R.E .

Treyball.

J.H.

Perry.

o.

P. Kharbanda. E.F. Boon.

J.

Nijman~ ,. ' - ,

24.

hlass Transfer Operations. New York

('55)

Chemical Engineers Handbook. 'Londen,

('53)

NomogralLs for Ch'emic'al Engineers., Londen

( t 58) 147.

Chemi~che Werktuigen T. deel II.

Technisch - Physische Scheidingsmethoden naar

Delft ('

58)

het college van Prof.Dr.lr. P.M. Heertjes.

"

.

" ~ ;,

.

" .' '.' . " I i "I

" ,'. " > • • ~ ~.' H' ~,. '> ~

.'

,~ ,< .:...; ~

..

:::

.

~ ".~ t: <;:"1 . " i ,~~. ;, .. '. 25 • Lnhoud. A. ' , B.

c.

D. Inleiding.

Keuze van het proces.

Plaats en grootte der fabriek.

De'reactie-Kinetiek~

E. De optimalisering van de reactor.'

F. De dimensioneripg van de reactor.'

G. De katalysator.

H. Verloop van het proces.

I. De stofstromen in het proc~s.

J.' De warmtestromen in het proces.

K..

Fysische gegevens.

L.

Literatuur. " . ,.' . ~', . , ' . ' ', .. \ . ., 1.

3.

4 •.

5.

10. 12.

14.

15. 18. 18. 22. 23. ; . , .' J '

y";'""' .... ~_.-.. ,..,'

~-\

'.

..

~ .,} . ,> . , _.... i ,,\' _" . : ~ / ' I:, .' i . " .. ;~ y "

.

..; 4 ? '", :0:; :;. "

"

.~ 0-" " '~', ~ .. ;:; , ~

,t

~f • ~ 1 .l .f~ ! I

I

, _'f

1

Ij "'.. ,I " '. ," 1J

...

'l " ';': " ~ .,

~-'

p

kata~tor ~' . -~-.--I f. l )

I I--r

I

7

j---,

lucht I

I

-~

~

3

.~~.J

-'

lIJ

"(

J ~_~ I .. • ----e-.l.o--,;-_ _ 2 - - - , .-.--] !

r

i

I

l

- water n aa r schoorsteen

,

-_._-,

-~--.

- - _• stoom stikstof

-L

rf:1

C--'

""~. ---~J

~

j

i

~

\.

_ _. 1

N ... herm I · .. {Tl

•

'"T]

koelwater = 1 :

I .:. ..

:NI

~"E:

.. I

- -_N,-;flaat , ,rJ

:"t

I 0

I

I

t

l

I

*

t . . . _ ' I _ '

I . ,

I .... •

~

.. /

I~

Ikoelw~ter

,

I

t

!

I

~l.l

r

-_J---=J=Tl'

f

L .. _

._--j~ ::: . _ _ r

J ·

"=-c- --:=0-.:- - IT;·,

\~r---~---.--

-

~

't-J •• . >

"L~,__ ---~

r

- . __

=====J

.. . 1

?

.%

L~

'-

;

_~l :l:;~~----

.Î '.

I

.'

,',_'. ,_

.

. . __ ,'oom. ' ' ~ I -~ I _.>:l i~·

[l

r

I

ei

-

~_t

_

1

I.

dowthe.rm

I

-.-_ ..

~-'

. C

1,1

, stikstof

r-

J

L

.

.I1~;,m~

---;

. r·

,'lk".1

· E

F

k"lw.t" ;

C-m

I

IPi :.---

t

cf

~---i--~

I

! I'J

~:

•• I

L"-

I I .

1

'

dowt~;r:: ~-l·-

-

It' ; .

L

-,:-

~

I

i

t

v ..• i v

~~. ~

-: 1

_.

' ·

_I

ç~-

_{'j M.Z.A.}

--

_~

8---:

_{Y teer • _} _ .- Ll J.A.v.dMarel.

P.Z.A.

Datum i~ Schaall:l0j

~ ',.

•

...". ,I' 1"

111

.-=

~.

-11

•

~II

I

lil

Hl IH HHHI; HltHl+ m .;~

lil

n

I

•

I

~

H

i

11

•

m

•

,'>;

..

mmm

I

m

•

•

#tlfmml '

I

•

•

~ t1I!:I:I:f:I::m 1'1++ r;:m:m:r

-•

ti

I

I

~

-~ ,

BI

ifm

I

•

11

•

•

i+t+II tmmt I+m+m fHl1fHE:E ~

11

mr

IW I+I+H fH+I+l

g

-11

E:EI±!It '

I

1+

•

•

i

EEE

ft

mm

I

E t:t ;;;,

I

11

Itl ;:ma t'i. !±± Ir. " ' " , , Ih ~v ~

11

JI~

-nU

.11

,

,..,

.

i'

...

~

I

11

I

m ,

mamt

~I

g

ru

li

m

i

IJ, .UJ:i::l fffifFHf!

.

11

••

•

11

•

~

m

\I~

1I

utm1

lHHH

I

It++m , i ItiCi).: I I I

111

a

~

-I.

•

+++ttttt

teil

I

r:m

11

•

Ii

11

•

III

11

lil

: ~H.

•

ti:

--rt+t-. tI:

~

I

fl

.

rum

m

tl

-':'"

I

i

;;;

l .,"

I

-•

..

.~

,fa

~' ... ,

•

mm

J

,

11

m

lil

I-m:mt :ttttttl ~ .1\:' lH!I:l 'ttf'lill l+ -ttttl ' i+ jt+Htt mt tm~ . . I Jtmm IH

nmm:

, I-m:mt . a1 ttttttt! ~ I

ww

I I

I

•

• ttt-ttttl IA

•

•

~

•

•

I ~

-~

BBl

=m

~

ti

~

•

11

B

•

•

I

I

. 1+1' m

lil

~

•

::tij:

-I

+ttttt

•

g

+!'H t*i

...

..

~J.J IR

•

lil

•

•

I

1#1

11

•

I

•

tIHE·

fi

NM

•

11

11

~

W:!.l Itfff 'Hm

B

m

( ~ mI! n: .

,

FffFffffifI

IE

:fl:l:t:I:I :j:j:j:j:fj

11

'!fFIffH ~ ..

I

~

~ l+I+l 'r: ~ I:i< ffiiffi

mi

•

•

t\tm1J I ttt-t-t. ;\ "

•

fHHH

:11

t+tH11

lil

'#tt ++~ ::t:m:I . :t.1+f'\ n: L~ '+Il+I-I

itf

-mml -H-;lil

UI

•