Fabrieksschema van Aethylbenzeen

r

•

1

.

.

Fabrieksschema van Aethylbenzeen.

W.C.van ZUll Langhout Aug.I952.

o

..

/

-1-Samenvatting.

B~ de fabricage van styreen wordt als tus-senproduct aethylbenzeen verkregen.In het hierna volgende verslag is het fabricageproces van aethylbenzeen beschreven. Tevens is een berekening van een destillatiekolom (benzeen-aethylbenzeen)uitgevoerd volgens de methode van Ponchon en Savarit.

Inleiding.

De styreenfabricage is van zeer groot be-lang voor de productie van synthetische rubberachtige stoffen.

B~ de styreenfabricage wordt eerst aethyl-benzeen geproduceerd en gezuiverd,waarna het aethylbenzeen katalytisch gedehydrogeneerd wordt tot styreen,in het algemeen in tegenwoordigheid van stoom.

We zullen nu de verschillende methoden om aethylbenzeen te bereiden in het kort behandelen en de keuze van ons fabricageproces motiveren.

Aethylbenzeen werd in de jaren 1940-1945 in Duitsland geproduceerd door alkylering van benzeen(in de vloeistofphase) met gasvormig aetheen in tegenwoordigheid van aluminiumchloride als katalysator.Het proces werd onder atmospherische of iets verhoogde druk bij 800e-100oe uitge-voerd(lit.I).Ook in de U.S.A.wordt deze methode op grote

schaal toegepast(lit.2).

Vloeibaar benzeen wordt met gasvormig aetheen gealkyleerd met aluminiumchloride als katalysator b~ een temperatuur van .:.950C. en onder een druk van 790 mmo

~ Hg.

C2H4 + _C6H6

=

_C6H5-C2H5

,,-

-

--B~ deze reactie ontstaan ook de niet gewenste polyaethyl-benzenen.De vorming van de polyaethylbenzenen wordt tegenge-gaan door: a)De hoeveelheid aetheen t.o.v.de hoeveelheid

benzeen te verminderen.

b)Terugvoering van de gevormde polyaethylbenzenen. Het aetheen wordt practisch volledig verbruikt.Het

..

C\J (f)

I

I z ~ w <ien W N

I

Z w ₁ co -.J r >- J cs-:r: _~~ -:r

.

I- :2-= w u 5 ." ~ Z I <C

""

,

-2-mengsel bevat 40-45 gew.% aethylbenzeen.

Vergel~ken we het Duitse proces(lit.l) en het Amerikaanse proces(lit.2,5),dan z~n geen principiële verschil-len aan te w~zen.De Duitsers gebruikten meer aluminiumchloride per Kg.gevormd aethylbenzeen.De Amerikanen echter pasten droog chloorwaterstof als promotor voor de katalysator toe.De poly-aethylbenzenen worden b~ beide processen voor het grootste deel naar de alkylator teruggevoerd.De rest van de polyaethyl-benzenen( triaethyl benzenen en hoger) wordtp. bij het Duitse pro-ces afgevoerd en in andere industrieën gebruikt.De Amerikanen daarentegen dealkyleren de hogere polyaethylbenzenen tot ben-zeen,aethylbenzeen en lagere polyaethylbenzenen.De rendementen van beide processen zijn hoog. Bij het Duitse proces 91-95 gew.% aethylbenzeen, bij het Amerikaanse proces is het rendement iets hoger,n.l.95-97 gew.% aethylbenzeen van de theoretisch

moge-l~ke hoeveelheid aethylbenzeen.Daar andere bereidingen van aethylbenzeen op technische schaal nog in ontwikkeling zijn, moest een keuze gemaakt worden tussen beide bovengenoemde pro-cessen.De hogere opbrengst van het Amerikaanse proces gaf aan-leiding om deze fabricagemethode te volgen.

We behandelen nu nog enkele bereidingen van aethylbenzeen,die in het ontwikkelingsstadium verkeren.

Aethylbenzeen werd met een behoorl~k rendement verkregen door alkylering van benzeen in vloeistofpha§e met

---~---._~

aetheen en aluminiumchloride als katalysator.De temperatuur was echter veel hoger dan b~ bovengenoemde processen,n.l. rOO-200oC.,de druk is natuurl~k ook veel hoger(om het benzeen vloeibaar te houden).(lit.4).V~rder kunnen we nog noemen de bereiding van aethylbenzeen uit benzeen en aethylalcohol met zuur aluminiumphosphaat als katalysator b~ 300 oC.en hoger. Drukken van meer dan roo atm. worden hierbM toegepast(lit.3). De reactie tussen gasvormig benzeen en aetheen wordt uitvoerig bestudeerd.Rendementen tot 95 gew.% aethylbenzeen van de theorie werden verkregen.Katalysatoren,zoals phosphorzuur op kiezel-goer en NaCI-AICI

3 op puimsteen werden gebruikt .Het proces werd uitgevoerd b~ 230-270oC.en een druk van 15 ata.(lit.6).

I

.

Het Fabricageproces van Aethylbenzeen.

We behandelen het proces aan de hand van het getekende fabrieksschema.

B~ een druk van ruim 1 atm.wordt in de

al-kylator kokende benzeen met aetheen gealkyleerd.De temperatuur

wordt op

95

0_{C.gehouden,wat bereikt wordt door koelen met}

water en door afvoeren van warmte met verdampende benzeen.De verdampte benzeen wordt gecondenseerd en naar de alkylator teruggevoerd.De katalysator,aluminiumchloride,wordt zeer zorg -vuldig behandeld om vochtopname te voorkomen.Met behulp van

een schroefconveyor brengt men de "granular" katalysator in

de alkylator.Als promotor gebruikt men chloorwaterstof,wat in de vorm van aethylchloride wordt toegevoegd.Aethylchloride splitst zich n.l.in aetheen en chloorwaterstof.Het toegevoer -de benzeen heeft een zuiverheid van meer dan

99%

en bevat

minder dan 0,10% zwavel.Door een azeotropische destillatie wordt benzeen verkregen,die minder dan 30 delen water op

een millioen delen benzeeaebevat.Waterhoudende benzeen wordt

in deze kolom gesplitst in benzeen-water azeotroop en in

practisch watervrije benzeen.Aetheen behoeft niet zeer zuiver

te zijn,b.v.waterstof en lichte verzadigde koolwaterstoffen storen de alkyleringsreactie niet.Acetyleen moet verw~derd

worden.Aetheen wordt beneden in de alkylator gevoerd.Door het "gas-lift" wétpà~ effect wordt een zeer behoorl~ke cir

-culatie verkregen.

Zoals reeds opgemerkt werd,wordt de vorming van polyaethylbenzenen tegengegaan door :

a) De hoeveelheid aetheen t .o.v.de hoeveelheid benzeen t e verminderen(I grammol.aetheen :

2

,

5-3

gram

-mol.benzeen).

b) Terugvoeren van de polyaethylbenzenen.

De polyaet hylbenzenen stromen boven in

een absorptiekolom en wassen de gassen,die van de alkylator

komen,uit.De polyaethylbenzenen worden daarna in de alkylator gebracht.

De aanwezigheid van water moet zoveel

-4-a) Een hoger verbruik van aàuminumchloride.

b) Vorming van vaste stof als gevolg van de

ont-leding van aluminiumchloride.

c) Een zeer sterke corrosie door de vorming van

zoutzuur.

Als constructiemateriaal voor de alkylator

kan staal met een glazen binnenbekleding toegepast worden.

Ook kunnen nikkel-~zer legeringen gebruikt worden.

De alkylering is exotherm.

Aluminiumchloride vormt met de koolwaterstof

-fen een complex(een roodbruine olie) ,dàt practisch onoplos

-baar is in de koolwaterstoflaag.Dit complex,dat een dicht

-heid heeft,die groter dan I is , sch~nt een belangr~ke rol te

spelen in het reactiemechanisme.

De reactie verloopt practisch volledig.De ver

-liezen aan aetheen in de "af"gassen z~n dan ook gering.

Het reactiemengsel uit de alkylator bevat

40- 4-5 gew. % benzeen, 40-45 gew. %aethyl benzeen en 10-20 gew.'fo

polyaethylbenzenen.Verder nog enkele percenten

aluminium-chloride.

Het alkylaat wordt gekoeld en passeert twee

bezinktanks ,waar het aluminiumchloride-complex naar beneden

zakt.Het complex wordt grotendeels naar de alkylator

terug-gevoerd,terw~l de rest naar de dealkylator wordt gezonden.

Het koolwaterstoffen-mengsel,dat nog wat aluminiumchloride

-complex bevat ,wordt hierna grondig met 50%-loog gewassen.

Men pompt daartoe het mengsel van loog en koolwaterstoffen

rond.De loog wordt periodiek ververst.Met behulp van een

be-zinktank wordt de loog weer verwijderd .De bezinktanks z~n

van giet~zer gemaakt.

Het koolvvaterstoffen-mengsel wordt vervol gens

naar een reeks van destillatiekolommen gezonden.

In de eerste kolom vindt een ruwe scheiding

plaats tussen benzeen-aethylbenzeen en de polyaethyl benzenen.

De polyaethylbenzenen uit de bodem van de eerste kolom gaan

naar de vierde destillatiekolom.Het benzeen-

aethylbenzeen-mengsel wordt als een dampvoedin5 in de tweede kolom ge

en aethylbenzeen(+ wat poly:aethylbenzenen).Bij deze kolom met 20 werkelijke platen wordt een refluxverhouding van 3:1 gebruikt.

De benzeen gaat na koeling via de zog."azeotropische" destil-latiekolom naar de alkylator terug.In de derde kolom wordt

aethylbenzeen van de polyaethylbenzenen gescheiden.Deze ko-lom met 58 werkelijke schotels werkt eveneens met een reflux-verhouding van 3:I.Men verkrijgt zeer zuiver aethylbenzeen

(meer dan 99%).Hierna ondergaat aethy:lbenzeen nog een loog-behandeling(met 20~-ige loog) .Al deze destillatiekolommen werken onder atmospherische of iets verhoogde druk.De poly-aethylbenzenen uit de bodem van de derde kolom worden samen met het destillaat van de vierde kolom(eveneens polyaethyl

-benzenen) na koeling boven in een absorptiekolom gevoerd.Ze wassen de gassen,die van de alkylator komen uitw De poly-aethylbenzenen worden hierna in de alkylator gevoerd .

De vierde kolom met 10 werkelijke schotels werkt bij een druk van 50 mm Hg abs.Hierin worden de lagere polyaethylbenzenen(voorn.l.diaethylbenzenen) van de hogeren

gescheiden.De refluxverhouding bedraagt hier 0,5:I.Als

con-structiemateriaal voor de destillatiekolommen wordt staal

gebruikt.

DE hogere polyaethylbenzenen uit de bodem

van de vierde kolom worden naar de dealkylator gezonden.Een

stroom aluminiumchloride-complex wordt bij de koolwaterstoffen

gevoegd en bij 2000C. wordt gedealkyleerd.Benzeen,aethylbenzeen

en diaethylbenzenen verlaten als damp de dealkylator.Ze worden

na condenseren en koelen bij de alkylaatstroom gevoegd.In de dealkylator ontstaat een residu van teer en aluminiumchloride.

De dealkylator wordt door inductie-verhitting op temperatuur

gehouden.Als constructiemateriaal voor de dealkylator kan

I •

-6-Materiaalbalans.

Gehele fabriek.

invoer in Kg/u. afvoer in Kg/u.

benzeen 988 aethylbenzeen 1282

aetheen(98%) 347 verlies lOl

aethylchloride 23

AlC1

3 25

1383 1383

De opbrengst aan aethylbenzeen uit benzeen

bedraagt 95,5 gew.% van theoretisch mogel~k.Voor aetheen

(rekening houdend met de hoeveelheid aetheen,die uit

aethyl-chloride afsplitst) wordt dit bedrag 96,8 gew.%.

Alkyla.!or. invoer in Kg/u. aetheen(98%) 347 gassen benzeen 2288 alkylaat polyaethylbenzenen 400 AlC1 3 25 aethylchloride 23 AlC1 3-complex 296 3379 Raffinag~. afvoer in Kg/u. 20 3359 3379

invoer in Kg/u. afvoer in Kg/u.

alkylaat 3359 voeding dest.kolommen 3026

uit dealkylator 64 verlies koolwaterst. 44

3423 invoer in Kg/u. polyaethylbenzenen 44 uit de raffinage 44 88 verlies 13 AlC1

3-complex naar alk.296

11 naar dealk. 44 3423 afvoer in Kg/u. naar de raffinage 64 residu 24 88

Destillatiekolommen.

-invoer in Kg/u. afvoer

uit de raffinage 3026 benzeen

3026 aethylbenzeen polyaethylbenzenen naar alkylator polyaethylbenzenen naar dealkylator in Kg/u. 1300 1282 400

44

3026

I • Berekening van een destillatiekolom volgens Ponchon-Savarit.

I

Blj de beschrijving van het fabricageproces is deze

I. als de tweede destillatiekolom aangeduid.Deze kolom krljgt een

~

;)

i \ dampvoeding, bestaande lÏnÏl.t benzeen,aethylbenzeen en 1-2 gew.(î

~

vl',

//

polyaethylbenzenen.De aanwezigheid van de

POlyaethYlbenZene~

is verwaarloosd.Het probleem wordt daardoor vereenvoudigd tot

de berekening van het binaire systeem benzeen-aethylbenzeen.

Voor de berekening werd de grafische methode volgens

Ponchon-Savarit gevolgd.

Nu volgt eerst de behandeling van het

W-x(enthalpie-mol.fractie meest vluchtige component)-diagram.(fig.I,blz.8).

In dit diagram is als O-niveau van de enthalpie

genomen,de zuivere meest vluchtige component in vloeistofphase

blj kooktemperatuur en bij bepaalde druk.De druk immers bepaalt

de kooktemperatuur.De enthalpie van de andere component in

vloeistofphase is blj dezelfde temperatuur eveneens 0 genomen.

Daar de enthalpie niet in absolute waarde bekend is,is ook de

keuze van een ander O-niveau mogelljk.Het diagram geldt voor de

eenheid van massa,bv.voor I Kg,I grammol.etc. Blj de verdere

be-sprekeningen nemen we I grammol.als de eenheid van massa.

W_b stelt voor het enthalpieverschil tussen de

zuivere component A op kooktemperatuur en op de temperatuur,

waarbij de enthalpie 0 zou zijne di t is juist de kooktemperatuur

van component B,Wd=O).

F

>

/ _.1.-_ _ __ _ _ _ -8-W a- Wb is het enthalpieverschil

tussen verzadigde damp en vloeistof op

kooktemperatuur( voor zuivere component A) , _Wa- . ___ .

d.w. z.de verdampingswarmte van compo

-nent A.De l~n,die Wa en Wc verbindt,

is de damptak.

Voor een willekeurig punt g

van de damptak geldt:

W = (I -x ) W r + X W r g g a g c W' en W' z~n de moleculaire enthal -a c W I!' !W b I . I 0 _• g.

pieën van beide componenten in dampvorm A --~ .. x

b~ temperatuur tg van de damp g. _fig.I

Nu is volgens de thermodynamica

dQ

=

dW _p= c , dus

(dW/dT)p = (dQ/dT)p = cp

Integreren geeft

I

t

t = a kookpunt van component A

i

t b= kookpunt van component B

s. w. b~ constante druk van component

"

"

"

"

"

"

fig.2. dus

Wg =(I-x_g) (Wa+ACg(tg-ta)) + Xg(WC+BCg(tg-tc) )

B

A in gasv.

B

_"

_"

L

Voor een willekeurig punt 1 van de vloeistof

-tak geldt:

Wl =(I-_{xl )} (Wb+Acl(tl-tb)) + xl(Wd+Bcl(t l-td) )+ q

De term q geeft de moleculaire mengwarmte aan.

Fig.2 stelt een destillatiekolom voor.

Nu geldt: F = A + B (I) Fx F= AXA + BXB (2 ) FW F + QB = AWA + BWB + Qp"

w

f

J, .• ---.

--F W ':-,-,J

.

I - - - -> X fig.3 AI .[ 'tV I l' . A I F ' . i

Warmteverliezen door uitstraling

zijn verwaarloosd.(WF'_{WA en} W

B zijn de

moleculaire enthalpie~n van F,A en B)

= A(WA +

QA!A)

+ _B(WB - QJ!B)

QAlA

= qA= onttrokken warmte in

de koelspiraal per mol.A.

QB/B = qB= toegevoerde warmte aan

de kookspiraal per mol.B.

FWF

=

AWÁ + BW

_B

(3)

In het W-x-diagram geven we deze

vergelijkingen weer(fig.3) .

Uit deze drie vergelijkingen volgt ,dat A',B' en F

op een rechte lijn moeten liggen. (2) en (3) zijn de scheidings

-producten,welke als verzadigde vloeistoffen gewonnen worden.

Het enthalpieverschil tussen (I) en (2) is dus de onttrokken

warmte in de koelspiraal per mol.A,terwijl het enthalpieverschil

tussen (3) en (4) de toegevoerde warmte aan de kookspiraal per

mol.B is.

Het te scheiden mengsel F splitst zich dus in de

bru tophasen A' en B' . Bij een stationnaire toestand van de

rec-tificatiekolom gaat dus bij invoer van de brutophase F door

elke doorsnede boven de inloop de brutophase A'~n gelijktijdig

door elke doorsnede onder de inloop de brutophase BI.In

werkelijkheid gaat door elke doorsnede een damp naar boven en

stroomt een vloeistof naar beneden.Bij invoeren van de bruto

-phase F gaan door een bepaalde doorsnede boven de inloop n_I

grammol. gas(x_g) en n₂ grammol. vloeistof(x_l ).

De brutophase A' is dan gekarakteriseerd door:

AI = n

I - n2

AI_{Wl = nIWg} - _{n 2}W_l

Alx_{A = nIxg} - n₂x_I

d.w.z. de vloeistof en de damp,die door een willekeurige

doorsnee boven de voedingsschotel door de kolom stromen,zijn al

-t~ op een rechte lijn gelegen die door A I gaat.

'

..

I

.

I

•

/f'

i L.

I

.

...

.

fig.4.

-10-De vloeistof en de damp,die beneden de invoer door een doorsnee stromen,z~n op een rechte door B' gelegen.

De constructie voor de bepaling van het aantal theoretische schotels van een rec-tificatiekolom is dus uit te voeren.Hierb~

wordt aangenomen, dat er evenwicht heerst

tussen de damp en de vloeistof welke de

schotel verlaten.

(zie fig. 2 en 4)

Boven in de kolom stroomt LA~reflux).

De damp van de bovenste schotel heeft de

samenstelling Gr.De vloeistof van de bovenste schotel is Lr (G_r en Lr liggen op een node.) .De damp,die van de tweede schotel naar de bovenste schotel gaat,is G

2(zie voor de

con-structie fig.4) .De l~n A'B' moet gesneden worden door een

node,wil de kolom mogel~k z~n.Deze laatst genoemde node heeft betrekking op de invoerschotel.Na het passeren van de lijn A 'B'

maakt men voor de constructie gebruik van de pool B'.

Op deze w~ze is het mogel~k het aantal

theoretische schotels van een rectificatiekolom te bepalen.

Het t-x-diagram voor het stelsel benzeen-aethylbenzeen is berekend voor een totaal druk van 785,8 mm Hg abs.,de werkdruk van de destillatiekolorp.(zie graf.2,2a,2b).

Eerst werd een log.p- riT-grafiek opgest eld m.b.v.gegevens

uit lit.7.(p in mm Hg en T in oK.) .Zie tabel r en grafiek

r

.

I [

.

tabel I aethylbenzeen temperatuur

Oe

oK 61,8 335,0 74,1 347,3 92,7 365,9 II3,8 387,0 136,2 409,4 163,5 436,7 benzeen 42,2 3I5,4 60,6 333,8 80,1 353,3 103,8 377,0 I42,5 415,7 I

.

10 3 11'" (T in oK) 2,985 2,879 2,733 2,584 2,443 2,290 3,I7I 2,996 2,830 2,653 2,406 druk in mm.Hg 60 IOO 200 400 760 I520 200 400 760 1520 3800 log P 1,7782 2,0000 2,3010 2,602I 2,8808 3,18I8 2,30IO 2,602I 2,8808 3,18I8 3,5798

Met behulp van grafiek I werd tabel 2 opgesteld,

waaruit men door berekening de vloeistof- en dampsamenstellingen

b~ een bepaalde t emperatuur verkreeg. (tabel 3.).Hierb~ werd

aangenomen dat de wet van Raoult geldig was .

tabel 2 t

oe

81,3 8~ 83 84 85 86 90 95 IOO temperatuur T oK I . 103 'T' 354,5 355,2 356,2 357,2 358,2 359,2 363,2 368,2 373,2 2,82I 2,815 2,807 2,800 2,792 2,784 2,753 2,7I7 2,680 aethylbenzeen log' p p(mm.Hg) 2,I22 2,133 2,I50 2,I63 2,180 2,197 2,261 2,334 2,409 I32,4 135,8 14I,3 I45,5 I51, ~-157,4 182,4 215,8 256,4 benzeen log p 2,8953 2,905 2,917 2,929 2,943 2,956 3,008 3,072 3,134 p(mm.Hg) 785,8 803,5 826,0 849,1 877,0 903,6 1018,6 1180,3 1361,3

-12-temperatuur

.103 aethylbenzeen benzeen

t Oe T OK _T I _{loc P} p(mm.Hg) log P p(mm.Hg) 105 378,2 2,645 2,478 300,6 3,193 1559,7 110 383,2 2,610 2, 548 353,2 3,250 1778,3 115 388,2 2,576 2,617 414,0 3,306 2023,0 120 393,2 2,544 2,682 480,8 3,357 2275,0 125 398,2 2,512 2,745 555,9 3,408 2558,5 130 403,2 2,481 2,807 641,2 3,458 2871,0

I

.

_{133 406,2 2, 462 2,844 698,2 3,490 3090,0} 134 407,2 2,456 2,856 717,8 3,499 3155,0 j • 135 408,2 2,450 2,868 737,9 3,510 3236,0 136 409,2 2,444 2,880 758,5 3,520 3311,0 137,3 410,5 2,436 2,8953 785,8 3,532 3404,0 tabel 3

temp. druk druk druk mol.fractie mol.fractie

oe _{benz. aethylbenz. tot. verz.vloeist. verz. damp.}

PB(mm.Hg) PA(mm.Hg) p(mm.Hg) P - PA PBx x=--- y =---PB- PA P 81,3 785,8 132,4 785,8 1,000 1,000 82 803,5 135,8 0,973 0,995 83 826,0 141,3 0,941 0,989 84 849,1 145,5 0,906 0,983 85 877,0 151,4 0,874 0,976 86 903,6 157,4 0,842 0,968 90 1018,6 182,4 0,722 0,936 95 1180,3 215,8 0,591 0,888 100 1361,3 256,4 0,479 0,830 105 1559,7 300, 6 0,385 0,764 110 17'"78,3 353,2 0,304 0,688 115 2023,0 414,0 0,231 0,595 120 2275,0 480,8 0,170 0,492 125 2558,5 555,9 0,115 0,374 130 2871,0 641,2 0,0649 0,237 133 3090,0 698,2 0,0366 0,1439 134 3155,0 717,8 0,0279 0,1120 135 3236,0 737,9 0,0192 0,0791 136 3311,0 758,5 0,0107 0,0451

L

137,3 -

-

3404,0 - 785,8 0,0000 0,0000

I •

-13-De grafieken 2, 2a en 2b zijn gemaakt met behulp van de

waarden uit tabel 3.

Grafiek 3 geeft het W-x-diagram voor benzeen-aethyl -benzeen.Als O-niveau van de enthalpie is de enthalpie van

~

vloeibaar benzeen bij ;{8r,$oe genomen.Daar mengwarmten onbekend zijn,is voor de constructie van de vloeistof tak alleen rekening

gehouden met de moleculaire soortelijke warmten van vloeibaar benzeen en aethylbenzeen.

Nu geldt voor benzeen(vloeibaar) .

cp = 31,08 + 0,06342.t (t in oe) . of cp = 13,75 + 0,06342.T (T in oK) . voor aethylbenzeen(vloeibaar) . cp

=

41,44 + 0,II72.t (t in oe) .

of cp

=

9,42 + 0,I172.T (T in oK) . (lit.II)

Met behulp van de formules op blz.8 is een reeks van

punten van de vloeistof tak berekend.(tabel 4)

tabel 4

1 \

bij

xl WI(K.cal/K.mol) xl W_I

0,0 3035 0,6 575 0,1 2343 0,7 389 0,2 1810 0,8 240 0,3 1385 0,9 112 0,4 1055 1,0

°

0,5 783

De vloeistof tak is dus te construeren.

De damptak is recht genomen, daar dE mol~culaire

soortelijke warmte van aethylbenzeen(gasv.) onbekend is. bij 250e

I36,I90e

De verdampingswarmte van aethylbenzeen per Kg bedra&gt 95,11 K.cal. d.i. per K.mol. 10097 K.cal.

81,0 "

j . " " "

8599" Evenzo vindt bij 250e bij 80,1°8 (lit.7) 8584 K.cal./K.mol.

men voor de verdampingswarmte van benzeen

8090 K.cal./K.mol. _(lit.7) 7353 "

dus bij

81

,

130e

7337

"

F I • fig.5 T -14-Vastgelegd zijn F =voeding(Gasv.) T de volgende t=132oC t= SI,SoC B t=I37,30C Refluxverhouding 3:1. gegevens : x=0,567 x=0,995 x=0 ,002 lit.2.

Een materiaal- en warmte-balans z~n opge -steld voor I K.mol voeding per tijdseenheid. Een stationnaire toestand is aiillngenomen.

F

=

B + T xFF = xBB + xTT Hieruit volgt :

of 0,567F = 0,002B + 0,995T

T

=

0,5690 K.mol.per tijdseenheid.

B

=

0,4310 11 11 11

Alle waarden z~n per t~dseenheid opgegeven.

Gecondenseerd wordt 4.T

=

4.0,5690 K.mol.

De hoeveelheid warmte,die aan de condensor wordt onttrokken, per 0,5690 K.mol(van T) is :4. 0,5690. 7337

=

16700 K.cal.

per K.mol(van T) :16700/0,5690 = 29350 K.cal. Als enthalpie-niveau werd vloeibaar benzeen van SI,30C. genomen(O) .

De teruggevoerde reflux voert dus geen warmte in.de kolom.

Uit de bodem van de kolom voert B per K.mol 3035 K.cal. af(zie grafiek 3) ,dus 0,4310 K.mol.(van B)

1308 K.cal.

De gasvormige voeding F voert eveneens warmte toe. De mol. s. w. van aethylbenzeen in gasvorm is onbekend. Voor de

berekening van het enthalpieverschil tussen de dampvormige voeding en het O-niveau,is gebruik gemaakt van de s .w. _van g~~vormig

(lit .~)

benzeen. cp = 6,5 + 0,052T (T in oK)

Ingevoerde warmte per K.mol(van F) : 9596 K . cal. (graf. 3 ) We geven nu de warmtebalans over de kolom

I • I

I

•

toegevoerde warmte K. cal. Warmtebalans. afgevoerde warmte K. cal. met reflux met voeding

o

9596 met ffiondensor 16700 met B 1308 verdamper Q 9596 + Q 18008

dus Q

=

8412 K.cal,die toegevoerd(per K.mol.voeding)

wordt in de verdamper.Dit wordt per K.mol B ; 8412/0,4310

=

19517 K.cal.

Resumerende dus:

Per K.mol. B wordt aan de verdamper onttrokken : 19517 K.cal.

Per K.mol. T wordt door de condensor onttrokken:29350 K.cal.

Deze waarden leveren resp. de constructiepolen A en B op graf.3 op.

Graf.4 geeft bepaalde del en van graf.3(bij x=O en x=l) sterk ver

-groot weer.

Beginnende b~ de vloeistof,die als reflux in de kolom

stroomt,wordt de constructie uitgevoerd(graf.3 en 4) .Voor de

constructie van de noden wordt van graf.2 gebruik gemaakt .

De constructie had als resultaat,dat bij de gegeven

condi ties,9 theoretische schotels vereist z~n.De 4de pl aat van bovenaf is de theoretische voedingsschotel.

Nu is het aantal werkelijke schotels gelijk aan het aan

-tal theoretische schotels gedeeld door de "plate efficiency".

De waarde van de "plate efficiency" is moeilijk vast te stellen,

daar deze waarde van vele factoren(o.a.van de constructie van de schotels en van de kolom) afhangt.

Lit.7,blz.6I7 vermeldt voor een kolom met een voeding van tolueen,paraffine en phenol een "plate effici ency" van 0,5.

(de druk was hier 18 l bs/sq.in.,de temperatuur I37°C en de

schotelafstand 1,5 ft .)

Voor dit geval is de "plate efficiency" 0,5 genomen.

Daar de verdamper als een theoretische schotel werkt ,krijgen

we 17 werkelijke schot e:$s. De verdamper fungeert al s onderst e

schotel.De voedingsschotel is de 8ste van boven.

.

Li t . 2 vermeldt dat 20 werkel ijke schotels verei st zijn.

I~---~-I

•

I • I • I •

-16-De dampsnelheid in rectificatiekolommen met schotels

wordt gegeven door:

t-

r I

:d I - d 2 : 2 u

=

K _v· r r r :_ d₂ (lit.7,blz.598) u = dampsrielheid in ft./sec.

dI = dichtheid van de vloeistof bij de temperatuur van de kolom(lbs/ft 3 ). d2= rr

K _v = constante.

rr rr _damp rr rr rr rr rr rr

B~ een schotelafstand van 1,5 ft . en een

vloeistof-slot van I in. is Kv= 0,14.

Voor de berekening van u,worden de condities van de top van de kolom gebruikt .

d2 berekenen we,aannemende dat de ideale gaswetten

geldig zijn.

mol.gew.benzeen :78,11

rr

temperatuur top van de kolom: 8I,80C = 179°F = 6390R.

druk: 785,S mm.Hg.

d2= 7S,II/359 . 492/639 . 7S5,S/760 = 0,173 lbs/ft 3 •

Voor dl is de dichtheid van benzeen b~ 8I,8°C genomen.

Deze dichtheid is m.b.v. de kubieke uitzettingscoëfficiënt berekend.

Voor benzeen geldt van II-8I oC :

V

t = Vo(1 + 1,17626.IO-3t + I,27776.IO-6t 2 + 0,S064S.IO-S_{t 3 )} (V = volume bij OOc;t= temperatuur in °C.) (lit.7,blz.202)

°

De dichtheid van benzeen b~ 200C is: 0,879 (lit.7,blz.I31) vSI,S = vo" 1,1080 V20 = Voo 1,0241 Verder is

d8I

,~

= G/V 8I,8 en d 20 _{= G/V} 20 = 0,879

M.b.v. deze vier vergel~kingen vinden we: dSI,S

=

0,S12 g/ml

of

dSI,~

=

0,812 • 62,4 = 50,70 Ibs/ft 3

u wordt dan : 2,39 ft/sec . of 7,28 dm/sec.

De materiaalbalans over de destillatiekolom(de

poly-aethylbenzenen z~n verwaarloosd) . Zie fig.5.

invoer _J!'

29,20 K.mol/u,d.i.2635 Kg/u.

afvoer _{T 16,62 K.mol/u,d.i.I300 Kg/u.}

- - -

---•

I •

-17-De hoeveelheid opst~gende damp bedraagt dus,daar de r efluxverhouding 3:1 is:

\

/

4 . 1300

=

5200 Kg/u

=

4 • 16,62 K.mol/u of 4 . 16,62/3600 K.mol/sec of 4 • 16,62/3600 • 22400 • 355,0/273,2

=

537,4 I/sec.

Als de kolomdiameter d(in dm.) is,dan geldt:

537,4

=

0,25 • 3,14 • d2• 7,28

d

=

9,70 dm.

De berekening l everde dus als resultaat op, een

kolom met 17 werkelijke schotels.

De voedingsschotel is de 8 ste van boven.

De verdamper is de onderste schotel(no.17 van boven).

'1.,130

1.,1.0

:1

'1.,0 S ,S'S

J

2.,1." 1., l,OO a,a1. l,a,",

r---~~~---~--- ---~---~---144 n.S ,1.1, 1'1.·4 1'1.0 ,d. 111. 110 10'0 8'l. &0 G,oO o,oS' O,S$' 0110 I o,bS o,1 S _CI,ao il-i : I . t,tt+-'-' ~~! :f=t:-:::!f::::~: -0,8S 1,00

8000 0,0 0,' 01.. , O,l ". :.::,r:';:;"·f-.-+~~+-. H-'" . 1::= f-·: ·--I-./-.. :, .. 1";:::- ,::: : v ;=.::;:t+!.::: Td' .:.:.: .c ... + .. c.... IH- ~ .... f.---r-' 1+1

3100 1.bOO I 1.100 0,0 • ~ 0 0 b I 0,0 \ --I" 100 "00 CT (,00 H+--0.... 1.00 I~, .00

1 2

3

4 5 6 7 , o 8 • ₉ 10 11 (" ..

•

Literatuur. G.M.Kline,c.s. J.E.Mitchell L.v.Erichsen W.Dow

W.A.Pardee,B.F.Dodge J.H.Perry,c.s.

O.A.Hougen,K.M.Watson G.G.Brown,c.s.

G.A.M.Diepen,G.Meyer

V.Ya.Kurbatov

Investigation of German Plastics

Plants. C.I.O.S. 29-62 120 Trans.Am.Inst.Chem.Eng. 1946 42 293 Angew.Chem. 1949 61 322 Monsanto Chem.Co.--Brit.P. I950,July 5 639873 Ind.Eng.Chem. 1942 1267 1nd.Eng.Chem. 1943

1.2.

273

Chemical Engineers' Handbook

Mc.Graw.Hill Book Cy.

New York

1950

Chemical Process Principl es

John Wiley and Sons ,lnc.New York

Chapman and Hall,Lim.London

1947

Unit Operations

John Wiley and Sons,lnc.New York Chapman and Hall,Lim.London

1951

Chem.Weekbl.

1948

57

J .Gen.Chem.(U.S.S.R.)