Schema voor een proces ter bereiding van 1.2 dichloroethaan

1

SCHEMA"

VAN EEN PROCES, TER BEREIDING VAN

1.2 DICHLOROETHAAN

-D.MiÁTEN

39

J AAN tt VERLAM'

DELFT.

-SEPTEMBBR.

1957.

f.

~

~~ ~M'.y,

... f\n.A..

~~

..

000Jv '.

2.0

w.c..t

~

J.J.. ttJ..~\tk- ~ tlt. ,~~'\4 ~i ( \i.d .. ~~.<:'tiJ. (9

k

/J..

~

/VJJ-

':ll~b~ ~ ~

.ti-

J.d

"'!,t

~S~(

~i ~ •• +;Jv~,..

.

~~ ~M...t.t. W\~~~

krt

fl.w~ ~ ,(W...~&'

"i"

~~th-

.

-}:1

~J(v.,:4 ~

~h'l~ ~~[ 0r,/~~.

\-\"t

WU~

\().A. to..

~"t~~I'~~. ~ ~1l'

UÇA'A.

';~*i\.

~~'àM.i~.\1J"

L

f·l')'

V,

t..

~~~.û(.I~

.•

~Á:t- ~~

~

k,*

~+,dr~~·

Q,~

Het

~ ~ \~)\"L&rc~r

.-:;>'

~

.[r·zJ

N~(M.. ~~ ~hWw orM~tk~~~

*fÁ?

(S"b~,.(tt)

W

~

l'S

Cke..t ~*-(~u: v...c:*t..(I~

~u·. s~~t!L.~t.

kot;

U.

~~

~

-t:;.

Q.~ ~~tI.. (rJ2lt/~

'ft

E.. \

~. ~~

r.1\.V '\.,

'tL.

(7\..1

&.uk . .

Q...~tt.'h.i"

\rUW'

~~

~...uL

-

! /'

~

.;'J

SCHEMA VAN EEN PROCES, TER BEREIDING VAN

--- 1.2 DICHLO~THA.AN

---D.ARA.TEN

39,

AAN· 't VERLAAT

DELFT.

'.

Hoofdstuk 1. Inleiding

a. Land van plaatsing; de mate, waarin

het bedr~f aan bestaande en

toekom-stige behoefte voldoet.

b. Mogel~ke werkmethodes.

c. Beschikbare grondstoffen; gekozen werkmethode; plaats van het be-drijf; hulpdiensten.

d. Grootte van de productie.

Hoofdstuk 2. Beschrwing van het proces aan de hand van het schema, met de grootte der toestellen, massa- en

energie-1

2

3

5

stromen. 6

HOofdstuk 3. Berekening van de destillatiekolom.

₂₅

Hoofdstuk 4. Nomenclatuur.

Hoofdstuk

5.

Literatuur. ₃₃

u J.

.

" ; ,~ ~..r . J' .. '0 • .I: J ) i J " 'J t,-·~~h . .!. J) I .: J 'I J J A V

...

. ; .,; _{. f.} IJ · ... u ... · ! \;

..

.J.,J '.J ..; "'''"

.

~ •. t V" • L

.

JJ. .) '-, \,.1 -#1\ i. V .1 •. IJ .

-, .J' .

-.

~.-.

" :.. ~. _ 'H"~ :..,.

Schema van een proces, ter bereiding van 1.2-dichloroethaan. Samenvatting.

Een proces ter bereiding van omstreeks 5500 tja

1.2-dichloroethaan uit etheen en chloor wordt beschreven. Het etheen is van raffinaarder~gassen afkomstig, het chloor van

een keukenzout-electrolysebedr~f. Gewerkt wordt in

vloei-stoffase, waarb~ 90%-ig et~een en zuiver chloor in vloei-baar 1.2-dichloroethaan geleid worden, b~ 2 ata en 400C.

Het rendement van de productie, betrokken op etheen, bedraagt 86%';' op chloor, 95%.

Het eindproduct bevat 0,15 gew.-% water, naast 0,77 gew. -% etheen.

Het bedrljf is gepro'jecteerd om nablj Haifa, Is:):'aël ge-bouwd te worden.

Hoofdstuk 1 : Inleiding.

a. Land van plaatsing; de mate, waarin het bedrljf aan bestaande en toekomstige behoeften voldoet.

Het chemische product 1.2-dichloroethaan CH2~1-CH2Cl

(ook ethyleenchloride en ethyleendichloride genoemd; in dit verslag verder als EDC aangeduid) is de eerste trap ter be-reiding van vinylchloride en polyvinylchloride (PVC); in dit verslag wordt slechts deze eerste trap beschouwd.

Het EDC-bedrljf zal in Israël worden gebouwd. Het EDC (en dus het PV-C) zal in de eerste plaats de behoeften van het land dekken, en'daarnaast geëxporteerd kunnen wor,den naar zuid-oost Europa, west Afrika e.a.

De import aan PVC bedraagt in Israël op het ogenblik 700 tja (a

=

jaar), met een verwachte st~ging tot 1000 tja in de naaste toekomst. Daar de uitbreiding van de landbouw irrigatiebuizen van PVC op groeiende schaal gebruikt, waar-voor omstreeks 1400 tja nodig zullen z~n, zal binnen enkele

jaren het binnenlandse verbruik 2400 tja bedragen

*).

*) _{Mededeling van Dr A.Marcovitch, hoofd van de afdeling}

Chemische Producten van·het Ministerie voor Handel en Industrie, Jeruzalem, Israël.

Gezien de kleinste capactiteit, waarb~ economisch ge-werkt kan worden, omstreeks 10 t/d PVC is (= 3500 tja),

zullen 1100 tja voor export beschikbaar z~.

·Voor het produceren van 1 t PVC via EDC z~ nodig: 0,43 t etheen en 1,14 t chloor. B~ de dehydrochlorering tot vinylchloride komen 0,57 t chloorwaterstofgas vr~.

De

pr~zen

van

de~E3:;

producten zjjn **): Etheen (uit

raffinaarde-r~gassen) 300 IL/t; chloor 120 IL/t; chloorwaterstof (als

b~product, niet te verkopen dan op basis van de pr~s van

H2?04) 58 IL/t. De pr~s van PVC aan materialen wordt dan: 0,43 .300 + 1,14.137 - 0,59 .58

=

232 IL/t.

De ·pr~s van EDC aan materialen wordt 273 IL/t. ( 1 IL

=

1 Israëlisch pond

=

f 2,10

=

U.S~ $ 0,55; 1 U.S. $

=

1,800 IL). De pr~s van EDC is (volgens lit.34). 334 IL/t, voor grote quanta.

b. Mogel~ke werkmethodes.

EDC bereidt men steeds door etheen te chloreren.

Hier-b~ worden twee werk~zen gebezigd, afhankel~k van de concen-tratie van het beschikbare etheen., Voor lage etheenconcen-traties (enkele %) werkt men in gasfase, b~ een druk van 3 atm (lit.L) tot 5 atm (lit.2), en b~ temperaturen van 40°C

(lit.l) tot 100°C (lit.3). Als katalysatoren zijp. genoemd FeC13' opgelost in EDC (lit.2) of in absolute alcohol (lit. 5), 1.2-dibromoethaan (verder in dit verslag EDB genoemd)

(lit.3, 4), Fe of Cu-span~n (lit.6), f~n verdeeld Pb (lit. 18), en CaC12 in combinatie met een aardalkalimetaal halo-genide (lit.l). De molverhouding der gashoeveelheden ,C2H4: C12 varieert van 1,1 (lit.6) tot 8 (lit.9). De gassen passe-ren de buisvormige reactor in gel~kstr00m. De verbl~ft~d is 0,01- 60 sec (lit.7). Als etheenbron gebruikt men kooksoven-gas. Dit bevat gemiddeld: 1,50 vol.-% C2H~ naast 0,60 vol.-% hogere olefinen en 6,50 vol.-% CO (lit.ll). Daar hogere ole-finen en koolstofmonoxyde zich sneller met chloor verbinden dan etheen, waarb~ producten worden gevormd, welke economisch van kleinere waarde zijn dan EDC, moet het kooksovengas een

**) Mededeling van Ir J.Araten, sCheikundig ingenieur te Haifa, Israël.

7

vóórreiniging ondergaan. De etheenhoudende fractie bevat dan

±

90% andere bestanddelen (002 , 06H6 , 02 , OH4 en homologen, H2 en N2) welke in het gasfaseproces weinig storen.

Naast kooksovengas is ook generatorgas als etheenbron voor het gasfaseproces genoemd (lit.7).

Het vloeistoffaseproces wordt gebruikt als men over meer geconcentreerde etheen beschikt (

>

90 vol.-%) en vóór-reiniging niet meer nodig is (lit.16). Men brengt 012 en 02H4 in vloeibaar reeds gevormd EDO, onder een druk van 1,7 tot 2,4 ata (lit.13) (een druk van 3,5 àta is genoemd - lit.' 14). De temperatuur ligt tussen 2500 (lit.15) en 5000 (lit. 16). Z~ mag niet boven deze grens st~gen, daar dan de naast de additie optredende substitutie (en de hieruit resulteren-de vorming van HOI en 1.1.2-trichloroethaan, in dit verslag verder ETO genoemd) boven het economisch toelaatbare st~gt. De warmte-afvoer b~ deze exotherme additie (~W298 = - 48 kcal/gmol, lit.17) is dus van groot belang. In het gasfase-proces is de~rmte-afvoer van weinig belang, vanwege het ge-ringe etheengehalte en vanwege de korte verbl~ft~d. Vergele-ken met het gasfaseproces heeft het vloeistoffaseproces een grotere productie per volume-eenheid reactor; tevens is, door de toegepaste lagere drukken, de constructie eenvoudi-ger. De molverhouding 02H4 : 012 is omstreeks 1,1 (lit.6).

Als katalysatoren gebruikt men Fe013 (lit.16), EDB (lit. 16) of FeO.(lit.14). Dit laatste wordt dan in situ gevormd door ~zerspanen in de reactor te brengen en aan de etheen-stroom zuurstof toe te voegen. Het gebruik van EDB heeft het voordeel, dat het door toevoegen van wat broom aan het reac-tiemengsel eenvoudig bereidbaar is.

c. Beschikbare grondstoffen; gekozen werkmethode; plaats van het bedr~f; hulpdiensten.

Daar gedacht is het bedr~f in Israël te plaatsen, zul-len de daar reeds aanwezige grondstoffenfabricage-facilitei-ten worden beschouwd. Het nodige chloor kan worden betrokken van "Electrochemical Industries (Frutarom) Ltd. f1 _{, fabrikanten}

van chloor nab~ Akko (St.Jean d'Acre), 15 km ten noorden van Haifao Als etheenbron beschikt men over gassen, afkomstig van

~---_-.l,--

..

~"--"-.Sc\'G\Q.\!

~/2.)o.o()O

:~~i ~

-o • a. I .. .S. , " • q 10 k." - - - r-\ v\t:"~'

-' -' hoofJve.rkf.u:>l.\.I9

---.-- "!.foor-baa..n . -.. : "'alo ... it.te\'"~~\ne.,,· Co

","'iÄO-.\ëd·

1e~kt.r~ L.~..

.

\ .... I • '(..b'~. ~ ... . ' .... . . I ' . ... 4

de "Consolidated Refineries Ltd.", enkele km ten oosten van Haifa. Indien deze ra~finaarder~ geen etheenhoudend gas in vóldoende hoeveelheid kan leveren, kan men overwegen etheen

u~t gelmporteerde ethylalcohol te produceren. De aanwezig-heid van 's-Lands enige diepzeehaven aan de Middelandse Zee te Haifa zal zo een etheen-bedr~f onget~feld ook in de om-geving van deze stad doen plaatsen.

Wat de andere genoemde etheenbronnen betreft - kooks-ovens z~n er in Israël niet; het land heeft voor zover be-kend geen steenkool .•

In beide gevallen, dat van etheen uit raffinaarder~-gas

en dat van atheen uit ethylalcohol, zal men over" geconcen-treerde etheen (90% of hoger) beschikken. Het proces in vloeistoffase is dus de aangewezen wer~~e. De te bouwen EDe-fabriek zal in de directe omgeving van Haifa gebouwd. moeten worden om de volgende redenen:

~) De grondstoffenfabrieken z~n reeds daar, of zullen daar komen.

2)

De

nab~heid van een haven voor export (en eventuele import van C2H

₅

0H), en de goede verbindingen er heen per spoor en over de weg vanuit het industriegebied

ten oosten en noordoosten van de stad .

3) DÈ aanwezigheid van de .electrische centrale, en een

22 kV-'l~ van deze centrale door genoemd~

industriege-bied.

4) De aanwezigheid van voldoende zoet water, en van zee-water voor koeling.

5) De mogel~kheid, om binnen een straal van 25 km vol-doende arbeiders aan te kunnen trekken.

6) De lagere bouwkosten van nieuwe. bedrijyen, wegens de

haven-nab~heid, en de aanwezigheid van een

cementfa-briek op 20 km afstand .•

7) Het (ook in de zomer) niet ondragel~k hete weer.

Daar voor 1000 kg EDC nodig z~ 716 kg chloor en 311 kg etheen (waarin de nodige overmaat etheen is begrepen), ligt. het voor de hand, het EDè-bedr~f in de nab~heid van. het

chloorbedr~f te plaatsen. Bovendien is de directe omgeving

.;,

beschik-."

bedr~f is 11 km luchtl~ en omstreeks 13 km langs de weg.

Beide bedr~ven hebben een spooraansluiting.

Het bijgevoegde kaartje van Haifa en de omgeving (fig. 1) verduidelijkt de situatie.

d. Grootte van de productie.

Het EDC-bedr~f vormt de eerste trap voor de productie

van vinylchloride en fVC. Voor de productie van 10 t/d PVC

.

.

(= 3500 tja) heeft men de volgende EDC-fabricage-capaciteit nodig:

3500 tja PVC

=

3500 tja vinylchloride

=

3500 .99/62,5 tja EDC

=

5444 tja; afgerond tot 5450 tja

=

15,55 t/d

=

648.kgjh. Om met verliezen (via de schoorsteen) rekening te houden

(zie beneden), wordt de berekening op 655 kg/h gebaseerd. Bij een productierendement EDC/C12 van 95 mol-% (lit.13)) heeft men nodig aan C12 100/95 X71/99 ~ 655 ~ 494 kg/h

=

11,87 t/d.

=

4154 tja •.

Uit de gebruikel~ke molverhouding C2H~C12

=

1,10 (lit. 6) volgt de gewichtsverhouding C2H4iC12 == 1,10 • 28/71

=

0,434; er zijn dus nodig aan etheen 0,434 • '+94

=

215 kg/h

=

5,15 t/d,

=

1803 tja ~ Het. verkregen productierendement

EDC/C2~ is dan 648/99 : 215/28

=

86,2 mol-%.

De optredende substitutie, waarbij~de reactie plaats vindt CH2Cl. CH2Cl + _C12 ----7 _{CHC12 • CH2Cl} :t- HCl verbruikt het chloor, dat niet als EDC het proces verlaat. 6~5 kg/h EDC bevatten 470 kg/h C12; er resteert dus 494 - 470

=

24 kg/h C12' Hiervan is

t

(= 18 kg/h) in het ETC aanwezig; er vormt zich dus aan ETC 18 • 133,5/106,5

=

23 kg/h, en aan HCl 6 • 36,5/35,5 ,= 6 kg/ho

HOofdstuk 2 Beschr~ving van het proces aan de hand van het schema, met de grootte der. toestellen, massa- en energiestromen.

Alle hierna volgende berekeningen z~n gebaseerd op een uur productie. Reactor en katalysatorvat. Nodig C 2H4 CH

4-aan grondstoffen: 215 kg/h } 24 kg/h Totaal 494 kg/h 1 kg/h 734 kg/h

Hierb~ worden gevormd:

C2H

4

C1 2 (EDC) 655 kg/h C2H3C13 (ETC) 23 kg/h HCl 6 kg/h en'bl~ven onveranderd: C2H4Br2 (EDB) C 2H4 CH4 Totaal·. 1 kg/h 25 kg/h 24 kg/h : 734 kg/h

het etheenhoudend gas bevat 90% C2H4 en 10% CH4 (lit.13).

katalysator, 0,15 gew.-% van de hoeveelheid gevormd EDC (in.ana-logie met lit.17).

Het inkomende chloor heeft een druk 2,25 ata, tempera-tuur

~o~_

het etheenhoudenci gas heeft dezelfde druk, tempe-ratuur 20°ê':l

-~

De kat13-lysator wordt in de reactor gebr.acht , door.dat men een gedeelte van het chloor door vloeibaar EDB laat bor-relen. De EDB-damp houdende C12-stroom wordt in een straal-buis met het etheen gemengd. Ook het andere gedeelte van de C12-stroom wordt hiermee gemengd, waarna het reactiemengsel

via sproeip~pen in de reactor wordt gebracht.

..

..

de helft gevuld met vloeibaar EDC (lit.13, 14). De hoogte is 3,000 m, de doorsnede~,OOO m, het doorsnede-oppervlak

78,5 dm2 •

--Regeling van dit gedeelte van het proces is als volgt: Het vloeistofniveau in de reactor regelt de grootte van de etheenstroom, en deze op z~n beurt de chloorstroom, om de juiste molverhouding te kr~gen. De chloorstroom dóór het katalysatorvat regelt de chloorstroom om dit vat heen, ten-einde een juiste dosering van de katalysator: in het reactie-mengsel te verkr~gen.

Het reactiemengsel verlaat de reactor.deels als vloei-stof, deels als gas. Dit wordt veroorzaakt door de aanwezig-heid van gassen zoals CH4 , welke zich - indien alleen

vloei-stof werd afgevoerd - in de reactor zouden opeenhepen.

DB

hoeveelheid, die als gas de reactor verlaat, is afhankel~k

van de oplosbaarheid van de permanente gassen ( CH4 , C2H4 ' HCl) in de vloeistof, en van de dampdruk die de vloeistof uitoefent onder de reactoromstandigheden. Deze laatste zijn: Druk

=

2 ata

=

1471 mm kwik; temperatuur 400C.

B~ 400C

=

313°K is de dampspanning vanEDC (lit.20):

10g16~~

= -

(0,05223/T) a + b a

=

34297, b

=

7,915 ; waaruit volgt: p

=

156 mmo

CH4 HCl

C2~

De andere componenten van de dampfase z~n:

kg/h 24 6 25 0,89 kmoJ/h l,50 0,16 0,89 1315 -

(PHCI

+ PCH ) 4

=

=

0,536 waaruit

PC2HJ,

=

459 mmo PHCl + PCH 4 1,66 'T

B~ TOK lossen er op r mI C2H4 NTP/ml EDC;

p

=

459 , T

=

273 , r

=

2,75

T

=

313 , r

=

1,42 (naar analogie met lit.2l). L,42 mI C2H4 NTP/ml EDC

=

_{1,39 mg C2H4}

/g

EDC

=

4,91 • 10-3 gmol C2H4/gmol EDC.

..

=

0,16 1,50 = 1..315 - 459

=

856. waaruit PHCl

=

83 mm~ 8

Volgens lit.22, waarb~ voor, de oplosbaarheid van HCl in EDC

de geld~gheid van de wet van Henry is aangenomen, is de

op-losbaarheid b~ 40°C 0,00092 g HCl/g EDC

=

0,0025 'gmol HCll

gmol EDC. De volgende aannamen z~n nu gemaakt:

1) De dampdrukken van EDB en ETC z~ verwaarloosbaar klein. 2)) C~ lost slechts zeer weinig op in EDC, en verlaat dus

de reactor voornamel~k als gas. Gezien geen gegevens over de oplosbaarheid van CH4 in EDC gevonden z~n, l~kt

het aannemel~~, dat de oplosbaarheid ervan minstens een

factor 103 kleiner zal

z~n

dan die van de andere gassen, De samenstelling van de gasstroom uit de reactor is dan als volgt:, p _mol-% M gew-% EDC 156 10,61 .. 99 34,2 C2;E!4 459 31,20 28 28,4 HCl 83 5,64 36,5 6,7 CH4 773 52,55 16 30,7

- to-taal 1471 100,00 100,0 M

=

moleculair gewicht.

Rekenvoorbeeld ter' toelichting:

%-age van de respec-kg/h tièvel~ke _{ten, die als gas de}

componen-reactor verlaten 27 4,1 22 88,0 5 83.3 24 100,0

-78

De partieeldruk van EDC is L56 mm, de totaaldruk 1471 mmo De fractie in dampfase, uitgedrukt als gmol/gmol, is 156/1471 = 0,1061 = 10,61%. Het product van de molfractie en het moleculair gewicht is het gew~cht in g va~ die mol-fractie: 0,1061.99 = 10,51 g. Dit gewicht, gedeeld door het totaalgewicht van alle dampfracties, geeft het gewichtsper-centage.

Uit de voornoemde aanname 2) volgt, dat CH4 in de damp-fase 24 kg/h vormt; oo~ ,is G~ 30,7 gew.-% van de totale ,gasstroom, welke 'dus bedraagt (24/30,7) 100

=

78 kg/h.

"

Uit een massabalans volgt de samenstelling van de

vloeistofstroom uit de reactor; de totale massabalans wordt dan: Reactor, inkomend. 215 kgjh 24 kg/h 494 kg/h I kg/h totaal 73~ kgjh Reactor, uitgaand. als gas C2R4 22 kgjh CR4 24 kg/h HCI

5

kg/h EDC 27 kg/h als vloei-stof 3 kg/h 1 kg/h 628 kgjh ETC 23 kgjh EDE I kg/h samen 78 kgjh samen 656 kg/h totaal '?34 kgjh De warmte-effecten in de reactor worden in de volgende paragraaf Cvloeistofkoeler) berekend.,.

Vloeistofkoelér.

Het reactiemengsel moet worden gekoeld, om de substitu-tie te beperken. Koeling vindt plaats door circul~tie door een externe warmtewisselaar. De hoeveelheiQ af te voeren warmte volgt uit een warmtebelans over de reactor.

Uit lit.17 volgt, dat voor de reactie C2

B4

Cg) + _{C12 Cg) ---:) C2R4C12} (l':)"~:

er geldt _..6.W298

= -

48 kcaljgmol bij 1 ata. Deze reactie-warmte moet worden gecorr~gee~rd voor de in de reactor heer-sende, van deze temperatuur en druk afwijkende, condities.

~~~E~~~~~~~~~~~~~~~!~~

Bij variatie van de temperatuur is T

hW'I'

=

hW_o

+f

_{ACp •} d'l' ,

..

10

waarin

Hierin ,is:

Cp

=

soortel~ke warmte b~ constante druk;

v = aantal gmol; ' ..

de geaccenteerde grootheden slaan op de toas,tand na. ,de reac-tie, de accentloze op de toestand" ervoor.'

EDC

C H' ₂₄

Voor de verschiLlende componenten wordt dit als volgt: : Uit lit.24 volgt: C = 0,112 + 0,000051 t cal/g.oC.

p 0

of Cp

=

7,95 + 0,0036 t cal/gmol. C. waar t de temperatuur in

°c

is •

: Uit lit.25 volgt: _Cp = 0,292 + 0,000444 t cal/go C. 0 0 of Cp = 28,9 + 0,0439 t cal/gmol. C. I lit.24 volgt: 0,352 + 0,00093 0 Uit _Cp = t cal/go C. I _{, 0} I of Cp = 9,85 + 0,02606 t cal/gmol.C. . / '

De voor diverse temperaturen geldige gegevens van lito 2,6 en li t. 27 komen overeen met de gevonden formules.

Hieruit volgt:

~Cp

=

[1 (28,9 + 0,0439 t)] - [1 (7,95 + 0,0036 t) + + l (9,85 + 0,02606 t)]

=

11,1 + 0,0377 t 40 40

=

_.b.W25o +

S

.6C_{p • dt}

=1-

4800éiJ.+

r

(11,1 + 0,0377 t))

/

J

dt

=

= )-

47?151~~1/gmoL.

,25 I _ ~\IVr\e!.:-l V-UIATUI.(~~ .... Drukcorrectie.

Hier is aangenomen, dat b~ drukverhoging van 1 ata tot 2 ata de compressibiliteit der gassen zó weinig za~ verande-ren, dat de reactiewarmte hierdoor niet noemenswaardig zal worden beïnvloed.

De warmtebalans voor de reactor wordt dan als volgt: Warmte-inkomend:

~ W

= -

47,715 k;cal/gmoL omzetting, dat is dus 332600 kcal/ho

'0

°

opwarmen van 20 0 - - - 7 40 0; Op

=

0,380 cal/g.oO (lit.24), dus nodig

190 • 20 • 0,380 = 1444 kcal/h 494 kg/h 01 2 1 kg/h EDB 27 kg/h EDO opwarmen van 30°0 ) 40°0; Op

=

0,113,," cal/g. °0 (lit ~;24), dus nodig 494 • 10 • 0,113

=

°

°

opwarmen van 30 0 ~ 40 0; Op

=

0,93 cal/g.oO (lit.28), dus nodig 1 • 10 • 0,93 = verdampen; verdampingswarmte b~ 40°0 is 81,4 cal/g (lit.29); dit eist 27 • 81,4

=

~t~cL Totaal wordt er dus aan warmte veFbrtlikt :

558 kcal/h

9 kcal/h

2172 kcal/h 4183 kcal/ho Opdat de temperatuur in de reactor niet zal st~gen,

moet de vloeistofkoeler dus afvoeren 332600 - 4183

=

328417 kcal/h. Tevens passeert door deze koeler de afvoer van vloei-baar product, hier verondersteld. geheel uit EDO te bestaan. Deze stroom bestaat uit 656 kg/h; Op

=

0,307 cal/g.oO (lit. 25); om te koe.len van 40°0 naar 2800 moeten hier worden af-gevoerd, 656 • 0,307 • l~

=

2420 kcal/ho

De totale prestatie van de vloeistofkoeler moet z~~

328417 + 2420

=

330837 kcal/ho Daar de gehele vloeistof-stroom van 40° ) 28°0 wordt afgekoeld, moet deze warmte worden ontt'rokken aan 330837/12 • 0,307

=

91879 kg/h, en weL. met behulp van een hoeveelheid koelwater 330837/1 • 8 =

41400 kg/h, als het koelwater 8°0 in temperatuur st~gt, en de soortel~ke warmte van water 1,00 cal/g.oO is (lit.24).

Voor de vloeistofkoeler geldt:

temperatuur van inkomend koelwater (in de zomer) _tI

,

₌

23°0. temperatuur van uitgaand koelwater t₂

,

= 31°0. temperatuur van inkomende vloeistof _tI 11

₌

4000. temperatuur van uitgaande vloeistof _{t 2}

"

₌

28°0. Het logarithllisch temperatuurgemiddelde is dan t = 6,8 o

c.

..

12

Indien Q

₌

warmte stroom, kcal/h;

warmte-overdrachtscoëfficiënt, 2 0 U

₌

kcal/m . C.h; A

₌

warmte-uitwisselingsoppervlak, m' 2

,

y

₌

_{correctiefactor op A,} dan ge~dt

Q =

U • A • t • Y (lit;23).

Hier is Q

=

330837 kcal/h;U

=

600 kcal/m2. °C.h (lit.30)).

- 2

Hieruit A = Q/U • t . Y

=

1/Y • 81,3 m

=

1/~ 875 sq.ft. De grootte van Y (1it.31):

t '. tI t 11 - tI 11 , ',.;' 1.1 I

= -

8

=

0 67' 2

=

-lè = 0,71.

---+

Y

=

0,80 .1. . -12 ' , , t I ' "

-7

.. t

l'

"til t : 2 - ot 1 1 11

Hieruit : A

=

875/0,80

=

1094 sq.ft. Voor buizen van

t

is het ui~wisselingsoppervlak 0,362 sq.ft./ft.; de nodige buis-lengte is dan 1094/0,362

=

3024 ft

=

922 m. B~ een vloeistof-snelheid in de buizen van 3 ft/sec., welke nod~g is om de b.g. warmte-overdrachtscoëfficiënt te bereiken, kan men aan vloeistof doorvoeren (lit.32) 3 . 1200 • 1,25

=

4500 lb/hr per buis. Hierin is c

=

1200 een constante, en 1,25 de ra-latieve dichtheid: t.o.v. water.

l

\

4500 lb/hr

=

2046 kg/h per buis; dus nodig 91879/2046 = 47" buizen, elk met een lengte

"t

= 922/47

=

19,6 m. Gekozen is een zes-strooms-warmtewisselaar (d.w.z.: 6 buis-"passes") met 282 buizen, lang 3,280 m, met diameter 800 mmo

Circulatiepomp.

Totale doorvoer is 91879 kg/h

=

75600 ltr/h

=

1260 ltr/ min. Hieraan voldoet een centrif~gaalpomp van diameter 450 mm~

met l550 toeren/min., met een opvoerhoogte van 8 m., ;:'en aan-gedreven door een moter met een vermogen van 3,9

pK

= 2,87,

kW. De diameter van de aan- en afvoerleidingen is 125 mmo Teneinde er b~ deze grote rondgepompte hoevee1heiili

vloeistof van verzeker& te z~n, dat de zuigleiding geen kolk in de reactor zou veroorzaken, waardoor gas zou worden aange-trokken, is in de reactor een plaat in de vorm van een bol-segment aangebracht. Terugvo~r van de gekoelde vloeistof

Gaskoeler.

De

uit de reactor komende gas stroom wordt gekoeld.,van 4-0° tot 28°0, waarb~ een gedeelte van het EDO condenseert.

g a s s t r oom

kg/h Op conden-_satie- p p gew-% gew-% kg/h af te voeren in caljg.O ° _warmte in uit in uit uit _kcal/h

(7) cal/g (8) EDO (g) 27 0,230 (1) 156 89 34,2 22,7 15 41,4 (6: 81,4- (3) 977,6 (4-) EDO (11) / 0,307 (1) 12 _{55,3 (5:} °2H4-OHt,. HOl Totaal 22 .. 0,385' (2) 4-59 4-82 28,4- 35,5 22 106,0 24- 0,550 (2) 773 813 30,7 35,4 24 158,5 5 0,190 (2) 83 87 6,7 6,4 ₅

11,4--

_{- -}

_{- -}

-78 14-71 1471 100,0 100,0 78 1-350,2 (1) lït.28 (4) condensatiewarmte. (7) bij 34°0. (2) lit.24 (5) verdere afkoeling van .(8) b~ 40°0. (3)/ li t. 29; de geyormde vloeistof.

(6) niet gecondenseerQ gas.

Na koeling "tot 28°0 is PEDO

=

89 mm (lit.20); de totale druk blijft· constant, en

=

147L. Uit de constant gebleven· on-derlinge molverhoudingen van de andere componenten volgen dan hun partieele drukken. In de gas stroom voor koeling wa-ren 27 kg/h EDO, na koeling restewa-ren er 22,7 gew. -%;; stellen wij het aantal gecondenseerde kg/h.op x, dan geldt:

27 - (78 - x) 22,7/100

=

x, waaruit x

=

12 kg/ho De verkre-gen vloeistof wordt tot 28°0 afgekoeld. Als gas resteren 15 kg/h EDO, welke eveneens tot 28°0 worden gekoelili. Ook de overige gasvo~mige componenten worden tot 28°0 gekoeld.

De gaskoeler wordt uitgevoerd in de vorm van twee con-. centrische buizencon-. Het condenserende gas wordt buiten door-gevoerd; o~at gevormd condensaatnret een gedeelte van het

L

warmte-uitwisselingsoppe;;lak zal

bezet~

Het koelwater

\

-

---

-stroomt in de binnenste buis (diameter til). Hiervoor is het

\

14

is de buisdiameter

til

=

1/24 ft; de watersne1.heid 2 ft/sec

=

7200 ft/hr, waterdichtheid b~ 27°C = 62,17 lb/cu.ft.; water-viscositeit b~ 27°C

=

2,08 lb/ft.hr.

De watersnelheid bl~kt uit het volgende:

De

koeler moet afvoeren 1350,2 kcal/h; aan koelwater, dat van 230 ---~310C wordt verwarmd, eist dit 1350,2/1. 8

=

170 kg/h = 374 lb~; met behulp van de constante. c

=

200 uit 1it.32 volgt een

snelheid van 374/200 • 1.

=

1-,85 ft/sec. ,-v 2 ft/sec.

Voor inwendige buisdiameter

t"

en uitwendige buisdiame-ter 2" is het oppervlak van de doorsnede van de "ring" er-tusseI?- (71:/4) (50,82 - 15,62)

=

1838 m.m2

=

18,38 cm2

Voor de gasstroom tussen de buizen is het gemiddeld mo-leculair gewicht gel~k aan ~e som van de producten der

mol-..

p"ercentages en de respectievel~ke molecuulgewichten. Dit is

gel~k aa~ 27. Het volume van een gas per kg is l/M van het

volume per kmol, en is dus

gel~k aan 22,4/M m3 • Het

totaal-volume is het product van 22,4/M en het aantal kg (hier: per uur), gecorrigeeBd voor af~king in temperatuur en druk van NTP _{(PIYJ!JT I} = P2V2/T2). Voor een gasstroom van 7,8 kg/h wordt dit 78. (22,4/27) .

t .

(307/273)

=

36,4 m3/h

=

9830 cnt/sec.

(Name1~k is de druk 2 ata, de gemiddelde gastemperatuur 3070

K).

De gassnelheid in de "ring" is dus 9830/18,38

=

528 cm/ sec

=

5,28 m/sec. B~ de buisdiameter van

til

is het warmte-uitwisselingsoppervlak 0,22 sq.ft/ft. Het nodige oppervlak is: A

=

Q/U •

t

= 1350,2/40 • 6,8

=

4,97 m2

=

53,6 sq.ft". Hier is

genomen:,~

=

40 kcal/m2•oC.h. (lit.30); Y

=

1,0 ge-zien er zuivere tegenstroom is.

De nodige b~islengte is dus 53,6/0,22

=

243 ft = 74,3 m. Genomen is ,19 .~ 3,910 m, steeds met behulp van 1800 -bochten verbonden. Het drukverval over de-koeiliwaterleiding in deze gaskoeler (lit.33) is

~p

=

tr-

v2

(~: ~

L +

~

Kw)

=

(in het

MKS-stel-se 1)

=

t .

1000 _0,612

(ö~6~~?/.

_{74,3 + 20 • 1,2)}

₌

5

N

=

_{0,35 • 10 m2}

=

0,3 at.

(voor verklaring der letters zie de genoemde lit.33). Dit drukverval is toelaatbaar.

Afscheider.

De" gekoelde vloeiS"tof- en gasstromen, afkomstig van de reactor, worden in een afscheider samengebracht. Deze dient tevens als ontspanner van 2 ata tot atmosferische druk. Klj de reactie kan de druk 2 ata zijn (van welk feit gebruik werd gemaakt, daar

b~

2 ata de

o~brengst

per m3 reactor reeds,2x zo groot is als b~ 1 ata). B~ de verdere verwerking van het EDC tot vinylchloride" en PVC is het juist van belang, dat

er weinig etheen in de vloeistof opgelost bl~ft, reden waar-om dus de' druk moet worden afgelaten. Zou me~ dit aan het einde van de EDC-bereiding doen, dan zou de destillatiekolom onnodig worden belast. Ook terwille van de renvoud van de constructie heeft het zin,'de druk zo vroeg mogel~k in het. proces af te laten.

De samenstelling van de stromen in de afscheider is als volgt:

in gasfase, bij 28 0C. in vloeistof· fase b~ 280C~ kg/h, in p mol.% gew.% kg/h kg/h EDC 655 89 12,l 3·9,2 34 621 C2H4 25 203 25,4 23,2 20 5 HCl 6 37 7,2 .. 8,7 5 1 CH4 24 407 55,3 28,9 24 --ETC 23

-

-- -- -- 23 EDB 1

-

-- - - - - 1

- -

- -

-

-Totaal 734 736; 100,0 100,0 83 651

B~ 280C is PEDC

=

89. Tevens is dan PCH

4 b~ 1 ata 407 mm. Dan is PC2H4 + PHCl

=

736 - (89 + 407)1

=

240 mmo

=

87

482 .,

Uit de,a.anname, dat het CH4 overwegend in gasfase is, volgen de gewichtshoeveelheden in gasfase, en dus uit de be-kende totale hoeveelheden die in de vloeistoffase.

16

Een resultaat van de drukaflating is, dat er opnieuw 19 kg/h EDe verdampen en dus in de gasfase overgaan., Voor-waarde hiertoe is, dat in,de afscheider het evenwicht wordt ingesteld; wordt deze toestand niet bereikt, dan verdampt er minder EDe.

De afscheider bestaat uit een cylindrisch vat, hoog 1 m en van 250 mm diameter. De vloeistof staat omstreeks 200 mm hoog. In de bovenste ~OO mm bevindt zich een laag

Raschig-ring~n,

om

meegesleepte vloeistofdruppeltjes weg te vangen.

De afsluiters van de aanvoerleidingen worden bestuurd door de druk in die leidingen, zodanig, dat de druk in het vat 1 ata wordt.

Pekelkoeler.

De van de genoemde afsc~eider afkomende gasstroom bevat nog bijna 40 gew.-% EDC. Een benaderde berekening zal aanto-nen, dat het verantwoord is, om deze stroom sterk af te koe-len teneinde nog een gedeèlte van het EDe te condenseren en naar het proces terug te voeren. '

De prijs van EDC is'O,70 i/kg (lit.34):

=

0,334 IL/kg.

De

pr~s

van electriciteit is 0,024

IL/kWh~)

; 1 kWh

=

860

kcal; dus 1 kcal kost 0,024/860 IL. B~ een totaalrendement van de koelinstallatie

van~is

de prijs van een kcal 0,024/860 • 0,30 = 0,10 • 10 IL.

De capaciteit van de nodige koelinstallatie is, zoals hieronder zal worden berekend, 3101,1 kcal/h aan aan de gas-stroom af te voeren warmte. 3101,1 kcal/h

=

12320 Btu/hr

=

1,013 "standard commercial refrigeration tonsil (lit.40). De, laagste temperattuur is

~=

+ 14oF. Voor een

b~

ongeveer deze temperatuur werkende koelinstallatie van genoemde capa-citeit is de prijs (lit.35); $ 1200. Men krijgt hieruit dus

12320/1200 r J 10 Btu/hr per gelnvesteerde $. Daar 1 Btu

=

0,252 kcal, en 1

$

=

1,80 IL, is de koelcapaciteit 10 • 0,252/1,80

=

1,4 kcal/h per gelnvesteerd IL. B~ 14% kosten per jaar (afschrijving en rente) is dat 1,2 kcal/h per IL; 1 kcaljh kost dus 0,835 IL/jaar.

Voor het condenseren van 1 kg EDe z~n nodig 83 kcal. Geschiedt dat per uur, dan kost

d~t

83 • O,lO • 10-3 (ener-gie) + 83 • 0,835/350 • 24 (toestel)

=

0,0083 + 0,0059

=

~) Mededeling van Ir.J.Araten, scheikundig ingenieur te Haifa, Israël.

EDO

0,OL42

IL

(per werkjaar z~n er nl. 24 uur elk). De verhoging aan de waarde van de productie is dan 0,334

IL.

Deze benaderde. berekening, die geenszins compleet is, toont wel aan, dat koeling lonend zal zijn, gezien de hoge pr~s van het product.

D.e kà.eling wordt uitgevoerd. in een warmtewisselaar met behulp van koelpekel (lit.13, schematisch aangegeven) in . tegenstroom t.o.v. het gas.

De temperaturen z~ als volgt:

{

t~

=

-10°0 koelpekel 0°0 t 2.

=

r~

= '28°0 processtof _{til _} 0°0 2

-Onder aanname, dat er geen noemenswaardige hoeveelheden gas in het condenserende EDO oplossen, wordt de verdeling als volgt:

kg/h, g a s

,

u i t vloeistof,

in p , in p,uit mol.-% gew. -% kg/h uit kg/h~.

34 89 21 2,9 12,3 7 27 C2H

4

20 203 225 28,2 33,8 20

--HOl _{5 37} 40 _7,7 12,1 5

--OH 4- 24 407 450 61,2 41,8 24

---

--

--

_-

-Totaal 83 736 736 100,0 100,0 56 27

De dampdruk van EDe b~ 0°0 is 21 mm (lit.20); de onder-linge verhouding der andere componenten bl~ft onveranderd. De inkomende stroom bevatte 34 kg/h EDC; hiervan condenseren, x kg/h, waarvoor geldt

34 - (83 - x) 0,~3 '= x" waaruit x.

=

27 kg/ho

De warmte welke de pekelkoeler af moet voeren is als volgt:

conden-kg/h c _p (1) satie-warmte

EDe

(g)

₇

0,230 (1 )") { 27 83,0 (2} EDC 0,307 I °2H4 , 20 , 0,363 HOI ₅ 0',190 CH' ₄ 24 0,520

(1) bij 14°0, ca1/g:. °0 (lit.24, 28). (2) cal/g (lit.29).

(3) condensatie tot vloeistof.

kca1/h 45,1 2240,0 232,0 208,0 26,6 349,4 3101,1

(4) afkoeling van de gevormde vloeistof.

18

(3) (4)

De gemiddelde temperatuur van de gasstroom in de k.oeler is 14°C; het temperatuursverschil is 28°C.

De gebruikte pekel bevat 17,4 gew.-% NaOl: (= 5,4 mol.-% NaOl) (lit.36), en heeft een vriespunt van -13,5°C. De soor-telijke warmte er van is (lit.37) 0,87 cal/g.oC. Er is hier.-van dus nodig 3rOl·,L/0,87 • 10

=

356 kg/h

=

783 lb/hr.

Voor de b.g. temperaturen. is

t

=

17,5°C. Q

=

3101,1 kcal/ho

U = 40 kcal/m2.oC.h. (lit.30).

Hieruit A

=

Q/U;~

t

=

3101,1/40 • 17,5

=

4,43 m2

=

4'(,8 sq.ft. Ue koelpekel stroomt in buizen van

til,

het gas om deze buizen heen, opdat gevormd condensaat niet een ge-deelte van het warmte-uitwisse1ing~oppervlak zal bezetten. Voor

til

buizen is dit oppervlak 0,163 sq.ft/ft., dus nodig een totale lengte 47,8/0,163

=

305 ft ~ 93 m.

Voor een goede warmte-overdracht moet de pekel turbulent blijven stromen. Voor n buizen, voor een pekelsnelheid van 2 ft/sec, voor een doorvoer van 783 lb/hr en bij een constante c

=

300 (lit.32) wordt ~ dus 2

=

(783/n)/300 • 1,13, waar-uit n = 1.

De

koeler bestaat dus slechts uit een buis. Het

11

gas wordt geleid in de ringvormige ruimte tussen deze

t

buis

5"

en een daarmee concentrische

4

buis. De lengte wordt dan 93 m

=

27 X 3,44 m (door een fo~t in de berekening is de koe-ler in de schets ten onrechte te'klein getekend).

,!

.

• 1

Voor de pekel wordt het getal van Reynolds als volgt:

soortel~k gewicht 1,13 g/ml (lit.38); /

buisdiameter 1,2~ cm;

vloeistofsnelheid

=

(massastroom per sec)/(soort.gew.)(door-snee-oppervlak)

=

356000/3600 . 1,13 •

7r •

(1,27/2)~ ~

61 cm/sec.

q~.U.Viscositeit

=

2,8 centipoise (lit.39)·

=

0,028 g/cm.sec. Re

=

1,13 • 61 • 1,27/0,028

=

3540.

Achter de pekelkoeler is een kleine afscheider geplaatst om het gas van het gevormde condensaat te scheiden. Het gas gaat naar de gaswasser. Het condensaat wordt teruggevoerd naar de grote afscheider. Door deze koude vl'oeistof wordt de temperatuur daar met een verwaarloosbaar klein bedrag ver-laagd.

Gaswasser.

In de gaswasser wordt get gas, alv.orens via de schoor-steen te worden ver~derd, van HOI bevr~d door het met water in tegenstroom te wassen. Dè gasstroom, van de pekelkoeler afkomstig, heeft de volgende samenstelling:

kg/h mol.-% M EDO ₇ 2,9 99 °2H4 20 28,2 28 HOI 5 7,7 36,5 OH4 24 61,2 16

-Totaal,. ₅₆ 100,0 M

=

23 Onder aanname, dat de gastemperatuur tot 2000 is ge-stegen, is het doorstromend volume 56 • (22,4/23) • (293/273) = 58,5 m3jh'= 16,3 ltrjsec. D~ b~ de HOI-absorptie optreden-de warmte is al's volgt (lit.4l): HOI Cg) ---i HOI (200 H20).

De b~behorende vormingswarmten z~n

/'

HOI (g)

=

22,06 kcal/gmol .•

HOI (200 H20)

=

39,30 kcaljgmol.

1 kmol.~Cl/200 kmol H20

=

1 kg HOI/IOO kg

H20.

Het totale

warmte-effect is 39,30 - 22,06

=

17,24 kcal/gmol, dat is b~ 5 kg/h HOI (5000/36,5) 17,24

=

2360 kcal/h. In de nodige

20

ur'

~.

_~g/h

water is de

temperatuursst~ging

2360/500

=

4,7°C;

~ntreetemperatuur

van het water is 2500, de uittreetempe-ratuur omstreeks 3000.

De gaswasserbestaat uit een cylindervormig vat, hoogte 1 m, diameter 0,256 m, gevuld met ~aschigringen til. De gas-snelheid (berekend op een leeg vat) is 16,3/74r • (1,28)2 =

3,20 dm/sec. De waterbelasting is 500 kg/h per 5,12'dm2

=

1100 lb/hr per 0,55 sq.~t. = 2000 lb/hr per sq.ft. Onder de-ze conditie is (lit.42) de gassnelheid, waarb~ de kolom niet meer werkzaam zou zijn, 6 dm/sec.

~ .

~~~\

. een waterige loogoplossing gevoerd (zie onder), en vervolgens

. '~ Het van deze gaswasser afkomstlge gas wordt nog door

\~ de schoorsteen uitgedreven. Dit gebeurt met een

stoomstraal-pomp van (afgewerkte) lage druk-stoom.

Buisreactor.

De van de afscheider komende ruwe EDO bevat nog wat HOl, 't welk in het commercieele eindproduct

<

0,001% (10 p.p.m.)

moet z~n (lit.34). Om dit te bereiken wordt de vloeisto~ met een waterige loogoplossing gewassen (lit.13, 16, 43). De sa-menstelling van de inkomende vloeistof is als volgt:

kg/h' EDO 648 EDB 1 ETO 23 °2H4 5 HOI 1

---Totaal;. 678 mol.-% 94,5 0,07 2,5 2,6 0,4 100,07 B~ beschouwing van de 672 kg/h

vloeisto~ in deze stroom (n.l. de

eerste drie componenten van b.g. lijstje) als zuiver EDO is het volu-me 672/1,255

=

536 ltr/h

=

0,15 ltr/ sec. Voor een zekerheid van volledi-ge neutralizatie wordt het zuur met 50% overmaat loog bedeeld.

1 kg/h HOI

=

27,4 gmol/h eisen aan NaOH 42,5 gmol/h

=

1,7 kg/ho Als 6%-ig loog gebruikt (lit.16) z~n dus nodig 27,5 kg/h waterige oplossing

=

27 ltr/h

=

0,007 ltrJsec. Bij de

neutrali~atie

vormen zich 1,6 kg/h NaOl en 0,5 kg/h water.

Om een goede menging van de waterige en de organische fase te verkr~gen, wordt de neutralizatie in een reactor :in; bui.svorm uitgevoerd, waarbij ö:eide vloeistoffen bij inkomst, in een straalbuis worden gemengd. ~ een lil-buis behoort een oppervlak van doorsnede 4,9 c.m2 • De vloeistofsnelheid is dan

deld

soortel~k

gewicht 1,25 g/cm3 , en een viscositeit 0,0078 poise (lit.34) wordt het getal van Reynolds 1,25 • 32,7 • 2,54/0,0078 = 13340.

De afmetingen van de buisreactor worden 13. _'-;or. 3,020 m,

o .

verbonden met 180 -boch.ten_·,oAÁ- o~'4 '. ~"> "r'(. ) ' Fasenscheider en kleine gaswasser.

. ~

Wegens het grote verschil in soortel~k gewicht van de twee 'fasen (EDe 1,25 ; waterig!S:loog 1,07) zal de scheiding van deze twee niet mengbare vloeistoffen uitvoerbaar z~n;

mits de stroming in de scheider laminair is. Wordt dit

uit-. 2

gevoerd in een

til

buis (doorsnee-oppervlak 1,26 cm ), dan is b~ een doorvoer van de twee vloeistoffen, waarvan het d'e-biet is 0,16 ltr/sec

=

160 cmtsec, door n buizen, de snel-heid 160/1,26 n

=

L27/n cm/sec. B~ een maximale snelheid van 1,25 cm/sec z~n er nodig 127/1,25 = 102 buizen. B~ een

reac-tiet~d van 120 sec wordt de lengte dan 1,5 m .

_.

Het toestel bestaat uit een kamer met p~plaat. De vloeistof stroomt in de horizontale p~pen en tegen het

ver-1 ver-1ver-1

ticale schot, waarb~ dus scheiding optreedt. Voor 102 "2

-buizen is de toesteldiameter 200 mmo

De zwaardere vloeistof, het ruwe EDe, verlaat de schei-der aan de onschei-derkant. De lichtere waterige loog verlaat deze aan de bovenkant.

Vanwege de wederz~dse oplosbaarheid van beide fasen zal er een geringe menging bl~en. Deze oplosbaarheid is als volgt:

E~C in water 0,87 gew.-% }

(li t .34) . water in EDe 0,16 gew.-%

Hierdoor zal 0,0016 . 648

=

1 kg/h water in de ruwe EDe komen, en 0,0087 (27,5 - 1,1 + 0·,5)

=

0,2 kgjh ruwe EDe in de waterfase. Dit laatste EDe verlies wordt b~ de verdere.

b~rekening buiten beschouwing gelaten.

De van de fasenscheider afkomstige loogoplossing wordt naar de kleine gaswasser gevoerd, teneinde de schoorwteen-gassen van ~véntueele resten Hel te bevrijden. Daarna worden deze schoorsteengassen - door een stoomstraalpomp

..

"

.

22

naar de buitenlucht geleid; de waterige loog wordt van hier uit naar het riool afgevoerd.

De samenstelling van de ruwe'EDC-stroom, welke van de fasenscheider naar de destillatiekolom wordt geleid, is dus de volgende: kg/h mol.-% gew.-% EDC 648 93,8 95,6 EDB 1 0,1 0,2 ETC 23 2,7 3,4 C2H

₄

5 2,6 0,7 water 1 0,8 0,1 -Totaal 678 100,0 100,0 Voorraadtank.

Daar de voedingspomp van de destillatiekolom niet aan de fasenscheider mag zuigen, waardoor de daar noodzakel~ke

laminaire stroming wel een~verstoord zou kunnen worden, is een voorraadtank nodig tussen de ~asenscheider en de kolom. Bovendien moet men voorkomen, dat ·b~ t~del~ stilstaan van de voorgaande toestellen (vanwege reparatie b~.) ook de

ko-lom stilgezet zou moeten worden, gezien de t~d die het duurt, totdat een kolom z~ evenwicht bereikt. Dit laatste risico van stilstaan wordt ni-et groot geacht, daar er geen bewegende

onderdelen in het proces .z~n ,,:,,:,de::. pompen uitgezonderd. Een voorraadtank, overeenkomend met 4 uur productie, wordt hier dus genomen.

B~ een kolomvoeding van 678 kg/h

=

2712 kg/4 h is dus nodig een tank van 2712/1,25

=

2,18 m3 •

Genomen wordt een cylindrisch vat, 1,404

m.:

hoog en 1,404 m diameter.

De verbinding fasenscheider-voorraadtank is een met ruw EDC gevulde zwanenhals, om te voorkomen, dat de waterige loog in de tank komt.

Destillatiekolom.

Di t toestel' zal in het vO,lgende hoofdstuk nauwkeuriger berekend worden. De hier gegeven minder nauwkeurige bereke-ning dient als eerste benadering~ De kolom wordt b~

atmosfe-rische druk bedreven.

Van de voeding bestaande uit 678 kg/h, gaat als topp~o­ duct het EDC en het water en het etheen, samen 654 kg/h, uit de kolom. Het EDC en het water vormen namel~k een azeotro-pisch mengsel (lit.44), b~ 19,5 gew.-% water. Het hier aan-wezige mengsel bevat slechts 0,15 gew.-% wat~r. Het inge-voerde water zal dus via de dampfase de kolom verlaten. Het in de inkomende vloeistof opgelost etheen zal - door de

af-r

name van de oplosbaarheid b~ de in de kolom heersende tempe-ratuur - eveneens als gas de kolom verlaten; op het

vloei-stof-damp evenwicht heeft het geen invloed. De resterende 24 kg/h, bevattend 1 kg/h EDB en 23 kg/h ETC, vormen het bo-demproduct.

B~ een terugvloeiverhouding gmol terugvoer : gmol aftap van 0,5 is de doorvoer van damp door de kolom (in eerste be-nadering) 1,5 • 654 = 981 kg/ho B~ ee~ temperatuur gel~k aan de kooktemperatuur van de EDC = 830C = 3560K, en b~ een ge-middeld molecuulgewicht gel~k'aan,dat van het EDC, dat immers 95 mol.-% van het topproduct vormt (M= 99), ,is het dampvo-, lume dat doorgevoerd wordt (981/99) • (356/273) • 22dampvo-,4

=

290 m3/h (gasvolume berekeningsmethode geTIUk aan die b~ de gaskoeler). De dichtheden van EDC z~n als volgt:

in vloeistofvorm dt = 1,25 g/cm3 = 78,1 lb/cu.ft.; in gas-vorm (lit.45), geldt: ~ lb-mol neemt (NTP) 359 cu.ft.in, en weegt M lb; z~n dichtheid is dus M/359 lb/cuoft., behoudens druk- en temperatuurcorrectie, waarvoor Pl/Tl = P2/T2 • Als ,basis-temperatuur geldt,OOC = 4920R. De gastemperatuur ms

830C = 6420R. De gasdichtheid is dan dg = (99/359) • (492/ 642) = O,2~1 lb/cu.Ft.

Als benadering van de heersende gassnelheid geldt (lit. 45) dan:

u

= K

V(d~ ~

dg)/dg

wa~r K een van de di~ensies afhankel~ke constante is. Voor

een schotelafstand van 45'cm

=

18 inch wordt de snelheid U = 0,14

V

(78,1 - °1211)/0,211= 2;69 ft/sec. = 82 cm/sec;, voor een schotelafstand van 12 inch = 30 cm is düt 0,08 x V(78 ,1 - 0,211)/0,211, = 1,57 ft/sec ,= ,48 cm/sec. In heide gevallen is

~en.

vloeistofslot van 1," verondersteld. Daar de gashoeveelheid 290 m3/h bedraagt worden de kolomstralen voor

c .' .) J ) '0 (

..

'--..1 -Qi.I' I .. J': J ( j , , _t 1 • • -' i, \ • J 11.) _ •• 1. " . J . J . .) i j ., ' .. _ .J ) . t J :·U ; r

.

J 1. J .. ci, ' ) ') • • . , l ' • \..: .• v V

.

, • • • J ' ) \ ; ,\ (, , I ~ J , J , .L ')

-

,. \ • I.J . , ' • . J ; '\;.f· ) ., , r ' . J L' lil. l")" l • '" __ ' ~ \.' ;":..L _') 'j .J ,) 'IJU'.j " • ; l,(;; ; '.e::) , - '-, J .\ ,~ ; I: J -: . ; '3 V'''; :) J :f " t." , • .; .J ,

.

" r ' " ,~ \ ..:.\ " ., ~ , .-....1 ... ....; .J. J ) , ~_ ".1 r .... ' J. ." . d .04_'_ , ' U ' J .Cu.. .3) _,' ,d\ ( :

.

. ' \ J ... .., ... v V"').',',: ) \! "'u )', ;1..J l:j " _:J v [" . , '1 .... "'! -j,--'f.j 1 • J . '-<:~' " r.,.r __ ".v·~ J.L:~~, • J " ... __ ' . t ' . ! ::-'

u\(

J) . r ,), _',.V , _, \...J ;... ~ .... f l.i.--" c ~_ \(.J. ,: ( ~ ~r 0 U _I~ J .rc .i y: .J "\" ,L . ' . ) ( ' \.. ' - • ,

.

,,' ,...." • u J. \;'

.-

.

\

.

\, . ',I u , • , 'C .L.L ~ i, 'l " ,', J ) " J' ., " . '" ; ,; \ ) ; , " '-~ . " \ '

..

11:

P

u>:,JJ /

~

/ beide snelheden r

=

V

.

V/ 7[U

=

V

C290/3600)/3,14~~

= .

~

re~pectievel~~

VC290/3600)/3,14. 0,48

=~;

hierbij is V de volumestroom in m3/sec. De kolomhoogte is in eerste benadering geschat op 5 m, z~nde omstreeks 14 ~re­

~chotels •

Kolomcondensor.

B~ een condensatiewarmte van 77,4 kcal/kg EDe (lit.34) is de af te voeren warmte 981 • 77,4

=

75800 kcal/ho Bij een

'0

temperatuursstijging van het koelwater van 23 ---7 31 C·is hiervan nodig 75800/8

=

9480 kg/ho De temperaturen z~: t~

=

23°e. t~

=

830e.

t~

=

31°C. t~

=

83°C. t

=

55°C.

B~ een warmte-overdrachtscoëfficiënt U

=

700 kcal/ m2 .oC.h: (lit.30) wordt het warmte-uitwisselingsoppervlak A = 75800/700 . 55

=

1,96 m2 = 21,2 sq.ft. Voor til-buizen

is het oppervlak 0,163 sq.ft./ft. Dus z~ nodig 21,2/0,163

=

l30 ft buislengte

=

39,7 m. Voor 22 buizen is de lengte 1,8 m; de toesteldiameter is dan 125 mmo Het condenserende EDC wordt om de buizen geleid, het koelwater er in.

Kolomverdamper.

De nodige warmtecàpaciteit volgt uit een warmtebalans over de gehele kolom. Basis hierb~ is OOC. De inkomende stroom bestaat - bij benadering - uit zuiver EDC, met een .

soortel~ke warmte 0,3 kcal/kg.?C, en b~ een temperatuur van 23°e. De hiermee inkomende warmte bedraagt dus 678 • 0,3 • 23

=

4680 kcal/ho Het uitgaande topproduct 654 kg/h -neemt mee, daar EDC b~ 83°C kookt, 654 • 0,3 . 83

=

16380 kcal/ho DÈ condensor voert de latente verdampingswarmte af, z~de 75800 kcal/ho

H~aande bodemproduct - 24 kg/h - neemt mee, daar EDB b~~oOkt en een soortel~ke warmte van 0,18 kcal/ kg.oC heeft (lit.25) 24. 0,18 . 113 = 487 kcal/ho

De stoom in de verdamper moet dus leveren 16380 + 75800

+ 487 - 4680 = 87987 kcal/h .~ 88000 kcal/h = 350000 Btu/h. Gezien stoom in een verdamper, waarin organische stof wordt

25

verdampt, gemiddeld leveren kan (lit.46) 10000 Btu/hr.sq.ft, zijn dus nodig ·35,0 sq.ft. aan verwarmend oppervlak. Voor

t"-buizen (met een oppervlak 0,163 sq.ft./ft.) is nodig een to-tale lengte van 35,0/0,163

=

214 ft

=

65,3 m.

Het toestel bevat 66 buizen, is 1 m lang; de diameter van de p~pbundel is 230 mmo

Hoofdstuk 3: Berekening van de·destillatiekolom. De samenstelling van kolomvoeding is als volgt:

kg/hO M mol-% kookpunten,

°c

componenten

EDC 648 99 93,8 83,5

J

"EDC" water 1 18 0,8 100,0 C2H4 5 28 2,6 -103,9 lJ:nert ETC 23 133,5 2,7 113,5 (lit.47)

}

"ETC" EDB 1 188 0,1 131,5

--

, Totaal 678 100,0

Ten behoeve van de bere~ening zal deze voeding als een ' binair mengsel worden beschouwd.: een lichte component (het EDC + water) en een zware comyonent (ETC + EDB) met de ei-genschappen van hun hoofdbestanddeel. Het ~theen is als gas in de kolom, en heeft op het vloeistof-damp evenwicht geen invloed.

Het gas-vloeistofevenwicht EDC + ETC is beschreven in lit.48, welke (ond~nks alle moeite daartoe gedaan) niet reikbaar bIe ek te zijn'. Dit evenwicht werd berekend. met be-hulp van lit.49.

B~ een binair mengsel noemen ~

x = molfractie van de meest vluchtige component in vloeistof-fase;

y

=

idem, in gasfase;

p

=

partiaalspanning van een component in het mengsel; P = idem, indi en zuiver, d. w • z. 'ongemengd.

Indices A en B slaan op de lichte en zware component, re spe ct i:eve lijk.

:;

De wet van Raoult is dan: PA

=

PA x ; PB

=

PB (l-x). Indien de dampfase ideaal is, dan is de totaaldruk

Verder is

PA PA x'.

Y

= -

= - - •

_{Uit bekend:e Pt , PA en PB.. volgt x, en daaruit}

P

t Pt

y. Een x_-y figuur kan dan worden getekend; temperatuurs-grenzen hiervan z~n de beide kookpunten.

De re1atieve vluchtighei~

. y

I

Xi. Y (l-x) . PA (I-x) .

k.

=

l-y l-x = .Clfy) x = PB x ; geldt de Wet van Raoult,

; . PA x (l-x)

I

dan is dlt ge~k PB (I-x) x = PA PB . Uit k _ y (l-x)

- x

(l-y) volgt

kx

y = 1 + x. (k-l) • Is keen con-stante, hetgeen zal

bl~ken

uit k

=

PA/PB voor meerdere PA-en, PB-waardPA-en, dan kan met behulp van (desnoods een gemid-delde) k-waarde eveneens een y-x figuur worden getekend.

Uit de dampspanningen van de l~chte component A (hier EDO) en de zware component B (ETO) tussen 83,5 'en 113,5°0 .volgt dan onderstaande tabel:

=

=

-t, 0₀ T, oK 83,5 356,5 85 358 90 363 95 368 100 ₃₇₃ 105 378 110 383 113,5 386,5 0,05223 T 0,05223 T PA 760,0 778,0 907,8 1050 1216 14QO 1603 1762" 32996 + 7,705 35371 + Q,656 PB x.. 297,2 1,00 313,3 0,96 380,2 0,72 431,5 0,53 504,7 0,36 586,1 0,21 680,8 0,08 760,0 0,00 (lit.20) (lit.20) y k 1,00 2,57 0,98 2,48 0,86 2,38 0,73 2,43 0,58 2,41 0,39 2,38 0,17 2,36 0,00 2,32

27

-De gemiddelde vluchtigheid k = 2,4-2 ; uit

y

=

2,4-2 L volgen dezelfde y waarden als hierboven.

1 + 1,4-2 x

(.10')

OI.ch-ter',d

~

De hieruit resulterende y-x figuur is. getekend (fig.2). Deze ~eldt dus slechts, indien de Wet van Raoult geldt, en zowel de oplossing als het gas zich "ideaal" gedragen. Het zal dus een benadering z~n.

In fig.2 z~ aangegeven: x

F

=

x van de voeding

=

93,8 = 0,96 ; x_D

=

gew,e.nste samenstelling 93,8 + 0,8 + 0,1 + 2,7

van het destillaat

=

0,99 (dit is de eis, aan het commer- . cieel product gesteld,. - lit.34-); x

K

=

samenstelling van het ketelproduct

=

0,10. Doordat x_F dicht b~ x_D is, zal het aan-tal theoretische schotels beneden de voeding weinig van te-rugvloeiverhouding Rafhangen.

In deze figuur is tevens getekend de q-lijn. Deze gaat door het punt y

=

xF , en heeft een helling q/(q-l). Hierin is q het quotient van de hoeveelheid warmte, nodig om 1 gmol voeding in verzadigde damp om te zetten, en de molaire verdampingswarmte van de voeding. B~ een temperatuur van 2300, en als zuiver EDO beschouwd, b~ een soortel~ke warmte 31cal/gmol en een latente verdampingswarmte 767 cal/gmol, is q = (83 - 23) 31 + 767

=

767 3,4-2 ; de helling der q-l~ is 3,4-2/2,42

=

1,42.

'Uit de uitvergroting van fig.2 bl~kt, dat de minimale R

=

0,10 is; het sn~punt van de eerste werkl~ met de tweede ligt op de evenwichtsl~n y

=

f(x). Ook enige grotere R-waar-den (in de uitvergroting tot R

=

2/3) z~n aangegeven.

Dit alles is in navolging van lit.50 gedaan.

Uit h~t aantal theoretische schotels, behorende b~ alle R-waarde~,z~n de kosten van de kolom te berekenen (lit.5l). Weliswaar gelden de daar genoteerde pr~zen voor de Verenigde Staten voor het jaar 1954--1955, doch ~s er aangenomen, dat de hieruit berekende optimale R, waarb~ dus de totale kolom-kosten minimaal zullen z~n, ook zal gelden voor de economi-sche 9mstandigheden, die voor het hier beschreven bedr~f van kracht z~n.

De kostenberek~ning, in tabelvorm~ is als volgt:

gas- kolom- aantal Kosten per schotel,$

R stroom diameter (1) scho- _{stalen scho- gepakte}

m'/sec. m inch te1s telkolom kolom

2/, .. 0,667 0,091 0,182 7,2 11 92 65 1/2 • 0,500 0,082 0,164 6,5 11 86 60 1/3 = 0,333 0,073 0,146 5,8 12 80 58 1/4 .. 0,250 0,068 0,1,6 5,4 12 77 55 1/5 ,. 0,200 0,066 0,132 5,2 12 75 53 1/7 .. 0,143 0,062 0,124 4,9 14 73 51 1/8,7 = 0,115 0,061 0,122 4,8 14 73 51 1/10 ., 0,100 0,060 0,120 4,7 00 72

(1) gassnelheid in lege kolom 0,50 m/sec.

(2) afschrijving 10% per jaar; 1 jaar

=

350 dagen = 8400 uur ;

kosten per uur z~n dus totale kosten ~ 0,1/8400.

50

(3) ketelprestatie volgt uit warmtebalans, zoals boven berekend:

kcal/h afgevoerd door topproduct + bodemproduct + condensor -kca1/h ingebracht door voeding + ketel.

(4) stoom van 120°è)c 2480F; latente verdampingswarmte (lit.52)

946,5 Btu/1b ,. 526 kcal/kg.

(5) hier afvalstoom (van 2 at) gebruikt; pr~s 0,20 $/1000 lb =

0,44 $/ t .

(6) kolomkosten + condensorkosten + verdampingsketelkosten.

(7) koelwaterkosten + stoomkosten.

\l.Gy>.i IJ'" r' "\, ,tI ol

~

•

~

--

,

--

(

--~

ï.~

~

-

-

t

.

l.

J-<., ,k ..

1

tl ..

,t.

uC/vll 'NV

'l:.A{~

h~t-l

....

\ l

t ; \,~, \ \,- -\ '\ t . U \ I

. De kosten als functie ~a~)de terugvloeiverhouding R ~~

t \ •• G.&'I'\<t'tl'"

grafisch uitgezet in fig.3.AHet blijkt , dat de minimale kos-ten optreden b~ R ,.

0

,

125 • 1/8

,

dat is 1,25 Rminimaal. Dit minimum is gel~k voor een gepakte en voor een schotelkolom.

Uit figuur 2 volgt , dat b~ R = 1/ 8 nodig z~ 14 theore

-tische schotels. Daar de ketel een schotel is, moet de kolom

'V\tv\.

13 theoretische schotels bevatten; de voeding wordt op de tweede schotel van boven ingevoerd.

B~ de gevonden terugvloeiverhouding R = 1/8 is de

gas-doorvoer

l

~

• 193 .. 217 m3/h.

Namel~

is het volume, door het topproduct ingenomen (654 kg/h, M ., 99, T = 356oK) (654/ 99) • (356/273) • 22,4 ,. 193 m3/ h.

Totale kolomkosten, $ Totale kolomkosten $/ h gas- condensor schotel- gepakte (2) stroom _{kcal/ ho}

kolom kolom schotelkolom gepakte _kg/ho

kolom 1012 715 0,0120 _{0,0085 1090 84400} 946 660 0,0113 ~ I'~ 0,0079 _~f 981 ₇₅₉₀₀ 960 696 0,0114 _{c ~,} 0,0083 .,,~ 872 67500 t .. , 924 660 0,0110 0,0079 818 63300 900 636 0,0107 0,0076 786 60800 1022 714 0,0123 0,0085 748 57800 1022 714 0,0123 0,0085 _{732 56700} 00 00 00 00 720 ₅₅₇₀₀

L<oelwater _{condensor (staal) k e t e 1}

Ketelkosten. t o_{tale vaste kosten, S/ h (6) totale werkkosten ( 7)}

Ir

g/ h $/ h gal/ kosten _{kcal/ h s t oom}

min. _{$ $/ h ~t2 -} $ $/ h schotel- _gepakte

0

)

k!l:!hU+) JVh(~) _{kolom kolom} $/h

10500

0,284 46 360 0,0043 96910 184 0,0809 _{38 900 0,0107 0,0270 0,0235} 0,3649

Y

• ~500 0,255 42 350 0,0042

_88~

Ir

_{168 0,0739} 35 820 0,0098 0,0253 0,0219 _0,,,49 $400 0,226 ₃₇ 300 0,0036 800 _{152 0,0668 32 800 0,0095} 0,0245 0,0214 _0,2928 7900 0,212 ₃₅ 280 0,0034 _{75810 146 0,0642} 30 730 0,0087 0,0231 0,0200 _0,2762 7600 0,204 34 270 0,0032 _{73310 140 0,0616} 29 720 0,0086 0,0225 0,0194 _0,2656 1200 0,194 32 260 0,0031 70310 134 _{0,0589 28 700 0,0083 0,0237} 0,0199 _0,2529 '7100 0,190 32 260 0,0031 _{69260 132 0,0580 28} 700 0,0083 0,0237 _{0,0199 0,2529} 7000 0,187 31 250 0,0030 68210 _{130 0,0572 27 690 0,0082} 00 00 _0,2442

•

...

29

H/et volume van het etheen is (5 kg/h, M

=

28, T

=

356oK) (5/28) • (356/273) • 22,4

=

5,2 m3/h. Het totale gas-volume, dat door de kolom gaat, is 217 +

5,2~

223 m3/h. Voor een gassnelheid van 0,5 m/sec wordt de kolomdiameter

V

223 Deze geringe diameter

- .

=

0,398 m.

< 3600 • 0,5 • 77/4 ~st er op, dat een ge~

~~ pakte kolom hier zal worden gebruikt; zoals uit fig.3 bl~kt

~ .. ~ \ z~n de kosten ervan geringer dan van een schotelkolom. '

\-\~:~}

, Volgens lit.53 zal voor een diameter van deze orde van

\\

\\~'6W" /

til

Raschigringen voldoen. De HETP

~.

/ van dez'e kolom is 0,7 ft; nodig

z~n

13 schotels

=

13.0,7 ft

~ ~

=

9,1

ft

=

2,80 m.

~'\, De ware gassnelheid wordt berekend met behulp van het

~~' in lit.53'gegeven grafische verband tussen

~

v2 (2:..) •

.f

v

./LO,2

en

~

V

P v '

ge x3

/.2

V ~

De betekenis der letters is hier (in tegenstelling tot ande~ ren in dit verslag)

>

v

=

gassnelheid, ft/sec, waarb~ de vloeistof zich in de kolom opeenhoopt (llflooding ll ).

ge

=

_{constante, 32,17 (lb(mass).ft/lb (force).sec2 )}

a

=

oppervlakte van pakking per eenheid van gevuld volume, ft 2/ft 3 .

x.

=

porositeit van de pakking, volumefractie die "leegIl is.

~v

=

dampdichtheid, lb/cu.ft.

~

=

vloeistofdichtheid, lb/cu.ft.

~

=

dynamische vloeistofviscositeit, centipoises.

L V

=

vloeistofstroom.}

d .. beide in massa/tijd -eenheden.

=

ampstroom.

Invullen van de volgende waarden ./v = 0,21I. l,b/cu.ft.

~~

=

78,1 lb/cu.ft.

L/V

=

1/ (8 + 1)

=

1/9 (indien verondersteld, dat de molver-houding R

=

1/8 b~ zeer grote benadering ook een massa-verhouding is)

0 '

L

\Uv

1

geeft "

V

;:t

=

~ 0,21L. _78,1 = 0,006 uit het voornoemde

grafische verband volgt, dat

Gezien a/x?

=

406

a ~ 0,2

-

• -.:l. .

fo

= 0,25

x

3

'/>..t

en

.,JL'

= 1,36 centipoise bij 8300 (lit.54)

2 0,25 • gc • ~ v

=

---~---(a/x

3 ) .

~v • ~0,2 is dus = 0,25 • 32,17 • 78,1 6 88

=

= ,

,

en dus 406 • 0,2ll • (:1,36)°,2

v

=

2,63 ft/sec

=

0,80 m/sec. Wil men slechts 0,60 m/sec nemen, om het bovengèno.emde gevaar, dat vloeistof zich in de kolom opeenhoopt ("flooding") te vermijden; dan wordt de bijbehorende kolomdiameter

223/3600 0,60 .7l/4

= 0,36 m.

De destillatiekolom heeft dus de volgende maten: Diameter 0,36 m ;

hoogte 2,80 m ;

aantal theoretische schotels 13 (+ 1) ; terugvloeiverhouding 1/8

=

0,125 ;

pakking: Raschig ringen

til,

van glas of porcelein. De kolom is van staal gemaakt.