Fabrieksschema: De bereiding van alcohol als grondstof voor de aether-fabricage

P .A.~ R l E K S C HEM A •

•••••••

=~==

••••••• =.== ••

~

••

DE BBREIDING VAN ALCOHOLALS

~.=

•••••

=

••••

=.a=K ••

=~

•••••

=

••

=

••• ==== •••••• == •••••

"

a

ROB D S TOP VOO R D ti A E T H E R-F A B R I C A G E •

••••• === ••• =z.==.= ••

======== ••••• =.===.= •••

== •••

===.==. __ ••••••

Augustus,1950. L.M.Kretzers.

INHOUD:

_ ••• ==:11: •••

==

I.

Inleiding.

11. Indeling van bet

t

abricageschema.

III.Bereiding van alcohol. Overzicht en vergelijking

der verschillende processen.

IV. Beschr1jving van het ontworpen schema.

V.

Ma teriaalbalans.

tm

I.

11.

~ 1 ~ -I N L E -I D-IN G.

===.a.a._.==_=m •••

Aether word t voor verschillende doeleinden gebruik t, o. a. voor de fabricage van explosiva, speciaal voor kruit, dat geen rook ontwikkelt; vroeger in grote meveelheden in de kunstzijde industrie; voor de bereiding van chemialiën, als oplosmiddel in in het laboratorium en in de geneeskunde als anaesteticum.

, ,

Bij de keuze van een procede voor de aetherfabricage heb-ben wij ons laten leiden do.r de overwegingen, dat

1) het verbruik van aethe1n ons lAnd niet groot is ) 2) alcohol een goedkoop ui tgangsproduc t is, de t in rela-tief gro te hoeveelheden geproduceerd wordt.

Als we als reëel uitgangspunt het aether-verbruik van Neder-land nemen, dan is het ons inziens niet eoonomisoh verantwoord een aparte aether-fabriek te gaan on twerpen, b. v. reohtstreeks.' ui tgsande van ethyleen; immers de investeringskosten van een 41.

'ilii"_.1.iIPiaii!û.IIUieill

s

_j1at

_{veel zwasrder, omda t het om} slechts geringe hoeveelheden gaat.

Het. kiezen van een methode om aether te bereiden i 8 zodoend teruggebracht tot het zoeken nsar een prooes, dat slooOOl a18 ui tgangsp ro duo t gebruik t. "vens word t bij de bereiding vsn al-oohol uit aetheen reeds vrij veel aether geproduceerd.

INDELING VAN HET F A B R l E K S C H E )( A. _,

zz===z~=======.============.==============z=~====za==a==_ Aangezien de bereiding van de grondstof,in casu de alcohol, ook een onderdeel van de opdracht vormt, kunnen we de aether be

reiding in twee aparte stukken splitsen, en wel:

1) de bereiding van alcohol langs synthetische weg, 2) de bereiding van aether uit alcohol.

De Heer van Gils heeft het tweede deel, met name de aether-fabricage in een 8chemg ui tgewerkt, zoda t ik de alcohol-fabri-ge zal behandelen.

---

..

-111.

B ERE I DIN G V

A

N

ALe

0 HOL. 0 VER ZIe H T

=====:==-======~=====~==;~============================ =====

E N VER GEL I J K IN G DER VER S C H I L L END E

~==~===============~==:: =======================:=~==========

PRO CES SEN.

2

-van die processen, welke industriële betekenis bezitten.

1) Grote hoeveelheden alcohol worden nog steeds verkregen door vergisting van koolhy'draten.Als grondstoffen komen hiervoor in aanmerking granen, suikerbieten en melasse.De chemische reacties welke bij deze enzymatische processen een rol spelen,worden door de volgende v~rgelijkingen weergegeven:

012.2011

+

li20~.?a6H1206 06111 206 ~202~0H+ ₂₀₀₂

~ aprtieDè .'~zÀeb~ev'Q.v"'.8aleebol käh &&n hoogste 12%Zlj~ De op deze wijze bereide alcohol kan slechtè 12~sterk zijn, ge-zien de levensvatbaarheid der gistcellen.

, , àO}(

Een procede)dat in dit verbandygenoemd kan woràen ,is de :BiH~,rSUiker1ng volgens ScholIer- Tornesch en ook het Rheinau-proces. In beide gevallen gaat men uit van hout, hetwelk met be-hulp van gec.H2so4 of 2% zoutzuur gehydrolyseerd wordt.De suike~ welke op die manier geproduceerd wordt, kan vervolgens tot alco-hol vergist worden.Hier te lande heeft dit proces weinig beteke-nis ,in verband met de houtposit1e.

, ,

2) Bij het Fischer-Tropsch procede kan op relatief goedkope wij-ze alcohol al s bijproduc t verkregen worden.(2o) •

.fi...~

Men' Dij deze synthese ui t van aardgas of steenkool,welke door gedeeltelijke verbranding met zuurstof in een mengsel van 004r en ~ wórdt omgezet.Dltl' gasmengsel word t vervolgens over een katalysator geleid;athankelijk van de aard der katalysato17en, de druk en de tempera tuur kan men een gro te varia tie van

produc-ten krijgen. Deze alcoholbereiding vindt wel toepassing in die landen,welke een overschot aan steenkool of aardgas bezi tten. 3) Een ander synthetisch proces bereidt alcohol door directe twdratering van ethy-Ieen.Het ettwleen hoeft niet zuiver te zijn en kan bijgevolg cokesovengas als bron gebruikenjde petroleum-kraakgassen, welke ethyleen in meer geconcen treerder vorm beva t •• '

ten,zijn indien voorradig, nog te preferen.(/9/~.2).

Het chemisme der reactie kan worden voorgesteld door de ver-gelijking:

Het i s een exotherm eveniicht ,

-ÁH-=10964

cal. bij 1 5°0. Ui t de waarden van log K bij diverse temperaturen kRn de ligging van di t eV,enwicht bepaald worden (16). Hoge druk en lage tem-peraturen blijken de meest gunstige invloed uit te oefenen,

te

wijl bovendien een overmaat ethyleen een grotere opbrengst aan alcohol levert. Bij hogere temperaturen wordt de tx>ename van de druk begrensd door de grotere kans op polymerisatie van het

ver-7

- -

3

-oorzaäk't een gedeeltelijke condensatie van het water, waar-door he t evenwi ch t onguns"t1:g word t beinvloed. Tengevolge van het teit, dat de reactie-snelheden bij de lagere temperaturen ( 2000 - 25000.) te gering Zijn, is men op het gebruik van ka talysa toren aangewezen. Ter illû.stra tie vermelden wij da t bij 290°C. en 105 a tIn. de opbrengst in 60 sec. slechts 2-4~ ls, terwijl het evenwicht een rendement van 8~ aangee:f't. Als katalysatoren hee:f't men de keuze uit phophaten van de metalen nikkel, ijzer, calcium, strontium, magnesium, e.d. en verder

A1

₂₀

3

en diverse andere oxyden. Gezien de lage rendementen

is het noodzakelijk het etyleen-houdende gas terug te voeren ln het proces en verder dient men lie:f'st een ethyleen-rijk gas te gebruiken om een snelle opeenhoping van inerte gassen ( b.v. methaan, ethaan) te vermijden.

4)

De h;ydratering van ethyleen tot alcohol langs lndirekte weg door middel van zwavelzuur is~ tegenstelling met de .oo~

gaande methode thermodynamisch niet _9.egrensd • .De chemie van

---

~--dit proces kan worden voorgesteld door de vergelijkingen:

02

It.

+ ~ SO

4

----7 ( 02 H

₅₎

Hso4-C2 H

₅

HS04 +

C2~~(

_C2

~)l

3

°4-Be t mengsel . van mono- en die th;rlsulfa ten word t vervolgens geh;rdrolyseerd door toevoeging van "a ter:

(C2~~ HS04 + ~o ~C2~OH + ~S04

(C2~).t.S04 + 2~O -72C2~OH

+

~S04

Tijdens de hydrolyse treedtals neven-reactie ether-vor-ming op,tengevolge van de inwerking van alcohol op

monoeth;rl-8ulfaa t: ~~OH

+

C₂H

5

HS0

4

~ (e2~)20

+

~S04

De vorming van eether hangt at van de hoeveelheid water die wordt toegevoegd. Weinig "ater geeft meer kans op aether-vorming.

"\ . Bij di t procédé kunnen rendemen ten van 90:( en meer be-I \

~

91 orden ,omda t de omzetting niet door een evenwioht

be-heerst wordt. Het eVEnwicht der directe hydraterlng \1D rdt nu

door de verdunningswarmte van het zwavelzuur verstoord. Bij de thermodynamische potentisslverandering van de directe hydrate-ring voegt zich nog de verandehydrate-ring van de thermodynamische po ten tieal der verdunningsreac tie, waardoor he t mogelijk word t bijna kwantitatieve omzettingen te bewerkstelligen (~/.2..t).

Het nsdeel hierbij is, da t er gro te hoeveelheden verdund zwavelzuur gereconcentreerd moeten worden.

4

-naar verbe te ringen en varia tie s ge s tree,fd. Zo gee,f t he t gebruik van verdund zwavelzuur wel het voordeel, dat de dure

reconcen-tratie vervalt maar daar staat tegenover dat hoge druk:ken(75~,)

en vrij hoge tempera turen (2500C.) toegepast moeten worden. De lage rendementen en de speciale apparaturen, die hiervoor nodig zijn,Maakt een technische toepassing niet erg rendabel.

#

Bij een vergelijking van de hierboven beschreven proce-dés, dienen we wel te bedenken, dat de waarde van een procédé mede bepaald wordt door de plaatselijke omstandigheden waar-onder een fabriek gebouwd word t. Zo kunnen de grondstof-prij-zen van diverse landen aanzienlijk uiteenlopen en kan het feit, da t een nieuwe f'ab riek !lan een reeds bestaand bedrijf' gekoppelc kan worden,reden zijn aan een ogenschijnlijk ongunstiger

pro-# ,

cede de voorkeur te geven.

l11

Methode 1, waarbij een gistings-proces gevolgd wordt,

~ mag niet in de keuze betrokken worden,alhoewel op deze wijze alcohol redelijk goedkoop in grote hoeveelheden geproduceerd word". Het houtversuikertngs-proces heeft alleen in tijd van crisis in Duitsland zijn waarde gehad. (-).

Me thode 2 bezi t welli swaar he t voordeel, ds t al cohol hier als een zeer goedkoop bijproduk t verkregen ken ,,"orden, maAr ZOAls reeds werd opgemerkt bezi tten wij hier te lande weinig aardgas en geen overmaat steenkool voor een dergelijk proces.

Vergelijken wij tenslotte de twee laatste synthetische , ,

processen dan heeft het procede der directe bfdrat)1ering als voordeel de lagere investeringskos~n, geen corrosie-besten-dige appara tuur en ook geen reconlen tr~ tie van lIerdund zwavel-zuur. Daartegenover staat het indirecte proces met als voor-delen, bijna kwantita"tleve opbrengsten, en lagere eisen aan-gaande de etnyleen-bron. Bestaat er verder nog de mogelijkheid om een af'zetgebied voor het verdunde zwa~elzuur te vinden dan valt de keuze niet moeilijk. Voor ons geld ook als een punt van overweging,dat er,in de literatuur geen voldoende gegevens over een tl'Jb riek volgens he t procédé onder

3)

te vinden z1 j n.

IL

Met het oog op de aanwelgheld van geconcentree~ zwavel-zuur en cokesovengas, als etnyleen-bron, zouden we onze f'abrlel bij het S.B.B. der Staatsmijnen willen neer18ggen~

_ _ _ _ o__ _ _ _ • • • • _ .

5

-IV. BES 0 H R IJ V I N G V A N HET 0 N T W OR PE N

======:===================~=~~======~==:=~=~~===~==~:~==

S C HEM A.

-========

==

We kunnen het sohema der aloohol-fabrioage splitsen in twee del en, nl. 1) te bereiding van de aloohol en 2) de zui-vering van de ruwe alcohol.

ad 1). Het set~leenhoudende ruwe gas dat afkoMst1g is van de gassoheid1ng der armnon1~ksynthese bevat naast verzadigde kool-waterstoffen nog enkele peraenten hogere olefinen. Met het oog op een eventuele hinderlijke polymerisatie van deze olefi-nen onder invloed van het zwavelzuur, is het gewenst deze on-zuiverheden vooraf ui t het gas te verwijderen. Daartoe wordt het gas sllereerst door een of meerdere kisten met actieve kool geleid. De tempera tuur van deze kool bepaald tennsastebij]

welke stoften geabsorbeerd worden. Met behulp van een stoom-spiraal kan de temperatuur tussen

50

0 en

60

0 0. geregeld worden. Raakt de kool vers:adigd aan propeen, butyleen, e.d., dan wordt op een volgende kist overgeschakeld. Daarna. moet de kool van de eerste kist weer geactiveerd worden, hetgeen geschiedt door verhi tting me t direote stoom. Hierna koel t men de kool en

droogt vervolgens met behulp van droog restgas; di t kan op een andere plaats in het bedrijf gebruikt VI) rden. De loop der leidingen in het schema spreekt voor zichzelf, hlbe in dit ge-val geschakeld dient te worden. Het zogenaamd gezuiverd gas wordt via. een "blower" onder in de absol'ptiátoren, die geheel gevuld is met

97,5%

zwavelzuur, geblazen.

N.B.lnplaats van kisten met actieve kool gebruikt men tegen-woordig in moderne bedrijven de z.g. "B1Persorber", met behulp waarva.n men zeer zuiver etby1eengas kan verkrijgen. Een derge-lijke kostbare installa tie aoht ik voor een kleine fa.briek als

in ons geval niet verantwoord.

Vanui t een voorraadtank pompt men het geooncentreerde zwavelzuur via een rotameter oon~inu boven in de sbsorptieto-ren, zoda t zuur en gas in tegenstroom zijn. Het niet geabsor-beerde gas (inerte gasbestanddelen) verlaàt .de toren san de bovenzijde; daarna passeert dit gas een zuurafsoheider .en een

1

,l wasser _~~.~:ev0ofe~ zuurdeel tjes terug te houden. Het sfgas

\~ LfY,v._~~ t o. s. etha,i'l( ~·~~, .. -P.~_~~l!:.!ij beve t, kan al s brandstof

el-p0~.

__ . ders -gebruik t worden. De meest guns tige tempera tuur voor de absorptie is ongeveer

82°0.

en aangezien de reactie exothenn i8, moet er voortdurend gekoeld worden. Di t gesohied met mantels)die in de toren zijn aangebraoht; de hoeveelheid

koel-.. 6 koel-..

water wordt door middel van een automatische

temperatuur-con-...

trole geregeld. Een tweede mogelijkheid om de temperatuur in I de toren in de hand te houden, biedt de directe koeling met

I

zwavelzuurmengsel. Men voert hiertoe de gewenste hoeveelheid

'I

van het zureJmlengsel, dat asn de onderkant de absorptietoren

'

I

verlaat, via een gekoelde buis in he t midden van de toren

te-I rug. Di t komt tevens de absorptie ten goede.

Bet mengsel van ethylsulta ten moet vervolgens ge~drolY'­

J-

aeerd wo rden. Via een ra tae ter wo rd t de vloei. to1', na geko el d

\~~~

te zijn, opgepompt naar de menger. Dit is een kolom gevuld met

j'~jt Rascbig-ringen, waarin het zure mengsel de gelegenheid krijgt ( met water tot een homogene vloeistDt gemenai te worden. De

bJ-~ drol"se, die bier reeds begint, krijgt in d~l"se-kolom

\V

de tijd om zich te voltooien. De gassen,

die

~

Ae-o-r-

de optredende

V

,

'1

\,

warmteontwikkeling boven uit de menger ontwijken, worden eerst

\

W

gewassen met het wa ter, da t voor de

~drolyse

bestemd is. De niet conden.erende gAssen verlaten weer als afgas de fabriek.

I~

In de

b;y~rol"sekolom

worden de

mono-en~ieth3lsultaten

tot alcohol en een weinig aether

gehydrolyseer~.

Het mengsel van zwavelzuur, alcohol, aether en water gqat vervolgens naar een

scheidingskolom. Deze be sta~ t ui teen dpphlegma tor en een soort

!

scheider, die gevuld is met Raschig-ringen. Hier wordt de

ae-- ther en de alcohol van de vloeistof gescheiden; terwijl de res-terende vloeistof als

50%

zwavelzuur de kolom onderuit verla&<til.

'et verdunde zuur passeert dan een verwarmer, waarin de

concen-"'~.TW'~rvrttlemp.d8 ."G~*."t.~ tèt ,~+*o~~o~g •••• rd.

tratie door verwarming to t

70%

wordt opgevoerd. De hierbij vrij-komende stoom leidt men onderin de scheidingskolom om zodoende de hydrol"se te vol tooien en de alcohol en de eether volledig ui t het zuur te verwijderen.

De verdere verwerking van he t zuur komt neer op een verwijde. ring van de verkolingsproducten der organische stotfen en de 0]8 aChtige producten. Daarna kan het zuur hetzij voor andere doeleill den gebruik t worden of verder geconcen treeltd worden to t 95~ zwa-zuur.

De alcohol en aetherdampen, welke zich boven in de dephlegma tor verzamelen, passeren vervolgens een gaswasser,waar ze met een

10:( natronloog-oplossing gewassen worden,om het zuur te

neutra-liseren. In het onderste deel van deze wasser wordt de loogop-108sing met ,~m verhit, om verliezen aan alcohol langs deze weg zoveel mogelijk tegen te gaan.

ge 7 ge

-koeld en voorlopig opgeslagen in de buffertank voor ruwe alcohol ~vanui t deze tank word t de al co hol con tinu naar de ae

ther-des-tillatiekolom gepompt,na eerst te zijn voorgewarmd in een warm-te-ui twi sselaar; als verwarmingsvloei s

tx>t

kan hiervoor he t af-valwa ter van de elcoholdestilla tie dienen.

In de aetherkolom word t de ae thert volledig als een azeo troop (wa ter-ae ther) ui t de alcohol verwij derd. Boven ui

t

de kolom ver-dwijn t de aether, welke na gekoeld te zijn me t pekel ,in een \.!.

vloeistofscheider de gelegenheid heeft zich te scheiden in water en aether.Deze onzuivere aether wordt doorgestuurd naar de fa}, br.1ek van de Heer van Gils.

De alcohol, die nu vrij van ae ther is, verlaa t als bodem-prodlct de aetherkolom om naar de rectificatiekolom voor ruwe alcohol gepompt te worden. In de top van deze kolom wordt' de alcohol ge-concentreerd, waarna de damp gecondenseerd en tendele als reflux gebruikt wordt.De

95%

alcohol wordt naar de opslag gestuurd voor doorzending naar deaether-fabriek.

Onder uit de kolom wordt water met een weinig alcohol afgevard

"I, _{, hetwelk via de voornoemde warmteuitwisselaar naar de r.1oolering}

{r/

f!

doorgezonden word t.

\/l( \

Verder kan eventueel in het midden der kolom de foezelolie,

\r,,

'

(dit zijn hogere alcoholen),als bijproduct worden afgetapt en

V

ai daarna in een eenvoudige scheider van de zwaardere alcohol wor-/ , den gescheiden.Het percentage foezelolie bedraagt volgens

gege-~'",..).

vens van de Staa tsrn1jnen minder dan

1%

',

van he t

tx>

tale

alcoholge-rV

wicht.De alcohol wordt"terug-gevoerd inhet zuiveringsproces.

t

VI.

Wa t be treft de ma terialen, die we voor. de diverse appara-ten en leidingen gaan gebruiken,zijn wij voor het gedeelte der fabriek, waar zure vloei s tof circuleer

t,

aangewezen op DJ ri ron,

Hastelloy, lood en verder glazen of porceleinen bekledingen •

..

-~--~-M 1 T E R I A A L B A L A N S .

_==================z=========:==

De hoeveelheid alcohol, die geproduceerd moet worden, is gebaseerd op een aetherverbruik van 400 ton/jaar in WSderland.

Di t zou neerkomen op een fabricage van

560

ton 94~ alcohol. 'per

~J

jaar.

Volgens bet gevolgde procédé kan men slechts

95,5~

alco-hol verkrijgen. Wij hebben met het oog op het aantal schotels van de rectificatiekolom gestreefd naar een zuiverheid van 94,5~

Berekend naar de hoeveelheid geabsorbeerd ethfleen mogen w1j rekenen op een rendemen t van ongeveer 9~

(

li t. z.t).

8

-meruit volgt, dat voor de jaarlijkse productie minstens no-dig is:

100

6

28 100 .

~ X

5

0 :Je

tir

x

91r;5)-

356

ton etlwleen

immers de bruto-reactievergelijking der alcoholvorming is:

a

2 \ + ~O --a2~OH.

28 • 18

--

46.

We baseren de capaci tei t van onze feb riek nu op de doorvoer

van 400 ton ethyleen per jaar.

Het ruwe gas, dat b.v.

45%

ethyleen bevat, verliest tijdens

de absorptie de hogere olèfinen aan de actieve kool)ne.e.r

schat-ting 3~ van het gewicht aan ethyleen. Gaan we ui t van 400 ton

et~leen per jaar dan komt er dus uit de absorptlekisten

389

ton/jsar

=

'

44;5

kg./uur. Het gemiddelde soortelijk gewicht

van het etbyleenb:>udend gas voor en na de absorptie is niet beken ti, zoda t ik hier alleen de ethyleenbalans kan geven. Er

word t per uur ~)1, 1 kg. e thy'leen/uur geabsorbeerd aan de kool;

dit verdwijnt weer bij het uitstomen van de veraadigde kool.

Ab so

rp

ti e to ren.

Bet gas, dat nu van hogere olefinen vrij is wordt onder in

de ab sorp tie toren me t zwavelzuur geleid. Ui t de li tere tuur(tJ,ZZ>

bleek,dat per kg. geproduceerde alcohol ongeveer 2 kg.'7,5~

zwavelzuur nodig is voor de absorptie van het ethyleen. lbor de gedeel telijke circul e tie van he t zwavelzuur, da tonderui t de toren stroomt, word t de ab sorp tie nog versneld. Desondsnks

nemen wij aan dat nog 1~ ethyleen niet geabsorbeerd wordt en

me t de inerte gassen de toren verlaa t. We be schouwen de

absorp-,

,

tie toren en he t eircula tiesysteem voor zWAvelzuur al s een

ge-heel. Verder scha tten we he t verlie s 8an zWA.velzuur, dB t door

het gas wordt meegesleurd en in de wasser wordt afgevoerd 1,5%.

Invoer:

44,5

kg. ethyleen/uur

122 kg. zwavelzuur/uur

'Ibtaal: 176,5 kg.

Ui tvoer: 2 kg. zwavelzuur in de wasser

0,5kl.

ethyleen in het afgas

174,

:kg. ab so rp tievloei s tot'

To ta 81 : 1 76 ,

5

kg.

MEIl ger en Bydroly seapparaa t.

Deze beide apparaten kunnen we als een geheel opvatten, omdat de vloeistof zonder enige gewichtsverandering doorstroomt.Wat

betret't de hoeveelheid wa ter, welke voor de ~drolyse nodig

is, hebben we ui t de schaarse gegevens der li tere. tuur (1'3,~6)

on-- on-- on-- on--

9

-geveer gelijk moet zijn flen die ven he t zwavelzuur. In: 174 kg. se tbyl sulfes tmengsel

126

_kS·

wa ter voor hydrolyse 'tb taal: 300 kg.

Uit: _{3°0 kg. bydrolysemengsel.} separa~

Bier wordt het mengsel uit de hy'drolysekolom gescheiden in demp en vloeistof. De damp stijgt op in de dephlegmstor en in het onderste deel ven di t epparae t vind een verdere vol tooing ven de l:\Ydrolyae plaats,doordat 74 kg. stoom/uur, afkomstig van de verwarmer, het zure mengael "stript".

De

hoeveelheid ge-vormde aether, door inwerking van alcohol op etbylsulfaat, be-draagt enige percenten. Het bydrolyserendement, met betrekking

to t de alcohol vorming s teIl en we circe

90%.

Hierin. i s ook de

toe •• lolie

begrepen. ])t rest van het niet omgezette et~leen

gaat als In:

Ui t:

gepolymeriseerde of verkoolde producten 300 kg. bydroly semengsel

verloren. 74 kg. wa ter al. a stoom

'tbtaal374 kg.

65 kg. Alcohol

1,5 kg. zwavelzuur 3 kg. aether

sIs damp naar wasser 43,5 kg. water

128,5 kg. 50% zwavelzuur \ 130 kg. wa ter in he t zwavel zuur J _ 2,5 kg. afvalproducten

'l\:) taal: 374 kg.

onderuit

Gaswasser.

De

dampen Van slcohol, sether en water moeten in de gas-wasser met 10% natronloog gewassen worden, om het meegevoerde zwavelzuur uit te w8ssen en te neutraliseren.

We

sproeien

dsar-toe 50 kg. 10% NsoIJ/uur in de wa sser. Om té gro te verliezen aan slcohol, tengevolge van het oplossen in de loog tegen te gaan, word t onder in de wasser nog 10 kg. stoom/uur ingevlazen.

Desondanks stellen we bet verlies aan alcohol bij deze wassing op 1 ;'~2%.

In:

Totaal:

50 kg. NaOR oplo ssing 10 kg. stoom 65 kg. alcohol 1,5 kg. zwavelzuur 3 kg. aether 4,3,5 kg. wa ter 173,0 kg.

Uit:

'1b taal:

10

-5; ::: :::::r }naar ruwe alcohol tank.

64

kg. al cohol

2.4

kg. wasvloei store onder ui t de WAsser) 173,0 kg.

Aether-destilla tiekolom.

~ ruwe alcohol in de voorraad tank heef teen coneen tra tie van 54%. De destillatie geschiedt met behulp van indirecte stoom. Boven uit de- kolom verdwijnt alle aether, als aether-water azeotroop, waArvan de samenstelling 5 mol

%

water

=

1,' gew.% water. Het alcohol-watermengsel verlaat de kolom

aan de onderzijde. We veronderstellen geen verlies aAn alco-bol, daar het verschil in kookpunten

groot is (lit.fZ)

In: 52 kg. wa ter }

3

kg. aether 64 kg. alcohol

'tb taal: 119 kg.

van alcohol en azeotroop

ruwe alcohol

Ui t:

,

kg. aether (+ 0,04 kg. wa ter) 52 kg. water

}

naar alcomldestilla tie 64 k~. alcohol

'm taal: 119 kg. Alcohol-de s tilla tiekolom.

Het alcohol-wa ter mengsel, da t nu geheel vrij van aether is, wordt in de kolom gereoti.ficeerd tot 94,5% alcohol. Uit gegevens bleek, dat de hoeveelheid foezelolie nog minder dan 1% van het totaal alcoholgewicht bedraagt. Deze hogere alco-holen verzamelen zi:ah tijdens de destillatie ongeveer in het midden van de kolom en kunnen zo nodig zijdelings wo rden af-getapt. Onder uit de destillatiekolom komt het water, waarin nog 0,5% alcohol in opgelost is. Uiteraard beschouwen we de reflux-koeler en de kolom als één geheel.

In: 52 kg. water

6~ kg. alcohol 'tb taal: 116,Okg.

Uit: _{62,7 kg. alcohol } topproduct} 3,7 kg. water

48,3 kg. water jbodemproduct 0,' kg. alcohol

1 kg. foezelolie Totaal: 116,0 kg.

11

-Kateriaelbalans over de gehele fabriek.

Voor het opmaken van de

to

tale balans la ten we ook nu weer de inerte gassen buiten beschou~ng. Deze gassen verlaten de fabriek,ne. de absorptie van het ethyleen in zwavelzuur, bijna kwantitatief. We bepalen ons dUS)WAt de gassen

betreft,uit-slui tend to t he t ebhyleen. In de fabriek komt per uur:

45,6

kg. ethyleen

13

2 kg. 97,5~ zwavelzuur 126 kg. wa ter 10 kg. stoom

50

kg. natronloog ~--~-'lb taal:

363,6

kg. Ui t de fe.briek gaa t per uur:

produc

t:

'Ib taal:

Overall-rendement.

1,6 kg. niet geabsorbeerd etq,leen

3,5

kg. zwavelzuur in wasvloeistot

1,3

kg. alcohol in waswa ter

2,5

kg. bijproducten in zwavelzuur

184, 5

kg.

70%

zwavelzuur

51,5

kg. loog

62,7

kg. alcohol

3,7

kg. wa ter

3

kg. aether 1 kg. foezelolie

482~

kg. afvalwa ter

363,6

kg.

De hoeveelheid ethyleen, die per uur de fabriek ingaa t. bedraagt

45,6

kg. rendien geen verliezen zouden optreden,door zuivering

van :r..et ruwe gas en tydens de absorptie, dan zou er theoretiscl aan alcohol gevormd moe ten worden:

~

x

45,6

=

74,9

kg. alcohol.

Het resultaat is , dat er

62,7

kg.

94,5%

alcohol per uur gele~ verd word t. We komen dus to t de conclusie) da t he t to taal ren-dement der alcoholfabricage is:

12

-VI. BEREKENING VAN IE ALCOHOL-IESTILLA TIEKOLOM.

=~=======a====a.=zca===a==================

Voor de berkening van de destillstiekolom voor de schei-ding van het alcohol-water mengae1, willen ~j de .athode van ponchon-8avari t volgen.

Voor een ui tvoerige ui teenzetting van de tUjze, waarop met behulp van de methode Ponchon de arme ti ngen van een dergelijke kolom berekend worden, verwijzen we naar de desbetret~ende

lit-tera tuur (.., I Z,3) •

We zullen hier slechts de algemene gang van zaken toelichten Ken gaa t ui t van de volgende veronderstellingen:

1) de rectlf'ica tiekolom bestee t ui t scho tel s,

2) er wordt slechts op twee plaatsen wannte toegevoerd, respec-tievelijk ontrokken en wel in de kookf'les en in de conden-sa tor,

3)

de wamte uitwisseling van de kolom met de omgeving wordt verwaarloo sd,

4>

de druk in de kolom is overal gelijk,

5) de vloeistof' en damp op een bepaalde scmtel zijn in ther-modynamisch evenwicht; de toestand in de kolom is station-nair.

6) de mengw arm te di en t men i n rek eni ng te brengen.

De werkwi jze van de methode van Ponchon komt er op neer, da.1 men de verschillende toe standen in de kolom weergeet t in een diagram, waarin de enthalpie als tunctie van de samenstelling der verschillende pha sen VI) rd taangegeven.

We gaan allereerst over tot het construeren van de lijnen der verzadigde dampen en van de coëxisterende vloeistotfen bij 1 abn. druk. De entha~pie van zuiver alcohol en zuiver water bij kook tempera tuur s tellen we op 100 Oal/kg. ~IIU~.lI:tJ1riUlJl Uit de waarden voor de verdampingswarmten der zuivere vloei-

..

, stotten vindt men dan de entha1pieen van de corresponderende

verzadigde dampen; deze enthalpie-waarden bedragen; 640,5Cal/kl voor waterdamp en

304,3

Cal/kg. voor alcoholdamp. De damptak

in het enthslpiediagram is voor ons systeem een rec!!.~_l.1j.n.

-Bij de constructie van de vloelstoftak dienen we te bedenken, da t de op tredende mengwarmte q, welke hier nega tiet i s, de enthalpie van het mengsel vermindert:

Wl = _x1[Wa

+

_{c a( Tl - Ta>]}

+

(1:-'. Xl) [Ww

+

cw' Tl -

Tw~+q

waarin W

l

=

enthalpie vloeistofmengsel W_a

=

enthalpie kokende alcohol Ww= enthalpie kokend; water

ca en c zijn resp. de kooktempep8tuur yan ~ meBgeeJ,

w ~~~

- _

...

13

-En water. Tl' Ta en T. zijn respectievelijk de kooktanpere.tu-ren Ven bet mengsel, e.lcohol en water.

In onderstaande tabel geven wij alle gegevens die voor de eon-struct1.e van vloeistof- en damptak nodig zijn.

Tabel ( J )

VloeI stöt Kooktëmp.

_D8îiîP

Entbilple-vlstl.

ge •• ~ Ale. mengsel gew.% W Cal/kg.

.-0 100 0 100 5 94,98 ~6,5 94,01 10 91 ,29 51 ,~ 89,61 20 87,06 65,0 85,67 ~ 84,67 71 ,0 85,13 40 8~, 14 74,5 86,~9 50 82,10 _77,~ 88,68 60 81,16 79,7 91 ,13 70 80,10 82,2 _9~,39 80 79,15 85,6 95,61 90 78,~5 91 ,31 97,72 95 78,22 95,6

..

_---100 _78!~2 100 100

De mengwarmten van de alcohol-water mengsels zijn alleen maar bij

4a

o C volledig bekend.Men kan deze gegevens in Landolt-Bornstein,physikalisch-Chemische Tabellen, 1912, R92, vinden.

De soortelijke warmten van alcohol en water zijn resp.

0,621Cal/Kg. en 1 Cal/kg. In Perry,Chemice.lEngen •• rings He.ndbook pag. 538, wordt een te.bel met soortelijke warmten van enkele alcohol-water mengselà gegeven.

De enthe.lpie der voeding P, waarvan de samenstelling 54% ge •• aleohol is en de tempere. tuur 75°C( kook temp. R1, 7° C), is gelij'

aan:

_w

₌

_w

-c (T. -~ 0) P 750 FR1 ,70 P kp t. · ~(5 Wp 0= 89,66- 0,9x6,7 = R3,63. daar, 75

de soortelijke warmte van 54% alcohol cp=0,9 Cal./Kg. N.B. De foezelolie ,die al s derde componen t aanwezig i s ,word t Xl verwe.arloosd. Deze component beste.at n.l. uit vele verschillen-de bogere alcoholen, we.ardoor verschillen-de berekening te gecompliceerd zou worden.

In he t hierbij gevoegde diagram i s tevens de kookluB van alco-hol-.a ter opgenomen; me t behulp hiervan kan men in he t en thal:

:-pie-x diagram aans tond s de noden1ij n voor elk pun t vi nden. Ter nadere toelichting op he t diagram nog he t volgende.

\,

14

-Het te destilleren mengsel F spli tst zich in de kolom in de bru-tophasen A' c94,5%)en B' (0,5%alc.), waarbij A' naar boven enB' naar beneden gaat. Elk willekeurig punt in het diagram is geken-merkt doorde enthalpie

W,

de samenstelling x en door de eigensoap da t de hoeveelheid in kg. or mol. word t aangegeven door he t pun t

Een dergelijk pun t noemt men een bru tophase.

Aan de oonstruotie-methode liggen de volgende drie hoofdverge-lijkingen ten grondslag:

P

=

A'+B'

FXF

=

A'xA + B'x_B

FW

_p

=

_{At WAt}

+

_B'WBf

QA

Het punt At verschilt van A, inzoverre de enthalpie WAt=N

A

+

A

is, waarbij ~A de in de oondensator afgevoerde warmte is. Ret zelfde"'geld t voor B en B'.

Ui t de drie grondvergelijklngen volgt aanstonds, da t A', B' en P op een rechte lijn moeten liggen. Verder doorredenerend

blijk t, da t de vloei s tor en de damp die door een willekeurige dool' snede boven de invoerschotel van de kolom stromen, eveneens op ee~

reohte lijn moeten liggen, welke door A' gaat.Voor het deel van de kolom beneden de invoer geldt,da~ vloeisto~ en dampop een rec~

te lijn door Bt liggen.

Heeft men de pool At aangenomen, dan is de pool B' ook vastgelegd Daarna volgt op vrij eenvoudige wijze de oonstructie van alle in de kolom voorkomende vloeistoffeh en dampen.

Trek 'de nodenlijn, die bij GA hoort, en verbindt het gevonden vloe.6stofpunt met

At

.Het snijpunt van deze lijn met de damptak,

stelt de damp voor die van de tweede schotel in de kolom omhoog

P"!!9.

stijgt. Men construeert van di t /ook de nodenlijn {schotel lenze Ui teindelijk snij d teen nodenlijn de verticaal door Bt; he t theo-re ti sch aan tal ' soho tel .. kqn nu ui t de grafiek worden afgelezen.

De laatste nodenlijn naar

Ls

stelt de kookfles voor.Verder is die nodenlijn, welke de lijn A'Bt? snijdt, de invoerschotel.

Voor de constructie van de pool A' moet allereerst de ligg~

van he t pun t P, De. t de minimumrefluxwarm te qR.- aangeef t, gevonden

worden. Hiertoe moet men rechts van de lijn

ltFB'

naar die iso-therm zoeken, welke de verticaal door A.t (=94, 5% alc.) in he t "

hoogste punt snijdt (lit. 3 ).De isotherm)die hieraan voldoet is aangeduid \ met t .Zodoende vinden we,dat P wordt Voorgesteld

x

door W=917Cal./kgen x=94,5~ alcohol.De minimale refluxwarmte is dus q • 819 Cal/kg.

voo~alcoboldes

tilla ties geld t volgens Kirschbaum ( 3 ), da t de toe te passen reflux verder bepaald wordt door de formule:

\

I .

..

•

15

-De enthalpie van

At

is dus

WA'·

+1410 Oal./kg. De pool BI kan~

nu met behulp Van de helling van de lijn AlF berekend worden.

De en thalpie W_BI

=

-1690 Oal/kg.

Het theoretisch aantal 8'0 ho tel 8 -blijkt nu 11 te bedragen.De

zoge-naamde "plate-efficiency" blijkt in de practijk voor alcohol, des-tillaties ongeveer 0,70

te

zijn (5").He~ werkelijke aantal schotels der kolom wordt dientengevolge:

~

x 11 • 17.

De refluxverhouding R is :

B

=

ntA

A'G

=

_22?

1089 : 4 9

_{, .}

De retlu~ is dus: 4,9 x

66,4

=

325 kg. alcohol.

na

afstand der schotels der kolom is 12 duim, het water-slot 1 duiDL

De dppsnelheid in de .kolom word t berekend me t de formule ( S)

z

u

=

xy~,~C2

\ , •••

rin c,= •• g. d.lende Tlo.i.tot

c2 en c

2

=

s.g. opstijgende dAmp. Voor 0

1 en c2 nemen we resp. het s.g. van water en van verzadigde al co hol damp bij

1

e

oO. Verder is ~ =- 0,08 ( S ).

dus: u-O,OS' 1

Ö

_,

g6~~1.6

=

2tt./sec.- 61 cm/sec.

.

Inde top der kolom passeert 325 +

66 •

391 kg al 00 hol damp per uur Het yolume van deze damp ia :

6;bg~g

om3 •

De doorsnede van de kolom moet dus zijn :

391000

4

2

U,001b

x

3600

x

61

=

111 cm.

IE diame ter van de kolom is dan : 1 /4x3, 14xd2: 1114 d- 37,7 ~~!.

De le~g~e d~r kol~m is :17 x 12 2,54

=

21S ,c~.

Bovendien kunnen we nu gemakkelijk berekenen, de hoeveelheid warmte welke inde

to

tale condensa tor word t on ttrokken, n.l. :

~

'3'2

(=qA)' 'A a

'3'2

,,66,4 •

87."7

O.l/UU ... / I

Inde kooktIe. word

t

toegeToegd : .

f---~

=

1790 en dus

~

=

1790 x 48,6 :

86,99~ o~l/uu~.

QA

en ~ moeten aan elkaar gelijk zijn, omdat de dest1llatié adia-batisch verlo·opt. Het versohil , is toe te schrijven aan de aflees-fouten bij de gevol~de grafische methode.

----_

..

-!~ , [ I !

..

i

:

..

jo · - - - ~ 16 -L I 'IERA 'lUUR-LIJ ST. J • (1) Chemisch Weekblad,W.H.Keesoom, 339,1933.

(2)Chemical Engeneering Thermodynam1ca,1944, B.P.Dodge.

(3) Destilleer und Recti:t'1c1ertechn1k, 1950,11 ed. ,E.K1rschbaum.

(4) Landolt-Börnstein,P~sikallach-Chemlsche Tabellen,1912,892.

(5) Perry, Chemical Engeneerlngs Handbook.

('6) 'lborpeta Dlctionnary of Applied Chemiatry,1940. (7) In tema tional Cri tl o al. Tabla a, Vol. 3.

(8) Chem. Met. Eng. ,~, 1230, 1920.

(9) Cbem. et Industle,Fritsche,

12.,

637, 1912. (10)J.80c.Cbem.lnd., Sidgwick,kI, 575, 1948. (11)Brennstoffchemie, !2-,166, 1934. (12)Brooks, Ind.Eng.Chem.,27,278, 1935. (13) Cbem. et, Ind.,

22,

1 022,1 936. (14)Ibdge, Ind.Eng.Ohem.,29, 19, 1937, en 29, 846, 1937. (15) Appleoy, J. Soc. Chem. Ind.

,2§.,

79 T, 1937.

(16) As ton, Ind.Eng.lJhem.,

2!!,

514, 1942. .

(17) Chem.&Me t.Eng. ,,2,136 , 1945.

(18)Trans.Am.lnst.Chem.Engs.,43, 92, 1947. (19) Cant Chem.Proc. Inds., 32, 1004, 1947.

(20)Cbem.Eng.News, R.S.Aries, ~, 1792 , 1947 • (21)Petroleum Retiner, ~, 204, 1948. (22)Chem. et Ind.,22, 231 , 194é. (23)Oil Gas J.,46, 108 en 133, 1948. (24)Cbe~eng.progress,~, 575, 1948. (25)Bri t. Pa tent 563.885 (1945) (26)" " 347846. (27)U.S. Patent 2747.588. (28)" " 1574.796. ' (29)" • 2050.442, 2050443, 20 50444.

(30)"

"

2054.736 (31,)" " 2130.669. (32)" " 2141.275.

---

-•

Aanmllli~

I~

-WaI!rltebalans è"?r nestillati~kolom.

'Je o"?nk~n ons oe koloTrl ~n cie refltlxkoel"?T' 81s

één

svst,eem; 'è'anCSezien de

toestand tijdens ële 0.estillatie sté3.tionnair 'l1oet zUn, zal de enthalpie ... verannering va,n }1"?t, syste8'!1l '2"e li_i k nul moeten zijn.

Dit betekent dat:

of'

in 6e koels-::;iraal 'Jer kg. A.

Q~

'9" ::: qB de toe:-3'evOeT'c1e I'T8:rn1te Ran (~e ·~{Qoks-:-:,irél.al ryer kZ. R.

Voor W

A+ qA en Wp__ , - qn sc h ' .rl., ven .

De enthalrie-ver~elij kinE; vrornt, r18.TI;

""'J _{1" :5'=} A"f _(A '+ n';"

DV'in•

"1'

en

'

n

e

Substitueren we hierin. de vo l;:jende v!aRrè.en:

dé?n mo et, dus:

A = G6,67 kó~. n

=

sC) ,27 kg.

9684: 9360_{4- 889.'51=8673.}

'.'i~

=

-1670 Cal./kg.

- : = ?

Het verschil der beide leden ner vergelijking, nl. 11 Sal. ,moet toeg