Verslag behorende bij het processchema ter bereiding van nylon-6 uit kaprolaktam

(1)

.

'0 o 'r o. l' 00 .-"'...;..' .. I ~ .. ,: '~ ,. , VERSLAG

behorende bij het proces schema ter bereiding van ny1on- 6 uit kapro1aktam

Maart 1959

Studierichting C

Siem Tjing Djien

Stadhoudersplantsoen 164 Den Haag

(2)

. I

,-. ~7,

p,

'J' r \,

"

r t __ _

r- -

---;

",

,

t

I

• .1 ,

-r-cll't

_,

r~

'

"

---

-

'

IH

,' 1, -I y ' 'L , 'v U \, ' ---. 1' \ ~

r

f~ _

~

-N

.t-I' :~

'

.

KAARS-,L

J)

I"ILTERS I _""_,_f'I.J" , HZ 11 -N-_,

j

I _I_, I li :

rU~:

- - --- - KAARS-I"ILTERS j"'l

'r

,

1 -!

-

-t<APAO--

~--

-1

~

LAKTA'" - ---- , -! . 'IJUZ1n - -" l

~

f

i

0

~2

I

.

\

[

~;:1j

1.k--h

1"

)

I

,

....

-

~

" - Y'

-

~

~-

j

J

'

· -

fe

,

~-

_J

I

l

__

I 111 POLYMERISATIE-KOLOM • I I

-

: .l--M

_I

_.

'

_'

r

.1

~~K

'I' WASWATERTANKS '&2 (-L r o ;~ -otaam ..-wenS

--~

~ . , r l

'

I _ ; ,_L ., I

~=

-

-'

I

WA5SEltS -~;'2'

,

1 _l._. _' ~.~ , L

':

1

J - {:-'.... ,

I

~

1

1 -I

:

I

-

~

1

INDAMPER 1 TI I

r

l ?

!

,

...

I " • I KOELER _ _ , _ _ u _ _ _ ' _ . . . " , , _ •

I

.

j

F

~

_

l.!J-

,

Ll

I I 1

1 \!

:

~

L..

~

f---1.l.,

\

,

I

_

. ___ .

r

-.s.lERTAN< J

~'

'

1 ---

-. , _ .. _J

~~

•

...L:

---"

.

~\Ë

~-:

" _J

~

'

t ' - , - " --

1 '

':

~..

ij

"'""'~I~m,

1 __

I

-

...

u . I

j

l

J

h I,

l

..

-.

I

~~~,

rtc~

lL

LUCHTUFT =';:?S:Z;)f~ I r b . 1 I --- ---~

r;;;;;;;;;:&l KOE LPIUI

~ I

1 - -

_

1

I

I (/

/

\

r

J

,~)

,

BEREIlINO VAN NYLON-I UIT KAI'R

_ ' OLAKTAH

SCHAAL 1120 FEIIRUMI1I5I IiIEM TJINO WlEH

8 !

~

. ~

..... .;::

(3)

..

.--; INHOUDSOPGAVE 1. 2.

3 .

4 .

Inleiding pag.

1.1 Bereiding van kaprolaktam

1.

2

Over de polymeri satie van kaprolaktam Opzet van het bedrijf

Materiaal- en warmtebalans

3.1

Polymerisatie-reaktie

3 .1.1

3 .1.

2

3 .

2

3 .

2.1

3 .

2 .

2

3 .

3

3 .

3.1

3 .

2

3 .

4

3.4.1

3 .

4 .

2

3

·

5

3

· 5·1

3

· 5·2

3.

6

3.

6.1

3 .

6 .

2

3 .

7

3 .

7 .1

3 .

7 .

2

3 .

8

3 .

8.

1

3.

8.

2

3 .

9

3.

9 .1

3 .

9

·

2

Materiaalbalans Warmtebal ans

Mengen en verw~rmen van de grondstof en

stabili sa tor

Materietalbalans

</i arm te bal ans

Mengen en verwarmen van de katalysator

-oplossing

Materietalbalans

1ivarmtebalcms

Wassen

Materiaalbalans

Warmtebalans

Drogen

Materiaalbalans

Warmtebal ans

Indamper

Materiaalbala:ss

Warmtebaletns

Vakuum-destillatie

Materiaetlbalans Warmtebalans Koeler Materiaalbalans Warmtebalans Koelpan Ma teriaal balans Warmtebali:ms De benodigde apparaten

4 .1

Polymerisatie-apparatuur

1 1 3 5

6

6 8 10 10 10 10 10 11 11 11 11

1

2

1

2

1

2

1

3

13

1

4

1

4

14

15

16

(4)

5

·

6 .

De mengvaten

Het mengvat voor laktam en i jsazijn

17 17

4 .

:E>

4.2.1 4.2.2

4 .

3

4 .

4

·

5

4 .

6

Het mengvat voor ( -aminokapronzuur en water 17

Pijpen 18

De waterbak onder de kolom 18

4.7

4 .

8 4·9

4.10 4·11 4.12 De hakker De wasser

Het voorraadsvat

De vakuum-tuimeldroger

De vel'damper

Het destillatie-apparaat De koeler

De koelpan

Berekening van de verdamper

5.1 Konstruktie van de verdampel'

5·1.1

5

·

1.2

Berekening Vdn de warmte-overdracht Berekening van de afscheider

Nevenbehoeften van het bedrijf 6.1 Warmte-behoefte

6 .

2

6 .

3

Water-behoefte Stikstof-behoefte Li teratuur Appendix

Overzicht materiaal- en warmtebal ansen Grafieken AKU-brief - - - 0 0 0 - - -18 18

19

1

9

20 20 20 20 21

23

24

25

26

(5)

- 1

-1. Inleiding.

Het nylon-6 is een polymeer van het kaprolaktam

NH

(CH2)(b~

HO[OC-(

CH2)5-N~:n

' dat zowel in de textielindustrie

in de vorm van garen en vezels, als in de mechanische industrie voor

de vervaardiging van borstelharen, kabels, lagers, tandwielen,

machine-onderdelen e.d. wordt gebruikt.

Het nylon-6 werd in 1939 voor het eerst door het voormalige

IG-conce~n vervaardigd onder de naam Perlon. De patenten hiervan staan

op naam van Schlack (17). Na 1945 ontstond er een stormachtige

produk-tie van nylon-6, niet alleen in Duitsland, maar ook in andere landen,

zoals in Nederland (Enkalon, Akulon), in Zwitserland (Grilon) en in

Japan (Amilan). Fig. 1°geeft de toename van de wereldproduktie van

polyamidevezels na de oorlog.

Helaas z~n er voor Nederland geen c~fers bekend, zowel

wat de vraag betreft, gebaseerd op een marktonderzoekJals wel de pro-duktie van nylon-6. Ditffiin verband met de monopolie-positie van de Neder·

landse fabrikant. Het OEEC-rapport van 1957 geeft in haar cijfers voor

Europa geen aparte indeling van de polyamide-vezels, maar slechts een

gesamenl~ke post synthetische vezels. Om deze redenen was het niet

mogelijk een verantwoorde schatting te maken van de capaciteit van het

te maken bedr~f in Nederland. Volstaan wordt dan ook door aan te nemen

dat een (tanden)borstelfabriek van plan is voor een gedeelte van haar

produktie van natuurl~k haar op nylon-haar over te gaan en deze zelf

te fabriceren. Omdat deze verandering een grote kapitaalsinvestering met zich mee bracht, besloot genoemde fabriek dit geleidelijk aan uit te voeren, waarb~ in eerste instantie op de produktie van 1 ton per 24 h werd besloten. Het kaprolaktam zal ingevoerd moeten worden overzee,

zodat plaatsing van de fabriek aan de kust, als geheel nieuw bedr~f in

overweging werd genomen. Verder moet er een minimum aan grondstoffen

worden ingevoerd, zodat keuze van een eenvoudig proces de voorkeur

ver-dient, waaro~ voor eventuele b~produkten een verdere verwerking moet

worden gezocht.

1.1. Bereiding van kaprolaktam.

Dit wordt of uit fenol of uit benzeen bereid volgens

onder-staan schema: 1) uit fenol

O

I /OH - _H .. 2

o

-

ti

₂

cr

OH

ti

>

(6)

\ .~\.,.,tr, '\j'V \. '. i j \ \ ' . '" ~~ij ~", • • :': ,.. '" '1. ,:;"\ ' \.,;tJ ,r I" 'lt.}) \''&\..,'-\ ~ .... ,.. t..;:. I 'J...r \... ~'V'

'()v

\; \Y" ,;f-> \ ,tw" ' ,~~ . \\ -.1'" t ~.' ,,\\ \ . \)'~

,

~ ,\,~

,\

,). v

2>t

_.

uit benzeen

o -

H

:

0

- 2 -HNO 3 p CH -CH -CH I 2 2 2"' NH CH -CH -CO--2 2 " NO

~

.,

( ' ( ' _2 ____

O-v

N OH

}""'~

"

LJ

H 2 j .

.

!

De

bereiding van kaprolaktam is dus gebonden aan de vin~laats van

' . ,

kolen, of eventueel b~ een petroleuffiraffinader~, die pe.troleum

ver-~

. >

,w~kt met een hoog benzeengehalte.

," '., 191,/] "

.

fig. 10 /<J1.2 J9tt f9~ f9J,;j ~~M!rl) , , , ,

,

ti:xJ 1952 &'53

De wereldproduktie van polyamidevezelà

(1940 tot 1953, perlon en nylon)

.

'

...

,""

L

<" _,

...

.

!::,.

,

.~ .

(

(7)

. •.

;4-.

'

:ii

]i. :] i 't " 'l ~ (i

~j

~

..

.

;';::.:;:~ ~ ~~ f' 18 % 16 /. 12 IC

~

8 ~ 5 I 25 ']0:" ~-, 180 190 !OO 210 /ZO .-:X-' /1./' .':t' X~, L'/~ ."8(1 251," J,'O ï

Polflllf'fl5iJ/;i)1151~If?PI!r2Id( .

..

flg. 1. De laagmo1ekulaire doolt jes in het 1aktam- î~)

:.<. /00' 0/0 90 80 -;:- 70 ~ ~ 60 -s::-~ "'- JO ~ ~ ~, !,IJ .~ ~ ~ JO ~ 20 ~ TIJ G

poly:merisaa t, uitgezet tegen de temperf! tuur.' iè

/900

120·, ..

---<---<---·---~~~~o><o,-

,----

~--~---~--~~--~----~~~-l 6 d W Q ~ $ M M R & & uh _if·;

t; f 'i ~.~:~

..

~ -. f~ , ~, '

;;

..

•

,-~. '1 i. ..I !.. ',-,,}"

fig.2. De vorming van polyamide uit ( -aminokapronzuur

uitgezet tegen de kondensatietijd bij 190°C, 220°C en 260°C.

(8)

- 3 -

/

1.2 Over de polymerisatie van kaprolaktam.

Zoals bD elke polJ~erisatie, is er, behalve de te

,.' polymeriseren stof, een katalysator en een stabilisatori _.'_nodig_•

. :SAIS katalysator treedt op water of water-afsplitsende

~~bindingen,

.) zoals é. -auinokapronzuur of het zout van adipinezuur

Jn

,'

hexamethy-'. leendiamine (AH-zout). Dit water is nodig om de laktam-ring te _,_.

: openen, en zo de polymerisatie-reaktie te doen beginnen. Als

sta-'I

. bilisatoren of regelaars (dat zijn stoffen die de lengtEi.'van het

, polymeer-molekuul regelen) werken kleine hoeveelheden o~ganisch

zuur (azDnzuur, benzoëzuur), of basische verbindingen (~lifatische

~

of aromatische aminen). In de praktijk wordt meestal aZijhzuur of

,~ adipinezuur, in enkele gevallen ook stearinezuur toegeP.è:et. Volgens Ludewig (1) bereikt men b~ de polymerisatie door toev~ging van 1 gmol aZDnzuUr aan

50

gmol kaprolaktam na verWDderen vih'water en

t·~· ... ;

laag-molekulaire deeltjes een h 1 = 1.5. Voegt men 1 ,ol

azijn-Ire , I '

e zuur op 100 of 150 gmol kaprolaktam toe, en bepaalt_'men..~pnieuw

onder ge~ijke omstandigheden de relatieve viskositeit, dan vindt men een ~rel

=2.0

resp.

2.5.

Aan de hand van deze proeven stelde men een prakt~k-formule op, die een bruikbare benad~ring vormt van de gemiddelde polymensatiegraad.

DP = 1

00 (

Î

rel -

1)

Het geldigheidsbereik van deze formule gaat van

'1

re'-t':"~i1.1 tot

2.5. \:!~,

Bekijken we de polymerisatie-reaktie, dan ?>:l:.)Jkt dat ze

...

~~ ~r~~~?~·

een,:,niet-aflotpende is, maar tot een evenwicht voert, ~,~"fhankelijk

van:"ae polymerisatie-temperatuur (zie fig. 1).

i~!f.'~:~

., ,

Dit ~l~kt, doordat in het polymeer Bog water -extrahe~r~re stoffen

aanwezig z~n, die niet alleen uit kaprolaktam bestaan" m~ar volgens

~ f _ "

Hermans (2) ook uit ringvormige di-en trimeren • Dit t ',~ra tuurs afp.á.kelijk evenwicht wordt bij hoge tempera turen naar da,.zijde van de

~ '. '

la~~olekulaire deeltjes verschoven. Matthes vond namél~, dat naast

de'_....groeireaktie, twee keten afbrekende reakties optreden, één van de

: .. " ..

... '. ..

raái1caalstabilisator verbinding, en een ander) een the:.;1nis,che, die

. r. •

met·.~lkaar in evenwicht zijn.

Verder bl~kt de polymerisatie-reaktie ook ~nqg t~ds -afhankelijk te z~n (zie fig. 2).

Beschouwen we nu de invloed van de water-afsplitsende stof op het extraktgehalte (voor AH-zout fig.

3,

voor E -amino-kapronzuur fig.

4),

dan bl~kt dat de reaktie snelheid afhankel~k

is van de toegevoegde hoeveelheid katalysator. B~

5%

AH-zout kr~gt men na ongeveer 8-10 heen extraktgehalte van slechts 10-11%, ter-wijl bij toevoeging van slechts 0.51~ binnen aannemelijke tijd het laktam

(9)

-o 8 12 16

fig.3;De polymerisatie van 'kaprolaktam met AH-zout"" (bij 260°C

1 atm); het wateroplosbaardeel uitgezet tegen de tijd.

" -'< ~ '" ~

.,

'" ~ 100 % 80 I 60~ I 40 20 5% 0 I, ₈ _/2 - L -_ _ ~ /6. IJ h

Dè pöl;Ymer:Lsátïe 'va"Ukapr"ólaktam met

€

-aminokapronzuur

, (bij"260QC ,1 atm); ,-pete wateroplosbaar deel uitgezet tegen de polymerisatietijd •

(10)

I

- 4

-geen spinbaar polyamide vormt. Anders wordt dit, wanneer we daar-naast nog water aan toevoegen (zie fig. 5) . B~ 5 of 2% AH-zout is

de polymerisatieversnelling niet merkbaar, wel b~ 0.5% AH-zout. Na

ongeveer 10 h werd er reeds een spinbaar polyamide verkregen.

Onderzoekingen van Skuratov et al. (3) Over de

poly-merisatie-warmte hebben aangetoond dat deze b~ 2300 C em 2% water 28.5 kcQlfkg bedraagt. De maximale warmteontwikkeling, afhankel~k

van de hoeveelheid water, vindt plaats na 2,5 h (b~

2%

water), na

4 h (b~ 1% water) en na 6 h (b~ 0.5% water). Onafhankelijt van de

hoeveelheid water vindt de maximale warmteontwiL~eling plaats,

nadat 41-4~~ van het monomeer is omgezet (fig. 6).

Het polyamide in gesmolten toestand wordt zeer gemakke

-l~k aangetast door de luchtzuurstof, dat de smelt doet kleuren, zodat ze onbruikbaar is voor verdere verwerking. Vandaar dat men

de lucht b~ zo'n polymerisatieproces verdringt, àf door het

in-leiden van 02-vr~e N

2, àf door het ontwikkelde stoom.

1fXJ 80 !( ...

o

-~ -' fig.5 , = H10 + 5 % AH 2 = HIO .. I % AH 3 = HlO + 0.5% AH ~ • H20 + 0 % 4H 8 /2 16 Ii

De polymerü3atie van kaprolaktam met AH-zout + water

(2600C, 1 atm); het wateroplosbaar deel uitgezet tegen

(11)

,.

I

?

-

5

-2.0 Qpzet van het bedr~f.

Aan de hand van de gegevens zoals vermeld in 1.2

kunnen we het volgende schema opstellen.

I

katalysatorl- - - . ,

'grOndstof

l

---~

fig.

7

,

J

Voor de polymerisatie hebben we, behalve de grondstof en katalysator

nog nodig een stabilisator, en ervaringsgew~s ook water. We zullen

dus, als de meest eenvoudige opzet, de katalysator in water oplossen

en de stabilisator b~ de grondstof toevoegen.

Verder weten we dat de polymerisatie-reaktie een

even-wichtsreaktie is, in het meest gunstige geval het polymeer

10%

extraheerbare stoffen bevat, die de mechanische eigenschappen

---~--(~etsterkte b.v.) slechter maken. Het is dus noodzakel~k deze lagere polymeren en onomgezet laktam uit te wassen met heet water.

Volgens Hermans

(2)

bestaat

2/3

deel van het extrakt uit monomeer,

dus van de 107~ is dit ca

7%.

Terugwinning van het monomeer is dus

lonend, ook al omdat de resterende

3%

eventueel nog door hydrolyse

met loog of zuur in het monomeer z~n om te zetten

(4)

.

De

terugwin-ning van het monomeer zal dus zo geschieden, eerst verdampen van

het waswater, waarna door destilleren het laktam gescheiden wordt

van de di- en trimeren.

Het schema zal erdus nu zo uitzien:

ka t . 1---_ _ _ -, water grondstof stabilisator I I-fig. 8 drogen

-1

nYIOn-6] destilleren

t

(12)

-

6

-zullen we van dit schema de materiaal- en warmtebelans opstellen,

gebaseerd op de dagproduktie van 1 ton eindprodukt.

y

3.

Materiaal- en warmtebalans.

Van het in fig.

8

aangegeven schema, is de polymerisatie-reaktie bepalsnd voor de berekening van de materiaal- en warmtebalans

van het geheel. We zullen ons dus eerst bezig houden met de

polyme-risatie, waarna de rest hieruit berekend zal worden.

3.1 Polymerisatie-reaktie.

3.1 .1

Gevraagd een dagproduktie van 1 ton gebruiksklaar polymeer.

Materiaalbalans.

We kiezem voor de polymerisatie als katalysator:

als stabilisator:

5%

C

-aminokapronzuur

gmol DsazDn op 150 gmol kaprolaktam.

We vinden voor de gemiddelde polymerisatiegraad: DP = 100 ("7rel

-1)

=

1"

(2.5 -

1)

= 150.

M.a.w. dat éém polymeermolekuul er zo zal uitzien:

CH

3

CONH-(CH2)5 -CO { NH-(CH2)5-CO} 148 -NH-(CH)5-COOH

het gemiddeld MG is dus 17010 per 24 hr heeft men dus 1000

17010 gmol polymeer bestaande uit 1000

17010 x 150 gmol "kaprolaktam"

=

8832 "Laktam" gmoI.

(inbegrepen de 51~ [-aminokapron' zuur) • Volgens fig.

4

heeft men na een minimum reaktietDd van

8

h het poly-merisatie-evenwicht bereikt van ca 10% water-extraheerbare stoffen. Aangezien het niet bekend is in welke verhouding de lagere polymeren in het extrakt voorkomen, zullen we aannemen dat deze geheel uit

\ monomeer bestaat.

I, '1)

\ Dus 10% van 8832 gmol

=

883,2 gmol "laktam"

uitgaande van 8832 gmol "

(13)

-

7

-Aan ~saz~n hebben we 150 1 x 9715,2 gmol = 64,8 gmol = 64,8 x 60 3,9 kg.

Aan E-aminokapronzuur 5% van 9715,2 gmol = 485,8 gmol = 485,8 x 131

= 60,1 kg

Aannemende dat het NLG van het"laktam"-molekuul gelijk is aan die van kaprolaktam (=113), is het gewicht dus

9715~2 x 113 = 1097,8 kg.

Het gewicht aan zuiver laktam is dus 1097,8 - (60,1+ 3,9) = = 1033,8 kg. = 9148,7 kgmol

Qn het [, -aminokapronzuur op te lossen heeft men volgens (5)

1,3 x zoveel water nodig: 1,3 x (485,8 x 131) g = 1,3 x 60,1 kg 78,1 kg.

Gaan we nu na waVer gebeurt wanneer er stoom uit de

laktamsmelt ontwijkt (aannemende dat h~ nog niet is gepolymeriseerd),

dan zal ook enig laktam mee overgaan. Qn dit te berekenen nemen we

aan dat het water en de laktam een ideale oplossing vormen, waarvoor

de wet van Raoult kan gelden. Uit de Clausius-Clapeyeon-vergel~king

van laktam (6) kunnen we dus de dampspanning van het laktam b~ 1000C berekenen.

=

I

P

t

1,60 mm 11,839 -11,839 -11,839 -Hgl 4339,8 T 4339,8 373 11 ,635 (p in mm Hg) 0,204

Volgens Raoult geldt:

_'jf.

P

i

K~.

86,8 kg water= = 4,8222 kgmol. 9148,7 + 485,8 1 ,60. 0,67 760 0,00141 p

= molffaktie laktam in vloeistoffase

= molfraktie laktam in dampfase

= part. dampspanning van laktam totaal druk

9634,5

14456,7 = 0,666

E~ het overdestilleren van 86,8 kg water gaat dus mee:

0,00141 x 4,822 kgmol = 1,41 x 4,82 gmol 1 6,79 gmol = 6,79x113 g

768 g laktam

(14)

3.1 .2

/

- 8 _ 0

We moeten dus in de materiaalbalans

0,8

kg laktam meer bD doen,

ter compensatie van dit verlies. ~~_g~~!_~~~_E~~_~1_g_~~:

9148,7

gmol kaprolaktam

kompensatie verlies aan laktam

485,8

gmol [ -aminokapronzuur

64,8

gmol DsazDn water

1033,8

0,8

60,1

3,9

78,1

1176,7

kg kg kg kg kg kg ~E_~~~!_E~~_~1_~_~~!: aan polymeer

"

extraheerbare stoffen stoom stoom (van lakt am-damp [ -aminokapronzuur )

1000,0

kg

100,0

kg

78,1

kg

8,7

kg

0,8

kg

1187 ,6

kg

Warmtebalans. s.w. la~t~m

=

0,4

kcàl/kgOC

s.w. DsazDn

=

0,535

keel

oplosw.

1,90

kJ/gmol DsazDn bD

gepolymeriseerd is

(9148,7

+

485,8)

gmol

=

9634,5

gmol

=

9634,5

x

113

g

1 088,7

kg

niet gepolymeriseerd is 1W~ ervan

108,9

kg

gepolymeriseerd is dus

( 1 088,7

108,9)

kg =

=

979,8

kg

De ontwikkelde polymerisatie-warmte is dus

979,8

x

28,5

keel

=

27924,3

kcal .

( 1 ) om de smelt van

95

o C tot een temperatuur van

260

0 C te brengen (aannemende dat alles nog monomeer is):

1088,7

x

(260 -

95)

x

0,4

71854,2

kca.l.

om

0,8

kg laktam van

95

0 C tot

100

0C te brengen:

(15)

- 9

-om 0,8 kg laktam te vervluchtigen rus nodig:

0,8 x 176 140,8 kcal

(2) om 1:56,8 kg water van 95°C bij 100°C te doen verdampen:

86,8 x (100 - 95) x

86,8 x 540

434,0 kcal 47672,0 kcal 48106,0 kcal

(3) om 3,9 kg

~saz~n

van 95°0 op 260°C te brengen:

3,9 x (260 - 95) x 0,535 344,4 kcal

de oploswarmte van 3,9 kg ijsazijn in 78 ,1 kg water

3,9 kg ijsazijn =

₆₀

3900 = 65 gmol

gmol ijsazijn opgelost in 78,1 kg water ontwikkelt 1,90

65 gmol geeft 65 x ~ kcal 29,4 kcal.

4,19 Overzicht. Hoeveelheid warmte ontwikkeld nodig 27924,3 kcal 71 .854,2 kcal 142,4 11 48.106,0 11 344,4

_"

toe te voeren 9255 2 ,1 kcal 29,4

_"

120.416,4 kcal 120.416,4 kcal kJ

(16)

10 -3.2

Mengen en verwarmen van de grondstof + stabilisator.

3.2.1

3.2.2

De voor de polymeridatie benodigde grondstof en sta-bilisator van

20°C

worden b~ elkaar gevoegd en verwarmd tot

95°C

(zie figuur

8)

.

Mate:iI:iaalbalans.

Er in gaat (zie

3.1 .

2)

1034,6

kg kaprolaktam van

20°C

3,9

kg ~saz~n van

20°C

Er uit gaat

1038,5

kg smelt van

95°C.

Warmtebalans.

voor de s.w. en smeltwarmte van laktam, zie

(7)

(1)

De s8mlttemperatuur van laktam is

70°C.

Om

1

034 ,6

kg laktam van

20°C

tot op

95°C

te ver-hitten is dus nodig:

1 034,6

x

(70

-

20)

x

0 ,4

1

034 ,6

x

33 1034,6

x

(95 - 70)

x

0 ,

4

=

(2)

Om

3,9

kg ~saz~n van

20°C

op

95°C

3,9

x

(95

-20)

x

0 ,

535 20.692,0

kcal

34.141 ,8

kcal

10,346,

0

kcal

65.179,8

kcal te brengen is

146,1

kcal. nodig

(3) De mengwarmte van het laktam met ~saz~n is onbekend.

Mede door de geringe hoevüelheid van het ~sazDn is

dit te verwaarlozen.

3.3

Mengen en verwarmen van de katalysator-oplossing.

De voor de polymerisatie benodigde katalysator en

water van

20 °C

worden bD elkaar gevoegd en verwarmd tot

95°C

(zie

fig.

8)

.

Materiaalbalans. Er in gaat (zie

3 .1.1)

60,1

kg [ -aminokapronzuur van

20°C

78,1

kg water van

20°C

en er uit:

138,2

kg oplossing van

95°C

(17)

- 11

-3.3.2 Warmtebalans.

smpt. 225°C

s.w. van [ -aminokapronzuur 0,4 kcal/kg/oe 60,1 kg l: -aminokapronzuur van 20° tot 95°C

60,1 x (95 - 20) x 0,4 29,4 kg water van 20° C tot 95° C

29,4 (95 - 20) x 1

1803,0 kcal

2205,0 kcal 4008,0 kcal

De oploswarmte van [ -aminokapronzuur in water in onbekend.

3.4 Wassen.

Het wassen gebeurt met heet water (100°C) tot het

extraktgehalte is gedaald tot op 1%. Om het wassen effektiever te

maken wordt de polymeersmelt in de vorm van een bandje heet uitge-trokken en in stukjes gesneden, het z.g. sn~dsel. Dit nu wordt 3 x uitgewassen met dezelfde hoeveelheid gezuiverd water.

,

. Materiaalbalans. Er gaat in: Er gaat uit: Warmte-balans. 1000 kg polymeer 100 kg extrakt 1000 kg gezuiverd water 1000 kg polymeer 10 kg extrakt 150 kg water 850 kg waswater 90 kg extrakt s.w. polymeer

=

0,54 kcal/kg/oC (10)

Indien het wassen ladingsgew~s en in tegenstroom ge-beurt (het verse water wordt gebruikt voor de laatste wassing)

dan mogen we de begintemperaturen van het waswater-polymeer-mengsel alsvolgt nemen:

1e wassing 70° C

2e wassing 70° e 3e wassing 30° C Er is dus voor het water nodig:

2000 x (100 - 70) x 1 1000 x (100 - 30) x

60.000,0 kcal 70.000,0 kcal

(18)

r

I

7

...

12

-voor het polymeer is nodig:

2 x 1000 x (100 - 70) x 0,54

1000 x (100 - 30) x 0,54 =

32400,0 kcal

37800,0 kcal

70200,0 kcal

Voor het extrakt is nodig bij 1 e wassing:

bij 2e wassing:

bij 3e wassing:

3.5 Drogen.

100 x (100 - 30) x 0,4 2800,0 kcal extraktgehalte daalt tot op 5%.

50 x (100 - 70) x 0,4 600,0 kcal extraktgehalte daalt tot op 3%

30 x (100 - 30) x 0,4 extraktgehalte is gedaald

tot op lJ~

840,0 kcal

4240,0 kcal

Na het wassen moet het sn~dsel gedroogd worden. Dit ge

-beurt het snelst door eerst het snDdsel af te centrifugeren van het

water (watergehalte nu 1~fo), waarna het snDdsel in vakuum bD 5 mm Hg

bD 130°C in een vakuumtuimeldroger gedurende 20 ~ wordt gedroogd.

Het uiteindel~ke watergehalte is dan gedaald tot op 0,07%.

Materiaalbalans.

Er in gaat 1010 kg snijdsel

150 kg water

Er uit gaat 1010 kg snijdsel

0,7 kg water

149,3 kg waterdamp

Warmtebalans.

dampdruk H₂0 bD 1,20C 5 mm lig

verdampingswarmte bjj 1,OoC 594,9 kcal/kg

voor snijdsel 1010 x (130-20) x 0,4 44400,0 kcal

voor water 149,3 x 595 88833,5 kcal

nodig 133233,5 kcal

voo

.-er komt vrij

m

het water

149,3 x (20 - 1) x 1 2841 ,7 kcal

(19)

· , ... '\ , \" t'-- 13

-3.6

Indamper.

3.6.1

3.6.2 3·7

In de wasser werd het sn~dsel de eerste keer uitgewassen met het meest laktam-bevattende waswater. Hierna wordt het waswater onder atmosferische druk ingedampt om het laktam terug te winnen.

Wanneer we aannemen dat er ingedampt wordt tot é:en kooktemperatuur

°

van

140

0, dan zal de materiaalbalans er aldus uitzien:

Materiaalbalans. _ ___ ::.:.;.,::.:.:::...~=-=:.::c=....:..

Er in gaat

900

kg "laktam"

850 ,0

kg water Er uit gaat

89 ,5

kg '~laktam"

3,5

kg water

15

46,5

kg stoom

0,5

kg laktam

Warmtebalans.

Stel de temperatuur waarb~ de op~ssing de indamper

binnenkomt op 80°0; het kooktrajekt is van 100°0 - 140°0. Neem voor

de vel'dampingswarmte van het water het gemiddelde van die van 100°0

(538,7

kcal/kg) en die van 14000

(511,5

kcal/kg)

525,1

kcal/kg.

~~_ .. , ...

-(6)

verdampingswarmte laktam

176

kcal/kg.

voor wEj,ter

850

x

(100 -

80)

x

1 17 .000

kcal

846,5

x

525 ,1

1

_44.497,2

kcal

3,5

x

(140 - 100)

x

1

140

kcal

voor "laktam"

90

x

(100 -

80 )

x

0,4

720

kcal

89,5

x

(140 -

100)

x

0,4

1432,0

kcal

voor laktam

0,5

x

176

88

kcal

163.877,2

kcal

Vakuum-destillatie.

In dit apparaat wordt batch-gew~s een hoeveelheid van

7

maal de dag-produktie van de indamper aan een vakuumdestillatie

onderworpen bD een vakuum van

20

mm Hg. De verhitting gebeurt met

stoom van 160°0. Het zuivere laktam kookt

b~

20

mm Hg-druk

b~

140°C;

(20)

- 14

-3.7.1 Materiaalbalans.

Er in gaat 626,5 kg "1aktam"

24,5 kg water

Er uit gaat 4 16,5 kg laktamdamp

24,5 kg waterdamp 210,0 kg residu

3.7.2 Warmtebalans.

Stel de begintemperatuur op 30°C; de temperatuur

waarb~ de oplossing begint te koken is 46,7°C.

(7) s.w. laktam 0,4 kcalYkg/oC

stel de s.w. van het residu ook op 0,4 kcal /kg/oC

(6) verdampingswarmte laktam 176 kcal/kg

verdampingswarmte water b~ 46,7° C 570,4 kcal/kg 525,6 kcal/kg

voor water

voor laktam

voor residu

" " " 120°C

gemiddelde verdampingswarmte

is 548,0 kcalfkg 24,5 x (46,7 - 30) x 1 409,2 kcal 24,5 x 548,0 13.426,0 kcal 416,5 x (140 - 30) x 0,4 = 18.326,0 kcal 416,5 x 176 73,304,0 kcal 210,0 x (140 - 30) x 0,4 9·240,0 kcal er is nodig 114.705,2 kcal 3.8 Koeler. 3.8.1

Hier wordt het dampmengsel van 140° C gekoeld tot op 80°C, waarbD er dus een vloeistof en een damp ontstaat, waarvan

de samenstelling bij 20 mrn Hg-druk bepaald wordt door het T-x

-diagram voor het systeem laktam-water (zie grafiek 4).

Materiaalbalans.

Er in gaat aan damp

Er uit gaat aan vloeistof

damp 441,0 kg 402,3 kg laktam 3,7 kg water 14,7 kg laktam 20,7 kg water

(21)

- 15

-3.8.2 Warmtebalans.

'I'emperatuur van de binnenkomende damp 1400

e.

" 11 uitstomende vloeistof en damp 80

0

e.

Soort warmte van vloeibaar laktam 0,4 kcalfkg

" 11 van waterdamp 0,48 kcal/kg

Verdampingswarmte van laktam 176 kcal/kg Stel de s.w. van de laktam-damp op 0,4 kcal/kg

en de verdampingswarmte van water gel ijk aan 531,3 kcal/kg.

dan komt er aan warmte vr~ vuor:

laktam-vloeistof 402,3 x 176

₌

70804,8 kcal 402,3 x(140-8ü) x 0,4 9655,2 kcal damp 14,7 x (140-80) x 0,4 352,8 kcal

water 3,7 x 531 ,3 1965,8 kcal

waterdamp 20,7 x(140-80)xO,48 596,2 kcal

er komt vrij 83374,8 kcal

3.9 Koelpan.

Hier druppelt het laktam van 80° C in, en stolt door

het koelen direkt aan de bodem. Vle nemen aan dat dit zo snel ge

-beurt, dat er geen t~d is om het evenwicht damp-vloeistof in te

stellen.

Materiaalbalans.

Er gaat in 402,3 kg vloeibaar laktam

3,7 kg water

Warmtebalans.

Temperatuur van de binnenkomende smelt 80°C.

stel eindtemperatuur is 30°

e

stolpunt laktam is 70°C

(7) s .w. laktam in vloeibare en vaste toestand 0,4 kcal/kg smeltwarmte laktam 33 kcal/kg

Neem voor de physische eigenschappen van de smelt en het gestoláel destillaat die van het laktam.

406,0 x (80 - 30) x 0,4 406,0 x 33 er komt vrij 8120,0 kcal 13398,0 kcal 21518,0 kcal

(22)

16

-4. De benodigde apparaten.

vli11en we over de nodige apparatuur spreken, dan moeten

we eerst uitmaken of het proces diskontinu dan wel kontinu moet

ver-lopen. Ook hier is de polymerisatie-appratuur beslissend.

Polymerisa tie-appara tuur. / 3

s.g. polymeer

=

1,13 kg dm

De oudst bekende vorm van polymerisatie gebeurt

batch-gewDs in een autoklaaf. In 1939 werd voor de polymerisatie van het

kaprolaktam voor het eel'st een buisreaktor gebruikt, die onder de

naam "VK-Verfalbeen" (VK

=

vereinfacht-kontinuierlich) bekendheid

kreeg. Na 1945 werden enkele andere kontinue werkwDzen voor de poly-merisatie van kaprolaktam in patenten vastgelegd (11, 12, 13, 14, 15).

Geen van deze gepatenteerde apparaten vertoonde echter dezelfde

een-voud in konstruktie en gebuik als de buisreaktor. Het nadeel van

slechte warmteoverdracht naar de buisreaktor in de smelt bleek

opge-lost te kunnen worden dl_or het plaatsen van met gaten voorziene

scho-tels aan een centrale as in de molom, hetzD horizontaal, hetzD

schroef-vormig. Daarmede kon voorkomen worden dat de smelt van verschillende

viskositeiten door elkaar zou geraken, waarduor een eindprodukt met

een onregelmatig DP zou worden verkregen.

Voor ons doel leek de gewone buisreaktor het meest

ge-schikt; ze is veel eenvoudiger te konstrueren dan een autoklaaf, eist

ook veel minder bediening, en is t.o.v. de andere kontinue apparaten

veel eenvoudiger in ~konstruktie. De verhitting geschiedt m.b.v.

Dowthermdamp van 2700C in een mantel, dat om de reaktor is aangebracht,

\ en eraan is gelast. De reaktor zelf bestaat ui t ~4A~~al, terwijl de

Ij centrale as en de met gaten voorziene schroef uit aluminium is gemaakt.

_ Dit allemaal ter voorkoming van verkleuring van de smelt.

Boven de kolom wordt de gesmolten grondstof, samen met

het DsazDn toegevoegd, terwDl uit een andere opening de katalysator in water wordt gedoseerd. Aangezien er bD die temperatuur stoom vrD- . komt, moet deze verwDderd worden. De stoom zorgt meteen voor afsluiting

van de smelt van de lucht.

We nemen voor de binnenduorsnede van de kolom 250 mm, en

bD een verblDftDd van 10 h en een dagproduktie van1100 kg ruw polymeer,

komen we op een hoogte van 1100 10-3

24.1,13 '4_TT .0,25 2 8,27 m

I.v.m. de stoomontwikkeling in de smelt nemen we voor het

volume een faktor 1,2 meer. De definitieve hoogte wordt dus 9,93 m.

(23)

tandrad-r

4

1 -- 17

--l

0 .. ct

pompje die de smelt door een spleet van 10 x 3 mm in een bak met ~t

water perst.

Het pompje voert af 40,6 dm3/h

De afvoersnelheid wordt: 40,6 10-3

-5

3600.3.10

=

0,376 40,6 x 1,13 45,8 kg/h 2 Opp. bandje

=

3 x 10

=

30 mm m/sec. 4.2. De mengvaten~

Deze Al-mengvaten moeten een voorraad van 24 h kunnen be-o

vatten, ze op 95 C brengen en houden en elk 2 stoffen vermengen.

4.2.1 Het mengvat voor laktam en DsazDn (mengvat 1).

Volgens de materiaalbalans in 3.1.1.1 moet dit vat 1033,8

kg laktam opsmelten en verwarmen tot op 95°C om vervolgens dit te

mengen met 3,9 kg DsazDn. Het beste leek ons een cylindrisch vat te

nemen met een diameter van 1000 mm en een lengte van 1600 mm,

dus een inhoud van 1255

t

.

o

De verwarming geschiedt met stoom van 100 C, in een 16-tal buizen,

elk van een ~".

Het mengen en roeren gebeurt met een omlooppomp, die

tevens dient om de smelt in de polymerisatie-kolom te drukken, in een

hoeveelheid van

1034~1

+ 3,9

=

43,3 kg/ho

Voordat de smelt in de kolom komt, moet ze eerst op

on-zuiverheden gefiltreerd worden. Een kaarsfilter (2 stuks) voldoet hier.

Omdat steeds één vat gedurende 24 achtereenvolgende uren

in gebruik is als voorraadstank, moet dus een tweede aanwezig zDn om

o

de grondstof ondertussen te mengen en op 95

c

te houden, waarna ze,

na die 24 h, haar taak kan overnemen.

Na het vullen van het vat met kaprolaktam, moet de lucht

in het vat verdrongen worden door zuurstofvrDe N₂•

4.2.2 Het mengvat voor C-aminokapronzuur en water (mengvat 2).

In dit vat komt per 24 hslechts 60,1 kg E:

-aminokapron-zuur, dat opgelost moet worden in 78,1 kg water. Voor dit doel was

een vat met een diameter van 400 mm en een lengte van 1000 mm

vol-doende. De verwarming geschiedt m.b.v. een mantel dat met stoom van

1000C verhit wordt. Het oplossen wordt versneld met een roerder. Ook

(24)

4.4

18

-voldoende voor 24 h, zodat een tweede vat noodzakelijk is.

138,2 /

Een doseerpompje verpompt 24

=

5,76 kg hoplossing

naar de kolom. Deze oplossing moet ook eerst gefiltreerd worden met

een kaarsfilter, voordat ze in de kolom komt.

Vóór dat het oplossen van het

L

-aminokapronzuur begint,

moet de lucht boven het water met zuurstof-vr~e

N

2 worden verdrongen.

P~jpen.

"

De benodigde PDpen zDn ~ -PDpen, die welke gebruikt worden

om de hete smelt en de hete oplossing te vervoeren, z~n geïsoleerd

met asbest. Die p~pen die de hete smelt vervoeren, gaan bovendien

.11 0

vergezeld van een 2-heet waterbuis van

95

C, dit om stollen van de

smelt te voorkomen.

De waterbak onder de kolom.

Het bandje polymeer dat onder de kolom uitkomt moet

afge-koeld worden tot ze vast wordt. Daartoe wordt ze direkt in koud water

geleid (100C), om verkleuring van de smelt te voorkomen. Het stolpunt

van de polymeersmelt is 2100 C.

4 .5

De hakker.

De gestolde band wordt nu door de hakker in stukjes van

elk 7 rnrn gesneden, het z.g. snDdsel.

Via een transport schroef komt ze in een luchtlift die ze

naar de wassers transporteert.

4.6 De wasser.

In deze Al-ketel

(É

=

700, 1

1

=

~800, 12

=

450; inhoud

=

1,27 m

3 )

wordt 550 kg

sn~dsel

opgevangen en met gezuiverd water van

1000 C gewassen. Daartoe is de ketel voorzien van stoornleidingen en een roerder. Aangezien dit wassen diskontinu gebeurt, hebben we 2

ketels nodig; terw~l de ene wordt gevuld, wordt in de andere het

sn~dsel uitgewassen.

Het wassen gebeurt diskontinu in

3

etappes, daarom z~n

er 3 waswatertanks nodig. Om waswater te bespa~n, begint men de 1e

wassing met het waswater afkomstig van de vorige 2e wassing (tank

no. 2) brengt haar al roerende tesamen met het sn~dsel op 1000C, en houdt de massa gedurende 2 uren in beweging. Het water wordt wegge-pompt naar wachttank 3. Daarna wordt waswater toegelaten van

(25)

wacht--

19

tank 1, d.i. water dat gebruikt werd voor een vorige 3e wassing, op

dezelfde manier op 10000 verhit en nu gedurende 3 h flink gecerd. Het water wordt weggedrukt in tank no. 2, en nu met vers, gezuiverd water gewassen. Het wassen b~ 1000C duurt nu 4 uren. Nu gaat het mengsel ge

-zamenl~k naar de centrifuge waar het sn~dsel van het grootste deel

van het water wordt ontdaan. Dit waswater komt in tank no. 1.

Het sn~dsel zelf komt in een voorraadbunker, terw~l het

water in waswatertank no. 3 kontinu wordt afgevoerd naar de verdamper

van de laktam terugtwinings-installatie.

De waswater-tanks 1 en 2 z~n groot ~ 650

:f. 2000

inhoud

waswater-tank no. 3

inhoud

Viaswater-tank no. 3 kan bij uitvallen van de verdamper-installatie

ged~rende 36 hals buffervat dienen.

De buizen, welke het waswater vervoeren, zijn 1 "-buizen, terwijl die, die het waswater + snijdsels naar de centrifu&e vervoeren, 6"-buizen zijn.

4.7 Het voorraadsvat.

Dit is een roestvr~ stalen open vat met de maten (~

=

900 ; 1₁

=

2000

~

1₂

=

450) en een inhoud van 1,365 m3• Hierin komt

-

-het snijdsel in afwachting dat het in de trommeldroger gedroogd kan

worden.

Dit is een ronde cylinder, gemaakt van gegoten~oestvr~

staal en voorzien van een stoom mantel. Deze cylinder kan tot eren en vakuum worden ge zogen. De maten zijn ~

=

1 000 ~ 1 3200

Er gaat 1010 ~~ sn~dsel + 150 kg watert 'Ze wordt dan vakuum gezogen (5 mm Hg), en met stoom van 145°C tot een temperatuur van 125-1300C verhit. Een charge wordt 20 uren lang behandeld. Na afloop is het

watergehalte gedaald tot op 0,07% is ze klaar voor gebruik.

M. b.v. een transportschroef wordt ze in roestvrij stalen bunkers

(26)

- 20

-4.9 De verdamper.

X

')

Dit kontinu wer'kende apparaat bestaat uit 2 delen, de eigenlijke verdamper

(}d

=

1600,

t

=

1200) met de stoombuizen (1~ stuks

van -:;i_I!) , en de afscheider

(0

SOO,

B.

= 700), waar de damp van de

mee--

-

.-gesleurde vloeistof wordt bevr~d en afgevoerd. Wanneer de kokende

vloeistof een temperatuur van 1400C heeft

bereikt~

~;

~;dt

-

k~~ti~u

-een

weinig~~~

-

de

ineedampte vloeistof

a1~~e~';:

de

dèstillatie-ketel, terwDl tegelijkertDd uit waswatertank no. 3 de som van de hoe-veelheid damp en vloeistof die het apparaat verlaat, wordt toegelaten.

Deze batch-destillatie gebeurt in vakuum b~ 20 mm Hg-druk.

Ze wordt daartoe, via een koeler en een ontvanger (eenkoelpan) op

een 2-traps stoom-ejtkteur a~ngesloten.

Het apparaat i s van gegoten roestvr~j staal gemaakt; de

ketel heeft de maten

~

=

800; 1

=

1400; dus een inhoud van 702 dm3.

De warmte toevoer geschiedt met stoom van 160oC, en ~-I!-buizen. Op

de ketel is een kolom gemonteeed met de maten

0 =

320 en 1

=

1000.

Daar dit een evenwic~tsdestillatie is, is de kolom niet gevuld.

De hele destillatie duurt 3S h; na afloop van de dest

il-It<

latie wordt het residu in heet water opgelost en verder verwerkt; gehydrolyseerd tot ~ -aminokapronzuur (S). Aangezien de toevoer uit de verdamper kontinu is, hebben we dus 2 destillatie ketels nodig,

( j " ( / , ' f /' (

welke om de beurt worden bebruikt. [ "1 ï

Lr

'I..It'" L'l ( .. {,[l,,, ~.,-.• L

\ ' t l I " ' 0 L -G .• \1"-.... '/' ( ( ( ) ' l ' , "

,

' _,,(..v<.·V)_~_,~'_. 4.11 De koeler.

x

We kiezen een pijpkoeler, stel de koelwatertemperatuur aan

het begin 20oe, en aan het eind 70oe; de begintemperatuur van

de

damp

is 140oe, en indien de eindtemperatuur 800e moet zijn, dan komen we

op een koellengte van 27S0 mmo

Deze ontvanger ui t gegoten roestvrij staal is voorzien van

een krachtige roerder, die voorkomt dat het laktam aan elkaar stolt.

°

Verder heeft ze een koelmantel, waardoor heen koelwater van 10 C stroomt. De afmetingen van het apparaat is ~

=

1800 en h

=

300, de

3 - -'--'--_.' .--".--,'"' ..

(27)

- 21

-\

k

5· Berekening van de verdamper.

,\(\.. _ i. -"Y r 0 'i \'. ,. . (',- .-J \ ,.

t

'Ul'(i~>y

,,~ \,,/ ~/ /

De inkomende oplossing bestaat uit

r

850 kg water

kg "laktam"

L

90

Het "laktam" bestaat uit het kaprolaktam en lagere cyclische

poly-meren ervan vnl.

(18 )

dimeer _smpt _348°C _}

trimeer smpt 245~2500C

tetrameer smpt 261 C

de dampdruk van deze lagere

polymeren z~n te verwaarlozen door het hoge smeltpunt en

doordat gewerkt wordt b~

max. 160°C.

We kunnen dus aannemen dat de oplossing een binair stel

-sel is, bestaande uit 850 kg water en 60 kg kaprolaktam (1/3 deel van

het exurakt z~n lagere polymeren

(2)).

We kennen van het kaprolaktam de

Clausius-Clapeyron-ver-gel~king (6), en kunnen dus voor het kooktrajekt 1000-1400C de

T-x-diagram tekenen (zie grafiek

1).

Tabel I

-temp. Pvvater P

laktam Xwater Ywater

d...

--

----100°C 760 1 ,66 1 ,0 1 ,0 437 101°C 787,5 1 1 ,82 0,964 0,999 102°C 815,86 1 ,86 0,933 0,999 105°C 906,07 2,24 0,838 0,998 1100

e

1074,56 3,31 0,705 0,998 325 120°C 1489,14 6,46 0,508 0,997 230 130°C 2026,16 12,02 0,373 0,996 169 140°C 2710,9Z 19,50 0,276 0,984 139 150°C 3570,48 38,9 0,204 0,957 91 ,8

Uit het T-x-diagram kunnen we het x-y-diagram tekenen voor het trajekt

1000-1500C (grafiek 2). We merken op dat de molfraktie van water in

dampfase voor het beschouwde temp. trajekt zeer hoog ligt.

Gaan we nu na, hoeveel stof stussen 100°C en 140°C eruit

gedestilleerd is, dan kunnen we schr~ven voor de materiaalbalans:

ydL d(Lx)

Ldx + xdL L aantal molen

L, 0

begintoestand

(y-x)j dL L j~1 dx L₁ aantal malen

j

t

L J~I dx ~o _{beginsamenstelling}eindtoestand

x y-x _° eindsamenstelling

,.

x 1

~

L

=

J

Y~~

In ° L₁ 1(.

(28)

22

-Er is geen mathematisch verband tussen y en x, omdat de

vluchtigheid

ol...

niet constant is (zie tabel I). wJe zullen dus

gra-fisch te werk moeten gaan, en konstrueren eerst een _1_ -x-diagram y-x

uit de x-y-figuur (zie grafiek 3). In het begin hebben we 850 kg water tegen 60 kg laktam oftewel 47,2 kmol water tegen 0,535 kmol laktam. In de vloeistoffase hebben we aan laktam 0,535 kmol , dus ~ ~

~

X

_{o -}

-

₄₇_,47,2 _2+q5 47,2

47,7

=

0,99 en

=

0,276

De funktie sn~dt de as x

=

1,0 echter in het oneirlige, dus ook de

y-x

lijn x

=

0,99. Het oppe:cvlak is op deze manier grafisch niet te bepalen. De funktie _1_ snDdt de IDn x

=

0,9 in het punt (0,9; 12,0).

y-x

Indien we nu aannemen dat er geen laktam mee verdampt, is totdat de samenstelling x

=

0,9 is geworden, is het oppervlak bepaald dUG~de

funktie _el=!_,

y-x

wel te bepalen. Deze is 2,032.

In 1 0 1₁ In 5,355 InL 1 1 ,678 - In 1₁ In 1₁ 1 1 2,032 2,03 2 2,03 2 0,354 0,7019 x w 1 o w 0,9

=

_w+o,535 4,820 kmol 4,820 + 0,535 5,355 kmol In 1

=

1,67803 o

Aan het eind van de verdamping is dus aanwezig

0,7019 kmol De gemiddelde samenstelling

L

_ox o

-1

1x1

- - - -

_{1 -1} o 1 4,820-0,194 4,653 water water+laktam w

=

0,276. 0,7019

=

water 0,7019 0,1937244

=

0,194 kmol

=

3,49 kg water.

van het verdampte deel is

5,335·090-0,702.0,276

5.355-0.702

4,626

4,653 0,994

De hoeveelheid verdampt laktam is dus:

x 0,9 hoeveelheid water 4,820 kmol

}

0

x

1 0,276

"

0,210 kmol

(29)

- 23 -x

°

0,994 82,98 82,98 + laktam verdampt laktam 82,98 - 82,98.0,994 0,994 0,50 0,994 0,50 kg

De totale hoeveelheid verdampt water is:

850,0 - 3,5 846,5 kg

De materiaalbalans ziet er dus zo uit: 846,5 kg water 0,5 kg laktam 82,98-82,48 0,994 850 kg water 3,5 kg water 90 kg "laktam" L - -_ _ ~ 89,5 kg "laktam" =

5.1 Konstruktie van de verdamper.

/Ó.

We hebben nodigv877,2 kcal/24 h (zie 3.6.2).

5 .

1 • 1

Voor het verdampen van het water kiezen we een vertikale verdamper met natuurlijke circulatie en een aparte vloeistof-damp afscheider

(zie schets). Stel de temperatuur van de binnenkomende stoom op 160°C,

en de afgewerkte op 120°C.

:De warmte-overdracht tussen de vloei stof en &81; 1.9iQden~8Ferl~e

stoom kan beschreven worden door

r/J

_w 1 6 3 , 87 7 , 2

-=

4, 1.2 24.3,600

U

1900

'I

/m

20

c

sec. A T LI T_o- ., TL áT In 0 Q TL D T 0 160-140 20°C <1 TL 120-80 40°C Ä T 20 -40 -20 20 In 40 -0,693 6828,22. 4,2 3,6 -28,9° C

(30)

- - - -

--5·1.2 A Pw U. & neem A m 2 24 -7989~02 1000.28,9 1 92,9.10- 3 7~989 28,9 ft2 0,2763 m 2

Voor A"-buis is het warmte-uitwisselend oppervlak/ft lengte

0,163 ft2 (20). Neem een lengte van 5 ft, dus per buis een

2 10,76

oppervlak van 0,815 ft • Nodig is dus 0,8₁5 13,2 ~ neem 14 bui zen.

Voor een goede warmteuitwisseling moet de stoom turbulent bewegen; het is dus nodig de doorsnede van de mantel

/~~U~,

van de verdamper zo te ~-en, dat het Re-getal boven de

is.

-

14 buizen nemen een oppervlak in van

2

Ti. 1.56

14 x 4 2665 mm 2

Neem voor de doorsnede van de mantel van de verdamper 160 mm, dat is een oppervlak van 220,96 cm2•

2

0,0174 m

Re :P.V.D

1

Het vrije oppervlak is dus 200,96 - 26,65 = 174,31

"diameter" = 0,148 m D = 0,148 m. Stel V stoom -1 3 ,265. 1. 1,48. 10 1,52.10-5 :Pstoom

1

stoom 32000 10 dm/sec 3,265 kg/m3

-5

1,52.10 N 2 cm

Di~t Re-getal krijgen we indien we het vrije oppervlak als één buis beschouwen. De werkeli~heid is de ruimte verdeeld in een aantal

buizen met een kleinere diameter. Het Re-getal zal dus vrD groter zijn; de stroming i s zeker turbul ent.

De grootte van de afscheider berekenen we naar de hoeveelheid

stoom die er ontwikkeld wordt.

Volgens de materiaalbalnns wordt er 8~6,5 kg stoom + 0,5 kg laktamdamp ontwikkeld per 24 h, d.i. per h 35,3 kg

Stel dat dit pij 1400C wordt verdampt, dan is de dampstroom

35,3 _x 413 273 x 22,4 1 3 66~4.10 3 00 18,5 l/sec

Stel de stoomsnelheid op 10 dm/sec, dan moet de afscheider een doorsnede hebben van minimaal 1,85 dm.

We nemen voor de afscheider de maten ~ 500 en h= 700.

(31)

- 25

-6. Nevenbehoeften van het bedrijf

6.1 Warmte-behoefte

Bij dit bedrijf hebben we veel warmte nodig (zie overzicht

warmte-balans). Als warmte-overdragend media hebben we:

stoom van 1 ata (lOOoe) 273.773,9 kcal

stoom van 4,2 ata (145°C) 130.391,8 kcal

stoom van 6,3 ata (1600e) 163.877,2 kcal(114.765,2kcal:

dowtherm-damp van 270°C 92.552,1 kcal

De behoefte is voor aàle ui tgedrumt pe.L' ton eindprodukt ,

behalve die tussen haakjes, dit is per 7 ton eindprodukt.

6.2 Water-behoefte

Be behoefte kunnen we in 2 delen splitsen:

\

,

\ .i

1. gezuiverd water, nodig om

a) de katalysator op te lossen

b) de smelt uit de kolom te koelen

c) het snijdsel uit te wassen

dit water is te maken door gewoon water met een

ionenwisselaar te behandelen.

2. koelwater van gemiddeld

~;~~

)

nodig MlIl voor

a) de koeler van het déstillatie-appa~aat

b) de koelpan

6.3 Stikstof-behoefte

Dit stikstof moet zuurstof-vrij zlJn. Het in de handel

ver-krijgbare stikstof bevat nog te veel zuurstof, en dit moet dus nog

worden gezuiverd. Daartoe wordt het gas, tesamen met H

2 in een

op 1500e verhitte oven geleid, gevuld met koperspanen. Dit bindt het zuurstof als koperoxyde, dat weer door het watersotof gereduceerd

wordt tot koper en water.

(32)

-LITERATUUR 1)

,-2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12)

.

X

13) 14) 15) 16) 17) 18) 1~) 20) - 26 -LUDI:MIG, H. HERM.ANS, P. Ei.

SKURA'rOV, S .M. , S'l'REPIKEEV,

A • A • & KAlifARSKA YA, E • i~ •

HOPFF,

H.,

lvlULLER,A &

YfElifGBR;F.

KLARE,H.

ARIYUKI AIlLt,RA

Chem.Techn. 4(1952)523

Rec.Trav.chim.Pays-Bas 72(1953)798 Kolloid Zhurn. (USSR) 14(1952)185

C.A. 46(1952)8506c

:Die Polyamide (1954) 330

V

Technologie und Chemie der synthe-

L;I

tischen Fasern aus Polyamide (1954)87

J.Chem.Soc.Japan 74(1953)631

C.A. 48(1954)1088 i AKU-gegevens (zie ingesloten brief)

PERRY : Chem.Eng.Handbook (1951)234 ~

International Critical Tables Vol.V (1929) 158

Kunststoff-Taschenbuch (1956) 122 !,/ ,.

US-patent no.2.735.839 (21/3-1956)

=

Ned.patent no: 74.965

Zwitsers patent no: 270.844 (16/12-1950)

Nederlands pat no: 66.140 (15/7-195~)

Britetpa nt no: 788.851 (2/1-1958)

Ned. ~nt aanvraag no: 180.424 (15/7-1957)

ROTHE,M. & KUtJTZ,J<'.\{. : Ann. 609(1957)88

:DRP 748.253 (11/6-195 8 - 23/3-1944) US patent 2.241,.321 (6/5-1941)

ZAHlif,H & Dl!J'I'ERllIlANN,H. : Chem.Ber. 90(1957)2176

:Di~aat Technisch-physische scheidingsmethoden, pag.5

(33)

J.

Ove:czicht Materiaalbalans Overzicht Warmtebalans

stof in uit soort warmte

benodigd ontwikkeld

_._-_

.. ~ ..

mengvat

1

kaprolaktam

1034,6

kg mengvat

1

opwarmen van

ijsazijn

3,9

kg laktam +

65 .17

9,8

kcal

smelt

1038,5

~lL ijsazijn 14§..L~_ kc~l:_

1038,5

kg

1038,5

kg nodig

65.325,9

kcal

_ ...

mengvat

2

-aminokapron- mengvat

2

opwarmen van

zuur

60,1

kg -aminokapron-

1803,

0

kcal

water

78,1

kg zuur +

oplossing

13

8 ,2

kg water

2205,0

kcal

138,2

kg

138,

2

kg nodig

4008,0

kcal

.~_ .. -...

---polymerisatie- kaprolaktam

1034,6

kg polymerisa-

polymeridatie-kolom -aminokapron-

_60,1

_kg tiekolom warmte

27924,3

kcal

zuur opwarmen van

ijsazijn

3,9

kg "laktam"

71855,8

kcal

water

78,1

kg water

434,0

kcal

polymeer

100(;,0

kg ijsazijn

344,4

kcal

extraheerbare

100,0

kg verdampingswarmte

stoffen ("laktar

")

van laktam

140,8

kcal

stoom

86 ,

8

kg water

4767 2 ,0

kcal

lakt am-damp

0,8

kg oploswarmte van

29,4

kcal

1176,7

kg

1187,6

kg ijsazijn in water

_120476,4

_kcal

27924,3

kcal

(34)

~.

"

Materiaalbalans vvarmtebalans

- _._._-

-stof in uit soort warmte

benodigd ontwikkeld

wasser polymeer-snDdsel 1000 kg wasser opwarmen van het

100 kg waswater 130.000,0 kcal

waswater 1000 kg v jh snijdsel 70.200,0 kcal

polymeer 1000 kg v/h f'laktam" 4.240,0 kcal

snijdsel 10 kg 150 kg nodig 204.440,0 kcal waswater 850 kg I1 "_. ~. 90 kg 2100 kg 2100 kg