Verslag fabrieksschema styreen uit aethylbenzeen

•

..

(

'W-.E

.~. ~ ~uwc1,~

~, t~~

---.

C;+'l("UVI.

(.\r~~\~<.C:\(.C~ (\\l. ~L' ""I_tij

Q~k 0f'~ \~A.. ~.ct,~.t. ~~

4tu \tWl.C>'1tL

~~",~ ~\'" \.t~\VI

tv\-

~~~t ~~v. ~

. ..,.

~~ ~

UA.~~" t.u~~I\«A- ~e.~ ~

~ ~14\.~r.l. (Nb.{ ~~IIM·H·U Vr-. f'~ .. ~., .... tO'" M.. Cft(",d:(.~"

J ..

(\V~.W~ J..uuv:.. l~'''~

2t.lt

Lt

\r1:ll€lL,~,~

Jol

!&c.~ru.1h.

\

~ ~ ~t

I>/t

')lÁ(.v...A. (

~. t~

..

\oh.tc.

~tLi~\

2.

~~'"'~\s

'.

e.,

t.

IA

~L.dvt

\t-t(

I\,.)t.~. ~;", ~

lt.e1.

u....~

+

~J.u \M.~

At

~/vvI4{'

t, o.

~

. 1.J&..f'

tR..

~~ Zo",

i...\'I\'

t

o",t-

~ ~'\~!a.

C) if

?-

11.( .

ba,<"~~\ CJ'i\~

\Milt

ttoot"

~""h.wt.. ~~Q.NI.,t.

\rM.

~~

& ..

(J~

1\

h~ ~

~

~Q.,t

J.

~,.oJ

.

~

n:.\ivk

\Xd. ~ ~ uv.., ~~ ~wU'~-t ~ VU

u

WA ,

l~\t ~VlI'~'r' ~\~\!.\.

~

... c,\.

~.t,.V..""\

cJVV

..u..

,AJ;..k (b<uk-. I

-t.

IJ ,

~t ~k

~ ~lfö.:I+c..

'K.

VERSLAG FABRIEKSSCHElVIA. STY:REEN.

W.E.R.VAN BERWIJNEN,

HlRSTENHOEKWEG

133,

SCHEVENINGEN.

---i.

1

VERSLAG FABRIEKSSCHHJlVlA STYREEN UIT AETHYLEENZEEN.

---In dit verslag is de volgende indeling aangehouden: I. Inleiding.

II. Beschrljving van de mogelijke processen. III. A. Keuze van het gebruikte proces.

B. Productiegrootte.

C. Grondsto~fen.

D. lVIogelljkheden voor vestiging in Nederland. IV. A. Beschrljving van het proces in verband met de

tekening.

B. Stof-balansen. C. Warmte-balansen.

D. Berekening van een apparaat. V. Literatuur.

I. In.heiding.

In dit schema wordt er van uitgegaan, dat voldoende, zuiver aethylbenzeen voorhanden is. Het hieruit geprodu-ceerde styreen zal in het algemeen verder worden verwerkt tot polystyreen of tot mengpolymeren. We moeten ons nu af-vragen hoe de markt zal liggen voor styreen, ofwel voor styreenpolymeren, alvorens we overgaan tot het ontwerpen van een styreenfabriek. Sherwood geeft hierover de volgende cijfers (1): Tabel 1. U.S.A.-productie

₁₉₅₀

1955

1975

in

106

IbS/jaar in: Styreen-harsen

355 (67%)

620 (62%) 2.135 (54%)

GR-s rubber

175

380

1.800

totaal

₅₃₀

1.000

_3.935

Hieruit blijkt wel, dat er een sterk st~gende vraag in

de toekomst te verwachten is, al zal de wereldbehoefte

mis-schien geen gel~ke tred houden met die in de V.S. In elk

geval moet rekening worden gehouden met

uitbreidingsmoge-l~kheden voor een nu te ontwerpen fabriek.

Beschouwen we nu de vooruitzichten voor een

styreen-fabriek in Nederland, dan z~n de volgende c~fers, ontleend

aan het G.B.S., wel instructief: _{Tabel 2.}

Gegevens voor Nederland over 1955 in tonnen per "jaar.

~~-~~~---- styreen polystyreen synthetische rubbers

import

---

1066 2689

export

---

115 1

productie

---

--

--Het economisch verantwoord z~n van een styreenfabriek

in Nederland zal bl~kbaar afhankel~~ z~n van de

exportkan-sen van styreen, aangezien het binnenlandse verbruik veel te klein is om een fabriek op te baseren. Hier spelen veel factoren een rol die buiten het bestek van dit schema vallen. Aangenomen wordt, dat de te ontwerpen fabriek alle export-mogelijkheden heeft.

11. Beschrijving van de mogelijke processen. (2) (3) (4).

De zeer uitgebreide literatuur over de bereiding van

styreen vermeldt een groot aantal mogel~kheden voor deze

fabricage. Hier zullen alleen dié processen ter sprake ko-men, die technische betekenis hebben of gehad hebben.

a) De c~lorering van aethylbenzeen in-de z~keten, gevolgd

door een HOI-afsplitsing.

Dit proces dateert uit de jaren 1928-1931 (Naugatuch

Ohem.Oomp. en I.G.Farben), doch wordt nu niet ~eer

toege-past. Onder invloed van zonlicht wordt E.B. op Q(-plaats

gechloreerd of b~ verhitting op de 0( - en fi-plaats. Beide

verbindingen lenen zich voor HOI-afsplitsing, waarvoor veel

wegen openstaan: met organische basen, thermisch b~ 650-7000i

met metaalzouten of met poreuze stoffen.

met HCl-afsplitsende stoffen veel corrosie.-prob+emen geeft.

Bovendien wordt alt~d een weinig Cl in de kern ingevoerd en

die producten z~ erg lastig van styreen tie scheiden.

b) De katalytische oxydatie van aethylbenzeen, gevolgd

door reductie tot phenylmethyl carbinol en wateronttrekking. Deze nog langere

O2

weg komt hierop neer:

C6H5 • C2H5 ~ C6H5 • _COCH3 ~ H2 _{C6H5 • CHOH CH3}

-H₂0

--~) _C6H

_{5 .}

OH = CH2

Ie trap: lucht als oxydatie-middel; oxyden van zware metalen

of Mn(Ac). als katalysator in vloeibare fase b~ een druk van

30 p.s.i.g. b~ 90 -1350C en een kontaktt~d van lt uur.

Een deel van het acetophenon wordt als b~product verkocht.

2e trap: de hydrogenering wordt b~ l30-1750C uitgevoerd b~

100 - 200 p. s. i. met een Cu-Cr-Fe katalysator als slurry in het reactiemedium (4 - 10 gew.%).

3e trap: de waterafsplitsing geschiedt in de dampfase over een fixed bed van Ti02 b~ 250°C en atm. druk. Ook worden wel

oxyden van Al, Th en W gebruikt b~ 290- 35000.

Het zo gevormde styreen is zuiver en makkel~k te

schei-den van b~producten. Het acetophenon is waardevol, aangezien

het anders alleen op de klassieke (dure) manier uit benzeen

en az~nzuuranhydride wordt gemaakt. Het totaal rendement

be-draagt 80 -82%, berekend op E.B.

De Dow Chem.Comp. heeft een t~dlang een combinatie van

a) en b) toegepast door

J3

-chlooraethylbenzeen te

hydrolyse-ren en water te onttrekken. Toen de productie toenam was er

echter niet geno~g Cl verkr~gbaar. Op het ogenblik wordt dit

proces alleen toegepast door Carbide

&

Carbon Chem.Comp.

c) De katalytische dehydrogenering van aethylbenzeen.

(Duitse methode. Amerikaanse methode).

Dit eenvoudige proces, dat verreweg de meeste toepas-sing heeft gevonden wordt als volgt uitgevoerd. Aethylben-zeen wordt met stoom gemengd verwarmd tot ca. 600°C en over

een katalysator geleid, waarb~ de dehydrogenering plaats

vindt. De dehydrogenering geeft een volume toename, dus het handhaven van een lage partiaalspanning bevordert de styreenl opbrengst.

Duits Ameri-kaans

Aangezien er aan een vacuum-uitvoering nadelen verbon-den zijn, wordt hier stoom als verdunningsmiddel gebruikt.

We kunnen nu b~ een lagere temperatuur toch een

be-hoorl~keconversie bereiken zonder het gevaar, dat veel

kraking optreedt. Bovendien regenereert de stoom de kata-lysator d.m.v. de watergas-reactie. De dehydrogenering is

een endotherm proces; b~ de Amerikaanse uitvoering wordt de

benodigde warmte geleverd door een deel van de stoom over te verhitten, het Duitse proces gebruikt stookgas. Tabel 3 geeft enkele gegevens van de Duitse en Amerikaanse uitvoe-ringsvorm:

Tabel 3.

verhou- temp. conver- rendement oven katalysator.

ding oven sie per _in

_%

EB-stoom· _°C. doorvoer _.

1

·

_·

1,2 570-610 40% 88 - 93 buizen ZnO, A1203

I

·

_·

2,6 600-660 37% 86 - 87 _{schacht MgO, Jre203}

-III. A. Keuze van het gebruikte proces.

De onder rra genoemde mogel~kheden kwamen o.i. niet in

aanmerking vanwege de vele bezwaren van corrosie, lastige scheiding, HCl-onttrekking, rendement aldaar reeds genoemd.

Het voordeel van proces rrb is het vermijden van de

moeilijke scheiding styreen-aethylb~nzeen. De langere weg

brengt echter met zich mee: veel apparatuur en hulpstoffen.

Een belangr~ke economische factor is de verkoop-(baarheid)

·hl.\·Jl·.'~ van het ~roduot acetophenon, dat o.a. in de cosmetische

industrie wordt toegepast. M~s inziens geeft dit een extra

risico voor het bedr~.

I IC heeft de moeil~ke scheiding als bezwaar, doch hier

X

staat tegenover: eenvoud van pl~~t-struotuur (weinig

stap-pen in het proces); minimwp. aan b~komende re.agentîéi,; arbeids

,/\i '<'-, x_ ". \ ' " \ '

economisch. Proces I Ic heeft hier de voorkeur gekregen, wat

nog wordt ondersteund door het feit, dat op het ogenblik slechts 1 fabriek volgens rIb werkt. De keuze is gevallen op de Duitse uitvoeringsvorm, voornamelijk omdat de grote overmaat stoom van de Amerikaanse methode een hoger calo-rieën-verbruik met zich meebrengt.

5

In Europa, waar stoom en stookgas naar verhouding

duur is, verdient stookgasverhitting met warmte-recuperatie de voorkeur. Bovendien is het Duitse rendement iets beter. 111. B. Productiegrootte.

In verband met het in de inleiding genoemde, l~kt het

juist om de fabriek op een grote productie te baseren. Vooral de afscheiding en zuivering van het styreen wordt relatief goedkoper, indien we met grote hoeveelheden werken.

De grootte van een dehydrogenerings-oven is voornamel~k

be-grensd door de mogel~kheid om voldoende warmte toe te

voe-ren aan het endotherme proces. Behalve enkele grote Ameri-kaanse schachtovens van 300 ton per maand capaciteit, zijn algemeen ovens van 120 ton/maand in gebruik.

Om een indruk te kr~gen van grote styreenfabrieken,

moge deze c~fers dienen (5)~ (6), (7):

I.G.Farben, Huls I.G.Farben, Ludwigshafen I.G.Farben, Schkopan 1700 ton/maand. 1000 ton/maand. 1600 ton/maand. Vooral met het oog op de afmetingen der destillatieko-lommen leek het ons juist om

5

ovens van 120 ton per maand capaciteit parallel te projecteren, zodat deze fabriek 600 ton per maand zou kunnen produceren.

111. C. Grondstoffen.

Het aethylbenzeen, dat als uitgangsstof dient, mag

ma-ximaal 0,04% diaethylbenzeen bevatten, omdat dit gedeeltel~k

wordt omgezet in divinylbenzeen, wat erg snel polymeriseert en de destillatie-kolommen kan verstoppen.

De grondstoffen voor de katalysator-massa, dieZnO, Al203 , CaO, MgO, K2Cr04 en K2S04 bevat, moeten alle zuiver

zijn.

111.

D.

Mogel~kheden voor vestiging in Nederland.

B~ de keuze van een vestigingsplaats moet wonden gelet

op de aanvoer van de basis-grondstoffen, aetheen en benzeen

en de vervoersmogel~kheden, gezien de export-noodzaak voor

Vraagstukken betreffende de arbeidsmarkt en de

ver-kr~gbaarheid en kosten van bouwgrond etc. bl~en hier

bui-ten beschouwing.

Zowel de cokes- al~ de aardolie-industrie is in staat

om de grondstoffen te leveren. De aardolie-industrie levert echter een steeds toenemend percentage van de benzeenpro-ductie door de reform-processen en een groot deel van de aetheenproductie (in de U.S.A. 75%). Een bedrijf, dat zich

wil kunnen uitbreiden kan zich dus beter op de

aardolie-industrie oriënteren, i.c. op Pernis. Het Botlek-gebied zou

een gunstige plaats kunnen zijn, temeer daar Dow Chemical er een benzeenraffinaderij in aanbouw heeft en de

vervoersmoge-l~kheden erg goed z~n.

IV. A. Beschrijving van het proces in verband met de

teke-ning.

Aangezien er

5

identieke ovens z~n opgesteld, zal de

gang van het proces voor één oven worden beschreven. De reactieproducten worden tot één stroom verenigd na de warm-tewisselaars onder de ovens en doorlopen dan gezamenlijk de afscheiding en zuivering. Deze opzet zal ook worden

aange-houden b~ de stof- en warmtebalansen.

Stoom(van 1400C en 3,75 atm.) en aethylbenzeen worden

in de verdamper gebracht in een verhouding 1,15 : 1 en ver-hit tot 2200C door stookgas, dat uit de oven via de warmte-wisselaar voor de oven wordt gecirculeerd. De druk in de verdamper is max. 2 atmosfeer, omdat._:!:!l:_h.e1:ï_katal;ysatorbed

een

---

d~u~y~l_van _- max. 1 atmosfeer kan optreden als de

kata-- " -"--. "--~. - _._--. - .

lysator-massa ouder wordt. Het reactiemengsel doorstroomt de warmtewisselaars onder de oven, neemt daar warmte op van de h~te reactieproducten uit de oven, passeert de warmte-wisselaar voor de oven, neemt daar warmte op van het stook-gas en komt in de oven met een temperatuur van 585°C.

De oven bestaat uit een bundel van 92 buizen, gevuld met katalysator-korrels. De katalysator is als volgt

samen-gesteld: 77,5% ZnO; 7,5% A1203; 4,7% CaO; 4,7% MgO, 2,8% K2S04; 2,8% K2Cr04. De zuivere grondstoffen worden nat

r~:

': 0>

?

verdeeld en tenslotte gedroogd. Deze katalysator heeft een levensduur van 1,5 jaar. De buizenbundel is omgeven door een muur van vuurvaste steen, waarin de stookgaskanalen zijn aan-gebracht.

Het reactiemengsel wordt b~ een verbl~ft~d van 1,5

se-conde gedehydrogeneerd met een rendement van 40% per door-voer, stroomt door de warmtewisselaar onder de oven en wordt

dan b~ de productstromen van de andere ovens gevoegd. De

ge-zamenl~e productstroom gaat dan via een voorkoeler en

con-densor naar de afscheider, waar het water van het aethylben--zeen-styreen mengsel wordt gescheiden. Het nog een weinig water bevattende mengsel wordt gedroogd met Flor!tE:) en

opge-slagen in een tank waar de inhibitor (hydrochinon 100 p~p.m.)

wordt toegevoegd.

Het gas dat uit de condensor komt (70 m

3

ju per oven) wordt in een gaskoeler en een freonkoeler van de laatste

resten aethylbenzeen-s'tyreen bevr~d en kan als stookgas

die-nen in het ketelhuis. Soms gebruikt men dit gas om de dehy-drogeneringsoven mee te stoken, maar dan zou 200-250 m3ju

van dit gas nodig z~n, dus men moet toch suppleren met

an-der stookgas en bovendien is de samenstelling niet konstant, zodat men het liever in het ketelhuis gebruikt.

Het aethylbenzeen-styreen mengsel (dat nog kleine hoe-veelheden benzeen en tolueen bevat) gaat vanuit de tank naar de destillatie. Hier moeten bepaalde voorzorgen de

polymeri---~

satie van het styreen beletten. Het versch:ilin.koo1fp~t

tussen aethylbenzeen (136°0) en

styr~~n -~(1450C) ~aagt

om

/'--"-. .~

52; theoretische schotels om ~e) scheiding te bewerkstelligen.

Hier worden 73 schotels gebruikt, verdeeld over kolom I (45 schotels) en kolom II (28 sChotels), die beide onder vacuum werken om de kooktemperatuur beneden 100°0 ,ue houden en zo de polymerisatie te voorkomen.

Aan de top van kolom I (450C/32 mm Hg) komt

benzeen-tolu~en en vrijwel st~een-vr~ aethylbenzeen over (reflux

4 : 1). Na een scheiding gaat het benzeen terug naar de ae-thylbenzeen bereiding en het aeae-thylbenzeen naar de

dehydro-genering. Het bodemproduct van kolom I (920C/140 mm Hg)

o '

wordt gekoeld tot 60 C en gevoerd in kolom II. Aan de top van ko'lom 11 destillee'rt onder een reflux 8 : 1 bij 46°0/21 mm Eg en 50% styreen/50% aethylbenzeen mengsel over, dat wordt

teruggevoerd naar kolom I. Het bodemproduct van kolom 11

(8100/90 mm Hg) is ruwe styreen, die nog kleine

hoeveelhe-den hoger-kokende producten bevat (teer) en de inhibitor. In kolom 111 (20 schotels) wordt de styreen definitief ge-zuiverd. Aan de top (4400/20 mm Hg) komt zuiver styreen over; het bodemproduct (85°C/50 rum) bestaat uit teer, dat als weekmaker voor kunstrubbers wordt gebruikt, en

hydro-chinon.

De kolommen zijn van vertind ~zer en moeten lekvr~ zijn. Een klein temperatuurverschil in de reboilers is vereist,

~- -

-~-~-_.=-vanwege het polymerisatiegevaar. De gegevens van de men zijn uit de literatuur (2) en (8); de diameter der

kolom-men is berekend met behulp van~ formule voor de

dampsnel-heid (9).

IV. B. stofbalansen.

We kunnen voor één oven de product stromen als volgt aangeven.

In de verdamper worden b~ elkaar gevoegd:

aethylbenzeen 435 kg/u.

stoom (140°0; 3,75 atm) 500 kg/u.

935 kg/u. ver houding 1 : 1,15. Deze hoeveelheid mengsel doorloopt de twee warmtewisse-laars. Vaor de oven kunnen we de volgende balans opstellen:

Tabel 4.

in kg/u. ingaand uitgaand

aethylbenzeen ₄₃₅

--water 500 489,35

condensaat

_-

422

gas (70 m

3

/u.

-

_23,65

totaal 935,0 935,0

Uit

~literatuur

is de samenstelling van het gas aangenomen in procenten als volgt:

9 Tabel 5. % m3/u kg/u H2 85 59,50 5,35 C02 11,5 8,05 15,92 CH4 2 1,40 1,00 CO 0,4 0,28 0,35 C2H,q. 0,6 0,42 0,53 °2 0,5 0,35 0,50 totaal 100 70 23,65

In de oven verlopen de volgende reacties (litt.lO): C6H5 • C2H5

---+

C6H5 • C2H3 + _H2

C6H5 • C2H5

>

_C6H

6 + C2H4

C6H

_{5 ·}

C2H5 + _H2 ~ _{C6H5 • CH3} + _CH4

benevens de watergasreactie met nevenreacties b~ de regene-ratie van de katalysator. Uit het lage percentage CO mogen we concluderen, dat de reacties

CH4 + . _H20 ) CO + _{3 H2}

C 2H4 + _{2 H20}

>

2 CO + _{4 H2}

vrijwel niet verlopen, zodat we nu uit de samenstelling van het gas die van het condensaat kunnen vinden:

Tabel 6. kg/u % tolueen 5,75 1,36 benzeen 1,48 0,35 teer 1,22 0,29 styreen 168,80 40 aethy1benzeen 244,75 58 Totaal 422,0 100

Om de voorwaarde voor de condensatie te vinden, bereke-nen we het dauwpunt voor aethy1benzeen-styreen in dit gas-mengsel, waarb~ de kleine hoeveelheden gas (CH

verwaarloosd. Met behulp van de gegevens uit de voorgaande tabellen zijn de volgende dampspanningen berekend:

tabel 7. kmol/u _{dampspanning.} mm Hg. water 27,2 606 styreen 1,6 36 aethylbenzeen 2,3 51 H2 2,7 59 0°2 0,4 8

-

-Totaal 34,2 760

Met behulp van literatuurgegevens wordt nu het dauw-punt gevonden (litt.ll) en is tevens berekend hoeveel ae-thylbenzeen-styreen nog aanwezig is na de gaskoeling.

Gevonden is een dauwpunt van(+''l5800. Aangezien de

con-densor berekend is op een uitlaattemperatuur van 5000 kan

dit voldoende worden geacht. Na de gaskoeling gaat met het niet condenseerbare gas nog 8,6 kg/u aethylbenzeen-styreen mee, dit is 0,4% en mag worden verwaarloosd.

Uit de condensor komt nu: condensaat 2110 kg/u.

water 2447 kg/u.

Deze stroom gaat naar de ai'scheider, waarna he't con-densaat nog 1,25 kg/u water meevoert (litt.8), wat in de droogtorens met Florite (geactiveerde bauxiet) wordt ver-wijderd. De Florite-vulling kan tot 10% van zijn gewicht aan water opnemen en aangenomen wordt, dat om de 24 uur zal moete~ worden geregenereerd (met hete lucht van 20000),

zodat ·een droogtoren 300 kg Florite moet bevatten.

Tenslot-te wordt in de dagtank de inhibitor toe~voegd. Dit is

hy-drochinon (100 p.p.m. berekend op styreen), waarvan dus 85

gram/u nodig is •.

TIe condensaat-stroom wordt naar de destillatie gepompt,

zodat in kolom I (stroom 1) 5 J( de hoeveelheden van tabel 6

worden ingevoerd. Voor de destillatie geldt het schema: en tabel 8.

11

"

1

.9

'-

~.~

1

19",

á

~

,

.

... _",6 I' _'4 ~, 4 lI.

I ....

!-~

...

.. 3

J

....

." I

_...

I

'" ,.

.

_...

,7

....

,

Tabel

8. .. '

stof stromen

destillatie.

1- 2

₃

4

₅

6 in

kg/u.

tolueen

28,75

28,75

--

--

--

--benzeen

7,40

7,40

--

--

--

--teer

6,10

--

--

6,10

--styreen

844,0

--

1125,35 281,35 844,0

844,0

aethylbenzeen 1223,75 1223,75

281,35

--

--

.

----::- i .

De stofstromen

3

en 4 zijn berekend met· behulp van de

J .,

._~~~

gegevens, dat

3

80% styreen bevat en 4

50%

styreen en

~tj// ~hylbenzeen.

Afgetapt wordt dus 844 kg/u styreen,

wat een productie van 600 tOn/maand betekent.

IV.

C. Warmtebalansen. (litt.

3,

9,

12).

Vendamper:

In

de verdamper moet het insebraehte aathyl-

-benzeen (435 kg/u van

5

0

C)

word~n

opgewarmdi

tot 96°0 (azeotroop met water) ,. verdampt en daarna verwarmd

tot 220°0. De stoom (500 kg/u van 140°C bij

3,75

atm.) moet

eveneens tot 220°C worden verwarmd.

D.e

azeotroop werci

ver-meld

in

litt

.• 12, doch werd nergens in de literatuur

be-schreven. Door meting in een kookpuntsapparaat3e werd de

azeotroop inderdaad gevonden. De benodigde hoeveelheden

warmte zijn berekend met soortelijke warmten uit

delitera-tuur; bij de stoom zijn enthalpie-verschillen gebru&kt.

-'7

--6,10

--

_i

--

--J

Opwarmen

1

5°-96°0 : 435)(. 0,42 ;,( 91 { verdampen aethyl- : 435 ~ 85 benzeen

totaal n?dig in verdamper Warmtewisselaar,

onder oven:', Ingaand 220°0.

" Uitgaand 460°0.

aethylbenzeen 435 ~ 0,53 x 240

stoom 500 ~ (810 - 695)

totaal nodig in kleine w.w.

=

16.600 kcal/u. = 37.000 kcal/u.

=

20.700 kcal/u.

=

20.000 kcal/u.

=

94.300 kcal/u. - 55.600 kcal/u.

=

57.500 kcal/u.

=

113.100 ~cal/u.

Grote warmtewisselaar voor oven: Ingaa~& 46000.

aethylbenz'een stoom

435

x

0,63

x

125 500 ~ (872 - 810) totaal grote warmtewisselaar

DÈhydrogenering. Uitgaand 585°0.

=

=

34.300 kcal/u. 31.000 kcal/u.

=

65.300 kcal/u.

Uit de warmte-effecten van de deelreacties (litt.10) is berekend, dat per krool gevormd styreen 33.300 kcal nodig

. 168 8

~s. Per uur wordt gevormd 104

=

1,62 kmol styreen, dus

nodig 1,62 X 33.300

=

54.100 kcal/u. '

Aangezien de benodigde warmte voor de warmtewisselaar onder de oven door het reactiegB:s zelf wordt'teruggeleverd is dus nodig om de dehydrogenering uit t.e voeren:

verdamper 94.300 kcal/u.

grote w.w. 65.300 kcal/u.

oven' 54.100 kcal/u.

13

stookgas.

Gezien de eventuele ligging van dè 'fabriek is

aangeno-men, dat kraakg~s als stookgas beschikbaar is. Kraakgas

heeft een verbrandingswarmte van 14.600 kcal/m3 , zodat per uur 15 m3 per oven nodig is. Uit de

verbrandingsverge-l~kingen

van het kraakgas is berekend, dat per m3 gas 16,25

m3 lucht nodig is (N.T.P.).

Aangezien het gas met 3-voudige overmaat lucht wordt

verbrand is 750 m3/ u, lucht (N.T.P.) nodig; ofwel

b~

680°C

(temperatuur in de oven) 2600 m3 • De ventilator, die ,het

stookgas circuleert heeft een capaciteit van 4000 m~/u ~

omdat een deel van het stookgas soms wordt teruggevoe~

Warmte, afgestaan door reactiegassen. Warmtewisselaar onder oven: Ingaand:

aethylbenzeen- . 422 x 0,594 ~. 209

sty!eenmengsel .

water 489,35 ~ (872-765)

niet condenseerbare gassen

(afzonderl~k berekend) totaal afgestaan 585°C. Uitgaand 376°C.

=

52.500 kcal/u.

=

52.400 kcal/u.

=

5.100 kcal/u.

=

110.000 kcal/u.

'Dit is dus goed in ove~eenstemming~met de opgenomen

warmte in deze warmtewisselaar, ..

Voorkoeler: Ingaand. 367°C. Uitgaand 96°C. aethylbenzeen- . 2110 x 271 X 0,45 styreenmengsel .

=

257.000 kcal/u. water ': 244~,75

x

(763-637)

=

308.000 kcal/u. 32.700 kcal/u. niet-condenseerbare gassen totaal afgestaan Condensor: Ingaand Uitgaand =

=

597.700 kcal/u. condensatie b~ 96°C. '

Condensatie: styreenmengsel water Afkoelen 96-50 C: 0 styreenmengsel water niet condenseerbare totaal afgestaan 2110 ;( 85 2446,75 X 542 2110 x 0,42 )( 2446,75 )( 46 gassen 46

=

1?9.~00 kcal/u.

=

1.325.000 kcal/u.

=

40.500 kcal/u.

=

112.500 kcal/u.

=

5·500 kcal/u.

=

1.663·000 kcal/u.

Nakoeling gassen uit condensor 6.000 kcal/u.

Destillatie: geheel analoog aan het voorgaande z~n voor de

condensörs en reboilers de warmtehoeveelheden die af- resp. toegevoerd moeten worden, bere-kend. Tabel 9 geeft een overzicht van deze waarden. DB invoer in kolom I wordt geacht

een temperatuur van 100C te hebben; alle

en-thalpieën z~n in verband daarmee b~ 100C op

o

gasteldi.

Tabel 9. Warmtehoeveelheden.voor de destmllatie in kcal/u.

Kolom I Kolom 11 Kolom .rIl

condensor top 575.000 481.000 ·496·500

invoer 8.250 29.650

afvoer top l8.400 8.500

afvoer b o.t3:eÎÎl . "

.kvtt..\

9-;

48.750 25.350

reboiler 633.900 485·000

KoEilen bodem I -~> imroer 11

koelen bodem 11 ~ invoer 111

19.100 kcal/u. 21.800 kcal/u. Totale warmtebalans over 5 ovens:

3·550

~

l2.050

-505·000

opgenomen warmte 5 x 213.700

=

1.068.500 kcal/u.

stoom van 50-1400C 2447 x (655-50)

=

1.480.400 kcal/u.

totaal afgestaan

=

2.260.000 kcal/~ • • 2.548.900 kcal/u.

Het verschil wordt veroorzaakt door stralingsverliezen (ovens e.d.) en door de stookgassen naar de schoorsteen.

15

IV. D. Berekening van een apparaat.

Het aantal schotels van de tweede destillatiekolom wordt berekend. Ter vereenvoudiging is de teer buiten

be-schouwing gelaten, omdat er geen gegevens. van bekend zijn en het nog geen ·t% uitmaakt van de hoeveelheid vo·s.ding. Per uur wordt

gevoe<l: 281,35 kg (= 2,654 kmol) aethylbenzeen.

1125,35 kg

C=

10,821 kmol) styreen.

Gegeven is, dat het bodemproduct geen aet~lbenzeen

meer bevat en de aftap aan de top

_-

50% styreen en 50% aethyl-benzeen.

Nemen we nu de voeding op 100 molen en rekenen nu al-les daarop om, dab komen we tot tabel 10:

Tabel 10.

voeding F destilLaat D: residu K

molen mol % molen mol .. % molen moli %

aethylbenzeen 19,7 19,7( 19,7 49,75

°

°

styreen 80,3 80,3 20,1 50,25 60,2 100,0

totaal 100,0 100,0 39,8 100,0 60,2 100,0

Voor het rectificerend deel ~eldt voor aethylbenzeen

de volgende vergelljking: y n+l

=

_{'R!l • xn +}

R~l

·

x,d. (li tt .13) .

en voor het strip- --.;;;.:R:....;;D~+~-=q;;:..F_ .:Z; _

pend deel : Ym+l - R D + qF-K m R D + K qF-K • xk

hierin is

R

de terugvloeiverhouding

R =

~

=\8:

11;

de

waarde van q wordt als v.Qlgt berekend:

W - wf . waarin:

q

=

W - W '

w

=

enthalpie damp van voedingsschotel.

w

₌

enthalpie vloEüstof van voedingsschotel.

w

f

=

enthalpie voeding.

Hiervoor kan men ook schrijven:

-

_{cp Cts - tv)}

_+W

q ₌ ~

,

'V i , , I

waarin:

Cp = gem. soortelijke warmte voeding . (= 0,42 cal/ g. 06)

-

_{V = gem. verdampingswarmte vg eding}

(= _{95. cal/ g);}

tv = temperatuur voeding (= 60°0)

t s = temperatuur voedingsschotel (= 65°0)

Hieruit vinden we: q = 1,02

We vinden dan voor de. werklljJ1.en:

1 e. werklijn _Yn+l

₌

_{0,889 ~ + 0,0553.}

Ym+l

=

1,167 xïn. .

'f-2~ w:erklijn

Met behulp van gegevens uit de literatuur (litt.14), is langs grafische weg volgens de methode van McOabe-Thiele

(grafiek 1) het benodigde aantal theoretische schotels he~

paalde

Gevonden werd 16 schotels, terwijl er in de praktijk 28 worden' gebeZig7dA

----I-{-,-:--t . ..

t 5"

!

~

k

~ '("~T\VR 1> lUvYI u

~ ~r~~ ~~~

b t

~t("~~ ~

~

~~\~<.

t .t. 2.~"". \,

~.~~ IM

k

fV'M-":<~ ~

\v\.:h ..

(~,(1 ... (&l r~d-it.1

-

<.\t. ~u.".\>\~~.

~~

~

,\""\-iSrhv-

~~~

{\Jut.

f'r~+th.Lt..:~ ~\ ~

~'M'd't -\-U)A~I(~wk.~\ ~t C.Wh1T~k:~.

OvU.-C ... , ...

~tf-t ~~

{Yv-.

W~~\)A~ ,~~ /'WfIv~ ~~~\,

()\r... d..L

~~

j;..,

tw~v:-

.

--V. Li tera tuur. (1) P.W.Sherwood (2) H.Ohlinger (3) R.H~Boundy en 17 Petroleum Processing

§

(1953), 724, 902. Polystyrol, 1955, blz.19

e.v.

R.F.Boy~r Styrene 1952, b1z.18"e.v.

(4) P.W.Sherwood The Industrial "Chemist (1954) 71.

(5); O.I.O.S.

XXVII 1...;13

report.

(6) C.I.O.S. XXYII-6 report.

(7) C.I.O.S. XXIX-62 report.

(8) Whitby SynthetiQ Rubber, blz.155

e.v.

(9) J.W.Perry Chem.Eng.Handbook, b1z.597 (1950). (10) R.R.Wenner en E. C. Dybdal.." "(11) T.Jordan Ohem.Eng.Progress 44 (1948), 283. Vapor Pressures • . (12) (13)

B.I.D.S.· Final report No 1781, item 22.

(1..4)

J.~ijman Techn.Physische Sc~eidings­

methoden, Handl. T.Er. W.S.White en

M.van Winkle Ind.Eng.Chem. 46, 1284 (1954).

In de literatuur wordt een terugvloeiverhouding gebruikt van 8 :

1.

Om na te gaan,hoe deze verhouding van invloed is op het benodigde.

aantal theoretische schotels,zal deze berekening, ook uitgevoerd worden voor R = 6 : 1 en R = 10 : 1.

Per uur wordt gevoed

_...

281,35 kg (= 2,654'kmol) aethylbenzeen

1125,35 kg (=10,821 kmol) styreen.

Bekend is,dat de aftap aan de top 50 gewichts% styreen en 50 %, aethylbenzeen bevat, terwijl wordt aangenomen,dat het bodemprodukt nog 0,5 gewichts% aethylbenzeen bevat.

Om de produktstromen te berekenen, stellen we, dat in het bodemprodukt

x kg aethylbenzeen aanwezig is.Dan geldt

kg / uur aftap top aftap bodem voeding

aethylbenzeen 281,35 - x x 281,35

1125,35

styreen 281,35 - x 199x

1125,35 = 281,35 - x

+

199x x = 4,27 kg.

Stel de voeding op 100 moleniindien we alle produktstromen daarop

omrekenen krijgen we de volgende tabel:

ylbenzeen aeth styr totaal een ..

I

voeding F molen mol.% 19,7 19,7 80i } 80i

.L

1100,

°

100,

°

destillaat D residu K

molen mol .% molen mol.%

19,4 49 ,5 0,3 0,5

1918 50 ~ 60 5

99

1

5

39,2 100,0 60,8 100,0

I '

Voor het rectificerend deel geldt voor aethylbenzeen de vergelijking:

R

1

y

n+

1 t i

+

1·

_{xn +}

R

+

1 •

x

d

en voor het strippend deel:

_RD +qF K

Y m+ 1 . - R D

+

qF - K· ~ - =-R--:::D=-=;+=--q--=F:::---=K=--· x_k

Met behulp van de reeds gevonden waarde· voor q

=

1,02 worden nu de werklijnen berekend voor de volgende gevallen:

A. R ::: 8 : 1 ::: 8 0,495 Yn+l 9· xn + 9 = _{0,889 xn}

+

0,055. = 8x39,2 + 1,02 x 100 60,~ 0 005 Ym+l 8x39,2 + 1,02:xlOO - 60,8 .xm 354,8·'

=

= _{1,171 xm - 0,0008.} B. R = 6 : 1 = 6 + 0,495

7·

xn

7

Yn+l Ym+l = = 0, 857

x

_n

+

0, 071· 1,220 xm - 0,0011 C. R = 10 : 1

Y

_n+1 = 10 _{11· n}

x

+ 0,495 ₁₁ = 0 909 _'

x

_n

+

0,045 Ym+l::: 1,140

x

_{m - 0,0007.}

Met behulp van de bijgevoegde grafieken werd volgens de methode

van McCabe-Thiele grafisch het aantal benodigde theoretische schotels

(

bepaald voor elk der gevallen. Gevonden werd: A.R = 8 1

B.R =

6

1

C.R =10 1

15 schotels 17 schotels 14 schotels.

Omdat de evenwichtslijn in d~~ geval niet zo ver van de 45°1ijri

a~ligt,is de invloed van de verandering in de refluxverhouding

niet groot, temeer daar x_d bij 50 mol.% ligt.

Het is zuiver een economisch vraagstuk of in dit geval de lagere refluxverhouding(met minder warmte toevoeren in de kookketel) en de duurdere kolom de voorkeur verdienen boven een wat hogere reflux-verhouding met minder schotels in de kolom.

In de praktijk is een kolom in gebruik met 28 schotels.

XA."y

J,L.:t.Itf·...:.'1.

~

r_

~ ,./~dt-;

XI(

lil

---? ' "

L/~

A1J

(/~

.

f"

i (1/

i

<: .

I _

ICO Q..

t

~ ~ oS:

.-ot ~ \I N

~

-C

-

>...

-'

~ qj ~ ~

..

-

Q

.E

1

I{D

J

á :

J'

t

1<+ 1 I .1 t

I I I I~'"--"--' I I I

_. ____ :

____

==---1~=~~-1

---9 , -_ _ _ ±-_ I I