De bereiding van furfural uit haverdoppen

I'. ot ) . /

.,

i , i .'

,

,

,'...

.' / !

DE BEREIDING V A N FURFURAL U I T H A VER DOP P EN Fabrieksschema van: G.E.P.Moolhuizen N.S.Pek Vasper Fagelstraat 10 Delft Julianalaan 129 Delft

INHOU D

A.

Eigensohappen en toepassingen van furfural.

B. Principe der bereiding. (o.a.keuze der grondstof)

c.

Fabricagemethoden uit de literatuur. D. De uitvoering van de gevolgde methode.

E. De stof-en warmte balans.

F. Keuze der gebruikte materialen.

Berekening van de furfuralkolom Uitgevoerd door N.S.Pek.

Berekening van de koeler topproduct stripkolom. Uitgevoerd door G.E.P.Mbolhuizen.

Literatuurlijst.

Bijlagen:

Een fotoreproductie van de tekening van het schema. :3 Grafieken. blz. 1 - 2

,

,

2

-4

"

4 -

7

"

7 - 10

"

11 - 15

"

16 " 17 - 22 " 22 - 31

1.

A. Eigenschappen en toepassingen van furfural.

Furfural is een heterocyclische verbinding met de eigenschappen van een aldehyde. H ;./ c - c Formule:

I

·

I1 . I N' . u '.# c" c - C ~- 0 "'.·o /'

Het is een lichtgeelgekleurde vloeistof, goed bestand tegen hogere tempera-turen, met de volgende physische eigenschappen:

kookpunt (764 mm) smeltpunt

soortelijk gewicht (20/20 oe) brekingsindex (n 20/D)

viscositiet (centipoises,25 cC) ontledingstemperatuur oe

soortelijke warmte kcal./kg oe

verdampingswarmte (bij 160,6

°C)

gc~gmol verbrandingswarmte kcal/mol (lit. 3) 161,7 - 36,5 1,161 1,526 1,49 393 0,416 10,321 560,3

De toepassingen van furfural zijn velerlei en kwL~en als volgt worden samengeva t: (li t. 1,.3)

1.De bereiding van hexamethyleendiamine voor de fabricage van nylon. Furfural wordt door middel van stoom en zinkchromiet als katalysator

omge-zet in furan,dat na reductie met waterstof tot tetrahydrofUran m.b.v. zout-zuur in het 1,4 dicloor-butaan wordt overgevoerd.Deze laatste verbinding geeft na reductie,en voorafgaqnde behandeling met natriumcyanide,het hexa-methyleendiamine: cll.- ~I/ ~~ e _ eN s t o o m ) "'0/ 11 zinkchromiet o furfural #. 11. c. ---- c ' NaCN) 11 JI c - - c c '", reducti~ ,;

'"

/ / o tetra-hydro furan d t" ~

dj

re uc l e 4 N __ (C."z (, _ HCI " "> rlngopemng hexamethyleendiamine , , cl

2.De bereiding van furfurylalcohol en het correspmnderende zuur,via de Canizzaro reactie ~\' # ,ti c - - c c- -JI - c:. fI

+

, ' c. _ cll_l_Oo_g_(_.33_%_')~) o ₍₎

2.

3.De bereiding van tetrahydrofuran en tetrahydrofurfurylalcohol.

4.Als selectief oplosmiddel voor de scheiding van verzadigde en onver-zadigde verbindingen in petroleum,gasolie,dieselolie en plantaardige olfen.

In het algemeen geldt,dat onverzadigde verbindingen en ringverbindingen beter oplossen in furfural dan verzadigde verbindingen en verbindingen met

open keten-structuur. 'i

5.In de extractieve destillatie van butadieen en andere C4-koolwaterstoffen. Dankzij furfural iJ het

mogelij

~l~;g;

deze weg een goede scheiding te

be-werkstelligen.

6.Als grondstof voor de bereiding van kunstharsen van het phenoltype. 7.Voor het ontkleuren van houthars.

8.Als oplosmiddel van kun8tharsen.

9.Door nitratie wordt nitrofurfural-serrlcarbazon verkregen,dat toepassing vindt als bacteriecide.

10.Als grondstof bij de bereiding van kleurstoffen.Zo heeft men door ver-vanging van benzaldehyde door furfural eem r:l.et malachietgroen overeen-komende kleurstof bereid.

Tot slot zij opgemerkt,dat de zuiverheid van technisch ft~fural,volgens de (1.laker Oats Compariif; (li t. 1) ,e,1s volgt is:

99,5 gew.% furfurai ,0,02 gew.% vocht;terwijl het product een zuurgraad heeft van 0,015 aeq.per liter.

B. PRINCIPE DER BEREIDING.

tviogelijkheden betreffende de keuze der grondstof.

- - - - --- -- - - ---

-Commercieel wordt furfural bereid uit diverse planta5_rdige producten, zoals stro en haverdoppen,welke naast veel cellulose een zeker percentage pento-sanen bevatten. Voor de rest zijn deze grondstoffen opgebou~ld uit lignine en hebben zij een zeker vocht-en asgeh&lte.

Als voorbeeld vermelden 1tJij een analyse van de haverè.op. (lit.4)Deze bevat 6% vocht, terwijl de droge stof als volgt is samengesteld:

protefne (N x 6,25) 4,8% aetherextract 3,3%

vezels 57,6% N₂-vrij extract 24,2%

as 10,1% phosphor (P205) 0,34%

kalium (K

20) 0,6a;~ silicium (Si0)2) 0,58%

De pentosanen vormen de grondstof voor de furfural.

Pentosanen zijn hemi-cellulosen,die bij hydrolyse pentosen geven",relke o.i. v. bijv. zwavelzuur als katalysator,onder ~laterafsplitsing,overgaan in furfural.

- - - - -. _

-3.

Als voorbeeld van een pentosan kan het veel voorkomende xylan dienen. Xylan (lit. 14) is opgebouwd uit op de 1-4 plaatsen gebonden D-xylose

een-heden: fI l ()

'

1

~

'

N

/I, 1-/ I 'l 11 N 6# " fI \ fj • /

o

o

f/ ~-_. 0 11 I! 011

o

011 . 11 J( " N eh' 0 0

Door hydrolyse ontstaat hierui t dus pentose, 'ltraarui t furfural gevormd ",ordt:

11 11 C~H c, ~# . /1 c#. 611 C t>JI N pentose C =0 elf eh' c. - .:; .0 furfural

Als mogelijke grondstoffen ",erden reeds stro en haverdoppen genoemd(blz.2). Hieronder volgt een samenvatting van enkele verdere mogelijkheden. In dit over-zicht duiden de percentages de potentiële hoeveelheid furfural aan,d.w.z. de

hoeveelheid furfural welke theoretisch winbaar is uit de aanwezige hoeveelheid

pentosanen. haverdoppen katoenzaaddopzemelen boelnrei tdoppen eikenrun vlas 22%

20%

17%

13

%

14% maïskolven maïsstengels ampas rijstdoppen pinè.adoppen (lit.)) 22% 16,5% 17% 12% 12%

Nog eventueel verder mogelijke uitgangssto6fen bevatten alle minder dan

12 tot 22

%

furfural.

De keuze van de grondstof zal van een aantal factoren afhangen,

1.Verkrijgbaarheid van de grondstof. 2.Leveringsprijs van de grondstof.

).De potentiële hoeveelheid furfural in de grondstof. 4.De ",aarde vah eventuele bijproducten.

Punt 1 legt ons direct al beperkingen op.Alleen stro en haverdoppen lijken

ons geschikt voor een furfural productie in ~Jederland.Blijkens lito ) en 15

bevatten haverdoppen een veel hoger percentage furfural dan stro(8,3% pot.

furfural) •

Dit feit maakt haverdoppen als grondstof aantrekkelijker dan stro.

Volgens het Centraal Bureau voor de Statistiek ",as de haveroogst in Nederland

in 1954:460.000 ton en in 1955:580.000 ton.

Gegevens over een eventuele hoeveelheid beschikbare haverdoppen hieruit ",aeen niet verkrijgbaar;maar aangenomen mag worden, dat een furfuralproductie op grond van deze cijfers mogelijk moet zijn.

, ... \~ .

1 _

Een vergelijking met stro ten aanzien van de leveringsprijs ;~s dan ook niet

mogelijk;maar we mogen niet uit het oog verliezen,dat de strokarton industrie in

Nederland een belangrijke grondstof concurrent is.

C .FABP.ICAGE METHODEN' UIT DB LIT21PSUTD .•

Als literctuurbronnen werden voor dit hoofdstuk de nUHill~rs 3 tot en met 11 uit de literatuurlijst gebruikt.

'H~Fabricage-principe van de Quaker Qats Company.

Het furfural Hordt hier in één trap bereid,d.i-T.z.de overgang van pentosan tot

pentose en die van pentose tot furfural vindt in dezelfde reactor plaats.

Het ruwe materiaal wordt tezamen met verdund zvavelzuur in een roterende reactor gebracht.:.'e reactor vlordt met behulp van stoom op een telilperatuur van ong. 145°C gebracht.Na beëindiging vG.n de reactie \-1ordt door middel van een stoomdestillatie het gevorIilde product uit het reactiemengsel verwijderd.Het

stoomdestillaat wordt gecondenseerd en naar een stripkolom gevoerd, '.l3.ar een

primaire scheiding plaats vindt:!1et bodemproduct van deze koloill is practisch

zuiver water,terwijl de topdrunp bestaat uit e·::m mengsel V'8.n water,furfural en

een hoeveelheid vluchtige bestanddelcn,die hoofdzakelijk uit methanol bestaan.

Deze topdamp wordt gecondenseer~'en gekoeld, waarnCl. in een afscheiden een sche

i-ding in t'.Jee lagen wordt bev'crkstelligd;de onderlaag, welke voor circa 94% uit

furfural bestaat,wordt met behulp van een tweede kolom van water gezuiverd,

het topproduct van deze furfuralkolom gaat terug naar de afscheider en door-loopt de cyclus opnieuw.De boven-l&ag in de afscheider gaat naar een des

til-latiekolom,~Taarin scheiding plaats vindt van de laagkokende producten,die als topdamp Horden afgevoerd.Het bodemproduct van deze L.K.P.(laagkokende pro-ducten) kolom gaat terug naar de stripkolom,omdat in dit bodemproduct nog een zekere hoeveelheid furfural aanwezig is.

1

Het is duidelijk,dat er in principe bij de zuivering van furfural twee kolom-men nodig zijn, aangezien we hier met een azeotroop te maken hebben.

In blokschema is dit proces ûus in principe als volgt weer te geven:

>

Il

~

I

ops ag --' I ~

<

1

~~ ) , ,

.

L _ ~---~~~che!:-

I

I I reactie-

J

1

I

:

mengsel

r

-

1

(fu

I

~ioom

~~

eactor

-r-I

~aa~n-

!

'~.

- - - < -

_~~J

stripkolom l.k.p. kolom fig. 1 r --I

.

L~~ furfural kolom

- ---_._---~--,

---

----

---

- -

-5.

Samenvattend onderscheidt de Quaker Oats CompaQY in hBar proces zeven

hoofd-stappen:

1 • Het onder druk koken van het ruwe materiaal met verdund z\>!a velzuur •

2.Condensatie van de dampen,afkomstiglvan de stoomdestillatie.

I

3.Azeotropische destillatie van furfural.

4.Condensatie tot twee afzonQorlijke lagen.

5.Destillatie van de waterlaag tot i.riill'J.!lg van methanol,e .d.

6.Het drogen van de furfural.

7.Het koelen en filtreren van het eindproduct.

Er moet hier tevens op enkele andere punten nog de nadruk worden gelegd.

Het proces in de reactor,met name,wordt beheerst door vier onderling variabele

factoren: (lit. 4)

a.De verhouding vaste stof-vloeistof.

b.Aard en concentzatie van het gebruikte zuur.

c.De temperatuur.

d.~e reactietijd.

a.De verhouding vaste stof-vloeistof.

Deze verhouding kan binnen betrekkelijk wijde grenzen varieren,n.l.van 10 tot

0,25.1s de verhouding hoog,dan is de brij minder goed handelbaar.Hier staat

echter tegenover,dat bij lage verhouding de grote hoeveelheden verdund zuur

warmte-economisch niet altijd verantwoord zijn.

b.Aard en concentratie van het gebruikte zuur.

Behalve het op blz.4 genoemde zwavolzuur is ook zoutzuur als katalysator te

eebruiken.Dit laatste heeft het voordeel,dat het een iets betere katalytische

werking heeft dan zwavelzuur;hier staat echter tegenover ,dat zoutzuur door

zijn grote chemische aggressivitiet en vluchtigheid, vooral bij hogere-·-·

tem-peraturen,minder geschikt is.

Ook zouten als aluminiumsulfaat~ijn in principe als xatalysator bruikbaar.

(li t. 7)

De te gebruiken hoeveelheden van de katalysator hangen sa~en met de heersende

temperatuur in de reactor.

c.De temperatuur.

Deze kan varieren van 100 tot 290°C .Hoe lager de temperatuur ,hoe meer zuur

men nodig heeft en hoe langer de omzetting duurt.

Hoge temperatuur betekent hoge druk,en brengt dus speciale voorzieningen

aan de apparatuur mee.Bij de hoogste temperatuur moet de apparatuur be~ekend

<. \ \ ,\ (, ,

\

,,,, " '''; \. { '\ '. d.De reactietijd.

De factor tijd is zonder meer niet direct te bepa.len.Lit.8 me.akè','a,venwel

melding van drie reactoren, welke een cyclus hebben van 6 tot 8 uur.

6.

Tot slot volgt een voorbeeld voor reactorcharge,zoals deze gegeven wordt door

lit.12.

Een charge bestáathier uit ,3000 Ibs. haverdoppen,750 Ibs. water en 56.; Ibs.

95%

zwavelzuur.De werkdruk bedraagt ongeveer 4,5 ata,bij een temperatuur van

o

ong. 145

c.

Om een beeld te krijgen van de samenstelling Vdn het stoomdestillaat,dat uit

de reactoren wordt verkregen volgt hier een samenstelling volgens Primo(lit.13): 15 gew.% methanol; 2 gew.% aceton: 1,5 gew.% azijnzuur; 5-6 gew.% furfural en nog een geringe hoeveelheid complexe aethers.

Bij onze verdere beschouwingen zullen lle er vanuit gaan,dat de laagkokende

producten in het stoomdestillaat ~Tel uitsluitend uit methanol besta~.

Het is uit deze cijfers begrijpelijk,dat de Quaker Oats Company de_wiluting van

methanol 8,ls nevenproduct rendabel heeft willen maken. (blz.5 punt 5)

Voorts wordt melding gemaakt van autooxydatie van het furfural.~en kan deze

voorkomen door kleine hoeveelheden inhibitoren, zoals tertiaire aminen of al-kali-metaal zepen, toe te voegen.Ook kan men de furfural opslaan onder een atmosfeer van stikstof of koolzuurgas.

2.De bereiding in meer dan êén trap.

In de voorgaande procesbeschrijving werd de bereiding in één trap vermeld.

Lit. 9 maakt evenwel gewag van een bereiding in twve trappen:eerst loogt men

het uitgangsmateriaal met een zure oplossing uit,bij een zodanige temperatuur, dat de pentosanen overgaan in pentosen;in de tweede trap wordt de oplossing met de pentosen onder andere reactieomstandigheden(hogere temperatuur,

kata-lysator)gebracht,w~arbij de votming van furfural plaats vindt.

Dit lijkt op het eerste gezicht een aantrekkelijke werkwijze.We hebben in

prin-cipe immers te doen met twee geheel verschillende reacties.(blz.3).0m een goed

rendement te verkrijgen zal men dus voor beide reacties afzonderlijk naar de

meest gunstige omstandigheden willen zoeken.Evenwel is het tot nu toe niet ge-lukt volgens deze methode het rendement zodanig op te voeren,dat dit,gezien de

veel hogere investeringskosten,een verantwoord proces is.

Een dergelijke werkwijze wordt ook in een aantal Duitse patenten vermeld, (lit.10,11).

7. 3.Bereiding volgens continu proces.

Onder 1 en 2(blz.4t/m 6) zijn processen besproken,waarbij alleen het destil-latie gedeelte continu wordt uitgevoerd.Het proces in de reactoren verloopt ladingsgewijs.Er zijn pogingen ondernomen om dit gedeelte van het proces ook continu te maken.In de patentliteratuur is hier weinig over bekend. (lit.4) In Amerika wordt het continue proces niet toegepast,zeker niet door de Quaker Oats Company.~~n krijgt de indruk,dat pogingen in die richting niet succesvol zijn geweest.Mogelijk is ook dit weer een economische kwestie.

i.Geen volledige condensatie van het stoomdestillaat voor de verdere verwerking. Lit. 8 vermeldt:een proces,waarbij het stoomdestillaat,zonder voorafgaande vol-ledige condensatie,direct als kolmnvoeding wordt~ebruikt.Hoewi! een dergelijke werkwijze ontegenzeggelijk voordelen heeft voor de warmteeconomie van het

pro-ces,lijktt het ons toch verwerpelijk toe ,aangezien we bij destillatie moeten streven naar een voeding van constante samenstelling,zodat een buffervat met een voldoende grote inhoud onontbeerlijkiis.

ol" D. DE UITVOERING VAN DE GEVOLGDE METHODE. , " I (

\"\'

~~l

~zien

de Duitse patentliteratuur zich bezighoudt met het af te

r

~~';e~

"H

'" :.,V

; '", " . .,.,..._.

I . Io0

JJv

/

'.tweetrapsproces (blz.6) ,werd de Amerikaanse werkwijze als richtsnoer

gehan-I

~/

\

,\V:

~l~

/

I \ .

, '\)r... ..

<

/' f\

, teerd.En wel het Quaker Oats proces,in enigszins gewijzigde vorm,diende als basis. (blz.4 ev.).

Hieronder volgt een verklaring van het procesverloop aan de hand van de ge-maakte schets.Y~n zie voor de gebruikte nummerverwijzingen de bijgevoegde fotoreproductie.

De grootte van de stof-en warmtestromen wordt in een apart hoofdstuk behandeld.

1 .Opslag van de haverdoppen.Di t kan een loods zijn.Er moet wel de nadruk op worden gelegd,dat de opslagruimte voldoende groot moet zijn om,in verband met

de oogst) een hoeveelheid haverdoppen,corresponderend met de jaarproductie aan furfural,in één keer op te slaan.

2.0nder vacuum vindt vanuit de opslag transport plaats naar vat 2.We hebben

...--

--hier dus te maken met pneumatisch transport.Een naar het midden van het vat

\ toe schuin-aflopendt, Jgaaanet voorkomt meevoering van haverdoppen met de

af-\

~ zuigingslucht.

'è-~L')_

\'v\l

\\~\

, ...

t-"

"~'"

8.

4. Dit is een menger voor water en gec.zwavelzuur.

5.Een opslagtank voor het verdunde zuur,met een inhoud

va~

:

6

m3 .)

6.Schroeftransport van de grondstof naar de reactoren. In de schroef vindt

te-\) " ,v~ns menging plaats van de haverdoppen met het verdunde zuur,zodat het mengsel

vk.

.

.

1,

, ,

. \ ' ,"

"",- \

als e~homogene brij via een slurf in de reactoren komt.Deze slurf is

verplaats-- - '. , 11 -0''''(

baar van de ene reactor naar de andere .lI1elding werd reeds gemaakt van de vrij V\W,~

wijde

~

-

nz;n,waartussen

de vloeistof-vast verhouding kan

varieren(blz.5).Een

Ç:~~~

I

"' l

minimum aan vloeistof werd nagestreefd; op grond van li t. 12 werd ong. 3,5. maal <, '. ~"'-v

#" -- "'-- -_.---"'" ,--- - - ~

zoveel vaste stof als vloeistof genomen.Dit heeft naast het voordeel van de

\ , . / /

:\:1,": /'-

gunstige warmte-economie ook nog het voordeel,dat de afgewerkte brij uit de

,\, . \'

\ Y \~ reactoren zonder uitpersen tot kunstmest verwerkt kan worden.

~\r

'-~

""

'~"D

1

7.De reagtoren.Deze zijn in tegenstelling met de apparaten,die de Quaker Oats

t

Company(roterende reactoren) gebruikt,cylindervormig,rechtopstaand uitgevoerd

\ en voorzien van een roerwerk.Dit heeft het voordeel,dat de

afdichtingsproble-\ men,die bij roterende reactoren optreden, vermeden worden. l'\l~vV< ~

De reactoren zijn dubbelwandig,zodat opwarmen van de brij door middel

van

(

~

mogelijk is .Hiervoor wordt stoom van 10 atm. (temperatuur~us ong .1800C) gebruikt.

De brij wordt opgewarmd tot een temperatuur van 145°C ,waarna de

stoomdestil-latie met directe stoom van 4,5)ata(temperatuur 145°C) plaatsvindt.

In totaal zijn er drie

raaèt;r~n

in gebruik,met een werkinhoud van 6 m3 ieder.

Zoals uit de stofbalans zal blijken,bedr~agt elke charge 1950 kg. doppen;bij

een aanname vanpd _oppen =15Okg./m3 ,betekent dit circa 13 m3.Aangenomen wordt,

dat de vloeistof de brij zover inplempt,dat de reactor. een dergelijke charge

kan bevatten.

Het werkschema voor de reactoren is nu als volgt: Voor één reactor geldt het volgende globale overzicht:

Met vullen,opwarmen e'n lossen gaat een tijd gepaard van

Een redelijke tijd voor de stoomdestillatie is:

,. ' ...

'-Totaal

::4 uur ::2 uur

::6 uur

~~t drie reactoren zijn er duà 3x4=12 charges per etmaal mogelijk.

Het gegeven werkschema komt ongeveer overeen met dat van lit.8. De afgewerkte brij wordt tenslotte onderuit de reactoren afgevoerd.

Tenslotte worde vermeld,dat de reactoren voorzien zijn van e~n drukregelaar,

die de druk in de reactoren tijdens de stoomdestillafie

op

~~

ta

houdt. ,

( t\. , [W .

. t

\v~~V

J

l

'l\l~

I~ ,

ç \':" i . , j t r ' · ... (,<'.)\ ~~ 9 \ ,.\ ) . " . ' J

0'V

•

\ l . ' \ '. ,~ ~

8hCondensor en koeler voor de condensatie,resp.koeling van het stoomdestillaàt.

We hebben bij deze bewerkingen te maken met een ingewikkeld mengsel van water,

furfural en laagkokende producten,waaraan moeilijk iets te rekenen valt. , , - . "'\... " - '-... ___ ' , - . _'... ' •. ~ ' • . • " ... __ .... , _ _ J

Daarom is de condensor aan het uiteirAe voorzien van een rechtopstaande freon-koeler,die er zorg voor draagt,dat geen l.k.p. als damp ontsnappen.

L::..:;;-

(( \

\)1."

! \

~ 1.. .1 • i '. \ :J.(t. ,.:. l\ \\. .: -1.

9.De opslagtanks voor het condensaat van de stoomdestillatie~de~ van deze

\ tanks heeft een inhoud van ongeveer een dagproductie stoomdestillaat(4o m3 ), voldoende om een constante gemiddelde samenstelljL~g van de kolomvoeè~ng te

ga-randeren(blz.7).

De ta~~s zijn voorzien van een mangat,terwijl tevens een niveauregeling is

aan-gebracht;bovendien is de ontluchtingsopening zodanig uitgevoerd, dat soda hier-doorheen kan worden toegevoegd. (Deze soda dient ter neutralisatie van deels meegevoerd zwavelzuur en deels bij de reactie gevormde organische zuren.Deze

zuren zouden aantasting van de kolommen tengevolge kunnen hebben.)Via een aftap-kraantje is het mogelijk de zuurgraad van de vloeistof in de t~~s steeds te ~ controlXeren.Een pomp zorgt tenslotte voor de ,voor een goede menging

onont-'>

) beerlijke,circulatie.

.

\

'7

10.Een warmtewisselaar voor het opwarmen van de voeding voor de stripkolom.

10+ .

\ ,P

J\).

11.De stripkolom voor de

~\N ~

_{\'C \ I'} J\)-_, ' . heeft een hoogte van 7," _..I

\;~ . '." \. \:.

azeotropische destillatie .DeÏ<0lom,zoals :getekend,

m en een diameter van 70 cm.Het is een scho;telkolom.( Î

-lt

lk\\.~.~ (cO Pi' .

,

,

_{12.Condensor en koeler voor de topdamp van de stripkolom.}

13.Verdamper voor de stripkolom;de verwarming geschiedt met condenserende stoom van 4,5 ata.

13a .Dit stelt de afvoer van het bodemproduct voor,dat voor 99,98% uit water

be-staat.(lit. 5)

14.Dit is de afscheider.Hierin komt een vloeistof van 30oC.Bij deze temperatuur vindt scheiding plaats in twee lagen:een bovenlaag met

8,8%

furfural en een onderlaag met 94,2% furfural.(lit. 5)

De afscheider heeft een inhoud van 700.liter;bij een procesdebiet van ong. 500 li

ter

,

~

r

betekent

dit dus

ee~

·.

verblijrtijdyan ruim 1 uur. 0 ' . . i

i . .{)V\l\.u."I.)"~(ITI.t

~\ _ . I

j \

15.De bovenlaag uit de afscheider ga&t vi~buffertank\ 18(inhoud ~ liter) naar een kolom ter afscheiding van laagkokende producten( 15 ).D~e kolom heeft een hoogte van

6

m,bij een diameter van

78

cm.

Evenals bij kolom 11 is de diameter geschat op de dampbelasting.

I

10.

16.De verdamper van kolom 15 .Het bodemproduct van deze kolom(16a ) gaat terug

naar kolom 11 •

17.Condensor en koeler voor het topproduct van kolom 15.Be laagkokende

produc-ten worden opgeslagen in tank 19.

,19.De onder 17 genoemde opslagtanks voor 1.k.p.In totaal zijn er 3 van deze

\.{

'

\:>

~ankS

met ieder een inhoud van 20 m3,zodat ong. éér(weekproductie is op te

'- \\ 3

-.r}\~ -{ slaan.De weekproductie aan l.k.p. is:7x24x275=4610Okg.}f..et een sg.=0,8:5f,5 m •

~ -}' "-J ....;" ..

I.~\- I

\

21.De furfuralrijke onderlaag uit de afscheider(14) gaat via buffervat 20

"

(inhota 209 liter) naar kolom 21 .Di t is een gepakte kolom,die dient om de

..

(

. ,r(

")

resten water uit de furfural af te stomen. \ \\1 ( /( 1 i· r. (/ ,.

~Én kan dit onder normale of onder verminderde druk doen. Daar de bewerking onder

verminderde druk extra voorzieningen aan de apparatuur vereist, terwijl uit

lit.8 blijkt,dat furfural voldoende temperatuur bestendig is,werd de voorkeur

gegeven aan het proces onder normale druk.

De kolom heeft een hoogte van 3 m en een diameter van 12,5 cm.,geschat op

dampbelastingJen wordt d.m.v.stoom van 10 ata verwarmd.

~'

\-~\

1',J. \ ,., 22 .Condensor ,annex koeler, voor het topproduct van kolom 21 .Di t

,0)

I

topproduct gaat

"},,t'o, '\ via het buffertankje(23) terug na8r de afscheider(14).

\I.r' _{\. ,'-}""\ _~, '-.

(

_~\.

'\)\-1.\

_{fL \}

,\.,"

\ "I \~ \.~/ ~ . '\ ~\\. "-" ... I ; \ r ," ~ I \ \ "

\

..

24.Dit stelt het bodemproduct van kolom 21 voor,dat in de buffertank(24) wordt

gekoeld.

25.Een filter om de furfural van eventuele verontreinigingen te

zuiveren.Ge-dacht is hier aan een cylindrisch filter met poreas-stalen filterelementen,

(zog. Kel-F filter).

26.0pslagtank voor het product.Hiervoor zijn twee tanks met een inhoud van

8~

ieder gedacht.De weekproductie aan furfural bedraagt:7x24x166=16800 kg.

Met een sg. van 1,16 (blz.1) geeft dit:14,5 m3 per week;één weekproductie kan dus ook hier worden opgeslagen.

---~--- --

11 •

'. (( \

E. DE STOF- EN WARMTEBALA..r.JS.

a. De stofbalans. 1.Algemeen.

Het rendement van het gehele proces is volgens lit.3 te stellen op ong. 10

%,

be:r:'.eke~d op het uitgangsmateriaal.Daar de totale productie aan furfural op

" 700 ton' per jaar is gesteld,moeten er dus ?~OO ;on haverdoppen per jaar worden

verwerkt.De opslagruimte moet deze hoeveelheid ineens kunnen bevatten.(blz.7)

Er is verder aangenomen,dat er in een jaar 300 productiedagen zijn;dit

bete-kent dus,dat de furfuralproductie per uur:

700 x 1000

=

97,2 kg./h bedraagt.

300 x 24

2. Reactoren.

In totaa.l zijn er'

~~

drie reactoren in bedrijf, die ieder vier charges per dag

kunnen verwerken. (blz.8) .In totaal zijn er dus 12 charges per etmaal.

Daar in het bodemproduct van de stripkolom per uur ong. 0,3 kg. furfural ver-loren gaat(lit.5),moeten de reactoren 97,5 kg. furfural per uur vrij maken.

Gezien het onder 1 genoemde rendement komt dit dus overeen met 10 x 2 x 97,5=

1950 kg. doppen per charge.Bij elke charge doppen wordt 560 kg. verdund

zwa-velzuur gevoegd van 6,2 gew.% (lit. 12)

Volgens lit.12 bevat het stoomdestillaat 6 gew.% furfural.Dat wil dus zeggen,

dat de reactoren bij de stoomdestillatie gemiddeld per uur een stroom van:

10016 x 97,5 = 1625 kg. mengsel produceren moeten.

3.

Destillatie-afdeling.

In fig. 2 is een blokschema van de destillatie-afdeling getekend;hierin stellen

de letters de totale stofstromen voor,terwijl 1,2,3,4 resp.de striPkolom, de

afscheider,de l.k.p.kolom en de furfuralkolom voorstellen.

-, I

'

K.

'I _.- -J nni,!} D, Jo.a fig. 2 - - - - _ . _ -r ---'--. , f I

h

.',

, (

12. Aan de hand van fig.2 zullen we de stofbalans van dit gedeelte van de fabriek

toelichten.ln de toelichting stellen de hoofdletters de stofstromen voor,

ter-wijl de x en de y resp. de gewichtsfractie aan furfural in een vloeistof-of

een dampstroom voorstellen.

Uit fig.2 blijkt,dat we de volgende vergelijkingen kunnen opstellen:

1. stripkolom: F1 + VJ₂ = T + _K1 (1); ~1F1 + :XW2\{2 = YtT + ~1K1 (2)

3. l.k.p.kolom: _W1

=

_W2 + _D2 (3) ; ~'11\.J1

=

:XW2W2 + _xD2D2 (4)

4. furfuralkolom: F2

=

D1 + ~ (5) ; ~2F2

=

YD1 D1 + _xK2K2

(6)

De analoge vergelijkingen, die voor de afscheider(2) gelden,zijn van de

boven-staande zes vergelijkingen afhankelijk.

Eerst zullen we nagaan welke grootheden reeds bekend zijn.

Uit het op blz.11 onder 2 behandelde volgt direct,dat F₁

=

1625 kg./h en dat

~= 0,06.

Op grond van lit. 13 (blz.6) is de productie aan lae.gkokende producten op

275 kg./h gesteld. Tevens is aangenomen,dat het topproduct van de l.k.p.kolom geen water en furfural meer bevat, terwijl het bodemproduct van deze kolom geacht wordt geen laagkokende producten meer te bevatten.Bovendien is er vanuit gegaan,

dat alle laagkokende producten in de bovenlaag van de afscheider zitten,zodat

de stromen;F_{2,K2 en D1 geen laagkokende producten bevatten.}

Uit deze aannamen volgt onmiddelijk,dat D2= 275 kg./h,en dat ~2=0.

De stroom F₁ bevat blijkbc.ar 97,5 kg. furfural, 275 kg. l.k.p. en dus 1252,5 kg.

water per uur.Aangezien de stroom ~ geacht wordt uin zuiver furfural te

be-staan,( ~2= _{1 ),en de stroom D2 geen water bevat,moet al dit water het systeem}

via K

1 verlaten.Daar K1 ook nog 0,.3 kg. furfural per uur bevat (blz.11 onder 2),

is K₁ dus:1252,8 kg./h. en

~1=

0,00Q24(lit.5)

Eveneens in lit.5 is gegeven,dat YT = 0,25; :XW1= 0,088 en ~2= 0,942.

Het topproduct van de furfuralkolom heeft wegens het optreden van de azeotroop

furfural-water een gehalte aan 2_~,.gew.% furfural: YD1= 0,36.

Samenvattend:

F₁ = 1625 kg./h·; ~ _{= 1252,8 kg./h ; D2 = 275} kg./h ; _K2

=

97,2 kg./h.

~1

= 0,06 ;

~1

= 0,00024_{; YT = 0,25 ; :XW1}

=

0,088 ;

~

= 0,942

YD1

=

0,.36 ; ~2

=

1 ; ~ =

°

·

We _{hebben dus zes vergelijkingen met zes onbekenden over:T,W1,F2,W2,D1 en :XW2.}

Hieruit blijkt dus,dat het gehele systeem van fig. 2 met de gegevens vastligt.

Oplossing van de vergelijkingen 1

tlm

6 geeft:

T= 547,2 kg./h ;

vJ

₁ = 450 kg./h ; _{F2 = 107,2 ;} \~2 = 175 kg./h ; _{D1 = 10,0} kg./h

en ~J2 = 0,226. Deze oplossingen laten zich contro:'.leren aan de hand van de

ver-gelijkingen voor de afscheider (2) :

:.1

, \

1J. Hiermee is dus het gehele schema van fig. 2 doorgerekend op de stofstromen DJ en L na.

~ vffi kunnen de refluxverhouding van de l.k.p.kolom nog vrij kiezen;deze is,om

,J .

~ een goed functioneren van de kolom te garanderen, op J gesteld •

•

Dus:~D2 = J,aangezien D₂

=

DJ - L

=

275 kg./h,geldt~r :

L D - 275 / /

DI

=-J₂₇₅ = J ,of: DJ

=

1100 kg. h en L

=

825 kg. h. 2

Gezien het op blz. 12 gestelde zijn ~J en XL gelijk aan nul.

De

resultaten zijn samen met de gegevens voor de warmte balans samengevat in tabel 1 •

b. De warmtebalans. 1. Gegevens.

Om iets over de warmteinhoud van de verschillende stofstromen te kunnen zeggen, zijn,op grond van de onder a. gevonden samenstellingen, de soortelijke warmte en en de verdampingswarmte van de verschillende stromen berekend.

Voor deze berekening zijn dè volgend~ grootheden gebruikt:

s.w. water: 1 kcal/kg.oC ; s.w. laagkokende producten: 0,6 kcal/kg.oC

5.W. furfura1: 0,416 kca~kg.oC.

vere.w. water ; 490kce.l/kg. ; verd.w. l.k.p.: 240 kcal/kg.; verd.H. furfural : 96 kcal/kg De uitkomsten zijn in tabel 1 verenigd:

- s~b-;-;-l-' stofstr. I samenstelling in gew.% Isoort.w.

~ --- --~

verd.warmte stofstr.

kg./h L furf.

I

l.k.p. water --! ikcal/kg. C 0 kcal/kg. _I

- - - ' - - - _ . _ - ---- ~ ---1 F 1 1625 6 16,9 77,1 0,9 425

I

K

₁ I 1252,8 0,02 99,98 1 490 I W₁ 450 8,8 61,1 JO,1 0,7 JOO T 547,2 25 50,J 24,7 0,65 265 r,J 2 175 22,6 77,4 0,85 400 D₂ 275 100 0,6 240 DJ 1100 100 0,6 240 L 825 100 0,6 240 F₂ 107,2 94,2 5,8 0,45 120

K

₂ 97,2 100,~ 0,42 96

D

₁ 10,0 J6 64 0,79 J48 Tabel 1 •

2. Uitwerking van de warmte balans •

l'1et behulp van tabel 1 laat de warmtebalans zich zonder meer door rekenen.

De cijfers tussen ( ) corresponderen met die op de bijgevoegde fotocopie van

de tekening.

Condensatie en koeling va~ ~~t stoomdestillaat ( 8 ):

De condensatie vindt plà.ats bij 100oC,waarna de stofstroom (F

1) gekoeld wordt

tot 250C.Dus:

Q _.:.c!-= _{_} 425 x 1625 = 690.000 kcaJ./h (Condensatie) en:

~_ = 0,9 x (100-25) x 1625

=

11.0.~00 kcal/h (Koeling).

o

Weer opwarmen van de stofstroom F tot 100 C,de voedingstemperatuur van de

stripkolom. (1 0)

Benodigde warmte, toe te voeren met condenserende stoom van 4,5 ata,is:

Qs

=

0,9 x (100H25) x 1625 =_.:!.20.0~~~a1/h

Stripkolom (11).

o

De temperatuur is voor de gehele kolom op 100 C ges~elg,

--_._-~.---

-Bij deze en de nog volgende warmte balans en is een kleine q

ingevoerd,gedefini-eerd als: soort .1 .. 1armte x (temp .in

°c -

25 ).

o

De warmteinhoud per kg stofstroom is dus berekend op een basis van 25 C,zijnde

de laagst voorkomende temperatuux in het destillatiesystaem.

De warmte-balans voor de stripkolom luidt nu (fig.2):

qF1 F1 • <V2W2 +

~3

= qTT +

~erd:

+ qK1 K1 ,dit levert dus:

0,9 x 75 x 1625 + 0,85 x 75 x 175 + ~3 = (0,65 x 75 + 265 )

of: 110.000 + 11.000 + ~ 3

=

27.000 + 145.000 + 94.000

x 547,2 + 1 x 75

x 1253

De in de verdamper (13) toe te voeren warmte bedraagt: ~ 3 = 145.000 kcal/h.

- - - _ . _ - - --

----Condensatie en koeling van het topproduct :,:,:~_de stripkolom (12)! Stroom T.

Ook hier vindt condensatie plaats bij 1000C,terwijl daarna koeling plaats vindt

tot 30oC,de temperatuur,die in de afscheiden heerst.

Qc = 265 x 547,2

=

1.45.000 kcal/h en ~ = 0,65 x 75 x 547,2 ~_~~.OO?

__

~ca_l./~..:

Kolom voor laagkokende product~~(~5)~

Voor deze kolom is de warmtebalans:(fig.2):

C1w1H1 + qLL + ~6

=

qD3DJ + Qverd.DJ + C1w21,j2'

De toptemperatuur van de l.k.p.kolom is op 700C en de bodemtemperatuur op 1000C

gesteld.De temperatuur van de stroom ~'!Î en ~~2 is 30oC.Dus:

0,7 x 5 x 450 + 0,6 x 45 x 825 + ~6

=

0,6 x 45 x 1100 + 240 x 1100 + 175 x 0,87

x 75.

o

De temperatuur van D3 is immers:70 C,evenals die van L.

• \ I'

\

.

~ 1 t f ~\ ) \ i\~,j\(\

.

,

,,,'

't \ ",,' , \ . '" ~~ ( -t l ' , ' ( ,

In de verdamper (16) moet de condenserende stoom van 4,5 ata,dus leveren: ~16

=

281.400 kc~h

Condensatie en koeling der laagkokende producten. (17).

15.

Wegens de vluchtigheid worden deze gekoeld tot 250C;de condensatie vindt

uiter-aard plaats bij 70oC.Allepn de stroom D

2 wordt gekoeld,L blijft 70°C.

Qc

=

240 x 1100 : 264.000 kcal/h en Qk

=

275 x 45 x 0,6 = 7400 kcal/h.

Furfuralkolom.(21 ).

De toptemperatuur van deze kolom is op 100oC,de bodemtemperatuur o~Oc

ge-steld.Uit fig. 2 blijkt,dat do stroom F, een temperatuur heeft

~~

30o

C)US:

-

~

qF2F2 + Q21 = ~D1D1 + Qverd.D1 + qK2Y

2

of:

0,45 x 5x107,2 + Q.21 = 0,79 x 10 x 75 + 348 x 10 + 0,L,2 x 135 x 97,2.

In de kolom(21) moet dus met behuJ.l,) van condenserende stoom van 1 J ata(blz.10)

aan warmte worden toegevoerd: ~21

=

600+3500+5500-240

=

9!~ ~c~~~ .

Condensatie en koeling van het topproduct van de furfuralkolom(22).

Gezien de geringe grootte van de stroom D₁ vindt de condensatie en koeling hier in één apparaat plaats.De stroom D, 'vJordt t8t JOoC gekoeld.

I

!'le af te voeren warmte is: Qck =0,79 x 1Ox70 + 348 x 10 = 4000 kcal/h.

Koeling van het bodemproduct,tevens eindproduct(~~

Deze koeling gebeurt in het tankje (24)tot een temperatuur van 250C. Dus: Q24 = 0,42 x 97,2 x 135_=55.00 .kcayh~

Tot slot volgt in fig.3 een blokschema,waarin de ,,-armtebalans van de reactoren en de kolommen is toe(5elicht.De getallen geven kcal per uur weer,en volgen zonder meer uit de voorafgaande berekening;alleen zij opgemerkt,dat de warmte, die aan de reactoren voor het opwarmen en voor de stoomdestillatie,met afzien van de warmteinhoud van het residu,gelijk moet zijn aan de in de condensor en koeler(8) afgevoerde warmte,dus:800.000 kca~h.

,

tl:

=

145. 000

I

c;,

6,=281 • 400

\f 800.000 qF1F1=11 0.000 I CJ_H1\'J₁₌1600

V. W2= 11 ... 00.0._ I ~ 1= 22 000

r reactorenl I stttptDlom

f

I.IC.p.kolom

~

-

c

=69~~00~

q~

'

IS

=9~~00~

'

f

'f

~k=110.000 (qT+~v)T=172.~0 fig. 3

!

q,'T2H2 =11 .000 :

(qD3~)D3=29

t

'Ooo

1

~1

=9360 1 QF2F2=240

r

]~fur~~~lo

m

l

QK2~=5500 • (qD1 +Qv)D₁ =4

y

OO

'J r \ C· -:.1 ( ,

F • KEUZE Dm GEBRUIKTE NATEll.IAIEN.

'.'

16.

'/

Over het algemeen is de gehele fabriek uit te voeren in roestvrij staal,wat

I opslagtanks,condensors,koelers,verdampers en kolommen betreft.

Een uitzondering is hier te maken voor de opslagtank van het verdunde

zwavel-zuur(5),die wegens de aantasting door het verdunde zuur wellicht het beste van

, staal met een vi ni dur bekleding is uit te voeren.

17.

BEREKENING VAN DE FUF.FURALKOLOM. (uitp.-8voerd door N.S.Pek).

Inleiding.

Berekend \oTerd de kolom,die de ond:c:rlaag uit de afscheider zuivert tot vrijwel

watervrij furfural;kolom 2.1 van de fotocopie.(zie blz.10).

Het systeem furfural-water is een heterogene azeotroop van het ttpe

butanol-water:d.w.z. het is een mini~um azgtroop met ontmenging in de vloeistoffase.

Voor de bereiding van een watervrij product utt een waterrijk mengsel heeft

men twee kolommen en een afscheider .podig:de onderlaag uit de afscheider(rijk

f\,'J (II.~ (\ \ 1

aan furfural) wordt op de ~venste schotel van de furfuralkolom gevoed.De kolom

heeft geen reflux;het topproduct benadert de samenstelling

-

_._--

_{_._.} van de

minimumazeo-

-'--troop,terwijl het bodemproduct vrijwel zuivere fubfural is.De schakeling van de

kolom blijkt uit fig.2(blz.11).Vergelijk lito 16 ,blz.631.

De scheiding in de kolom vindt plaats onder atmosferische druk.(blz.10)

De berekening valt in twee gedeelten ui~één:

1.Berekening van het aantal theoretische schotels.

2.Berekening van hoogte en diameter van de kolom.

1.Berekening van het aantal theoretische schotels.

-~

---~-"---Het aantal theoretische sJotels werd volgens Sorel en volgens Ponchon-Savarit

berekend.

a.l'1ethode volgens Sorel.

Bij deze methode heeft men een zog. x-y diagram nodig,waarin de met elkaar in

evenwicht verkerende samenstellingen in vloeistof en damp in molfracties tegen

elkaar zijn uitgezet.Het bedoelde diagram(grafiek 1) is ontleend aan lit.~.

Om de kolom door te kunnen rekenen is verder een relatie nodig tussen de

samen-stelling van de vloeistof,die van de ne schotel naar beneden loopt,en de

samen-stelling van de damp,die van de n+1e schotel omhoog stijgt:de werklijn.

In fig.4 is de kolom geschetst;er geldt: L

=

G +1+ K? (1 ),waarin de let.sps

n n .

-Ol molenstromen voorstellen. Tevens is:

r - - - }

Jt+/

fig. 4

Lnxn= G_{n+1Yn+1 +} K_{2XX2 (2),met x en Y molfracties.}

De voeding(F

2) is gesplitst te denken in een

molen-stroom qF

2 kokende vloeistof en een molenstroom

(1-q)F

2 verzadigde damp.De warmte balans voor deze

splitsing levert: F

2wF2

=

qF 2w + (1-q)F 2W. (3) ,waarin w,W warmte inhoud

per gmol.Uit

(3)

volgt:q

=

~~F2

(4).

Bij gegeven samenstelling van de voeding en gegeven temperatuur,is q als volgt te berekenen:

o

.

,

18.

Gegeven is : soort.w. furfural 0,416 kcal/kg~ en soort.w.water: 1 kcal/kg~.

"c

De _{voeding F2 bevat 94,2 gew.% furfural(blz.13),op basis van 90}00 is dan:

(temperatuur F2=300C;mol.gew. water=18 en mol.gew.furfural= 96)

=-(0,942 x 0g416 + 0,058 x 1 ) x 60 = 2 07 k a l / I

w_F2 ~ ~ - , c gmo.

~o + 18 - - -

-Met een samenstelling van 94,2 gew.% furfural komt een molfractie van

XF2~0~7J~ overéén.Het punt F₂ ligt nu in het enthalpie-samenstellingsdiagram vast;W en w zijn bepaald door het snijpunt van de nodenlijn door F

2 met resp.

de damp- en de vloeistof tak in dit diagram.(grafiek 2).Dit levert:

vI =9,02 kcal/gmol en w= 0,22 kcal/gmol.

. ) 9 02 + 2 07

Deze waarden geven bij 1nvullen in (4 : q= 9;02 _ 0;22 = 1,26. Stellen we de vleeistofstroom door de kolom constant,dan is L = qF

2 of:

n .

Ln= 1,26F₂,dit geeft met (1) en

(2):

qF₂ ~

Y +1

=

F -K x - -F-=-_-K_- xK2 (5).

n q 2 2 n q 2 -~

cm

met vgl. (5) verder te kunnen werken,moet eerst de grootte van F₂ bepaald

worden.Zoals op blz.17 is vermeld benadert de samenstelling van de topdamp

} (D1) ,die van de az~ottoop.De toptemperatuur van de kolom is nu op 100

0_C

ge-(\\\(\J~,

steld,dit blij~~_9vereeD te komen met een samenstelling van 39,2 gew.%

fur-f .... _.'

_,,_'/ i fural(lit.5,fig.3) of YD1 = 0,1 OS.Beschouwing van grafiek 1 leert,dat we nu

~. \fl ') ( )

~

J..""1("""" ",) ,evenwicht op de bov~~~te, voedingsschotet schotel mogen aarmemen •

. I L

lt .'

stofbalans voor de kolom luidt:

~ '( \ \ ... \ II I I I , I I '

\ ,ct\)\ " _{F2= D1 +} ~ (6) en x'F2F

2

= 7- _{D1 D1 +} XX2~ (7) ,waarin de accenten

massa-stromen, resp. gewichtsfracties aangeven.

" I

Daar

K2

= 97,2 kg/h en ~ gesteld wordt op 0,9995,i8 met YD1 = 0,392,

,

,

0,942 x F2 = 0,392( F2- 97,2) + 0,9995 x 97,2. _

r

Dit levert een voedingsstroom van 107,38 kg,!h of F2 ~ 1400 gmol/h. \

De topstroom is dus(6): 107,38 - 97,2 = 10,18 kg/h;D1= 10,18 kg/h

Met een samenstelling van het ketelproduct van 99,95% furfural komt een mol.

fractie ~= 0,9973 overéén.Deze waarden geven in (5) :

~' _ 1 ,26 x 1400 1 039

Yn+1 -1,26x140:) -1039 xn - 1,26x1400 _1039 0,9973.

of: Yn+1 = 2,433 xn - 1,429 (8) •

De kolom is nu door te rekenen:de eerst schotel heeft een vloeistof met

samen-stelling ~2= 0,754;m.b.v. vgl. (8) vinden we voor de damp om-hoog komend van

de tweede schotel de y,die met behulp van grafiek 1 de vloeist6fsamenstelling

c

. I;

'J' "

,

'

. (

- - - -- - - - -- - - . _ - ~ - - - ---'-'--- -19.

Deze berekening geeft:

1 e schotel: ~ ~2

=

0,754 ; Y1

=

YD1

=

0,108.

2e schotel: Y2

=

2,433 x 0,754 - 1,429

=

_{0,405.Grafiek 1 geeft: x2}

=

0,935 3e schotel: Y3

=

2,433 x 0,935 - 1,429

=

0,846." " x₃

=

0,980

,

,

"

x4

=

0,994 4e schotel: Y4

=

2,433 x 0,980 - 1,429

=

0,9~6. 5e schotel: Y 5

=

2,433 x 0,994 - 1,429

=

0,989.

Aangezien het ketelproduct een molfractie ~2

=

dus 5 theoretische schotels nodig.

" _{" x5}

=

0,998. 0,9973 moet hebben, zijn er

b.Methode volgens Ponchon-Savarit.

Wegens de grote temperatuurval in de kolom (toptemperatuut:100o

C,bodemtem-peratuur:161,50C~,werd tevens een methode toegepast,die niet zoals die van

Sorel een constante temperatuur in de kolom veronderstelt.

Voor de constructie volgens Ponchon-Savarit is een samenstellings-enthalpie diagram nodig.Dit werd als volgt verkregen:

Voor verschillende vloeistofsamenstellingen werd uit fig.3 van lit.5 de kook-temperatuur van het beschouwde mengsel furfural-water bij 1 ata. bepaald. Vervolgens werd de enthalpie van de vloeistof bij die temperatuur m.b.v. de

o

samenstelling cp een basis w

=

0 voor 90 6 berekend.Met de direct Dit de samen-stelling te berekenen corresponderende molfractie ligt het vloeistofpunt in het diagram vast;uit deze mol fractie volgt uit grafiek 1 de molfractie

fur-fural van de met de vloeistof in evenwicht verkerende damp. Voor de damp wordt dan ook de enthalpie corresponderend met de samenstelling berekend;het zo ge-vonden damppunt is met het vloeistofpunt door een nodenlijn verbonden.Bij vloei-stoffen met meer dan 98% furfural geeft

ge

.

figuur 3(lit.S) geen nauwkeurige waarden meer en werd daarom van de damp1cant ar'perekmid.

De

resultaten zijn in tabel 2 verenigd,en in de grafieken 2 en 3 getekend. mol.fr.vIst. _w mol.fr.d I' _{molfr.d W}

W

I

!

mol.fr.v w

x kcal/ _Y kcal/

I

x kcal/ Y kcal/

gmol. gmol. gmol gmol

... ~--...-._ .. ,_ ...

_-

- , .. ~._~----

--

-0 0,18 0 9,0 0,819 0,50 0,126 9,15 0,0018 0,1805 1),0173 9,01 0,903 0,87 0,184 9,39 0,0204 0,18 0,081: 9,01 0,936 1,54 0,404 10,03 0,429 0,22 0,095 9,02 0,969 2,35 0,745 11,16 0,628 0,22 0,095 9,04 0,994 2,79 0,955' 11,93 0,682 0,29 0,095 9,06 1,0 2,87 1,0 12,1 0,745 0,3/+ 0,105 9,08 Tabel 2

·

,

C'

-·t

20.

Tevensis in grafiek 3 het voedingspunt F? opgenomen,als berekend op blz.18.

De voeding is gesplitst te denken in een netto molenstroom omhoog,gelijk aan D

1 en een nettomolenstroom omlaag: N. Blijkbaar geldt: F₂ = D

1 + N (9).

De molenstroom N is gelijk aan K₂ (1039 gmol/h) en ligt op een afstand Q/fi

2 onder de vloeistof tak van het diagram,waarin Q de per uur aan de kolom toe-gevoerde warmte is.

Uit vgl. (6) volgt dat Q gegeven wordt door:

, 1 ,

Q

=

qD1 D1 + qK2K2 - qF2F2 (10)

Op grond van de samenstellingen van de verschillende stromen,blijktjdat de ge-middelde soortelijke warmten de volgende waarden hebben~

s.w.F2=

O~450 kca~kic;s.w'D1=

0,771

kcal/k~en

s.w._K2= 0,416

kcal/kg~C

De gemiddelde verdampings"rarmte van D

1 is: 335 kcal/kg.

Op een basis van 900C volgt met de bekende stofstromen uit (10): ( T D1 = 1 oooe, TK2 = 161, 5 0 e en T F2= 30 0 e) Q = (0,771 x 10 + 335 ) x 10,18 + 0,416 x 71,5 x 97,2 + 0,450 x 60 x 107,38= =9280 kcal/h.

Dus: Q/~ = 9280/1039= 8,39 kcal/grool,Daar w_K2= 2,83(tabel 2),en XK2=0,9973, ligt het punt N bij w= -6,10 en x= 0,997 in grafiek

3.

Door het ontbreken van de reflux,ligt het punt D

1 bij y=0,108 op de damptak. Uit grafiek 3 blijkt,dat aan de door (9) gestelde voorwaa_{rde,dat F2 D1}

_,

~n N op een rechte lijn moeten liggen vol~aan is.De verhouding tussen de lijnstuk-ken:F

2D1 en F2N (2,67 in grafiek 3) komt goed overéén met de verhouding tus-sen d.e molenstromen K2 en D1:1039/385,4 = 2,69.

Men begint de constructie op de vloeistoflijn bij de samenstelling 0,997;de nodenlijn door dit punt levert de dampsamenstelling en-enthalpie hiermee in evenwicht,deze gasstroom omhoog staat in relatie met de van de bovengelegen

schote~tromende vloeistof volgens: G

n+1

=ta -.

(zie vgl. 9)

De rechte door G

n+1 en N bepaalt dus het vloeistofpunt van de volgende schotel.

Zo construeert men door totdat de gewenste topdampsamenstelling wordt bereikt, dit blijkt na

5

schotels het geval te zijn:dezelfde uitkomst dus als onder a..

De kolom moet dus 5 theoretische schotels bevatten.

2. Berekening van hoogte en diameter van de kolom.

Lit. 17 geeft op blz.347 een fornrule,waa.ruit men het gasdebiet bij zo effi-cient mogelijk werkende kolom kan berekenen:

G

=If

v

(PI -

P

v ) I X C (11 ).

Waarin G hetgampdebiet is in lbs/hr.sq.ft ;fv en!'l de dichtheden zijn van resp, damp en vloeistof,in lbs/cu.ft en e een factor is bepaald door schotelafstand en oppervlaktespanning van de vloeistof.

21 •

(-

~

v

~

·

Bij een schotelafstanc3 va~30 ,~ (ong, 12 inch) en oppervlaktes'Pa.'1ning boven

de 20 dyne/cm(opp.sp. water:'59 dyne/cm en opp.sp.furfural 40 dyne/cm) heeft

C

de waarde 265.(lit.17).

De toptemperatuur is 100oC:dichtheid Heter=0,958 g/cm3 en dichtheid futfural

= 1,07 g/cm3;uit deze gegevens en de bekende samenstellingen van vloeistof

en damp bij de top van de kolom, volgt dat voor de tOP:fv =0,87 x 10-3 glcm3 =

=0,054 lbs/cu.ft en

f

I =1,06 glcm3

=

66,1 lbs/cu.ft.

Uit (11) volgt dus voor de top,die de diameter van de kolom bepaalt:

G= 265 x\)0,054( 66,1 - 0,054)' = 501 lbs/hr.sq.ft. --_.-"\...-

-'---,

I

~

!

?

._I":'

~!ll!IJ'~t"'.OIl1

D 1 is 1 0, 18 kg/h (bl •• 1 8) e.m. 22,4 1 bs/br • 2 2\

.

Q/

~~'i

\

-

r

De

benodigde doorsnede voor de kolom is dus:22,4!501 = 0,045 ft.= 41,6 cm

I

VI

t::.~JJ

.

Hiermee correspondeert een diameter van 7,3 cm. i

~'\-X(

àin-'tot een nauwkeuriger diameter te komen is nu het volgende overwogen:

De gevonden waarde geeft aan, dat de kolom als gepakte kolom zal moeten worden

uitgevoerd.J~t. 17 geeft in fig.367 op blz.362 tussen twee grootheden (12) en

(13) een verband,waaruit de snelheid van de damp voor een gepakte~olom,zoda­

nig dat ~ juist "flooding' I optreedt,valt te berekenen.Een gepakte kolom

, t

b]

Iwerkt op zijn "floodingpunt" het beste,in de practijk berekent men de kolom

(.) î;:' , op 75% van de gevonden snelheid. (lit.16, blz. 618).

~(;.jl ' 0' ~

~

l-

~

r \

h-·

De

genoemde grootheden zijn:

I

~~

1

0

1

V

2

[

a~

0,2 (12) en

~

V

pv ' (13) ;waarin:

~

_ge

Y!

'

₁₁

IJ

·f

V

f

₁

v= de gevraagde gassnelheid in de lege toren (ft/sec)

g =versnelling van de zwaartekracht (32,2 lb.mass.ft/lb.force sec) c

a

=

totale oppervlak van de pakking per cu.ft gepakte kolom (sq.ft/cu.ft)

X

=

porositeit van de pakking ( cu.ft/cu.ft)

V = dampdebiet (lbs/hr sq.ft)

L

=

vloeistofdebiet (,,)

p=

viscositeit van de vloeistof (centipoises)

Voor de in de top van de kolom heersende condities,is uit de gegevens,dat de

viscositiet van water bij 100oC:0,284 cP. en die van furfural:0,68 cP is,de~

op 0,65 cP gesteld.

Voor een pakking van ~- in. Raschigringen,die voor een K<?ede dim~nsionering van

de kolom ge\oTenst bleek,is a/X3

=

406.Verder zijn gegeven:b I/V=97,z:l10,18 =

....

----_._

-=

9,55 ;f v =0,054 lbs/cu.ft ;

f.

] =

66,1 lbs/cu.ft •

De term (13) levert dus: 9,55\]0,054/66,1

=

0,273.

Uit de genoemde figuur 367 volgt nu voor de term (12) : 0,06.

?

Dus~

v;x 406 x

~6°f4

x 0,650,2 = 0,06 ;of v2 = 6,35 (ft/sec)2

.1-•

22.

Hieruit volgt dus dat de kolom "flooding " vertoont bij een dampsnelheid v= 2,5 ft/sec.

We berekenen de kolom dus op een dampsnelheid van:! x 2,5 x 30,48= 57,2cm/sec.

De volumestroom aan damp door de top is

:D~

/

p

v = 10,18 / 0,87 = 11,7 m;h De doorsnede van de kolom wordt dus: 11,7 / 3600 x 0,57

=

5,68 x 10-3 m • Hieruit volgt een kolomdiameter van!\

k

x 5,68 X 10-3'

=

0,085 m.

V

3,14

Lit. 17 geeft op blz.347 enige gegevens over de pakkinghoogte in een kolom overééekomend met een theoretische schotel(H.E.T.P).Hieruit blijkt dat een 'vaarde hiervoor van 1 ft redelijkis;overéénk:omend met de op blz.21 aange-nomen schotelafstand van 30 cm.Daar de kolom 5 theoretische schotels moet

be-vatten,wordt de hoogte van het gepakte kolomdeel dus: 1,5~ m.

De berekening leert dus dat de furfuralkolom,gepakt met

t

in.Raschigringen,

o

werkend onder atmosferische druk,met een toptemperatuur van 100 C,een hoogte moet hebben van 150 cm,bij

'.

23.

Berekening warmtewisselaar voor de koeling van de gecondenseerde topdamp uit de stripkolom. (nr. 12 i~_~otocoEie)

Gevolgd werd de rekenmethode van Mc. Adams uit "Heat Transmission- blz.

360 e.v.

Bij deze methode wordt uitgaande van de apparaatkosten een optimum warm-tewisselaar berekend.

Gebruikte grootheden.

2 2

A oppervlak m , :ft

C verpompingskosten gulden/ft lb CA apparaatkosten gulden/ft2jaar o soort.warmte BTU/lb.oF D diameter pijpen :ft G massasnelheid lb/ft2br

K

karakterestieke factor

L

pijplengte ft N aantal. pijpen o t temperatuur F U warmte overdrachts 2 0

coëffieient totaal BTU/ ft hr F. V snelheid rt/hr, mVseo.

ex

warmteovardraohts coëffioient

BTU/ft2~

hr

?t.

warmte geleidingsvermogen BTU/ft OF hr

2

dyne visoosi tei t lb/hr .ft

~ massastroom lb/hr

t

dichtheid lb/ft3

Constanten uit Me. Adams.

AO

=

0,68 ~

=

0,055 A₂

=

0,023 ~ = 0,33 B

=

1 o N = 2 K

=

1 F

=

1 8 gc

= 4,17

x 10 M = 0,2 M = 0,15 -9 C=7,7x10.

APparaatkosten: over 5 jaar: CA

=

34,7 x 10

-5

CAI

e

=

45 x 1

cY •

Stofstroomgegevens:

\

'-, - -('~

• ' I

A

• J

- - -

-Koelw.ter:

Te koelen fluïdum, mengsel furfural,

methanol, water.

o

=

1 cal/grOe

=

1 BTU/lboF c

=

0,65 cal/gr oe

=

0,65 lb/hr ft.

f

= 0,8 e.p. = 1,94 lb/hr ft

1

=

0,7 e.p.

=

1,69 lb/hr ft.

Î

= 1 000 kg/m3

=

52,4 lb/ ft3

;1

= 930 kg/m3 = 59,5 lb/ ft3

/1

= .Q,5? J/moe sec = 0,34 BTU/ftOFhr

It

= 0,30 J/m secoe = 0,176 BTU/ft oF hr

/,---",. --. .- -~ , ' - ._"- ----.

/ / /T.tn

~

-

~

I

>,(LCl l-<-

1

T

=

90 Oe ' \ r '

~

;

T. uit= 400

e

;

~ e~û

(1,;6

".,-t,,'>

/n

= 30

oe

I

t \

S .

, Î AI) -.J ui t !

,''t/

\"V

4

'>''

.

--_ ...

_--l

~l",t~'

'''',

De"

'''

~tofconstnten

voor het mengsel werden aangenomen, benevens Tin

=

90 oe

t / '

>'

mengsel = 547 2 kg/h

,

ui

t

C xL1

t

1 x ~ = C x ~

t

2 x

ç6

2. P1 I P2 of 1 x 20 x

9f

= 0,65 x 60 x 547,2 volgt: fkoelwater

=

1067 kg/h

B

:

P

koelwater

Ij

r}

mengsel = 1067 kgjhr = 2270 lbjhr

=

547,2 kg/hr= 121 0 lb/hr

~

\

,

(

WJ'

~~C

j

I r \

o.;~~~

u . (\ 'v\".

\

W-

.. '

Bereken:tng I. 11

\w

~~~;

;:;;::<

Gekozen

Pijpdiamet~

:;

" ,/"

o\~J

..

/

~

;p

~e

pijpen

het~len

mengsel

0

0

~(

"

Index i door pijpen, index 0 langs pijpen.

Nu is: t _m

=

45°F.

ç6

i

=

(t2-~

)i 4 t i Bi

=

1 +

~

f6iFs~

o ti = 22,5 F.

(2ir)2/3

_L

=

_22,5

~

=

1 + 2 x 1 x 0,023

=

1,04 16,6 x 1,25 x 0,055 1 6 0,2

=

1,04 x 0,055 x ,9 8 2 2x4,17x10 x 59,3 x 0,0142

=

16,6

=

5J10 -14 0,2

=

2 x 1 x 0.68 x 0,25 x 1.94 ' _{8 2}

o

15 _{0 15} =77.5.10 -14 3,14x4,17x10x62,4 x 0,0208 ' x 0,17

.

\ c I ~ .1 . .' I'· .~ \ r /' --- -~ '-. ( ~ \ ~ , t . ~ . -. ~ o ,'-' ., -..-..!.'- . r n

- -25. 4 t =

45°F

j

z = 1 z = D _~ = 1,47

.1

t: = 22,5OF i 0 Di Do = 0,0208 ft Di = 0,0142 ft wanddikte = 0,0033 ft

I

0.4 x C/CKi

J

0,357 G i = 1 + 1,4 ( zi _ 0,21 (1 + zi) ) 1 + Z 0

!

f,357

14,05 x 105 =

O,~

x

!.~

x

1

~ ~ ~

x

10-14

= ₍ lb 1 + 1,4 ( 1 _

°

21 ( 1 + 1.-1) _ft2_hr 1 + 1,47

I

°

267 x C JCK

j

0,351 G

=

,

~ 0 o 1 + 1,267 (z _ 0,286(1 + zo) ) o (1+ z i ) 0,351

_jO.267X45X1if

I

77,5 X 10-4

j

- 1 + 1,267 (1,47 _ 0,21 : 2,47 )

=

3,416 x 105 ( _ftlb 2_hr G_i =

VJ.ji

zodat v. = 14,05 x 10 5 = _{2,37 x 10}4 ft/hr ~ 59,3 = 2,01 m/sec.

G

=

vof zodat v

=

2all16 x 10

5

₌

_{5,47 x 1}

_a3

_ft/hr 0 0 0 0 62,4 = 0,46 nVsec. o G 0,67

=

A!F s

(D~

)i O,? ( ' -) )

o o t... , \ (' 0 o

-26.

0(.

J. 0,67 0,023/1 ,25 ( ) ( 0,65 x 1,69 ) 0,65 x 14,05 x 105 0,176

=

5 0,2 (O,0142x14,05x10) ( 0( c G Nu is FL

=:l

4 )0

(

Qj...

)0 0,67 .~/Fs

=

À

(~

)0 0,4

ex:

0

=

419

B~!ft2

OF hr

l"

. i 4 ~ l \ ~ '. i..l~l" .

-1

=

1

1

₁₁

_~ + + + U O(i 0( À À.. 0 w v 1

=

1

+..1-+

0,0033 25,9 + 0,0016 U 759 419 2,2 x

(G1UC~

x

(~

-tt

2 )1

m 1,69 L

=

0, 01

42

x Q..&2..JC 14,05 x 1 ()5 x 108

-

=

34,8 ft

=

10,6 m

4

220

45

Verder is A. .1.-'

=

lnl.-T. 4

Het aantal pijpen is dus

Voorts i~ Ao

=

~

=

Go

-4

2 1,586 x 1 0 f t N

=

2270 8,6 x 10-4

-4

1,586 x 10

=

5 3,4 x 105

=

0,67 x 10-2 ft 2

=

6

_{,7 x 10}

-3

ft 2

,J o v __ I ~ o

,

. r ,'\ -1 -,I o ,\ .'. \ " o en I ~

27.

Is deze warmte wisselaar constructief mogelijk indien we hem uitvoeren

als een 2 passeswisselaar?

De schets laat zien dat bij gekozen diameter van de buitenpijp D = 3d +

4t

d = Sd alle 10 pijpen geplaatst kunnen worden.

Dan is het oppervlak van de buitenpijp

-

.t-tZ

(5d)2

=

8,5 x 10-3 ft2 Oppervlak van de 10 binnenpijpen is 10 x

t

Tl d2 = 3,4 x 10-3 ft2 Over voor koelwater langs pijpen

Vereist is evenwel ter verkrijging van de optimale snelheid van het koelwater 6,7 x 10-3ft2, zodat de pijpen zelfs nog iets verder uit

elkaar moeten staan. Constructie dus mogeHjk.

Conclusie:

11

Gebruikt kan worden een warmte wisselaar met

t

pijpe~

Aantal buizen

5,

twee passes zodat de lengte

Snelheid door de buizen Vi

=

2,01 m/sec.

Snelheid langs de buizen v _o

=

0,46 m/sec.

wordt 5,30 IJl'.

/

950

x

2

x

6,3

x 10-3

-3

= 17.100.

I'

· ~. '!

\ \ (Re)o -2

=

1000 x 0,46 x 1.26 x 10 0,8 x 10-3

=

7710

waarin m

=

hydraulysche straal

=

0pR.doorstroomde doorsnede.

wandomtrek 10 pj.jpen

Beide stromingen zijn dus turbulent.

Berekening-2 ...

1//

Gebruikte pijpen 4

Koelwater door de pijpen.

Index i stroming door pijpen.

Index 0 stroming langs pijpen.

Nu is: 28.

D.

ti

=

22,5 OF

IJ

t = 45 OF

~

m=

(~

- t₂ )i Ó ti

=

..1.2

22,5 x ( 1 x 1,94 ) 2/3

=

5,12 0,34 Bi

=

1 + _{N K1A2}

=

IJ

F sAi 1 + 2 x 1 x 0,023 0,055 x 1,25 x 5,12

=

1,13 ---L- _ _

o 2

=

1.13 x 0,055 x 1.94 '

=

5,13 x 10-14 8 2 0 2 G _i

=

0,4 x CA / C.t_i 2 x 4,17 x 10 x 62,4 x 0,0142 '

o

15 2 x 1 x 0,68 x 0,25 x 1,69 ' 8 2 0 l ' 3,14 x 4,17 x 10 x 59,3 x 0,0208' x 0,17 -14

=

85 x 10 1 + 1,4 ( zi - 0,21 (1 1 + z _o

=

13,9~

x 105 ( !b ) ..J ft hr

\ -..' \ ' -_IL .\ \~r _ ,...., ,I I _~ ____ f"I: "_ \ .<:...- =-IL' .'L '

,

_t ( ' . ~) ~' o o

x - - - -Go

=

i

0,267 x CA / CKo 1 + 1,267 (z -o 0,286 ( 1 +

io)

( 1 +

Z

ij

( °,26

₇

x 45.103

!

85.10 - 14 1 + 1,267 (1,47 _ 0,286 ;._~

=

29. 0,351 = 0,351

=

..12,93 x 1 05 _ ':J

G_i

=

Vi~i zodat Vi

=

22,16 x 1 cr rt/hr

=

1,88 m/sec.

/ - 62,4 G = v,~ zodat v

=

o 3,4x105 _':J = 5,76 x 1cr rt/hr

=

0,49 m/sec.

0 / 0

_59,3 (

~

i 5 ) ( 1 x 1 ,94 ) 0,67 1 x 13,9 x 10 0,34

=

0,023/1 ,25 ( 0.0142 x 1 3 .9 x 1 05 ) 1,94 0,2 (

) ( 7t)0

0,67

₌

~

IF

_{s 8.4} (DG/

)0

(

0<

0 ) (0,65 x 1,69 ) 0,67 0,65 x 3,4 x 105 0,176

=

0,33/1,25 ( 0,0208 x 3.4 x 105 ) 0,4 1,69 ..L _ _ _ _

o ~ .. (': i _{<- . t} -.\ ~ r' '1 n

•

_ .'l \ .0 o n . ~ -~. -, ~ r o ()