Bereiding van Polystyreen

1 I i , ( I I

.

.

)-

~.

Û

,

Bereiding van Polystyreen

door A. Kappelhoff

Inleiding

..

_---Polystyreen is als stof reeds meer dan een eeuw bwkend(l), is door Staudinger en anderen diepgaand onderzocht(2) en wordt in de tegenwoordige tijd uitgebreid als kunststof gebruikt.

De kunststof heeft uitstekende mechanische eigenschappen,is resistent tegen baseb en zuren1en heeft uitstekende e1ectrische eigen schappen en een ~~~~}5:J~eJ.~1k u1:.!-er1ijk.

Ondanks het feit,dat de stof reeds spoedig,n.1. bij een

tem--peratuur van 90°0 week wordt,zijn dan ook tal van toepassingen bekend,bij~ als isolat1emateriaa1)le voor zeekabels,2e in de techniek der hoogfre. quente wisse1stromen,3e.in radio 's en 4e in apparaten met met e1ectro-nen buizen;op huishoudelijk gebied voor kammen,drinkglazen,dozen,ciga-rettenkokers,dekbladen voor tafels en verder voor instrumentenborden, 1enzen,hars in lakken, als bindmiddel in microscopische preparaten enz.

De productie van polystyreen zal dan ook wel groot zijnj cij-fers hierover komen echter in de literatuur niet voor,evenm1n als over

de kostprijs.

De bereiding van polystyreen valt uiteen in de volgende onder delen:

a) de bereiding van styreen.

b-) de zuivering van styreen.

cl de polymerisatie vam styreen.

Hiervan zal het onder a) genoemde behandeld worden door

E.Zeilinga,het overige door A.Kappe1hoff.

. Wij hebben een fabriek ontworpen voor een productie van ca,450 ton polystyreen per maand.

Literatuuet

1) Ind~~n~.Ohem. 34 1097 (1942)

2) H.S~inger e.a. Die Hochmo1ecu1airen Org, Verb , Berlin ';

. Ju1ius Springer 1932. Trans'. Far ,Soc. ~ 97 (1936)

He1v.Chim.Acta 12 934 (1929)

Z.Phys.Ohem. ~171 129 (1935) 3) Modern Plastics 20 No 5 98 (1943)

Groggins Unit Prcess in Org.Chem.

\

,

\ ~ -- .. ti ' .. ₍ .. ₎ .... " • .! ; t .. .. ~~ ~'. ,

....

DE ZUIVERING EN DE POLYMERISATIE VAN STYREEN

---~---~---~--LITERATUUROVERZICHT VOOR

DE ZUIVERING VAN

STYREEN

---~---_{Voor de zuiveri~ yan styreen staan, afhankelijk van de gevolgde}

bereidingsmethode,verschillend~ wegen open.

Phenylaethyn' kan verwijderd worden door behandelen met alkalimetaal suspensies(1~2);aldehyden,ontstaan door langdurige opslag,door koken met aminen( 3) • '

Voor de zuivering van styreen, verkregen door dehydrogeneren van Aethyl-bemzeen,is destillatie vo1doen~;hetgeen echter ook moeilijkheden met zich brengt. '

Het dehydrogeneeringsmengsel bevat globaal 40~ styr~en en 60

%

aethyl-I

.lu p~~zeen,enke1e procenten tC}lue~n en benzeen en dan nog teerproducten,

A zoelst byv .diphenylmeth~a~.~ .

De -kookpunten van oél'ae eerstgenoemden zijn 146 ttn 136 OC~ zodat de schei

ding zeer zorgvuldig dient te geschieden. .

Verder polymeriseert styreen zeer gemakkelijk, zodat waar deze stof in ho ge concentratie aanwezig is,ook in aanwezigheid van ·een inhibitor,de

temperatuur niet boven 100

°c

mag stijgen.(4)

Men heeft wel getracht de destillatie azeotroplsch uit te'voeren(5,6,7, 8),doch dit heeft niet tot bevredigende resultaten geleid,aangezien

slec~ts ca.50 % v.h. styreen ineens zuiver verkregen wordt,het regene-reren van de toegevoegde component vaak moeilijk is en het thermisch effect ongunstig.

Vrijwel uitsluitend wordt dan ook de destillatie zonder toevoeging van een component uitgevoerd',waarbij dan vacuüm wordt toegepast(4,5,9,lO, 11,12,13,14,15,16,17,18). '

In de opslag van het ruwe styreen wordt een inhibitor toegevoegd en wel meestal 0,01 %'hydrochinon,maar ook welp

.aminophenol(19),tert.bu-tylpyrocatechol(20,2l) of p.benzy1aminophenol(20).Dit maakt verder

toe-f

I

voegen van een inhibitor Eeeft het toevoegen van een bij inhibitor in de opSlag het destilleren onnodig. niet plaatsgevonden, ,

\ ftan wordt bij het destilleren wel zwavel toegevoegd(22) Bij de destillatie wordt eerst gescheiden in

a. äethy1benzeen met de lagerkokende bestanddelen b. styreen met de hogerkokende ·bestanddelen. '

Tengevolge van het geringe kookpuntsverschil,zou hiervoor een kolom ,van:t80 platen nodig zijn,waardoo~ het drukverschil tussen top en bodem

zo groot zou wObden,dat de temperatuur boven de toelaatbare waarde zou komen.

j

I

Deze bew~rking wordt daarom uitgevoerd in twee kelommen,waarvan de levert

eers~ a.aethylbenzeen met de lagerkokende bestanddelen

b.80~ styreen,hetgeen aan de tweede kolom toegevoerd wordt.

deze levert dan

a.60 ~ aethylbenzeen,hetgeen teruggaat naar de eerste kolom b.styreen met de teerproducten aan de bodem.

Hierdoor wordt bereikt,dat de temperatuur beneden 100 tC gehouden kan '.

worden.

De verder opwerking der fractie's geschiedt door fractioneren,waar no-dig in vacuum.

De destillatie-verliezen behoevén niet meer-dan 2 % te bedragen. '

Wij hebben een destillatie aparatuur ontworp~n,welke per maand ca. 450 ton styreen kan verwerken.

Literatuur. 1

U_:

S

.

2 423 388 2 2 413 255 3 2 376 346 4 C.I.O.S. XXII 21 5 U,"-S. 2 381 996

6 Ind' Eng Chem. ~

7 U.S. 2 411 106 2 308 229 9 Ch.Met.Eng. §J 10 B.I.O.S. 750 . 11 C.I.O.S.XXVII 6 11 C.I.O.S.XXVII 85 12 C.I.O.S.XXIX 62 -14 U.S. 2 p76 ;346 15 2 389 445 16 2 ~92 289 17 Ch. Eng.News. ~, ~90. (1944) 1149 (1946) 18 Ind.Chem.Eng. ~, 1267 (1942) 19 Can. 442 478 20 U.S. 2 361 538

No

.

2

159 (1944) 21 2 397 653 22 Can. 407 428 1 j

\.' ~ Jr'.! i '.'r

1

"~ "

"

('

LITERATUUROVERZICHT VOOR DE POLYMERISATIE VAN STYREEN

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

_-.

De pelymerisatie van styreen is een/ kete~eactie, welke als velgt

plaats vindt (1,2,3)

-a) Styreen~ geutiveerd styreen.

h) Geactiveerd· styreen + n. mol styreen'-t polystyreen met actieve

c) Desact~vering van de eindgreepen. eindgreepen. ." Het-activeren kan plaatsvinden deer warmte (thermisch),

photo-chemisch, of katal~tisch.

Het aangroeien kan zdl geschieden', dat rechte 'of vertakte ketens

entstaan. Kl€ine'heeveelheden divinylbenzeen kunnen aanleiding geven

tet vertakkingen, ze zelfs dat het preduct niet meer thermeplastisch

iSf. deze stef mag dan eek niet in het styreen voerkernen "(1). <

Vooral ~ij hoge temperatuur ontstaan, oek met zuiver styreen

vertakkingen (1). '

Het desactlveren kan plaatsvinden door het samensmelten van twee

aa~greeiende ketens, het epnemen van een radicaal ef het samentreffen

me~ enzuiverheden. ' '

De eigebs chappen van het product worden bepaald doOr,

10) De gemiddelde molecuulgl"ootte, welke'hoog moet zijn

20 ) Af'w1jklngen van de gemiddelde molec~ulgrootte, welke zo gering,

, mogelijk moeten zijn

.3°) Vertakte meleculen, welke ze weinig megelijk aanwezig meeten zijn.

Teneinde een goed product te krijgen moeten er dus niet al te veel

geactiveerde moleculen ontstaan en mag de temperatuur dus niet te hoog

stijgen. ~ t

De pelymerlsa tiewarmte bedraagt 15000 cal. per mel. (5) ~' zedat bij

onvel-deende warmte afveer de reactie eenmaal in gang zijnde zich sterk zeu

versnellen en de temperatuur enorm deen stijgen.

Teneinde een geed preduct te verkrijgen is het dan oek neodzakelijk de temperatuur volledig te beheersen.

-- '. Men bereikt dit min, of meer volledig deer:

a) Pelymerisatie met kleine heeveelheden-(6,7)

b) Pelymerisatie.in een eplesmidde1 (8 9,10,11,12,13,14) ' ' .

c) Pelymerisatie in emulsie ef suspensie met een katalllsater·(15J..lBJ..17,

- l8,19,~0,~l)

d) Thermische polymerisatie in speciale apparaten, waarin de temperatuur

gecontroleerd kan werden(~~

e) Gedeeltelijke pelymerisatie (tet 30%) gevelgd deer afdestilleren van,

niet emgezet styreen (19,22)

De onder a) en b) geneemde methoden'geven eeri slecht product, wat

betreft de mechanl~che' elgenschappen, terwijl deze voor pOlystyreen,

verkregen met de onder cO, d) en e) vermelde methoden ~eel 'beter zijn.

Emulsie ef suspensiepelymerisatie heeft echter het nadeel, 'dat het

produát noeit geheel zuiver is, waardeer electrische en eptische

eigen-schappen minder goed zijn. .

De onder d) en e) genoemde polymerlsatiemethoden geven in alle opzich-~­

ten uitstekende pelystyrenen. Omdat echter bij -de laatste methode

aan-zienlijke hoeveelheden styreen in vacuum verdampt en dan weer

geconden-seerd moetàn worden, hebben wij de thermische' polymerisatle in een app~

raat met scherpe temperatuurcontrole verkezen. Llteratuur:

1) Grogglns, Uni~ proeesses ln organlc synthesls,1947 .

2) J .Am.Chem.Soc. ~', :.1.145 (1946)

3) ,

29,

2446 (1943)

4) Modern Plastles 20,no. 5, 97 (1943)

5) J.Am.Chem.Soc., ~,' 1432 (1943) 6) Gel". 261 68q 15) Ned.' 59 '166 7) 291 299 16) 59 014 8)

u.s.

1 855 413 17) U.S. 2 283 069 9) Brit. 319 590 18) C.1.0.S. XVII 6 10) ,U.S. 2 288 935 19) XXIX '62 11) :Erit. 570 152 20) U.S. 2 317 138 '

12) J.Phys.Chem.

ii,

211 (1945)21) Brit. 582 134 '

13) Brlt~ 579 248 22) Ind.Eng.Chem.

!Q,

654 (1948)

r

I

I

I

I

I

\

.

..-I i ~c..­

,

I

I

11 1

BESCHRIJVING VAN HET SCHEMA

~-~---.-~---~---De dehydrogenatoren leveren per uur 1563 kg van een mengsel, dat

bevat 40% styreen, 58,1

%

aethy1benzeen, 1,2 % benzeen en tolueen en

0,7 % teeI'.

HieI'uit wordt geproduceerd 612 kg styreen van 99,5 % zuiverheid, de

destillatieverliezen zijn dus ca. 2 % •

De centrifugaalpomp 25 brengt het reactiemengSeli via het meet-instrument 39 op de 2le plaat van de destilleerkolom •

Deze is 18 m hoog, 2 m' in diameter, bevat 45 platen en is gemaakt van

staal, gevoerd met tin.

De kolom werkt aan de top met 25 mm kwik en 48°0 en aan de bodem met

,175 mm kwik en 95°0.

De reflux· bedraagt 4:1, warmtetoevoer vindt plaats in de reboiler 11.

Deo top is via de koelers 5 en 6 en het regelventiel 15, waarmee de'druk

op de juiste waarde gehouden wordt, verbonden aan de vacuum1eiding,

waarin door de stoominjector 19 de druk op 10 mm gehouden wordt.

Uit de koeler I stroomt bij een temperatuur van 39°0 aethylbenzeen met

1% styreen in de tank 20~ Uit de koeler 6, welke met pekel gekoeld

wordt cp _2°0, stroomt 75,1 kg per uur van een mengsel van 75%

aethyl-benzeen en 25% aethyl-benzeen en tolueen naar de tank 23 (zie later).

Uit de tank 20 wordt door de centrifugaalpomp 27, via het'

meetinstru-ment 40 de reflux op kolom 1 gepompt en door de centrifugaalpomp 28

860,2 kg per uur. 99% aethylbenzeen en 1% styreen teruggevoerd naar de

dehydrogenator.ran de bodem van kolom 1 wordt door de centrifugaalpomp

26 935}9 kg per uur van een mengsel van 79% styreen, 19,8% en 1,2% teer

gebracnt op de 16e plaat, van de kolmm 3.

Deze is 12 m hoog, 2 m in diameter, bevat 26 platen en is gemaakt van

staal, gevoerd met tin.

De kolom werkt aan de top met 15 mm kwik en 350_{G en aan de bodem met}

70 mm kwik en 800 _G.

De reflux bedraagt 8:1, warmtetoevoer vindt plaats in de reboiler 12.

De top is via de koelers 7 en 8 en het regelventiel 16, waarmee de druk

op de gewenste hoogte wordt gehouden, verbonden met de vacuumleiding..

Uit de koeler 7 stroomt bij een temperatuur van 15°0 een mengsel van

40% styreen en 60% aethylbenzeen in de tank 21. Uit de koeler 8, welke

met pekel gekoeld wordt op -2°0, stroomt in. geringe hoeveelheid een

mengsel vam aethylbenzeen, styreen en tolueen en benzeen op de

voedings-plaat van kolom 1.

Uit ~e tank 21 pompt de centrifugaalpomp 29, via het mee~instrument 41a

de reflux op kolom 3 en de centrifugaalpomp 30,. via het meetinstrument

42 308,3 kg per uur van een mengsel van 40% styreen en 60% aethylbenzeen

op de voedlngsplaat van kolom 1. ' I

De centrifugaalpomp 32 brengt 627,6 kg per uur van het bodemproduct,

bestaande uit 98,.3% styreen en 1,7% teer, via het meetinstrument 43 op

I

een vierde van zijn hoogte in kolom 2. ~

Deze is 18 m hoog, 1 m in diameter en ls gevuld met Raschig-ringen.

De kolom werkt aan de top met 10 mm kwik en 350_{G en aan de bodem met}

45 mm kwik en 800_G.

De refl~bedraagt 0,4:1, warmtetoevoer vindt plaats door de reboiler 13

De top is via de koelers 9 en 10~het regelventiel 17, waarmee de druk

op de gewenste hoogte gehouden wordt, verbonden aan de vacuumleiding.

Uit de koelers 9 en 10 stroomt bij resp. 15°0 en -2°e 99,5~-ig styreen

in de tank 22. Hieruit pompt de centrifugaa.lpomp 33, via het

meetinstru-ment 44 de reflux op kolom 2 en de centrifugaalpomp 34 het eindproduct

n.l. 612 kg per uur 99,5 %-ig styreen naar de polymerisatoren.

Van de bodem van kolom 2 brengt de centrifugaalpomp 31 15,8 kg per uur

van een. mengsel van 50% styreen en 50% teer .terug in de fabriek, waar

het als brandstof wordt gebruikt.

Zoals reeds werd meegedeeld, ontvangt de tank 23 75,2 kg per uur van een

mengsel van 75% aethylbenzeen en 25% benzeen en tolueen. Dit wordt door

de cent~ifugaalpomp 35, via het meetinstrument 45, gebr~cht op de 25e

plaat van de kolom 4.

Deze is. 18 m hoog, 0,8 m in diameter, bevat 60 platen en is uitgevoerd

in staal gevoerd met tin.

De kolom werkt. onder atmosferische druk, aan de top met'lOOoO en aan

de bodem met 1400C.

De reflux· bedraagt 12;1, warmtetoevoer vindt plaats door de reboiler 14.

Het bodemproduct, 56,4 kg per uur aethylbenzeen, wordt door de

centri-fugaalpomp 36 teruggevoerd naar de dehydrogenatoren.

Het topproduct wordt gecondenseerd in de ko~ler 18 en stroomt dan in de

46 op de kolom 4 brengt.

De pomp 38 voert 18,8 kg per uur benzeen en tolueen naar de benzeen

raffinage.

Zoals reeds werd -medegedeeld,wordt door de centrif~gaalpomp 34 612

kg per uur %BEX 99,~ %-ig styreen afgevooerd. .

Dit wordt verdeeld over l6 polymerisatoeen,welke elk 44 kg per. uur styree

kunnen verwerken,en waarvan er dus twee buiten bedrijf staan, teneinde

gereinigd te worden. - _ I

Het styreen stroomt via de filters 47 en de meetinstrumenten 48 naar de \

voorpolymerisatoren 49.Dit zijn Al.ketels van ca 2000'l,voorzlen van een

roerder,welkemet de pakkingsbussen 50 afgesloten zijn,~n van een

ver-warmingsspiraal. _

Deze laatstè kan naar wens gevoed worden met ko~d of warm water,waardoor

de temperatuur zeer nauwkeurig op 80 %0 gebouden kan worden.De ketels .

bevatten 1400 kg.styreen,zodat de gemiddelde reactie duur ca. 32 uur is.

In de pakkingbussen wordt stikstof ingeleid, waardoor styreendamp afgevoerd .wordt en dus vastlopen van de roerders,door vorming van polystyreen

voor-komen wordt;

De stikstof,beladen met styreen,wordt ~n de koelers

51

met pekel gekoeld

en stroomt dan via de afscheiders 52 naar de buitenlucht.Het.styreen,dat '

zich in de afscheiders 52 verzamelt,stroomt naar de polymeristie toen (54).

Het tot 30% gepolymeriseerde styreen stroomt uit de yoorpolymerisatoren

naar de pOlymerisatietoren(54).

Deze is 6m.hoog en lm.in diameter en' vervaa~digd van ede~staal,byv.V2A.

'Teneinde luchttoetreding te verhinderen,wordt sJ~kstof boven in de toren

. geleid,welk.e alvorens naar de buitenlucht te stromen ont9-aan wordt van

styreen in de met pekel, gekoelde terugyloeikoeler 53 . '

-De to~en bestaat UiD 6 segmenten,elk voorzien van een verwarmingsmantel

en, behalve d~ bovenste,ook van een verwarmingsspiraal.

De toren~tot op de helft van het bovenste segment ,gevuld met

polymeri-serend styreen,wat langsaam door de toren na~r beneden zakt.

De verwarmingselementen worden van boven naar beneden gevoed met

stoom van resp 100,100,150,180,180 en 180 °O,waardoor de temperatuur van

boven naar beneden regelmatig stijgt.

De stof is zo visceus,dat geen convectiestr9mingen optreden(hiertoe

dient dan ook het voorpolymeriseren),zodat het styreen xxx ge~ei«elijk bij

hogere temperatuur polymeriseert.Onder in de toren is geen m0l.l0meer styreen

meer aanwezig. ~~-L~ -

-Via de conus 55 en 4ÎPjS~f 58,welke ~lectrisch op 180°0 verwarmd

worden,wordt het polystyreen,door twee s~leten van6Ox4 mm.op de

transport-band 59 gedrukt.De schroef wordt door de electromoter 57,yia de regelkast

56, aangedreven: .

Op de transportband wordt, het hete product door de koelwalsen 61,60

welke gevoed worden met water,afgekoel~en dan toegevoerd aan ~e breker

62.Deze'slaat het product in kleine stukjes. Opslag, vindt p1.aats in de

,.

,

BEREKENING VAN EEN ONDERDEEL VAN HET SCHEMA

---Berekend wordt de koeler 5,we1ke tot taak heeft het topproduct van de

kolom 1 te condenseren.

Hiertoe zullen wij eerst de samenstelling van dit product berekenen.

~e samenstelling van het topproduct van kolom 1.

~

..

. ; +---~---~---. ~

!

₁

' \.

Uit koeler 11 stroomt bij een

tem~eratuur van _2°0 een men6se1 van -5,3 .. kg. tOlueen(T) 12,5 kg. benzeen (B) en55,4 kg.athylbenzeen(EB~.De molaire ~amenstel1ing is 10% T,19,2% B en 70,8

%

EB.

De damp~panningen van deze stoffen b~ven zuive~e

v1~stoffen zijn 8,8 ,22 en 2 mm.- ' - 2."C

Volgens de wet van Henry zijn de d~ spanningen boven het hier verkregen mengsel 1 5 en 1 mme ,

In een gasmengsel zijn ~ de druk~an van de componenten evenre-dig aan d~ gewichtshoeveelheid en omgekeerd evenredig aan de mo1.gew. De druk van de fnge1ekte lucht is 25-7=18 mm;en indien men deze hoe, veel-heid X kg.stelt,worden de hoeveelheden benzeen enz.,die ve~~oren

gaan:

11

Q' '

a

B= X "l~&- ' Ïtf'

OR. '" 1-~ . ~

Î ü,/I lu '

G&IJ = '"f.. ~.f.;; kvf!'\-!- ' -

-Uit koner II lBêft:.t. als, condensaat 12,5 kg.B,6,3 kg.T en 56 4kg.EB. welke

hoevee1heden

i

vermeerderd met de hierboven berekende hoeveelheden dIe

ver-loren gaan,a s damp uit koeler I ontw~jken.

De dampspann1ngen in dit product worden dan:

\ p =JO

I'"

f Il.,

J"1"f/;,

.

f,; ,IC)

-;

*'3

/

lt1/.r-l,r+ Ni ,.-L)t) , u.tf' lIP , / " --' P /# t I, J 1"

% '

/:7> 1-I· " '~ ,.... ~"'-I i T - V ' 'IJ. '

J ,_,~I 'î il, I~~ !!.§.. • ..L y...

V" .tt!, ~ /<fl

PE.I1':: 1 0

-!.!.I

'1--'

P L ~ I~. -&1.,,' $"1. 1" i~t' r -.L'

. .,. ~'7J r

De totaal spanning moet 25 mm. zijn,waaruit zich laat berekenen,dat X=13 k~. .

Hieruit volgt dan wee~,dat:

Uit koele~II als gas

ontwijkt en het totale

dest111~at bestaat uit 2;7 kg.EB 2;3 kg'. T 9₁7 kg'.B 1;5 kg.L/MÁJ. 910;9 kg.EB 8;6 kg,T 22;2 kg.B 8,5 kg. styreen (st) ---~---Totaal . 950,2 kg.

Aangez1en de ref1ux 4:1 bedraagt,wordt als reflux, toegevoerd 4x 905,2kg. van een mengsel van 99% EB en 1%St.,d.1. ~762,8 kg EB en 38.- kg.St.

Dus aan koeler I w9rdt toegevoerd ,

4673;7 kg-EB ~Q'fM";'.

46;5 kg:St De druk be~aagt ~ de temperatuur 480C. 22,2 kg. B Bet mengsel' is verzadIgd

aa~

EB.

8,6 kg. T

13 kg.L

uit koeler I wordt afgevoerd als gas:

59; 2 kg'.EB

De temperatuur bedraagt 30'C.

8;6 kg'.T 22',2 kg'.B 13. kg.L

Uit koe1e~' I wordt afgevoerd als condensaat: 4514;5 kg. EB

46,5 kg. st

De temperatuur hiervan is niet gegeven, doch

Hit deze gegevens is de af te voeren warmte

....

zal. • 39°C' zijn

De af te voeren warmte.

Afgevoerd moet worden: de condensatie warm •••

de koelwarmte van het condensaat

de koelwarmte van het niet _~econdenseerde deel. De verdampin&swarmte van EB is 'bij 135, 2°C 339 J 6

J/

g,die van B bij 135°C 340,2J/g en bij 48°C'4l6 J/g •

Hieruit werd'gevoncludeerd,dat' de condensatie warmte -van EB bij -480C 415 J/g= 178,5 Btu/lb bedraagt. .

De

condensatie warmte van St is niet bekend,deze werd gelijk 'gesteld aan die van EB.

Men krij gt dan voor de condensatie' 'warmte: 4661 x 2,205 x 178,5 = 1833575 Btu.

De s.w.van EB is bij ,0oC 1,645 J/g en bji 30 ,oC 1,711 J/g,dus bij 450C 1,744 J/g. .

De koelwarmte voor het condensaat bedraagt:

4661,0 x 1000 x 1,7444 x 9 xO,OO09486= 69400 Btu.

Dw s.w. van B,.T en EB in de gasphase is niet bekend,deze is gelijk ge-steld aan die van methe,an, welke' bedraagt 0,10 g. cal

I

g

De s. w. van lucht is

°

~O-g. call g.

-Het temp.verschil is léGc,de hoeveelheid lucht 13 kg. ,de hoeveelheid organische stof 80·k. g •

i

zodat de afte voeren warmte bedaagt:

. (80 x -0,1 + 13- x 0,5 x · 8) 3,968 = 639 Btu.

In tataal is dus af te· voer.en 3 " 1833575+69400+639 = 1904 x 10% Btu. Het gemiddeld temperatuur verschil.

~---~---~---Voor de te condenseren stof is de invoer temperatuur

T

₁=1190F en de af-voer temperatuur T2= 86°F.

Van het ko~lwater wordt de invoer temperatuurz.we1ke bepaald wordt door klimatologische omstandigheden,gesteld op t ₁=oO OF.

De afvoer temperatuur is gekozen op t₂=104 9F • . . .

Het gemiddelde temperatuurverschil wordt gegeven door de formule

l:!, t:*,=l~,;'-~f~

/:"

,waarin ~t'en ~

e:

voorstellen het temperatuurverschil

tussen ko~wáfer aan de ingang en de uitgang van de koeler.

f is een correctie factor,welke afhangt van de' manier waarop de koeler is uitgevoerd.De hierbesproken koeler is uitgevoerd met twee shelpasses en vier tube passes. Volgens Perry is dan f=0,8l,voor de hier bestaande temperaturen, 4~ AI:.,.: }j/J.oF. .

Voorlopige berekening va~het koeloppervlam en van de lengte van de buizen

---~---~---~---q=U

ACAt:J,

waRrin U de overall coeff.,A het koeloppervlak en A ~ het

gemid-deld temperatuur verschil-voorstel!. . ongeveer gelijk aan 300. ' .

De gevonden wa8.rden geven dan voor /,-;:A 300 ft!

I

Volgens Perry is U voor' condenserende organische dampen tegenover water U

Als koelbuizen willen wij gebruiken stalen buizen met een uitwendige

dia-! meter van 1 ilit., een dikte van 0,065 in. ,welke per voet iengè-e een opP. t.

-I

van 0,2618 fta:: -bezitten. - . ,

~

De totale lengee van de koelbuizen wordt dan globaal 1200 ft.

Wij hebben 200 buizen genemen,waarbij de lengte ca. 6

ft.

wordt.

~e hoeveelheid koelwater.

~~---~._---Af te voeren is 1904x· 103~6tu. .

Cpvop:~er is bij de gemiddelde temperatuur 1 kg.cal./~B=' 1,8 Btu/lb. Het ~ van het koelwater is dus 1904 x 103;11,8= 1058~lb.

Wij 'hebben 200 buizen in een vier paaskoeler,het ~e'per buis wordt dus 1058 x 103 = 21 16~t.l b ~

-50 - , •

De gemiddelde ,temraeratuur van het koelwater is 77J',de dichtheid hierbij is 977kg/m3=

91(:'

~s~4An3

:3

ft:) 21,16.10 .61020 3/

Het volume wordt da. in buis h 997.2,205 2

De inwendige doorsnede is 0,59447 in

De lineaire snelheid wordt dus 82300 ft/he

i I I I I

I

1 \ \ \ I I I

i

! : i I \

·

1

I

-I

J I r.--\

Berekening van de Filmcoeffi~iënt voor het Koelwater(h)

..

-

...

_-_

..

_-_

..

_---_

..

--

,.

---_

..

-_

..

.

---~---De filmcoefficient voor koelende vloiestoffen in buizen wo»d~ gegeven door de vergelijking .; ;i

td<lIV

'

(!J, J(~

.AV

(J/ l/

_ ",p,oJ,.1.,) f

k

"

-Ir

V,de iineaire ,,9nelheid. ' . : t~'

Bij 770F is'deze 82300'ft/h.Bij 50o_{F.,de intreee-nélhe'ld,is de'dichtheid van}

water Jl-OOO',bij 104 ,oF,de uitreetemperatuur,is de dichtheidO,992 en bij 77 OF 0; 9.97 .De sne1h..eden zijn o.e.met de di1Jhtheid,zodat .. '

Vi =8200 ft/h en Va =82640 ft/h.,

k,de thermische geleidbaarheid. Deze is voor water bij, 32

1

oF 0,307 en bij 140 ~F 0,385 •

k1= 0,345'en ka=0,357 Btu h ft2 _OF/ft

f

,de dichtheid

fl=6,2421b/ rt3 . fz= 6,193 1bjrt3

. ,

~,de' viscositeit

~1= 1,3077 c p6ise=3,1633 lb/h ft

..A'~=o,6560

c pOise:1,58,6,9 .•

4/.I!f.

Cp,de'soortelfjke warmte.

C

_p1

=1,804 Btujlb _{Cp2 =1,795} ~U/1b

D,de «aBkam.MB~ diameter 0,87/12 Deze waarden in de formule geven

h₁=673j2

hz =770,8 ·Btujft.2 h OF

ft,.

Berekening van de warmte doorlaatbaërheid van de buizen.

---Deze wordt gegeven door de formules /, I IJ ...:. ~ ~ /

~ t$" .~::- ~{ , . ~ ... IJ ..

"'"r

A ~ .-If ,~ ~ U<.

4.

~,..

-

J,J~"I' ~_""'~p-:;I~~ ~

' .

Iopr s(áal is ~ bij ~4°F 26j2-en bij 212 OF 25,9

Dus bij ~190F-24,5,1040F· 25,o,86 OF 26,2 en 50 OF 26,2, dus is ki= 24,7 en ka=~6,7

De doorlaatbaarheid wordt dan

2~12 xlÖ~ ~n2~3i ~ lÖ~

.

Bsrekening van de filmcoefficient voor het EB.

--

---

.

----

.

-_

...

---_

....

----

-

--

---_

..

-_

....

---

..

-....

.

.

Deze wordt ~egeven door de formules

"r

.{

)f

.'

(W

'

)

tJ

/

1

, ' <J.J..L.

'

~

-0

...:

;

O,,,~,py

- - ... (j)../h.- . /::.

o,

!

'1 3

1.

1.(

~)

r.

{~

f

~ ~,2' / ~ . ÁI~ A-t.

Wanneer de term ~ ' groter is dan l,020,geldt de eerste formule,anders de tweede "M -=6

De constanten moeten genomen'worden bij de temperatuurva~ de film, welke ~ls volgt benaderd kan worden(zie figuur) I

De temperatuur van de wand wordt geschat(t ) De temperatuur van de film is dan i./~ t,+ t ... W

Bij deze temperatuur wordt de filméoeéf:ficient(h) berekend.

Men berekent ~anLde temperatuur van de wand uit de formule t:. ,t.,.''I\t ..

, \u h, .. l\..

Indien deze~overeenstemt metde oors~ronke1ijkaangen~omen temperatuur, is de berekening klaar,anders berekent men bij de nieuw gevonden tf weer h,controleert weer twen herhaalt dit tot overeenstemmende waaBden zijn

gevonden.

Bij de afvoer van het EB is tj=86 0F,ta:::500F.T

dan wordt tr=71 OF tw wordt geschat op

/t

.i

S

tF,

~ ,de viscositeit

bij 11,418_{C is deze 0,74~ c poise en bij 32,90 °C O,5?2 c poise.}

bij 71 tF,d.i.21,5

°6

is de visc.dus 0,663 c Poise: 1,052 lb/h ft

,..

W ,de hoevee1he1d condensaat p~r, bu1s.·

Deze bedraagt 46611200 kg. D= . ::~. 1/12-1n. kt'

De viscositeit wordt ca. 1 lbjh ft,zodat de term ~7 groter is

dan 1,020 en men voor de berekening van h dé·formu1e(1) moet gebru1ken.

k,de thermische geleidbaarheid.

Voor benzeen is .deze bij 86 Of 0,~88 en b1j ·140

OF

0,0879

Voor tolueen b1j 86 'P 0;0881 en bij 167 OF O,08~,~or 1nterpoleeren

voor tolueen bij ·140 tF ~_.O, Od''iJ . . • '

-H1el'uit 1s voo:r. EB ges.ehat -bij 86 o.F 0:'08' en' bij 140 oF' 0,018

Door Interpo1eeren wohdt dus voor EB k=0,093'; bIJ 71 !'F:

.

P

,de dichtheid. - .

Voor EB .1s '.~.'. of

co

868 g/co

4}.11

Oe..

.

.

De ~1tzettlngsooeit.vodr benzeen ls. 0,00111.' .

IndIen men aannneemt dat deze vooeBB de 'zelfde _ aarde beett,

wordt bIJ 11 o~

f

.

0,861 g/00:0,861 x~2,34 1~tta

g,de versnelling van de zwaartekracht 4,18 x 10i tt/hB

D,de

d1amete~

1/12 in. :

De hIêrxtk berekende constanten geven in de formule (1) .

-

h

.

103,3.

Voor de ~ont]?ole van de filmt.emperatuur ,moet eerst

a.

ooe'f10ient van

de wand. de wat.~film berekend woorden

Voorde wand 1s ~ .2· 12..~0-4

Voor de

waterr1lm~1 .=6~3,2

. . _

h voor

EB

1s berekend op 103,3.Aangezien echter nIet condenseerbaar

gas aanwezig is,moe~dezl me~ ca.10

%

verminderd worden.

Uit de formule t.","- '~ ... lt( ,vindt men voor

tw

55,4 tF

En tr wordt dan 70 7

'F

~

h is berekend

voo

~l °F,~odat

nog een kleine correctie moet worden

aan-gebraeht.

Bij de invoer van het EB, bedraagt de temp.v.~.E~B. t ₁=-119 op en die

van het wat.~ ta =104 oF. - .

De temperatuur van de wa'~ word~ geschat op 106'.F,zodat ~f.~l&,5 op

.,

-Op de zelfde' manier berekend als bi,rb6ve~ worden~ : ' ; . . . ,'. . .

~ =0,498 x 1,5869 lb;h ft. k=0,082,

P

=0,866 x 63,43, lb-tta en h=105,5

Indien men wegens niet condenseerbare ~assen h=lOO ~le~~ de

controle voor de filmtemperatuur.tr=ll ,6°P _Udt . _ _

Voor het EB is dus bepaa1d·h=103,3 bij 71°F 8n105,5 bij-.11-2,6 ,OF

De filmtemperaturen.zijn.ln we~kelijkheid 70,7°F enl12,6~F.

De correcties die hiervoo~ aangebracht zouden moeten worden vallen .~ter

in het niet voor die welke wegens niet condenseerbare gassen aangebracht

moeten worden. .

Wij-·hebben dus bij de ~nvoer van het EB h=93 en bij de uitvoer h*100

gesteld.

.

.

• , # • •

Bereken1ng v~ de overalleoefficient . ~ .) ,.'

-~---~--~--~---Deze wordt gegevan door de vergelijking

Berekend is

~\

Bij de afvoer vanhet· EB is

Voor het wate~ h=673₁2 . -4

Voor de wand~~ c2!lG x 10

Voor het EB '1r h=93 .

Zodat U=79

Bij de afvoer van het EB is

Voor het water h=770₁8 -4

Voor de wand ~ =3 ,3~ x 10

Voor het EB , h=lOO .

. .

.

. ,

Zodat Ua =85.

I?e gemiddeld ove~al1 coefficient wo~t gegeven door de vergelijking

U _ tJ L _ U , !Jk.- - . 1..J~~. Ut

Berekening van de lengte van de koelbuizen.

---~---. .

I

I

I

I

I

I

i

J ! I,J.

I

~

I t Uit de vel"gelijking '1'= L/ A ft;.. t ... )

volgt,dat het koelend oppervlak A-lo80 ft2 ₃

Reeds bepaald wal"en Um=82,5, tm=2l,3 en q=1904

x

10

Het koele2d oppervlak per voet lengte is voor de gebruikte buizen 0,2618 ft ,zodat de lengte wordt 26,8 ft.

De

afmetingen van het aparaat wOl"den dus zeel" onpl"actisch,het aantal koelbuizen, wat wij hebben aangenomen is te laag geweest.

Dit stellen wij thans op 500.

ne

fllmco~fflclenten voor het koelwater moeten dan met een factor

(~)O, vermenigvuldigd worden en worden dan 643,8 en 736,9

h~ • .

De weel"standen VOOl" de wand blijven evenhoog.

De filmtemperaturen zullen iets veranderen.De cOl"rectie hiel"voor in de filmcoefficient voor EB zijn echter klein tegenover die,welke nodig is wegens ingelekt niet condenseerbaar gas.Deze houden dus hun zelfde waal"de.

Men kl"ijgt dan bij de afvoer van het EB watel" h =643

i

8 4

wand =2, 2

x

10· EB h =93

en bij de invoel" van het EB watel" h=736,9 -4

wand =3,35 x 10 EB h=lOO

Hieruit volgt Ul=18,~' U2 =8Y

Waardoor Um=8~,~ wordt.

De lengte van de buizen is omgekeerd evenredig met het aantal buizen en de ovel"al1coefficient,de overige grootheden zijn niet veranderd, zo. dat de lengte wordt 10,9 ft.

lisultaat.

~~---_

..

Voor het condenseeren van het topproduct van de kolom 1 uit het schema kan men gebruik maken van een koelel" welke bevat· ,

500 koelbuizen"van 1 in. uitwendige dIameter en op55 in. wanddikte en 10,Y ft lengte,welke bestaan uit staal.

De koelel",welke is uitgevoerd voor twee shelpasses en' viel" tUbepasses_J moet gevoed wOl"den met 1058 1b/h koe1watel" van 10°C.

1-/0·

Literatuur •

.,---_

..

De physische constanten zijn gevonden in de Cl"it.Tables Càem.Eng.Handbook.

De gebl"uikte formu1e's zijn uit ~

/stoever J Applied Heat Transmission

(Ác.tpt-f-<-J

vr:tI

Badger Mc.Cabe Elements of Chem. Eng.

Chem.Eng.Handbook.

en het