Bereiding van anthrachinon

1. 2.

3.

1.

4. 5. 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.3 5.4

.

i

J ~

I' \

A \ ....

_

-INHOUDS-OPGAVE.

BEREIDING VAN A

N

THRACHINON.

Inleiding pag.

Litteratuurstudie.

De keuze van de methode.

De katalytische oxydatie van anthraceen. De warmtewisseling bij de sublimatietorens. Berekening van

~w

Berekening van U Berekening van (hl )-l -1 Berekening van (ks/ds ) -1 Berekening van

_Cka/da)

Berekening van (hg)-l De waarde van U

Berekening van LlT Berekening van A

Ll

r

rTE

RATUUR-LIJST.

Noot De rode ci.ifers slaan op de li ttera-tuur ;verwi:izingen •

It

"

"

"

" rt

"

"

"

"

"

ft

"

Oey Teng Moh 1 1

3

4 5 7 8

9

10 10 11 11 11 12 Nassaulaan

m

102, Delft. 27, Maart 1953

BEREIDING VAN ANTHRACHINONt

1. INLEIDING.

De bereiding van anthrachinon kan op verschillende manieren gebeuren, waarvan we de voornaamste in paragraaf 2.

zullen samenvatten.

-Bij het ontwerpen van de fabriek hebben we zoveel mogelijk met de Nederlandse gegevens rekening gehouden.

De keuze van de te volgen weg is dan ook bepaald door deze factoren. Alvorens we onze keuze motiveren, willen we eerst een litteratuurstudie voorafelaten gaan.

2. LITTERATUUR8TUDIE.

Antrachinon (=9,10-dihydro-9,lO-dioxo-anthraceen) is het eerst door von Laufrent (1) technisch bereid uit de oxydatie van anthraceen m.b.v. HN03.

Andere oxydatiemiddelen voor dit doel zijn: chroomzuur (,~)

Na-bichromaat + H2 804 • ( 3)

Na-nitraat + Mg-zout bij 2l0~. (4) etc.

We kunnen deze lijst vermeerderen met (~t/m3) chloor en broom in alcohol opl. , H202 , perbenzoëzuur, (10) Mila's reagens

( =

wtterstofsuperoxyde in tert-butanol met osmiumtetroxyde als katalysator) (11) , etc.

De laatste twee zijn oxydatiemiddè:llen voor hogere aroma-tische koolwaterstoffen.

Apart staand van deze oxydatieprocessen is de electrolytische oxydatie van anthraceen (12).

De grondstof wordt gesuspendeerd in zwavelzuur en we gebruiken Ft als anode. Zonder een katalysator is de opbrengst echter

laagt Daarom wordt ceriumsulfaat of H2Cr207 als katalysator toegevoegd, die regenereerbaar is.

We kennen ook andere katalytische oxydaties n.l. in dampfase met lucht. Meestal is de katalysator V205 (13 tlm

15

)

maar de metaaloxiden van de volgende elementen:

U,

Cr, Mn, Co, Ni, Th, Zr, Ti, Ce, etc. zDn voor dit doel óok geschikt.

Uit de litteratuurlijst blijkt, dat de meeste kata-lytische processen door octrooien beschermd worden.

B~ de oxidatie van anthraceen in de dampfase kunnen de volgende reacties optreden:

(1) (2) Cl.4H10 + 30 antnraceen C14HIO + anthraceen 18

°

+ 33 0 _._~

De vormingswarmten uit 1 lb. anthraceen bij deze drie reacties zijn resp. L600, Q200, 17.300, B.T.U.

De kunst is nu om reactie (1) oneindig veel sneller te laten verlopen dan (2) en

(3) ,

hetgeen bewerkstelligd kan worden

door specifieke katalysatoren en de regeling van de temperatuur. Bij gebruik van H

202 en pèr-zuren is het verloop van de reactie iJ !~

~

f\/~/\

-

\

j

-lçÄ. \ "\I,j~ 1 t·\oo\"f 1/\/\ /~ \ 1\ I I

..

l-HJ () ~ _{-~ i ,\l}

_{\ I}

_{--4>- I} 1\ 1\

I

--t ' - Hl.0 ~/\#\~ l ~,

'/"/1

~. \~I '-.,/ \(I ~ \~ \\ 0

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

_-

-

-

--

---

-

-

.

~~i'

~t;i

/

(

./~

~, i.~ ~<.

AI-

... ",

~; ,~"7 ~ - {fo.~

~ ~,. " 'J. ~~ ~ ~ /,,-u.~ : ( . (., j .. 1'.0.-_ • A.J én...

7

"

(.tv 4_~~~ .-a-v -/~ ~~~~4(-..-H.-CV ~ ~ ... ~ ~~

...

,.",

·

.1

( l 't:( •. ..., ;:'~.~4...-.~.

/ L·

.

.

~,./ '~:"L U -~ r---~~''';tl. ~-4<~ ~ft, ... .t. .. .-r:U;; / , .

.

0i

I~

__

It.~~~

,

~ . /fI. 13r'~._~ ~ t-(Itf

•

-2-Hiervoor zijn de volgende oplosmiddelen geschikt (16) : tertiare-alcoholen, nitrillen, aethers ,etc. Als katalysatoren

gebruiken we Os04 , CrO, etc.

De oxydati_e met chroomzuur (17) gebeurt quantitatief en is voor de Amerikaanse omstandigheden pas dàn écenomisch verantwoord , àla~ aan het volgende voldaan kan worden:

a de zuivering van anthraceen mag niet te duur worden.

b

de andere koolteerbestanddelen,n.l. carbazol en phenanthreen worden ook gebruikt of kunnenh~uvinden.

c indien de koolteer niet beter aangewend kan worden voor andere-doeleinden b.v. voor wegdekken etc.

Het terugwinnen van het b~product chroomsulfaat levert ook moei-l~kheden op, zodat dit proces in de Verenigde Staten weinig of niet meer toegepast wordtn

Tot zover hebben we de bereiding van anthrachinon ui t de oxydatie van anthraceen behandeld. Er zi:;n echter nog andere principiele verschillende methoden te vinden.

Diels-Alder-synthese (18)

Hierb~ zijn de grondstoffen ~-naphtochinon en butadieen.

D \I

11

\

/

\

r \\

\

1

V 'cf-I-I JI ()

+

Friedel ~ Crafts - synthese.

Als we phtaalzuuranhydride met benzeen laten condenseren in aanwezigheid van aluminiumchloride , dan krijgen we een z.g. Friedel&Craftsreactie: _1/0

f\f(

#\ AeCQ3 f\ /c,/~

\~ y -tlll - - > 111 111

V'c~ ~/ ~/\:,,,) \,f

o 'o~

Het product is het o-benzoylbenzoëzuur, dat verder door een ring-sluiting tot anthrachinon omgeze§ kan worden:

«

R

t/\/C-..../~ HL':>(),. f\ /(,.)~ I ~ \1

I

-/

\

j\ \\ \ ~/ \(./O'M ( -H,\.) ') \\1

"cl

V ~ ~ v 0

De ringsluiting komt in feite neer op een wateronttrekking en kan op verschillende manieren ~eschieden. Weestal doen we deze door met geco zwavelzuur te verhitten.(13) De phosphorzuren worden ook voor dit doel toegepast (20).

De beschrijving van dit proces vinden we o.a. in (~l).

We kunnen met deze methode vanzelfsprekend ook de derivaten van anthrachinon bereiden, die voor de kleurstoffenindustrie belangrijk zijn C;" l'?, ,.;:_~ ).

Over het mechanisme van de ringsluiting is door Dean en Huffmann ( ~3) een studie gemaakt.

Als we deze korte litteratuuroverzicht eens nalezen dan komen de volgende methoden in aanmerking voor een verdere beschouwing:

Geval A.

A. Oxydatie van anthraceen m.b.v. chroomzuur.

B:

Electrolytische oxydatie van anthraceen.

~. Katalytische oxydatie in dampfase.

D.

Synthese volgens Friedel

&

Crafts -reactie. Deze werd vroeger wel toegepast, tegenwoordig echter minder of niet meer. Het is economisch wel verantwoord, als we het nevenproduct chroomsulfaat aan de leerlooierijen kwijt kunnen raken. In Duitsland gebeurt zelfs het omgekeerde proces n.l. daar wordt anthraceen als reductiemiddel gebruikt b~ de chroomlooierijen ( -24) • Anthrachinon is dan het b"ijproduct.

, - -- - - -- - - -

-

-3-Geval B.

De electrolytische Oxydatie van anthraceen heeft het voordeel, dat het product zuiver wordt verkregen. De apparaten

worden echter duur en voor goede opbrengsten zijn goede katalysa-toren nodig. Wij kunnen van dit proces helaas geen uitvoerige

gegevens vinden. Geval C.

De katalytische oxydatie in dampfase heeft een

I1 goedkoop grondstof bij n.l. lucht. Dit is een algemeen toegepast proces voor de oxydatie van de hogere aromaten( bereiding van

phtaal zuuranhydri de , benzoëzuur, etc. ).Het proces heeft echteD

gereinigde anthraceen als grondstof nodig. De zuivering van anthraceen is duur.

Geval D.

Dit proces wordt vooral in U.S.A. toegepast, omdat daar de reiniging van anthraceen te kostbaar is. Phtaa

lzuuran-hydride is relatief goedkoop, omdat er veel van deze grondstof

geproduceerd wordt. Het werken met aluminiumchloride is echter duur en eist bovendien zuurresistente apparaturen door de vorming van zoutzuur. We merken op,dat de phtaalzuuranhydride verkregen

wordt uit de katalytische oxydatie van naphtaleen.

3.

DE

KEUZE

VAN DE

METH

ODE.

We zullen thans de gevallen C en D naast elkaar beschouwen, om daarna onze keuze te

bepalen.-Zoals we in de inleiding geschreven hebben, is het onze bedoeling geweest om de fabriek in Ne~erland te plaatsen.

det is jammer dat we niet alle gegevens bij elkaar kunnen krijgen. voor een goede vergelijking tussen deze twee methoden. ( prij-zen en onderhoudskosten van de apparaten, arbeidskosten,

energiekosten, etc.)

We moeten ons daarom beperken tot de beschouwing van

de p~~zen van de grondstoffen.

We berekenen deze voor 200 Kg. anthrachinon. Volgens de Friedel

&

Crafts-synthese is nodig:

148 Kg phtaalzuuranhydride à .f2238/ton = f 32

1.-412 Kg benzeen a , f 550/ton = j 227

.-300 Kg AICI a , f1800/ton =

_f

540.-1500 Kg _{H2S0E (100}%) a , =

_f

300

.-totaal ₌ f 198 8.-Nu wordt anthrachinon in Nederland tegen de prijs van

f

4000/ton ingevoerd, zodat 200 Kg kost f800

.-Alhoewel we bij dit proces weliswaar zoutzuur als

bijproduct krijgen en verder het zwavelzuur en de overmaat

benzeen terugwinnen, zien we toch duideli.ik dat di t proces voor Nederland niet rendabel kan zijn. Verder zal de afschr~­

ving van de apparaten aanzienlijk groot worden door de aan-tasting tengevolge van de zoutzuurdampen.

De katalytische oxydatie van anthraceen.

Als grondstoffen gebruiken we anthraceen (93~,)

en lucht.

Uit de steenkoolindustrie kunnen we 40%ige

anthraceen betrekken tegen de pri~s van j250/ton ( kan lager zi,in! )

Voor 200 Kg anthrachinon hebben we 222 Kg 93%-ige anthraceen nodig. Deze wordt uit de met pyridine behandelde 40% ige

anthra-ceeny~ervoor is ongeveer 600 Kg nodig met de prijs van f150

-4-We moeten dus alleen zorgen, dat de totale onkosten voor de

zuivering beneden de f 800. - .f 150. =.f 550. bl~iven.

Voor de zuivering van 600 Kg ruwe anthraceen is ongeveer

2000 Kg pyridine nodig,die we echter terug kunnen winnen

door destillatie. Pyridine is ook een product van de

steen-koolindustrie.

Voor de zuivering van anthraceen bestaan ook veel

processen, die gebruik maken van b.v. furfural ( l, ~) ,

cyclo-hexylamine (3), maleinezuuranhydride (4), xyleen en

solvent-naphta (?), selectieve oplosmiddelen (S), etc. etc.

We hebben besloten om de katalytische oxydatie in

dampfase toe te passen en zijn overeengekomen dat de heer

J.

de Graaf de zuivering van anthraceen voor z~n rekening zal nemen.

Voor de beschrijving van de uitvoering verwijzen

we naar z~n verslag.

4. DE KATALYTISCHE OXYDATIE VAN AN'rH.EtACEEN TOT ANTHRACHINON.

In paragraaf 2. hebben we de verschillende

mogelnkheden beschreven~ De voorwaarde waarbi~ slechts de

vol-gende reactie: 0 ;t\/~/\ \ \\ I I ~/V'\.1j 0 .. - - > 11 ,f\ /\/~\

IJ

1\ ~ \'j( '\1 o

plaats vindt, is door verschillende onderzoe~ers bestudeerd.

'Ne ontlenen ons cijfermateriaal l.H:"'t (l ).

Als oxydatiemiddel nemen we een vóórverwarmde lucht. Verder

wordt stoom toegevoegd, om een te vèrgaande oxydatie te

voor-komen. Hierb~ wordt tevens de kans van de zelfontbranding

verminderd. Om explosies te verhinderen moeten we er voor

zorgen

3

dat de concentratie van anthraceen steeds kleiner dan

30

gim bliift 1

Om een zo groot mogel~k reactieoppervlak te kr~gen,

wordt de katalysator in de reactor over 9 étages verdeeld.

Deze worden gevormd uit geperforeerde ~zeren platen, die

55 mm van elkaar gescheiden z~n.

Als katalysator gebruiken we V 0 en Fe.O op

puimsteen als drager. Spoortjes K

2So4 wo?d~als 2 3

activatoren toegevoegd.

De regeliI1g van_Q.~_temP.eratuur is vanzelfsprekend

b~i dit exotherme proces zeer belangrjjk. Temperaturen tussen

325 - 390

oc.

zijn goed.

Een hoge-druk-warm-water-systeem brengt het g

as-mengsel op de gewenste reactietemperatuur. Dit is te pre-fereren boven een olieverwarming, omdat daardoor het

explo-sie~evaar opgeheven wordt bij eventuele lekken. De temperatuur

is te hoog voor een stoomverwarming. Een ander voordeel van het

systeem is bijvoorbeeld de goede temperatuurregeling. (2)

De oxydatiewarmte moet ook afgevoerd worden door

een koelsysteem.

De bouw van de reactor wordt door deze voorwaarden

gecompliceerd.

'Ne ontwerpen de fabriek voor een productiecapaci tei t

van 10 ton per maand.

Het verloop van het proces.

In de smeltketel wordt de gezuiverde anthraceen Cj3%) g

esmol-ten en hiervan wordt per uur 48,4 kg. (= aequivalent met

45 kg lOO%ige anthraceen )via het meetvat naar de verdamper

overgebracht. V66r het meetvat is nog een filter ingeschakeld.

Het verdampen geschiedt onder toevoeging van een lucht-stoom

mengsel, dat tot 260~. voorverhit was. 3

Per charge hebben we 10 kg stoom en 2t m lucht van 20°C.

-5-Alle toevoerleidingen en mantels van deze apparaten worden

ver-warmd door een H.T.-OeI. ~_ J~J:steem van von Bayer. ( een soort

Dowtherm ).

-Dit gasmengsel wordt in de mengkamer met voorver-warmde lucht (722t m3 van 20°C en 1,2 atm. ) van 278°C.

samen-gebracht en gaat vervolgens door de reactor heen. i, C ••••

In het middendeel van de reactor wordt het mengsel op 31BoC. ~~ . l {~.

opgevoerd. In het katalysatorbed vindt dan de exotherme t . )

oxydatie plaats, waarbij warmte afgevoerd moet worden. ",..

-Voor het schema van de koel- en verwarmingssystemen

verwijzen we naar onze tekening.

Het gasmengsel ( thans lucht, stoom en anthrachinon bevattend ) passeert dan de drie warmtewisselaars en komt met

een temperatuur van 214°C. in de sublimatietorens binnen. Deze zijn van schrapers voorzien en zijn 2 aan 2 parallel ên in serie geschakeld. In deze vier torens wordt er

32,B

%

van de

totale productie afgescheiden. De afkoeling geschiedt met lucht.

Hierna passeert het gasmengsel nog 4 kettingkamers

en tenslotte een Raschigtoren om nagenoeg stofvrij naar de schoorsteen afgevoerd te worden met behulp van 2 blowers.

In de kettingkamer worden de kettingen machinaal geschud

en de daarop gesubli~~ anthrachinon valt dan naar beneden.

De fioeveelneden anthrachinon in de diverse onderdelen

afgescheiden bedragen:

%

totaal zuiverheid sublimatietorens kettingkamer

m

I

'I W 2

"

w

3 " TW 4 Raschigtoren

32.B

%

35,3 %. 7,0

%

5,1

%

4,0

%

15,B

%

99,90%

9

9,97

%

99,96

%

99,94

%

98,68

%

96,35

%

De eindtemperatuur van de afgassen is BO-90°C.

De opbrengst aan anthrachinon bedraagt 95-97

%

van het gewicht der 100

%

ige anthraceen, hetgeen overeenkomt met een theore-tische opbrengst van 82

%

.

De verwarmingsinsta'llaties.

De voorverhitting van de oxydatielucht geschiedt

met gas.

Een H.T.-OeI' C installatie zorgt voor de verwarming van de toevoerleidingen en de mantels van het filtervat,

het meetvat<;de verdamper en hij brengt ook het

stoom-lucht-mengsel op 260°C.

Een hoge-druk-warm-water-systeem (volgens Opitz

&

Lopitz ), dat uit een gasoven, een hogedruk circulatiepomp en een voorraads~ank bestaat, dirigeert het water van 344°C.

vanaf de oven naar de lagen 4,6 en8 van de reactor, dan naar

de lagen 1,2 en 3 om vervolgens via het mmddendeel der reactor naar de oven terug te gaan. De druk is 250 atm. Deze verwarming is nodig om het gasmengsel op de juiste reactietemperatuur

te brengen.

Het koelsysteem.

Dit is gelijk aan het warmwatersysteem, echter

met weglating van de gasoven. Het heeft tot taak de

oxydatie-warmte uit de reactor af te voeren en deze te laten benutten voor de verwarming van de smeltketel. De reactor is dus ziin

warmtebron.

2..

DE WARM'rEWISSELING BLT DE SUBLIMATIETORENS •

De opstelling van de 4 sublimatietorens in de fabriek is schematisch als volgt:

-6-De afmetingen van één zo'n toren z~n

We hebben: inwendige diameter = )20 mm = 1,'707 ft. mantel diameter

=

580 mm

=

1,902 ft. hoogte of lengte =6500

mm

=21,325 ft. 1,7 1,9

!\Rl. ...

r

2,30 2,84

Voor de berekening van de warmtewisseling tussen het warme gasmengsel ( anthrachinon, stoom en veel lucht ) in de toren en de koude lucht in de mantel hebben we de volgende gegevens tot onze beschikking:

temperatuur gasmengsel b~ de invoer = 214 °C. = 4l7·F. ft " If " uitvoer

=

176 QC.

=

349 fF.

In de vier torens wordt er aan anthrachinon per uur afgescheiden

2

2

·-ê.

X 95 ~ 15 kg = 4,6')4 kg

100 100

of per twee torens een hoeveelheid van 2,387 kg

=

2,39 kg. Daar de twee torens in serie slechts door een korte buis aan elkaar verbonden zijn, kunnen we deze twee als één lange beschouwen, waarin per uur 2,39 kg anthrachinon afgezet wordt. De anthrachinonlaag aan de wand zal constant gehouden worden door de schrapers, die voortdurend op en neer bewegen, en we schatten de laagdikte op

5

mm

=

0,0164 ft.

Verder veronderstellen we~dat de afkoelende lucht

in de mantel komt met een temperatuur van 20°C = 6SoF

en uittreedt met een temperatuur van 60°C

=

140°F.

t IIiO'f .. __ . ___ -11~_ - ~l.j1· ~ J-\

IJ' f

~

--L~

~~~==

-

~-

-

--qG.~~'rt.{ ~ - - - ._. "- -~I--- " b\S'~ ~

Hier staat dus het aan de lucht in gel~kstroom.

gasmengse 1 zijn warmte af (

4

...

J

Over een stukje dx wordt per tijdseenheid (= sec.) overgedragen

(lJ

waarin : index w = warmte g ₌ gasmengsel 1 = afkoelende lucht ~TV~ \ U _{= transmissiecoëfficient in}

_{/(fv<\(-,t\(d}

_f T = temperatuur in deg.F.

Sn ₌ omtrek van de doorsnee door het warmtewisselingsoppervlak in ft. dx ₌ lengte in ft.

betekenen.

Schrijven we voor het product van de massastroom en de soor-telijke warmte van het gasmengsel resp. lucht (~.c.)q en

(4

·

c _)1.'

dan geldt: 0 Uit ( ~ ) leiden we af :

dl

'\ o

dT -

dir -=- d (

T- -

~

\

= cl L\T 1 .\.. \ I ...

Inter~ratie geeft :

6.1~~

-

6-I~A"

')L~.U.t'.32.St "lt~Or

t'-J

I

!

-7-N:u is

L

) volgens ( .3 )

en verder is volgens (1 )

d ~W"

=

Li

T

.

U

.

~ . ck .

Ook volgt uit ( ~ )

I \ 6Te.;~

-

~T~Vw

{l<\:C)q -

«pcJt

S

=

-

q)~

d_rl, dL\T - t

q,

~

~

~

-r-

.

__

-\'''' =

-

\~~ ~~;)~

\

LlT.:.~ - 6 ~~''1;M

Dit ingevuld in ( 1' ) levert op

zodat

d:~

=

\

öTw.-.

;:T~

)

.

'V

.

S", dx,. . .. . .(5)

Dit is dus de differentiaalvergelijking voor

U is meestal afhankeli:ik van de plaats en de temperatuur. Als U nu een liniaire functie is van ~T en we de volgende veronderstelling mogen maken:

l

u~

-

U~'1''''

J

(~\T

'

.

~-~t

."')

.

_

_

(

-

-

-

\

/~ 1";",-<1 - /.11 i"r'J)

.. --

'

.

Cl,)

en we deze U in ( 6 ) substitueren, dan kr~gen we na

intergra-tie van x= begin tot x = eind de volgende formule U..;,.,4 Sl~,~ __ ~~~ 6T • ...4

-t

n..

U ... ,.,.. ~T~J

\J"'f.-..J LlI.,;.."a

waarin dan

A

= totale warmtewisselingsoppervlak voorstelt.

Als we nu U onafhankelijk van x en T. mogen veronderstellen

( b~ gassen het geval ) , dan geeft de intergratie van (5 ):

cpw

=

A,

U.

die we gemakkelijker uit ( 1 )

6 i~"" - 6 T~, .... c\

IJ

%

'

-

=

A

. .

ll

T .

. t rn, Alt...,; >ol L'"l"'e.v...q

kunnen afleiden door

u =

U

begin

=

U

eind te stellen.

6.T stelt dus het logari thmische 5emiddelde van Ll T begin

en 6T _eln . d voor.

Voor ons geval gebruiken we formule (8 )

4\

"1 :::

A. LJ. 1T

5.1.

BEREKE

N

I

N

G VAN

~w

~w stelt in ons geval de totaal afgestane warmte door het

gasmengsel voor.

Deze bestaat uit de afkoeling van dit gas van

.

.

(

s

J

.

417°F tot 349 ~ en verder uit de sublimatiewarmte van de

afge-scheiden anthrachinon. We hebben in paragraaf 4 gezien, dat

het gasmengsel (per uur! ) samengesteld is uit:

lucht van 20°C en 1,2 atm. stoom

725 rrf

10 kg

15 kg 100%-ige anthraceen

=

14,2) kg anthrachinon.

Het volume van de lucht bij 6°C en 1 atm. wordt dan :

v

= ;1..1 3 >< _1_ )(

72..

5 m'

o '.l..<j 'S I, :l.. ::: SG'-..Y'-t

f)-n/

= Sb2.gq.L

Nu is de dichtheid van lucht bD ObC en 1 atm. volgens (1

1,2929 gil • Het gewicht van deze hoeveelheid is dan:

562927 ~ 1,2929 g

= 72780

8,32 g

=

727,81 kg.

/,

I,

i

,,"./ :

-8-Het gasmengsel bestaat dus uit:

72~,81 kg lucht (waarvan 14250 -3

- - - >( 32 ><.10

=

2,19 kg

208,2

zuurstof voor de oxydatie is gebruikt.)

10 kg stoom.

14,25 kg anthrachinon. 0,75 kg anthraceen.

Aangezien lucht hier het hoofdbestanddeel is, stellen we dit gasmengsel aequivalent met 750 kg lucht.

Nu is van lucht volgens (~) de soortelijke warmte bii 200

oe

en 1 atm. : cp = 1,01Q joule/gram = 0,2413 cal/go = 0~24l3 kcal/kg. Uit (3) lezen we voor anthrachinon :

smeltwarmte

=

7,78 kcal/mol. verdampingswarmte = 377,0 kcal/mol.

zodat dus de sublimatiewarmte van anthrachinon wordt : 384,78 kcal/mol

~

De afgestane warmte ~w is dan :

750 x(214 - 176) XO,2413 2,39 X 1/208,2 x 103 )<,.384,78

=

6877,05 kcal.

=

4417,02 kcal. 4w

=

11294,07 kcal. ~w = 11294,07 kcal = 44643,54

B.T.U.

~ BEREKENING VAN U

Voor de verwarming of afkoeling in pijpen geldt bij turbulente

stroming de betrekking : waarin Nu

=

0(, (Re) 0,8 (pr

l

...

(

1 ) Nu

=

Re

=

Fr

=

het kengetal van Nusselt

" " " Reynolds

" 1/ " Prandtl voorstellen.

~!}1 Nu bli,ikt uit de experimentele waarnemingen van Colburn (LJ )

y~oor lJJ~ de volgende getallent<-gelden

<x,

=

0,023

p = 0,333

zodat onze formule thans l~idt

Nu = 0,023 (Re)O'~(Pr) 0,333 ••••••••••• (1' )

Nu geschiedt de warmteoverdracht van het ene stromend medium (=het gasmengsel) naar de afkoelende lucht door een wand.

We beschouwen alleen maar de geleiding. Als we met de

filmcoëfficienten rekening houden, en verder de indices 1 en g resp. op de lucht en het gasmengsel slaan , dan is de

totale overdrachtscoëfficient

U

te berekenen uit:

waarin index s index a (U

r

1 = (h(

t

+ (}j~ / d~

r'

+ (ka / d_a

r'

+ (h

d

r'

...

(

2) h= k= cl= ;:: filmcoëfficient. thermische geleidbaarheid de dikte van de laag

staal van de wand

anthrachinon

c - - -- - - . -

-

-9-(hl) -l

5.2.1. BEREKENING VAN

De formule (1') van paragraaf 5.2 schr~ven we thans met de notaties van Mc.Adams (j ) :

waarin

h.De k

h = filmcoëfficient in BTU/(hr)(sq.ft)(de~F)

D

=

diameter in ft.

G = mass velocity in lb/(hr)(sq.ft of cross section) ft = absolute viscosity in lb/(hr)(ft)

cp

=

specific heat at constant pressure in BTU/(lb)(deg:F)

k

=

thermal conductivity in BTU/(hr)(sq.ft)(de~F per ft)

Daar bi.i i s dan :

G = V •

f

••••••••••••••••••••• ( 2)

v

=

average velocity in ft/hr

f

=

density in lb/cu ft.

Nu vinden we in

(

6

)

voor lucht b~ 68°F de volgende getallen :

u

=

O,OQ4

k = 0,0138

P

=

0,0748 Cp = 0,24

VOOr de berekening van hl nemen we als karakteristieke diameter De

=

aequivalent diameter. In ons geval hebben we De= 4m als,

is. Nu is: zodat dus wordt.

m

=

hydraulische straal = doorstroomde vrije ruimte

bevochtigde omtrek

m=

=

i(DÀ. - D, )

•••••••••••••••••••••• ( 3)

De waarde van De in ft wordt dan 1,902 + 1,707 = 0,195 ft.

BEREKENING

VAN DE

PRANDTL.

Pr = • •••••••••••••••••••• ( 4 )

k

=(0,24 x 0,044)/ 0,0138 = 0,765

BEREKENING VAN DE REYNOLDS.

De • V •

P

Re

=

= ••••••••••••••••• (5 )

Hiervan kennen we' de V niet. Uit paragraaf 5.1 lezen we echter ~w

=

11294,07 kcal. Om deze warmte af te voeren , hebben we een hoeveelheid lucht nodig van x kg. , die we berekenen

kunnen uit de volgende betrekking:

~w

=

X)\ (60 - 20 ) x 0,241

waaruit volgt,

x

= 11294,07 / ( 40 x 0,241) = 1170,12 kg. Het volume hiervan is :

•

-10-Verder is de grootte van het doorstroomde oppervlak :

'- " 2 2

i\D:l. /4 - TfDI /4

=

0,54 ft

=

0,0502 m De lineaire snelheid V bedraagt dus :

V

=

904,97 / 0,0502 m/hr

=

18027,5 m/hr

=

59145,34 ft/hr

Dan wordt Re

Re

=

o,195x 59145,34 x 0,0748

=

19606,67 0,044

We hebben Re) 4000 , en de stro~ming is dus inderdaad turbulent!

We mogen dus formule (1) van paragraaf ~ gebruiken.

hl

=

0,0138 _{x 0,023 x (19607)0,8x (0,765)°,333}

=

0,195 = 0,0016277 x 2716 x 0,9149 = ~ = 4,0446 -1 (hl)

=

0,247243 5.2.2. BEREKENING VAN

Uit Perry (7) lezen we voor staal

k = 26 BTU/(hr)(sq.ft)(degOF. per ft) s bij 392G F (= 200°C) • Verder is : d_s

=

3

mm

=

0,00984 ft = 0,01 ft. Dan is dus -1 5.2.3. BEREKENING VAN (ka/da)

De ka is in de litteratuur niet bekend. Aan de hand van enkele tabellen over de thermische geleidbaarheden van vaste stoffen

(kristall~ne stoffen) schatten we :

Opmerking

ka = 0,1 BTU/(hr)(sq.ft)(deg:F per ft)

Bij niet-metallische kristallen wordt de warmte

ge-transporteerd door de roostertrillingen, die des te minder gedempt worden, naarmate de temperatuur lager wordt. Daardoor geldt voor zuivere kristallen

-1

k rv Tabs.

Het zou ons te ver voeren, om de grootte van de ka langs theoretische weg te willen benaderen.

~e hebben verder aangenomen, dat

da = 5 rnrn

=

0,0164 ft is, zodat dus

-1

-11-5.2.4. BEREKENING VAN (hg)-l

Ook hierbfj passen we weer formule (1) van paragraaf 5.2.1

toe. De constanten zijn nu bij 417°F (=214°C) uit (G) na

inter-polatie in dezelfde Angelsaksische eenheden :

)l = 0,0638

k = 0,0203 ~

=

0,2413

f

=

0,0450

Thans is D= Dinw. = Dl = 1,707 ft. BEREKENING VAN

D

E

REYNOLDS

.

Pr

=

0,76

In de stationaire toestand gaat er per uur door de doorsnede

van ~~D~ = 2,30 sq.ft een gasmengsel aequivalent met tx750 kg

lucht van goC en 1 atm. Het volume hiervan is :

t

x

750

x

1/1,2929

=

290,7

m

3

₌

10265,88

cu.ft

De lineaire snelheid van de massa is dus :

'NE krijgen een

V

=

10265,88/2,30

=

4463,43 ftlhr

Re

=

1,707 x 4463,43 x 0,0450

0,0638

De stroom is dus turbulent!

= 5351,918

0,8 0,333

hg

=

0,0203/1,707 x 0,023 x (5352) x (0,76)

=

= 0,0002747 x 961,22 x 0,9145 = 2,4155

5.2.5 DE 'HAARDE VAN U

De totale overdrachtscoëfficient U berekenen we uit :

(h~)' •••••• (2)

=

0,24724 + 0,00038 + 0,164 + 0,41399

=

0,82571

U = 1,2111 BTU

1 (

hr) ( sq. ft) ( de g .oF)

~. BEREKENING VAN ~T

Uit formule (8) van paragraaf

2

zien we, dat 6T

=

~Tbegin - _bTeind ln ~Tbegin I~Teind - ~T _eln . d =(417-68) - (349-140) = 140°F ~Tbegin ~ _6Teind

=

349/209

=

1,6699 ln 1,66)9

=

0,512024 ÓT

=

140

1

0,512024

=

273,43°F

,."...---

-

-i

-12-hl.

BERE

KE

NING VA

N

A

Volgens de cijfers t die we in de voorgaande paragraven

berekend hebben zou het warmtewisse1ingsopperv1ak minstens moeten z~jn A ::

~w

:: U x óT 44643,54 :: :: 134,813 sq.ft 1,2111 x 273,43

Het inwendig oppervlak van de beide torens tezamen bedraagt :

A

=

2

x

5,37

x

21,325

=

229,03

sq.ft

hetgeen dus ruim voldoende is voor deze warmtewisseling.

-0-0-0-0-0-0-(

~

/

~

.

(1) (2) ( 3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) ~~ - ~ - -LI TI'E-::tAlRUUR-L IJST • Bij paragraaf 2.

von Laurent, A.ch.(2) 60 220 ; 72 422 ; A 34 293.

Fritsche, : J. pro lOb 287 (lEbS)

D.R.P. 4,~,063 ; 68,474 ; 78,861 ; 111,359 t13,291

122,852 ; 141,186 ; 164,805

D.R.P. 277,733

Barry-Barnet, E. de : Anthraceen and Anthraquinon~. (1921)

Fierz-David, H.E. : KUnstliche Org.Farbstoffe (1935) Erg.Bd.

Kirk& Othmer. : Encycl.Chem.Technol. Vol. L (1948) 941

Norris-Shreve, R. : 'rhe Chemica1 Process Industries.

Faith, Keyes

&

C1ark : Industria1 Chemicais.

Roitt,I.M.

&

Waters, W.A. : J.Chem.Soc. 3060 (1949)

Cook, J. N. & Schoental,R. : J.Chem.Soc. 47 (19~0)

Creighton,H.J. & Koehler,'fl.A. : Principles and Applications

of Electrochemistry vol.ll 330 (1943) U.S.Patent 1,417,367 ; 1,636,8~6 ; 1,685,635 ; 1,786,350 ; 1,787,417 ; 1,844,335. D.R.Patent 168,291 Frans Patent 676,826 U.S.Patent 2,395,638

Klipstein,K.H. : Ind. ~ eng. Chem. 18 1317 (1326)

Die1s,O.

&

A1der,K. : Ann. 460 110 rI927)

Gleason,H.A. ,~ Dougherty,G.-:-J.Am.Chem.Soc. 51 310 (1929)

Snyder,H.R.

&

Werber, F.X. : J.Am.Chem.Soc. 72 2965(1950)

Harding : Color Trade J. 9 184 (1921)

--GroggIns ,t' H. : Ind. -1: Eng. Chem. 40 1610 (1948)

Deane,Ch •..

?v

.

& Huffrnann,J.R.: Ind.~·Eng.Chem. 35 S84 (1943)

Downs, C. ~~. : Ind. ~: Eng. Chem. 32 1296 (1940)

Bij paragraaf 3.

(1) Jaeger, A.O. : Ind. & Eng. Chem. 20 1330 (1928)

(2) U.S.Patent 1,~97,686 (3) British Patent 611,554 (4) U.S. Patent 2,440,688 () U.S. Patent 2,347,228 (6) British Patent 546,524 (1) (2) Bij paragraaf 4.

B.I.O.S. Fina1 Report W 1148.

von Obering, & Pfänder, A.J. : Chem. Ztg. 74 581 (1951)

Bij paragraaf

5.

(1) Hodgman, C.D. : Handbook of Physics and Chemistry.

(2) International Critical Tables vol. ~ pp.82-83

(3) D'Ans,J. und Lax,E : 'raschenbuch fur Chemiker und Physiker.

(4) Co1burn,A.P. : Trans.

Am.

lnst. Chem. ~ngrs. 30 174(1933)

(5) rlc.Adams,W.H. : Heat Transmission. (1951) pp.lb?

(6) Brown,A.l. ~ Marco,S.M. : Introduction to Heat Transfer.