Fabrieksschema "synthetische rubber"

(1)

I

l

I,

,i\ ~. , I ~~.

.

/ I

FABRIEKSSCHEMA "SYNTHETISCHE RUBBER"

D.Wabeke

Spoorsingel 68

De,lft.

R.Sieders

utenbroeKestraat 27 's-Gravenhage.

(2)

INHOUD

HOOFDSTUK I Inleiding

door D. Wabeke en R. Sieders 1 - 2 HOOFDSTUK 11 Grondstoffen

door D. Wabeke

.3

~

7

HOOFDSTUK 111 -Het Proces

door D. Wabeke 8 -10

en

R.

Sieders 11-14

HOOFDSTUK IV Berekeningen

1) Droger, door

R.

Sieders 15-19 2) Luchtverhitter, door D. Wabeke 20-26

LITERATUURLIJST

27

(3)

Wann~ men een synthetische rubber wenst te fabriceren die met natuurlijke rubber kan concurreren en waaraan verder _, geen bijzondere eisen worden gesteld,. dan is de keuze niet groot. De soorten voor speciale doeleinden, zoals o.a. Perbunan, een' copolymeer van butadieen en acrylonitril; Thiokol,

_"

ti

dichloor:aeJ;Jleen en natriumtetrasulfide; Neopreen· "polymeer II chloropreen;

Butylrubber, een copolymeer van isobuteen en enkele pro-centen isopreen zijnoliebestendig (Perbunan/Thiokol en Neopreen) of hebben een zéer geringe doorlaatbaarheid voor lucht (Butylrubbér) (Lit.

1,6).

Door de grotere chemische bestendigheid mogen deze rubbersoorten soms te verkiezen zijn, voor de bereiding op grot~ schaal komen zij niet in aanmerking, omdat de"prijzen'er van te hoog zijn, terwijl de me~hanische eigenschappen slecht zi~n. Voor de bereiding op grote schaal zal men een keuze moeten doen uit de GR-S soorten rubber die gemaakt zijn door copolymerisatie van butadieen en 'styreen tot een moleculair gewicht van

130.000 - 250.000 (Lit.

7).

·1 Deze polymerisatie, welke in emulsie beter verloopt dan in

/

~

kan men laten verlopen bij 500C. waarbij een vlotte . reactie optreedt.

In de laatste tijd is men er in geslaagd katalysatoren te. vinden die de reactie bij

5

0C redelijk vlot doen verlopen. Deze zgn. tIkoude rubberl! heeft. betere 'eigenschappen dan de GR-S, we~ke bij

50

0C is "bereid. Zo is o.a. de slijtbesten-digheid en de weerstandYtegen veroudering veel" beter. Bovendien vormt butadieen bij 500C een dimeer, dat aan de

la~~n zeer ona~ngename geur geeft '(Li t. 1

tlm

4).

De

C!:~~Jr~bber

kan

~geWijZe

en continu gemaakt worden. De continu-fabricage heeft de volgende voordelen (Lit.

5):

a)

b)

c)

tA~d)

grotere capaciteit bij gelijke kapitaalinvestering; grotère gelijkmatigheid v~n het product;

minder personeel nodig; kleiner energieverbruik.

(4)

In verband met het bovenstaande viel de keus op een fabriek die "koude GR-SII

maakt volgens een continu-proces.

De keuze van de gro~ van de fabriek werd vrij willekeurig bepaald op

3,3

ton/hr in verband met gegevens uit de

(5)

HOOFDSTUK 11. GRONDSTOFFEN

De productie van koude GR-S is bepaald op 3,3 ton/hr

(28.908 ton/jaar). De hoeveelheden butadieen, styreen enz. moetèn berekend worden op 3 ton zuivere rubber, daar er 10% "verontreinigingen" (water, anti-oxydant enz.) in het afgeleverde product voorkomen.

De bereiding geschiedt volgens een voorschrift uit Ind. Eng. Chem. (Lit.9) waarbij de conversie 60% bedraagt na een reactietijd van 15 uur.

De benodigde grondstoffen zijn: 1) Butadieen H₂C=CH-CH=CH₂•

Daar butadieen bij kamertemperatuur en 1 atm. gasvormig is (kpt.

4,6°C),

moeten vervoer en opslag onder druk geschie-den (4-5 atm.). De inhibitor, p-'tertiair-butyl-pyrocatachol, welke voorkomt dat butadieen gaat polymeriseren, moet voor de bereiding van synthetische rubber worden verwijderd door uitwassen met een 3%ige NaOH-oplossing. De zuiverheid van het butadieen moet ten minste 98% zijn. De bereiding van' butadieen kan op verschillende wijzen geschieden, o.a. door d~hydrogeneren van butaan en butenen uit kraakgàssen. Verder uit aetheen, waaruit aethanol en aceetaldehydebereid worden, welke men 'laat condenseren. Dit condensatieproduct wordt gedehydrateerd tot butadieen.

Ook uit acetyleen kan het verkregen worden, nl. .. "ia het aceetaldehy~e en een aldolcondensatie of door condensatie van acetyleen met formaldehyde.

Voor een fabriek in Nederland zouden alleen de beide eerst-genoemde methoden, in verband met de kosten, in aanmerking komen.

2) Styreen C

6H₅CH=CH2

Styreen is bij normale temperatuur en druk een vloeistof, (kpt.145,2oC).

Ook styreen dient te worden opgeslagen met een inhibitor, p-tert.butyl-pyrocatachol, welke echter voor de bereiding _. _, van GR-S niet verwijderd behoeft te worden (Lit.7).

,

(6)

,"

divinylbenzeen l dat' zeer gemakkelijk bij de bereiding van styreen kan'ontstaan l mag er niet in voorkomenl aangezien dat bij de copolymerisatie de vertakkingen in de hand werkt. Styreen. wordt bereid door aikyleren van benzeen met

aethyleen~ gevolgd door dehydrogeneren van de zijketen.

3) Katallsator

De katalysator bij de bereiding van synthetische rubber is een.oxyderende stof welke tevens verbruikt wordt. Een afwijkende betekenis van het begrip katalysator! (Lit.8). Er zijn vele katalysatoren voor dit polymerisatieproces bekendlo.a. a) b) c) d) benzoylperoxyde; " " di-isopropylbenzeenhydroperoxyde; peroxyden van terpentijn;

cumeenhydroperoxyde.

a) Benzoylperoxyde (Li~~9) _{is een zeer actieve katalysator l}

doch in de aanvang van het polymerisatieproces zo actief dat temperatuurcontr8le zeer moeilijk is. Bovendien is benzoylperoxyde zeer duur.

b) Di-isopropylbenzeenhydroperoxyde (Lit.9) is eveneens een zeer actieve katalysatorl doch minder dan

benzoyl-peroxyde; zodat temperatuurcontr8le gemakkelijker wordt. c) Peroxyden van terpentijn (Lit.10)1 welke speciaal zijn onderzocht ter vervanging van katalysatoren welke van

~

benzeen zijn afgeleidl zijn ook alleen te beschouwen als vervangingsmiddelen in tijden van benzeengebrek. Bovendien zijn uitsluitend vergel'ijkende proeyen in een suiker-redox systeem verricht, reden waarom de terpe~tijnperoxyden hier niet in aanmerking komen.

d) Cumeenhydroperoxyde (Lit.9) is een zeer geschikte

katalysator. D~ temperatuurcontr8le is gedurende het gehele proces ge'makkelijk. Bovendien "is cumeenhydroperoxyde niet duur. Dit zijn dan ook de redenen waarom voor de koude . rubber als katalysator cum~enhydroperoxyde gekozen werd.

(7)

'1

/ /

4) Activator .

Bfj de emulsiepolymerisatie van butadieen en styreen maken wij gebruik van een redox systeem. Naast de oxyderende stof, de katalysator, moet dus' een reductiemiddel aanwezig zijn. Hiervoor komen in aanmerking o.a.

a) ~uikers;

b) ferroverbindingen; c) polyaminen.

De keuze viel op di-aethyltriamine, omdat het gebruik van polyaminen in het algemeen verschillende voord~len boven suikers en de ferroverbindingen heeft (Lit.9,11).

Afgezien van het feit dat h~t gebruik v~n r-~ suikers onecono-.~ _____ _ misch is, heeft het nog de volgende bezwaren (Lit.9).

---.1. De bereiding van de activatoroplossing is een gecompliceerde' procedure. Het is echter nood-zakelijk in-verband met het verkrijgen van de gewen's te reac ti esnelheden.

2. De verkregen latex is instabiel door oxydatie van de aanwezige suiker.

3.

Het stoppen van de polymerisatiereactie geeft moeilijkheden.

Ook het gebruik van ferroverbindingen a~s reducerende stof heeft nadelen (Lit.11).

1. Zie 1. suikers.

2. Door aanwezigheid van ijzerverbindingen ver-oudert de synthetische rubber snel en tr~den verkleuringen op (Lit.12).

3.

Kleine hoeveelheden zuurstof beïnvloeden het polymerisatieproces ongunstig. Ferroverbindingen zi jn hiervoor gevoelige'r dan polyaminen (Li t .• 11 ). De voordelen van polyaminen als reducerende stof zijn in het kort als volgt (Lit.9).

(8)

1. Bereiding en toediening van de activatoroplossing leveren geen moeili.jkheden op.

2. Een meer gelijkmatige rubber wordt verkregen,

welke tevens mind~r aan veroudering onderhevig is. De verkregen latex is niet gekleurd en niet aan verkleuring onderhevig door af~ezigheid van ijzer-verbindingen.

Emulgeermiddelen

Voor het in stand houden van de emulsie .. moeten emulgeer-middelen aanwezig 'zijn. Het gebruik van een mengse~ van natuurlijke (hars- en vetzure zepen) en synthetische zepen is zeer gebruikelijk. Zeep doet de latex schuimen, hetgeen -bij de verwijdering van butadieen en styreen zeer hinderlijk

is.

Hoe meer zeep gebruikt wordt, hoe meer de latex bij de drukvermindering schuimt maar des te stabieler de emulsie is (Lit.12).

Hoe meer synthetische zepen, hoe minder schuimvorming, maar ook gerfugere ,stabili tei

t

van de emulsie.

Onder de handelsnaam K.R.R.-zeep verstaat men een mengsel van hars en vetzure zepen. De synthetische zeep is Triton R, een condensatieproduct van 13 -naphtheensulfonzuur en

formaldehyde (Lit.9).

6) ~

Dei electrolyt KC);: wordt o.a. toegevoegd om de viscositeit van de emulsie te verminderen (Lit.11).

7) Modifier

Toevoeging van een modifier is noodzakelijk -om vertakkingen tijdens de polymerisatie tegen te gaan. De aanwezigheid van vertakkingen geeft namelijk een stugge rubber.

Gebruikt wordt tert. dodecyl-mercaptaan.

Soms wordt ook wel een mengsel van hogere tertiaire

mercaptanen gebruikt, de verschillen zijn niet groot, zodat de keuze willekeurig is. (Lit.9,13).

(9)

8) 'Arrestor

Di-methylammonium-di-methyldithiocarbamaat is als arrestor zeer bevredigend, want het werkt reeds in kleine hoeveel-heden, kleurt de latex niet en is matig in prijs, oplos-baar in H₂0 en "niet giftig (Li t. 9,11 ;14).

Vele arrestors hebben nadelen, zoals bijv. een slechte

oplosbaarheid in water, grote giftigheid en een hoge pri~s. Bovendien is de verkregen rubber' vaak onderhevig aan ver-kleuring (Li t .11 ) .• Als arrestor voor de koude-rubber-bereiding wordt ook wel di-tertiair butylhydrochinon ge-bruikt, dat in water onoplosbaar is en dus in emulsie gebracht moet worden (Lit.12).

Nadelen:

1. Emulgeermiddelen nodig.

2. Kans dat de latex bij toedienen van deze arrestor-' emulsie gaat uitvlokken.

Een andere in de literatuur genoemde arrestor is

dinitrochloorbenzeeri, welke toegediend wordt als oplossing in styreen (Lit.9,12,15).

Deze arrestor is goedkoop, maar heeft zeer grote nadelen: 1. Veroorzaakt hevige irritatie van de huid.

2. Geeft de latex een sterke gele kleur als gevolg van hydrolyse tot dinitrophenol.

3. Vergiftig.<

De keuze van de arrestor was dus niet moeilijk:

di-methylammonium-di-methyl-dith±6.ca~bamaat.

De arrestor moet tijdens de terugwin·ning van het monomeer en opslag van de latex verdere polymerisatie en vorming' van vertakkingen voorkomen. Het moet de katalysator

(10)

HOOFDSTUK lIl. HET PROCES

Voor de productie van

3

ton/hr zuiver butadieen-styreen

copolymeer bij 60% conversie na 15 uur moeten alle benodigde hoeveelheden op 5 tori/hr zuiver monomeer worden berekend. Het recept luidt (Lit.9):

Butadieen Styreen Cumeenhydroperoxyde Modif'ier

K.R.R.

zeep KCI Triton-R \<later Initiator Arrestor Anti-oxydant Temperatuur Reactietijd

Zo vinden wij voor de hoeveelheden: Butadieen

Styreen

Cumé~nhydroper~xyde

. ' .

als 70%ige opl. in cumeen 71 29 0,,15 0,,14 4,70 0,4' 0,,05 ,.200 0,,125 0,15 1,,25 .5°C· 15 uur 3550 kg/hr 1450 11 MOdiiier·(t~rt.c12-mercaPtaan) K.R.R. zeep 10,7 11

7

11 235, 20 ti KCl 11 Triton R. 2,5 ti Water 10.000 11 Initiator (di-aeth.triamine) 6,25"

..

15.281,45 kg/hr Arrestor (di-meth.amm. di7meth.ditpioca~bamaat) Anti-oxydant (phenyl-naphtyl-'.amine) 62,5 11 11

(11)

Butadieen

Opslag onder 4 atm. (dampspanning van butadieen bij 300C is 3 atm.) in een voorraadtank voor 30 uur (:: 1 dag) Grootte: 355g,6530 ='164 m3 (s.g.

butadie~n:

0,65) De butadieen wordt in de wastoren van de inhibitor

(p-tert.butyl pyr~catachol) ontdaan door wassen met 3%ige NaOH-Qplossing. ~e cioörs~roomsnelheid van butadieen is 5460 ]/h~. Daar een wastijd van 6 minuten voldoende is en de.hoeveelheid NaOH,tweemáal zo groot i~ als de hoeveelheid butadieen, moet de' inhoud van de wastorèn minstens

3 x 546 = 1638 1 zijn. Styreen

Opslag eveneens voor een dag in een voorraadtank ter grootte van 1450 x 30 = 47,7 m3

0,91 ,Zeep

De zeepoplossing wordt per· uur gemaakt, omdat de afmetingen van de tank anders te' groot zouden worden.

Van een 25%ige oplossing van KCI in water (20 kg KCl in _.

'

-80 1 water) met Triton R (75 kg) stroomt ieder uur 80 1 in de zeepbereidingstank. Daarbij komt nog 1920 1 water/hr en 235 kg K.R.R. zeep.

Er zijn'2 zeepbereidingstanks, waar~n om beurten de be-reiding en de opslag voor 1 uur plaatsvindt.

De grootte van de KC1-oplossingtank is 80 x 30 = 2400 1. Er is dus voldoende voorraad voor 1 dag.

Het mengvat voor de zeepoplossing is ook 2,5 m3 • Initiator

De grootte van de voorraadtank van di-aethyltriamine is minstens (bereke,nd voor ruim 1 dag)

(12)

•

mengt zich in mengers met styreen, de zeepoplossing en butadieen. De emulsie passeert de koeler, waarin tot 50C wordt gekoeld met behulp van pekel van _10

_.

oC (Lit.5), en komt dan in de eerste van. de'12 geëmailleerde reactoren, die 'eveneens met pekel worden gekoéld (Lit.13).

Nu worden de katal.ysator (C.H.P.) en de modifier (tert. C 12 -mercaptaan) door middel van doseerpompen toegevoegd, om te voorkomen dat de polymerisatie voor of in de' koeler aanvangt. De grootte van één reactor is 15/12 x 15281

=

19,1 m3 .

Alle reactoren zijn van een roerwerk voorzien (120 omw./min.) De druk is 3'ata en ter handhaving van deze druk dient een regelafsluiter na,de j2e reactor.

De arrestor, di-methylammonium-di-methyl-dithiocarbamaat, welke als 1 O%ig~ op'lossing in water voor 1 dag is bereid, bevindt zich in een tank ter grootte van

10 x

7

1

5 x 30 = 2,25 m3.

De hoeveelheid arrestor wordt met behulp van een doseerpomp aan de latex toegevoeg~.

In de eerste expansietank vermindert de druk tot 1,20 ata, waardoor het onomgezette butadieen voor een deel verdampt.

, ,

In de tweede expansietank is ~e druk nog slechts 220 mm Hg en hier verdampt practisch alle butadieen. De butadieendampen worden aangezogen door een compressor; de aanvoer wordt met regelafslui ters op de druk va,n de' expansietanks geregeld. Er blijven nog sporen butadieen in de latex achter. Deze komen in de stripkolom vrij. De oncondenseerbare gassen uit de stripkolom worden niet in de buitenlucht afgelaten, maar ook naar de bovengenoemde compressor gevoerd.

De expansietanks zijn horizontale cylindrische tanks met een capaciteit van 40.000 I (Lit.7). Bij de invoer zijn schuimbrekers aangebracht. De compressor is berekend op 1420 kg/hr butadieen en de capaciteit is dus: _,

'

,1

~~O

x

~~S

x

~ggo

x 22

=

21300 m3

/~;.

De druk aan de perszijde is 5 ata en de temperatuur 550C. Deze butadi~en wo~dt ten slotte gecondenseerd door afkoelen

o ' .

tot 20 C en naar de opslag teruggevoerd.

De latex gaat van de tweede expansietank naar de stripkolom, waar de onomgezette styreen wordt verwijderd.

(13)

i

I .

STRIPKOLOM (Lit.7).

De latex wordt uit de vacuum-butadieenverdamper met behulp van een centrifugaalpomp naar de stripper gevo~rd. Hier

wordt de styreen door middel van een vacuum-stoomdestillatie van de latex gescheiden. Deze stripper is een kolom met

twaalf geëmailleerde stalen schotels met gaten met een diameter van 3/16", die in d~iehoek~verband op een afstand van 5/8" van elkaar geplaatst zijn. De platen hebben een overloop die ervoor zorgt dat er steeds enkele inches latex op iedere plaat staat. De latex doorstroomt de kolom van boven naar benèden. Onder in de kolom wordt stoom geblazen. De stoomleiding is bij het gedeelte voor de kolom omgeven door een watermantel, waardoor de stoom teruggekoeld wordt tot een temperatuur van 650C, terwijl de druk 150 mm Hg wordt. Deze koeling is noodzakelijk, omdat oververhitte

stoom een uitvlokken van de latex tot gevolg heeft, waardoor de gaten in de schotels verstopt raken. Het is gebleken, dat de verhouding van de hoeveelheden stoom~styreen bepalend is voor de hoeve~lheid gevormd schuim. Experimenteel heeft men de gunstigste verhouding op 5 kg stoom per kg styreen bepaald. De druk bovenin de kolom wordt gehouden op 80 mm Hg. De dampen die de kolom verlaten, bevatten water, styreen, zeer kleine hoeveelheden butadieen en bovendien worden kleine druppeltjeS latex medegesleurd. Deze druppeltjes worden gevangen in een druppelvanger, de druppeltjes slaan hier tegen platen aan en vloeien langs deze platen naar beneden, waarna ze door de zwaartekracht naar de lager gelegen vacuum-butadieenverdamper terugvloeien.

Na de druppelvanger komen de gassen in een drietrapscondensor. Deze condensor moet 580 kg/h~ styreen condenseren tezamen

met 3200 kg/hr stoom. In iedere trap passeert het koelwater, dat bij intrede een ·temperatuur heeft van20oC, achtmaal 34 buizen, iedere trap heeft dus 272 buizen, deze hebben een diameter van 1 1)4". Het gas-vloeistof mengsel uit de con-densor. komt in de zuigtrommel van een stoom-drukomvormer, waar een scheiding van gas en vloeistof plaat~ heeft. De vloeistof vloeit naar de styreenwaterscheider. De druk van

(14)

I~

het gas wordt door de drukomvormer van 40 mm Hg gebracht op 220 mm Hg. Het gas wordt dan weer door een condensor geleid, alwaar weer styreen en water condenseren. Het nu ontstane gas-vloeistofmengsel komt in de zuigtrommel van de butadieencompressor. De vloeistof wordt hier weer van het gas gescheiden en ook naar de styreen-waterscheider gevoerd. Het gas, dat uit inert met wat butadieen bestaat, wordt afgezogen door de butadieencompressor, waarna men de restjes butadieen er nog uit wint.

De styreen-waterscheidér;iè:een verticaal cylindrisch vat, ongeveer middenin stroomt het water-styreen mengsel. De afmetingen zijn zo gekozen dat de verblijf tijd erin lang genoeg is om een goede scheiding te verkrijgen. De styreen kan boven vrij afvloeien naar de styreenopslagtank. Het water wordt onderaan afgelaten. Een regulateur opent of sluit de afvoerkraan van het water al naar gelang het s.g. van de vloeistof ter ~oogte van het meetapparaat toe- of

afneemt. Het afgevoerde water bevat nog 0,04 tot 0,1% styreen. Deze styreen wordt nog teruggewonnen door stoomdestillatie in een apart kolommetje.

Verdere bewerkingen:

De latex wordt onder uit de kolom weggèpompt met een centri-fugaalpomp met enkele vleugel (om het uitvlokken van de

latex te voorkomen)' en komt dan in de opslagtank. Hier wordt als anti-oxydant phenyl -~napbtylamine (Lit.7) toegevoegd

, '

als dispersie in water. De hoeveelheid dié men toevoegt is 1,25% berekend op de rubberhoeveelheid. Deze anti-oxydant voorkomt de oxydatie van de rubber door de luchtzuurstof in de droger. In de opslagtank wordt geroerd, om een goede menging te verkrijgen. Vroeger vond IIcreaming" en coagule-ring afzonderlijk plaats (Lit.8).Men·voegd~ eérst de pekel-oplossing toe, waardoor dé kleine rubberdeeltjes iets groter werden, daarna werd zwavelzuur toegevoegd, waardoor de

deeltjes afmetingen kregen' van ongeveer 111 _~

i In het ge-bruikte proces wordt het zout en zwavelzuur gelijletijdig toegevoegd. Men gebruikt een'sèrumoplossing waaraan men verzadigde steenzoutoplossing toevoegt waaruit de Ca- en

(15)

Mg-I .

zouten verwijderd zijn. De hoeveelheid zoutoplossing is evenredig met de hoeveelheid serum die de serumtank inkomt. Een .regelafsluiter zorgt hiervoor. De PH van de oplossing die aan de latex wordt toegevoerd, wordt steeds op een waarde van 1,8-2,0 gehouden. Een regelafsluiter in de

zwavelzuurleiding die opent of sluit naar gelang de PH hoger of lager wordt, zorgt hiervoor.' De serumoplossing wordt toe-gevoegd in de centrifugaalpomp die de latex naar de

coagu-leer~ank voert. Een regelafsluiter die afgesteld is op de latexstroom, zorgt voor de juiste dosering. Men kiest de hoeveelheden als volgt: 11,4 delen verzadigde steenzout-oplossing en

29,3

delen serum op 100 delen latex. Via een overloop in de coaguleeptank komt de latex in een opslag-tank en van hieruit gaat ze naar een schudzeef.

Hiervoor is een Rotex-schudzeef gekozen. De rubberdeeltjes blijven op het bovenste gaas liggen en worden door de

trillende beweging van de zeef afgevoerd. De zeef heeft een dubbele bodem, tussen de twee lagen gaas bevinden zich

kogels die door het schudden steeds met kracht tegen het gaas geworpen worden. Dit voorkomt het dichtslaan van de zeef. De vloeistof die door de zeef loopt, vloeit naar de serumtank. Van hieruit wordt een hoeveelheid onderaan afge-voerd naar de serumopslagtank, waar menging met zout en zwavelzuur plaats heeft. De dan verkregen vloeistof wordt aan de latex toegevoegd als coagulatiemiddel. De rest van het serum die niet gebruikt wordt, kan via een overloop wegvloeien.

De rubberkruimels van de schudzeef moeten nog gewassen worden om het aanhangende serum te verwijderen. Hiertoe worden zij met een \'Jaterstraal in de bak van een roterend filter gespoten. In deze bak bevindt zich een roerinrichting, om te voorkomen dat op de bodem ervan zich een laag rubber-deeltjes afzet. Al naar gelang het vloeistofniveau stijgt of daalt, wordt de afsluiter in de waterleiding gesloten of geopend. De draaiende trommel neemt de rubberdeeltjes mee, de wasvloeistof wordt afgezogen. Een band drukt het

(16)

materiaal boven tegen de trommel aan, waardoor de was-vloeistof nog beter verwijderd wordt. Van het filter komt de rubber in de snijrnolen, waar snel roterende assen met -messen de massa in kleine stukjes snijden. Deze stukjes

komen in de droger, waar ze met warme lucht gedroog~ worden. Na de droging worden ze tot blokken geperst, die als zo-danig worden afgeleverd •

(17)

"

..

'

15

-HOOFDSTUK IV.' BEREKENINGEN

1) Droger (Lit. 16, 17, 18 en 20)

Opmerking: Daar in de geraadpleegde literatuur niet alle benodigde gegevens te vinden zijn, zijn verschillende gegevens in het hierna volgende' aangenomen.

Per uur moet een hoeveelheid product (s.g. = 1,0) gedroogd worden van 3300 kg (droge stof). Het vochtgehalte moet worden teruggebracht van 10% tot 2,5%. De droging wordt uitgevoerd in een droogtunnel, waar het product op

transportbanden continu wordt doorgevóèrd. De breedte van één band is 1 m, de laagdikte van het product is 2,5 cm. -Om te voorkomen dat de lengte van de droger te groot wordt, plaatst men zes banden naast elkaar. De breedte is dus

6 m. Uit deze gegevens volgt voor de te kiezen snelheid van de band:

v - Productvolume/hr = ~~3~3_0_0 __ =220 dm/hr = band - breedte x laagdikte 60 x 0,25

22 m/hr Over het product wordt in tegenstroom lucht gevoerd met een temperatuur van 950_{F, die verkregen wordt door}

ver-warming van fabriekslucht. De temperatuur van deze fabriekslucht is gesteld op 60oF, terwijl de relatieve vochtigheid niet boven 80% 'komt.

Berekening luchthoeveelheid: Per kg droge stof moet ver-dampt worden 0,075 kg water, per uur moet dus verver-dampt worden: 3300 x 0,075

=

250 kg. Daar de warme lucht van

o ' 0

95 F verkregen wordt uit lucht van 60 F met een vochtig-heid van 80%, weten wij, dat het vochtgehal t'e een waarde heeft van 0,009 kg waterdamp/kg droge lucht; de relatieve vochtigheid is 25% (zie vochtigheidskaart, lit.20).

Bij het verlaten van de droger is de relatieve vochtigheid gestegen tot 90%, de temperatuur vinden wij uit de vochtig-heidskaart door het volgen van de adiabatische afkoelings-lijn,nl. 71oF, het vochtgehalte is dan 0,015 kg water-damp/kg droge lucht. Per kg drog~ lucht is dan opgenomen: 0,015-0,009 = 0,006 kg waterdamp. Er moet worden opgenomen

(18)

250 kg/hr; hiervoor is dus nodig een luchthoeveelheid

=

2,85, m2.

Daar de breedte van de droger 6 m is, vinden W1J voor de

ruimte boven de band een hoogte van 2685

=

0,475 m.

De afmetingen van de doorsnede van de droger zijn nu dus bekend en alleen de lengte er van is nog onbekend. Om deze te vinden, is het noodzakelijk de droogtijd te berekenen.

Berekening droogtijd: De droger is te verdelen in twee gedeelten, nl. AB en BC.'In het gedeelte BC vindt droging plaats met constante droogsnelheid, de stof is'hier

volkomen vochtig. In het punt B wordt het kritische vocht-gehalte bereikt, waarna in AB droging met afnemende droog-snelheid plaats vindt.

A droge ~ lucht B I

c

~vochtige lucht droog ~~ ______________________________ ~ __________ ~~vochtig prOduct product

Voor het berekenen van de ,droogtijd maken wij gebruik van de volgende formule (lit.l.7):

(Wo - Wc)XLPs psLX(Wc ~ We) Q

=

+ ~~--~--~-~B- _{h t (ta1 - t s1 )} _{h t (ta2 - t s2 )} , , ~~

jth/ll~ ~

)r,0 .

fA.

",'W.&>,

J;.~ ~

(19)

.-waarin:

et

=

totale droogtijd in uren (de som van de tijden in BC en AB)

Wo

=

vochtgehalte product bij intrede, aangenomen op 0,10 lb/lb droge stof

Wc

=

kritisch vochtgehalte, aangenomen op 0,05 lb/lb droge stof

. -

-invoeren op deze temperatuur gebracht.

/S2

=

t _a1:. ₂ = 79 F.

t

a2 De temperatuur waarmede de lucht de droger intreedt is 950F (zie blz.15).

De temperatuur in B is 87°F (zie boven), voor t a2 wordt dus gevonden: 87

~

95

=

9loF.

Het is noodzakelijk de waarde van ht in ieder geval experimenteel te bepalen (zie lito 20, blz. 295),

ht is namelijk afhankelijk van de droogomstan~igheden (temperatuur, laagdikte, luchtsnelheid) en materiaal-eigenschappen (oppervlakte, enz.). In normale geval-len zal men met het materiaal verkregen uit de pilot plant een dergelijk experiment op kleine schaal

_.

uitvoeren. Dan moet men zoveel mogelijk onder

dezelfde omstandigheden werken als bij de gewenste droger. ·Men kan dan de droogsnelheid bepalen en daaruit de ht berekenen. Wanneer men een dergelijk experiment bij GR-S rubber zou uitvoeren en daarbij

een

luchttemperatuu~

van 950F en relatieve

vochtig-heid van 25% zou kiezen bij een materiaaloppervlak van 0,2 sq.ft/lb, zou men voor de droogsnelheid kun-nen vinden 0,04 lb water/lb droge stof per uur. Deze waarde is niet onwaarschijnlijk voor rubber en wordt daarom aangehouden bij de berekening.

dW ht x A xÀt dW ~

dg

=

of wel: ht

=

dg

.

A x Àt ~

124 m. Om ruimte te sparen, worden deze drogers in de techniek uitgevoerd in drie gedeelten, die boven elkaar liggen. De rubber valt eerst op de bovenste band, aan het andere einde hiervan wordt het materiaal op de eronder liggende band overgebracht, enz.

Hierdoor wordt de lengte van de droger:

1~4

=

41,3 m. De hoogte van de droger wordt driemaal de hoogte van

1 band. De ruimte boven een band is 0,475 m (zie blz.l:6' ), terwijl de ruimte nodig om de band terug te voeren 0,5 m is. De hoogte van de droger wordt dus 3 x (0,475 + 0,50)

=

2,90 m.

Voor de afmetingen zijn nu dus de volgende waarden gevonden:

Lengte

·

_• 41,3 m Breedte: 6 m

.

Hoogte

· _·

2,90 m

In de literatuur worden bij de beschrijving van dergelijke GR-S fabrieken geen maten van de drogers gegeven, wel geeft Seaman (lit.21) een foto van een dergelijke droger. Van deze foto krijgt men de indruk dat de maten niet te veel afwijken van de hierboven gevondene.

(22)

."

2)

Luchtverhitter (Lit.

16

en

18)

3),000

kg lucht moeten per uur door middel van condenserende stoom worden verwarmd van

15

0 tot

35

0

e.

De stromingsrichting van de lucht is loodrecht op de asrichting van de verwarmingsbuizen.

De warmte-overdracht van de condenserende stoom geschiedt in:

a) een waterfilm in de buizen; b) de wand;

c) een luchtfilm aan de buizen.

Voor, deze drie lagen zijn de overdrachtsco~ffici~nten (te vergelijken met geleidbaarheid) te berekenen.

De reciproke waarde van de geleidbaarheid is dë weerstand die de warmtestroom bij doorgang door die laag ondervindt. Deze weerstand is een additieve grootheid. De reciproke

waarde van de som der weerstanden is de overall-co~ffici~nt,

•

U, voor alle lagen.

De hoeveelheid warmte die per tijdseenheid moet worden overgedragen, wordt als volgt berekend (alle berekeningen in het practische stelsel):

Hoeveelheid lucht:

33,000

kg/hr

=

9,17

kg/sec.

Soortelijke warmte van lucht van l50

e

en

100%

relatieve vochtigheid(mist) wordt in het Mollier diagram gevonden en bedraagt

0,245

B.T.U./lboF, dus:

~

=

0,245

x

4,19

x

103 =

1026,55

J/kg

oe

Het temperatuurverschil tussen de in- en uitstromende lucht is

35-15

=

20°C.

De benodigde hoeveelheid warmte:

Q

=

9,17

x

1026,55

x

20 =

188269,3

J/sec.

De warmte-overdracht van de pijpenbundel is evenredig met de overall-co~ffici~nt U, met het'oppervlak A van de pijpenbundel en met het gemiddelde temperatuurverschil ~t tussen stoom en lucht.

(23)

Q

=

U x A x 6t

~~~~~~

=

599,9

=

600 buizen 1,5 x 0,0796

Berekening van de overdrachts,co~ffici~nt ex 1 in de buizen (stoomkant )..

De 0: 1 is 'afhankelijk van de dikte van de film (tempera

tuurs-verschil) en de lengte van de buis.

Voor 0: 1 vinden we (Physische Werkwijzen P 20 a) 275 B.T. U./

hr ft2 oF, want L~

=

5 x 135

=

675 ftOF.

~1

=

275 x 5,68

=

1562 J/m2 sec. oe.

De berekening van de overdrachtsco~ffici~nt 0:

2 buiten de buizen (luchtkant) is minder eenvoudig.

Voor dit geval kunnen wij gebruik maken van de formule:

die een op ca.15% betrouwbare practijkformule is (Physi~che Werkwijzen, blz.53) en geldt voor stroming loodrecht op buizen.

(24)

Wij zien dus dat de warmte-overdracht, voorgesteld door Nu (Nusselt), hier afhankelijk is van het stroombeeld Re (Reynolds), van de stofeigenschappen van de stromende stof Pr.(Prandtl) en van de verhouding van de viscositeit van de lucht op enige afstand van de wand van de buis en in de film. Deze laatste factor kan voor de lucht-verhitter worden verwaarloosd.

Wij krijgen dan de volgende formule:

v D P 0,6 c 1/3

=

0,18 (

0 Tl u ) (

~)

Hierin is: ~2 =-overdrachtsco~ffici~nt

p

"

=

uitwendige pijpdiameter

=

geleidbaarheid van lucht

=

snelheid van- de luchtstroom berekend op de lege doorsnede

= dichtheid van lucht = viscositeit van lucht

= soortelijke warmte van lucht bij constante . druk.

We berekenen eerst voo

Het specifieke volume van de vochtige lucht is 13,6 ft 3/lb droge lucht (Mollier d~agram), d.i.

6

0,026 Re = 5249 a 2 = 28,3 J/m2 sec.oC.

De overdrachtsco~ffici~nt voor de wand volgt uit:

a -_w-

2~X

_R (Physische Werkwijzen, blz.39),

2" ln

-R 1

waarin ~

=

geleidbaarheid van het metaal

8000 J./rn2 sec.oC 0,0127 2,3 log 0,'0095 )

(26)

De overall-co~fficiänt U, met inachtneming van de ronde buizen, wordt:

Het n n 1 U A· .

=

u uitwendig inwendig. -gemiddeld 1 1 + 1 oppervlak van de ti ti It n n

"

1 U 0,0796 = 1562 0,0598 + 28,3 = 0,01071 +

0,444

U = 27,5 J/m2 sec.oe buis is 0,0796 m2/m U ti _{0,9598 m2/m}

"

n 0,0697 m2/m 1 + 8000 1 0,0796 0,0697 + 0,001793

Deze berekende U is lager dan äe gestelde. Bij het opper-vlak A

=

72 m2 komen wij dus niet aan het vereiste aantal J/sec.

Q,=UxAXë:.t.

Wij moeten nu A zodanig vergroten dat U en ë:.t gelijk-blijven en Q, = 188269 J/sec. wordt.

A wordt dan 90 m2, hetgeen overeenkomt met

go

= 1,5 x 0,0796 = 750 buizen. De plaatsing van deze 750 buizen wordt nu vijftien rijen van 50 buizen, waardoor dus de hoogte (1,5 m) en ~e

breedte (1,6 m) van de luchtverhitter niet veranderen.

Vervolgens kunnen we berekenen welke weerstand de luchtstroom bij doorgang door de luchtverhitter onder-vindt (Lit. 16, 19).

(27)

1 5

_, P

0,8

_v

1,8"" 0,2

'I N

A m~,

~p = ---~~---~-_d

afstand tussen twee pijpen op een rij. N.B. Alle grootheden in het practische stelsel.

Deze experimentele formule berust op de gedachte dat een volume lucht dat per tijdseenheid loodrecht op de

pijpenbundel stroomt, z.ich afwisselend samendrukt en expandeert. Bovendien treden wrijvingsverliezenop. Het spreekt vanzelf dat, hoe groter de afstand tussen

de pijpen is, hoe minder het verschil tussen geäxpandeerde en samengedrukte lucht zal zijn, dus hoe kleiner het

drukverlies.

Verder zal het drukverlies recht evenredig zijn met het aantal rijen, met het soortelij"k gewicht van de lucht, de maximale snelheid en de viscositeit.

De snelheid V

o van-de lucht, berekend op de lege doorsnede, was V

o

=

3,25

m/sec.

stellen wij het oppervlak van de pijpen per doorsnede voor door F en de gehele doorsnede door 0, dan geldt voor v

739 N/m2 100000 N/m2 = 1 atm.

Het drukverlies is dus 0,0074 atm.,waarvoo~ dus een exhauster voor 0,02 atm. ruimschoots voldoende is.

(29)

Geraad~leegde Literatuur: 1. A. van Rossem 2. R.P. Dinsmore 3. W.F. Tu1ey 4. J.F. Bohmfa1k 5. M.W. Larson 6. H. Barron 7. C.R. Johnson W.M. otto 8. vJ.H. -Shearon 9. V.C. Nek1utin C.B. Westerhoff L.H. How1and 10. G.S. Fisher L.A. Go1db1att 11. H.S. Smith H.G. Werner C.B. Westerhoff L.H. How1and 12. H.S. Smith H.G. Werner J.C. Madigan L.H. How1and 13. D.H. Francis H.R. Sontag 14. R. Spo1sky L.L. Wi11iams 15. L.B. Wakerfield R.L. Bebb 16. J .H. Pe-rry 17. W.R. Marshall 18. H. Kramers 19. T.H. Chi1ton R.P. Genereaux 20. W.L. Badger W.L. Mc.Cabe 21. R.G. Seaman Chemisch Weekb1. 48 (1952) 273 Rubber Deve10pments 2 No. 3

(1949) 15 - 20 --

-Ru~ber Age 64 (1948) 193-196 Chem.Eng.News 28 (1950) 2504 Chem.Eng.Progress 47 (1951) 270 Modern Synth.Rubbers, London 1952 Chem.Eng.Progress ~ (1949) 407 Ind.Eng.Chem. 40 (1948) 769 Ind.Eng.Chem.

i2

(1951) 1246 Ind.Eng.Chem.

i2

(1951) 671 Ind.Eng.Chem.

i2

(1951) 213 Ind.Eng.Chem. 41 (1949) 1585 Chem.Eng.Progress

12

(1949) 402 Ind.Eng.Chem. 42 (1950) 1874 Ind.Eng.Chem. 42 (1950) 838 Chem.Eng.Handbook 3rd Ed. -(1950) Kirk and Othmer, Encyc1. of Chem. Techno1ogy Vo1.5,232 - 265

Physische Werkwijzen

Trans.Am.Institute Chem.Eng. g2,

(1933) 161 - 173

Elements 'of C~em.Eng. (1930) India Rubber World 108 (1943) 359·

(30)

250 kg/hr; hiervoor is dus nodig een luchthoeveelheid van 250/0,006 = x 41500 kg/hr z 11,5 kg/sec _x 10 m3/sec. De snelheid waarmede de lucht

over het product wordt gevoerd is 3,5 m/sec, volgens de literatuur een

gebruikelijke waarde voor dergelijke producten.

Om bij eenP~oeveelheid _{van 10 m3/sec een snelheid van 3,5 m/sec}

te bereiken, moet de doorsnede van het luchtkanaal bedragen:

10/3,5 ... 2,85 m2. naar de breedte van de droger 6 m is, vinden wij voorde ruimte boven de band een hoogte van 2,85/6 - 0,475 m.

De afmetingen van de doorsnede van de droger zijn nu dus bekend en

alleen de lengte ervan is nog onbekend. Om deze te vinden wordt de

vol-gende berekening uitgevoerd.

BEREKENING LENGTE DROOGTUNNEL:

De droger is te verdelen in twee gedeelten n.l. PQ en QR. In het

gedeel te PQ vindt droging plaats z.odanfugpdat.theïlirVilg,ei3.t.oféppervlak

constant blijft, de stof is hier volkomen vochtig. In het punt Q wordt

het kritische vochtgehalte bereikt, de droging in QR vindt ~plaats

met steeds kleiner wordend vloeistof oppervlak.

I droge lucht x

---I

~chtige _lucht xp R droog product YR R ₁ 2 I I I I I

x geeft het vochtgehalte van de lucht aan. Y geeft het vochtgehalte van het product aan.

~ = stofs troom ITcg/se~

vochtig product

Ct-- _{Yp ·}

p

[kg/kg droge 1uCh-il.

~g/kg droog produc:g Xv = _{verzadigingsgehalte van de lucht bij de} _t~mperatuur_{T van de vaste}

( stof a = _{Oppervlak van het water per m3 materiaal •}

Eliminatie van ~w geeft:

k.ao·h.b ~L·dx

=

Q.

J

dx x -x P v k.(x -x). a .h.b.dl _v 0

waaruit voor de lengte van PQ volgt:

a=a o -

~L

x ... x .ln v P k:ao·h.b x -x •.•...•.... (1 ) v Q

~

/

' TRAJECT QR In dit traject is a niet meer constant, maar afhankelijk ~ • van y. Wij stellen a recht evenredig met y, dus a- c.y , bekend is

A

)r

dat a o .. c. Y f'I dus: a ==]L • a

,,,M(

~ '<G y Q 0 • (}r,fr

.~~

~

eyV'

.~ Stofbalans : ~w = ~L· dx .. ~S. dy Verdamping: ~1T - k.(X -x).dA .. k.(x -x) ]L • a .h.b.dl lY . v V YQ 0

Eliminatie van

~w

geeft:

~L"dx ... k. (x -x) Z 0 a .h.b.dl •• , hierin zijn drie vari'abelen, v YQ 0 : . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • (2)

daarom gaan we de veranderlijke y in de veranderlijke x uitdrukken, hier-voor gebruiken we het tweede deel van de stofbalans: ~L.dx ~ ~S. dy Geïntegreerd: ~L·(Xp _{- x)} ""~s(Yg-Y)

hieruit: Y = _{Yp :}

~L.

(32)

..

- 1 8

-Door teller en noemer te vermenigvuldigen met

~s

krijgen wij:

jÇ

~J:l

Q

~~'Yo _y _• _In.t _waarin:

--~--Om deze integraal op te lossen stellen wij: Y .-;:r

~s

P )UL

de integraal ovRrgaat in:

Int.=~ (Xv-~)(D

+

x) dus: 1 Q R = - x

!

D /

(x---'~'---v v 1 x+D 1 ... - x ~ D v __ 1=--_ _ In == x .. D v R ( In x-xv )

I

x ot D • In Int.= x ~ ~s -x v ~.Yp P ~L - x p

=

= D waardoor ). dx "" = • In (xQ - xv) [

~L'(

XR-Xp )

~ ~S·Y;J

(xR - xv)

[~L'(

xQ-X_{p )}

~ ~S'YPJ

... ,0 •• (4) 1 2

=

_{k.a .h.b}

~S·

YQ • Int o . . • .. (4) . \

(33)

1-We hebben nu uitdrukkingen gevonden voor 11 en 1

2 •. De lengte van de tunnel zal gelijk zijn aan de som van beiden. .In de uitdrukkingen voor 1

1 (vergelijking (1) op bl.17 ) en 12 (vergelijking (4) op bl.18) komen de volgende grootheden voor:

~L = 11,5 kg/sec (droge lucht) 0,92 kg/sec (droge stof)

0,016 kg waterdamp/kg droge lucht 0,015 kg waterdamp/kg droge lucht

te berekenen uit de vergelijking op blo 17 : ~L(xp-x)=~s(Yp-Y) door x en Y resp. te vervangen door x

Q en YQ.

Men krijgt: _11,5.0,015( _-x ) ( ) Q

=

0,92 0,10 - 0,05 hieruit: x

Q

=

0,011 kg waterdamp/kg droge lucht. _ het kritisch vochtgehalte, aangenomen op 0,05 kg/kg droge stof

- het vochtgahàilite van het product bij intrede ~ 0,10 kg/kg droge stof = 0,009 kg waterd.amp/ kg droge lucht (zie bl.15)

Voor de lengte van de droger vinden wij: 1 = 11 ~ 1 2 1 k. a .h. b o

[11,5 . ln

° ,

016-0 ,

°

15 .;. -::-O:!:", 9.:..:2~.r::=1~1~, 5~.=-:.-=0~,-=-0 =-5 ...--::--=~=-=-=-0,016-0,011 11,5(0,016-0,015)~0,92.0,10 1 :111 k.a .h.b o • In

°

_0,009-0,01011-0 016 • 1,47.

De waarden van k en a_o zijn nog onbekend. Het is noodzakelijk die waarden in ieder geval afzonderlijk door een experiment te bepalen.

(zie li t.. 20 blo 295) In normale gevallen zal men dergelijke experi-menten verrichten met het materiaal verkregen uit de semi-technische opstelling.Men zal de proef moeten doen onder zoveel mogelijk dezelfde omstandigheden als waaronder men de· d.roger·wil laten werken.

Gebruikt men de volgende vergelijking (van bl.17):

~w = k. (x -x).a .h.b.dl, of na omwerking: _v 0

~w = dan kan men met het volgende experiment de (x -x). b.dl

v

benodigde gegevens vinden: Men droogt een kleine hoeveelheid van het product met een grote hoeveelheid lucht. Men neemt hierbij de condi-ties gelijk aan die van de uit te voeren droger, d.w.z. dezelfde

(34)

laag-~'

dikte, luchtsnelheid enz. Indien men er zorg voor draagt dat het ma-teriaal een vochtigheid houdt die boven de kritische ligt en de droog-lucht constante temperatuur en vochtigheid heeft, dan kan men eenvoudig

1

de waarde van

---=---

_{a .k.h}

o

uit de gevonden droogsnelheid berekenen. Bij zo'n

luchtsnelheid

experiment,' waarbij men een laagdikte van 2,5 cm, een van 3, 5~/sec, een luchttemperatuur van 950F en' een

rela-\

tieve luchtvochtigheid van 25% kiest zou men voor de droogsnelheid kun- \

\

nen vinden: 0,1 kg wa-t;er/m2.hr. Deze waarde is niet onwaarschijnlijk voor rubber en wordt daarom aangehouden.

~w

- - . . . ; . ; . . . - -

-

a .k.h o (x _v-x). b.dl 0,1/3600 0,016-0,009 "" a o .k.h of --=l~ __ _ ao·k.h = Voor de lengte van de drogèr wordt nu gevonden:

1 - 2

g

3 • 1,47 - 62 m

Om ruimte te sparen, worden deze drogers in de techniek uitgevoerd in drie gedeelten, die boven elkaar liggen. De rubber valt eerst op de bovenste band, aan het andere einde hiervan wordt het materiaal op de eronder liggende band overgebracht, enz. Hierdoor wordt de lengte

62

van de droger

3

= 21 m • De hoogte van de droger wordt driemaal

de hoogte van 1 band. ruimte boven iedere band is 0,475 m (zie bl.16) terwijl de ruimte, nodi om de band terug te voeren 0,5 m is. De hoogte van de droger wordt dus: 3.(0,475 + 0,50) = 2,90

Voor de afmetingen zijn u dus de volgende waarden gevonden:

Lengte:~

Breedte: m Hoogte: 2,9 m