Verslag fabriesschema Aethylbenzeen

. . . .. . . . .. . _ • • u . . . _ . . . _ . . . • . . . • • • _ . _ . . . • • • • . . . • . . . . • • • • • • • • H . . . . • • • • • • . . . • ... • • • • • • . . . • • . . . · U u . . _ ... ... ~. _ _ . . . _ _ . .

..

d.~tI.IA:z~.fû-

....

_._._ ... , .. _

... __ ... _

... -_ ... _

... "

...

.

... _

...

_ ...

_

...

..

)?4.wÁ~('.,6

...

~

..

:

•...•...

_

...

:

...

_

..

_

...•.•...

_

...•..•...

_

.••...

_

•...

_

...

_

...

_

...

A.HAMBURGER,

PHOENIXSTRAAT

56,

1

VERSLAG

FABRIEKSSCHEMA AETHYLBENZEEN.

I. Ons werd opgedragen een schema te ontwerpen voor een in Nederland te vestigen fabriek van aethylbenzeen. In dit verslag zal besproken worden welke overwegingen een rol heb-ben gespeeld b~ het opstellen van dit schema.

Het verslag is als volgt ingedeeld: I. Inleiding.

11. Over de economische perspectieven van het

aethylbenzeen-bedr~f.

111. Bespreking van de processen waaruit een keuze kan worden gedaan.

IV

.

A.) Keuze van het proces.

B.) Iets over de benodigde grondstoffen. C. ) Vaststellen van de productiegrootte. D.) Keuze van de vestigingsplaats.

V.

Het Fabrieksschema.

A.) Toelichting bU de tekening. B. ) Stofbalansen.

C. ) Warmtebalansen.

D.) Berekening van een apparaat. E.) Literatuur.

11. Over de economische perspectieven van het

aethylbenzeen-bedr~f.

In het algemeen zal een firma die aethylbenzeen fabri-ceert dit niet als eindproduct afleveren, doch zal het ver-der verwerken op styreen, een belangr~ke grondstof voor vele kunstrubbers . We kunnen stellen, dat ca.

90%

van de wereld-productie van aethylbenzeen verder verwerkt wordt tot sty-reen.

Willen we een aethylbenzeen-fabriek bouwen, dan zullen we een inzicht moeten hebben in de behoefte die in de

toe-komst aan aethylbenzeen zal bestaan, of, wat op hetzelfde neerkomt, in de behoefte aan styreen in de toekomst.

In verband met dit laatste geeft Sherwood (1) een be-langwekkende prognose:

1950

1955

1975

Styreenproductie in

de U.S. in Ibs/jr.

530

• 10

6

1000 • 106

3925

• 10

6

Tabel 1.

Nemen we aan, dat de wereldbehoefte zich in dezelfde

l~n zal ontwikkelen als de behoefte in de U.S.A., dan zien

we, dat de styreenfabrikant zich voor de toekomst geen

zor-gen behoeft te maken. Met het oog op de te verwachten be-hoeftetoename, (volgens de schatting met maar liefst

300%

in

20

jaar !), zullen we in ieder geval een fabriek voor aethylbenzeen op moeten zetten met ruime expansiemogel~k­ heden.

We kunnen ons afvragen, of, in verband met de afzet,

Nederland wel het meest aangewezen land zou zijn om een

ae-t

thylbenzeen-fabriek te vestigen. De volgende c~fers,

afkom-stig van het Centraal Bureau voor de Statistiek, geven hier-over enige informatie:

Gegevens voor Nederland over

1955

in tonnen per jaar. styreen polystyreen synth.rubbers.

import

-

1066

2689

export

_-

115

1

productie

-

--

--Tabel 2.

Hieruit bl~kt wel duidel~k, dat de mogel~kheden voor binnenlandse afzet te klein z~n om een aethylbenzeenfabriek

op

te laten draaien. Willen we een aethylbenzeenfabriek in

Nederland vestigen, dan zal practisch de gehele

prJ~ctie

ge-exporteerd moeten worden. De grote Duitse bunarubberfabrie-ken zouden mogel~ke afnemers z~n.

Het floreren van een Nederlandse aethylbenzeenfabriek hangt dus geheel af van de kans die w~ mak~n als concurrent op de wereldmarkt. Deze kans in een functie van vele facto-ren, waarover w~ weinig kunnen zeggen.

BD

de verdere bespre-king zullen we als stelling aannemen, dat onze fabriek alle

(\~ kansen heeft om grote hoeveelheden aethylbenzeen te expor-teren.

---.L.-____ _

---3

111. Bespreking van de processen waaruit

een

keuze kan worden gedaan.

B~ deze bespreking zullen we ons beperken tot dié pro-cessen welke op dit moment cOIT@erciëel worden toegepast; het kamerproces van Dow en het discontinu proces van de

B.A.S.F. zullen b.v. niet ter sprake komen.

Hoewel de fabrieken voor het maken van aethylbenzeen

vaak sterk in de uitvoering van apparatuur verschillen, zijn op het ogenblik slechts twee inderdaad principiëel verschil-lende processen te onderscheiden en wel het katalytisch

al-kyleren in de vloeistoffase en het katalytisch alkyleren in de dampfase.

A

.

Het katalytisch alkyleren in de vloeistoffase.

Dit proces wordt momenteel in Duitsland toegepast door de B.A.S.F.; in de U.S.A. door: Dow, Koppers, Monsanto, Carbide and Carbon. Het proces werd in 1935 voor het eerst toegepast door de B.A.S.F. en werd in de oorlog,

onafhanke-l~k van elkaar door Dow in de U.S.A. en door de I .G.Farben in Duitsland verder ontwikkeld. Zoals gezegd verschillen het proces van Dow en het proces van de I .G.Farben niet principiëel doch slechts in uitvoering.

B~ dit proces wordt, onder in

een

grote, met emaille beklede reactor, die voor ca. 80% met benzeen gevuld is, aetheen gelnjecteerd. Onder invloed van continu gesuppleerde

A1C1

3 katalysator verloopt b~ 95°C en normale druk de vol -gende reactie:

C6H6 + C2 H4

~

C6E5- C2 H5 + 26,695 kcal/mol.

Behalve het monoaethylbenzeen ontstaan ook nog hoger

gealkyleerde producten.

Het A1C13 reageert met de koolwaterstoffen en geeft een vloeibaar complex, dat als katalysator werkt. Hoewel het com-plex zwaarder is dan de andere koolwaterstoffen, zorgt het door de alkylator borrelend aetheen ervoor, dat het complex niet uitzakt. Aangezien het complexnlet water reageert mag

geen water in de reactor komen. Gebleken is echter, dat een spoortje water aanwezig moet zijn, dit reageert met het com

-plex en geeft HC1, dat als promotor dienst doet. Het is meestal niet nodig water in te voeren; de grondstoffen zijn

aethyl-chloride als promotor toe.

Wegens de vr~komende reactiewarmte is de alkylator

om-geven door een koelmantel die de temperatuur niet boven de

95

0 doet uitkomen. Bovendien wordt verdampt benzeen doo~ een

refluxkoeler gecondenseerd, waarb~ we dus ook warmte kw~t­

raken.

De afgassen van de alkylator (v.n. aethaan, afkomstig uit het ingevoerde gas , en iets HC1), komen boven uit de

reactor en doorlopen een waterwasser, waarmee het HCl wordt

uitgewassen. B~ zeer grote installaties worden de afgassen

soms nog met een wasolie behandeld om eventueel meegevoerde

aromaten op te vangen. Het aldus behandelde afgas wordt

ver-volgens afgeblazen; als de alkylator goed werkt, bevat het

geen aetheen.

De alkylatieproducten verd~nen via een overloop uit de

alkylator, doorlopen een koeler en komen vervolgens in een

afscheider. Rier scheidt de katalysator zich van de rest af

vanwege z'n hoger soortel~k gewicht. Doordat het soortelijk

gewicht van het complex zoveel hoger is dan het soortel~k

gewicht van de alkylatorvulling, kan het complex vanzelf

van-uit de afscheider naar de alkylator circuleren. B~ het

Dow-proces circuLeert men de katalysator met behulp van een pomp,

hetgeen in verband met de geweldig corrosieve werking van

het complex grote moeil~kheden geeft. In vele gevallen is

dit systeem dan ook verlaten.

Na de scheiding worden de producten van het laatste

beetje complex ontdaan door ze met water te wassen. Nadat

het water weer is afgescheiden worden de nu zuur reagerende producten met een 20% NaOR oplossing geneutraliseerd. Nadat de NaOR oplossing van de reactieproducten is afgescheiden worden de laatste door een droogtoren met NaOR gehaald

waar-na het mengsel door destillatie wordt gescheiden.

In de eerste kolom (20 schotels, refluxverhouding

3

:

1)

wordt de overmaat benzeen afgedestilleerd en teruggevoerd

naar de alkylator. De bodemproducten gaan naar kolom twee,

(58 schotels, refluxverhouding 3 : 1), waar het zuivere

ae-thylbenzeen over de top komt. De bodemproducten gaan naar

kolom drie

(5

m Raschigringen,

25

mm druk), waar v.n. di- en

triaethylbenzeen over de top komen. Aangezien deze stoffen

niet zuiver behoeven te z~n behoeft het scheidend vermogen

- - - -- - - -,~ \ .. ~' , , ,. \. ' , '. . I ! .. ' , ,\.. '

5

van de kolom niet groot te z~n. In sommige ge~allen heeft

men een schotelkolom toegepast waarmede eventueel zuiver

diaethylbenzeen gemaakt kan worden. Het bodemproduct van

kolom drie gaat nu naar een kleine, onder vacuum werkende,

batchdestillatieketel, waar de vluchtige componenten worden

afgedestilleerd, zodat als bodemproduct een teer overbl~ft

met een kookpunt ) 250oC. Dit product kan als weekmaker

voor kunstrubbers gebruikt worden.

B~ het Dowproces wordt het residu van kolom vier met

een beetje A1C13 complex in een aparte

hoge-temperatuurreac-tor omgezet in lager-kokende producten (z.g. l1omalkylerenl1).

Het grote nadeel van deze werkw~ze is de extra apparatuur

die uiterst kostbaar is vanwege de corrosiebestendige

eigen-schappen die h~ moet bezitten. Ook het verpompen van

corro-sief complex brengt zoveel moeil~kheden met zich mee. dat

deze werkw~ze , ook in de U.S.A., geheel wordt verlaten (2).

De topproducten van de kolommen drie en vier worden

naar de alkylator gerecirculeerd. Wat is hier de reden van?

In de alkylator geschiedt het volgende:

C6 H6 + C2H4 e~ _C6H

₅

-

_C2H

₅

(1)

C6 H

₅

-

C2H

₅

+ _C2H4 ~ _C6H4 - _{(C 2H}

₅

)2 (2)

C6 H4 - _{(C 2 H5}

)2

+ _{C2 H4} ~ _{C6 H3} - _{(C 2H5}

)3

(3)

etc. Deze reacties verlopen ongeveer even snel (1) .

Ons doel is alleen de eerste reactie te laten verlopen. We

zien dus, _{dat we met overmaat C6 H6 moeten werken}. Als we

C6 H4 - _{(C 2 H5 )2} aan het alkylatormengsel toevoegen gebeuren

er twee dingen: allereerst zal, vanwege de Wet van de

massa-werking, reactie (2) teruggedrongen worden, voorts zal het

diaethylbenzeen als volgt ontleden:

(langzame reactie) Dit z.g. "omalkyleren" kan met alle polyaethylbezenen

geschieden (behalve met de hexa-verbinding).

Door nu te werken met een bepaalde overmaat benzeen en

door alle aanvankel~k gevormde polyaethylverbindingen te

re-cycelen zal zich een zodanig evenwicht instellen, dat, bruto,

alleen reactie (1) verloopt (2).

kolom vier ontstaat, wordt niet gerecirculeerd, aangezien

dit niet om te alkyleren is. B~ deze werkw~ze heeft het uit

de alkylator tredende reactiemengsel de volgende

samenstel-ling: 45% benzeen, 37% monoaethylbenzeen, 15%

diaethylben-zeen, 2% hoger gesubstitueerde producten, 1% residu (2).

De molverhouding der ingebrachte producten is ongeveer:

aetheen

=

0

58

(3)

benzeen '

In de literatuur treft men echter zeer vaak andere

waarden aan. De conversie berekend op C

6H6 of C2H2 is ca. 95%.

B.

De katalytische alkylering in de dampfase.

Dit proces wordt op het ogenblik alleen b~ Koppers

toe-\ gepast. Ook hierb~ wordt _{C6 H6} met c2HlYgealkyleerd, nu met

behulp van een H3P04 /kiezelgUhr katalysator (vast bed).

Aan-gezien deze katalysator minder actief is dan de A1C1

3

kata-lysator zullen we b~ hogere temperatuur en druk moeten

wer-ken. (3000C, 14-60 at.). Door de hoge temperatuur spelen de

reacties zich in de dampfase af. Ook b~ dit proces worden

hoger gealkyleerde producten gevormd. Aangezien de

katalysa-tor deze producten niet kan 1I0malkylerenll en bovendien door

de polyaethylverbindingen wordt vergiftigd, is recycelen

niet mogel~k. Daarom moeten we zorgen, dat er weinig

poly-alkylverbindingen ontstaan, door een grote overmaat benzeen

te gebruiken

(be~~een

=

2

1 is

gebruikel~k

).

Hierdoor wordt

ae een

de destillatie-apparatuur ~~erst· kostbaar. Daarom wordt in

plaats van deze werkw~ze wel een andere gevolgd: de

produc-ten die uit de alkylator komen worden in een aparte reactor

met behulp van A1C13 katalysator omgealkyleerd. Het is

dui-del~k, dat b~ deze methode het voordeel van corrosief-vr~

werken teniet gaat; bovendien z~n de aparte reactoren

uiter-mate kostbaar.

Om deze moeil~kheden te ontgaan worden op dit ogenblik

andere katalysatoren, geschikt voor dampphase alkylering

_.

, ontwikkeld, die wel 1I0malkylerende ll eigenschappen bezitten

( Si0 2/Al 0 ). Er bestaan slechts pilot plant installaties

die

deze2k~talysator

gebruiken, zodat deze katalysator voor ons nog niet in aanmerking komt.

~---_.

_._~-,~ r f';

l '

7

IV. A. Keuze van het proces.

w~ zullen nu de voor- en nadelen van het vloeistof- en het dampphaseproces tegen elkaar afwegen:

Het vloeistoffase proces heeft de volgende moeil~kheden:

Grote corrosie problemen in verband met de agressieve eigen-schappen van de katalysator. Bovendien is het katalysator-verbruik betrekkel~k hoog

(3%

van het gewicht aan

geprodu-ceerd aethylbenzeen) .

De alkylering in de dampphase heeft de volgende nadelen: De reactor is kostbaar door de hoge druk waarb~ gewerkt moet

worden. Als we vorming van hoger gealkyleerde producten

wil-len tegengaan, moeten we met zeer grote overmaat benzeen wer-ken; hierdoor wordt de destillatie-apparatuur erg duur. Wil-len we daarentegen gevormde hogere alkylbenzenen omalkyleren met AIC1

₃

in aparte reactoren, dan z~n alle) voordelen,

ver-'---

---geleken met de vloeistofphase-proces, verdwenen.

In verband met het bovenstaande hebben w~ onze keuze laten vallen op de alkylering in de vloeistoffase. In onze keuze werden w~ gesteund door het feit, dat alle moderne

aethylbenzeen-bedr~ven (op één na), van dit type z~n.

B. Iets over de benodigde grondstoffen.

Het benzeen moet volkomen droog zijn en mag geen andere aromaten bevatten. Afwezigheid van thiopheen is niet strikt

noodzakel~k, doch is in verband met corrosieproblemen

wense-l~k. In de U.S.A. worden de volgende eisen aan het z.g.

"styren~rade"benzeen

gesteld: kooktraject lOC; smeltpunt

4,85

0C; S-gehalte

<

0,1% (1) ,

(3).

Het aetheen moet eveneens droog z~n en mag geen alkynverbindingen bevatten. Het gas mag wel grote hoeveelheden inert bevatten (2), zelfs 20% inert is mogelijk

!

~atuurl~k zal dan wel de \conversieldale~

Meestal gebruikt men

95%

zuiver aetheen. De katalysator moet

minder dan 0,05% Fe bevatten.

In verband met de bepaling van productiegrootte en van de plaats van onze fabriek, dienen we ons af te vragen, waar we deze grondstoffen vandaan zullen halen.

Voor benzeen hebben we twee grote leveranciers: het

cokesovenbedr~f en de aardolie-industrie. De moderne reform-processen van de olie-industrie leveren een steeds groter

percentage van de totaal-benzeen-productie. Dit moge bl~ken

uit het volgende staatje voor de productie van benzeen in de U. S. A. (4):

jaar totaalproductie uit reformprocessen

gall/jr gall/jr

1951 210

.

106 30

·

106 Tabel

3.

1953 350

.

106 110

_·

106

1954 ? 140

·

106

Betreffende benzeen geeft het C. B.S. voor Nederland

de volgende c~fers:

tonnen/jaar import in 1955 174

Tabel 4. export in 1955 19.277 productie in

1955

47.800

Mochten de Nederlandse benzeenfabrikanten toch niet ge-heel aan onze vraag naar benzeen kunnen voldoen, dan zullen we benzeen moeten importeren. Het onlangs gestichte bedr~f

van Dow Chemicals in Rotterdam, dat over geheel Europa ruw

benzeen koopt en dan zelf zuivert, wil ons misschien het ge-vraagde product leveren.

Het aethyleen wordt eveneens door de olie- en

cokesin-dustrie geleverd. Hoewel in de oorlog in Duitsland wel ae-theen werd bereid uit acetyleen en ook uit alcohol, z~ deze processen momenteel niet rendabel. Het product van de kraak-installaties bevat, na fractionnering, 95% aetheen; dit is voor ons voldoende. Het bevat een uiterst klein percentage alkynen (5). Van de aetheenproductie in de U.S.A. wordt 75% geleverd door de kraakinstallaties. Hoewel ~ niet de be-schikking hebben over c~fers betreffende de Nederlandse ae-theenproductie, menen w~ toch, dat de raffinader~en in Per-nis wel de grootste leveranciers zullen z~.

9

c

.

Vaststellen van de productiegrootte.

Aangezien, zoals eerder werd betoogd, onze fabriek b~­

na uitsluitend voor export zal werken, heeft het geen zin

onze productie af te stemmen op het (kleine) Nederlandse

verbruik. In verband hiermede en met de eerder geuäte

ver-wachting, dat de vraag naar aethylbenzeen in de ko~ende 20

jaar sterk zal toenemen, menen ~' ldat het juist is een

fa-briek neer te zetten met een grote productie , temeer als we

bedenken, dat bewerkingen als b.v. destilleren relatief

aan-merkel~k goedkoper worden b~ verwerking van grote

kwantitei-ten. Ter vergel~king z~n productiec~fers van enige grote

Europese fabrieken interessant: de grootste fabriek van ae

-thylbenzeen in Europa (I.G.Farben te Hüls in Duitsland) kon

in de oorlog maximaal 6000 ton per maand leveren. Het bedr~f had 8 alkylatoren in bedr~f. De kleinste Duitse fabriek (l.G.

Farben te Ludwigshafen) produceerde maximaal 500 ton per

maand met 2 alkylatoren.

De pas in bedr~f gestelde fabriek van Koppers te Port

Arthur (U.S.A.) produceert 3400 ton per maand met 3 alkyla-toren (6).

Uit de literatuur is ons gebleken, dat zowel in

Duits-land als in de U.S.A. de productie van aethylbenzeen steeds

mee~ plaats vindt in grote alkylatoren.

W~ hebben daarom onze keus laten vallen op één

alkyla-tor van het "Huls"type, waarmee 750 ton per maand

geprodu-ceerd kan worden.

In werkel~kheid moet een dergel~ke keuze natuurl~k

voor-afgegaan worden door een uitvoerige marktanalyse.

D. Keuze van de vestigingsplaats.

In verband met het voorgaande menen ~, dat onze fabrieB

heel goed in de omstreken van Rotterdam zou kunnen staan. W~

zouden dan een korte p~pleiding van de raffinader~ in Pernis

kunnen leggen voor de aetheen-aanvoer, ter~l bovendien dàt

deel van het benzeen dat door Pernis geleverd kan worden,

slechts over een korte afstand behoeft te worden vervoerd.

Het aethylbenzeen zou, door de prachtige verbindingen die

Rotterdam heeft, gemakkel~k per as of per schip naar de klant

r,IL'

V. Het Fabrieksschema.

A) Toelichting b~ de tekening.

De tekening geeft het vloeistoffase proces weer precies

zoals dit beschreven is in hoofdstuk 111. Als toelichting

moge nog het volgende diene n :

Alle apparaten die met HCl of katalysator in aanraking

komen, dus de alkylator, de wassers en de afscheiders zijn

geëmailleerd.

De afgassen van de alkylator bevatten zo weinig

aroma-ten, dat een behandeling met absorptie-olie onnodig is. Even-min is het gewenst de afgassen van HCl te ontdoen in een

kar-bate absorptietoren; het beetje Hel wordt in tourilles geab

-sorbeerd.

In de water- en loogwasser draaien langzaam lopende pad-dels aangezien een snelle roerder de olie zou emulgeren.

Het aantal schotels van de kolommen is uit de

litera-tuur overgenomen. De dampsnelheid in de schotelkolommen is

berekend met de formule:

uit Perry.

~ie(rin is v de dampsnelheid in ft/sec., ./'1 is de

vloei-tl, cl, I \1 ul

s~;~2 is de dampdichtheid; kv is een constante

die afhangt van de schotelafstand en het vloeistofslot. In

de berekening is een schotelafstand van 18 inch en een

vloei-stofslot van 1 inch aangenomen. De kolomdiameter volgt uit

de dampsnelheid en de dampbelasting.

De hoogte van de gepakte kolom is uit de literatuur overgenomen. Er is een dampsnelheid van

50

cm/sec. aangeno

-men. Met grafiek 16 op blz. 684 van Perry werd gecontroleerd,

dat geen flooding en geen droogvallen van de pakking

op-treedt b~ deze snelheid.

, .,",tt / " \. ' , . . ". ~" . .; , ~. \ .... i • I, '.., I • 1 I ' • . \\

..

\\, .... 11 B) Stofbalansen:

De Alkylator _{productiestr~om} (na complexafschei-der)

"

"Benzeen ~

"

"Aetheen _.

,

Recycle ) ~ afgas , Figuur 1.

B~ het opstellen van de stofbalans voor de alkylator en complexafscheider werden de volgende aannamen gemaakt:

De aethylbenzeen-productie is 25 ton per dag.

Het uittredend alkylatieproduct heeft1 afgezien van meegevoerd complex, de volgende samenstelling:

gew.% Tabel 5. Benzeen 45 Aethylbenzeen ₃₇

(2)

Diaethylbenzeen 15 fractie 180-2300C 2 res.idu 1 Totaal 100

De fractie l80-2300C en het diaethylbenzeen worden ge-heel gerecirculeerd. Het "aetheen" bevat 5% inert (aethaan). 4 gewichts% van de aethylhenzeen-productie moet aan AIC13

gesuppleerd worden

(7).

Van dit AIC13 reageert 5% in de al -kylator met water, dat met de aetheenvoeding is meegekomen. De rest van het A1C1

3 reageert in de alkylator tot complex.

Dit complex heeft de

volgende samenstelling: (3 ) Tabel 6. AIC13 (gebonden) AIC13 (vr~) Benzeen + aethylbenzeen hogere koolwaterstoffen Totaal gew.% 26 1 48 25 100

/

De

verhouding

benzeen/aethylbenzeen

in het complex is

h~tzelfde

als

in

het alkylatieproduct

.

De hogere koolwater

-stoffen in het complex

bestaan

uit diaethylbenzeen, fractie

180-230

0

C en residu.

De

verh

o

uding van

deze

stoffen in het

'

complex is

hetzelfde als

in

het alkylatieproduct

.

De fractie

180-230

0

C bestaat uit

diaethylbenzeen, het

residu uit

hexa-aethylbenzeen.

Onder

"productiestr

oom

"

wordt

het

a

lkyl

at

ieproduct

ver-staan, d

at

de

a

fscheider verlaat nadat

het

complex hier is

afgescheiden

.

Deze "productiestroom

ll

_{bevat echter}

95%

_van

het

A1C13'

dat continu

gesuppleerd

wordt

in de

vorm van

com-plex.

Na

ve

r

werkin

g

v

an a

l

deze gegevens komen we tot

de

stofb

a

lans van

alkylator

en complexafscheider volgens tabel

7.

De stromen

z~n

opgegeven

in kg/hr. Hoewel de

decimalen

geen betekenis

hebben

zijn ze

toch op

g

e

ge

ven om het IIkloppen"

van

de

balans

te illus

tr

eren.

De complex

a

fscheider.

uit

alkylator

, r---~~

alkylatieproducten

.

..

,

complex

Figuur

2 .

Samenstelling

en

hoeveelheden

v

a

n de al

ky

l

a

tieproducten

"

die de

complesafsc

h

eider verlaten

blijken

direct uit tabel

7.

(llproductiestroom

+

complex uit prOductiestroom").

W~

nemen

voorts

aan, dat per uur 500 kg

complex vanuit de

afscheider

naar de alkylator

g

erecirculeerd wordt.

Tabel

8

geeft een

totaalstofbalans over

d

e

alkylator

.

De

samenstelling van

productiestroom

en complex

uit

productiestroom volgt direct

uit

tabel

7.

Tabel

7

en

Tabel

8

zie pag.

13.

en

13a.

r

Tabel 7.

Stofbalans over alkylator en complexafscheider Ckg/hr)'

~

tc'\

_,...

Ingaande

Benzeen Aetheen Aetbyl- Diaetbyl- fractie Residu

_~O

_AIC1

3

Inert AI(OH)3 HCI

Totaal

stromen

benzeen benzeen 180-230

"Benzeen"

_775,81

775,81

stroom

nAetbeen"

stroom

295,18

0,82

15,53

311,53

Recycle-

_1267,09

_439,40

_58,64

"1765,13

stroom

AlC13

40,38

40,38

Totaal

2042,90 295,18

---

439,40

58,64

--

0,82 40,38 15,53

---

--

2892,85

I

Uitgaande

I

Aethyl- Diaethyl-

_{fractie Residu}

I _~o

_AICl

3

Inert AI(OH)3 HCI

Totaal

stromen

Benzeen Aetheen benzeen benzeen 180-230

Productie-stroom

_1229,58

_{1010,99 409,86}

54,65

27,32

2732,40

(zonder

complex)

Complex

37,51

30,68

29,54

3,99

2,00

38,36

1 ,18

143,26

uit

produc-tiestroom

afgas

---

_{15,53 1 ,18}

1,66

17,19

Totaal

1267,09

---

1041,67 439,40

58,64

29,32

--

38,36 15,53 1 ,18

1 ,66

2892,85

- - --- -

-

_L...~._--

-

-I

_Ingaand

_Uitgaand

stroom uit alkylator

_3375,66

Productiestroom (zonder complex)

2732,40

Complex uit productiestroom

143,26

i

I

I

Naar

de alkylator recirculerend complex

500,00

I

Totaal

3375,66

3375,66

~--I r' \.> I, .1.. _ _ 14 De Waterwasser:

2

"

1 ----:'~--I

-Figuur 3.

v

3

Het uit de afscheider komend product wordt nu met(_--30om _{.. _-_}

..

---kg/ hr water gewassen, om het meegevoerd complex te ontleden.

We nemen aan, dat zowel het vr~e- als het gebonden A1C13 als

volgt reageert: A1C13 + _{3 H20} ) Al(OH)3 + 3 HCl.

We nemen aan, dat na dit reageren het complex

uiteenge-vallen is in een aantal koolwaterstoffen; de samenstelling

hiervan volgt uit tabel 6.

Tabel 9. Stofbalans waterwasser.

(kg/hr ) ingaand uitgaand kg/hr:

productiestroom waswa- _{stroom (3 )}

(mèt complex (1) ter (2) Benzeen 1267,09

----

1267,09 Aethylbenzeen 1041,67

----

1041,67 Diaethylbenzeen 439,40 ---- 439.40 fractie 180-2300 58,64

----

58,64 residu 29,32 ---- _29,32 . AIC1

3

38,36 ---- ----Al(OH)3 1,18 ---- 23,60 H20 ---- 3000 2984,48 HCl ---- ---- 31,46 2875,66 3000 5875,66 5875,66 De Waterafscheider:

De stroom (3) uit de waterwasser gaat nu naar een af-scheider, waar de organische stof van het waswater wordt

\ \ I \ ... ', ... '\ "I . ,'\ ~) r • .f' ".... "\ V'" \ (

fI;/'"

, ... ,I. '-v , \ \

.

---,

gescheiden.

We

nemen aan, dat het

HCl

opgelost is in het

- .'\

waswate

.

r. Voorts nemen we aan, dat per 100

.

I

g

organische

_{.. J ')}

stof 0,075

g-

'

water oplost.

In dit

opgeloste

wate_r_zit~

!'

berekende concentratie aan

HCl

.

V

...

_,

1

Figuur

4.

Tabel 10.

Stofbalans waterafscheider.

ingaand

uitgaand

1

2

3

Benz

een

1267,09

1267,09

_!

---A

ethylbenzeen

1041,67

1041,67

'\

---Diaethylbenzeen

439,40

439,40

)

---180-230

0

C

58

,64

58,64

---residu

29,32

29,32

---Al(OH)3

23,60

---

23,60

HCl

31,46

0,22

31,24

H20

2984,48

2,13

2982,35

2838,47

3037,19

5875,66

5875,66

De

loogwasser:

Om

het opgelost Hel

te

neutraliseren

wordt

hier de uit

de waterafscheider komende productiestroom

g

eroerd

met

~

_{2500 kg/ hr 20% NaOH oplossing.}

Figuur 5.

i

3

"

~ , \ { \ '. " ::d ( I ' \. ",

16

Tabel 11.

stofbalans

loogwasser.

ingaand

uitgaand

1

2

3

organische

_2836,12

stof

2836,12

{

voor

specifica-+-

tie zie tabel 10

stroom 2.

H

2

0

2,13

2000,-

2002,24

RCI

0,22

--

---NaOR

--

500

,-

449,76

NaC1

--

--

0,35

2838,47

2500

,-5338,47

5338,47

De loogafscheider:

De stroom 3 uit de

l

oogwasser

p~at

nu naar een

afschei-der, waar de organische stof van

~

loog

wordt

gescheiden.

j

We

nemen weer aan, dat per kg

"

organische stof O,O

_

?lJ"

kg

wa-ter

oplost.

In dit opgeloste water zit een zekere hoeveel-

I

-heid

NaOH

en NaCl.

Aangezien

deze

hoeveel

heden

voor ons

nIet

interessant

en

bovendien erg

klein

zijn nemen we aan,

\t

dat in de organische stof zuiver

water

is opgelost.

~ 2

...

_{Figuur 6.}

1,

3

,

Tabel

12.

Stofbalans

loogafscheider.

, \

inkomend

uitgaand

1

2

₃

organische stof

2836,12

2836,12

H20

2002,24

2,13

2000,11

NaOR

499,76

---

499,76

NaCl

0,35

---

0,35

2838,25

2500,22

5338,47

5338,47

t' ... , ~. \',. ". " ~:)\,.~. • ,) l.. , , ' .

-" . '. . :... J ' I '. '~ ~

1 ')

1 De droogtorens:

Het uit de loogafscheider komend product wordt ge-droogd door het door een toren met vast NaOH te halen. Zo-dra het NaOH ververst moet worden, wordt op een andere to-ren overgeschakeld. Het drogen met vast NaOH is in het al-gemeen geen goedkope methode, in ons geval echter ligt de zaak anders, omdat de aflopende vloeibare loogoplossing

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

__

. ~

gebruikt wordt om het alkylatieproduct te neutraliseren.

De destillatiekolommen: 2 6

10

7

8

11

14

I 11 ~'--I

m

12

IV

5

9

15

Figuur

7.

In bovenstaande figuur z~n de destillatiekolommen schematisch weergegeven. Van de twee eerste kolommen is de refluxverhouding 3 : 1. De derde kolom is voorzien van een dephlegmator, hier wordt geen condensorvloeistof gerecircu-leerd. De vierde kolom heeft geen dephlegmator; het gecon-denseerde topproduct wordt niet gerecirculeerd.

De diverse stofstromen z~n in tabel 13 opgegeven.

IX)

,..

Tabel

13.

Stofstromen destillatiekolommen (kg/

_hr).

1

2

3

4

5

6

₇

8

Benzeen

1267,09

5068,36

,3801,27

1267,09

---

---

---

--Aethylbenzeen

1041,67

---

---

---

1041 ,67

4166,68

3125,01

1041,67

Diaethylbenzeen

439,40

---

---

---

439,40

--

---

---fractie

180-230

0

58,64

---

---

---

58,64

---

--

---residu

29,32

---

---

---

29,32

---

--

---

!

-Totaal

2836,12

5068,36

3801,27

1267,09

1569,03

4166,68

3125,01

1041,67

~_.- ~~ ---~-

-9

10

11

12

13

14

~

Benzeen

---

---

---

---

---

---Aetbylbe nz een

---

---

---

---

---

---Diaetbylbenzeen

439,40

439,40

439,40

---

---

---

---0

-fractie

.

180-230

58,64

---

---

58,64

58,64

58,64

---residu

29,32

---

---

29,32

---

---

29,32

Totaal

527,36

439,40

439,40

87,96

58,64-

58,64-

29,32

, /

C.

Warmtebalansen.

De

soortel~ke

warmten,

nodig voor

het

opstellen van de

warmtebalansen werden uit de bekende handboeken gehaald.

In

die gevallen waarin de literatuur geen waarden opgaf, hebben

w~

zelf een waarde aangenomen. Dit

is

dan apart

vermeld.

Aetheenverhitter:

Deze verhit het gas tot 95°C

voordat

het

in de alkylator komt. De benodigde warmtestroom wordt

bere-kend uit:

~w

=

~m

. Cp .

,6.

T

.

~w

=

warmtestroom

[kcal/hr] ;

~m

=

massastroom

[kg/hrJ ;

Cp

=

soortelijke warmte

[kcal/kg, oc] ;..6T

=

temperatuurs-verhoging

[oe

J.

~ _w

is

in

tabel 14

berekend:

Tabel 14.

~m

Warmtestroom aetheenverhitter.

Cp

T

_eln

. d

Tb

.

~w

[kg/hr ] [kcal/kg,OC] [ocJ

egln

[ocJ [kcal/hr ]

aetheen

295,18

0,372

95

25

7628,20

I

aethaan

15,53

0,420

95

25

456,58

Totaal

8084,78

Alkylator:

C6

%

- - 7 6

c

+

3 H2

+

18,6

kcal/mol

_{alle stoffen}

C2~ - - 4

2 C

+

_{2 H2}

+

11,766 kcal/mol

in

de

gastoe-8

C

+

5

_H2

~

_C6H5-C2H5

5,218 kcal/mol

_ve

stand,

_C),

₄₀₀

(behal-

0

K,

1 at.

C6

%

+

_C2H4

_----+

_{C6 H5}

-

C2H

5

+

25,148 kcal/mol

Uit selected

Values,

Rossini.

In

_{de alkylator zijn C6}

%

_{en C6H5}

-

C2H5 niet in de

damp-vorm

maar vloeibaar, bovendien is de temperatuur niet 400

0

K,

maar

95°C.

De reactiewarmte is dus een andere:

reactiewarmte

mol

=

25,148

+

_VEB

+

C

PEB

(127

-

95)

-

VB

. i '0

-\v \ ..

\.

1\ . t" \~. . !\ .,~h"'l· , i t ~,J " ~. '

}-,.

'. ' , . , / ~. I . ' • 't I':.,". '.:

..

~ ---~---20

Hierin z~n VB en V_EB de verdampingswarmten van benzeen

resp. aethylbenzeen, Cp~ , CpB en C

PEB z~n de soortel~ke

warmten van aetheen, benzeen en aethylbenzeen (alles per

mol) •

In de literatuur vonden we de volgende waarden:

V

EB

=

81 x 106 kcal/kmol ; VB

=

94 ~ 78 kcal/kmol ;

C

=

0,53 . 106 kcal/kmol 0c Cp

=

0,47 x 78 kcal/kmol 0c

PEB B

CPE

=

0,37 X 28 kcal/kmol 0C. Deze waarden ingevuld in

bo-venstaande formule geeft: reactiewa~~t;.e J~cal/mol) = 26,695

... _ c ,~,. ,/

dus _C6

%

_{+ C2 H5} - - 4 _{C6 H5} - _C2H5 +26,695 kcal/mol.

(b~ 95°C, _{C6 H6} en _{C6 H5} - _C2H5 vloeibaar).

Per uur wordt er 1041,67 kg aethylbenzeen gevormd. De

in de alkylator ontwikkelde warmte per uur is dus:

10i~667

. 103 x 26,695

=

262.381 kcal/hr.

Deze warmte wordt gebruikt om: a) reagentia op te

war-men; b) benzeen te refluxen; c) het water in de koelmantel

op te warmen.

De volgende stromen moeten per uur worden opgewarmd:

775,81 kg/hr vers benzeen; 1267,09 kg/hr recyclebenzeen;

498,04 kg/hr diaethylbenzeen + polyaethylbenzeen uit de

re-cyclestroom; 500 kg circulerend complex (zie tabel 7).

°

Voorts werd aangenomen, dat het vers benzeen met 20 C

de alkylator binnenkomt. De recyclestroom èn het circulerend

complex komen met een temperatuur van 60°C de alkylator

bin-nen. De warmte nodig om de genoemde stromen op te warmen tot

95°C vinden we uit tabel 15.

Tabel 15.

.0

m . Cp T . d _eln Tb _egln .

·.0

w

[kcal/hij [kg/hr ] [ kcal/kgce] [oCJ [ocJ

benzeen 775,81 0,44 95 20 25,602 recyclebenzeen 1267,09 0,46 95 60 20.400 diaethyl- en po- _{498,04 0,56*) 95 60 8.716} lyaethylbenzeen 0,55*) complex 500 95 60 9.625 64.343

~)

zelf geschat.

; ..

Tabel 16.

-kcal/hr

In de alkylator ontwikkelde warmte 262.381

warmte om stoffen op te warmen 64.343

warmte af te voeren door refluxen en koelen 198.038

Deze waarden kloppen heel behoorl~k met hetgeen in de

literatuur werd gevonden.

Koeler na de alkylator:

Om complex en reactieproducten goed te kunnen scheiden,

moet het mengsel gekoeld worden. De temperatuur mag echter

niet te laag worden, aangezien dan, door de verhoogde

visco-siteit, de leidingen verstoppen. In de literatuur wordt

daarom koelen tot 600C aanbevolen. Het aantal af te voeren

caloriën is berekend in tabel 17.

Tabel 17.

Warmtestroom koeler na alkylator.

~m

Cp Tb . T

eind

~w

egln

[kg/hr]

[

kcal]

[ocJ _{[ocJ [kcal/hr]}

kg,

°c

benzeen 1267,09 0,46 ₉₅ 60 20.400 aethylbenzeen 1041,67 0.50 95 60 18.229 diaethylbenz. + 527,36 0,50 95 60 9.229 polyaethylbenz. complex 500 0,55 95 60 8.750 56.608 Warmtebalans waterwasser.

In de waterwasser reageert het complex met water,

waar-b~ warmte vr~komt . Deze warmte wordt gebruikt om het water/

koolwaterstoffen-mengsel op te warmen. We nemen aan, dat de

oplossingswarmte van 1 kg gebonden A1C13 dezelfde is als van 1 kg vr~ A1C1

3. De oplossingswarmte van A1C13 in H20 is:

\~39

. 103 kcal/kg. Per uur wordt in de wasser 38,36 kg

- - - -- - - -, -,,'( - .. l \. ( '.' '\ . :,_ ;'.\ '. , \ t .... , ~ I. \~. ' \ l ' 22 ~ _{133 • 10}

3

_{. 38,36}

₌

_{22.468 kcal hr.}

/

°

Stel de begintemperatuur van het water

=

20 C, van de

olie 60°C. W~ nemen aan, dat het mengsel de wasser verlaat

o

met een temperatuur x C. Dan geldt:

(1267,09 • 0,46 + 1569.03 • 0.50)(60 -

x)

+ 22.468

=

i

i

i

benzeen overige kool

-waterstoffen

Door

x

uit deze vergel~king op

te lossen vinden we:

x

=

38°C.

We behoeven de wasser dus niet

te koelen.

Warmtebalans neutralisatie met NaOR.

H· + OH' ~ _H20 + 13,8 kcal/mol. reactie-warmte

=

3000

(x

-

20)

1

water • In de organische stof is 0,22 kg/ hr RCl opgelost. Als

dit met NaOR reageert is de ontwikkelde warmte :

0,22 103

IA

8

=

_83 kcal/hr

36,5 • .--"

Deze hoeveelheid warmte doet de temperatuur nauwel~ks

stijgen.

Warmtebalans eerste kolom:

Afkortingen: de stromen door de kolommen z~n genummerd als

in figuur 7.

=

gewicht aan aethylbenzeen in stroom 1 in kg/hr.

th 1 - d ' b bIJ"" 800C [kcal/kg].

=

en a ple ampvormlg enzeen

wB 80 = enthalpie vloeibaar benzeen

b~

80°C

[kc

a~g

J.

= verdampingswarmte van benzeen [kcal/kg].

=

soortel~ke

warmte vloeibaar aethylbenzeen [ kca;

J.

kg, C

°

-".

We nemen aan, dat stroom 1 25 C)is, stroom 2, 3 en 4

zijn 80°C, terwijl stroom 5 de kolom met 150°C verlaat.

Toegevoerde warmte in de vorm van warmte-inhoud van

producten:

Gl B wB 25°

+

_{Gl EB}

.

wEB 25°

+

_{G3 B . wB 80°}

Afgevoerde warmte in de vorm van warmte-inhoud van

producten:

G

_{2 B}

•

W

_{B 80°}

+

G

_{5 EB}

.

wEB 150°

In de verdamper toegevoerde hoeveelheid warmte

Q

=

afgevoerde warmte - toe gevoerde warmte, dus:

Q

=

(G

₂

B

•

W

_{B 80}

0 +

G

_{5 EB}

.

wEB 150

0 )

-Voorts geldt:

wEB 150

=

wEB 25

₊

w

_{B 80}

₌

_{wB 25}

+

Cp

de

Q

formule geeft:

- (G

_{l B}

_{wB 25°}

+ G

_{l EB}

.

wEB 25°

+ + G

_{3 B}

.

_{wB 80°)}

W

_{B 80}

=

_{wB 25}

+ Cp

(80 -25)

+

_VB

.

B

,

Cp

EB (150 - 25) en

B (80 - 25). Dit alles gesubstitueerd in

Q

=

G

_{2 B}

.

Cp

B (80-25)

+ G

₂

_{B • VB}

+ G

5

EB

.

Cp

EB(150 - 25:

- G

₃

B • Cp B

(80

-

25)

.

De voiligende waarden worden gesubstitueerd:

G2

B

=

5068,36 kg/hr; G

5

EB

=

1569,03 kg/hr;

G

₃

B

=

C*

P

3801,27 kg/hr;

Cp

B

=

0,44 kcal/kgOC;

=

94,3 kcal/kg.;

hierb~

is aangenomen, dat het ketelproduct uit zuiver aethyl·

benzeen bestaat.

Na substitutie

kr~gen

we:

~erdamper

=

606.672 kcal/hr.

De hoeveelheid warmte die in de condensor moet worden

afgevoerd, Qc ' is gelUk aan:

24

Warmtebalans tweede

kolom~

Op analoge

w~ze

als

b~

de eerste kolom berekenen we,

dat 'tverdamper

=

G6

EB

•

VEB

+

_{G9 EB}

.

Cp EB

. (190 136)

-G5

EB

.

Cp EB (150

-

136).

Hierb~

is aangenomen, dat de temperatuur

1360C

"-'~

iS,

het

ketelproduct is 190

0

C en de stroom 5 komt met 150

0

êde kolom

binnen.

De volgende waarden

werden

gesubstitueerd:

G

6 EB

=

4166,68 kg/hr

;

G

9 EB

=

527,36 kg/hr

G

5 EB

=

1569,03

kg/hr; Cp

EB

=

0,64 kcal/kgOC (190

-136

0

C)

Cp EB

=

_{0,66 kcal/kgo C (150}

-

136). Ook hier werd aangenomen,

dat het aethylbenzeen niet verontreinigd

'

was, of, wat op

het-zelfde neerkomt, dat de

soortel~ke

warmten van

de

verontrei-nigingen even groot

zUn als

van

aethylbenzeen

.

Na

substitu-tie vinden we:

'tverdamper

=

341.229 kcal/

_hr

Voor de

af

te voeren warmte in de condensor

geldt

:

Qcondensor

=

G6 EB

.

VEB

=

4166,68

x

81

=

337.501

kval/hr .

Warmtebalans

derde kolom.

Als de stroom 9 de

derde kolom

binnenkomt, valt de druk

opeens

van

1 at tot ca. 25

mm

Hg.

Hierdoor

zal een groot dee]

van stroom 9 verdampen, zodat een deel van stroom 9 als damp,

een ander deel als vloeistof de kolom zal binnenkomen. Voor

het opstellen van

de

warmtebalans over de

kolom

is het van

belang

te weten hoe

groot de

verhouding

damp/vloeistof

van

het inkomend product is. Dit zullen we eerst trachten te

be-rekenen.

We

stellen ons voor, dat de

stroom

9 in een klein

potje,

dat voor kolom 3 staan,

wordt

ontspannen,

waarna

damp

en vloeistof in de

kolom komen

.

Figuur 8.

Ontspanner.

I 0

.---~~ G

₉

'

25

IDID

Hg, 80

C.

(L

en

G

betekenen hier

res-pect. vloeistof

en

damp).

~ I 0

J" • .

-"'-Aangezien we weten, dat

L9

voor het grootste deel uit

diaethylbenzeen bestaat, nemen we aan, dat de uittredende

stromen de kooktemperatuur van diaethylbenzeen b~

25

mm Hg

druk zullen hebben

(80

0e). Dit is een grove benadering.

Stel-len we enthalpieën b~ oOe alle;l nul, dan geldt:

_,

_,

C

P9

190;

w

_L9

=

L9 .

C

_P9

. 80

G'

,

80

WG'

=

V + G Cp

9

9

9

Nu geldt: w

_L

== w

_{L '}

+ _WG' (adiabatische ontspanning).

9

9

_,

9

_,

Voorts geldt:

_L9

₌

_L9

+ G

9

.

We stellen nu de

soorte-l~ke warmten gel~k. Dit mag b~ benadering, aangezien we in

hoofdzaak met diaethylbenzeen te maken hebben. We. krijgen nu:

,

,

,

L9

.

Cp.

190

==

L9

.

Cp.

80

+

_{(L9 - L9) •}

V + (L

9

-

L

9 )

.

Cp'

80

Dit uitgewerkt geeft:

J

C (19

v

O - 80)

1

L~

=

L9

1

1 - - p " " ' - - - -

J

We substitueren nu:

L9

==

527,36

kg/_{hr ;}

e~

=

0,70

kcal/kgOC ;

~

=

90

kcal/kg;

*

deze waarden z~n zo goed mogel~k gescha~.

,

Na substitutie kr~gen we:

L9

=

76,17

kg/hr.

,

G

9

=

451,19

kg/hr.

Hoewel de berekening zeer grof was, kunnen we toch wel

zeggen, dat b~na alle stof in dampvorm de kolom binnengaat.

Nu gaan we over op de warmtebalans van kolom

3

:

Stel, dat de hoeveelheid stof die door de dephlegmator

per uur wordt gecondenseerd, gelijk is aan

t

Gl~'~ dan vinden

we de hoeveelheid warmte die door de dephlegmator moet wor-den afgevoerd uit:

Qdephlegmator ==

We substitueren: G

_IO

=

439,40

kg/hr; V

DEB ==

80

kcal/kg (zelf

geschat) .

We vinden nu voor Qdephlegm. :

17.576

kcal/hr.

Voor Qcondensor vinden we: G

_{IO .}

V

, \-:.((--" r;i._ .-' .•. ( \ . I .' " L· V I t "

:;t~lld'"

7

26

We maken nu

de warm

tebalans

op

voor de kolom zonder

condensor:

I I I I

~erdamper +

G9

•

W9

+

L9

.

w9

=

GIO

.

WIO

+

G12

•

w

₁₂

+

Qde-phlegm

.

Stel

toptemperatuur

80°C

;

de bodemtemperatuur is 110°C.

We

nemen aan, dat

de

enthalpieën bU OOC nul zUn.

We

nemen aan, dat

de

soortelUke

warmten allen gelijk

zijn. Dan

geldt

:

I I

W

₉

=

Cp •

80

+

VEE ; w

₉

=

Cp •

80

;

_{WIO =}

Cp •

80

+

V ;

w12

=

Cp

.

110.

Dit ingevuld

geeft

:

Qverdamper

_{= G12 •}

Cp

(110

-

80)

-(G

9

-

_{GIO )}

•

V

+ Q

dephlegm.

We

substitueren nu

de

volgende waarden:

G

9

=

451,19 kg/hr

;

_G12

=

87,96

kg/hr

;

_GIO

=

439,40 kg/hr;

C;

= 0,70

kcal/kgOC

.

;

v*

=

80

kcal/kg; Qdephlegm.= 17.576

(*

zo

goed

mogelUk geschat).

We vinden dan voor Q

verdamper

~erdamper

=

18.480

kcal/hr.

Warmtebelans

vierde kolom:

kcal/hr.

'VJ

Dit

is

een

,

batchdestillatieketel~aar

de lichte

produc-°

"".rw..

ten.blj ca. 175

C

uit het

residu gestookt

.

Het

g_~pakt~.

k0l-0m-(

met je dient

niet zozeer

~ls c~ntactoppervlak a~s ~~loV:?Or

)

spatvangen.

We

nemen

aan

,

dat de

to~~yoducten

bij

120

C

con-,

denseren. De

keteltemperatuur

is

175°

~

.

De producten komen

blj

120°C de ketel

in.

Qverdamper = G12 .

Cp

(175

-

120)

+

_G13

• V.

G12

=

_{87,96 kg/ hr ;}

_G13

=

58

,64

kg/

_hr ;

C;

= 0,7 kcal/kgo

_C

v*

_{= 80 kcal/k}

_g.

(*

zelf

geschat).

~erdamper

=

87,96

.

0,7

.

55

+

58,64

•

80

=

8077 kcal/hr.

Qcondensor = G13

•

V

+

_G13

•

CPdamp

(175

-

120).

I

\

D. Berekening van een apparaat.

w~ zullen het aantal theoretische schotels van de

eer-ste destillatiekolam berekenen. Ter vereenvoudiging is

aan-genomen, dat de voeding slechts bestaat uit benzeen,

aethyl-benzeen en diaethylbenzeen. Per uur wordt gevoed: 1267 kg

benzeen, 1042 kg aethylbenzeen en 439 kg diaethylbenzeen.

Rekenen we dit om in molen en nemen we aan, dat er per t~ds­

eenheid in totaal 100 molen worden gevoed, dan kr~gen we de

volgende voedingssamenstelling:

Tabel 18. benzeen 55,6 molen

aethylbenzeen 33,2 molen

diaethylbenzeen 11,2 molen

Totaal 100,0 molen

Voorts nemen w~ aan, dat het topproduct verontreinigd

is met 0,5 mol% aethylbenzeen en 0,0% diaethylbenzeen. In

het residu zit nog 0,5% benzeen. Uit deze gegevens bereke

-nen we de grootte en de samenstelling van D en K. (zie

fi-guur 9); immers:

Figuur 9.

F

=

D + K (totaal- stofbalans) ;

[ _FXf

=

DX_D

+

Kx_K] B (benzeenbalans ).

Deze twee vergel~kingen, gecombineerd met de waarden uit tabel 18 geven:

55,6

=

100 • 0,995 - K (0,995 - 0,005) ;

of K

=

44,3 molen.

Dus D = 100 - 44,3

=

55,7 molen. Nu kunnen we direct

de samenstellingen der verschillende stromen berekenen. Dit is uitgevoerd, de resultaten ziet men in tabel 19.

- - - --

-\}:>

28

Tabel 19.

Destillaat

Residu

Voeding

molen

mol

%

molen

mol

_%

molen

mol

_%

B.

55,42

99,5

0,18

0,5

55,6

55,6

E.B.

0,28

0,5 32,92

74,2

33,2

33,2

D.E.B.

•

---

---

11,20

25,3

11,2

11,2

Totaal:

55,70

100,0 44,30

100,0 100,0

100,0

Voor de werklijn van één

component

in het rectificerend

gedeelte geldt:

R

Voor de werklijn

1 x + -n R + 1

van één

L

x d CR

=

D '

refluxverhouding)

component in

het strippend

gedeelte geldt:

Y

m

+

1

=

RD + qF

R

D

+

q =

qF -

K

W

-

wf

W - w K

x

_m

RD+qF-K

•

x

K

Hierin is

W

de enthalpie van de damp die van de

voe-dingsschotel komt,

wf

de enthalpie van de voeding en

W

de

enthalpie van de vloeistof die van de voedingsschotel komt.

Voor

q

kunnen we ook schrijven:

q

=

Cp

( t s

-

tv) +

V

V

Hierin is Cp de gemiddelde soortelDke warmte van de

voeding, V is de gemiddelde verdampingswarmte van de

voe-ding, t s is de temperatuur op de voedingsschotel en

tv

is

de temperatuur van de voeding.

We doen nu de volgende aannamen:

Cp

=

0,5 cal/g.o

_{c ;}

o 0

V

=

8~~al/g

;

_{t s}

=

115 C en tv

=

25 C. In dat geval wordt

I

q

=

1,56 .

\

~

---Met behulp van bovenstaande formules en de gegevens

Tabel 20.

stof rectifi- gedeelte strippend gedeelte. cerend

benzeen _Yn+l == _{0,75 x n +O, 24}

9

_{Ym+l ==} 1,158 x m-0,0007

aethyl-Yn+l

benzeen == 0,75 x n +O,0013 Ym+l == 1,158 x m-O,118

diaethyl-Yn+l == 0,75 xn Ym+l == 1,158 xm-O,0402 benzeen

W~ gaan nu de samenstelling berekenen van de damp, die

in evenwicht is met de ketelinhoud. Aangezien onze stoffen chemisch erg op elkaar l~ken nemen we aan, dat de Wet van

Raoult opgaat:

PB == PB . _{x B}

Hierin is PB de benzeen-partiaalspanning in een damp

die in evenwicht is met een vloeistof, waarin x

B molprocen-ten benzeen zit, b~ een temperatuur

T.

PB is de dampspanning van zuiver benzeen eveneens b~ temperatuur T. De diverse partiaalspanningen in de ketel vinden we als volgt:

We nemen een ketel temperatuur aan en zoeken de verschillende

P's van de drie stoffen die b~ deze temperatuur horen, in de

b~gevoegde grafieken op. De x'en van deze stoffen in de ketel

z~n ook bekend, zodat de drie partiaalspanningen te berekena

z~n. Als we aannemen, dat we destilleren b~ 1 at., moet

~p == 760 z~n. Bl~kt dit laatste niet het geval te z~n, dan

nemen we een andere temperatuur aan en berekenen dan weer de p' s. We zetten deze procedure net zo lang voort tot ~p niet

meer dan ca. 10% verschilt met 760. Het percentage benzeen

in de uit de ketel komende damp berekenen we met:

x

B • PB

~x.P .

Dit berekenen we ook voor de twee andere

stof-fen. De samenstelling van de vloeistof die van de boven de ketel liggende schotel komt berekenen we door de waarden van Y in de formules voor de

"strip"-werk-l~nen te substitueren.

We nemen nu weer een temperatuur op deze schotel aan en

herhalen bovenstaande procedure. We gaan door tot we een

schotel kr~gen waarvan de vloeistofsamenstelling ongeveer met de voedingssamenstelling overeenkomt. Dan gaan we door met de formules voor de werkl~nen in het rectificerend ge-deelte tot we een schotel vinden waarvan de

---

~---30

stelling ongeveer overeenkomt met de samenstelling van het

destillaat.

In onderstaande

tabellen

is bovenstaande procedure

uitgevoerd, we vinden 7 theoretische schotels,

terw~l

op de

4 e schotel vanaf de ketel wordt

gevoed

.

In de

prakt~k bl~kt

men een 20 schotels-kolom te gebruiken. De oorzaak hiervan

zal

z~n,

dat de schotel-efficiency laag is.

Tabellen

Zie pagina's 31 en 32.

E.

Literatuur.

(1) (2) (3) (4) (5) (6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13 )

(14)

(15)

(16)

Sherwood,

Ohlinger,

Boundy,

Sherwood,

Kirk-Othmer,

Petroleum Processing,

(

May

,

Po1ystyro1, (1955).

~

styrene, (1952).

y"

Ind

.

Chemist

,

30, (1954),

25.

~,

883.

"<.

1953), 724.

Petroleum Processing, (Ju1y,

75·

1953), 1048.

C.I.O.s.

C.LO.S.

C.I.O.S.

C.I.o.s.

C.I.O.S.

B.LO.S.

Dow,

Mattox

,

Resen,

Sherwood,

XXXI

-XXII

-

_7·

XXVIII

-

13.

XVII

-

6.

XXIX

-

62.

1781.

J.Eng.Chem. 34, (1942),

1267.

l

Inst.Chem.Eng.

41,

(1945), 463.

\

Oi1

Gas J. 52, (1953), 142.

Erdöl und Kohle,

1,

(1954), 23, 156.

-T P

_xK

; : • P

_YK

x

₁

B.

1450

3960

0,005

20

0,0251

0,0223

E.B.

953

0,742

707

0,886

0,867

D.E.B.

280

0,253

71

0,0890

0,1116

-798

T

P

_x1

x

₁

• P

_Y1

_x2

B.

140

0

3600

0,0223

80

E.B.

835

0,867

725

D.E.B.

237

0,1116

26

-831

f -

te hoog

T P

_x1

_{x1 •}

_P

_Y1

_x2

B.

135

0

3270

0,0223

73

0,1002

0,0871

E.B.

730

0,867

633

0,870

0,853

D.E.B.

201

0,1116

22,4

0,0307

0,0612

728,4

T

P

_x2

_~.

_P

_Y2

x

3

B.

130

0

2940

0,0871

256

0,315

0,273

E.B.

640

0,853

546

0,672

0,682

D.E.B.

170

0,0612

10,4

0,0128

0,0458

812,4

T P

x

3

x3 • p

Y3

x4

B.

120

0

2340

0,273

639

E.B.

485

0,682

331

D.E.B.

120

0,0458

t

te hoog

T

p

x

3

x3 • p

Y,

x4

B.

1150

2070

0,273

565

E.B.

415

0,682

283

D.E.B.

102

0,0458

4,7

852,7

f--

te hoog