Beschrijving van de fabricage van ethyleenglycol

r'

I

.

"

.

\

-

..

I

F A B

R

l

E K S

S

C

H

E M

A

Beschrijving van de fabricage van ethyleenglycol.

J.C.F. Rynja Oude De l ft 12 Delft. December

1

958

1 l

- -- ---- --- ~----' ",

,

I

I

I

-r

'I'

-,-' I I , f " - ---L;.: -' ~

.

. . . . ~ r== · . c -~, ~ ~ = =~ =+ , I ~ ~t r -~ -+

..

\

.J

.

_...

:<!>. - --' :I!l. _ .~. ...

Diversen Cellophaan Dynamiet Terlenka

De fabricage van ethyleenglycol.

Overzicht.

Ethyleenglycol behoort tot de groep der diolen met een ali-fatische structuur met de algemene formule CnH2n(OH)2.De eigenschappen van het ethyleenglycol(voortaan afgekort tot

EG)

liggen tussen die van alcohol ( 1 OH-groep) en glycerol ( 3 OH-groepen).De toepassingen liggen op velerlei gebied.(litt.1).Hieronder volgen er enkele,voornamelijk gebaseerd op de niet oorrosieve eigenschappen van het EG en het lage smeltpunt van deze verbinding.

EG w rdt vanwege zijn grote vriespuntsdaling,lage vluchtigheid en niet-corrosieve eigenschappen,toegepast als antivries in motoren. Als koelmiddel in bierbrouwerijen en vliegtuigmotoren.Als

brandbestrij-dingsmiddel in de sprinklerinstallaties van onverwarmde gebouwen.(T_sm= -13°C) EG veroorlooft een hogere reactietemperatuur dan wanneer water als

koelmiddel gebruikt zou worden. Ook Röntgenbuizen en machinegeweren worde met

EG

gekoeld. In warmteuitwisselingssystemen waar oorrosie een rol speelt, wordt i.p.v.pekel

EG

toegepast.Als warmteoverdrachtsmedium gebruikt men

~G in de ontijzingsinstallaties van de vliegtuigvleugels.

Verder dient het

EG

als oplosmiddel voor verfstoffen,drukinkt, gommen en harsen, terwijl EG evenals zijn afgeleide verbindingen belangrijk zijn als emulgator,weekmaker en springstoffen,b.v.glyooldinitraat is

een explosief met een laag smeltpunt.

In 1954 werd EG voor de volgende doeleinden gebruikt; Antivries 80

%

(concurrent van CH30H)

6

%

5

%

4

%

(terephtaalzuur en glycolpolymeer)

5

%

Het toekomstig afzetgebied voor

EG

zal in de komende jaren voornamelijk liggen op het terrein van de kunststoffen(Terlenka) en -vezels(Dacron), harsen(Mylar) en de fotografisohe film(Cronar). litt.5

In verband met het feit,dat ethyleenoxyde(voortaan EO) een belangrijke rol speelt bij de bereiding van EG,zal hieraan eveneens aandacht besteed worden.

EO is een kleurloos gas of een kleurloze,brandbare,beweeglijke vloeistof.T

=

11oC.(litt.1)Het EO is een zeer reactieve stof,getuige

ko k

het aantal toepassingen,waarvan er hieronder enkele volgen.

Het ~O is een tussenproduct bij de bereiding van EG en polyethyleen-glycol(PEG),ethanolamine en acrylonitril.EO met alcohol levert "Cello-solve" (litt.6) toegepast als oplosmiddel voor lakken en vernissen. Onder invloed van vele katalysatoren kan het EO polymeriseren van

Dioxan,in de organische chemie veel toegepast als universeel oplosmiddel voor organische verbindingen (litt.6),tot zware polymeren met een moleoulair gewicht(10-70).1a3,de z.g."Carbowax".Een mengsel van EO met C02 in

ge-wiohtspercentages 10% EO en 90%C02,wordt toegepast als

bestrijdings-middel,het z.g. "Carboxidett.Cellulose vormt met EO, hyd r oxyrnet hyl ce l l ul os e ,

dat respectievelijk toegepast wordt als colloidbeschermer of filmvormer,

te rwi j l de textielindust rie het ge br u i kt bij het "coaten" en impregneren

van weefsels.

EO is in a lle verhoudingen mengbaar met water ,hydrolyseert

echter bij verhoogde temperatuur. Onder druk in cylinders is het onbeperkt houdbaar.Het is eohter wel giftig,en prikkelt de ademhalingsorganen,

terwijl ~O met lucht of zuurstof een explosief mengsel vormt.

Expl os i egr en zen ~o 3 - aO

%

in lucht.

In 1954 werd EO in de vol gende hoeveelheden verbruikt.~litt.5)

Etijyleenglycolbereiding 64

%

Polyethyleenglycol 11

%

Verdeelmiddelen 10 ~ Et ha nol ami ne 8

%

Acrylonitril 5

%

Diversen 2

%

Het PEG,voornamelijk bestaande uit di- en triethyleenglyool

.( OOG en TEG) ,da.t eigenlijkals afvalproduot bij dit proces ontstaat,

wordt gebruikt als drager en bindmiddel vOOr wassen, verven, lijmen en

oplosmiddel voor organische verbindingen.Als smeermiddel in gebruik in de textielindustrie en als weekmaker in de papier en celluloseindustrie.

Verder dient het als basis voor de pharmaceutische en cosmetische

preparaten,die tegenwoordig op de markt verschidnen.(litt.13).

Industriele bSreidingsmethoden.

EG wordt in de techniek bereid volgens drie methoden.

1) Chloorhydrineproces. litt.1,5,6.

Dit proces werd voor het eer s t toegepast door Wü r t z in 1925.

H20 +C12 ---.- HOCI + HCI

CH2=CH2 + HOCI ---+-

g~-g~2

bij 200 atm. en 200C

ethyleenohloorhydrine

De reactiesnelheid van etheen met chloor,bij de vorming van

dichloor-ethaan,is veel kleiner dan die van HOCI met etheen,daarom moet er v oor

zorg gedragen worden dat het HOCI goed kan ontstaan,7.ie

reaotie-omstandigheden.Er wordt dan we ini g dichloorethaan gevormd, ook al omdat

er met overmaat etheen gewerkt wordt terwijl de concentratie van het

ethyIeenchloorhydrine laag geh ouden wor dt . Al s nevenproducten ontstaan

dichloorethaan en dichloorethylether e(C2H4CI)2.

Hierna kunnen twee wegen ge v ol gd worden,

a) Directe hydrolyse.

CH2-CH2 + NaHC03 ---.. CH2-CH2 + NaCI + 602 bij ?0-80oc

~---

-\

}

Een nadeel van deze methode is dat het EG moe i l i j k van het Na CI te scheiden is,vandaar dat men meer methode b) toepast.

b) Indirecte hydrolyse.

CH2-CH2 + Na OH ---

...

CH2CH20 + NaCl + H20 OH Cl

ethyleenoxyde

CH2CH2 0 + H20

----

Ethyleeng lyc ol , bij

195 C

0 en

14

atm. 2) Hydrogenering van de este r van glycolzuur. litt. 1 en 5

o

bij 200 C en 700 atm. t = 5 min. conto

CH20 _{+ CO + H20 ----} ÖH2-ÖH= 0

formaldehyde glyoolzuur

Het glycolzuur wordt ~resterd m.b.v. methanol.Deze ester wordt

gehy-o

drogeneerd bij 200 C en een druk groter dan 100 atm. o.i.v. een CuO+MgO katalysator of bij een druk van 30 atm. met een chromietkatalysator. De nadelen van dit proces zijn de moeilij ke temperatuurregeling en de kosten van de waterstof.

3)

Directe oxydatie van etheen. litt.

1,2,3,4,5.

Dit proces we r d voor het ee r s t toe gepast door T.~.Lefort in 1930,

ondanks de bewering van Wür t z omst reeks 1925,dat ethyleenoxyde we l de eigenschappen van een oxyde bezat,maar niet direct uit de "elementen"

te bereiden wa s . ( l itt . 1 )

CH2=CH2 + .1.₂ 02

_---...-

CH2CH20 + Wa r mt e bij 250oC en 10 atm. De zuurstof is afkomstig van de be re i di ng van vloeibare lucht of er wordt direct lucht ge br ui kt . Al s katalysator gebruikt men Ag,waarvan die van Ag op een inerte drager wel het best ontwikkeld zijn.

De nevenreactie die opt re e dt ,i s de volledige ve r bran ding va n etheen. CH2=CH2 +

3

02 ---- 2 C02 + 2 H20 + Wa,·mte

Een probleem van dit proces is,het selectief maken van de katalysator.

Hiervan hangt alles af,Bo vendien kome n er enorme hoeveelhe den war mte vrij, die hoge ei s en stellen aa n de warmteafvoer , bi j de react i ete mpe r at uur van

o

250 C.Men heeft dan ook rea ctoruitvoe r i nge n met een "fluid bed" of

"fixed bed" , Dowtherm om de reactor pij pen,inert gas in het reactiemengsel, of inhibitors om de tweede reactie te remmen. (b.v.ethyleendichloride) De reaotor komt overeen met die voor de bereiding van phtaalzuuranhydride

ui t naphtaleen.

De drie genoemde process en zijn gelijkwaardig.De keuze hangt voornamelijkaf van de andere producten,die in de fabriek gemaakt wor de n . B.v. kraakgas,afgas van de polytheenbereiding,hoogovengas etc.

In de indust~ie produoeert men tegenwoordig,volgens methode 1 en

3

ongeveer 85%.In 1957 werd in de U.S. voor het eer s t meer glyool gema akt volgens de methode van de dire ct e oxydati e. De resterende 15%wordt geleverd door het

formaldehyde-CO proces.Van bedrijfsstandpunt gezien,is de bereiding

EG via de directe oxydatie van etheen eenvoudiger,deze methode vereist echter een ongeveer 1i x zo dure apparatuur.

Proceskeuze.

Van de voorafgenoemde prooessen komt het formaldehydeproces niet in aanmerking, omdat de kosten hiervan meestal hoog zullen liggen. Vooral de hogedrukapparatuur,lange oontacttijd en de kosten van de water-stof maken dit proces duur.(litt. 5,6)Alleen het beschikbaar zijn van goedkope grondstoffen kan dit proces rendabel maken.

Tegenwoordig past men vooral de processen 1 en

J

toe i~v.m. de grote hoeveelheden beschikbaar kraakgas en afgassen van de polytheen-.installaties. Dit laatste houdt in zekere zin al een plaatsbepaling van

de installatie in. (litt.5).In verband met het duurder worden van Cl2, veel in gebruik voor de bereiding van P.V.C.,chloropreen en in vele organisohe syntheses,is het chloorhydrineproces minder aantrekkelijk. Temeer daar de bereiding van chloor tegenwoor di g eveneens duurder wordt door de stijging van de electriciteitsprijzen.De kosten voor de grond-stoffen liggen bij het chloorhydrineproces ook absoluut gezien hoger, terwijl het EG moeilijker te zui ve r e n is.Het directe oxydatieprooes is wat betreft investeringen duurder,maar deze zi j n eenmalig. 6 Het proces levert dan ook bij een be paal de minimum capaci~eit 10-15.10 kg/jr

(li~t.1,5) goedkopere EG De kosten bedragen dan(1 - 1,5)10 dollar per 10 Ibs van de jaarlijkse capaciteit.

Een ander voordeel van de directe oxydatie van etheen is het afwezig zijn van corrosieve stoffen,hoewel een "fluid bed"Ui tvoering door de optredende slijtage dit voor dee l voor een gedeelte teniet doet. Het rendement van het directe oxydatieproces hangt in sterke mate af van de werking van de katalysator. (litt.1,2,14,15,17).Deze is dan ook het voornaamste doel geweest van een uitgebreide research opdit gebied, waarvan een groot aantal octrooien get ui gt . De belangrijkste zijn in de

litteratuuropgave ve r me l d.

De

moeilijkhei d bij de uitvoering van het proces in een ~fluid bed"reactor was het vinden van een geschikte katalysator,die gefluidiseerd kon worden,zonder te ve r gr ui zen of te sinteren. (litt.17). Ook het optreden van z.g."backmixing" was een groot be7waar.

Voor een reactor met "fixed bed" zijn katalysatoren te over beschikbaar. (l i t t . 14 , 15, 17 ) . De katalysatorkosten zijn laag,door de lange levensduur.

Bij de keuze va n het hierna beschre ven proces werd vooral gedacht aan een goede kat a l ys at mr , goed e warmteregeling en conversie, gemakkelijke zuivering van het EG. Een "fixed bed" werd gekozen i.p.v. een "fluid bed".Voornamelijk doordat de technische achtergrond van deze

uitvoering f;r ot e r LssDe "fluid bed" uitvoering zal echter in de toekomst

Een ander punt dat pleit voor de keuze van dit proces,is het verbruik aan grondstoffen. (litt.2) Beschouwt men alleen de prijzen van etheen en chloor,dan ziet men het volgende beeld;

Het chloorhydrineproces verbruikt per kg EO,1,8 kg E12 en 0,74 kg etheen. Het directeoxydatieproces verbruikt per kg EO 1,04 kg etheen en geen C12.

Om

1,04 - 0,74 = 0,30 kg etheen te sparen gebruikt men 1,8 kg Cl2 in het chloorhydrineproces.Het directe oxydatieproces is dus in dit opzicht goedkoper dan het chloorhydrineproces,indien de prijs van het etheen lager ligt dan zesmaal de prijs van het chloor.~n dit is tegenwoordig beslist het geval. Gezien bovenstaande beschrijving werd overgegaan tot de berekening van het directe oxydatieproces.Een korte opsomming van de in het oog springende voordelen vol gt hieronder.

a) Kosten van de fabricage zijn lager b) Eenvoudige appa~atuur.

c) Goede warmteregeling m.b.v. Dowthermsysteem

d ) Minder grondst ofkosten.

De hydratatie van het EO gebeurt in een stalen reactor, uitgerust-met een koelinstallatie.om de reactiewarmte 25 kcal/mol af

o 0

te voeren.De react'etemperatuur bedraagt 160 C - 200 C en de druk 10-20 atm. De koeling moet goed zijn of er moet met een verdunningsmiddel gewerkt

o

worden. (litt.4)b.v. water. Volgens litt.11 is de reactietemperatuur 195 C en de druk 14 atm. met een reactietijd van 1 uur.Het ruwe EG wordt

vervolgens d.m.v. verdamping geconcentreerd tot 90 gew.% en verder gezuiverd door destillatie.

Schemabe s pr ek i ng .

Etheen wordt met lucht en gerecirculeerd gas gemengd,zodanig dat er een mengsel ontstaat,bevattende 89% N2,6% 02 en 5% C2H4.(li~t.14). De verhouding etheen met zuurstof is ongeveer 1:1 i.v.m.explosiegevaar.

o

Dit gasmengsel wordt voorverwarmd tot 210 C m.b.v.het gas,dat de reactor verlaat.Een oompressor brengt de druk op 10 atm,waardoor de reactor

kleiner wordt. (litt.2).Ver volgens wordt het mengsel geleid over een kata-lysator,opgesteld in smalle pijpen.De katalysator bestaat uit gedroogd, gegranuleerd Ag,geprecipiteerd uit een AgN03-dextroseoplossing m.b.v.

o

soda en toevoeging van 0,01%H25e03,welke bij 250 C een etheenoonversie geeft van 33,3%,waarvan 70%EO,de rest weordt verbrand tot C02 en H20.of onomgezet afgevoerd.(litt.15)

De

gebruikte katalysator staat een hogere reactietemperatuur toe, zonder gevaar van plaatselijke oververhitting en geeft een hogere EO opbrengst.DE contacttijd is 2-6 sec.

De reactiewarmte wordt afgevoerd m.b.v. een Dowthe r ms ys t eem, water als koelmiddel zou een damplaag om de pijpen vor men , me t als gevolg

een hogere weerstand voor de warmteoverdracht. (litt.1,2,5) CH2=CH2 CH2=CH2 +

•

'à- 02

3

02

---...-

----CH2CH20 2 C02 + + 46 kcal/mol 2 H20 + 330 koal/mol (litt.23)

,.'

Het voordeel van de Se-Ag kat a l ys at or is,minderw warmte doordat er minder C02 gevormd wordt,betere oonversie ten gunste van het EO,bovendiem meer

inert gas dus een betere warmteafvoer.

De reactor bestaat uit 1" roestvrije stalen pijpen (litt. 1,14),

die taps toelopen om de gassnelheid te handhaven,&~et.g.v. de contraotie

dreigt de contacttijd toe te nemen.

o

Een van de problemen is het afvoeren van de reactiewarmte bij 250 C

Daar deze-van dezelfde grootte orde is als bij de bereiding van

phtaalzuur-anhydride,komt de reactor hiermee over een.De warmte wordt afgevoerd en de ~

temperatuur geregeld m.b.v. een passende vloeistof (olie of "dowtherm" d.i.

75% diphenyloxyde en 25%diphenyl)litt.3,die langs de buitenkant van de

reactorbuizen oirculeert.Het bezwaar van een "dowthermsysteem" is,dat lekkage

vergiftiging,sintering en inaotivitèit van de katalysator kan veroorzaken.

Ook toevoeging van een inert gas (hier voornamelijk N2) geeft een betere

warmteregeling.(litt.1).Een gedeelte van de warmte,meegevoerd door het

reaotiemengsel wordt in-een warmtewisselaar gebruikt om het te reageren

o

/' gasmengsel op te warmerr.De afkoeling tot 20 C om het gas gesohikt te maken

voor de absorptie,gebeurt in 5 met wat er gekoelde koelers.In de gepakte

o

absorptiekolom wordt het EOmvbsv, water-bij 10 atm. en 20 C geabsorbeerd.

Het C02 wordt hier eveneens g absorbeerde

"):'.\~-l''/ Na de absorptiekolom wor dt de H20-EO oplossing toegevoerd aan een

, rectificeer-schotelkolom.Het gas,dat de absorptietoren verlaat wordt

gere-oirouleerd,nadat eerst een gedeelte is gespuid,om opeenhoping van inert gas

(voornamelijk N2) te voorkomen. De reet ificeerkolom wordt verwarmd met open

e

stoom van 110 C en 1,4 atm.Het topproduct wordt gekoeld m.b.v. fréon-12

o

tot het kookpunt van EO (11 C) en gedeeltelijk teru

6gevoerd.

(terugvloeiverh.1 ,2)

Het bodemproduct bestaat uit wat e r van ongeveer 100 C,dat eventueel gekoeld

o

kan worden tot 20 C om weer dienst te doen voor de absorptietoren.

De hydratatie van EO met H20 gebeurt in een stalen

reactor,uit-o

gerust met een koelspiraal in de top bij 160-200 C en 10-20 atm. (litt4,24,25) Er moet bij deze reactie goed gekoeld worden of met een verdunningsmiddel gewerkt worden,waarvoor in dit geval water toegepast wordt. (litt.3)

CH2CH20 + H20 ~ CH2CH2 + 25 koal/mol

-OH OH

Litteratuur 11 vermeldt,dat een mengsel van EO met H20 in gewichtsverhouding

o

1 : 6 bij 195 C en 14atm.,reactietijd 1 uur,reageert tot EG,waarna het

gezuiverd wordt d.m.v. een triple-effect verdamper tot 90% en <ie rest i I , l . '

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

d.m.v. fractionering eventueel onder verminderdedruk.Volgens deze

reactie-omstandigheden ontstaat 89% EG, 10% DEG en 1%~G.(litt.1,4,12).

Het EOwor dt met H20 gemengd en via een warmtewisselaar toegevoerd

aan de reactor.De reactie wordt al in de warmtewisselaar ingezet,via een

"bypass" is de temperatuur van de voe di n g (toptemperatuur van de reactor) te

regelen.De zuivering geschiedt ve r de r zoa l s bovenvermeld,via een

destillatie-kolom,waarbij H20 over de top komt en een vacuumkolom(0,1 atm.) waar het EG

over de top gaat.De ze laatste is een gepakte kolom, omdat de drukval bij een

Materiaalbalans.

Om de geschatte ethyleenglycolproductei te bereiken,(. 2000 kg/u9

moet er 180 kmol/u ~theen aag de reactor toegevoerd worden.

180 kmol/u = 3996 m /u bij 0 C en 1 atm.

Het reactiemengsel is opgebouwd uit 89% N2,6% 02 en 5% C2H4.(litt.14)

DE invoer bestaat dus uit 5% C2H4· 3996

r2

/u = 180 kmol/u = 5040 kg/u

89% N2

=

71129" = 3204" = 89712 "

6% 02

=

4795" 216" 6912 "

De oonversie bedraagt 33,3%,waarvan 70% omgezet wordt in ethyleenoxyde en 30% in C02 en H20.

Tweederde gedeelte van de toegevoerde hoeveelheid etheen is dus onveranderd

gebleven en komt inde reaotoruitvoer en via de absorber gedeeltelijkin de

spui en gedeeltelijk in de terugvoer.D.i. 2/3.5040 = 3360 kg/u etheen.

De rest,te weten 1680 kg/ u = 60 kmol/u reageert met de zuurstof.

70% van het etheen =

42

kmo

I/U

reageren met 02 tot CH2CH20.

CH2CH2 + ~ 02 ----- CH2CH20

deze react ie

levert;

42

kmol/u=1848 kg/u CH2CH20

~; 21 kmol/u = 672 kg/u 02

30% van het etheen

=

18 kmol/u

reageren met 02 tot C02 en H20.

CH2CH2 + 3 02 ---- 2C02 + 2H20

deze reactie

levert ;36 mol/u = 1584 kg/u C02 en

36 mol/u = 648 kg/u H20

kost; 54 kmol/u = 1728 kg/u 02

In de uitvoer van de reactor komt·dus nog 6912-2400=4512 kg/u 02 Toortte~Nijl

de reactie zelf 2400 kg/u 02 kost.

De hoeveelheid N2,die in de reactoruitvoer komt is dezelfde als welke erin

ge-voerd wordt dus 89712 kg/u.

De reactoruitvoer bestaat dus voorlopig uit; (afgezien van de terugvoer)

Etheen 3360 kg/~ Stikstof 89712" Zuurstof 4512" CH2CH2 0 1848 , , C02 1584 " H20 648 "

Voor de gegevens gebruikt bij de berekening van de materiaal-,warmtebalans

en dimensies van de absorptietoren zie litteratuur 10,22,9)

o

De absorptietoren werkt bij 20 C en 10 atm.

o

Bij 5 C vormt EO in het gebied 4,1-81 mol% een vast

o

hydraat met H20,terwijl dit gebied bij 10 C ligt

o

van 8,7 - 22 mol%,bij 20 C wordt in het geheel

75150 kg/u 1830 kg/u , 584 " 75654 "

,

,

144

I I G ~Q

I

~O _ __ _ _••~._._~_• ...,.__. _. ._'T' . •• - . -._ _ • •• • _ 3360 kg/u .

i

89712 " 1 4512 , , 18 " F C2H4 3360 kg/u N2 89712

,

,

02 4512

,

,

C2H40 1848

,

,

i

C02 1584

, ,

H20 648

,

,

_!

.

_---_

...'-,

._-:Stel 1

%

van het EO bI ijft in de gasphase d.i.18 kg/u.

De druk waarbij gewerkt wor dt is voldoende om in de doorgevoerde hoeveelheid

o

water alle C02 te doen oplossen.De oplosbaarheid van C02 in H20 bij 20 C

en 1 atm.

=

',7 gjkg H20.(litt 22).

Uit de aangehaalde litteratuur blijkt,dat de vergelijking van de even-o

wiohtslijn Van het systeem H20-EO bij 20 C en 10 atm. is y= 0,512x,waarin

x en y opgegeven zijn in Me~~~ae~~ee.kgEO per kg inert gas.

De voeding van de absorber is ge l i jk aa n de uitvoer van de reactor dus

Y1 = 0,0187 kgEO/kg inert.Het EO w rdt voor 99% geabsorbeerd dus

Y

2 = 0,01.0,0187 = 0,00019 kg EOjkg inert.

x

2

=

0

De algemene vergelijking van de werklijn is G(y - Y2)

=

L(x - x

2),in

combinatie met de bovenstaande gegevens wordt de vergelijking van de werklijn; L en G nol veranderd worden.

(zie ook de bijlage en tabellen)

=

0,0361.

0,0185

Y

=

---.x + 0,00019. Nu kan de verhouding van

x 1

Stel de werklijn / / evenwiehtslijn,dan is x

. 1

L( x - x )

=

G( Y - y) ---. . L =( 0 , 0185/ 0 , 0361 ).G

1 2 1 2 ---_ L = 50100 kg/ u

G • 97584 kg/u inert gas

Stel dat de helling van de werk l i j n 1~ zo groot genomen wordt als die van

de evenwiehtslijn,dan is L=

1

i.50100

= 75150 kg/u = H20

De

vergelijking van de werklijn wordt dan Y =0,77 x + 0,0002.

Dit levert volgens de _methode van Me Cabe-Thiele een absorptietoren op met

de werking van 10 theoretische schotels.

H20 berekening.

o

De partiaalspanning van H20 bij 20 C is 17,54 mm Hg , de totale spanning is

7600 mm Hg,de spanning ver orzaakt door de andere gassen is 7582,46 mm Hg.

In de G-phase zit 3465 kmol/u gas, uitgezonderd het water.Deze hoeveelheid

veroorzaakt de druk van 7582,46 mmHg.De hoeveelheid waterdamp is dan

(17,54j758~,46).3465= 8 kmol/u H20 = 144 kg/u.

De waterbalans over de gehele toren wordt 75150 + 648 = L +

J$4

--~ L=75654 kg/u.

Hierin lost ook alle C02 op.D.m.v.drukverhoging,en hoeveelheid H20 en hoogte van de toren is de absorptie nog verder te regelen.

Spui en terugvoerberekening.

Etheen G C2H4

lucht.G~

f

G

rea ct0:J:t,. G2 heeft dezelfde samenstelling als de terugvoer R.

In lucht 20vol%02 Ve r h . van de gw. =+*32

=

~ 80vol%N2 .28

7

dus 2 kg 02 op 7 kg N2 - gew"ft = 22,2%(t.o,v.N2+02) Terugvoer R. 'Spui G 2 G absorber

Verlies 02 in de reactor + verlie Verlies N2 in de spui

02 in de spui

=

winst 02 via luchttoevoer.

=: winst N2 via luohttoevoer.

(N2) 100-4,79

---.

100 100 - 22,22

= ---

.G 100 1 G 2 =: 10710 kg/u N2 + O2 G 1 ::: 13109 kg/u N2 + 02. C2H4 N2 02 C2H40 C02 H20 I ; I

---

--

.

..

;:

~~.~:~r

L-:~;

(

~7:

L

-

i-

;

~

;

~~~

r

)

89712 . j r0196 j j 79516., l' deze zijn berekend,alle

4512 ;. ' 514 , , 3998 I I - andere staan in dezelfde 18 , I 2 , , 16 ;I ver h oudi ng tot 02 of N2.

a "

O , j 0 "

_

_

_

1

~

_

~

__

'.~

__

.

__ .

1__

~

__ " 128 "

Compr e s s or .

•

I

R(terugvoe r ) G (lucht)

-

---I

_--

---

-_. --

--

---

t---

---- --

1 --- --- . C2H4 I 2977 kg/u - i N2 1 79516 ,I 110199 kg/u . 02

I

3998 " i 2910 " C2H40

I

16 I I ! H20 128 I I

G

!

G

~2!!4

.I

.J:.~~ct2I:_ 2063 kg/uj 5040 kg/u 89712 I ' 6912 , I 16 " 128

I'

- - •__._._._..- __.~__• ,_ •._ .•.•_..."'...._._.•__'~_"""'''~r ''''''''''''' '' _ ' ' ' ''',".•'..,,_..,. ,__ ... ··•..·"r-~.- , _.•,." ~ '..•'_. G = G - R ::: 5040 -2977 = 2063 kg/u C2H4 C2H4 reaoto~ C2H4

De uitvoer van de reactor wordt G + de aldaar gevormde producten. reactor C2H4 3360 kg/u N2 89712

,

,

02 4512

,

,

C2H40 1864

, ,

C6$ 1584

,

,

H20 776

,

,

Nu kan nog een correctie op de waterstroom uit de absorber berekend worden.

zie a Ldda.r-,

75150 + 776

=

L + 144 --~ L = 75782 kg/u.

0,01. de

rec-Het destillaat moet 99,5% zuiver zijn --- x = 0,988

d

De helling van de q-lijn wordt gevonden uit q

=

(~ + ~ )/~

w T v

De vloeistof,komende uit de absorptietoren,dient als voeding voor tofioeerkolom.Het Ce2 blijft in de berekening buiten besohouwing.

De voeding bestaat uit; H20 75654 kg/u

=

4203 kmol/u)

C2H40 1846 J I =

42

J I

J

---

~

xf

=

C02 1584 11

l

T

=

kook o

80 C

(litt.

9)

De voeding is voor dit geval gelijk te stellen aan zuiver water dus;

~w

=

18.( 80 - 20 ).1 = 1080 oal/mol \

---- q

=

10800/9720

=

1,11.

~

=

540 cal/g

=

18.540

=

9720 cal/mol.

v

De helling van de q-lijn wordt alleen bepaald door de wqrmteinhoud van de

voeding.De vergelijking van de q-lijn is;

y = --S--.x -

--~--.

x

---~

y

=

10,09.x - 0,0909.

q-1 q-1 f

Berekening van de evenwtchtis Lä jn ve r l oopt via de relatieve vluchtigheid.~,

is de '.'er ge lijking van de evenwi chtslijn

~ is de relatieve vluchtigheid van EO t.o.v. H20

AB .

log p

=

6,839 - 1410jT in cm.Hg (litt.21)

C2H4°

o

stel de gemiddelde temperatuur van de toren is 60 C. De dampspanning van

o

het EO is dan 398 cm. bij 60 C.Van het water is de dampspanning 14,94 cm.

De relatieve vluchtigheid 0( = 398/14,94 = 26,6

AB

De vergelijking van de evenwichtslijn wordt 26,6.x - 25,6.xy - y

=

O.

Het snijpunt van de evenwiohtslijn met de q-lijn geeft een punt van de eerste werklijn bij minimale terugvloei verhouding en een oneindig aantal

schotels.Deze snijpunteR zijn x

=

0,0728 en y

=

0,644

De aldus gevonden eerste werklijn gaat door de punten (x=O,988,y=0,988) en

(xcO,0728,y=O,644).De vergelijking hiervan wordt dus uit deze punten bepaald. Aldus vindt men voor de minimale terugvloeiverhouding 0,6aa •• ln de praktijk

is R

=

2.R. = 1,204.De vgl.eerste werklijn is dus y = 0,546.x + 0,448.

--- - -~ -

---v-U

',

t;

r:

/ r ( (. .." .I L'

L

;...;J(

I

I • .I t.(! ,. f'·t· , " 1\ \.

Uit het McCabe-Thiele diagram vaar deze toren blijkt,dat de

F .. D + K

Materiaalbalans van het EO over de

rectifioeer-x

.F

..

x

.D

+ x

.K

f d k

0,01.4245 .. 0,998.D + (4245 - D).O,00005

D= 42,4 kmol/u.De hoeTeelheid EO,die in het

destillaat voorkomt bedraagt 0,998.42,4" 41,8 kmol/u dit is 1837 kg/u aan EO in het topproduct.

kolom.

L '_'_j

J

werking hiervan overeen moet komen met acht theoretische schotels en dat de voeding op,de zesde schotel ingevoerd dient te worden. (zie de grafieken

achterin).

J

~ -

~

_ ' D,x d

-

-I

- ---"'-"' -1 .._ I

i~~

-·_ ··

-

·1

f .~ 0,1 kmol/u! K .. - - _..._._-_._~~---_.__.". ,._ .,- _ ..,._.'.--_..- R r t H20 C2H40 C02 ! I I F ' D

_

_ _ _

+-

..

._.._.__

.

.__..

_._.1.__. _ I J

I

75654 kg/u =4203kmol/u

i

9kg/u75645 kg/u

, 1846,," 42 , ,

I

1837, ,::41,8 : 9 " =

I

I '

I 1584 , , .

I

1584 "

_ _ _.-.l.-... . ._._ '.'_.'_'_..- _' - _--." '" -. - -.-.- - _ - _.._-._ -..- -., -.---.

De hoeveelheid water(H209 in het destillaat bedraagt volgens bovenstaande

berekening;(0,012/0,998).41,8 kmol/u

=

0,507 kmol/u = 9 kg/u H20.De

hoeveelheid H20 in he~ ketelproduct is dus 75654 - 9 = 75645 kg/u.

Van de hoeveelheid C02 wordt aangenomen, dat deze over de top komt en aldus

bij de materiaalbalans in het destillaat Dopgenomen.

Bij het ketelproduct moet nog een hoeveelheid water bijgeteld worden, omdat de verwarming van de kolom geschiedt m.b.v. openstoom.Deze condenseert en

bedraagt 12267 kg/u zoals uit de berekening van de warmtebalans blijkt.

De hydratatie van het EO gebeurt in een stalen reactor,waaraan

EO en H20 in een gewichtsverhouding van 1 : 6 wordt toegevoerd.De

reactie-o

omstandigheden zijn 195 C en 14 atm.met een contacttijd ~n 1 uur.Na de

reaotor wordt de ruwe glyeoloplossing geooncentreerd in een verdamper tot 90%.Dit concentreren gebeurt, omdat anders teveel water in de

destillatie-kolom verdampt moet worden.Hoge pompkosten en grote afmetingen van de kol om

worden hiermee voorkomen,te~lijldoor het gebruik van een

triple-effect-verdamper ook de benodigde hoeveelheid warmte veel kleiner is.(litt.1,4,11).

CHjCH20 + H20 --~ CH2CH2 Et hyl eengl yc ol (EG) Mol.gew.62 voor 89%

OH OH

CH2CH2 • CH2CH20 --~ CH2CH20CH2CH2 Diethyleenglycol.(DEG) Mol.gew.106 voor 10%

OH OH OH OH

snaCH20CH2SH2 + CH2CH20 --.,. SH2CH20CH2CH20CH2SH2 Triethyleenglycol (TEn)

Mol. gew.150 voor 1%.

, \

Uit de menger komt de voeding bestemt voor de glycolreactor bestaande uit ;C2H40 1837 kg/u

=

42

kmol/u

H20 11031 ., 002 1584, •

713,4 kg/u H20 42 kmol/u EOwordt 37,4 kmol/u

4;2 " 0,4 " Van de Hiervoor is nodig 37;4.18 = 2.1.18

=

0,4.18

=

3

Totaal 673 kg/u 38 ,; 2,4 " omgezet

, ,

,

,

in 37,4 kmol/u

=

2320 kg/u EG.

-, -, 2 ;1 , , == 223 , , DEG.

" 0~4"

=

20 " TEG.

3

De reactoruitvoer bestaat dus uit; EG aa20 kg/u !)EG

223

"

TEG 20.,

H20 10318 " C02 1584 " .

De vloeistof,die de verdamper verlaat bestaat uit; EG OOG

'rEG

H20 Dit

tot

is tevens de invoer voor de triple-effeotverdamper,waarin de oplossing 90% geconoentreerd wordt.Als gas verlaat de verdamper 1584 kg/u Ca2 en

10033 kg/u H20 2320 kg/UI

223 I I 90% _{op •}1

20 " 285 ,I

De vloeistof,komende uit de verdamperi,dient als voeding voor de eerste destillatiekolom(uitgerust met schotels).In dit schema wordt niet eerst EG en H20 van de rest gescheiden,want dan zijn er twee vacuumkolommen nodig. Daarom wordt eerst het wat er gescheiden van de verschillende glycolen. Deze glyoolen worden dan in een tweede,gepakte kolom onder 0,1 atm.

gescheiden in EG en DEG + TEG.

Litteratuur 21 geeft voor de dampspa.nning van de verschillende stoffen,

EG. log

P

=

8;863 -(2694,7/T ) log p

=

9,7423 -(3193,6/T) log p

₌

_{9,2477 -(2994,4/T)} DEG. log p

=

8,1527 -(2727,3/T)

, ,

D 278 l

;;2:

k

du

-

f

;

;~~~~~

:----

l

;kg/U

!

223" 223" 20" 20" 285" 7 " 0 mm Hg 25-90 C 0 mm Hg 9Q-130 C 0 mm Hg 130-197 C 0 mm Hg 80-165 C 0 mm Hg 20-29 C 0 mm lig 140-210 C EG OOG TEG H20 K, 197 C 7,758 -(3170/T) 9,6396 -(3726,2/T)

L

~

D.Xd• 1000C

TEG.

log p log P

=

Fx ~

~ -

-X

f = 0,297 en de voeding bestaat uit 37,42 kmol/u EG

15,89" H20

= 3570/148 = 25,2.

H20,EG

Het DEG en TEG blijven buiten beschouwing.

Het destillaat moet voor 99,5% uit water bestaan dus x

=

0,998

d

De voeding komt op kooktemperatuur uit de verdamper dus q = 1,waaruit

volgt,dat de helling van de q-lijn = qjq-1 = m.De vergelijking van de

q-lijn is x

=

x

r

=

0,297.De berekening van de evenwichtslijn verloopt geheel

analoog aan de berekening van de evenwichtsli~n voor de rectifioeerkolom.

De gemiddelde temperatuur van de toren is 150 C.

Volgens de gegevens uit litteratuur 21 is

P

1 00 = 148 mm lig

EG, 5 C

P 1 0

=

3570 mm Hg (litt22)

H20, 50

c

De vergelijking van de evenwichtslijn wordt volgens litteratuur 7 25,2.x

y

= ---

_{1 - x}

+ 25,2.x

Het snijpunt van de q-lijn met de evenwichtslijn geeft een punt van de eerste werklijn,bij een minimale terugvloeiverhouding.Dit punt is

x

=

x

=

0,297 en y = 0,914.Te.amen met het punt x

=

0,998 = y levert

f d d

dit via de algemene vergelijking van de eerste werklijn,een minimale

terugvloeiverhouding R = 0,136 op.In de praktijk is de terugvloeiverhouding

... .. min

R = 2 a 3 maal R Dus f{ = 2,5.0,136 = 0,34.

min.

De vergelijking van de eerste werklijn wordt dan y = 0,254x + 0,745.

Materiaalbalans van het H20 over de schotelkolom.

x

=

0,297 F

=

53,22 kmol/u

r

x 0;998 d x = 0,011 (eis) k .F= D + K 0,297.53,22 = 0,998.D + (53,22 - D).0,011

hieruit volgt D= 15,46 kmol/u

Hiorvan is 0,998.15,46 = 15,44 kmol/u = 278 kg/u H20

De rest is ~ = 2 kg/u

Het DEG en TEG komt in het ketelproduct. K,x

k

F,x

f .

Uit het McCabe-Thiele diagram voor deze destillatietoren

blijkt,dat de werking van deze toren moet overeenkomen met zes theoretische

schotels en de voeding op de derde schotel ingevoerd dient te worden. (zie grafiek achterin).

J

.

--

Qo(I~-

-!

h

.

_.

l

~~~rr-i

0,947

Je

=

f 37,4 kmol/u

2,1 , ,

De voeding voor de tweede destillatiekolom bestaat uit het ketelproduct van de eerste destillatie.De7.e kolom is gevuld met Raschig ringen,omdat de werkdruk 0,1 atm. bedraagt.Een schotelkolom geeft al een drukval van dezelfde grootte over de kolom.

De voeding bestaat uit EG 2318 kg/u

DEG 223 J'

=

TEG 20" H20 7 "

Het TEG en het H20 blijven in de berekening buiten beschouwing. Hiervan wordt aangenomen,dat het respectievelijk in het ketelproduct en in het

destillaat terecht komt.

,

,

,

,

K 1 kg/u 211 20

, ,

7 D 2317 kg/u 12 , , i

.

1

,

,

7 DEG TEG H20

I

'F _._--~_..

_

...•.._._ . EG

i

2318 kg/u 223 i ; 20 i , dezelfde temperatuur, 2,91. en p

=

45 mm Hg bij DEG

relatieve vl ucht i ghe i d =

va n de evenwi chts l i j n vindt

De berekening van de evenwichtslijn

berekeningen.

o

p = 131 mm Hg bij 147 C

EG

hieruit volgt,dat de

Voor de vergelijkin g _{men y}

_{= ---}

2,91.Je

1 +'1,91.Je

Het snijpunt van deze lijn met de q-lijn levert het punt x=0,824 en y=0,9308

Vi a de vergelijking van de eerste wer k l i j n , v oor de minimale terugvloei-verhouding wordt dan voor

R

.

0,617 gevonden. In de praktijk ie de

m~n.

terugvloeiverhouding tweemaal zo gr oot . R = t,234.

De vergelijking voor de eerste werklijn wordt y = 0,553.x + 0,446.

Het McCabe-Thiele diagram toont aan,dat de werking van de kolom moet overeen-komen met 13 theoretische schotels of "transfer units",terwijl de voeding op Volgens de formules vOOr de berekening van de dampspanning opgegeven

o

in litteratuur 21 is T

=

133 C voor EG bij 0,1 atm kookpunt

o

T

=

162 C voor DEG bij 0,1 atm. kookpunt

Het destillaat moet voor 99,5%bestaan uit EG;dus Je

=

0,997

d

De voeding heeft een temperatuur gelijkaan de bodemtemperatuur van de vorige

o

kolom;is 197 C.(ls het kookpunt van EG) . Hi er van wordt aangenomen,dat

o

alleen zuiver EG aanwezig is.Het kookpunt van EG bij 0,1 atm. is 133 C.

De verdampingswarmte ~ van EG is 11842 kcaljkmol.

v

C

=

28 kcal~~ol;dus ~

= -

28.(197.- 133)

= -

1792 kcaljkmol.

PEG w

q is dan gelijk aan -1792/11842

= -

0,1513 De helling van de q-lijn is q/q-1 = 0,1~14

De vergelijking van de q-lijn wor dt y

=

0,1314.x + 0,8225

ve r l oopt Weer analoog aan de vorige I .

I

.

de elfde schotel ingevoerd dient te worden.Eenzelfde berekening als opgezet bij de andere kolommen levert de andere hoeveelheden in bovenstaande tabel.

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

-Wanntebalans.

In de reaotor worden

42

krool/u etheen omgezet oxyde en 18 krool/u etheen in C02 en H20.

Het warmteeffeot van deze reaoties is;Litt.22,23.

3

42.103 .35 koal/u

=

1.470.000 kcal/u 18.10 .337,3 "

=

6.071.400 " Totaal 7.541.400"

=

in ethyleen

-3

7541.10 koal/u Deze vrijkomende warmte wordt gebruikt om;

o

1) de synthesegassen T9.n 50 - 250 C Toor te verwarmen. (Hierbij is aan-o

genomen,dat de oompressor een opwarming van 20-50 C geeft) 2) om de "dowtherm" te verdampen.

Volgens litteratuur19,22 bedragen de soortelijke warmten C van de

o 0 p

versohillende gassen bij 20 C,voor N2 6,94 kcal/kmol

C,

voor 02

0 0 0

7,017 koal;kmol C,voor

EO

11,5 kcal/kmol C,C2H4 10,41 kcal;kmol C,

o 0

Toor H20 8,025 koal;kmol C en Toor C02 8,874 koal/kmol C.Deze worden in

o

het temperatuurgebied van 20 - 250 C oonstant verondersteld.

In de gaskoeler,direct na de reactor,worden de reactiegassen

o

afgekoeld van 250 -165 C,te~ijl de synthesegassen opgewarmd worden van 125 -o

210 C.Hierin wordt dus een hoeveelheid warmte afgevoerd,welke dient 3voor de opwarming van het synthese~as.Deze warmte is gelijk aan; 2185.10 koal/u Als basistemperatuur wordt 20 C aangenomen,waarop alles teruggebracht

kan worden om de warmtebalans te bepalen. 3

Met de reactiegassen wordt nog een hoeveelheid van 3720.10 koal/u afgevoerd,welke gedeeltelijk dient om het synthesegas in een aantal

o

warmtewisselaars op ~ewarmen van 50 - 125 C,waar§ij het reactiegas afkoelt van 16'1" - 95 C.Hiervoor is nodig 1930.10 koal/~.

Het reaotiegas heeft nu nog een warmteinhoud van 1790.10 koal/u.

Deze wordt afgevoerd in een aantal warmtewisselaars,welke met water gekoeld

o

worden, waarbij het reactiegas een afkoeling ondergaat van 95 - 20 C en aldus geschikt gemaakt wordt voor de absorptietoren.

o

In de reactor wor dt het synthesegas nogop§ewarmd van 210-250 C. Hiervoor is een hoeveelheid wa r mte nodig van 1027,10 koal/u.

De reactiewarmte,vermindert met de ze hoe~elheid warmte,~oet door het "dowtherm'systeem afgevoerd wor-derr.Deae bedraagt 6514.10 kcal/u.

f1

+ w + ~ want

$i

=

k f + ~_w = +

$i

is de hoeveelheid warmte,die vrijkomt bij de w

oondensatie van het H20 en EO in G.

I

st oom ~ De verdampingswarmte van EO is 139 koal/kg

o s

.. .

1

_. _

~1 s>....Q.

J..rl

atm."De ver dampi ngswa r mte van H20 is 540 koal/kg. 1000C $ik D= 1837kg/u ~ en 9kg/u H20,R

=

1,204 dus

L ._--.- _ G = 2,204. D Reot i f i ce e rk ol om.

I

,

L · -b. (1 W ~,--

f!

20 C

·

.

%

=

2,204.( 1837.139 + 9.540 ) kcal/u

=

573.103 kcal/u

~

is de hoeveelheid war mte nodig om de onderuit de kolom komende

hoe-k 0

veelheid H20 en EO op te warmen van 20 - 100 C. De soortelijke warmte van

H2e

is 1 kcal/kgj

~ = 75645.1.( 100 - 20 ) kca l /u = 6051.10 koal/u

k 3 3 3

dus ~y = 6051.10 + 573.10 = 6624.10 koal/u.

Bij de berekening hiervan is de geringe hoeveelheid EO in het

ketel-product verwaarloosd. 3

De benodigde hoeveelheid stoom is 6624.10 /540 = 12267 kg/u.

Dit oondenseert en komt in het ketelproduct,dat onder in de toren gespuid wordt.

Glycolreaotor.

In de glyoolreactorworden

42

krool/u EO omgezet in EG,DEG en TEG

j

Volgens litteratuur 4 is de hierbij vrijkomende warmte gelijk aan 1050.10 koal/l

Deze warmte wordt opgenomen door de hoeveelheid water,dat als verdunnings-

I

middel samen met het EO in de reaotor gespoten wordt.

De soortelijke warmt en voor de verschillende stoffen zijn;voor H20

0 0 0

1 kcal/kg C,voar C02 06124 kca l/kg C,voor EG 0,8 kcal/kg C en voor

DEG en TEG 0,6 kcaljkg C.

De temperatuurstijging,die in de reactor optreedt is als volgt te berekenen, (2320.0,8 + 2/+3.0;6 +·10318.1 + 1584.0,124). à t = 1050.103,waaruit

o

volgt,dat Q t

=

84,5 C, .De uitlaattemperatuur van de reactor bedraagt

o 0

195 C,dus de inlaat temperatuur van de reactor is 110,5 C.Deze wordt gere-geld m.b.v. een "bypass" om de voorverwarmer VOOr de gl yc ol r eact or .

Schotelkolom. ~

...

~.~

+fi

+fi

f s k

w

d

~

=(2320.0,8.243.0,6+285.1)(160-20)=320.103koal/u f

3

~k=(2318.0,8+243.0,6+7.1 )(197-20 )=354.10 koal/u

1

E

~

,

~

d

-

" '.

I

,

I

~f

.i

D bestaat uit 278 kg/u H20 en 2 kg/u EG,R=0,34

ol 0

160

C

dus G

=

1,34.D.De verdampingswa~eH20=540oal/g C

!

~

= 1,34.280.540 = 203.103 kcal/u

i

~s

~w

= (278.1 + 2.0,8)(100-20)

=

22.103 kcal/u

L

197,('

L

t

f

_{Ff T'c ; 21at m. ddUS}

_>fa'

_259.10

3

_{kcal/u,de ver-damping}

a-\

'

I

.

warmte van H20 bij 217°c is 444 koaljkg,dus de

LL:

-:-benodigde hoeveelheid stoom in de "reboiler"

is

259.103

/~

= 583 kg/u stoom van 217°C

Gepakte destillatiekolom.

r~

,,

-

li

_r

+

lis

=

lik

+

li

_w +

lid

I '

ij

!

I

i

~f=(2318.0,8+243.0,6+7.1)(197-20)=354.103

kcal/u.

133 C __l ~' ,.._ 3 '

\ -- ---'----"-- d

~k=(1.0,8+231.0,6)(162-20)=

20.10 kaal/u

\ Het destillaat D bestaat 'lilt 2317 kg/u EG,

\ 12 kg/u DEG en 7 kg/u H20.De terugvloelverhouding

~

- 1

1

' O,1/atm. R = 1,234 dus G ,.. 2,234.D.

197°C ,/ / \. Verd.warmte EG a 191 koaljkg

I /

,

Verd.warmte H20= 540 koal;kg dus

r~-

----'''

ö-''

-'':

>t

>t

=

2,234. (2329.191 + 7,540) = 1002.103 kcal/u

L

162 C s w ~ 2170c '

I,

Y!

= (2317.0,8 +12,0,6 +7.1)(133-20)= 211.103 koal/u !

I

21 atm. d dus

>t

=

879.103 koal/u

De

ve~dampingswarm\:;e

van water bij 217°C is 444koal;kg

dus de benodigde hoeveelheid stoom toe te

voeren aan de "reboiler" bedraagt

879.103

/444

=

1980 kg/u.

---Dimensies van de Tersohillende apparaten.

t • l/v

1

~ "'~.!F. ~~~~~_:~~~~~r

Ji

=

v.!F T t t v ' Inhoud reactor a 4,26.2 ,.. 8,52

m3

Buishoogte 1 ,.. v.t ,.. 3.2

=

6 m. Reacb or ,

Het moleculair Tolume bij 250°c en 10 atm is 523.1 .22,2a4,25

~

/km

₁

- -

_{273 10}

De molenstroom-door de r~aotor ,.. 3607 kmol/u dus het gasvolume door

j

3

3

de teaotor .. 4,25.3607 m /u .. 15340 m /u-dus ~v ,.. 4,26 m /seo. , 2

De reaotorpijpen met een diameter van 1",hebben een doorsnede" 5 cm .2

StelT ,.. 3 m/sec dan is de doorsnede van alle pijpen 4,26/3 = 1,42 m •

gas 4

Het aantal reactorpijpen is 1,42.10 /5 = 2840.

'/ I' I" 'I 'I '3 2 2

-V

'~

'

i

Oppervlakte per 2 pijpen" 4V'-3 (2,54) ,..

44,~5

cm

i

'

~/

:

Doorsnede reactor'" (2840/2 ).44,65.1 0-4= 6,34 m •

t

H "

',1

1

/" dus de diameter van de reaotor is D ,.. 284 om.

De oontaottijd is 2 sec. , \ j

'/

/

\,

./.

\

"

\

I I

r;

-

-

---

-.

-

i=-

-

-==-l

!

t

i{

t\r

t

---

-

I

- - --L

I

;'~Ii ! ,>

'

,; /

,r

:' ,-; ~ (

'

.

-''.~

Wa rmt ewi s s e l aa r.

Als voorbeeld van een berekening van een warmtewisselaa r

zal de grote warmtewisselaar,de "reboiler" van de sohotelkolom en de

oondensor van de gepakte kolom berekend worden•

.,..

yi

=

U.A. ~ T w

~

c 2185.10 3 kca l / ul w 2 0 Ü c 30 J~m sec. C ---_ ~T ::: 40 C

..

l

Re boile r.

1 m 1"pijp heeft een

A .. 2112 m 2

~

Aantal" 2840 _~ doorsnede =284 v = 3-m/ s ec.

oppervlR~~e=0

,08m2/m

1 = 10 m Condens or

-

--,

.

Aan de "reboiler" van de schotelkolom wordt stoom van

o

217 C en 21 atm.toegevoerd in een hoeveelheid van 583 kg/u.

o

~ T = 20 C

U"

120qo

J/~seo

.OC

302. 103 .. 1200. A. 20 A 12,6 m2

yi

= 302.103 J/sec.

s 2 meters

Een meter 1" pijp heeft een oppervlakte van 0,08 m /m,het aantal pijpen

in de "reboiler" is dan 12, 6/ 0 , 08 ::: 158 m.

~tel de lengte::: 1,5 m dus het aantal pijpen is 158/1 ,5 = 105.

Het oppervl~k,dat 2 pijpen in de doorsnede van de "reboiler" innemen

2

is 44,65 cm ,de doorsnede van de 'reboiler" =(105/2).44,65 ::: 2350 cm •

1/4

n

2 ..2350 om2 dus de diameter::: 55 om.

l

~ '

0

De bodemtemperatuur van deze kol om is 133 C en het koelwater

--- - - 0 0

wordt opgewarmd van 20 - 45 C.(4 T) = 96 C.

- 2 In

U ::: 700 koal~m .oC. u

yi

=

1002.10 koal/u Het aantal kg koelwater is 1002. 103/2 5 ::: 40080 kg/u

S~

W

= 1 kca l ;kgOC

H20

9m

een goede turbulentie te verkrijgen moet per uur 600 kg/u koel~ater

door een buis

van'

-"

gestuurd worden.Dus 40080/600 = 67 pijpen.

1002.1 03 =

7oo

.A.96

---~

A = 14,9 m2

1m 1"pijp ::: 0,08 m2/m buislengte =14,9/67.0 ,08 = 280 om

Het aantal pijpen is 67

De doorsnede van de condensor =(67/2).44,65

=

1479 om2 --~ D

=

44 om.

AbsorpttekoLom,

De

T

= 200C _{en de p = 10 atm. ,waaruit volgt,dat het moleoulair}

volume is 2,38 m3;kmol.

De gashoevee lheid G = 97746 kg/u = 120 krool/u C2H4

3204 " N2

141 ;; 02

0,4" EG

8 " H20 3

---_~ - -•• /1 Absorptiekolom. (vervolg) {') = gewioht/volume = 97746/3473.2,38 0: 11,8 kg/n?

I

g

\ 1 = \ 1f20 = 1000 kg

/m3

T = K 1- = 0,042.9,15

=

0,4 m/seo. gas T \ g O,4.1/4.1'L.r? = 3473.2,38/3600 a _ _ D2 7,3 m2

---~

DD 270 om.

Volgens litteratuur 26 is bij een vulling van de toren met 2" Rasohig ringen de hoogte van een 'transfer unit" 75 om.

De werking van de toren moet overeenkomen met 10 theoretische schotels,

stel met 10/6.10

=

16 transfer units ---.- h =16.75

=

1200 cm.

toren Schoteldestillatiekolom.

Het moleoulair volume bij de condities van deze toren,is

(373/273).22.2 = 30,3

n?

;kmo!. . .

D = 15,46 krool/u en R = 0,34 dus G = 1,34.D = 20,7 kmol/u = 20,7.30,3/360Om3/seo.

Vol gens litteratuur 23 is

\ =

r

= 1 000 kg/m3

1 \ H20

D = 280 kg/u H20= 280/18 kmol/u (Het EOwordt beschouvld als wat e r )

Mol , TOI . = 30,3 n? ;kmol dus;

\ a 280/280 .30,3 = 0,59 kg/m3

s

"fB

K

= 0,042 m/sec. bij een "hold up" van 1" en 0,45 m schotelafstand.

v

_.

_.

_r

0" V = 0,0/'1...

~

!999_:.:.9!.22_

1,73 mIIse e1 • gas 0,59 2 G = v •1

/4.

it".D gas 2 2 2 (20,7/3600).30,3 a 1,73.1/4.iI:.D ---. . D = 1283 cm

D

=

36 cm.

De werking van de toren moet overeenkomen met 6 theoretisohe schotels, dsL, gesteld op (10/6).6 =10 practische schotels.

De hoogte van de kolom wordt dan 10.45 cm

=

450 cm. e

- -- - - -<

-Litteratuur.

••

1 R.E.Kirk en D.F.Othmer. Encyclopedia ef chemical technology 3 387 (1950)

2.

906 (1950) 7 238 (1950)

-

- -

-(1956 ) 550 (1958) 5e ed. (1955) (1953 ) (1953 ) (1953 ) 529 en 'ër7-9 146 140 (1949) 33 5311 Febr. Sept . Nov. 32 32 32

2 T.E.Corrigan Petroleum Refiner

3 P.H.Groggins Unit prooesses in organio synthesis

4 Uhlmann

2.

136,148.(1953)

5 W. L. Fa i t h e.a. Industrials Chemicals 376-388 (1957)

6 L.Fieser en M.Fieser Organic Chemistry 67,123.(1957)

7 J.M.Coulson en J.F.Riohardson Chemioal Engineering. 2

622-8 van Oss Warenkennis en Technologie

2.

257 (1957)

9 Ind.Eng.Chem.

42

1434 (1950)

10 , INd.Eng.Chem,

42

1454 (1955)

11 Sherwood Petroleum Refiner 28 juli 120

12 R.M.Joslin en A.B.Steele Chem. Eng. News

13 Chemical Age 80 467 (1958) 14 u.~. 2.734.906 (14 Febr . 1956) 15 U.s. 2.680.752 ( 8 Juni 1954) 16 U.s. 2.671.766 17 Brit.Pat. 728.821 (27 April 1955) 18 Brit.Pat. 589.547 (24 Juni 1947)

19 F.D.Rossini Se l ect ed Val ue s of chemical ~hermodynamioproperties 1952

20 H.Kramers. Dictaat Physische Transportverschijnselen.

21 T.Earl Jordan Vapor pressures of organio oompounds. 72,73,87.(1954)

22 Ch.D.Hodgman Handbook of Chemistry and Physios. 20e ed. (1935)

23 J.H.Perry Chemical Engi nee r s ' Handbook (1941) Textbookedition.

24 FIAT Fi na l Re por t No 1311

25 BIOS Final Re p ort- H~ ~ e,~ - - - ­

26 Maxwell

- /

•

•

-.

,

-.: I

!

-i _vi _oI ,~i _'::I

.1

... ' .;1 ':.., .;' J.. s:

J

e

)

_ 1

l

.

'

_•

I I

I

I

J

c '1' A I'~ ,-~ .' .,.. ','.. r

,

.:: .:.-J '.,

I

I

i, , ,

i

"

--rr

'!:I !

0

; , e, 'r-. ~~ -' ,., _L. :>< C> ~ s -!

l

è

~':

1

I _T -y :- I l

r-~

I , )

l

t

1

r

.-1 .: J .1 .. _--: ti'

J

, e .' t :

L

,

I

i

:: j ;. ~ ,. I . ~ 6 ' J _ f~ o i c-. :: " ~ I .I I i Y... ,"

I

.

~

I

(

~

! I I I 1=7"C

J.

~

'---.

"

' ~ J _L _

J'~

, I t

I

lCl

f

'

~1-•

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

:~:II::: ~~ ~IJLI'T] 11 "'-~t~.. '.'_.~' ':::.1,:.::: : "1""1 Tt·!

'mmt

. . . i.]: , ... ,1;1 11 lil IIIJ It l: .T;-:-r'-':j:.-:" , . .:j .... :, :1:.:11'.jt1: Ht ·

-

)

;S~:,t:;1.. i.,. ,;

U

jij!

11, lll iil! :.' .;' ':;..

..

I · · .. :: :

,:i:

l

l!l!

illJ::I;

~i±~iH-tr+,

" :' "':. 11" : '; :i

:li 'lil

1!

)i

11;1 1, 11_{1 '} , l '

" i l

i : i i

ti

lillll:i

l

Pil

:1:: qHH+~rH. t~::...

'Ii I 'I_{i '} 'I 1 'I 11111':1 11+['mi I Ili J 11 " '. " , \:: 1i: - J., ti ,. .., :1:: 1,1 '11: 1i iil: I'.I:JIl 11 :'++ -•.. . 'f1d ....11 I I1.11111'11 11', 10'ti'tH.I"'I -i.:~,,'l. .~ h..\ . t ;. '\(: h i; ; ' : , :i;i.i :I;i '!III. il:; 1·:1 lil: .,:1::1' ::li

!I 11 i IU; .,.:::IT:::1 .. ,. i::I:i :' :.. ., i' '::m:!il: :IH lil: ;t:r-It:': i~;+T.:±: ".~rt! 't!'l~T

f, ·l Hl;;: fi::h:s:c1: --. .. "'1 : ::1 ..,-;-: lil. j:1 ' - ' .. ,11.1· ,

1 j1' 1

ril

tW1tt 'H ·:j·r·· : J - " ,,' :-~--r-r-:---:- " ·l~ ,:, lIl: "~~~ll -. ~'I' -~.-- "1 'Ijt4++;

1'j ti hl IW F;2~' :-:r:~:: c-.,: 1::1 :"'":ç:li:!::~:: ~ <r: :i::1\iJ liJ,; lilI"'" ., :: ,.iiL :ji [hl

1.11 ttt::r:;;:I:-:- F=c---'-:-:-:-::I--'" "11 T'::· 1,:11:li : I:l. .., ~:: ::=r.=~~ =2 :j:;:;t1ll Itlt

n: i]::;t-, ...~~:~.. :.:..:.;I--:::--=-....: '~l; :::: :C:.:: '.1;1' ihi ;.,11 .,' ':h 'i_ol:;L;' ;,;.: ' ""-.~+-;..·H~ ·-~..1:,ttj:It i-J

.; I::: ... :J:: :::..:1:::: ::::-:- ::.;:: .:: .... :;j. I;;. I:. j

, :, I: . .. . . .::': ::..:p:=:~:.:.:;:"-',...-~,.j:;:t~~Git. it.l+ q; -t-~r-• • • o-t-r- i;+-=-t:-:-:-:- _-+_-::---:::-f--:-:---- ~•.- _. ._•. '::L 'I~~ H ;illl . ··i l . : : . . .: . . _. , ::~~: r:-:--:-- ,- -e-rtrt-t-t- ~tt ttt~

I:mfH-m'I,,'!1

n'"

"..

:

..

~:

rrr,

Pi lii dil I: .; 1 ., ï .: i I, .. , .. . - j . . . ~':Ill

: , , : 1. .. ...~. i ;:;'117:,':1 ,Il .'f1 i7<': ,\

'L'

~ r \'p :..:\ , . . . .- • _:::i.=:c111t

, I' ;; '}1:: Cl :i f~; , , ;re:Ii:n1+:: '11 , ..!

1

!..

: -

...

'''';-

~

'T; t:.: u: I+-i: ::-;~ ,':t~:1· L :i:'I~'.:.+ttIT-+ j,j.: t~ ; .. . . ' " ~i:I-rr- .. '1

. t±tt_~t;- - r :!:!I: I: f :::t .. iI!:1::: ; j :::j~H+ l ft

t-::;

':::!:~

: ':::':.::

1·,.·:.·.· : .l: ;::-l'~ i::: ..

. j . ; '~~Iit: ,-J_ .:1. '- '0 -' : ' . .t _.•t-:,.1=;-~ t _.. . .. I. .. . ::-:-: ~-. ;';

+~. ~. ..: : : : ::i! :::: i::: :.;: " '1 lil:: :::: ::1:f.f1fp::~:'-! :::~r:::: :<t::. '"

i::: .: ':. ::-- ;.,.

:!I::!

1:;±

;1-:::1 rr :., c

••..-. -_., ••. . • ••••..•'-.-t-_ '0', •••• '1 • !l.l t-t-.; !;lr~~~l"-~: ~ _.. ... -. .. Ljl .t ol ~.t-l 1.-1<- I 1,-f.+..

TII1

il

!;,f ::::.. ...:: ..

..

:: ::: "

d

~il :~: ;;!lf+t! ~:

.. '"

i::

:1::

7

.

.

A

:::

:::::2 .. _

'3:EE

1

:=

:

1

J@

11 ,Il' .;lij :il":: ;;Lt ::::

i:::

.~:. ;:t: ':'~'::;~~fij~ +11:\:::;':. ",...-~ ..t; +K .j.; : : I :;; :I :":::" ~ :-: · · ,-,

jl . PI' .,p ~... . ;>1 • ~!,,'. i;!:l" ~ """'Ir -f-t--l- ....

tt~l lli' ,;Ii:11: .. :::i 'I: T: t f ~;..r.... :,+ ;:;·:t:t;·I:++f:::

~;;':Id; :1': :: .. '" ::·:1 ol lt-:; ~h- ~.: ~ :- .1.:::: u: ....1T~11;+Tti1:t:+

Et tj:: .. : ::j: t':IIUIlU-i- nl:t.~1 î:ht 1;;-: .... : .... ; ,il

::Ii

l;tr;:;L

r:t:;;...

1i:;;I:.:..;:

:+4+ ... ~... ,:. .. .;~. I j;~ -ril ! L.!~~ --;--f..~.... •• ,/.• • • _ .. _ • • • • • • .<- ,; 1.+++ 1.+H 1

IJ.·~-.,-" ... - - I '_{~ . _ 1... I·.t.}:;il ,

::1: ,It.t

fl'

..

I

I}

ntt

H

rT

:

' / :

.:

i:!! i i~

1:1:

liPlil:

n

,ft- ,: : e:r...;....

;0':-H- I It ~i.U....ol • • ;.L; •. • •• .. ..tl ...1tL. • -. <-t--!-

---+--I-: .. ---+--I-:.i; ;." :T :1;'; :Iil i' II11IAI,I! ililI !-:H ::;/.

::::1::::

:ll 'li: ::",IIl! jll! ::l: ;t-:::rt::r:i±:t~

t • •, . ; ,jIj .1 .. ....1. I . t ;1· I Ili1·nlt I . L-<.-< •• ':z;: ..~... j. . . . -~ . 1 • • 1 tij ;1.,dl_i -11 ,;1· ;'t-tllt:~l--:--' : :-~.

H

:

1

'1

1_{:11' :'~, :I}i l! 'I' 1 1 I~ . Ij: t:11:lj: _. ' . : : ' '''I;:::IIj! ::i: lill :jl II !I

11'

illll:!WII lEl! fIi+

-, 1" ,11.. 111 " :1 .,... é::1=~ ItUlt ..~:I 111, . I1 il ,11 111 1,,,It: n :tH .m

tt ~: jl i ; ;llj:: I t Ili;. I:H;1:: Li.'..r :.._j' :':":- . ".~I::tt ·t· :111 i: 1I

:t

l _{1:11 tp::::1} lilt:;;T:+t~